Оценка ресурсов альтернативных твердых горючих ископаемых Кузбасса Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© Ю.Ф. Патраков, М.В. Писаренко, C.B. Шаклеин, 2013

УЛК 622:272

Ю.Ф. Патраков, М.В. Писаренко, С.В. Шаклеин

ОЦЕНКА РЕСУРСОВ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ КУЗБАССА

Обобщены данные по условиям залегания, качеству и ресурсам девонских углей и горючих сланцев Барзасского геолого-экономического района Кузбасса. Отмечено, что ресурсы сапромикситового угля (207 млн т) и сланцев Дмитриевского месторождения (1553 млн т) создают предпосылки к организации в стране перерабатывающих производств на основе использования ранее невостребованных видов сырья, что благоприятно скажется на состоянии минерально-сырьевой базы и приведет к созданию системы наукоемких экспортно-востребованных технологий. Ключевые слова: горючие сланцы, сапромикситовый уголь, ресурсы, горно-геологические условия.

Кузнецкий угольный бассейн располагает не только запасами высококачественных каменных углей. На его территории имеются запасы относительно низкосортных твердых горючих ископаемых - сапромикситовых (липтобиоли-товых) углей (Барзасское месторождение) и горючих сланцев (Дмитриевско-Перебойское месторождение). При благоприятной экономической конъюнктуре данные виды топлив могут найти свое квалифицированное применение [1].

Особенностью барзаских сапромикситовых углей и горючих сланцев является высокое содержание водорода (8-12 %) и высокие выходы летучих веществ (50-60 %, иногда до 90 %), что позволяет рассматривать их как ценное химическое сырье. Наличие технологий традиционного пиролиза или высокотемпературной сверхкритической экстракции [2, 3] позволяют рассматривать их как сырье для получения широкого спектра углеводородной продукции: компонентов моторных топлив, органического связующего, флотореагентов и др. Барзаский са-промикситовый уголь является естественным природным концентратором липтинита (содержание липтинита достигает 8590 % на горючую массу). В связи с этим, его предлагается использовать в качестве модифицирующей добавки в коксовую

шихту для снижения в ней доли дефицитных коксующихся марок угля [4].

Накопление исходного материала этих месторождений происходило в девонский период, поэтому барзасский сапро-миксит и горючий сланец являются наиболее древними горючими ископаемыми Кузнецкого бассейна.

Для барзасских сапромикситов характерно наличие отдельных разновидностей, часто сильно отличающихся между собой, как по количеству золы, так и по характеру превращения исходного вещества в уголь: плитчатый уголь, «рогожка» и плотный, кусковой уголь.

Плитчатый уголь. По внешнему виду этот тип угля представляет обычно тонкие плитки, легко расслаивающиеся на отдельные листовые слои. Каждый слой состоит из тесно прилегающих друг к другу, более или менее перепутанных лентовидных тел, имеющих различную ширину в разных образцах угля. В пределах одного куска эти ленты бывают примерно равной ширины. При выветривании лентовидные тела обособляются значительно резче. В зависимости от уровня залегания плитчатого угля и глубины зоны выветривания, появляется возможность обособленного положения отдельных лент в результате условий первоначального накопления исходного материала угля. Обычно полоски соседних соприкасающихся слоев ясно разграничены и между ними наблюдается определенное количество минеральных примесей. Такое разграниченное расположение минеральных примесей в тонком слое позволяет надеяться на успешное применение мокрого обогащения плитчатого угля.

Плотный уголь. По внешнему виду этот тип угля представляет собой плотные, чрезвычайно твердые куски, имеющие в большинстве случаев монолитное строение. Микроскопическое строение этого типа угля указывает на компактный характер, что проявляется в микроструктуре развитием основной гомогенной массы.

Распределение минеральных примесей в кусковом угле не дает такой правильной картины, как в плитчатом угле. Зольное вещество в кусковом угле разбросано по всему объему, в отдельных, обычно резко ограниченных участках. Наличие резко ограниченных участков минеральных примесей при измельчении дает монолитные куски породы, которые плохо отделяются

при обогащении, тем самым повышают зольность угольного концентрата.

Горючие сланцы, развитые в районе пос. Дмитриевского, представляют собой коричневато-серую, обычно довольно темную, но иногда и сравнительно светлую мергелистую породу, в свежем виде крепкую, имеющую раковистый излом, при выветривании обретающую ясную плитчатость. Порода эта, которая по внешнему виду может быть принята за обычный мергель или аргиллит, сплошь проникнута битумами. Никаких остатков фауны среди этих сланцев встречено не было, растительные отпечатки встречаются крайне редко. В шлифе под микроскопом никаких форменных элементов не обнаружено. Битуминозное вещество, пропитывающее породу, механически от нее совершенно не отделимо [5].

Горючие сланцы являются высокозольным образованием, содержание золы в них колеблется в пределах 63-74 %, причем минеральная их часть содержит иногда до 50 % карбонатов, углекислота которых учитывается при техническом анализе как органическая масса. Влажность сланцев колеблется в пределах 1,5-2,5 %. Выход летучих веществ изменяется в пределах от 9 до 25 % [5].

При полукоксовании сланцы дают от 1,5 до 10 % легкоподвижной смолы, по своему внешнему виду и составу близкой к естественной нефти (кажущаяся плотность - 0,863) следующего элементного состава (масс. %): углерод - 85,6; водород -11,9; кислород - 0,6; азот - 0,2. При перегонке 1 кг сланца Н.А. Орловым было получено 18 литров газа следующего состава (об. %): СО2 - 2,9; CnH2n - 7,4; CO - 4,3; Н2 - 42,2; CnH2n+2 - 27,3.

Барзасское месторождение сапромикситов (рис.1.)

расположено в северо-восточной части Кузнецкого бассейна, в Барзасском геолого-экономическом районе на полосе от д. Орлинки на севере и до I Шахтного месторождения на юге. Общая протяженность этой полосы около 80 км. На этом протяжении с перерывами выступают продуктивные нижняя крас-ноцветная и барзасская толщи, относимые к среднему девону, которым и подчинены барзасские угли [5].

Запасы сапромикситовых углей в Барзасском районе до глубины 600 м по официальной оценке составляют 30,9 млн. т (по категориям A+B+Ci+C2) и, по состоянию на 01.01.2011,

Рис. 1. Схема размещения шахтных полей Барзасского месторождения сапромнкситовых углей

числятся на государственном балансе по трем наиболее детально изученным участкам (I, II и III шахтные поля), пригодным для подземной разработки. Эти запасы были утверждены и поставлены на баланс согласно протоколу ВКЗ № 3252, 1944 г. [5].

Таблица 1

Утвержденные запасы барзасского сапромикситового угля, тыс. т

Участки Горизонты от поверхности Итого Категория

до300 м 300-600 м

I шахтное поле 2504 - 2504 A+B+CJ+C2

II шахтное поле 14858 6767 21265 A+B+CI+C2

III шахтное поле 5646 1550 7196 A+B+Cj+C2

Кроме запасов, в пределах района имеется 33 млн. т прошедших апробацию прогнозных ресурсов категории Р1 [7].

Наиболее детально изучено I шахтное поле, на котором эксплуатировалась опытная шахта «Барзасская». Однако небольшой объем запасов этого участка и расположенность под поселком Барзасс, делают его не перспективным для освоения.

II шахтное поле и (Устюжанское) расположено на правобережье р. Барзаса, изучено шестью разведочными линиями, двумя скважинами. На всем этом протяжении пласт спокойно погружается в западном направлении. Только на самом севере участка наблюдается небольшой поворот пласта к востоку (ось восточной антиклинали) и проявляется небольшое нарушение, срезавшее самую северную часть поля. Мощность пласта постоянно уменьшается по направлению на север, и колеблется от 0,88 до 2,88 м, средняя 1,78 м. Угол падения пласта 5-27° [5]. Запасы этого участка представляет собой наибольший интерес для высокоэффективной разработки. Однако ожидаются сложные гидрогеологических условия: большая часть расположена под болотистой поймой р. Барзаса, юго-восточная часть - под водоносной второй террасой, а самая северная его часть выходит в пределы коренного берега.

Кроме отмеченных выше разведанных участков, согласно исследованиям [5] в пределах Барзасского месторождения выделяются участки сапромикситового угля, прогнозные ресурсы которых составляют около 180 млн. т по категориям Р1+Р2 (табл. 2).

Сланцевые отложения района, на основании данных М.М. Финкельштейна и А. В. Тыжнова, с известной степью условности объединяются в дмитриевско-перебойскую толщу. Мощность сланценостной толщи по известным немногочисленным разрезам колеблется от 35 до 140 м, возможно и больше. Четко выраженной дополнительной складчатости и значительных разрывных нарушений достоверно не установлено. Горючие сланцы образуют две полосы, подчиненные моноклинально падающему на запад крылу под углом около 20°. Одна из этих залежей прослеживается на правобережье р. Барзас от пос. Одиночного на севере и до пос. Дмитриевского на юге, это так называемое Дмитриевское месторождение. Вторая полоса прослеживается в верховьях р. Перебоя и известна под названием Перебойского месторождения горючих сланцев.

Таблица 2

Ресурсы Барзасского месторождения сапромикситового угля, млн т

Участки Горизонты от пове рхности

до300 м 300-600м 6001200 м Итого Категория

Западное

крыло западной антикли- 0,1 9,6 12,5 22,2 Р1+Р2

нали

Восточное

крыло восточной анти- 0,1 0,5 3,3 3,9 Р1+Р2

клинали

Центральная

часть основной антикли- 1,5 8,9 - 10,4 Р1+Р2

нали

Кедровский участок 30,4 33,9 75,4 139,7 Р1+Р2

Всего 32,1 52,9 91,2 176,2 Р1+Р2

Дмитриевское месторождение горючих сланцев (рис. 2.) представляет собой довольно значительную (0,549 км) полосу выходов сланцевой толщи, прослеженную по правому борту долины Барзаса между его притоками Калиновкой и Топкой 2-й, разведано наиболее полно. Оно пересечено 6 шурфами и пройдены 2 колонковые скважины и штольня. Эти разведочные работы показали, что горючие сланцы образуют пачку пластов суммарной мощности до от 35 до 55 м. Максимальная (до 55 м) мощность установлена в средней части месторождения в 1,5-2 км от пос. Дмитриеского. К северо-западу, на р. Трудной, мощность сланцевой залежи сокращается до 40 м, а к юго-востоку, на р. 4ернушке - до 38 м. Тектоника месторождения несложная с относительно однообразным падением толщи на Ю-3 под углами 20-25°. Южнее пос. Дмитриевского горючие сланцы не прослежены.

Наиболее явно Дмитриевская полоса горючих сланцев прослеживается по правобережью р. Барзаса от пос. Дмитриевского на юге и почти до пос. Одиночного на севере, на общем протяжении около 5 км. При пологом падении и довольной большой мощности в этой полосе сконцентрировано значительное количество горючих сланцев (порядка 131 млн т до

Таблица 3

Ресурсы горючих сланцев Дмитриевского месторождения, млн т [6]

По значимости По степени достоверности Интервалы глубин, м Всего

дейсви-тельные вероятные возможные до 300 300 -600 600 -1800

Конди-цонные 238 262 - 238 262 500

Не кон- дицион- ные 112 143 798 112 143 798 1053

ИТОГО 350 405 798 230 405 798 1553

глубины 150 м), потенциально пригодных для отработки открытыми горными работами.

Общая оценка ресурсной базы Дмитриевского месторождения была выполнена в начале 30-х годов прошлого века с оценкой их достоверности по Классификации Н. И. Труш-кова, основанной на Классификациях Н. Иооуег'а и XII Международного геологического конгресса, т.е. с разделением по категориям действительных, вероятных и возможных запасов (табл. 3).

По ныне действующим требованиям действительным запасам в наибольшей степени отвечают запасы категорий С1 и С2, а вероятным и возможным - прогнозные ресурсы, соответственно, категорий Р1 и Р2.

Современные оценки прогнозных ресурсов Дмитриевского месторождения [7] мало отличаются от приведенных выше, но менее детализированы - 755 млн. т до глубины 600 м, из которых около 500 млн т рассматриваются как кондиционные.

Перебойское месторождение. Вторая полоса горючих сланцев встречена в верховье реки Перебоя, детально не изучалась. По простиранию эта полоса прослежена лишь немного на север, по тому же правому притоку р. Перебоя, в русле которого и выступают горючие сланцы.

Горючий сланец в этом районе образует ряд пластов (до 15) мощностью от 0.6 до 4.5 м, отделенных друг от друга значительными прослойками пустой породы. Суммарная мощность сланца достигает 40 м. По внешнему ввиду он аналогичен сланцу Дмитриевского месторождения, но по качеству хуже (содержание первичных смол в нем не превышает 3,8%).

сланцев

Ввиду недостаточной геологической изученности оценка ресурсов горючих сланцев этого месторождения не проводилась.

В отличие от сапромикситовых углей, условия разработки горючих сланцев, особенно Дмитриевского месторождения, следует считать исключительно благоприятными, в том числе и открытыми работами.

Таким образом, учитывая технологические свойства са-промикситовых углей и горючих сланцев Барзасского геолого-экономического района, а также тот факт, что оба месторождения компактно расположены на территории с развитой транспортной инфраструктурой и наличием угледобывающих и обогатительных предприятий, можно предположить высокую перспективность их промышленного освоения.

Следует отметить, что освоение рассмотренных месторождений интересно не только с коммерческих, но и с общегосударственных позиций. Наличие на территории России и ряда зарубежных государств близких по типу месторождений (особенно сланцевых) позволит, в условиях наличия отработанных на практике технологий переработки, расширить минерально-сырьевую базу страны и создать систему наукоемких экспорт-но-востребованных технологий нового технического уровня. Понятно, что наименее затратно выполнить эту работу можно только в инфраструктурно развитом регионе, к которым относится Кемеровская область.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патраков Ю.Ф. Состояние и перспективы процессов глубокой переработки углей.// Химия в интересах устойчивого развития, 2005, Т. 13, №4, С. 593-597.

2. Патраков Ю.Ф.,Федорова Н.И., Павлуша Е.С.Термическое растворение горючего сланца Дмитриевского месторождения бензолом под давлением при сверхкритических условиях. // Химия твердого топлива, 2009, №4, С.42-45.

3. Патраков Ю.Ф.,Федорова Н.И., Павлуша Е.С. Термическое растворение сапромикситового угля Барзасского месторождения в среде бензола с добавкой этилового спирта в сверхкритических условиях. //Химия твердого топлива, 2011, №4, С.32-37

4. Станкус Б.М., Патраков Ю.Ф., Алферов Б.А. Легирующая присадка к коксовой шихте для производства металлургического кокса из твердых природных компонентов. Патент РФ на изобретение № 2323956, опубл.10.05.2008, Бюл. № 13.

5. Тыжнов А.Б. Материалы по геологии Западной Сибири №3(45). Геологический очерк барзасского района Кузнецкого бассейна. -Томск, 1938.-155 С.

6. Мысина Л.М., Щербинин И.З. Запасы углей и горючих сланцев СССР, 1958.

7. Угольная база России, том 2: Угольные басейны и месторождения Западной Сибири. М.: Геоинформцентр, 2003, - 602 с. и'.'-'з

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Патраков Юрий Федорович - доктор химических наук, заведующий лабораторией научных основ технологий обогащения угля Института угля СО РАН, Писаренко Марина Владимировна- кандидат технических наук, доцент, ученый секретарь Институту угля СО РАН,

Шаклеин Сергей Васильевич - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Института угля СО РАН.