CC BY
36
УДК 622.03 https://doi.org/10.21440/2307-2091-2021-3-96-106
История и условия разработки основных месторождений каменного угля Минусинского угольного бассейна
Александр Александрович БАРСКИЙ* Александр Иннокентьевич КОСОЛАПОВ** Александр Геннадьевич АВЕРЬЯНОВ*** Александр Львович МАЦИЦКИЙ****
Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия
Аннотация
Актуальность работы. Рассматриваются горно-геологические параметры месторождений Минусинского угольного бассейна. Приводится историческая справка поиска, разведки и освоения участков недр. Проводится анализ и дается оценка перспектив и направлений развития угольных месторождений региона. Цель работы - определить влияние горно-геологических параметров Минусинского угольного бассейна на технологию разработки и перспективы развития через призму исторического этапа формирования угольной промышленности в регионе.
Результаты работы позволяют сделать выводы, что в период низкой механизации труда основным критерием экономической целесообразности разработки месторождения являлась простота геологического строения, а именно - выдержанные угольные пласты, небольшая мощность наносов и простые гидрогеологические условия. Вследствие этого на протяжении всей первой половины ХХ в. добычу угля в регионе вели подземным способом. Процесс развития горного оборудования и повсеместное его внедрение в производство на территории Минусинского угольного бассейна положило начало открытой разработке угольных месторождений. В настоящее время в условиях избытка энергетического угля и возрастающего спроса на высококалорийную товарную продукцию критерии целесообразности освоения нового участка недр смещаются в сторону качественных характеристик угля. Несмотря на сложность геологического строения, экономическая рентабельность месторождений с большей теплотой сгорания залегаемого угля становится выше. Конъюнктура рынка за счет более высокой цены на высококалорийную продукцию позволяет генерировать прибыль, при этом перекрывая затраты на разработку сложноструктурных и гидрогеологически сложных месторождений. Освоение месторождений Минусинского угольного бассейна в реалиях современного рынка выглядит перспективными как с точки зрения исходного сырья, так и с точки зрения применяемой технологии отработки.
Ключевые слова: уголь, угленасыщенность, Минусинский угольный бассейн, энергетический уголь, мировой и российский рынок угля, добыча.
Введение
Каждое месторождение уникально, оно имеет свою историю и требует оценки при определении технологии разработки. Под технологией разработки понимается комплекс мер и способов, направленных на осуществление процессов горных работ с целью извлечения полезного ископаемого из недр Земли в местах их естественного скопления, называемых месторождениями.
Существующие принципы выемки выделяют два основных способа разработки: открытая и подземная.
При открытой разработке добыча полезного ископаемого производится после полного его обнажения путем удаления вскрышных пород. Несомненными ее преимуществами являются и высокая степень экстенсификации без больших капитальных затрат, и более безопасные условия труда, обеспечивающие меньший показатель по травматизму.
Подземная разработка определяет строительство подземных выработок, с помощью которых осуществляют доступ к полезному ископаемому и его транспортировку на поверхность. Главное и единственное достоинство данного способа отработки - низкий уровень отрицательного воздействия на окружающую среду. Оно обусловлено отсутствием вскрышных пород и большого количества техники, работающей на углеводородном топливе.
Каждый из способов имеет свои положительные и отрицательные моменты, которые влияют на экономическую рентабельность разработки месторождения и учитываются в технико-экономическом обосновании (ТЭО). Разработка ТЭО ведется с учетом современных средств и методов ведения горных работ, рыночной стоимости добытого сырья, анализа горно-геологических параметров и дает комплексную оценку месторождению на предмет
Ьйрв://огс1<1. огд/0000-0002-5890-8463 "[email protected] "'[email protected]
https://orcid.org/0000-0002-5412-8953 ""[email protected]
целесообразности строительства добывающего предприятия при использовании какой-либо конкретной или разных видов технологий разработки.
Основными факторами, предопределяющими условия эксплуатации угольных месторождений, являются физико-технические свойства углей и вмещающих пород, гидрогеология, распределение запасов по месторождению, выдержанность строения и условия залегания угольных пластов. С учетом этих данных и определяют рентабельность каждого способа разработки.
Основным показателем, определяющим рентабельность открытой разработки с учетом горно-геологических факторов, является граничный либо предельный (линейный) коэффициент вскрыши [1]. Он устанавливает допустимый по экономической эффективности контур открытой разработки из учета стоимости товарного сырья и затрат на производственные процессы (подготовка пород к выемке, выемочно-погрузочные работы, транспортировка
горной массы, переработка добытого сырья и его обогащение, осушение выемки, затраты на соблюдение ОТ и ПБ в опасных условиях работ по газу, пыли и т. д.).
В условиях, когда суммарные затраты на разработку месторождения открытым способом превышают стоимость товарной продукции, граничный коэффициент вскрыши имеет отрицательное значение, и месторождение либо его часть резервируется под шахтное поле, т. е. рассматривается как перспективное с точки зрения подземной разработки. В случае, когда экономические показатели освоения нового, более глубокого горизонта становятся отрицательными, запасы недр относят уже к забалансовым.
Особенности угольных месторождений Республики Хакасия детерминировали путь их исторического развития: добыча угля ведется практически с момента зарождения угольной промышленности России и насчитывает более 240 лет. Первые данные о хакасских углях описаны
Рисунок 1. Обзорная карта-схема Минусинского прогиба: а - месторождения Южной-Минусинской котловины: 1 - Дубенское; 2 - Алтайское; 3 - Бейское; 4 - Аскизское; 5 - Изыхское; 6 - Черногорское; 7 - Кутень-Булукское; б - нижнекарбоновые отложения с высокозольными углями; в - продуктивные верхнепалеозойские отложения
Figure 1. Overview map-scheme of the Minusinsk trough: a - deposits of the South-Minusinsk depression: 1 - Dubenskoe; 2 - Altai; 3 - Beys-koe; 4 - Askizskoe; 5 - Izykhskoe; 6 - Chernogorskoye; 7 - Kuten-Bulukskoe; b - lower carboniferous deposits with high-ash coals; c - productive Upper Paleozoic sediments
в трудах П. С. Палласа. В 1772 г. при изучении южной части енисейской провинции немецкий естествоиспытатель и путешественник Петр Симонович Паллас, объезжая земли правобережья реки Абакан, указывает на уже разведанное месторождение угля и дает задание своему спутнику студенту Г. Зуеву их описать. «Я оставил на левой стороне реки студента Г. Зуева с тем, чтобы он ехал вперед на Карышский рудник и между тем описал бы два небольшие соленые озерка между Абаканом и Енисеем, лежащие против Лугазского завода, также и отысканные в горе Йойк (ныне гора Изых) на Абакане каменные уголья» [2].
Мощным импульсом развития угольной отрасли в регионе послужили растущие потребности енисейской речной флотилии и строительство железнодорожной ветки
Ачинск-Минусинск и Транссиба [3]. Потребность в угольном сырье стала возрастать, кустарный, мускульный труд не мог удовлетворить растущие объемы потребления горючего топлива [4], что логически привело к началу промышленного освоения разведанных месторождений и началу обширного геологического изучения угленосной толщи, что и привело к открытию Минусинского угольного бассейна.
Территориально Республика Хакасия располагается в южной части Минусинского каменноугольного бассейна, именуемого Южно-Минусинской котловиной (впадиной). Основными месторождениями, пригодными к промышленному освоению, считаются: Черногорское, Изыхское, Бейское и Аскизское (рис. 1). Выделенные месторождения
Масштаб:горизонтальный 1:200 000,вертикальный 1:100 000
А,
1000т
CtS0v Czcr С грЬ С3Ы
■1000-*
Рисунок 2. Схематическая геологическая карта и разрез Черногорского месторождения каменного угля Figure 2. Schematic geological map and section of the Chernogorskoye coal deposit
обладают четвертью всех балансовых запасов Минусинского угольного бассейна, что составляет 5,5 млрд т угля [5].
Горно-геологическая характеристика месторождений Минусинского угольного бассейна
Черногорское месторождение расположено в северозападной части Южно-Минусинской впадины в Черногорской мульде, которая представляет собой вытянутую в северо-восточном направлении брахисинклиналь с пологими (2о-6о) бортами, сложенную угленосными отложениями мощностью 600 м. Глубина залегания основных угольных рабочих пластов достигает 300 м, простирание пластов северо-восточное с падением на юго-восток (рис. 2).
Продуктивная толща содержит 48-50 угольных пластов и пропластков, из них 10 имеют промышленное значение. Наибольшую промышленную ценность имеют угольные пласты Великан I, II; Мощный; Гигант I, II, III (80 % запасов), ранее разрабатывались также угольные пласты Совхозный, Малый, Новый, Двухаршинный и совместно с другими угольными пластами - Безымянный и Непостоянный. Максимальная угленасыщенность отмечается на юго-западном и западном бортах Черногорской мульды, коэффициент угленосности составляет 9 %.
Газоносность углей значительно меньше нижнего допустимого предела (2 м3/т) и колеблется: по метану - во вмещающих породах 0-0,42 м3/т, в углях 0-0,51 м3/т; по углекислому газу - во вмещающих породах 0,03-0,27 м3/т, в углях 0,01-0,50 м3/т. Зависимости газоносности от глубины не выявлено.
К вскрышным породам относят алевролиты - 36 %, аргиллиты - 30 % и песчаники - 34 %. Гравийно-галеч-никовые отложения (1-12 м) являются наносами, приурочены к террасовому комплексу рек Енисей и Абакан и охватывают преимущественно юго-восточную часть месторождения.
Гидрогеологические условия на месторождении достаточно простые. Здесь выделяются три водоносных горизонта и две водоносные свиты. Наиболее водоо-бильным является верхний аллювиальный водоносный горизонт, приуроченный к аллювиальным отложениям, покрывающим юго-восточную часть месторождения. Водосодержащими породами этого горизонта являются песчано-гравийные отложения, галечники, супеси с включением гальки и гравия мощностью до 6-8 м. Воды порово-пластовые, безнапорные, они существенно увеличивают водопритоки в горные выработки.
На севере распространен аллювиальный водоносный горизонт ручья Кара-Сук. Средняя мощность песча-но-гравийных отложений 3,2 м, уровень грунтовых вод находится на глубине 4-11,7 м. Водоносный горизонт является безнапорным и не оказывает существенного влияния на формирование водопритоков в горные выработки.
Промышленное освоение Черногорского месторождения началось на северо-восточном и юго-западном бортах Черногорской мульды. На северо-востоке отрабатывался пласт Великан шахтой № 1 «Ермак» с 1908 по 1924 г. и шахтой № 2 - до 1928 г., которые были закрыты в результате пожара с надшахтного копра и дальнейшего распространения по отработанному пространству пласта. С 1924 по 1925 г. этот же пласт отрабатывали шахта № 5 «Хакасская» (глубиной 45 м) и с 1927 по 1928 г. шахта № 6 «Октябрьская» (глубиной 25 м), соединенные выработкой
и закрытые из-за значительного водопритока. На юго-западе месторождения до 1924 г. разрабатывались пласты Двухаршинный и Великан мелкими разведочно-эксплуатаци-онными шахтами № 1 и 2. В 1927 г. была заложена шахта № 7, в дальнейшем она была переименована в «Абаканскую». Шахта отрабатывала пласты Двухаршинный, Великан, Мощный, Гигант и действовала до 1979 г. В 1927-1929 гг. была построена шахта № 8 для обработки пластов Двухаршинный, Великан и Мощный, которая эксплуатировалась до 1971 г. К 1954 г. эти пласты в границах горного отвода были выработаны, позднее разрабатывались более глубокие горизонты продуктивной толщи (пласты Гигант I, II). В 1932-1933 гг. для обработки пластов черногорской свиты была заложена шахта № 9, действовавшая до конца 1930-х гг. В 1960 г. закладывается с тем же номером самая крупная шахта № 9 «Енисейская» с проектной производительностью 1 млн т угля в год. В 2010 г. она была затоплена водой. В 1957 г. была введена в эксплуатацию шахта № 17 «Хакасская», разрабатывавшая до 1966 г. пласт Новый. В 1967 г. в связи с его отработкой шахта была реконструирована и к разработке были приняты угольные пласты Великан II, Безымянный II, Мощный, Гигант I, II.
В 1956 г. был заложен первый участок открытых работ на выходах пласта Гигант в западной части месторождения, который получил название «Малый карьер». В 1975 г., согласно утвержденным ТЭО кондициям (Востсибгипро-шахт), был определен предельный контур глубины открытой разработки на пласты Гигант I, II, Мощный, Великан II. В результате подсчета запасов при линейном коэффициенте вскрыши 9 м/м были выделены для открытой разработки две площади: поле разреза Черногорский в составе двух эксплуатационных участков и Резервная площадь, отработка которых предусматривалась последовательно. Название «Черногорский разрез» сохранилось за эксплуатационным участком № 1 (бывший Малый карьер). Эксплуатационный участок № 2, синонимы - разрез Черногорский 1, переименованный в 1998 г. в разрез Степной. Резервная площадь - в настоящее время это участок Абаканский разреза Черногорский.
Печальной страницей в истории черногорского месторождения является трагедия на шахте № 8. В 1931 г. произошел взрыв угольной пыли, в результате которого погибло 109 человек. На тот период авария на шахте стала самой крупной в стране, и для выяснения ее причин была создана специальная комиссия, в состав которой вошли представители ОГПУ и прокуратуры. В результате расследования комиссия постановила признать причиной аварии нарушение техники безопасности при ведении горных работ, что привело к воспламенению и взрыву угольной пыли. Основным ответственным за трагедию был признан главный инженер, которого за халатное отношение к работе приговорили к высшей мере наказания. С момента этой трагедии и до сегодняшних дней взрыв на шахте № 8 является самым крупным происшествием на территории Минусинского угольного бассейна и является следствием недооцененности горно-геологического фактора со стороны человека.
Горно-геологические условия Черногорского месторождения делают рентабельной отработку открытым способом западной и юго-западной части. В этом месте
наблюдается максимальная угленосная толща и минимальная мощность вскрышных пород в месте выхода пластов под наносы, при этом угольные пласты на этой площади выдержанные, строение их в большинстве случаев простое и они имеют пологое залегание (2о-6о). По мере распространения месторождения в северо-восточном направлении отмечается общая тенденция увеличения мощности междупластий и глубины залегания основных промышленных пластов; как следствие, увеличивается коэффициент вскрыши, который превышает граничный. В 2018 г. в ГКЗ утверждены новые параметры кондиций запасов с увеличением линейного коэффициента вскрыши с 9 до 11 м/м. Увеличение предельных параметров способствовало снижению себестоимости экскавации вскрышной породы за счет применения более производительного оборудования. Тем самым часть балансовых запасов с шахтного поля была отнесена к открытой разработке.
Запасы Черногорского месторождения по состоянию на 2020 г. оцениваются в 2,2 млрд т, из них учтенных Государственным балансом более 1,4 млрд т. Под открытую разработку отведены чуть более 0,37 млрд т. В границах лицензионного поля действующих разрезов сосредоточены около 200 млн т. С учетом суммированной производственной мощности предприятий (14 млн т угля в год) отработка балансовых запасов будет вестись не менее 15 лет. Дальнейшие перспективы месторождения связаны только с подземной добычей в центральной и южной частях, так как оставшиеся 170 млн т угля, зарезервированные под открытую разработку, заблокированы расположением населенных пунктов.
Изыхское месторождение расположено в центральной части Южно-Минусинской впадины, в структурном плане оно представляет собой коробчатую мульду, вытянутую в северо-западном направлении, с пологим дном и крутыми (15о-17о) бортами. Изыхская мульда выполнена алевролитами - 48,5 %, песчаниками - 28 %, аргиллитами - 11,1 %, гравелитами + конгломератами - 1 %, известняками - 0,72 %, углями - 5,7 %, перекрытыми рыхлыми отложениями (супесями, суглинками и т. п.) -4,92 %. Здесь вскрывается полный (1800 м) разрез угленосных отложений (рис. 3).
В разрезе продуктивной толщи насчитывается до 85 угольных пластов и пропластков суммарной мощностью до 100 м, из них 18-25 пластов являются рабочими с общей полезной мощностью 60-75 м.
Изыхское месторождение было первым угольным проявлением, найденным в Хакасии, это фиксируется в книге «Путешествие по разным провинциям Российского государства» П. С. Палласа. Промышленное освоение началось в начале ХХ в. металлургическими компаниями. В разный период времени целесообразность разработки месторождения связывали с развитием металлургической промышленности, либо солеваренного дела, но из-за высокой удаленности решение так и не было принято [6].
С 1904 по 1926 г. на площади месторождения проводились кустарные разработки углей мелкими береговыми штольнями в 250 м от берега Абакана.
В 1906 г. началось изучение месторождения К. А. Ар-гентовым, установившим 24 угольных пласта суммарной мощностью 20,5 м [7].
В 1907 г. была открыта угленосная площадь «Каля-гинское месторождение» у с. Калягино в 2 км от Енисея. На этой площади в 1912-1914 гг. до глубины 50 м разрабатывался нижний из трех установленных угольных пластов мощностью 2,96 м. В 1917 г. открывается третья угленосная площадь «Калягинская разведка», расположенная в 4 км к северо-западу от «Калягинского месторождения». В 1930-е гг. основной объем добычи приходился на шахты, расположенные на правобережье Абакана. Здесь действовали с 1935 г. наклонная шахта № 1 и с 1939 г. -наклонная шахта № 2, расположенная в 700 м от первой на простирании угольного пласта. Суммарная годовая производительность шахт составляла 20-30 тыс. т угля. Месторождение разрабатывали несколько шахт: в 1947-1949 гг. -наклонная шахта № 3, в 1950-1954 гг. - наклонная шахта № 4 с суммарной годовой производительностью 35-40 тыс. т и в 1960-1964 гг. шахта № 5 с проектной мощностью 100 тыс. т, расположенная в 1 км от берега Абакана. Все три шахты были соединены общей горной выработкой и занимали площадь длиной 1100 м по простиранию, шириной 320 м по падению пластов, глубиной 80 м, что на 24,4 м было ниже уровня воды р. Абакан. Угольный пласт XXIV отрабатывался с 1960 по 1964 г. наклонной шахтой № 6 с годовой производительностью 30 тыс. т угля. На ее площади проводились незначительные разведочные работы с подсчетом запасов. Шахты были закрыты как нерентабельные в связи с переориентацией на добычу угля открытым способом.
В 1959-1961 гг. началась открытая разработка угля месторождения, был заложен карьер Изыхских копей глубиной 20 м. После реконструкции в 1970-е гг. его проектная производительность достигла 500 тыс. т, и он вошел в состав Изыхского разреза участком № 1. В 1973 г. введен в эксплуатацию Малый Изыхский разрез с проектной производительность 500 тыс. т. С 1976 г. началась разработка угля на Восточном участке (участок № 3 Изыхского разреза).
По инженерно-геологическим свойствам вскрышные породы Изыхского месторождения относятся к скальным - 3-10 %, полускальным - 80-90 % и несцементированным - 2-9 %. В группу скальных входят песчаники, алевролиты, аргиллиты, конкреционные образования с кремнистым, железистым и карбонатным цементом, к полускальным относятся осадочные породы на глинистом и известково-глинистом цементе, к несцементированным -гравийно-галечниковые отложения, суглинки, супеси, пески и глины. Горные породы обладают высокой механической крепостью, предел прочности на сжатие изменяется от 0,98 до 115 МПа с преобладающими значениями 19,658,8 МПа. Наименьшими прочностными свойствами обладают породы верхней приповерхностной части разреза (до глубины 50-60 м), охватывающей зону выветривания.
Качественные показатели угля изменяются по разрезу и на площади месторождения. Содержание влаги аналитической Ш увеличивается от нижних пластов к верхним и изменяется по пробам от 2 до 12,6 %, по средним показателям - от 3,6 до 10,4 %. Также прослеживается закономерное изменение зольности угля с запада к восточному, северо-восточному бортам Изыхской мульды, к району максимального углена-копления. Уголь Изыхского месторождения самый зольный в Минусинском угольном бассейне. Содержание золы Аа по средним показателям колеблется от 11 до 29,7 %.
Разрез по линии А1-А2-А3. Масштабвертикальныйигоризонтальный 1:200 000
Figure 3. Schematic geological map and section of the Izykhskoe coal deposit
Уголь не требует предварительного обогащения, склонен к самовозгоранию, опасен по пыли (обилие фюзена), силикозоопасный (8Ю2 больше 10 %) и негазоносный.
Фильтрационные свойства горных пород и их водо-обильность характеризуются значительной неоднородностью. Здесь выделяются те же водоносные горизонты, что и на Черногорском месторождении.
Основной верхний аллювиальный водоносный горизонт охватывает галечники, пески, распространенные только в северо-западной и северной частях месторождения. Они приурочены к долине р. Абакан. Фактически река блокирует северную часть.
Кроме северной части месторождения, заблокированной долиной реки Абакан, горно-геологические условия достаточно простые. Пласты выдержанные, основ-
ная часть имеет пологое залегание. Запасы распределены равномерно. На месторождении выделены три площади, на которых ведется открытая разработка угля, одна Перспективная площадь и участки Изыхские 1, 2, 3 в пределах карьерных полей № 1-2, предназначенных под открытую разработку угля, по которым подсчитаны и утверждены запасы по линейному коэффициенту вскрыши 10 м/м. В настоящее время месторождение отрабатывают два предприятия.
Перспективы развития месторождения осложнены петрографическим составом угля. Качественные характеристики Изыхского месторождения не отвечают критериям мирового спроса. Из-за высокой зольности энергетическая теплота сгорания изыхского угля самая низкая в Минусинском угольном бассейне.
Запасы месторождения составляют более 3,3 млрд т, но на баланс приняты менее 0,5 млрд т угля.
Бейское месторождение - расположено на правом берегу р. Абакан, в 20-25 км юго-западнее Изыхского месторождения. Месторождение было открыто в 1920 г. В. И. Яворским, установившим несколько пропластков угля на горе Сосновой. По верхнему и нижнему угольным пластам были заложены две наклонные шахты «Красные копи» глубиной 22 м (с 1926 по 1931 г. законсервированные). Одна из шахт, переименованная в 1939 г. в «Бей-скую», эксплуатировалась до 1960 г. (до начала открытых разработок на Изыхском месторождении). Она разрабатывала угольные пласты 9-й и 13-й с годовой производительностью 6-8 тыс. т.
Месторождение представлено мульдой (Бейская) площадью 300 км2, вытянутой в субширотном направлении (рис. 4).
Наибольшая глубина погружения угленосной толщи - от 1300 до 1400 м. Северное крыло Бейской мульды в целом имеет простое строение с углами падения пластов от 4о-6о до 10о-14о на большей части его площади и только на западе они увеличиваются до 40о-60о. Западная часть крыла осложнена дизъюнктивными нарушениями. В восточной части месторождения угольные пласты северного крыла погружаются к субширотной оси синклинали под углом 5о. В центральной и замковых частях синклинали углы падения пород не превышают 1о-2о. Южное крыло, субширотно ориентированное, имеет сложное строение. Оно характеризуется неоднократным волнообразным изменением углов падения пород по одной и той же линии в интервале углов 10о-35о. В целом углы падения пластов увеличиваются по южному крылу с запада на восток от 18о до 40о-50о и снова выполаживаются до 12о-15о в замковой восточной части.
Продуктивная толща содержит 40 угольных пластов мощностью 0,6-11,9 м и 22-25 угольных пропластков
мощностью 0,05-0,6 м. На месторождении рабочие угольные пласты распределены неравномерно, и в пределах участков в промышленную разработку включены разные группы пластов. С востока на запад нарастает общая и рабочая угленосность продуктивной толщи. Общий коэффициент угленосности на участках открытой отработки составляет: Чалпан - 18,8 %, Кирбинский - 19,5 %, Арша-новские I, II - 20-21 %, Западный - до 23 %.
Подземные воды Бейского месторождения имеют аллювиальный водоносный горизонт и угленосный водоносный комплекс в составе нескольких горизонтов. Коэффициент фильтрации изменяется от 3,5 до 601 м/сут и зависит от гранулометрического состава пород. По гидрогеологическим условиям месторождение, за исключением восточной замковой части, относится к сложным и требует предварительного осушения.
Горно-геологические условия сложные и определяются большим диапазоном падения пластов, наличием обводненных галечников, горельников и склонных к пучению аргиллитов. Строение пластов сложное, обусловленное чередованием петрографических разностей угля и присутствием породных прослоев. Основными промышленными пластами в пределах всего месторождения являются 19-й и 15-й, имеющие наибольшую мощность. Нижняя граница открытых горных работ на площади Бейского месторождения определена по предельному линейному коэффициенту вскрыши 9 м/м, согласно кондициям, утвержденным ГКЗ в 1966 г. Технико-экономическое обоснование, выполненное в 2015 г. ООО «Управлением проектных работ «Красноярскуголь», предельный линейный коэффициент вскрыши на уровне 9 м/м подтвердило экономическим расчетом. В условиях сложно-структурных месторождений с наличием большого количества маломощных породных прослоев, применение высокопроизводительного оборудования не влечет снижение себестоимости, так как развить весь возможный
Разрез по линии А,-А2
Рисунок 4. Схематическая геологическая карта и разрез Бейского месторождения каменного угля Figure 4. Schematic geological map and section of the Beyskoye coal deposit
потенциал техники достаточно проблематично. По этой причине прирост запасов под открытую разработку в ближайшее время невозможен, но и на данный момент количество угля, которое планируют добыть открытым способом, огромно. По состоянию на 2021 г. в контуре открытой разработки действующих предприятий запасы Бейского месторождения составляют около 3 млрд т и еще 0,5 млрд т находится в нераспределенном фонде. В связи с этим перспективы открытой разработки зависят только от развития альтернативных источников энергии (ВИЭ), которые, возможно, заменят углеводородное топливо в необозримом будущем [8].
Аскизское месторождение представляет собой небольшую, совершенно изолированную синклиналь (Сар-ская мульда), в пределах которой угленосные отложения занимают площадь 30 км2. По сравнению с другими разведанными месторождениями Минусинского бассейна Аскизкое является наиболее удаленным на юго-запад. Изучение месторождения началось в 1912 г. с целью снабжения Абаканского железоделательного завода горючим топливом. В 1932-1933 гг. из шурфа № 1 началась отработка угольного пласта Колхозного мощностью 1,9 м. В 1938 г. на месте шурфа была заложена наклонная шахта № 1, отрабатывавшая этот пласт до глубины 20 м, а рядом с ней -наклонная шахта № 2 глубиной 8 м. Шахты находились в центре мульды. Всего по пласту Колхозному за 1933-1938 гг. (суммарно по всем шахтам) было добыто 2230 т угля. В 1948 г. на месте горного отвода этой шахты площадью 30 тыс. м2 была заложена шахта «Аскизская» (вертикальная шахта № 3). Годовая производительность шахты «Аскиз-ской», просуществовавшей до начала 1950-х гг., не превышала 6-8 тыс. т. В 1942 г. в верхних горизонтах пласта Колхозного при выходе его на дневную поверхность (вблизи вертикальной шахты № 2) из-за несоблюдения условий эксплуатации возник пожар, перекинувшийся после осадки поверхности и раздавливания предохранительных целиков на нижние горизонты пласта. Полностью выгорела площадь размером 2 х 4 км. В связи с пожаром в пределах горного отвода остались неотработанными целики в северо-восточном крыле шахт № 2 и № 3 («Аскизская»). В 1952 г. начал проектироваться новый участок горного отвода северо-западнее первого, к которому после локализации пожара предполагалось прирезать по простиранию на юго-восток дополнительную площадь. В связи с выделением участков под открытую разработку угля на других месторождениях Минусинского бассейна проектирование участков под шахтное строительство на Аскизском месторождении было прекращено.
Месторождение расположено в южной части Аскиз-ской синклинали и приурочено к одноименной Аскизской (синоним - Сарской) мульде, представляющей широтную, резко асимметричную синклинальную складку II порядка с крутым (50о-80о) южным крылом и пологим (10о-15о) северным.
Продуктивная толща мощностью 620 м сложена конгломератами и гравелитами - 10,9 %; песчаниками - 27,0 %; алевролитами - 6,4 %; аргиллитами - 8,7 %; углистыми аргиллитами - 2,2 %; углями - 4,8 %. Угленосные отложения содержат 58 угольных пластов и пропластков, из них рабочей мощности (больше 0,6 м) достигают 26 пластов суммарной мощностью на отдельных участках до 30 м.
К рабочим на месторождении отнесены 28 угольных пластов мощностью более 0,6 м, из них по 25 пластам в пределах участков подсчитаны запасы. Проектировалась разработка южного крыла наклонными шахтами до глубины 150 м. В центральной части месторождения, где распространены пологозалегающие рабочие угольные пласты, предполагалось заложить по оси структуры три вертикальные шахты (в центре мульды и на флангах), что дало бы возможность отработать также северное крыло Аскизской мульды.
Глубина залегания угольных пластов на крыльях при выходах под наносы не превышает 0,5-8 м, редко достигает 20 м. Нижний пласт залегает на крыльях структуры на глубине 5 м, а в ее центральной части достигает глубины 494 м. Наиболее высокий по разрезу промышленный пласт 23 залегает на глубинах 5-23 м, в среднем 12 м от дневной поверхности. Наибольшая глубина залегания угольных пластов отмечается в центральной части мульды, приближенной к южному крылу. В западной замковой части угольные пласты падают на восток, в восточной -на запад, в центральной части синклинали залегают горизонтально.
На ограниченной площади в центральной части месторождения предполагалась открытая разработка угля верхних пластов для местных топливных нужд. По горнотехническим условиям она близка к открытым разработкам угля Черногорского месторождения.
Уголь дает небольшой процент (15-20 %) мелочи и требует обогащения. Он газоносный, содержит углекислоту и метан, взрывоопасен по пыли, подвержен самовозгоранию.
Горно-геологические условия осложнены строением угольных пластов и наличием большого количества угольных пропластков, из-за малоамплитудных послойных и вертикальных дизъюнктивов, в большей степени приуроченных к южному крылу, отмечаются пережимы и раздувы угольных пластов. Наибольший коэффициент угленосности располагается в центральной части аскиз-ской мульды, где глубина залегания достигает максимальных значений (494 м). В связи с этим перспективы открытой разработки незначительны, так как угольные пласты являются маломощными, часть запасов под открытую разработку выгорели вследствие техногенного пожара, сами запасы угля распределены неравномерно, наблюдается увеличение от краев мульды к ее центру. Перспективы подземной разработки также незначительны. Условия залегания, мощность угольных пластов и наличие пропластков не позволяет спроектировать предприятие с большой производственной мощностью, а наличие метана делает разработку не только более дорогостоящей, но и опасной.
Балансовые запасы месторождения скромные, оцениваются в 124 млн т, забалансовые - 37 млн т. Промышленное освоение в данное время не ведется.
Перспективы разработки месторождений Минусинского угольного бассейна
Технология открытой добычи по сравнению с подземным способом отработки является более универсальной. Кроме этого, за счет увеличенной рабочей зоны и возможности использования «мощной» техники открытая разработка является более производительной, чем подземная.
Таблица 1. Качественная характеристика угля основных месторождений Минусинского каменноугольного бассейна Table 1. Qualitative characteristics of coals of the main deposits of the Minusinsk coal basin
Показатели Месторождения (от-до/среднее)
Черногорское Изыхское Бейское Аскизское
Ad, % 12,1-24,0/15,6 11,0-29/7/20,4 6,6-17,8/12,3 17,2-25,5/17,0
Wtr, % 7,1-17,4/14,0 8,2-14,7/11,1 5,3-16,7/9,6 9,0
Vdaf, % 26,0-51,0/41,0 35,0-45,7/40,3 39,0-44,0/41,0 41,8-47,0/44,7
Odaf, % 11,4-15,1/14,3 8,5-16,9/13,4 11,7-12,7/12,0 6,0-14,1/11,2
Qi daf, ккал/кг 4657-6306/5446 4180-5637/5040 4992-6377/6043 5064-7571/6258
За 2020 г. среднемесячная производительность труда на угольных разрезах составила 403,5 т, на шахтах почти в два раза меньше - 206,3 т [9]. При этом удельная смертность на единицу добытой горной массы при подземных работах примерно в 40 раз выше, чем при открытых [10].
В условиях монетизации1 угольных ресурсов и экономической уязвимости подземного способа при нестабильной стоимости угля на мировом рынке и высоких капитальных затратах [11] открытая разработка будет иметь преимущество и являться преобладающей. В связи с этим перспективы развития разработки угольных месторождений напрямую будут зависеть от ряда факторов:
- горно-геологические - возможность разработки открытым способом;
- экономические - рост потребления угольного сырья.
По оценкам BP Energy Outlook 2019 [12], страны Европы
планируют к 2030 г. сократить потребление угля на 39 %, но в странах Азиатско-Тихоокеанского региона (АТР), напротив, прогнозируется рост, в особенности потребление наращивает Индия [13]. По данным "The Economic Times", за период с апреля по декабрь 2019 г. индийские производители электроэнергии увеличили импорт на 17,6 % по сравнению с соответствующим периодом 2018 г. [14]. А в 2020 г. по отношению к 2010 г. на фоне экономического подъема потребление угля в Индии и Китае выросло на 33 и 11 % соответственно [15]. Однако несмотря на прогнозируемый рост, ужесточаются требования к критериям качества угольной продукции. Рынок АТР увеличивает спрос на энергетический уголь с низким содержанием примесей и повышенной теплотой сгорания. В связи с этим восточное направление является ориентирующим, но рентабельность освоения месторождений будет зависеть не только от их близости к восточным угольным терминалам, но и от возможности угольных месторождений предоставить желаемый продукт с повышенной теплотой сгорания [16].
Каменный уголь Минусинского бассейна является хорошим энергетическим топливом. По содержанию золы -среднезольный (табл. 1). Самыми зольными являются угольные пласты Изыхского месторождения (11,0-29,7 %). Черногорские и аскизские занимают промежуточное положение, причем зольность последних несколько выше первых. Малозольными являются угольные пласты Бей-ского месторождения (6,6-17,8 %). На площади бассей-
1 Монетизация - это процесс конвертации чего-либо в законное платежное средство. Уровень монетизации экономики - отношение денежной массы (наличные деньги и денежные средства на счетах предприятий и вкладов населения в банках) к объему валового внутреннего продукта (ВВП). Монетизация - это процесс получения дохода в денежном эквиваленте.
на, в направлении с севера на юг от Черногорского месторождения через Изыхское и Бейское к Аскизскому, отмечается некоторая закономерность в изменении качественных показателей угля. Изменения выражаются в снижении содержания влаги, повышении содержания углерода и теплоты сгорания.
В целом в условиях рынка основополагающим фактором, влияющим на прибыль, будет качество угля, и в Минусинском угольном бассейне выделяется Аскизское месторождение с наибольшей теплотой сгорания топлива (6258 ккал/кг). Но горно-геологические параметры месторождения не позволяют сделать его рентабельным. Содержание метана делает отработку месторождения подземным способом опасным и дорогостоящим. Тонкие пласты месторождения, составляющие 37 % от общих балансовых запасов, которые являются и так сравнительно небольшими, непригодны к открытой разработке. Ко всему прочему, верхний угольный пласт Колхозный, который проектировался под открытую разработку, вследствие техногенного пожара практически весь выгорел. При наличии в Минусинском бассейне в достаточном количестве разведанных запасов для отработки карьерами аскизский уголь, несмотря на его высокое качество, неперспективен.
Гидрогеологические характеристики Черногорского месторождения благоприятные, и количество подземных вод значительно меньше, чем на Бейском. Но качество угля, даже с учетом его обогащения, снижает конкурентоспособность и ограничивает его дальнейшее освоение в восточной части месторождения, в направлении которого коэффициент вскрыши становится значительно выше граничного.
Перспективы Изыхского месторождения, несмотря на оцениваемые запасы, ограничены его качеством, которое значительно ниже, чем у других.
Несмотря на сложные гидрогеологические параметры Бейского месторождения, качественные характеристики и огромные запасы, отведенные под открытую разработку, делают его наиболее привлекательным. Согласно стратегии социально-экономического развития Республики Хакасия, к 2030 г. объем добычи на Бейском каменноугольном месторождении может достичь 26 млн т угля. С учетом балансовых запасов и возможным годовым объемом добычи Бейское месторождение сможет продлить статус старейшего угольного региона страны как минимум до 2150 г. К этому времени человек либо перейдет к иному источнику энергии, либо конъюнктура рынка и новые технологии сделают снова экономически рентабельными остальные месторождения Минусинского угольного бассейна.
ЛИТЕРАТУРА
1. Билин А. Л. Классификация коэффициентов вскрыши // ГИАБ. 2014. Отд. статья. С. 52-63. URL: http://www.giab-online.ru/files/ Data/2014/12/09_52-63_Bilin.pdf
2. Паллас П. С. Путешествие по разным провинциям Российского государства. СПб, 1788. Ч. 3 (1). 535 с.
3. Панов А. П. Абакано-Енисейский каменноугольный бассейн: геологический очерк. Минусинск: Электротипография Т-ва «Сотрудник», 1919. 17 с.
4. Лазарев Л. А. Угольная промышленность РСФСР (Подмосковный, Донецкий бассейны, Урал, Сибирь, Туркестан) к 1921 г.: конспект-справочник для лекторов, агитаторов, 1921. С. 51-52.
5. Федотова В. А. Модернизация банка данных по каменноугольным месторождениям Минусинского бассейна. Красноярск, 2001. Кн. 2.
6. Яворовский П. К. Горное дело в западной части Ачинско-Минусинского горного округа // Горный журнал. 1894. № 11. С. 145-184.
7. Аргентов К. И. Отчет о геологических исследованиях и разведках на каменный уголь на горе Изых Минусинского уезда Енисейской губернии в 1906 г. // Горный журнал. 1909. Т. 4. № 12. С. 143-165.
8. Яновский А. Б. Уголь: битва за будущее // Уголь. 2020. № 8. С. 9-14. http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-8-9-14
9. Таразанов И. Г., Губанов Д. А. Итоги работы угольной промышленности России за январь-декабрь 2020 года // Уголь. 2021. № 3. С. 27-43. http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2021-3-27-43
10. Оксман В. С., Трубецкой Н. К., Гражданкин А. И. Анализ летальных несчастных случаев в горнорудной и нерудной промышленности России // Безопасность труда в промышленности. 2021. № 3. С. 28-35. http://dx.doi.org/10.24000/0409-2961-2021-3-28-35
11. Ильин С. А., Пастихин Д. В. Состояние и перспективы развития открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых // ГИАБ. 2013. С. 364-383.
12. Линник Ю. Н., Линник В. Ю., Жабин А. Б., Поляков А. В., Цих А. Анализ конъюнктуры и прогноз рынка угля // Уголь. 2020. № 5. С 34-38. http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-5-34-38
13. Зайнулин Е., Скорлыгина Н. Хинди руси угль-угль. У Индии пробудился аппетит ко всему коксующемуся // Коммерсантъ. 2020. № 151/П. С. 1. URL: https://www.kommersant.ru/doc/4465798
14. В Индии увеличилось потребление угля в энергетике // ИА «Красная Весна». 2020. 23 января. URL: https://rossaprimavera.ru/ news/04a51e18
15. Аналитический центр при правительстве РФ. Перспективы мирового угольного рынка // Энергетический бюллетень. 2021. № 96. С. 16-21.
16. Исламов С. Р. Термическая переработка как новый уровень обогащения угля // Уголь. 2020. № 5. С. 50-55. https://dx.doi. org/10.18796/0041-5790-2020-5-50-55
Статья поступила в редакцию 13 июля 2021 года
УДК 622.03 https://doi.org/10.21440/2307-2091-2021-3-96-106
History and conditions of development of the main coal deposits of the Minusinsk coal basin
Aleksandr Aleksandrovich BARSKIY* Aleksandr Innokent'evich KOSOLAPOV** Aleksandr Gennad'evich AVER'YANOV*** Aleksandr L'vovich MATSITSKIY****
Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia
Abstract
The relevance of the work. The article deals with the mining and geological parameters of the Minusinsk coal basin deposits. The historical reference of the search, exploration and development of subsurface areas is given. The article analyzes and evaluates the prospects and directions of development of coal deposits in the region. Purpose of this research - to determine the influence of mining and geological parameters of the Minusinsk coal basin on the development technology through the prism of the historical stage of the formation of the coal industry in the region. The results of the work performed allow us to conclude that during the period of low mechanization of labor, the main criterion for the economic feasibility of developing a field was the simplicity of the geological structure, namely, seasoned coal seams, low sediment capacity and simple hydrogeological conditions. As a result of this factor, throughout the first half of the 20th century, coal mining operations in the region were conducted underground. The development of mining equipment and its widespread introduction into production on the territory of the Minusinsk coal basin marked the beginning of open-pit mining of coal deposits. At present, in the conditions of an excess of thermal coal and an increasing demand for high-calorie commercial products, the criteria for the feasibility of developing a new subsurface area are shifting towards the quality characteristics of coal. Despite the complexity of the geological structure, the economic profitability of deposits with a higher calorific value of the deposited coal becomes higher. The market environment, due to the higher price of high-calorie products, allows you to generate profit, while covering the costs of developing complex structural and hydrogeologically complex deposits. The development of the Minusinsk coal basin deposits in the realities of the modern market looks promising both from the point of view of raw materials and from the point of view of the applied mining technology.
Keywords: coal, coal saturation, Minusinsk coal basin, power coal, world and Russian coal market, mining.
REFERENCES
1. Bilin A. L. 2014, Classification of stripping coefficients. Gorniy informatsionno-analiticheskiy byulleten' [Mining informational and analytical bulletin], a separate article, pp. 52-63. (In Russ.) URL: http://www.giab-online.ru/files/Data/2014/12/09_52-63_Bilin.pdf
2. Pallas P. S. 1788, A journey through different provinces of the Russian state. Saint Petersburg, part 3 (1), 535 p.
3. Panov A. P. 1919, Abakan-Yenisei coal basin: geological essay. Minusinsk, 17 p. (In Russ.)
4. Lazarev L. A. 1921, Coal industry of the RSFSR (Moscow region, Donetsk basin, Ural, Siberia, Turkestan) by 1921: a summary guide for lecturers, agitators, pp. 51-52. (In Russ.)
5. Fedotova V. A. 2001, Modernization of the data bank on coal deposits of the Minusinsk basin. Krasnoyarsk, book 2. (In Russ.)
6. Yavorovsky P. K. 1894, Mining in the western part of the Achinsk-Minusinsk mining district. Gorniy zhurnal [Mining journal], no. 11, pp. 145-184. (In Russ.)
7. Argentov K. I. 1909, Report on the geological research and exploration of coal on the mountain Izukh, Minusinsk district Yenisei province in 1906. Gorniy zhurnal [Mining journal], vol. 4, no. 12, pp.143-165. (In Russ.)
8. Yanovsky A. B. 2020, Coal: the battle for the future. Ugol' [Coal], no. 8, pp. 9-14. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-8-9-14
9. Tarazanov I. G., Gubanov D. A. 2021, Results of the work of the coal industry of Russia for January-December 2020. Ugol' [Coal], no. 3, pp. 27-43. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2021-3-27-43
10. Oxman V. S., Trubetskoy N. K., Grazhdankin A. I. 2021, Analysis of fatal accidents in the mining and non-metallic industry of Russia. Occupational safety in industry, no. 3, pp. 28-35. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.24000/0409-2961-2021-3-28-35
11. Il'in S. A., Pastikhin D. V. 2013, The state and prospects of development of the open method of mining mineral deposits. Gorniy informatsionno-analiticheskiy byulleten' [Mining informational and analytical bulletin], pp. 364-383. (In Russ.)
12. Linnik Yu. N., Linnik V. Yu., Zhabin A. B., Polyakov A. V., Zich A., 2020, Analysis, research and forecast of the coal market. Ugol' [Coal], no. 5, pp. 34-38. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-5-34-38
13. Zainulin E., Skorlygina N. 2020, Hindi Rusi coal-coal. India's appetite for everything coking has awakened. Kommersant, no. 151/P, p. 1. (In Russ.) URL: https://www.kommersant.ru/doc/4465798
14. 2020, Coal consumption in the energy sector has increased in India. Red Spring News Agency, January 23. (In Russ.) URL: https://rossapri-mavera.ru/news/04a51e18
15. 2021. Analytical Center under the Government of the Russian Federation. Prospects of the global coal market. Energy bulletin, no. 96, pp. 16-21. (In Russ.)
16. Islamov S. R. 2020, Thermal processing as a new level of coal enrichment. Ugol' [Coal], no. 5, pp. 50-55. (In Russ.) https://dx.doi. org/10.18796/0041-5790-2020-5-50-55
The article was received on Julay 13, 2021
https://o rcid .org/0000-0002-5890-8463 "[email protected] *"[email protected]
https://orcid.org/0000-0002-5412-8953 ""[email protected]
