Управление качеством сырья Эльгинского угольного месторождения Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© Ю.В. Лаптев, A.M. Яковлев, 2012

УДК 622.142.5

Ю.В. Лаптев, А.М. Яковлев

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ СЫРЬЯ ЭЛЬГИНСКОГО УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Разработана методика геометризации качественных показателей угольных месторождений. На основании методики смоделированы зоны по качеству сырья для Эльгинского месторождения.

Ключевые слова: уголь, холодниканская свита, месторождение, изопластичности, зональное размещение.

Зльгинское месторождение каменного угля расположено на юге Якутии на границе с Хабаровским краем и Амурской областью в пределах Токинской впадины, расположенной в восточной части ЮжноЯкутского угольного бассейна, представленного мезозойскими угленосными образованиями. Административно месторождение располагается на территории г. Нерюнгри республиканского подчинения Республика Саха (Якутия).

В сложении разреза месторождения принимаю участие отложения нижней и верхней половины мезозойской угленосной толщи, относящиеся к юхтин-ской (210 м), дурайской (550 м), кабак-тинской (530 м) беркакитской (220 м), нерюгриканской (220 м) и ундыткан-ской (500 м) свит. Последняя является аналогом холодниканской свиты, завершающей разрез угленосных отложений в районе. Углевмещающие породы представлены преимущественно песчаниками с редкими прослоями алевролитов. В разрезе ундыканской и нерюнгринской свит преобладают мелко-, средне- и крупнозернистые песчанки, резко подчиненную роль играют конгломераты, гравелиты, алевролиты, аргеллиты и угли. Кроме

того, в разрезе отложений установлены пропластки углистых и туфоген-ных пород.

Коренные породы повсеместно перекрыты четвертичными отложениями, которые представлены ледниковыми, озерными, болотными, аллювиальными, делювиальными и элювиальными образованиями.

Промышленная угленосность в районе связана с отложениями ун-дытканской, нерюнгриканской, ка-бактинской и дурайской свит. В районе месторождения и Худурканской угленосной площади установлено свыше 130 углепроявлений, из которых 59 имеют мощность 0,7 м и более, представляющих промышленный интерес для последующей их отработки.

На Эльгинском месторождении основные пласты, имеющие промышленное значение приурочены к отложениям ундытканской и нерюнгри-канской свит.

В результате разведочных работ, проведенных на месторождении в разрезе нерюгриканской свиты выявлено 16 углепроявлений мощностью от 0,2 до 17,9 м (Н16 - Н1), из которых 5 пластов и одна отщепившаяся

пачка характеризуются значительном площадью развития с мощностью 1,0 м и более и представляют промышленный интерес. В разрезе ундытканской свиты выявлено 21 углепроявле-ния мощностью от 0,2 до 18,9 м (У21—У1), из которых 17 угольных пластов и отщепившихся пачек, имеют рабочие значения мощности (1,0 м и более). Основной промышленный интерес имеют мощные пласты У5, У4, Н16 и Н15, заключающие в себе 80 % подсчитанных запасов. На месторождении учтены в качестве балансовых запасов углей в количестве по категориям (тыс. т): В - 162419, С1 - 1152903, С2 - 1262492; В+С1+С2 - 2577754.

Для отработки открытым способом на Северо-западном участке месторождения приняты 13 угольных пластов имеющих промышленное значение (с учетом расщепления на 7 самостоятельных пачек) — от нижнего пласта Н15 до самого верхнего У20. Средние углы падения основных пластов составляют 3о—8о.

Важное значение в процессе подготовки к промышленному освоению Эльгинского месторождения каменных углей открытым способом приобретает его геолого-технологическая оценка с последующей геометризацией рудоносного поля, включающей изучение широкого комплекса физико-механических и физико-химических свойств, вскрышных пород и угля с выявлением и обоснованием в площади развития рудных тел, зон размещения качественных и технологических свойств угля, необходимы для обоснования выбора места вскрытия месторождения, обеспечения технологии ведения горных работ, выбора основного горнотранспортного оборудования и режимов его работы.

На сегодняшний день, оценивая степень изученности Эльгинского месторождения, можно с достаточной уверенностью говорить о его готовности к освоению, однако проведенные ранее исследования свидетельствуют о сложности его промышленного освоения. Этот факт еще раз подтверждает необходимость этапного детализированного выделения качественных и технологических показателей угля на данный момент, для принятия важного решения, выбора участка и направления вскрытия месторождения, обоснования порядка отработки.

Согласно ориентированности отработки Эльгинского месторождения в первую очередь на коксующийся уголь, в качестве первого этапа Институтом Горного Дела УрО РАН произведена геометризация угольных пластов, по определяющим коксующийся уголь качественным показателям (зольности и пластичности) с заданными ограничивающими условиями, представляющими 3 ряда соотно-

шений показателей Ad и Y.

d

1) А° > 30 %, У > 16 мм (А' зольность, У-пластичность) — кокс с зольностью больше 30 % ;

2) Аа < 30%, У > 16мм - кокс с зольностью меньше 30%;

3) У < 16мм — некоксующиеся угли (энергетические).

Результаты геометризации угольных пластов Эльгинского месторождения представляются в виде графиков изозольности, изопластичности и планов зонального размещения в площади развития пластов коксующего и энергетического угля, по каждому пласту месторождения отдельно. Построение планов производилось совмещением графиков качественных показателей углей с последующим анализом результата и получением по условиям коксуемости (Аа и У) в плане

пласта зон размещения «кокс — не кокс (энергетика)» (см. рис. 5). Построение планов имеет следующую последовательность:

• построение и анализ графиков качественных показателей (изозоль-ности и изопластичности) угля (см. рис. 1);

• отстройка отдельно на каждом из полученных графиков зон, показывающих ограничивающие условия по коксуемости углей, то есть, для графика изозольности зоны с Аа > 30 % и Аа < 30 %, для графиков изопластичности зоны с У > 16 мм и У < 16 мм;

• нанесение на план угольного пласта полученных ограничивающих зон, как по зольности, так и по пластичности с соответствующей их привязкой на площади данного пласта;

• анализ по условиям коксуемости полученного плана площадного зонирования с последующим оконтурива-ние зон «кокс — не кокс (энергетика)».

Полученные графики и планы зонального размещения качественных показателей, послужат одной из основ для принятия решений на отработку месторождения. Описание этапов и обоснование самой геометризации, а также обоснованность принятых качественных показателей Аа и У в качестве основных, представлены ниже.

Видно, что проводимая геометризация данного месторождения, является многоступенчатой графоаналитической работой. Начало которой, прежде всего, заключалось в комплексной оценки физических, химических, технологических и качественных показателей и свойств угля, следствие которой является правильность выбора оценочных показателей и их ограничивающих условий определяющих коксующейся и некоксую-

щейся уголь. Геометризация Эльгин-ского месторождения как уже было отмечено выше, проводилась путем построения зон коксующегося и некоксующегося угля по двум принятым качественным(оценочным) показателям (Аа и У) с их ограничивающими условиями по коксуемости. Выбор оценочных показателей, в данном случае Аа и У, предопределяется необходимостью четкого представления объекта геометризации, оценкой степени отношения этих показателей к объекту согласно условиям геометризации, а также оценкой полноты, с которой эти показатели отражают свойства объекта принятого к геометризации, в нашем случае коксуемость угля.

Коксующиеся угли — угли, из которых в условиях промышленного коксования можно получать технически ценный кокс. Главной отличительной способностью коксующихся углей является способность их переходить при термической обработки в пластическое состояние и образовывать твердый углеродистый продукт — кокс. Показатели, характеризующие эти свойства, во много определяют технологическую ценность углей как сырья для производства металлургического кокса по технологии слоевого коксования.

Коксуемость углей определяется в первую очередь следующими факторами: петрографическим составом, степенью метаморфизма и уровнем окисленности углей.

Углепетрографические исследования проводятся на стадии детальной разведки и включают количественный петрографический анализ определения показателя отражения витринита и рефлектограмный анализ с целью установления степени однородности витринита в угольной массе пласта.

Метаморфизм углей месторождения определяют по показателю отражения витринита в иммерсионном масле Нп°, который является классификационным параметром углей как по ГОСТ 25543-88, так и в Международной системе кодификации углей.

Окислению подвергаются угли расположенные вблизи поверхности Земли, в зонах аэрации и активного действия подземных вод. По своему воздействию на химический состав и физические свойства углей окисление имеет обратную направленность по сравнению с метаморфизмом: угли утрачивают прочностные свойства (до превращения их в сажистое вещество) и спекаемость; в них возрастает относительное содержание кислорода, снижается количество углерода, увеличиваются влажность и зольность, резко снижается теплота сгорания. Глубина окисления углей в зависимости от современного и древнего рельефа, положения зеркала грунтовых вод, характера климатических условий, вещественного состава и метаморфизма углей колеблется от 0 до 100 м по вертикали.

Значение показателя коксуемости является интегральной величиной, оценка которого производится анализом таких показателей как выход летучих веществ (У^), спекающаяся способность углей и толщина пластического слоя (У мм). Выход летучих веществ (У^) является одним из важнейших классификационных параметров определяющих химико-технологические свойства коксующихся углей и является зависимой от вещественного-петрографического состава, зольности и окисленности. Спекающая способность определяет технологическую ценность углей для производства металлургического кокса и так же как выход летучих веществ,

является одним из классификационных параметров коксующихся углей. На средних стадиях метаморфизма, каменные угли приобретают спекающие свойства — способность гелифи-цированных и липоидных компонентов органического вещества переходить при нагревании в определённых условиях в пластическое состояние и образовывать пористый монолит — кокс. Основной показатель спекаемо-сти — толщина пластического слоя (У, мм). Основным методом оценки спекающей способности углей является пластометрический анализ. Толщина пластического слоя — У мм, определяемая этим методам, является классификационным параметром в действующей промышленно-генетической классификации каменных углей.

Величина оценки окисленности углей Эльгинского месторождения является также функциональным показателем, включающей в себя для этих условий такие показатели, как толщина пластического слоя (У, мм), индекс вспучивания (Ив, мм) и период вспучивания (Пв, сек), индеек свободного вспучивания (Б1) и индекс оптической текстуры коксоветринита (ИОТ, %).

В ГГП «Южякутгеология» окислен-ность углей месторождения определялась по содержанию влаги аналитической, выходу летучих веществ и толщине пластического слоя (У, мм), характеризующей спекаемость углей и являющейся основным параметром, по которому устанавливается граница окисления на месторождениях коксующихся углей.

ВУХИНом в зависимости от уровня показателей спекаемости на Эль-гинском месторождении по окислен-ности выделено 4 группы углей: 1) неокисленные угли марки Ж (группа 2Ж) с толщиной пластического слоя 27 мм и более; 2) слабоокисленные угли марки Ж с толщиной пластиче-

ского слоя 21—26 мм; 3) среднеокис-ленные, окисленные угли, представляющие сложную смесь разноокис-ленных углей в переходной зоне пластов с толщиной пластического слоя от 6 до 20 мм, в том числе, слабо-окисленные угли марки ГЖ с толщиной пластического слоя 17—21 мм; 4) сильноокисленные угли приповерхностной зоны, полностью потерявшие спекающую способность (У < 6 мм).

Геометризация Эльгинского месторождения производилась по про-мышленно-генетическому (У мм — пластический слой) и частного элемента (Аа % — зольности) химико-технологических параметров, которые с той или иной степенью достоверности отражают коксуемость определенных для открытой отработки угольных пластов. Зональность размещения этих показателей в площади развития угольных пластов производилась по заданным условиям коксуемости углей для данного месторождения.

Основой получения исходных данных для геометризации послужили геологические карты и разрезы детальной разведки Эльгинского месторождения, документация опробования скважин детальной разведки, планы подсчета запасов, координаты скважин, структурные колонки скважин пластов.

Полученные исходные данные сводились в таблицу (по каждому пласту своя таблица) для их последующей обработки.

Таблица была принята такой формы, чтобы с максимальной степенью информативности отразить в цифровом виде технологические и качественные показатели пластов для их последующей обработки. Средневзвешенные значения зольности и показателя пластичности по каждому пла-

сту являлись основой для геометризации размещения качественных показателей каменного угля с последующим построением графиков изолиний с помощью программного обеспечения Credo-Генплан. Для автоматизированного расчета средних значений показателей было написано две программы.

Система СНБОО_Генплан предназначена для проектирования генеральных планов объектов любого назначения. Область применения: проектирование; строительство и эксплуатация строительных объектов; кадастровые системы; геоинформационные системы. Основные функции системы: возможность работы со сложно организованными объектами, распределение данных проектируемого объекта по отдельным разделам проекта, по стадиям выполнения, по составу элементов либо в необходимой для пользователя комбинации; использование многопользовательской и локальной баз данных, возможность параллельной работы над проектом; создание, использование библиотеки типовых проектов, типовых альбомов и отдельных чертежей в форматах CREDO и DXF; Моделирование плоскостей различными способами, создание точек и поверхностей в плоскости. Разнообразные настройки для отображения поверхностей в соответствии с назначенным стилем, проставление бергштрихов и надписей горизонталей; возможность автоматического заполнения пустот внутри созданной поверхности и другое.

Полученные графики изозольности угольных пластов и показателя их пластичности (Y>16, Y<16) служат основой для построения зональных графиков коксуемости углей (рис. 2 и 3). Для этого использовались следующие условия:

Рис. 1. График изозольности угольного пласта Н15

Рис. 2. Зональность пласта У4В1 по коксуемости углей

■' 1 Н ! * ОЬцгт» 1 ] гн I П . V

Рис. 3. Зональности основных пластов У4(левый нижний), Н16(справа вверху), Н15 (слева вверху), У5(справа внизу)

1) Аа > 30 %, У >16 мм (Аа-зольность, У-пластичность) — кокс с зольностью больше 30 % — фиолетовый цвет

2) Аа < 30 %, У > 16 мм — кокс с зольностью меньше 30 % — синий цвет.

3) У < 16мм — энергетические угли — желтый цвет.

На основе полученных площадных данных зонального размещения «кокс — не кокс» при геометризации месторождения по коксуемости углей и согласно объемным данным с построенных моделей месторождения УГГУ вычислено процентное соотношение «кокс / не кокс» по каждому пласту.

Геологами Токинской ГРП ЮжноЯкутской ГРЭ проведено опробование пластов Четырехметрового наклонной шахты № 7 и Мощного наклонной шахты № 6 Отобраны пластовые пробы (ГОСТ 9815-75), валовые (укрупнено-пластовые), пробы пород кровли и почвы. Пробы отобраны вручную с предварительным рыхлением в массиве с помощью ВВ. Опробованные пласты пологого залегания, сложного строения.

Ситовый анализ для определения гранулометрического состава углей, пород кровли и почвы ГОСТ 2093-82(СТ СЭВ 2614-80). Рассев проводился механизированным способом на лабораторной установке для рассева проб со стандартными ситами с размером отверстия 100, 50, 25, 13, 6, 3 мм. Классы крупностью более 0,5 мм продешламированы на сите с размером отверстий 0,5 мм с последующей корректировкой выходов классов. Рассев класса 0,5 мм проводился мокрым способом на вибрационном классификаторе с размером отверстий сит 0,2; 0,1; и 0,05 мм.

На основе обработки лабораторных испытаний рядового угля и вме-

щающих пород пласта «У5» получены следующие графики: интегральная (1) и дифференциальная (2) кривые гранулометрического состава, а также график выхода зольности(3) (рис. 4).

Интегральная кривая (1) построена по накопительным частостям выхода фракций рядового угля, дифференциальная (2) — по экспериментальным результатам замеров выхода фракции. Кривая (3) отражает изменение содержания показателя зольности по фракциям исследуемого угольного материала.

На основе графика, представленного на рис. 4 можно сделать следующие выводы:

выход мелкой фракции (0—10 мм) при взрыве рядового угля может составлять около 50 % от разрушаемого массива. Это может представлять определенную опасность самовозгорания угля при его складировании и перевозке на фабрику;

• выход взорванного каменного угля с повышенной зольностью (Аа >30 %) может составить около 30 % (рис. 4).

• зольность взорванного рядового угля возрастает по мере увеличения размера куска (кривая 3 рис. 4). Этот фактор объясняется различием показателей крепости и трещино-ватости самого угля и вмещающих пород, формирующих зольность.

Данное обстоятельство может служить основой для обоснования технологии предобогащения углей.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать общие выводы:

1. Максимальное соотношение кокс / не кокс отмечается в пластах У5, Н15, Н15В, У5В, Н16(см. рис. 3)

2. Минимальное соотношение кокс/ не кокс отмечается в пласте У4В1.(см. рис. 2).

¡Т\ \j_

■--------«------

Z —X________

ill ■m 6d so log i ig 144) |Ь0 180 200

И азм ер куска. м №

1 - интегральная кривая { ф )

2 - дифференциальная крниая ( ■ )

Ч - зольность ( Д )

Рис. 4. Просеивание материала в зависимости от фракционного состава гравия

3. Повышенное содержание энергетических углей в пласте У4В1 позволяет считать этот пласт не коксуемым.

4. Прослеживается закономерность сосредоточения энергетических углей в северной части на небольшом отдалении от контуров основных пластов. По некоторым пластам энергетика идет вдоль восточной и южной границы контуров пластов.

1. Пакет геологической информации по Эльгинскому каменноугольному месторождению (состояние геологоразведочных работ на 01.04.1997г).

2. Отчет о результатах детальной разведки Северо-западного участка Эльгинско-го каменноугольного месторождения в То-кинском районе Южно-Якутского бассейна за 1991—1996 гг.

3. Отчет о научно-исследовательской работе Исследование и оценка качества и технологических свойств углей Северо-западного

5. В процессе взрывания породы, обладающей большой крепостью образуют кусковый материал более крупных фракций, чем природный уголь. Зольности рядового угля свыше 55 % соответствует фракция крупностью более 120 мм, что позволяет организовать предварительное обогащение (грохочение) угля в разрезе.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

участка Эльгинского месторождения на стадии его детальной разведки 1995 г.

4. Отчет о научно-исследовательской работе Исследование и оценка свойств углей восточных бассейнов и месторождений СССР в процессе их разработки и дораз-ведки. Раздел: Исследование и оценка химико-технологических свойств углей Эль-гинского месторождения на стадии предварительной разведки 1989 г.

5. Букринский В.А. Геометрия недр. — Москва: МГГУ, 2002. — 549 сШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Лаптев Ю.В. — доктор технических наук, заведующий лабораторией управление качеством минерального сырья, тел.: (343) 350-47-63,

Яковлев A.M. — младший научный сотрудник тел.: (343) 350-47-63. Институт горного дела УрО РАН, direct@igd.uran.ru