Угольные месторождения и бассейны

2. Угольные месторождения и бассейны

Запасы каменных и бурых углей на территории нашей страны сосредоточены в 25 угольных бассейнах, нескольких крупных угленосных площадях и более чем в 650 отдельных месторождениях.[8]

Общие геологические запасы ископаемых углей в России до глубины 1800 м (для каменных углей) и 600 м для бурых достигают 6800 млрд. т, в том числе балансовых 5730 млрд. т. Из них 630 млрд. т составляют запасы категорий А, В, C1, C2.

Краткая характеристика основных угольных бассейнов приведена в табл.1.

Распределение общих запасов угля по стране неравномерно. Угольные бассейны в европейской части страны находятся на стадии установившихся объемов добычи или даже ее снижения (Подмосковный и частично Донецкий бассейны).

Угольные бассейны, расположенные в азиатской части страны (Кузнецкий, Канско-Ачинский и Карагандинский), являются основными перспективными районами развития угольной промышленности. К числу малоосвоенных угольных бассейнов, имеющих значительную перспективу развития, относится Южно-Якутский угольный бассейн, располагающий запасами каменных углей ценных марок.

Общим для всех угольных бассейнов является увеличение глубины разработки. Диапазон вынимаемой мощности пластов в ближайшей перспективе не претерпит значительных изменений. За счет некоторого уменьшения доли пластов, залегающих под углом 0-12°, произойдет увеличение удельного веса пластов с углом падения до 12-18°.[9] Характерным для разработки пластов в основных угольных бассейнах является постепенный рост удельного веса пластов с неустойчивыми и весьма неустойчивыми кровлями. Прогнозируется значительное увеличение доли разрабатываемых пластов с газоносностью 15-25 м3/т в Кузбассе при сохранении существующего положения с выемкой газоносных пластов в Карагандинском и Печорском угольных бассейнах.[10] В целом наблюдается тенденция ухудшения горно-геологических условий разработки месторождений.

Таблица №1

3. Геология угольного месторождения

Под литосферой (греч. «литое» - камень, «сфера» - шар, оболочка) понимают земную кору и часть верхней мантии Земли. Толщина земной коры составляет от 7 до 80 км.[11] Наибольшая глубина залегания нижней границы земной коры характерна для континентальных участков, наименьшая - для территории морей и океанов. На материках земная кора имеет довольно выдержанную толщину 30-40 км. Земная кора сложена различными минералами и горными породами.

Минерал - природное химическое соединение или элемент, однородное по химическому составу и строению, являющееся продуктом геологического процесса. Горная порода - устойчивая совместная ассоциация минералов, обусловленная общностью их происхождения, возникающая в результате определенных геологических процессов и образующая геологически самостоятельные тела в земной коре. Горные породы бывают пластичными (глина), хрупкими (уголь), сыпучими (песок), крепкими (базальт), мягкими (торф) [12]

Различают коренные горные породы и наносы. Коренные горные породы залегают на месте своего образования, но могут изменять пространственную ориентацию в ходе геологических процессов. Наносы представляют собой продукты разрушения коренных пород в результате деятельности ветра, солнца, воды, изменения температуры окружающей среды; они покрывают рыхлым слоем коренные породы и обычно залегают на поверхности. В некоторых случаях коренные породы выходят непосредственно на поверхность. Поэтому наносы могут иметь толщину от нуля до нескольких сотен метров.

По происхождению (генезису) горные породы делят на три группы: магматические, осадочные и метаморфические. Магматическими называют такие породы, которые образовались после остывания жидкой расплавленной магмы. К ним относят граниты, базальты, габбро и др.

Осадочными считают породы, образовавшиеся в результате разрушения и накопления других пород, химического осаждения растворенных в водоемах веществ и деятельности микроорганизмов. Осадочные породы подразделяют на обломочные, химические и органического происхождения.

Угольные месторождения сосредоточены в осадочных породах, которые и представлены в основном песчаниками, известняками, аргиллитами, алевролитами, глинистыми, песчано-глинистыми и углистыми сланцами. Аргиллиты - уплотненные и сцементированные в процессе геологического изменения глинистые породы. Алевролиты - горные породы, сцементированные из мелких песчаных частиц размером до 0,1 мм.[13]

Сланцы - горные породы с почти параллельным расположением пластинчатых или вытянутых минералов и легко разделяющиеся по плоскостям наслоения. К осадочным породам относят также торф, нефть, твердые битумы, горючие сланцы, асфальт; в осадочных породах содержится природный газ.

В угольных месторождениях процесс диагенеза заканчивался образованием бурого угля. В дальнейшем происходило изменение его химического состава, физических и технологических свойств под влиянием повышенных температур и давления. В результате из бурого образовался каменный уголь, а из каменного угля антрацит. Процесс изменения состава угля в недрах от бурого до антрацита называют его метаморфизмом.

Метаморфическими считают те из магматических или осадочных пород, которые под действием высоких температур и давления изменили свой первоначальный состав и строение. К ним относят кварциты, гнейсы, кристаллические (слюдяные) сланцы, мраморы и др. В метаморфических породах находят руды железа, меди, вольфрама, редких металлов и др.[14]

Естественное скопление полезного ископаемого в земной коре называют месторождением полезного ископаемого. Часто бывает, что в одном месторождении сосредоточено несколько полезных ископаемых - хромо-никелевые, медно-цинковые, нефтегазовые и др. Угольный бассейн - площадь сплошного или островного развития угленосных отложений, характеризующаяся общностью условий образования на протяжении одного геологического отрезка времени. Угольный бассейн обычно приурочен к крупной тектонической структуре.

Угленосный район - часть угольного бассейна, отличающаяся едиными геологическими условиями залегания угольных пластов.

Геолого-промышленный район - часть угольного бассейна, характеризующаяся не только едиными геологическими условиями, но и общностью экономических, географических и исторических особенностей развития. Приведенные определения применимы с соответствующей поправкой к другим полезным ископаемым. Уголь в недрах залегает в виде пластов, руды - в виде жил, линз, гнезд, пластов, а горючие сланцы, соли, торф - в виде пластов и линз (рис. 1.1). Пласт - скопление в недрах полезного ископаемого, ограниченное двумя близкими к параллельным плоскостями и имеющее значительную площадь распространения по сравнению с мощностью (толщиной накопления). Группа пластов, залегающих совместно в порядке их генетического образования, чередующихся с вмещающими пустыми породами и объединяющихся по единому геологическому признаку (чаще всего - по возрасту), представляет собой свиту пластов. Вмещающие породы и свита угольных пластов вместе образуют угленосную толщу. Вмещающие породы, залегающие непосредственно выше пласта, называют кровлей, ниже пласта - почвой. Пластообразное скопление пустой однородной породы или часть пласта называют слоем.

Если угольный пласт состоит из одного угля, он имеет простое строение. В большинстве случаев пласт разделен прослойками - тонкими слоями пустой породы - на угольные пачки, и имеет сложное строение. Число пачек в угольных пластах колеблется от единицы до десятков и сотен. Плоскости, по которым отдельные пласты или слои пород соприкасаются друг с другом, называют плоскостями напластования.

В процессе образования угольных пластов органические осадки откладывались горизонтальными или слабо наклонными слоями. Однако при разработке месторождений находят пласты и слои различного угла наклона к горизонтальной плоскости. Это объясняется тем, что в ходе диагенеза и метаморфизма, в недрах возникали тектонические движения, которые привели к нарушениям (дислокациям) первоначального залегания пород. Геологические нарушения разделяют на пликативные (складчатые без разрыва сплошности массива) и дизъюнктивные (с разрывом сплошности).

Рис. 1. Форма залегания полезных ископаемых в недрах:

а - пласт; б - линза; в - гнездо; г – жила

§ 3.1. Общая характеристика свойств и состояния массива

Свойство горной породы - присущее ей качество, которое характеризует ее структуру или реакцию на внешнее воздействие.[15] Свойство может выражаться численным показателем, т. е. свойство имеет меру. В поиске, разведке, добыче и обогащении полезных ископаемых наиболее широко используют плотностные, коллекторские, механические, электрические, электромагнитные и акустические свойства.

Плотностные свойства характеризуют вещества в каком-либо объеме. Их используют при учете добычи полезных ископаемых, в расчетах транспортирования угля и горных пород, а также обогащения.

Знание механических свойств горных пород позволяет правильно выбрать технологию и средства механизации процессов добычи и обогащения полезных ископаемых. От механических свойств горных пород зависит выбор способа крепления и управления кровлей в очистном забое или проведения горной выработки.

Электрические свойства горных пород используют для разведки полезных ископаемых. Для этого в разведочных скважинах помещают электроды и пропускают через них электрический ток. По его величине рассчитывают удельную электрическую проводимость горной породы и по ней определяют тип горной породы. Так получают разрез горных пород по скважине. По замерам в нескольких скважинах определяют структуру залегания пластов и пород на данном месторождении. Электрические свойства горных пород используют также при стимулировании осушения водоносных слоев, оттаивании мерзлых пород на карьерах.

Электромагнитные свойства пород используют для установления границ рудных тел, полостей скопления соляного раствора, границ зон, опасных по горным ударам.[16]

Акустические свойства горных пород используют для определения зон, опасных по внезапным выбросам угля и газа, устойчивости целиков, границ между угольным пластом и вмещающими породами, трещиноватости и нарушенности массива.

Термические (тепловые) свойства влияют на теплообмен пород с шахтным воздухом, а, следовательно, на климатические условия в горных выработках. Они используются в термическом бурении скважин на карьерах, при подземной газификации угля.

При разработке полезных ископаемых те или иные свойства горных пород проявляются в сочетании друг с другом. Комплекс свойств и технология ведения горных работ обусловливают состояние массива горных пород. В таких случаях говорят о проявлении технологических свойств массива.

Состояние массива горных пород характеризуется напряжениями, массами пород, воды и газов, содержащихся в единице объема горных пород, и температурой. Напряжение горной породы - сила, действующая на единицу площади какого-либо сечения породы. Если сила направлена перпендикулярно к рассматриваемой плоскости сечения, то напряжение называют нормальным. В случае действия силы в плоскости сечения напряжение считают касательным.

Напряжения в массиве возникают по различным причинам. Основная из них - вес вышележащих пород. Сила, вызываемая весом вышележащих пород, называется горным давлением. Напряжения в массиве от действия веса вышележащих горных пород на глубинах 800-1200 м достигают 20-30 МПа и более.[17] Такие значительные напряжения обязательно учитывают при выборе технологии ведения горных работ.

Напряжения в массиве горных пород формируются также в результате тектонических движений земной коры, землетрясений, давления газа и т. д.

На современных глубинах разработки давление метана в угольных пластах редко превышает 5-7 МПа. Наиболее высокие давления метана зарегистрированы на шахтах Донбасса (12 МПа).

Давление углекислого газа, содержащегося в угольных пластах шахт Подмосковного бассейна и Восточного Донбасса, меньше, чем давление метана. Измеренные давления углекислого газа в пластах не превышают 3,5 МПа.

С увеличением глубины залегания угольных пластов их температура возрастает по закону, близкому к линейному. В обычных условиях, где отсутствуют термические аномалии, температура горных пород, начиная с пояса постоянных температур, которые равны среднегодовым на поверхности, увеличивается примерно на 3 °С через каждые 100 м глубины. Поэтому температура пород, например, на глубине 1000 м достигает 38-42 °С. Изменения температуры пород создают в них дополнительные напряжения.[18]

В процессе разработки состояние угольных пластов и вмещающих пород меняется - перераспределяются как напряжения, так и массы пород, метана и воды. Изменяются свойства и температура массива вокруг горных выработок.

§ 3.2. Перемены в недрах

Подавляющее большинство разрабатываемых месторождений находится вблизи земной поверхности, не более чем на 300-метровой глубине (в среднем).[19] Именно из этой толщи земной коры человечество долгое время извлекало все необходимое минеральное сырье. Сегодня же потребности в нем резко возросли: понадобилось не только больше сырья - потребовались такие полезные ископаемые, в которых раньше не было нужды. Это заставляет горняков уходить в недра, вовлекать в разработку более глубокие горизонты.

В России сейчас более сотни шахт добывают уголь из пластов, лежащих в 600 метрах от поверхности. А на шахтах Донецкого бассейна первый рабочий горизонт расположен на глубине более 1000 метров. Примерно того же уровня достигли разработки на калийных рудниках в Белоруссии. Рабочие отметки некоторых рудников Кривого Рога - полтора километра. На столько же предстоит опуститься руднику «Таймырскому» Талнахско-Октябрьского месторождения.

В среднем же глубина горных работ в РФ достигла 600 метров.[20]

Интенсивное проникновение в недра началось в 50-х годах. Именно тогда горняки впервые почувствовали, что они перестают быть полноправными хозяевами недр, что в некоторых случаях они не в состоянии управлять подземными ситуациями.

Особенно опасны горные удары в рудных массивах Руда - крепкий материал, долго противостоит горному духу и, когда он высвобождается, всю энергию передаем подземным сооружениям. Уголь более пластичен, он несколько гасит силу удара.

Общий вывод: с глубиной недра ведут себя иначе, чем вблизи земной поверхности. В многовековой горной практике произошел перелом; нельзя дальше полагаться только на опыт, необходимо точнее изучить подземный мир на глубинах более 300 метров.[21]

В наши дни ситуация меняется. На глубокие горизонты первыми часто идут ученые. Следом за ними уверенно направляются в новые забои рабочие бригады. Горная наука гарантирует им спокойную работу.

Не так давно инженер-горняк обходился небольшим набором формул для расчета подземных сооружений. Сегодня он привлекает для тех же целей теорию упругости, теорию пластичности, механику сплошных и дискретных сред. Это помогает ему уверенно осваивать глубокие горизонты, работать на пределе допустимых воздействий на недра.

§ 3.3. Геотехнология и природа

Проблема взаимоотношения традиционных методов добычи полезных ископаемых и окружающей природной среды становится с каждым годом все острее.[22] Она всесторонне обсуждается, исследуется специалистами, ее широко освещает периодическая печать. Но даже определенные успехи, достигнутые, скажем, в рекультивации отобранных под горные разработки земель, не могут сгладить последствий традиционной практики горного дела для природной среды. Больше того, растет и ущерб народному хозяйству. Терриконы и отвалы, возникающие вблизи шахт и карьеров, отбирают ежегодно десятки тысяч гектаров пахотных земель. Ветер легко разрушает эти искусственные холмы, уносит пыль и вредные вещества на окрестные поля, в результате снижается их урожайность. Подземные горные выработки шахт, которые часто распространяются на десятки километров, затрудняют, а подчас и полностью исключают строительство на поверхности Земли. Колоссальные воронки современных карьеров - это не только чисто внешние раны, обезображивающие землю. Они ведут иногда к серьезным изменениям гидрогеологических условий больших районов, например к понижению уровня подземных вод.

Геотехнология имеет в этом смысле немало преимуществ. Если традиционные методы добычи полезных ископаемых иногда уподобляют хирургическому вмешательству в сложный организм природы, то геотехнологические методы сравнивают с терапией в медицине. Геотехнология, уходя из района месторождения после его отработки, не оставляют практически никаких видимых нарушений поверхности земли, не разрушают плодородных слоев почвы.

С другой стороны, нет никаких оснований и идеализировать геотехнологические методы с точки зрения их взаимоотношения с окружающей средой. Как и терапия в медицине, геотехнология при неумелом, недостаточно продуманном применении может обернуться многими нежелательными последствиями. Над огромными подземными пустотами, образованными, скажем, подземным растворением солей или выплавкой серы, возможны деформации вышележащего горного массива и проседание поверхности земли. Инструменты геотехнологии тоже весьма агрессивны - кислоты, щелочи, микроорганизмы. Ими могут загрязняться и поверхностные и подземные воды. При геотехнологических методах подчас неизбежно выделение вредных газов, которые грозят загрязнением атмосферы.

Но все эти нежелательные последствия, как показывают исследования и первая практика, устранимы почти полностью, либо их можно свести к практически безопасному минимуму.

Геотехнология ни в коем случае не исключает проблему охраны окружающей среды от тех или иных загрязнений, но она переводит ее на другой уровень по сравнению с традиционной горной технологией, ставит вопросы тонкого контроля и регулирования качества среды: о характере и концентрации вредных выбросов, приемлемом уровне воздействия на окружающую среду в каждом конкретном случае, о способах достижения и сохранения этого расчетного уровня.

В настоящее время наукой и промышленностью накоплен немалый опыт в решении вопросов регулирования качества среды. Созданы и создаются весьма совершенные приборы контроля, позволяющие оперативно и с высокой точностью определять концентрации вредных веществ, появляющихся в результате промышленных выбросов в атмосфере, акваториях и почве. Разработаны вопросы экономической и технологической целесообразности разных вариантов управления качеством окружающей среды. Хотя в общей оценке мероприятий, направленных на изменение технологических процессов с целью уменьшения вредных выбросов, нет еще объективных данных о цене предотвращенного ущерба. Трудно в рублях и копейках измерить сохранение здоровья людей, их морального и эстетического состояния.

Некоторые пути решения проблемы охраны окружающей среды при геотехнологических способах добычи полезных ископаемых можно рассмотреть на Примере подземной выплавки серы. Здесь накоплен уже многолетний опыт. В технологии подземной выплавки выделяют два рода выбросов.[23]

Это организованный выброс, который связан с откачкой из водоотливных скважин отработанного теплоносителя и в ряде случаев с откачкой пластовых вод, которые могут изначально находиться в залежи. Откачиваемые воды обязательно поступают в очистные сооружения. Только пройдя установку очистки от сероводорода, пруды-накопители и особые резервуары, где воды разбавляют и контролируют содержание в них нормального количества солей и газов, вода сбрасывается в реки.

Неорганизованный водоотлив возникает при нарушении технологии процесса. Он также должен учитываться в расчете мощности очистных сооружений.

Но очистка вод и последующий их сброс в реки сегодня уже не могут считаться достаточными для предотвращения последствий подземной выплавки. Для мощных предприятий стоимость таких мероприятий становится слишком высокой. Как показывают исследования и расчеты, лучший способ регулирования качества среды - это полностью замкнутый водооборот. Причем такой способ оказывается еще наиболее выгодным с экономической точки зрения. Сегодня уже разработана замкнутая схема для производства теплоносителя из пластовых вод на мощном Язовском месторождении серы. Откачку пластовых вод из водоотливных скважин будут вести в общий коллектор.

Геотехнологические способы, как и традиционные, ведут к образованию в недрах земли пустот. Но во многих случаях геотехнологическое нарушение структуры горного массива практически не влечет за собой опасности проседания поверхности над отработанной залежью. Например, при выщелачивании урана и редких металлов руда практически не изменяет своей пористости. Это отражает как раз одно из уникальных достоинств геотехнологии - возможность селективного извлечения элементов из руды, когда растворению подвержены лишь незначительные в общем объеме рудного тела минералы. Расчеты показывают, что растворение руд с содержанием полезного компонента 15-20 процентов не вызывает разрушения структуры горного массива, по меньшей мере сколько-нибудь заметного.[24] При большем объеме растворения уже возможно разрушение структуры руды и ее уплотнение. В этом случае возникает необходимость принимать особые меры по компенсации падения горного давления в пласте. Это может быть достигнуто, например, оставлением в пласте целиков - своего рода несущих колонн, закачкой в пласт воды. В случае, когда под землей образуются большие камеры, решение проблемы может быть достигнуто наиболее выгодным способом - устройством подземных хранилищ природного газа или нефти.

Нежелательные последствия при геотехнологических методах добычи полезных ископаемых может также иметь нарушение баланса между подачей в недра рабочих агентов и откачкой продукционных растворов. На степень такого рода нарушения может сильно влиять строение и состав окружающих полезный пласт горных пород. Как мы уже упоминали, окружающие породы должны быть по возможности малопроницаемы для жидкостей и газов. Если же естественная проницаемость массива все-таки велика, нужно найти способ герметизации подземной камеры. Такие задачи возникают при подземном растворении солей, выщелачивании металлов, газификации угля. Достаточно надежным способом предотвращения утечки реагентов, согласно исследованиям и экспериментам, может быть более интенсивное откачивание флюидов.

В целом специалисты считают, что в подавляющем большинстве случаев нежелательные явления, вызванные применением геотехнологических способов добычи полезных ископаемых, могут быть устранены совсем либо опасность их для природного равновесия может быть сведена к минимуму. При этом геотехнология сохраняет все свои преимущества - с точки зрения охраны окружающей среды - перед традиционными способами добычи.

Заключение

Геотехнология привлекает все большее внимание ученых и практиков. Уже сегодня разработаны геотехнологические методы для добычи 30 ценных элементов, Этими методами ведется промышленная добыча каменной и калийной соли, урана, меди и никеля, самородной серы и тяжелой нефти, бишофита, фосфоритов. Методами геотехнологии разрабатывают месторождения каменного и бурого угля, йодо-бромистых подземных вод и подземных вод, содержащих бор, литий, уран, месторождения термальных вод.[25] В стадии полупромышленного освоения геотехнологическими методами находятся месторождения соды и глауберовой соли, марганца, цинка, свинца и золота, битума и озокерита, строительного песка и гравия. Полупромышленно извлекаются Ценные элементы из шахтных, рудничных и нефтепромысловых стоков, а также предприняты первые полупромышленные попытки использования тепла сухих горных пород.

Техника, которая обеспечивает добычу полезных ископаемых этими методами, имеет ряд характерных особенностей. С одной стороны, она чаще всего не представляет собой какой-либо абсолютной новинки. Скважины с обычным для нефте и газопромыслов оборудованием и буровые станки, насосы, компрессоры, котлы, парогенераторы, химические аппараты для производства реактивов, их регенерации и очистки - все это знакомо по работе в других отраслях производства. Но физико-химические процессы геотехнологической добычи идут в основном под землей. Потому геотехнология рождает и совершенно новую, не имеющую никаких аналогов, своеобразную технику - подземные химические реакторы, газогенераторы, тепловые котлы. Наконец, развитие геотехнологической добычи требует значительного изменения обычной наземной техники, например создания специфических погружных насосов для откачки рабочих растворов, более мощных генераторов токов высокой частоты для искусственного прогрева залежи.

Сегодня многие специалисты сходятся во мнении, что у геотехнологии большие исследовательские и производственные проблемы, но и большое будущее. Уже в ближайшие пятилетки геотехнология может выступить на равноправных началах с традиционными способами горного дела - подземной и открытой добычей полезных ископаемых. Дальше - учитывая ее экономические, социальные и экологические преимущества - как альтернатива шахтам и карьерам.[26]

1. Васючков Ю. Ф.Горное дело; Учеб. для техникумов.- М.: Недра, 2000

2. Друянов В. А. Недра - цех под землей. М.Знание, 1999

3. Ковальчук А. Б. Горное дело: Учеб. для техникумов. М.: Недра, 1991

4. Спиридонов Л. Л. Геотехнология. М. Знание, Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Техника», № 4,