Перспективы рационального использования подмосковных бурых углей

Evaluating mineral base condition of Tula Region was submitted and perspectives of developing mining enterprises were shown. It's noted that substantiating and creating new physical-chemical geotechnologies mining nature minerals and anthropogenic deposits, concentration and processing minerals at given period of Tula Region mining industry development are the major directions of scientific research. It is necessary for creating equipment and technologies for nontraditional mining methods and processing minerals.

Key words: minerals, Moscow Coal Basin, geotechnologies, concentrating minerals, anthropogenic deposit, environmental safety.

Griyzev Mihail Vasilievich, doctor of sciences, full professor, the Rector, ecology atsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kachurin Nikolai Mikhailovich, doctor of sciences, full professor, head of chair, ecology @tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Zakharov Evgeniy Ivanovich, doctor of sciences, full professor, ecology @tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 622.272

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДМОСКОВНЫХ БУРЫХ УГЛЕЙ

Е.И. Захаров

Отмечено, что минеральная часть бурых углей Подмосковного бассейна содержит десятки элементов, некоторые из них практически являются единственной сырьевой базой. Формула геохимической специализации подмосковного угля отражает высокое содержание металла в пластах. Рекомендовано комплексное освоение угольных месторождений подмосковных бурых углей.

Ключевые слова: Подмосковный угольный бассейн, бурый уголь, металлы, петрография, комплексное освоение угольных месторождений.

В центре Европейской территории России располагается уникальное месторождение бурых углей. Своеобразие Подмосковного буроуголь-ного бассейна, резко отличающегося от других угольных бассейнов, связано с линзовидным и пластообразным залеганием угля, сложным очертанием залежей, слабостью вмещающих пород, сложной гипсометрией и других особенностей, требующих особых приемов в разведке, строительстве шахт и угольных разрезов и, особенно, при их эксплуатации. Угольные залежи имеют сложный гумусово-сапропелитовый состав и подразделяются на гумитовые, сапропелито-гумитовые и гумито-сапропелитовые.

Уникальность бурых подмосковных углей определяется их составом и свойствами. Органические микрокомпоненты углей, являющиеся

66

продуктом изменения исходной растительной массы при углефикации, подразделяются на три большие группы: гелифицированные (витринит + семивитринит); фюзенизированные (фюзенит) и липоидные (лейптинит+ альгинит).

Минеральная часть бурых углей содержит десятки элементов, некоторые из них практически являются единственной сырьевой базой. Формула геохимической специализации подмосковного угля отражает высокое содержание металла в пластах [3]:

2400 и 11 9 Ag 6 РЬ 4 Ое 4 8е 3 Ве 3 № 2 И 2 28п 2 Мо [Оа].

Количество галлия точно не установлено. В формуле перед химическим символом стоит цифра, отражающая максимальный кларк концентрации элемента в угле. Максимальный кларк концентрации для подмосковного угля установлен для урана и равен 2400, что представляет интерес для промышленного использования некоторых месторождений угля.

Благодаря исключительно выгодному географическому и стратегическому положению бассейн становился основной угольной (топливной) базой страны в периоды Первой мировой, Гражданской и Отечественной войн, сыграв особую роль в укреплении обороноспособности и национальной безопасности.

Однако прерывистое залегание, переменная мощность, сложная конфигурация угольных залеганий, неустойчивость вмещающих пород (кровли), обводненность, наличие карстовых нарушений, невысокая теплотворная способность, высокая зольность и содержание серы всегда являлись сдерживающими факторами развития бассейна. Особенно это относилось к качеству угля - его теплотворной способности.

В соответствии с потребительскими стандартами качество углей бассейна как энергетического топлива определялось по золе и влаге. В процессе исследований и практики использования углей выяснилось, что главный показатель ценности энергетического топлива - теплота сгорания - при одинаковой зольности может различаться в 1,5 - 2 раза или при равной зольности быть различной. Более того, зольность и влажность не определяют технологических свойств и путей рационального использования подмосковного угля, а в вопросе промышленно-технологической оценки углей не вносит ясности и углепетрография.

Дело в том, что рассматриваемые угли очень сложны по своей природе и последующим изменениям. Среди многочисленного разнообразия их наиболее отчетливо в промышленном использовании выделяются сапропелитовые, гумусовые неокисленные и гумусовые окисленные разновидности. Эти три основные группы, залегающие в тесном чередовании, при определенных условиях смешиваются между собой и дают два новых переходных типов углей: гумусо-сапропелитовых и смешанных окисленных гуммитов.

Многолетние петрографические исследования [1] подтвердили сложное строение угольных пластов: петрографические классы, типы образуют сложную систему взаимочередований с многократными повторениями петрографических разновидностей в форме пачек, прослойков, линзочек и скоплений различных фрагментов. Все эти формы залегания в пространственном распространении крайне разновелики и неустойчивы, наблюдаются частые и непредсказуемые взаимопереходы через короткие интервалы во всех трех измерениях. Однако указанные работы позволили, во-первых, в первом приближении сформировать качественные характеристики и дать классификационную оценку типов и разновидность подмосковных углей [1 - 2], а во-вторых, отметить ограниченные возможности петрографии в части количественной оценки ископаемых углей. Но еще более важным является то, что этими сложными и трудоемкими методами практически не представляется возможным установить морфологию и пространственное положение отдельных петрографических типов углей. Существенное значение отмеченных недостатков углепетрографии заключается в низкой представительности шлифов и аншлифов из-за малой их массы (толщина шлифа 0,02 мм), а подготовка весьма трудоемка.

Многочисленные работы описательной петрографии, изучающей общий характер макрокомпонентов (ингредиентов), не рассматривают свойства, изучая внешние признаки углей - блеск, цвет, текстуру и др., и отмечены скромными результатами и, к сожалению, не смогли существенно содействовать решению проблемных задач бассейна. Стало очевидным, что описательными методами, допускающими большие условности и неконтролируемые погрешности, нельзя решать научные и практические задачи современной углепетрографии. Уже в работах Н.П. Гвоздевой, А.М. Климанова, В.С. Огаркова была отмечена зависимость теплоты сгорания от выхода летучих веществ. Детальное изучение фактических материалов химлаборатории и углепетрографии показало, что наиболее объективно свойства и качество углей отражаются через удельную теплоту сгорания

летучих веществ и описывается зависимостью

а ,

где 00 - теплота сгорания летучих веществ, МДж; УЛаа - выход летучих на горючую массу, %.

Показатель а В.С. Огарков предложил называть индексом качества угля. Значение этого показателя можно выразить как отношение теплоты сгорания летучих веществ одного грамма угля к количественному их выходу в процентах на горючую массу.

Техника расчета определения величины индекса качества угля проста. В технических анализах химлаборатории массового опробования при

разведке и эксплуатации шахт, разрезов даются показатели ЛйаГ ,Уаа, Qdaf. Обработка многолетних данных технических анализов с отрабатываемых месторождений угля в бассейне позволила установить зависимости, необходимые для определения индекса качества угля расчетным способом [2]:

- выход летучих веств на горючую массу - УЛаа определяется по формуле

ум = у _ 0,23л^,

где Лйаа - зольность угля на сухое вещество, %; У0 - выход летучих на органическую массу = 38 %;

- теплота сгорания горючей массы угля в зависимости от их зольности и выхода летучих веществ определяется по формуле

Qdaf = до + к[100 _

где Q0 - теплота сгорания летучих органической массы угля = 9,84 МДж;

К - удельная теплота сгорания беззольного кокса, равная 0,34 МДж.

После преобразования формула имеет канонический вид

Qdaf = 80

- теплота сгорания летучих веществ определяется по формуле

Qv = Qdaf _ К

- удельная теплота сгорания летучих веществ - индекс качества угля рассчитывается по зависимости

^ Qdaf _ к

а = =---.

уdaf у daf ^ '

Таким образом, имея данные технического анализа угля и используя расчетные зависимости, можно определить индекс качества различных классов и типов угля (табл. 1).

Из табл. 1 следует вывод, что угли разных классов и типов весьма существенно отличаются по индексу качества - от десятка процентов до 2 и более раз. Еще более наглядны эти отличия для промышленно-технологических групп углей. Выделяемые пять промышленно-технологических групп (табл. 2) располагаются с периодической последовательностью петрографических особенностей при неуклонном возрастании индекса качества от окисленных разновидностей до сапропелитов включительно.

Как видно из табл. 2, индекс качества гумусовых окисленных углей и сапропелитовых отличается в четыре раза. Совершенно другое следует из табл. 3, в которой представлены индексы качества углей, рассчитанные по данным технологического анализа проб, отобранных по шахтам и угольным разрезам. Здесь индексы качества углей изменяются от 0,2 до

0,24, так как пробы обычно состоят из смешанных углей, в которых могут одновременно присутствовать несколько типов углей в различных количественных соотношениях. Это создает исключительно сложное разнообразие показателей лабораторных анализов, по которым невозможно установить взаимосвязь основных критериев (Лаа ,Уаа), определяющих качество и свойства углей.

Таблица 1

Индекс качества^ петрографических типов подмосковных углей

Петрографические типы угля Зольность на сухое вещество ЛйаГ,% Выход летучих веществ на горючую массу УдаГ,% Теплота сгорания угля 0**, МДж Теплота сгорания летучих веществ 0', МДж Индекс качества угля 0

Класс А - гумиты

Кларен 13,5 42,9 25,0 5,6 0,13

37,1 49,9 30,0 13,0 0,26

Дюрено-кларен 8,8 41,7 27,8 8,0 0,19

40,2 55,9 30,35 15,4 0,275

Кларено-дюрен 18,0 40,7 28,0 7,8 0,167

35,6 53,7 29,0 13,3 0,248

Дюрен 11,2 39,6 27,1 6,7 0,168

44,7 63,9 31,2 18,9 0,30

Класс Б - липтобиолиты

Липтобиолиты 8,0 43,5 29,0 9,8 0,225

33,8 57,3 31,5 17,0 0,30

Класс В - сапропелито-гумиты

Кларен 9,54 46,5 28,7 9,5 0,218

25,6 55,8 31,0 16,0 0,287

Дюрено-кларен - 48,2 29,0 11,4 0,24

- 60,3 31,2 17,8 0,295

Кларено-дюрен 6,01 48,2 31,7 14,0 0,29

29,2 60,3 33,4 20,0 0,33

Класс Г - гумито-сапропелиты

Кеннель 11,4 50,9 29,7 13,0 0,255

41,0 60,8 34,0 20,8 0,342

Гумусо-сапропель 40,6 56,0 26,5 11,5 0,2

54,8 62,2 27,8 15,0 0,241

Класс Д-сапропелиты

Кеннель-богхед, полубогхед, богхед 5,7 51,8 28,5 12,1 0,25

48,2 86,0 38,0 33,2 0,39

Определяемая величина удельной теплоты сгорания летучих и индекс качества а зависят от природы петрографического состава органической массы, количества и видов минеральных примесей, последующих изменений углей - окисления, выветривания и др. Например, в гумусовых углях неуклонно возрастает выход летучих в прямой зависимости от увеличения зольности за счет негорючих компонентов образующихся при

распаде минеральных составляющих. Эта зависимость отражается в снижении показателя удельной теплоты сгорания летучих, характеризующей качество топлива. В окисленных разновидностях, в которых наряду с минеральными примесями содержатся негорючие продукты, образовавшиеся от распада органической массы, удельная теплота сгорания резко понижается, а, следовательно, падает качество угля.

Таблица 2

Промышленно-технологическая классификация углей Мосбасса

Группы качества углей да уйа[ а

Сапропелитовый 5,0 85,1 38 0,40

10,6 81,2 37 0,38

19,1 78,6 36 0,34

Гумусово-сапропелитовый 10,0 51,2 33 0,31

20,0 52,5 32 0,30

30,0 54,1 31 0,29

40,0 55,2 30 0,28

45,0 57,1 29 0,27

Гумусовый неокисленный 9,8 41,0 30 0,26

20,0 43,9 29 0,24

29,4 46,7 28 0,22

40,6 49,5 27 0,20

45,1 52,6 25 0,19

Частично окисленный 20,0 46,2 26 0,18

30,0 48,3 25 0,17

40,0 52,1 24 0,16

45,0 54,1 23 0,15

Гумусовый окисленный 30,6 54,2 23 0,15

40,1 57,3 21 0,13

44,9 59,2 19 0,10

В табл. 2 дифференциация удельной теплоты сгорания летучих четко наблюдается для промышленно-технологических групп углей, а ее численное значение, выражающее качество, технологические свойства, принадлежность к определенному петрографическому подразделению угля, в дальнейшем может быть рекомендовано в виде классификационного показателя а для условий бассейна и, как следствие, перейти к более обоснованному и рациональному использованию подмосковных углей.

Для этого на основе технических анализов проб, отобранных кернов или из горных выработок в каждой точке исследуемой площади месторождения расчетным способом определяется вариация индекса качества. По

данным расчетов в изолиниях строятся специальные карты качества, на которых представляют пространственное положение углей по промышленным группам или петрографическим числам. Карты качества показывают на шахтных полях распределение углей различной промышленной ценности. По ним можно осуществлять раздельный подсчет запасов, определять и прогнозировать качественное соотношение отдельных угольных ресурсов по группам качества, а в конечном итоге, решать задачи о выборе основных направлений рационального использования углей с учетом современных геотехнологий.

Таблица 3

Индекс качества углей шахт и разрезов__

Объект исследования Зольность угля на сухое вещество, , % Выход летучих веществ на горючую массу, уй4, % Теплота сгорани я угля, 0<а МДж Теплота сгорания летучих веществ 0', МДж Индекс качества угля 0

Шахта «Прогресс» 31,6 46,2 29 10,7 0,23

Шахта Покровская 30,7 46,8 28 10,4 0,22

Шахта Владимировская 34,5 44,2 29 10,0 0,22

Шахта Подмосковная 37,8 46,3 27,7 9,4 0,20

Шахта Богородицкая 37 51 27,8 11,2 0,22

Шахта Бельковская 31,4 47,2 29,1 11,15 0,236

Шахта Никулинская 31,8 47,7 29 11,2 0,234

Шахта Бельцевская 39,6 44,4 27,6 9,7 0,2

Разрез Богородицкий, № 13 36,8 49,2 27,7 10,4 0,2

Разрез Богородицкий, № 17 35,3 50,2 28 11 0,21

Разрез Кимовский, № 1 35,0 49,0 28 10,7 0,22

Разрез Кимовский, № 2 31,2 46,3 28,2 10,0 0,217

Разрез Кимовский, № 3 30,1 47,6 29 10,84 0,23

Разрез Кимовский, № 4 32,4 50,2 29 12,1 0,24

Разрез Ушаковский, № 2 34,3 45,8 29 10,6 0,23

Разрез Ушаковский, № 3 35,2 45,6 29 10,5 0,23

Так, неокисленные гумиты при соответствующем процессе обогащения могут быть хорошим энергетическим топливом. Окисленные и час-

тично окисленные угли самые малоценные как энергетическое топливо, в них повышена зольность, понижена теплота сгорания. Они могут использоваться для получения синтез-газа в установках и по технологии, разработанной в Институте электрификации и электроэнергетики РАН РФ. Практически все подмосковные угли обладают повышенной трещиноватостью, рыхлым сложением, достаточной пористостью. Благодаря этим свойствам они успешно сжигаются при подземной газификации, что подтвердилось на Новобасовском, Гостеевском и Шатском месторождениях.

В последние десятилетия прошлого столетия целенаправленно проводились исследования по использованию органического вещества угля (ОВУ), в том числе составляющих смол полукоксования - карбонатных кислот, фенолов, органических оснований, углеводородов и др. Наряду со смолой полукоксования из ОВУ получают гуминовые и фульвокислоты, являющиеся важнейшим источником азота, углеводородов, битумов, аминокислот, водорастворимых карбонатных кислот, различных металлов.

На основе ОВУ осуществляется производство лаков, различных красителей, сорбентов, антисептических средств, антидетонационных добавок, катализаторов окисления углеводородов и т.д.

Важнейшим направлением в использовании химического потенциала ОВУ является их термоожижение в среде водорододонорных растворителей. При этом получается синтетическая нефть, отличающаяся высоким содержанием изо- и циклоалканов, изопреноидных, гидроароматических и ароматических углеводородов. Термоожижение ОВУ осуществляется в присутствии углеводородной фракции смолы полукоксования бурых углей, характеризующейся высоким водорододонорным потенциалом и хорошей растворимостью по отношению к продуктам термодеструкции ОВУ. Степень термоожижения ОВУ изменяется от 87,4 (4-й уч. Кимовско-го разреза) до 21 % (ш. Липковская). Содержание бензиновой фракции до 20 %, солярной - до 40 % от синтетической нефти.

Таким образом, с учетом изложенного представляется более обоснованно оценить ресурсы и пространственное распределение углей различного качества и технологических свойств с целью рационального и комплексного использования их в народном хозяйстве региона.

Список литературы

1. Смыслов А. А., Кирюков В.В. Твердые горючие полезные ископаемые// Недра России. Т.1. Полезные ископаемые. 2001. С. 80-106.

2. Атлас углей Подмосковного бассейна. Т.1 / под ред. В.С. Ябло-кова. Тула: ЦБТИ, 1962.

3. Разработать и представить в ТКНТ и Госплан СССР и Союзных республик рекомендации по охране геологической среды Подмосковного

горнодобывающего района: отчет по теме 01.05.Н1Н ГКНТ СССР. Науч. рук. Е.И. Захаров, 1982 - 85 гг.

Захаров Евгений Иванович, д-р техн. наук, проф., ecology@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

PERSPECTIVES RA TIONAL USING MOSCOWBRO WN COALS

E.I. Zaharov

It's noted that mineral part of brown coals of Moscow Basin has tens of elements and some of them are practically only raw materials base. Formula of geochemical specialization for Moscow coal reflects high concentration of metals in coal seams. Complex developing coal deposits of Moscow brown coals is recommended.

Key words: Moscow Coal Basin, brown coal, metals, petrography, complex developing coal deposits.

Zakharov Evgenyi Ivanovich, Doctor of Sciences, Full Professor, ecology@tsu. tu-la.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 622.775

ОБОСНОВАНИЕ АНАЛИТИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНОСТЕЙ ОТ ВРЕМЕНИ ПРИ ПОДЗЕМНОМ СКВАЖИННОМ ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ УРАНА

Е.И. Рогов, Л.Б. Сабирова

Изложены результаты экспериментальных работ, установлены закономерности и даны конечные аналитические формулы для естественного процесса самовосстановления пластовых вод после ПСВ урана. Поучены формулы для концентрации вредностей при использовании протяжки пластовых вод через пустые породы.

Ключевые слова: выщелачивание, уран, скважина, концентрация, удельная активность, подземные воды.

Исследования процессов восстановления пластовых подземных вод после подземного скважинного выщелачивания (ПСВ) урана и других элементов позволили установить основные загрязнители пластовых вод при сернокислотном подземном выщелачивании урана [1]. Это, прежде всего, сульфаты, нитраты, различные соли, содержание растворенного урана в пластовых водах и кислотность остаточных растворов. В общем случае следует проверять любой инновационный способ протяжки зараженных