--© Б.Ф. Нифантов, В.П. Потапов,
2008
УДК 550.4:552.57(571.1/5)
Б. Ф. Нифантов, В.П. Потапов
РЕСУРСЫ УГЛЕЙ КУЗБАССА ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ
ш природный потенциал минеральных ресурсов Ке-.Л.Л. меровской области включает различные виды полезных ископаемых. Главные из них представлены углем, рудами железа, полиметаллическими и другими. Добыча и переработка полезных ископаемых, обогащение и сжигание являются процессами промышленных производств, которые вносят существенный вклад в загрязнение окружающей природной среды. Уменьшение их валовых показателей станет реальным при условии выполнения системной программы глубокой переработки полезных ископаемых и отходов, будет способствовать формированию парадигмы знаний, при разработке комплекса технологий, исчерпывающих полностью все компоненты сырья, добываемого из недр. Это означает, что в настоящем и для будущего следует сформировать безотходные технологии потребления сырья, что диктуется необходимостью в улучшении экосистем кузбасского региона и непосредственно связано с социальным заказом его населения. Государственное, частное финансирование перспективных программ должно быть выполнено на базе научных достижений и поддержано коллективом ученых в ходе реализации проектов. Недопустимым является длительное ожидание инициативы частных корпораций и фирм в процессе становления этих инновационных начинаний. Безусловным представляется и создание гарантированного финансового фонда для научных исследований, организации комплекса проектных разработок, пилотных испытаний и других работ, связанных с накоплением фактического материала и созданием автоматизированных систем его хранения, поиска и вычислений. Отметим некоторые аспекты будущей тематики инноваций по материалам результатов исследований.
77
Угольная база Кузбасса представлена в 25 геолого-экономических районах (ГЭР) [1]. Наиболее крупными балансовыми запасами по данным разведочных работ до 2003 года характеризуется суммированный ресурс (млн. т) марок углей Д, Г, Ж, Т (102465), т.е. 20,9 % от общего показателя. Рыночный спрос на кузнецкие угли не учитывает ни средние, ни даже рекордные (аномальные) данные о содержаниях в углях (золах) ценных или токсичных химических элементов. Такое укоренившееся современное состояние оценки углей для их продажи с последующей глубокой переработкой является нонсенсом. Заметим, что содержание, например, золота в углях, ЗШМ или породах, их сопровождающих, достигает 3-27 г/т, что может быть оценено как кондиционное. В этих параметрах нами уголь предлагался для продажи как золото -угольная руда с дополнительной суммой оценки одной тонны около $70. Уголь в окисленных частях пластов может рассматриваться как угольно-золоторудный материал с его долей в общей стоимости свыше $600. Средние оценки промышленных содержаний золота (г/т) по маркам кузнецких углей составляют по данным Б.Ф. Нифантова и соавторов (2003 г.) для энергетических - 0,24-17,5; коксующихся - 0,14-1,1 [2]. Нами в 2006 году получены результаты исследований в холодной плазме (1СР) восьми проб углей и горелых пород, отобранных нами в Кузбассе, в том числе по пласту Горелому в.п. (4 пробы), горелым породам (4 пробы) поля шахты «Байдаевская».* Пробы угля изучены в ИГЕМ РАН на 60 элементов, в том числе по группам - 8 (Ы, Ве, ЯЬ, Бг, С8, Ва); р (Р, Оа, Ое, А8, Бе, Бп, БЬ, Те, Т1, РЬ, ВО; а (Бс, Т1, V, Сг, Мп, Со, N1, Си, Ъп, У, Ъг, Мо, Яи, ЯЬ, Ра, А§, Са, Ьа, Щ Та, Яе, 1г, Рг, Аи, f (Се, Рг, Ш, Бт, Еи, Оа, ТЬ, Бу, Но, Ег, Тт, УЬ, Ьи, ТЬ, и). В лабораторной золе углей пласта Горелого в.п. угольного разреза «Ба-чатский» (озоление при 550 °С) найдены промышленные содержания при Аа, %, в среднем, - 16,09 (5,26-37,22) следующие элементы, г/т: Яи - 0,1 (0,12-0,08); ЯЬ - 0,108 (0,25; 0,14; 0,03; 0,01); Ра - 1,702 (2,47; 2,53; 0,49; 1,32); Яе - 0,053 (3 пробы); 1г - 0,137 (3 пробы); Аи - 2,99 (3 пробы). Пробы пород имеют близкие значения зольности и средний уровень Ай - 97,85 %. Наиболее перспективными в тер-риконике оказались рений, иридий, платина, золото.
* Работа выполнена с участием ООО «Роском» и финансированием ими аналитических работ.
78
Наибольшее (1,1 г/т) содержание платины найдено в алевролите глинистом, обожженном (Ла =99,3 %).
Схема стратиграфии угленосных отложений Кузбасса приведена в таблице. Распределение химических элементов-примесей в свитах пермских и каменноугольных отложений подчиняется фа-циальным геохимическим признакам и здесь подробно не рассматривается. Отметим, частично, наиболее высокие из средних содержания, концентрации, геохимический имидж элементов.
В тайлуганской свите содержание алюминия в ЗШМ углей наиболее высокое: Л1 - 13,58 % (Л1203 - 25,67 %) и урана - 120,9 г/т. Ленинская свита имеет аномальную и высокую степени насыщенности Ы, Ве, В, Б, N0, М§, Са, Т1, Бе, Со, N1, Ъп, Оа, Ое, 8г, У, Ъг, Nb, Мо, Ьа, Се, Ей, УЬ, и при средней Ла углей - 7,7 % и мощности пластов 2,49 м. Таким образом, ленинская свита наиболее насыщена содержаниями 24 из 55 элементов, что является коллективным фациальным показателем для кузнецких углей. Оценка фоновых отношений геохимического распределения элементов вычислена по нашим данным с использованием средних показателей по золе каменных углей мира, опубликованных Я.Э. Юдовичем и М.П. Кетрис [3,4]. Наивысшими ККЗУ оказались для свит: Р2И - Р, И; Р^г - Р, У, Ъг; Р21п - Ы, В, 8, 8с, Со, Ое, У, Ъг, №>, Ли; Р2Ш - 8с, Сг, ЯЬ, У, Ъг, Nb, Ли; Р2кт - 8с, ЯЬ; Р2кг -Р, Л8, Ъг, Nb, Л§, Ли; Р21§ - Лз, Ъг, Л§, Ли, ТЬ; С3а1 - Сг, Л§, Ли; С2_ 3т7 - аномалий ККЗУ не выявлено. Перечисленные примеры подтверждены аномальными находками в ЗШМ промышленных содержаний этих элементов в пластах и товарной продукции кузнецких углей [5]. Бериллий нами выявлен в пласте Мощном на шахте «Суртаиха» (572,6 г/т, концентрация 5,7 к минимальной кондиции). Алюминий в 19 пластах присутствует в максимальных содержаниях в форме Л1203 27,0-36,0 %; среднее 31,6 %. Такие содержания найдены в Прокопьевско-Кисе-левском, Кондомском, Бунгуро-Чумышском, Томь-Усинском районах в кемеровской и ишановской свитах, Р1Ы. Титан при максимальном содержании (7,08 % / в 7,9 раза выше промышленной кондиции) является существенным показателем пласта Сычевского III в Ленинском ГЭР. Железо превышает по содержаниям кондицию (%) для россыпей [6] по 5 пластам - 11,8-36,7 (20,3).
Стратиграфическая схема пермских и каменноугольных отложений
79
Возраст, млн. лет Система Отдел (подотдел) Ярус
Верхний-Р3 Татарский-Р3 Вятский-Р3у Северодвинский-Р38
- 251±0,4 - СМ
1 с Средний-Р2 Биармийский-Р2 Уржу мский-Р2иг Казанский-Р2кг
270 & С Нижний-Р1 Приуральский-Р 1 Уфимский-Р1и Кунгурский-Р1к Артинский-Р 1 аг Сакмарский-Р^ Ассельский-Р1а
290 о 1 Верхний-С3 Гжельский-C3g Касимовский-С3к
310 на Й о г ^ о Средний-С2 Московский-С2т Башкирский-С2Ь
Серпуховский-С 18
330 359,2±2,5 ен Нижний-С1 Визейский-С1у Турнейский-С^
По данным А.З. Юзвицкого [2] с дополнениями, утвержденными МСК кодексу России (2000 г.)
отношение к кондиции - 2,7 раза. Эти показатели, в частности, имеют поисковое значение для оценки сыпучих отходов, образовавшихся при добыче, обогащении, сжигании углей и руды.
Уровень концентрирования превышен относительно среднего для кузнецких углей по Л8 - 0,29 % (п - 5,68), в т.ч. по свитам: Р^г (0,46%; п - 7,67); Р^ (0,74 %; п - 8,22); Рфг (0,69 %; п - 9,86). Определение геохимического имиджа (ГИ) элементов нами оценивается по показателям С1т, Qlm. - число эле-ментов; С1т - содержания элементов; Qlm=Г С1т: Подобный подход к оценке ГИ позволяет выделить ряды ГИ для избранного объекта. Стратиграфический ГИ нами приведен на основе выбора максимумов содержаний при геохимической Кузнецкого бассейна *
80
Серия Подсерия Свита
Кольчугин ская-Р2_3к1 Ерунаковская-Р2ег Тайлуганская-Р2И Грамотеинская-P2gr Ленинская-Р21п Салтымаковска я-Р2з1 Красноярская-Р2к8 Толщи преимущественно в восточной части бассейна
Ильинская-Р211 Ускатская-Р2ш Казанково-Маркинская-Р2кт
Ку знецкая-Р2кг Митинская-Р2т1 Старокузнецкая-Р28к
Балахонска я-С-Р1Ы Верхнебалахон ская-Р^ Кемеровская^кг Ишановская-Р^ Промежуточная-Рфг Порывайская-РфУ
Нижнебалахон ская-С2.3Ъ1 Алыкаевская-С3а1 Мазуровская-С2тг Саянзасская-С1_38П
Острогская-С!. 208 Каезовская Евсеевская
Морской нижний карбон (мозжухинская серия)
(1995г.) и опубликованными в Дополнениях к Стратиграфическому
оценке свит. Тайлуганская - и; N„„=1,0; Qim=0,018%. Для грамотеинской свиты ГИ не выявлен. Ленинская - N„„=5^, Co, Cd, Pb, и). Р|т=0,1 %. Ускатская - Nim=4(Cr, Мп, Th, и) Qim=1,05 %. В казанково-маркинской свите ГИ пластов не выявлен. Кемеровская -N„„=13^, С1, V, Сг, Mn, Со, N1, Zn, As, Hg, Pb, ТЬ, U). Qim=0,54 %. Ишановская - Nim=7(Ве, F, С1, Со, As, РЬ, ТЬ). Qim=0,32 %. Промежуточная - N„„=7^, As, 8е, и). Qim=0,15%. Алыкаевская - ^т=3(Ве, Сг, 8Ъ). Qim=0,15%. Внутри мазуровской свиты ГИ пластов не обнаружено. Токсичность ЗШМ углей, а также дезинтегрированных (сыпучих) отходов, оценена нами раздельно по показателям содержаний в свитах, по маркам углей.
81
Элементы имидж - маркеров1 по свитам представлены для ТПТ элементов следующим рядом: Р2Й - и(185,4 г/т/1,53-8,1 по Смакс: Ссред, по трем пробам); Р21п - Б, Со, С<1; Р2ш - Сг, Мп; Р^г -С1, V, Мп, Со, N1, 2п, 8е, Са, Hg, РЬ, ТЬ, и; Рг1ё - Ве, Б, С1, Сг, Со, Л8, 8Ь, РЬ, ТЬ; Р1рг - Мп, 2п, Л8, Hg; С3а1 - Ве, Сг, 8Ь. Средние показатели по ГИ для отделов систем таковы: Р2 - 0,292%; Р1 -0,337%; С3 и С2-3 - 0,153%. Таким образом, наиболее насыщенными токсичными и потенциально токсичными (ТПТ) элементами являются ЗШМ нижнего отдела пермской системы [8]. По степени насыщения элементами нижний отдел пермской системы (Р1) превосходит верхний отдел (Р2) в 1,15 раза; отделы каменноугольной системы (С3 и С2-3) в 2,06 раза. Геохимическая граница С3 - Р1 выражена достаточно отчетливо. Геохимическое имиджевое маркирование по максимумам содержаний марок углей отражает главные черты распределений химических элементов в зависимости от состава и истории метаморфизма пластов углей. Энергетические угли, различающиеся по стадийности метаморфизма (регионального, контактового), представлены марками (ГОСТ 25543-88) в том числе Д, ДГ, Г; ТС, СС, Т; А-антрацитами. Наиболее выражены высокие показатели ^1т=0,245 - 2,76%) по маркам Д, ДГ, включающим Ве, Б, С1, V, Со, 8Ь, И - Д и Мп(2,76%) в ДГ. Марка Г выделилась по максимуму кадмия - 9,0 г/т. Марки углей ТС, СС, Т характеризуются максимальными зольными содержаниями, соответственно, -РЬ, (%): 0,0074 и 0,058 для ТС. Показатели ЗШМ углей марки СС, %: Ве(0,0716), Б(0,44), С1(2,19), Мп(5,12), Со(0,0514), Л8(0,77), Т - V(0,16), Л8(0,76), ве(0,0021), РЬ(0,035), И(0,01). Коксующиеся марки углей (ГЖО, ГЖ, Ж, КЖ, К, КО, КСН, КС, ОС). Наиболее представительными из них являются насыщенные элементами золы углей марок К, КО. К - Ве(0,0147), V(0,11), Сг(0,22), Со(0,0512), 2п(0,13), Са(0,005); КО - Б(0,42), Сг(0,21), Со(0,0616), Л8 (0,61), 8е(0,0013), Hg(0,0028), ТЬ(0,038). Не выявлены высокие (Qlm) показатели для марок ГЖО, Ж, КЖ. Группы марок углей по показателю ^т включают: 1-2 (ДГ, Г; ГЖ, ОС, ТС); 4-5 (КСН, КС, Т); 6-7 (Д; К,
1 Выделены выборочно по показателями отношений содержаний в ЗШМ и глинистых породах (С3:СГП). Для урана Р2И значение этого показателя по трем пробам равняется 32,67. Аналогичный показатель для ЗШМ кузнецких углей по 383пробам - 7,69. Сведения взяты из БД «Геохимия углей Кузбасса», составленной Б.Ф. Нифантовым.
82
КО; СС). Показатель Qim (%) не связан с т.к. набор элементов не всегда включает высокие моносодержания С1, Сг, Мп. Пределы Qim составляют, %: 0,0009-0,09; 0,1-0,8; 1,0-5,12. В первую группу из перечисленных выше входят: Cd, Ве, Со, 8Ъ, РЪ, Hg, ТЬ, и; во вторую - F, V, Сг, N1, Zn, As; в третью - С1, Мп. Границы геохимических фаций могут не совпадать с ограниченными контурами размещения марок углей. Последнее утверждение основано на различиях механизмов транспортировки, накопления, перераспределения вещества внутри угленосной толщи при полигенном формирорвании состава пластов углей и вмещающих пород. Минеральные ассоциации элементов также не носят признаков моногенности происхождения. При сухом обогащении углей Моховского разреза коэффициенты обогащения отражают главные черты распределения элементов, накапливающихся в угольном концентрате и других продуктах. Максимумы коэффициентов обогащения при этом выявлены для s-элементов (Ве, 8г); р (8Ъ, РЪ); d ^п, Та); f (Се, ТЬ, Ьи).
Кузнецкие угли естественно в максимальных пределах 3-6 имеют самые высокие показатели концентраций d-элементов. Локальные неоднородности размещения, например, ртути с повышенным ее содержанием отличаются по пластам Кумпановскому, Верхнему, Двойному-Промежуточному (все - Р^г) поля шахты «Бутовская». Марки углей указанных пластов отвечают показателям ГОСТ 25543-88 для КО, КС и К. Последняя марка размещена в пласте Двойном-Промежуточном вместе с КО, КС. Показатели имиджа марки КС углей для ртути существенно отличимы.
Итоги предшествовавшего этапа изучения геохимии кузнецких углей нами подведены в работах [1, 2, 5, 7, 8 и 9]. Они представляют теоретический и практический интерес для инноваций в областях развития научно-технического прогресса поисков и глубокой переработки бедных руд, отходов добычи, обогащения и потребления каменных углей. Современное состояние проблемы комплексной и исчерпывающей переработки добытых полезных ископаемых представляется нам недостаточно освещенной детальными знаниями о связях химических элементов в сырье и способности к их разделению традиционными способами и с применением нанотехно-логий. Расчетные данные [2] о дополнительных ресурсах редкоземельных элементов (Се, 8т, Ей, ТЬ, УЪ, Ьи), а также иттрия, лантана, тория, урана и оценка их стоимости по содержаниям в кузнецких углях составляет в сумме 290,901 млрд.^Б (при расчете по
83
курсу 1,0 долл. = 30,0 руб. и ценах на металлы за 2003 год). При этом максимальные доли (%) доходов могут быть получены при переработке углей марок: Г(14,48); Ж(11,0); КО(9,46); СС(9,84). Таким образом, выбор технологий и выбор наиболее насыщенного ценными (токсичными) элементами сырья являются неразделимыми направлениями поискового процесса при становлении промышленности по глубокой и экономически выгодной переработке углей и других видов минерального сырья.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Угольная база России. Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири (Кузнецкий, Горловский, Западно-Сибирский, бассейны; месторождения Алтайского края и Республики Алтай).- М.: ООО «Геоинформцентр», 2003.- Т. 2.
2. Нифантов Б. Ф. Геохимия и оценка ресурсов редкоземельных и радиоактивных элементов в кузнецких углях. Перспективы переработки / Б. Ф. Нифантов, В. П. Потапов, Н. В. Митина.- Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2003.- 104 с.
3. Юдович Я.Э. Токсичные элементы-примеси в ископаемых углях / Я. Э. Юдович, М. П. Кетрис.- Екатеринбург: УрО РАН, 2005.- 655 с.
4. Юдович Я.Э. Ценные элементы-примеси в углях / Я. Э. Юдович, М.П. Кет-рис.- Екатеринбург: УрО РАН, 2006.- 538 с.
5. Ценные и токсичные элементы в товарных углях России: Справочник / Под ред. Ю.Н. Жаров, Е.С. Мейтов, И.Г. Шарова и др.- М.: Недра, 1996.- 238 с.
6. Авдонин В.В. Месторождения металлических полезных ископаемых / В. В. Авдонин, В. Е. Бойцов, В. М. Григорьев и др.- М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1998.- 269 с.
7. Нифантов Б. Ф. О высоких концентрациях ниобия и тантала в кузнецких углях / Б. Ф. Нифантов, А. Н. Заостровский // Вестник КузГТУ.- 2007.- № 5.- С. 68-72.
8. Экологические проблемы угледобывающих районов при закрытии шахт. Комплексное исследование экологических проблем при закрытии угольных предприятий и освоении новых угольных месторождений / Под ред. Г. И. Грицко и др.- Кемерово: ИД «Азия», 2001.- 240 с.
9. Nifantov B.F. Coal Geochemistry of Kuzbass / B. F. Nifantov, V. P. Potapov // Twentieth Annual Int. Pittsburgh Coal Conf. Sept. 15-19 2003.-, Pittsburgh, Pennsylvania. Recorded in USA. ISBN 1-890977-20-9. Copyright.-12 p. EE
— Коротко об авторах -
НифантовБ.Ф. - канд. геол.-минерал. наук, Потапов В.П. - д-р техн. наук, проф., Институт угля и углехимии СО РАН.
--© С.И. Арбузов, 2008
УДК 662. 81
84