CC BY
50
_________________________________ © Л.В. Кузнецова, Б.Ф. Инфантов,
Б.А. Анферов, 2009
УДК 622.277.3; 622.278
Л.В. Кузнецова, Б. Ф. Нифантов, Б.А. Анферов
ВОЗМОЖНОСТИ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЗА СЧЕТ КОМБИНИРОВАНИЯ ГЕО ТЕХНОЛОГИЙ
Для комплексного освоения угольных месторождений предлагаются комбинированные геотехнологии, включающие процессы и методы физикотехнической и физико-химической геотехнологий.
Ключевые слова: угольное месторождение, комплексное освоение, геотехнологии.
азвитие угледобывающей промышленности по моноот--мГ раслевому принципу предполагает строительство предприятий, ориентированных только на добычу угля. Вопросам комплексного освоения угольных месторождений, а именно оценки и извлечения попутных ценных компонентов и утилизации вредных, до недавнего времени не уделялось должного внимания.
Комплексное освоение месторождений [1] это система технических, экономических и других методов, и средств, обеспечивающих комплексную разведку и оценку месторождений, добычу минерального сырья и его переработку для достижения оптимального уровня извлечения из добытого сырья основных и попутных компонентов и утилизацию отходов производства.
Угольные месторождения Кузбасса могут стать нетрадиционными источниками различных попутных компонентов. Так, установлено, что в кузнецких углях с высокой степенью встречаемости присутствуют в повышенных концентрациях до 50 ценных и токсичных химических элементов ^, Л!, Sc, Т^ Mn, Fe, Ga, Ge, Rb, Sr, Y, 2г, №, Ag, Та, Ли, ТЪ, и и др.) [2]. Эти элементы образуют рудные включения в угольных пачках или в вблизи почвы и кровли пластов. Могут встречаться рудные концентрации элементов по всей мощности угольного пласта с образованием линз, прослоев, рассеянной вкрапленности и других форм залегания.
Отходы обогащения и промышленной переработки угля также содержат ценные и токсичные примеси. В Кузбассе выявлены
угольные пласты с содержанием золота свыше 3 г/т, после сжигания которых, содержание золота в золе достигает 15-30 г/т (например, по пласту Бреевскому - 27 г/т). Токсичные же элементы становятся экологически опасными при сжигании угля с повышенным их содержанием. Содержание урана в золошлаковых продуктах может достигать 100 г/т (допустимо 16 г/т) [2].
Таким образом, кузнецкие угли, продукты его обогащения и переработки могут представлять промышленный интерес для извлечения ценных элементов. А для защиты окружающей природной среды от образующихся при обогащении и переработке углей токсичных элементов, необходимо предусматривать специальные технологические решения для утилизации и рециклинга таких элементов.
Другой спутник кузнецких углей - метан. Условия подземной добычи угля в Кузбассе отличаются высокой сложностью из-за га-зообильности шахт. Основными влияющими факторами большой газообильности являются: высокая природная газоносность угольных пластов Кузбасса, возрастающая глубина горных работ, высокая угленасыщенность районов, повышенная трещиноватость углевмещающих пород, концентрация и интенсификация добычи, сложившиеся системы разработки. Абсолютная метанообильность шахт может достигать до 180 м3/мин, как на закрытой шахте Нагорная.
Заблаговременное и попутное извлечение метана позволит решать вопросы повышения безопасности и эффективности ведения горных работ; снижения экологической нагрузки на природную среду; промышленного использования дополнительного энергетического потенциала угольных месторождений.
Как показывает опыт осуществить комплексное освоение угольных месторождений невозможно применением одной традиционной физико-технической геотехнологии. Комбинированные геотехнологии позволят обеспечить комплексную добычу и переработку угля и сопутствующих компонентов, а также снизить экологическую нагрузки на окружающую среду.
Под комбинированной геотехнологией мы понимаем сочетание различных процессов и методов физико-технической и физикохимической (подземное выщелачивание и газификация) геотехнологий в определенной последовательности, с разделением или объединением их во времени и пространстве. Предлагаем два ва-
54
рианта комбинированной геотехнологии комплексного освоения угольного месторождения или его отдельного участка.
Комбинированная геотехнология комплексного освоения отдельного участка угольного месторождения предусматривает применение на первом этапе физико-технической геотехнологии, на втором этапе - различных методов физико-химической геотехнологии извлечения полезных ископаемых совмещенных в пространстве, но разделенных во времени.
При строительстве шахты проводится заблаговременное извлечение метана через скважины с поверхности с целью дегазации угольных пластов и его дальнейшего промышленного использования. Одновременно или последовательно с этим процессом осуществляют вскрытие и подготовку шахтного поля проведением сети вскрывающих и подготавливающих выработок с общим уклоном в сторону главного ствола для организации самотечного водоотведения шахтных сточных вод.
Затем осуществляют извлечение угля традиционной физикотехнической подземной геотехнологией, например, с применением системы разработки «Длинными столбами по простиранию». По мере отработки запасов на первом горизонте очистные работы переводят на второй и т.д. При этом часть горных выработок, особенно тех, по краям которых остались охранные целики, сохраняют до конца отработки запасов всего шахтного поля. На этом заканчивается применение этапа физико-технический геотехнологии извлечения угля и попутно метана.
После отработки промышленных запасов в шахтном поле остаются запасы угля сосредоточенные в охранных целиках, эксплуатационных потерях, некондиционных пластах, в зонах тектонических разрывов нарушенных пластов. Коэффициент извлечения угля обычно составляет около 50 %. На втором этапе применяют различные методы физико-химической геотехнологии.
Оставшиеся в шахтном поле запасы угля подвергают подземному сжиганию [3], организуя подачу воздуха по фланговым стволам, а отсос продуктов сжигания - по главному. При этом на выходе из шахты посредством теплообменных аппаратов получают горячую воду или пар, направляемые в дальнейшем на выработку электроэнергии или для целей теплоснабжения.
В результате выгорания оставшегося угля в выработанном пространстве шахтного поля сосредоточиваются золошлаковые
55
остатки и термально метаморфизованные породы, содержащие ценные и (или) токсичные химические элементы. Подземная газификация и сжигание углей - экологически опасные процессы по загрязнению подземных вод и пород фенолами, бензапиреном, другими органическими и неорганическими продуктами сгорания. Кроме того, они опасны активизацией геохимической подвижности токсичных кислородных и других соединений Ве, Р, S, V, Со, Cd, Мп, As, Ni, Hg, РЬ, Se, Sb, Т1, 2п, F, Сг, С1, Th, и, которые будут «выгорать» из угля и вмещающих пород. В области горения произойдет концентрирование элементов с образованием растворимых органических, металлорганических и неорганических химических продуктов [4].
Для их извлечения шахтное поле заполняют водным раствором реагентов, взаимодействующих с химическими элементами, подлежащими извлечению, переводя их в растворенное, гелефициро-ванное, взвешенное состояние. При этом по мере заполнения выработанного пространства на верхнем горизонте шахты будут скапливаться газообразные продукты подземного сжигания угля (в основном это СО2), являющиеся парниковыми газами. Эти газы направляют для утилизации.
После заполнения выработанного пространства шахты водным раствором реагентов их подачу прекращают и начинают процесс откачивания продуктивного раствора (результат взаимодействия реагентов с химическими элементами, подлежащими извлечению) с направлением его на переработку для извлечения ценных и (или) токсичных химических элементов и соединений. При этом токсичные вещества направляют на утилизацию или рециклинг.
Заполнение выработанного пространства водным раствором реагентов и откачивание продуктивного раствора осуществляют многократно, а для более полного извлечения различных компонентов золошлакового остатка и термально метаморфизованных пород, оставшихся в зоне подземного сжигания
Таблица 1
Составляющие комбинированной геотехнологии комплексного освоения отдельного участка угольного месторождения________
Комбинированная геотехнология
Состав- физико-техническая физико-химическая
ляющие геотехнология геотехнология
Этапы предварительная дегазация пластов традиционная подземная добыча угля подземное сжигание угля выщелачива- ние
Получаемые компоненты метан уголь, метан теплоноси- тель ценные и (или) токсичные элементы
Эффект - повышение безопасности и эффективности горных работ; - снижение экологической нагрузки; - дополнительный энергетический потенциал - топливо и сырье металлургического и химического производства - снижение потерь угля в недрах; - дополнительный энергетический потенциал - металлургическое и химическое сырье; - снижение экологической нагрузки
угля, производят смену реагентов, в зависимости от компонентов, подлежащих извлечению.
В данном способе поэтапное применение физико-технической и физико-химической геотехнологий разработки отдельного участка угольного месторождения позволяет: повысить безопасность и эффективность ведения горных работ; кроме основного полезного ископаемого (угля) добывать сопутствующие - метан и другие ценные химические элементы; снизить экологическую нагрузку на природную среду, извлекая токсичные элементы и улавливая парниковые газы; тем самым осуществить комплексное освоение отдельного участка угольного месторождения (табл. 1).
Комбинированная геотехнология комплексного освоения угольного месторождения с запасами не пригодными для добычи угля традиционной физико-технической геотехнологией предусматривает применение различных процессов и методов физикотехнической и физико-химической геотехнологий разделенных в пространстве, но совмещенных во времени.
та п таї ХІ?^—х
1 і хш хтаї ш IX \
д сит^тэ аг_тГ^ \ гг—п ii.~Z.XI \ЪУ* VI XI XV IV
1 хп XVI V
Рис. 1. Схема деления месторождения на блоки и порядок вовлечения их в отработку
На первом этапе угольное месторождение делят на выемочные блоки ограниченных размеров (рис. 1). Намечают очередность отработки блоков в месторождении с условием, чтобы между блоками, вовлеченными в отработку, всегда находился бы один или два блока еще не вовлеченных в отработку или уже отработанных. На приведенной схеме очередность вовлечения блоков в отработку показана римскими цифрами.
Вовлечение в отработку блоков начинают с физикотехнического этапа - предварительной дегазации угольных пластов. Бурение дегазационных скважин осуществляют с поверхности, например в блоке I. Скважины бурят по всей площади блока на расстоянии друг от друга, зависящем от природной газоносности угольных пластов. Затем работы по бурению скважин переносят на II блок, а в 1-ом проводят работы по дегазации угольных запасов с 58
применением стимулирования метаноотдачи.
По окончании указанных работ в блоках I и II их в том же порядке переносят в блоки III и II, а в 1-ом блоке приступают к реализации физико-химической геотехнологии- подземной газификации. Для этого дегазационные скважины по угольному пласту попарно сбивают между собой и делят их на дутьевые 1 и газоотводные 2. Затем разжигают газогенераторы и производят подземную газификацию угля с выдачей на поверхность продуктов подземной газификации.
По окончании подземной газификации угля в Ьом блоке, этот процесс переносят во П-й блок, а в Ьом - осуществляют тушение газогенераторов заполнением выработанного пространства водным раствором реагентов, начиная тем самым следующую стадию -выщелачивание. Для подачи водного раствора реагентов в выработанное пространство используют имеющиеся скважины 1 и 2.
На следующей стадии в блоке I осуществляют откачивание продуктивного раствора и подачу его на экстракцию ценных и (или) токсичных химических элементов с последующей передачей токсичных элементов на переработку - рециклинг.
На заключительной стадии работ в блоке I производят подачу по тем же скважинам жидкоподвижного закладочного материала, например, отходов обогащения или извлеченной породы, заполняющего выработанное пространство блока, т.е. осуществляют закладку образовавшихся в недрах пустот или консервацию блока. В блоке II в это время осуществляют откачивание продуктивного раствора, в блоке III - тушение подземных газогенераторов, в блоке IV - подземную газификацию, в блоке V - дегазацию, а в блоке VI ведут подготовительные работы - бурение дегазационных скважин.
Деление месторождения по площади на выемочные блоки и установление очередности их вовлечения в отработку позволяет вести комплексное освоение угольного месторождения путем совмещения во времени производство различных процессов и методов физико-технической и физико-химической геотехнологий с разделением их в пространстве (табл. 2).
В совокупности получение дегазационного метана, продуктов газификации и излечение ценных компонентов из золошлаковых остатков и термально метаморфизованных пород Таблица 2
Составляющие комбинированной геотехнологии комплексного освоения угольного месторождения
Комбинированная геотехнология
Составляю- щие физико-техническая геотехнология физико-химическая геотехнология
Этапы предварительная дегазация закладка выработанного пространства подземная газификация выщелачива- ние
Получаемые компоненты или результат метан заполнение подземных пустот продукты газификации ценные и/или токсичные элементы
Эффект - снижение экологической нагрузки; - дополнительный энергетический потенциал - снижение экологической нагрузки; - утилизация отходов; - утилизация выработанного пространства - вовлечение в отработку некондиционных запасов угля; - дополнительный энергетический потенциал - металлургическое и химическое сырье; - снижение экологической нагрузки
повышает эффективность освоения угольного месторождения; извлечение для утилизации или рециклинга токсичных компонентов и закладка выработанного пространства снижают экологическую нагрузку на природную среду.
Таким образом, комбинирование различных процессов и методов физико-технической и физико-химической геотехнологий с их разделением или объединением во времени и пространстве позволит вести комплексную разработку угольного месторождения или его отдельного участка.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горное дело: терминологический словарь / Г. Д. Лидин, [и др.]. - М.: Недра, 1990.- 694 с.
2. Угольная база России. Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири (Кузнецкий, Г орловский, Западно-Сибирский бассейны; месторождения Алтайского края и Республики Алтай).- М.: ООО «Геоинформцентр», 2003.- Т. II.-604 с.
3. Михеев О.В. Подземная разработка пластовых месторождений. Теоретические и методические основы проведения практических занятий: Учебное пособие. / О. В. Михеев, [и др.].- М.: Изд-во Московского гос. ун-та, 2001.- 487 с.
60
4. Нифантов Б.Ф. Геологические аспекты эффективного развития добывающей промышленности в Кузбассе / Б. Ф. Нифантов // Г еомеханика и технологическое развитие подземной угледобычи в Кузбассе.- Кемерово: ИУУ СО РАН, 2004.-С. 58-82. ЕШ
Kuznetsova L. V., Nifantov B. F., Anfyorov B. A.
POSSIBILITY OF COMPLEX DEVELOPMENT COAL FIELDS BY COMBINING OF GEOTECHNOLOGIES
For complex development coal fields it is proposed to apple a combined geotechnologies including processes and methods of physical-technical and physical-chemical geotechnologies.
Key words: coal field, complex development, geotechnologies..
___ Коротко об авторах ______________________________________________
Кузнецова Людмила Васильевна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, E-mail: [email protected]
Нифантов Борис Федорович - кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, тел.: (3842) 53-48-12 Анферов Борис Алексеевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Учреждение Российской академии наук Институт угля и углехимии СО РАН, E-mail: [email protected]
