Физико-химические геотехнологии в Мосбассе

ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

УДК 622.234.5

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ГЕОТЕХНОЛОГИИ В МОСБАССЕ

Е.И. Захаров, П.В. Васильев

Рассмотрена возможность использования физико-химических геотехнологий в Подмосковном угольном бассейне. Показано, что основными физико-химическими технологиями являются технологии огневой отработки угольных месторождений. Приведены результаты исследования физико-химических свойств углей Подмосковного угольного бассейна и отмечено, что подземная газификация углей становится одной из наиболее популярных физико-химических геотехнологий.

Ключевые слова: физико-химическая геотехнология, уголь, подземная газификация, физико-химические свойства, Подмосковный угольный бассейн.

С ростом качества жизни возрастают потребности в электрической энергии. Особое место отводится проблемам энергоэффективности, являющейся частью общей проблемы энергообеспеченности. Чаще всего данная проблема рассматривается в рамках удельной, т.е. затрат энергии на единицу продукции, на единицу ВВП, на душу населения и т.д. Причем душевое потребление энергоносителей в развитых странах намного выше, чем в России: в 2-3 раза по нефти, 4 раза по углю, 3-5 раз по газу.

В настоящее время учеными определен вероятный углеводородный энергетический потенциал Земли, который в сумме равен 100 %, а именно 4,2 % приходится на нефть, 2,5 % - на газ и 93,3 % - на уголь. В топливно-энергетическом ресурсном балансе России уголь занимает ведущие позиции - 43 % от общих запасов углеводородов. Доля же освоенных запасов в РФ: нефти - 16 %; природного газа - 5 %; угля - 2 %.

По оценкам экспертов в совете по углю при Международном энергетическом агентстве (МЭА), уголь и сегодня - основной фактор энергетики, и его позиции могут быть многократно усилены за счет технологического прорыва при использовании угля как сырья для производства про-

дуктов углехимии. В этом аспекте представляет интерес бурый уголь Подмосковья.

Благодаря исключительно выгодному географическому и стратегическому положению Подмосковный угольный бассейн во время тяжелых испытаний России становился основной угольной базой для снабжения топливом промышленности, транспорта, ЖКХ в годы Японской, Первой мировой, гражданской и Отечественной войн, - сыграв особую роль в укреплении обороноспособности и национальной безопасности страны.

Своеобразие бассейна, резко отличающегося от других угольных бассейнов, связано с линзовидным и пластообразным залеганием угля, сложным очертанием залежей, слабостью вмещающих пород, наличием высокой обводненности и плывунов, сложной гипсометрией пласта и др., требующих особых приемов в разведке, строительстве шахт, карьеров и особенно в их эксплуатации. Угли Подмосковного бассейна имеют низкую калорийность - от 11300 до 14700 кДж/кг, высокое содержание серы -3...5 %, высокую зольность - от 30 до 45 % и выход летучих 41...51 % [1]. Минеральная часть бурых Подмосковных углей содержит десятки элементов, некоторые их них являются практически единственной сырьевой базой. Формула геохимической специализации подмосковного угля отражает высокое содержание металлов в пластах [2]:

2400и112п9 Ag 6 РЬ4Ов48с3Бв3№2Т122т 2 $,п2Мо [Оа ]*

(Количество галлия точно не установлено).

В формуле перед химическим символом элемента стоит цифра, отражающая максимальный кларк концентрации элемента в угле. Максимальный кларк концентрации для подмосковного угля установлен для урана - 2400.

Следует отметить, что качество сырьевой базы бассейна постоянно ухудшалось из-за отработки лучших угольных месторождений. Ликвидация шахт Подмосковного бассейна существенно ухудшила экологическое состояние угленосных территорий [3-4]. В настоящее время бурый уголь Подмосковья оказался неконкурентным при обычных физико-технических способах его разработки. Однако уже сегодня предложен ряд физико-химических геотехнологий, с применением которых уголь может быть использован для выработки энергии и тепла, особенно в системах ЖКХ [5-6]. И, в первую очередь, это технология подземной газификации угля. Данная технология применялась при отработке Басовского и Шатского месторождений в бассейне. Были получены удовлетворительные результаты. В мире разработаны и широко используются десятки модификаций технологий газификации угля. В российских условиях наиболее реальным вариантом признана технология подземной газификации угля (ПГУ), которая имеет целый ряд преимуществ по сравнению с ранее применяемыми в бассейне технологиями [2, 7]:

- снижаются экологические последствия, связанные со вскрытием, добычей, транспортировкой, складированием угля. Доказано, что добыча 1 млн т. угля в среднем сопровождается сбросом в открытые водоемы 3,5 млн м3 загрязненных сточных вод, выдачи на поверхность и размещением на ней 1,5 млн м вскрышных и вмещающей пород, нарушением 10 га земельных угодий, выбросом в атмосферу 2,9 тыс. т вредных веществ;

- осуществляется высокая степень утилизации отходов сернистых и азотистых соединений;

- сокращаются до 25 % инвестиций в освоении месторождения и производстве тепла и энергии.

Для того чтобы получить положительные результаты использования ПГУ, необходимы достоверные, научнообоснованные петрографические, физико-химические характеристики (показатели) свойств угля и вмещающих горных пород разрабатываемого месторождения. Исследования проводились на протяжении нескольких десятков лет. На основании обработки литературных источников, лабораторных экспериментов сформирована определенная база петрографических данных [1, 2, 3, 4]. В целом угленосная толща бассейна имеет отчетливо выраженное циклическое строение - выделяется 5 седиментационных циклов. Каждый цикл начинается песчано-алевритовыми аллювиальными отложениями и заканчивается озерно-болотными алеврито-глинистыми осадками с пластинами углей. Органические микрокомпоненты углей, являющиеся продуктами изменения исходной растительной массы при углефикации, подразделяются на три большие группы: гелифицированные (витринит + семивитринит); фю-зинизированные (фюзинит) и липоидные (лейптинит + альгинит). Указанные микрокомпоненты могут быть как цементирующим веществом, так и отдельными фрагментами. Содержание витрината в угле принято за основной показатель в определении петрографического типа (V). Дополнительными показателями являются содержание фюзенита (^) и лейптинита (Ь). Угольные пласты имеют смешанный гумусово-сапропелитовый состав и подразделяются на гумитовые, сапропелито-гумитовые и гумито-сапропелитовые. В промышленном отношении выделяют гумусовые (не окисленные); гумусовые (окисление и частично окисленные) и сапропелитовые (гумусо-сапропелитовые и сапропелито-гумусовые). Если основная витринизированная масса составляет более 80 %, то это угли кларенового типа; если основная масса составляет 60...80 %, кларено-дюреновый тип угля; если основная масса составляет 45.60 %, дюрено-клареновый тип угля; если основная масса составляет менее 45 %, дюреновый тип угля. В табл. 1 приведены данные (усредненные) по некоторым месторождениям угля в Подмосковном бассейне [8].

Сапропелитовые, гумусо-сапропелитовые, сапропелито-гумусовые имеют в бассейне сравнительно ограниченное распространение. Характе-

ризуются повышенной теплотой сгорания, пониженной зольностью, пониженной эндогенной трещиноватостью, повышенной механической прочностью, большой устойчивостью к экзогенной деформации: ограниченным развитием экзогенной трещиноватости и отсутствием гипергенных трещин. Гумусовые неокисленные угли имеют наиболее широкое распространение и характеризуются относительно пониженной, чем сапропелитовые, теплотой сгорания, более высокой зольностью, повышенной эндогенной трещиноватостью, меньшей механической прочностью, большей склонностью к экзогенным изменениям с широким развитием экзогенных трещин отрыва, меньшим количеством трещин скалывания, отсутствием гипергенных трещин (табл. 1).

Гумусовые окисленные угли, претерпевшие глубокие гипергенные изменения, имеют широкое распространение в бассейне. Для них характерны наиболее низкая теплота сгорания, повышенная зольность, низкая механическая прочность, развитие всех генетических типов трещин.

Процесс подземной газификации угля во многом зависит и определяется фильтрацией к очагу и диффузией кислорода по трещинам и микропорам, с одной стороны, а с другой - свойствами угля и его состоянием в массиве. Результаты промышленных и лабораторных исследований [8-11] позволили получить следующие результаты.

Таблица 1

Средний петрографический состав углей Подмосковного бассейна

Месторождения Содержание микрокомпонентов, %

Витринит Семивит-ринит Фюзенит Лестита-нит

Щекинское 58 14 18 10

Ломинцевское 52 21 16 11

Гранковское 54 23 18 5

Бибиковское 47 20 23 10

Смородинское 50 16 26 8

Выглядовское 47 14 27 12

Бруснянское 42 15 35 8

Бегичевское 40 11 39 10

Богородицкое 34 7 44 15

Липковское 47 15 28 10

Ширино-Сокольническое 55 8 27 10

1. Глубина зоны окисления угля колеблется в широких пределах -от 0,3 до 44 м и зависит от сорбционной активности угля и скорости фильтрации воздуха.

2. Установлены коэффициенты кнудсеновской диффузии кислорода в углях Подмосковного бассейна - (0,88...6,56) -10-7 м2/с. Причем результаты свидетельствуют о том, что петрографический тип угля существенно влияет на их диффузионную характеристику: наибольшее значение имеют дюреновые угли, наименьшее - клареновые и кеннели. Выявлена зависимость коэффициента диффузии кислорода в угольные поры от петрографического состава и влажности угля:

В = 4,36 • 10-7 Ь

в

1 - 0,58 •ю-3 (ж; )2

м2/с,

где Ьв - коэффициент, учитывающий влияние петрографического состава угля на его сопротивление диффузионному переносу и равный: для кларе-новых углей - 0,63; для дюрено-клареновых - 0,65; для кларено-дюреновых - 0,73; для дюреновых - 1,0; для кеннелей - 0,52; Ж(г - влажность угля.

3. Эндогенная трещиноватость развита в угольных пластах и вмещающих горных породах неравномерно. По степени протяженности их можно разделить на четыре группы:

I - пересекающие пласт на всю мощность угольного пласта;

II - пересекающие отдельные пачки угля;

III - пересекающие отдельные петрографические разновидности внутри угольной пачки;

IV - локализованные внутри прослоев и линз витрена.

Причем наличие трещин в угольных пластах бассейна увязывается с минерализацией, ограничивая их распространение (табл. 2).

Таблица 2

Некоторые физико-технические свойства угольных пластов

Тип, разновидность угля Зольность Ас,% Влажность жг,% Пористость, % Сечение трещин, см Коэффициент проницаемости К -1012, п ' м2

Гумусовый, однородный, зернистый, фюзен 37,43 31,41 34,63 до 0,1 0,0298

Гумусовый, матовый, штриховатый, кларено-дюрен 35,92 36,75 45,07 0,1...0,2 0,0358

Гумысовый, полосчатый дюрено-кларен 27,76 35,19 48,17 0,1...0,2 0,0435

Гумусовый, матовый однородный зернистый дю-рен 35,13 29,44 37,41 До 0,1 0,0289

Гумусовый, однородный кларено-дюрен 34,24 36,94 38,62 0,1.0,2 0,0358

Гумусовый, дюрено-кларен 31,89 24,71 34,59 0,1.0,2 0,0435

4. Одним из основных параметров, характеризующих технологию подземной газификации угля, определяемых эндогенной и экзогенной трещиноватостью, является размер структурных отдельностей. Исследования [6] показали, что размеры структурных отдельностей в бассейне ограничиваются экзогенными трещинами и колеблются в пределах 0,02...0,8 м и существенно отличаются в углях разных петрографических типов. Рассчитанные значения коэффициентов проницаемости (Кп), трещиноватости (Р) и эффективные радиусы и шаровидных блоков (гэ) для клареновых и дюреновых углей представлены в табл. 3.

Таблица 3

Фильтрационные и структурные параметры

№ объекта Петро-графический Коэффициент проницаемости, К -1012, м2 п ? Трещиноватость, Р -1012, м2/м2 Эффективный радиус, гэ -102, м

тип угля г; < 20% г; > 20% г; < 20% г; > 20% г; < 20% г; > 20%

1 Кларе-новые 1,18 0,66 0,69 0,22 2,1 0,3

Дюре-новые 0,97 0,54 0,23 0,11 10,8 2,44

2 Кларе-новые 5,14 3,82 4,09 1,10 0,3 1,9

Дюре-новые 3,13 1,46 0,78 0,42 2,9 5,1

Из табл. 3 видно, что проницаемость и трещиноватость клареновых углей в разы больше, чем дюреновых, а структурные отдельности меньше, чем у дюреновых. Влажность угля во многом определяет искомые показатели.

Натурные испытания (гидродинамическое исследование) проводимые ВНИИподземгазом, ИГИ АН СССР на Шатской станции [3], установили, что газопроницаемость угольного пласта в зоне гипергенеза повышена. Среднее значение коэффициента проницаемости по скважинам изменялась с (1 - 3) • 10—12 в начале опытов до (10 -16) -10-12 м2 после 11 - 13 суток продувки угольного пласта воздухом на расстоянии 200.230 м. Примерно аналогичные результаты получены при продувки угольных целиков [8], по результатам которых коэффициент проницаемости угольного

—12 2

целика (в 60 и 130 м) изменялся в пределах (10 — 25) • 10 м .

Для решения задач тепломассообмена необходимы знания и данные о теплоемкости, коэффициентов тепло- и температуропроводности угольных пластов и вмещающих горных пород (табл. 4).

Исследованиями установлено, что теплопроводность угольных пластов зависит от направления распространения теплового потока, а наибольшее влияние на теплофизические параметры угля оказывают влажность и температура.

Таблица 4

Теплофизические свойства углей_

Количество проб Коэффициент температуропроводности, ау -107, м2/с Объемная теплоемкость, Суру•^ Дж/см2-К° Коэффициент теплопроводности X у, Дж/м-с-Ко

Параллельно напластованию, X Перпендикулярно напластованию,

32 1,10...3,44 0,78...2,25 1,10...0,58 0,09...0,31

Следует отметить, что технологии на основе газификации угля все больше завоевывают призвание. Только с 1978 по 2003 гг. построены 72 установки ГУ: 23 в США, 23 в Европе, 26 в Азии. Темпы роста мощности установок ГУ до 2020 г. по прогнозу составят 10 % в год. 94 % установок одновременно используют синтез-газ для энергетических целей и получения химических процессов.

Для реализации технологии ПГУ в условиях Тульского региона необходимо:

- оценить ресурсную базу ПГУ в бассейне;

- сформировать технологию ПГУ, обеспечивающую наиболее полное использование удельного потенциала недр (до 50.90 %) и производства продукта (газа) с теплотой сгорания от 4 до 11 МДж/м , а также схем производства тепла и энергии;

- сформировать схему комплекса на месте работы ПГУ с учетом его производства и утилизации вредностей.

Применительно к условиям региона могла бы подойти технология, разработанная в институте электрификации и электроэнергетики РАН под руководством акад. Ф.Г. Рутберга. Это принципиально новый подход превращения твердого органического вещества в синтез-газ. Технология базируется на глубоких фундаментальных исследованиях в области плотной низкотемпературной плазмы - ионизированного газа, содержащего одинаковое количество отрицательных и положительных заряженных частиц. При помощи генератора плазмы образуется струя газа, температура которой сопоставима с температурой поверхности солнца (6000 оС). Эта струя поступает в реактор стального цилиндра, обложенного внутри высоко-

прочной керамикой, способной выдержать температуру в 1700 оС. Воздействие плазмы на уголь сообщает ему энергию, необходимую для перевода из твердой фазы в газообразную без вредных выбросов. Идет процесс уголь-газ, а затем молекулы газа разделяются на атомы. В итоге получается смесь двух газов: водорода и окиси углерода (синтез-газ). Его калорийность несколько ниже природного, но достаточна для использования в энергетике и ЖКХ. Если его использовать в специальных установках (комбайнах), то 60 % энергии можно преобразовывать в электричество, 30 % — в тепло.

Список литературы

1. Пучков Л.А., Качурин Н.М. Рябов Г.Г. М.: Изд-во «Горная книга», 2006. 289 с.

2. Смыслов А.А., Кирюков В.В. Твердые горючие полезные ископаемые. Недра России. Т. 1. Полезные ископаемые. СПб; М., 2001. С. 80106.

3. Качурин Н.М., Белая Л.А., Корчагина Т.В. Геоэкологический мониторинг и оценка воздействия на окружающую среду горнопромышленного региона // Известия вузов. Горный журнал. 2010. № 6. С. 32-37.

43. Качурин Н.М., Белая Л.А., Корчагина Т.В. Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 5. С. 28-33.

4. Патент РФ №2522785 Способ подземной газификации тонких и средней мощности пластов бурого угля / Качурин Н.М. и [др.] // Опубл.: 20.07.2014. Бюл. № 20. 7 с.

5. Способ комплексного освоения месторождения бурого угля / Ка-чурин Н.М. и [др.] // Патент РФ №2526953 // Опубликовано: 27.08.2014. Бюл. № 24.

7. Амосов И.И., Н.И. Бабинкова. Классификация углей по петрографическим особенностям // Химия, технология топлив и масел. № 7. 1959.

8. Амосов И.И., Еремин И.В. Трещиноватость углей. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 128 с.

9. Гвоздева Н.П. Угли Подмосковного бассейна и их классификация по физико-химическим свойствам. М.: Углетехиздат, 1948. 243 с.

10. Быков Л.Н., Захаров Е.И., Климанов А.Д. Зависимость эндогенных пожаров от петрографического состава пласта // Изв. вузов. Горный журнал. № 1. 1967. С. 59-60.

11. Быков Л.Н., Захаров Е.И., Соколов Э.М. Определение газопроницаемости угольных целиков // Изв. вузов. Горный журнал. № 11. 1966. С. 48-51.

Захаров Евгений Иванович, д-р техн. наук, проф., nivas57@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Васильев Павел Валентинович, канд. техн. наук, ген. директор, Sib_EO@bk.ru, Россия, Прокопьевск, ООО «СИБЭО».

PHYSICAL-CHEMICAL TECHNOLOGIES IN MOSCOW COAL BASIN

E.I. Zaharov, P.V. Vasiliev

Possibility of using physical-chemical technologies in Moscow Coal Basin is considered. It's shown that basic physical-chemical technologies for mining coal deposits are technologies of underground coal firing. Results of researching physical-chemical properties for Moscow Coal Basin coals are shown and It's noted that underground gasification of coals becoming the most popular among physical-chemical technologies.

Key words: physical-chemical technology, coal, underground gasification, physical-chemical properties, Moscow Coal Basin.

Zaharov Evgeni Ivanovich, doctor of science, Full Professor, nsb@sps.tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Vasiliev Pavel Valentinovich., candidate of science, General Director, Sib_EO@bk.ru, Russia, Procopievsk City, PLC «SIBEO».