CC BY
67
НАР 3
КЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯК
МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99
I
^ В.В. Кирюков, О.А. Кущ,
2000
УДК 622.333:55
В.В. Кирюков, О.А. Кущ
ПРОБЛЕМЫ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАЗВИТИЯ УГЛЕДОБЫВАЮ ЩЕЙ ОТРАСЛИ ДОНБАССА
Р
азвитие основной энергетической базы Европейской части России и Украины - Донецкого бассейна обусловлено комплексом геологического обеспечения реструктуризации угледобывающей отрасли - выбором эффективно работающих предприятий и угольных пластов, обеспечением смены выбывающих мощностей и созданием эффективного задела на ближнюю и дальнюю перспективу.
Общая характеристика газоугольной сырьевой базы Донбасса. Общая особенность угленосной формации Донбасса в целом и в частности его 23 геолого-промышленных районов -относительно невысокая угленосность, сверхнизкая технологическая эффективность угольных пластов и соответственно шахтных полей при достаточных геологических ресурсах.
Ресурсы углей Украинской части Донецкого бассейна на 1.01.97 составляли 101,2 млрд. т, балансовые запасы - 53 млрд. т (52,4 % геологических), в том числе коксующиеся 16,8 млрд. т - 31,5 % и антрациты -8,33 млрд. т - 15,7 %. Распределение балансовых запасов по мощности угольных пластов на полях действующих шахт в среднем по бассейну: в неэффективных пластах до 0.8м -42,5 %, условно-эффективных более 0,8 м - 57,5 %, в том числе эффективных более 1,0 м - 34,2 %, или высоко эффективных более 1,2 м - 16,4 % [2-4,8]. Угли бассейна представлены разнообразными стадиями изменения: энергетические переходные от
бурых к каменным, энергетические умеренного, среднего и высокого ранга изменений, технологические среднего ранга и антрациты. Зольность углей преимущественно средняя - 8-15 %, теплота сгорания - 30,1-36,0
МДЖ/кг, с крупным недостатком -средней 1,5-2,5 % и высокой более 3,5 % сернистостью.
На 1.01.97 г. в бассейне работало 242 шахты, добыча угля составляла 70,9 млн.. т в 1997 г. Резерв под новое строительство (группа «а») составлял 49 разведанных участков на предполагаемую мощность 98,4 млн. т в год, из них 22 коксующихся углей на 35,4 млн.. т и 63 участка для реконструкции действующих шахт (резерв группы «б»). Подсчет запасов проводился до глубин 12001500 м, а на отдельных площадях до 1600-1800 м. [2-4].
Ресурсы Российской части Донецкого бассейна (Ростов-ская обл.) на 1.01.1995 составили 22,66 млрд. т, в т.ч. балансовые - 7,87 млрд. т (34,73 % геологических), сравнительно немно-го коксующихся - 0,288 млрд. т. (4,4 % балансовых), антрациты 6.8 млрд. т (86,42 % балансовых). Соотношение запасов по эффективности соответствует общедонецкому распределению: в неэффективных пластах мощностью менее 0,7 м - 23 % запасов, а в наиболее эффективных мощностью более 1,2 м всего 15,5 % (доля в добыче более 50 %!) [3,4,6].
В бассейне к началу реструктуризации работало 26 шахт ПО Гуков-уголь и 29 шахт Ростовуголь при общей добыче до 35 млн.. т, резерв разведанных участков составил гр. «а» -12 уч. на мощность 1,2-2.1 млн. т ка-
ждый, глубины 600-1100 м, гр. «б»-15 участков, кроме того предварительно изученных перспективных 21 участков.
К сожалению, подготовленный резервный фонд в значительной мере дисквалифицирован вследствие происшедшего в последние годы коренного пересмотра экономики угледобычи. Основным недостатком разведанного фонда «а» является его жесткость по параметрам предполагаемой шахты - мощность, срок службы, до 80 % малоэффективных угольных пластов вовлекаемых в отработку (по нормативно установленным экономически необоснованным кондициям), преобладающие глубины отработки в Восточном Донбассе - 800-1000 м; фонд «б» привязан к действующим шахтам без учета их перспективности.
Ресурсы углеводородных газов в угольных пластах и углевмещающей толще Донбасса, согласно усредненной оценки ВНИГРИ уголь, составляют 645,3 3 млрд.. м3 из них в пределах шахт 292,7 млрд. м3. Основным недостатком системы учета ресурсов метана является их усреднен-ность по шахтопластам в пределах газовой зональности и невозможность или ограниченность дифференциации учетом действия природных ресурсов по извлекаемости с геологических факторов - формы нахождения, типа флюидов, нормальных давлений и АВПД, типов миграции, экранирования, типов ловушек угольного метана.
Факторы развития угледобычи учитываемые при оценке сырьевой базы разнообразны. Это текущие краткосрочно действующие и факторы долгосрочной перспективы. Для каждого временного этапа ставятся разные задачи и применяются различные методы их исполнения.
К текущим задачам относится: геологическое обоснование ранжирования шахт по перспективности: перспективные - не нуждающиеся в государственной поддержке, ограниченно перспективные - нуждающиеся в государственной поддержке, неперспективные - намеченные к закрытию; обеспечение отработки эффективных угольных пластов с целью компенсации падения угледобычи на неэффективных выводимых из эксплуатации угольных пластах, обеспечение закрытия шахт с наименьшими экологическими и геологически-
ми (в т.ч. по ресурсам) вредными последствиями.
Задачей ближайшей перспективы является: замена на короткий (до 10-15 лет) срок выбывающих мощностей закрывающихся шахт путем освоения участков под малые нетиповые шахты с эффективны-ми угольными пластами неглубокого (до 300 м) заложения. По марочному составу это разнообразные угли в пластах мощностью более 1 м пологого или наклонного залегания. Запасы этих нетиповых участков обеспечивают добычу малыми шахтами мощностью до 100150 тыс т в год при минимальных инвестициях на вскрытие, отработку, инфраструктуру. Как правило, к малым шахтным полям относятся участки, примыкающие к действующим или закрытым шахтам по падению, простиранию, ниже или выше в стратиграфическом разрезе, а также блоки оставшиеся по разным причинам неотработанными в пределах работающих и закрытых шахт. Требования к шахтам малой мощности (нетиповым): минимальная инфраструктура, глубина заложения не более 300 м, один-два отрабатываемых угольных пласта, максимальная добыча, минимальный резерв проветривания, наличие транспортных условий, обеспеченность мощности запасами на 10-15 лет с соответствующими сроками службы крепи, выработок, вспомогательных устройств и др., исключающими необходимость реконструкции или требующие незначительной модернизации [1].
Задачей дальней перспективы на период более 15 лет, т.е. до 2012-2015 г.г. (оптимальный срок строительства крупных предприятий и глубоких стволов, вскрывающих горизонты на глубинах 1000-1200 м.) будет подготовка шахт из резерва разведанных участков, причем запасы энергетических углей будут вскрываться на еще не освоенных площадях с большими расходами на инфраструктуру, но с отработкой с поверхности. Это районы северного, северо-восточного и западного Донбасса, а для технологических углей и антрацитов это площади в освоенных районах с минимальными затратами на инфраструктуру, но необходимостью дорогостоящего вскрытия системой глубоких стволов. Геологическими задачами являются: обо-снование мест заложения глубоких стволов со вскрыти-
ем максимальных концентрированных запасов и обеспечением длительной
- на многие десятки лет - максимальной нагрузки на стволы, обеспечивающие на долевом участии работу нескольких модульных шахт с относительно короткими сроками эксплуатации. Отдельные Программы строительства глубоких шахт (например ДОНУГИ - строительства 20 глубоких шахт и Программы для Восточного Донбасса - 5 шахт) необходимо рассматривать как программы строительства глубоких стволов, являющихся базовыми для строительства модульных шахт [4,6,8]. Требования к модульным шахтам умеренной и большой мощности: схема - шахта -пласт, основная (полная) нагрузка на один мощный очистной забой, при полном отсутствии запасных (резервных); отработка нескольких пластов (добыча из нескольких забоев) допускается в ограниченном числе случаев; эффективная нагрузка на один забой пласт мощностью более 1м - 2-3 тыс. т/сутки; подвизанию лавы отдается оптимальное предпочтение сравнительно с длиной лавы; срок службы предприятия не более 15 лет. Эффективная работа новых современных модульных шахт возможна только при предварительной заблаговременной дегазации горного массива скважинами с поверхности. Размеры, положение, параметры модульных шахт устанавливаются исходя из условий привязки к глубокому стволу. Смена приоритетов срока службы - длительный срок службы ствола при максимальной его нагрузке и минимально допустимый срок службы очистных забоев при максимальной их производительности (до 23 тыс. т/ сутки).
Требования к предварительной дегазации: опережение на 2-5 лет, повторное проведение предварительной дегазации, систематическая весь период отработки и после завершения и закрытия шахты несколько лет дегазация отработанного горного массива и пространства.
Геологическое обеспечение создания прибыльной шахты. Прибыльное угольное производство может быть создано как новое или на базе перспективных или санированных при реструктуризации стабильно рабо-
тающих предприятий следующими путями:
• избирательной отработкой наиболее производительных по мощности (эффективных) угольных пластов;
• опережающей отработкой шахтных полей и участков с наиболее благоприятными ГГУ;
• улучшением потребитель-ских свойств и установлением наряду с традиционными новых направлений использования углей;
• более полным использованием всей извлекаемой при добыче горной массы, минерализо-ванных вод, извлечением и использованием угольного метана.
Геолого-промышленные параметры и их роль в геологических способах повышения эффективности угледобычи.
Анализ влияния более 22 горногеологических параметров на горный процесс угольных шахт Донбасса показал их исключительное разнообразие по величине и размерностям получаемых значений и способам определения, измерения и сопоставления. Сложной задачей оказалось использование этих горно-геологических параметров в геологических методах повышения эффективности горного производства. На практике пришлось ограничиться избирательным использованием ведущих параметров.
Параметры относящиеся непосредственно к углю, как основной продукции горного производства, определяют его потребительскую стоимость. Марочный состав углей определяет их ценность как энергоносителей и как технологического сырья и устанавливается по нормативному (по ГОСТ) комплексу показателей и испытаний, ограничивающих направления и условия использования углей, роль и взаимозаменяемость в составе шихт коксования и др. Основная трудность оценки этих параметров - в их неравнозначности, несопоставимости, изменениях, связанных с конкретными условиями.
Качество углей - включает как исходное природное свойство - зольность, так и засорение углей при отработке угольных пластов, гранулометрический состав, обогатимость. Требуется особое внимание вопросам соответствия данных геологоразведочных работ, шахтного опробования и отлаживания сертификации путем аттестации и ак-
кредитации лабораторий, состоянию опробования, использованию данных скважинной геофизики. Засорение углей при добыче прогнозируется, регулируется и контролируется методами горно-геологи-ческих наблюдений и регулируется горно-техноло-гическими методами.
Параметры, относящиеся непосредственно к угольному пласту, как объекту отработки, и определяющие его производительность и нагрузку на забой. К ним относится мощность пласта (и его производительность), строение пласта и в относительной мере структура вмещающей пласт угленосной толщи. В настоящее время господствует жесткое отношение к мощности пласта как нормативу-кондиции, заранее определяемому при геологоразведочных работах и проектировании. Усиливается мнение о придании кондициям условного характера -контроля за эффективностью пользования недрами и акцизного, как основы акциза и платы за пользование недрами. В настоящее время принята оценка мощности пластов по предполагаемой эффективности: менее 0,8 м - неэффективные; более 0,8 м условно эффективные; более 1,0 м - эффективные; более 1,2 м - высоко эффективные. Распределение запасов с учетом указанного подразделения пластов по мощности по группам районов показало ведущее значение этого параметра; показало высокую эффективность угольных пластов Красноармейского района - 45 %, умеренно-высокую -Донецко-Макеевско-го - 37,8 %, и низкую эффективность - Павлоград-ского, Краснодонского и Должано-Ровенецкого - 18 % и в целом Восточного Донбасса - 15 %.
Характеристика отдельных горнопромышленных районов по их эффективности и горно-геологических условиям приводится по группам:
1. Павлоградский р-н, Южный Донбасс - нижнекарбоновая угленосная формация - характеризуется низкой и умерен-но низкой стадиями катагенеза, крупно регионально-блоковой структурой и относительно сложными горно-геологически-ми условиями -неравномерной прочностью и устойчивостью пород. Эффективных пластов в запасах 18 % в т.ч. высокоэффективных менее 8 %.
2. Красноармейским р-н (Добро-
польеуголь, Красноармейскуголь) -умеренная стадия катагенеза, несколько эффективных и весьма эффективных пластов. Показатель долевого участия в запасах эффективных пластов - 45 % и пластов высокой эффективности -31 %. Для района характерны крупные моноклинальные региональные блоки, разделенные региональными надвигами. Благоприятные ГГУ, метанонос-ность, пологое залегание, глубина 8001200 м.
3. Донецко-Макеевский р-н -
умеренная и средняя стадии катагенеза-основной части района со оводовыми и флексурными структурами и региональными надвигами. (с примыкающей площадью Волчанской синклинали районом Кураховки - начальная стадия катагенеза, переход от моноклинального к полого-складчатому типу условий залегания). Для района характерны благоприятные условия по метаноизвлечению. Эффективные пласты составляют 37,8 %, высокоэффективные -22,8 % запасов.
4. Центральный район. Средняя и вышесредняя стадия катагенеза, де-структурированные породы. Крылья крутой антиклинальной складки рассечены продольными разрывами. В балансе запасов менее десятка эффективных - 32 %, и в том числе единичные высокоэффективные пласты - 14 %. Шахтные поля в целом малоэффективные со сложными ГГУ.
5. Районы северной складчатой части Донбасса от начальной (север) до умеренно средней стадий катагенеза (юг и восток района). Сложные мелкие складки рассеченные разрывами. В толще содержатся единичные, а в Краснодонском районе до 5-7 эффективных пластов. Шахтные поля сложные по ГГУ из-за тектоники. Отдельные районы плохо освоены. В балансовых запасах до 30 % эффективных, в том числе 15 % высокоэффективных угольных пластов. Это относится так же к районам разрабатываемым шахтами Гуковугля (Белокалит-венский, Каменско-Гундоровс-кий и Тацинский р-ны) и к северным площадям Ростовугля.
6. Районы распространения антрацитов. Высокая степень катагенеза и метагенеза вмещающих пород. Пологие складчатые структуры с одиночными эффективными пластами. Разнообразные преимущественно удовлетво-
рительные ГГУ. Широкое распространение участков под нетиповые малые шахты. В балансовых запасах эффективных пластов - 43 %, в том числе высокоэффективных - 13-15 %.
Задачи геологических исследований и геологоразведочных работ, связанные с реструктуризацией и дальнейшим развитием угольной промышленности Донбасса включают:
1. Совершенствование структуры освоения запасов на действующих шахтах подвергаемых санации с выделением эффективных угольных пластов и выемочных участков для преимущественной отработки и экономическое обоснование постоянных и изменяющихся во времени кондиций, направленных на повышение конкурентоспособности углей, в учете вскрытых, подготовленных, изъятых из оборота ресурсов; блокировку и консервацию запасов в неэффективных угольных пластах. Требуется повышение уровня информационно-геологической обеспеченности высокопроизводительных лав
- выбор пластов и участков, картирование малоамплитудной нарушенности, прогнозирование горно-геоло-гических условий. Ведущее значение придается прогнозу газоносности и управлению процессами извлечения угольного метана; прогнозу геодинамических явлений (внезапных выбросов угля и газа) и контролю профилактических мероприятий. Одним из наиболее экономичных и эффективных методов повышения экономических показателей угледобычи принимается ротация горногеологической съемки шахтных полей с периодичностью 3-5 лет.
2. Обеспечение экологогеологической безопасности площадей закрываемых неперспективных шахт. Требуется создание новой методики учета оставленных, безвозвратно потерянных и временно законсервированных ресурсов с обеспечением мониторинга гидро-динамических и газодинамических, инженерно-геологических и горно-геологических явлений.
3. Геологическое обеспечение и подготовка к освоению участков под малые эффективные шахты неглубокого (до 300 м) заложения, включая выбор участков и геологоэкономические обоснования и рекомендации по их освоению.
II. Задачи освоения углегазо-
вых и газоугольных месторождений.
1. Геологическое прогнозирование микрозалежей угольного метана, их
поиски, разведка и оценка, как на площадях вне контура горных работ (ненарушенные горные массивы), так и в пределах отводов действующих и закрытых угольных шахт и обеспечение эффективной отработки в соответствии с Государственны-ми программами освоения угольных газов Донецкого бассейна
2. Геологическое обеспечение дегазации угольных пластов (отработки попутного уголь-ного газа) с целью обеспечения безопасности горных работ.
3. Прогнозирование газодинамических явлений (внезап-ных выбросов) с учетом связи явлений АВПД, микрозалежей метана и зон геодинами-ческих напряжений. Учитывается зональное строение зоны выброса: очаг выброса с деформированным углем, зона бронирования и предочаговая зона разгрузки выброса.
III. Общие задачи повышения эффективности геологоразведочного процесса в Донецком угольном бассейне и геологического обеспечения его дальнейшего развития включают:
• фундаментальные исследования по классификации и структуре ископаемых углей в связи с их газогенерацией и
направлениями использования. До сих пор слабо увязаны классификация генетическая (по восстановленности), промышленные и кодовые, остается нерешенным вопрос о карбоновых бурых углях в Донбассе, о фазовых переходах в углефикационных рядах, о единой или разных классификациях углей ниж-него - и средневерхнего карбона. Изучение закономерностей струк-турообразования углей и газогенера-ции требует фундаментальных исследований в части формирования твердых растворов метана в углях, возникновения и локализации газодинамических явлений, формы проявлений закономерных структур-но-фазовых изменений. Формы серы в углях и геологическое прогнозирование обогатимости углей по сере требуют специальных целенаправленных исследований. Остаются неэффективными схемы шихтования углей при различных методах коксования. Не получила распространения схема снижения поступлений серы при сжигании на ТЭС определенных шихт углей с щелочно-земельными золами и при сжигании угле - известковых шихт. Не извлекаются из углей элементы-примеси и полиметаллы [3,5];
• изучение угленосной фор-мации -литологические и системные подходы, вопросы тектоники. Учение о метаморфизме углей с развитием системного подхода получило новый импульс
в уточнении общей зональности и развитием слабометаморфизованных антрацитов в юго-восточной части Донбасса. Системный подход раскрывает новые возможности выделения региональных и локальных углегазовых объектов, прогноза проявлений АВПД, аномалий метаморфизма и др. Практические результаты - обнаружение локальных скоплений метана, прогноз площадей высокоэффективных (мощностью более 1,2 м) угольных пластов и низкосернистых углей;
• гидрогеологические и экологические проблемы возникают в связи с новыми формами катастрофических нагрузок на окружающую среду как в целом Донбасса так и его отдельных районов и площадей [4].
В статье использованы публикации журналов «Уголь» и «Уголь Украины», материалы Международного симпозиума по топливно-
энергетическим ресурсам (СПГГИ, 1997), Петербургского экономического форума «Топливно-энергетический комплекс. Проблемы развития и взаимодействия. XXI век: перспективы мировой энергетики (СПГГИ, 1998)» и ряд других обобщений. Настоящая работа выполнена при поддержке Фонда фундаментальных исследований Минобразования Российской Федерации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Брижанев АМ., Кирюков В.В., Назаренко А.М.. Освоение ресурсов углей Донбасса малыми нетиповыми угольными шахтами. Уголь Украины, 1995, № 6.
2. Гавриленко НМ, Храпкин С.Г. Сырьевая база угольной промышленности УССР и перспективы ее развития. Уголь Украины. 1990, №6.
3. Карта угленосности, сланценосности и геохимической специализации углей и горючих сланцев России. Масштаб 1:10000000. Объяснительная записка. м. СПб.1996.
4. Кирюков В.В. Топливно-энергетический комплекс России. Перспективы развития угольной промышленности. СПб. Изд. СПбГГИ, 1997.
5. Козловский Е.А., Щадов М.И. Минерально-сырьевая безопасность России. М. Изд-во МГГУ. 1997.
6. Малышев Ю.Н., Зайденварг В.Е., ЗыковВМ. Реструктуризация угольной промышленности. (Теория. Опыт. Программы. Прогноз). М., Компания Росуголь.1996 г.
7. Региональные изменения геологической среды Донбасса в связи с выводом шахт из эксплуатации. Ин.бюл. № 2. Киев. Изд. Геоин-форм, 1997.
8. Сургай Н.С. Оценка состояния и перспектив развития шахтного фонда Украины с использованием нестоимостных критериев оценки. Донецк. ЦБНТИ. 1992.
Кирюков В.В. — Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический универсик'О. Кущ О.А. Донецкий иолше.хнический универстег
