Комплексное освоение месторождений Барзасского геолого-экономического района

М.В. Писаренко, к.т.н., ведущ. научный сотрудник;

Ю.Ф. Патраков, д.х.н., зав. лабораторией, ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук» (ФИЦ УУХ СО РАН)

Кузнецкий угольный бассейн является одним из крупных угольных бассейнов в мире, ресурсы которого до глубины 600 м оцениваются в 218 млрд т. В бассейне присутствуют все виды углей – от бурых до антрацитов. Доминируют в общих ресурсах (93,4%) каменные угли, ставшие основным объектом промышленной разработки (около 98%). Несмотря на огромный ресурсный потенциал, резервы по наращиванию объемов добычи угля снижаются [1]. Причинами являются не только естественное снижение ресурсной базы за счет добычи, но и сложившаяся практика освоения запасов бассейна и экономика минерального сырья.

Реализуемый путь освоения минерально-сырьевой базы угольной промышленности состоит в поиске и введении в промышленную разработку месторождений, горно-геологические и качественные характеристики которых соответствуют требованиям промышленных технологий добычи и обогащения. Это ведет к выборочной отработке запасов угля с благоприятными горно-геологическими условиями и высокими потребительскими качествами [1]. Снижение спроса и цены угля на мировых рынках предъявляет повышенные экономические требования к минерально-сырьевой базе и приводит к потере интереса со стороны недропользователей к участкам, запасы которых не в полной мере отвечают этим требованиям, и закрытию угледобывающих предприятий (шахты Анжерского, Прокопьевского-Киселевского геолого-экономических районов), что сокращает сырьевой потенциал Кузнецкого угольного бассейна.

Схема расположения участков полезных ископаемых Барзасского геолого-экономического района

Схема расположения участков полезных ископаемых Барзасского геолого-экономического района

Однако расширение минерально-сырьевой базы Кузнецкого угольного бассейна представляется возможным не только за счет внедрения новых перспективных технологий добычи и переработки, но также и за счет вовлечения в промышленное освоение месторождений, технологические качества которых не соответствуют современным требованиям промышленных кондиций. Такая возможность просматривается при реализации комплексных проектов, в которых твердое горючее ископаемое является попутным продуктом, а его энергетический и химический потенциал используется для получения высоколиквидной нетопливной продукции с высокой добавленной стоимостью. Эффективность таких проектов обеспечивает максимальное использование всех полезных компонентов, содержащихся в вовлекаемых в освоение месторождений, и территориально-отраслевое объединение предприятий – кластерный подход. Использование кластерных принципов при организации производственного взаимодействия позволяет получать дополнительный экономический эффект, в том числе и за счет использования общей инфраструктуры, кадровой базы и др. Возможность реализации такого подхода предлагается рассмотреть на примере Барзасского геолого-экономического района.

Барзасский геолого-экономический район расположен в северной части восточной окраины Кузнецкого каменноугольного бассейна. Район мало освоен промышленностью. Самый крупный населенный пункт района – п. Барзас – находится в 52 км от города Кемерово, с которым он связан железной и автомобильной дорогами (см. рисунок). В районе выявлены различные виды твердых полезных ископаемых: уникальные угли, известные как барзасситы, горючие сланцы, известняки, огнеупорные глины, основные изверженные породы, различные строительные материалы, бокситы, бурые железняки и золото.

Интерес для изучения в связи с исключительностью микроструктуры и состава представляют барзасситы. Органическая масса данных углей характеризуется высоким содержанием водорода (8–12%) с выходом летучих веществ в 50–60%, иногда до 90%. Одним из важнейших показателей качества барзасских углей является выход смолы при полукоксовании, составляющий 28% на органическую массу [2]. С использованием технологий традиционного пиролиза или высокотемпературной сверхкритической экстракции возможно получение широкого спектра углеводородной продукции: компонентов моторных топлив, органического связующего, флотореагентов и др. [3]. Это позволяет рассматривать их как ценное химическое сырье для получения широкого спектра углеводородной продукции.

Ресурсы барзасситов до глубины 600 м, по имеющейся геологической информации, оцениваются в 116 и 207 млн т до глубины 1200 м [2, 4]. Запасы барзасситов, сосредоточенные на трех (I, II и III шахтные поля) наиболее детально изученных участках, числятся на государственном балансе в объеме 30,9 млн т.

Горно-геологические условия разведанных запасов позволяют отрабатывать их только подземным способом. Расположенность основных запасов этих месторождений под поселком (I шахтное поле) и рекой Барзас (II шахтное поле), высокая зольность углей снижают промышленную ценность этих углей.

Горючие сланцы барзасского района образуют две полосы, условно объединенные в Дмитриевско-Перебойскую толщу (см. рис.). Мощность сланцевой толщи по известным немногочисленным разрезам колеблется от 80 до 140 м с углом падения до 20°. Содержание золы в исследованных пробах этих месторождений находится в пределах 63–74%, причем минеральная часть их содержит иногда до 50% карбонатов. Влажность сланцев – 1,5–2,5%, а выход летучих веществ изменяется в пределах от 9 до 25% [2], кажущаяся плотность составляет 2,17 г/см3, низшая теплота сгорания органического вещества – 9,5 МДж/кг [5].

Согласно исследованиям, проведенным еще в 1930-х годах, при полукоксовании сланцы дают от 1,5 до 10% легкоподвижной смолы, по своему внешнему виду и составу близкой к естественной нефти, с удельным весом 0,863 [2]. В отличие от барзасситов, условия разработки горючих сланцев, особенно Дмитриевского месторождения, следует считать исключительно благоприятными. Данное месторождение представляет собой довольно значительную (0,5\9,0 км) полосу выходов сланцевой толщи (см. рис.). При пологом падении и довольной большой мощности (до 50 м) образуются значительные пригодные для отработки открытым способом запасы, оцениваемые в 131 млн т до глубины 150 м (табл. 1) [2].

Табл. 1 Ресурсы горючих сланцев Дмитриевского месторождения, млн т [2]Табл. 1 Ресурсы горючих сланцев Дмитриевского месторождения, млн т [2]

Однако, несмотря на благоприятные горно-геологические условия отработки данное месторождение сланцев по своим технологическим свойствам (высокая зольность и низкая теплота сгорания) как энергетическое сырье не может конкурировать с каменными углями бассейна. Недостаточная изученность химико-технологических свойств и неопределённость в перспективности использования его в качестве химического сырья не позволяют оценить промышленную значимость месторождения.

Значительным развитием в районе пользуются основные изверженные породы – базальты и долериты (диабазы), запасы которых только на участках, представленных в недропользование, оцениваются в 56 млн м3 (табл. 2).

Табл. 2 Номенклатура лицензионных участков общераспространённых полезных ископаемыхТабл. 1 Ресурсы горючих сланцев Дмитриевского месторождения, млн т [2]

Предварительные исследования показали, что средний химический состав диабазов (%): SiO2 – 48,89 (48,88); Al2O3 –18,01 (16,48); Fe2O3 –7,91 (4,56); FeO – 2,37 (6,12); MgO – 5,88 (4,12); CaO – 8,6 (9,88); Na2O – 2,74 (2,77); K2O – 0,71 (1,88) – свидетельствует о возможности их использования в качестве сырья для получения широкой гаммы высококачественной продукции на основе технологии каменного литья. В скобках представлен химический состав диабазов Васильевского месторождения [6]. Отдельные разности барзасских базальтов при плавке показывают хорошие литьевые и кристаллизационные свойства с удельным весом литья около 2,81 г/см3 и водопоглощением 0,235 г/см3.

Силл базальтовых порфиритов расположен в непосредственной близости от Дмитриевского месторождения (участок Мариинский), сложен крепкими монолитными породами с редкими трещинами открытого типа, цвет которых от темно-серого до черного. По своим характеристикам они отвечают требованиям к блочному камню с хорошими декоративными свойствами, а по химическому составу базальты соответствуют требованиям камнелитейного производства и могут найти комплексное применение в качестве облицовочного материала и изготовления камнелитых изделий.

Принимая во внимание инфраструктурную развитость района (наличие автомобильной и железной дорог), близость к городам Анжеро-Судженск и Кемерово, а также сырьевой потенциал района, представляется возможной реализация комплексного проекта по выпуску продукции на основе технологии каменного литья. По технологии каменного литья путем плавления при температуре 1100–1450°С переработке подвергаются базальты, диабазы, а также подобные им по составу техногенные отходы (зольные отходы ТЭЦ, отвальные породы и др.). При этом в зависимости от качества исходного сырья возможно получение двух видов каменного литья: износостойкое и термостойкое (табл. 3). Термостойкое литье по своим физико-химическим свойствам уступает износостойкому, но может эксплуатироваться при температурах до 800°С.

Табл. 3 Химический состав каменного литья [7]

Табл. 3 Химический состав каменного литья [7]

Дальнейшая переработка полученного расплава с использованием различных технологий позволяет получать довольно широкий спектр готовой продукции, характеризующейся износостойкостью и стойкостью в химически агрессивных и радиационных средах. Поэтому область использования продукции из базальтового литья довольно широкая это и горнодобывающая, металлургическая, стекольная, химическая и коксохимическая, энергетическая промышленность, обогатительные фабрики, железнодорожный транспорт, метрополитен, а также может широко использоваться в строительной индустрии, в ЖКХ и др.

Технологический процесс получения каменного литья аналогичен плавке металла. Однако для получения плотной структуры необходим отжиг при плавном снижении температуры от 800 до 200°С, что увеличивает энергоемкость процесса. Считается, что на производство 1 т продукции требуется около 500 кг условного топлива [8], поэтому в себестоимости готовой продукции топливная составляющая занимает значительную долю. В связи с этим, в качестве топлива для производства каменного литья предлагается использовать горючий газ и жидкие углеводородные продукты полукоксования сланцев Дмитриевского месторождения. Попутная их добыча с базальтовыми породами смежного Мариинского участка и благоприятные горно-геологические условия отработки (пологое залегание, мощность пласта до 50 м, коэффициент вскрыши около 0,5 м3/т) обеспечат минимальные затраты на добычу, которые, по оценкам, не превысят 25–50 руб/м3. Предварительный анализ элементного состава золы сланцев Дмитриевского месторождения показал возможность ее использования в качестве сырья при производстве продукции каменного литья [9].

Объем потребления продукции каменного литья в нашей стране – незаслуженно мал в силу ряда причин. Не останавливаясь на раскрытии этих причин, следует отметить на одну из основных – стоимость продукции. Процесс получения продукции каменного литья является довольно затратным и в зависимости от технологии переработки сплавов составляет от 50 до 450 руб/м3 и более [9]. Однако получаемые из каменного сплава изделия обладают комплексом свойств, которые значительно (в разы) превосходят свойства более известных и распространённых материалов (табл. 4).

Табл. 4 Обзор основных физических и механических свойств камнелитых материалов и его традиционных аналогов [10]

Табл. 4 Обзор основных физических и механических свойств камнелитых материалов и его традиционных аналогов [10]

Одним из которых является долговечность, связанная с ней с износостойкость. Благодаря этим свойствам изделия из каменного литья, а также полученные новые материалы – композиты, полимерные матрицы, укрепленные базальтовыми волокнами, характеризуются сроком эксплуатации, на порядок превосходящим изделия, полученные из традиционных материалов. Так, срок использования труб из композиционных материалов на основе базальтового волокна составляет около 60 лет, в отличие от стальных срок эксплуатации которых в аналогичных условиях составляет 10 лет. Применение на ТЭЦ футерованных каменным литьем труб увеличивает срок их эксплуатации более чем в 20 раз по сравнению с металлическими трубами. Срок службы дорожного покрытия с добавлением базальтового волокна (фибры) возрастает в среднем в 8 раз по сравнению с асфальтобетонным [11] и т.д.

Вследствие этого при оценке выгодности использования изделий получаемых из каменного литья, сравнению подлежат не только стоимость единицы годовой продукции, но и срок их службы и связанный с ним эффект, заключающийся в снижении объемов продукции, сроков ремонтов и замены и т.д. Так, базальтовая арматура и трубная продукция дешевле металлической по цене 1 п.м., а повышенный срок эксплуатации позволяет только за счет сокращения объема увеличить этот эффект в разы.

Возможности для расширения спектра готовой продукции из каменного литья и повышения ликвидности этой продукции создаются при совершенствовании и разработке новых технологий переработки расплава каменного литья. Так, использование экспериментальных технологий для производства строительной продукции, например литья, позволяет получать фундаментные блоки, дорожные плиты, бортовые камни, интерьерные плиты; а проката и прессования – напольные, облицовочные плиты, пеношлакоситаллы, а также наиболее востребованные в строительстве монолитные изделия простой конфигурации – плиты, блоки [9].

Таким образом, предварительный технико-экономический анализ свидетельствует об экономической состоятельности комплексного проекта освоения Дмитриевского месторождения горючего сланца на базе организации производства каменного литья. Эффективность проекта обеспечивается за счет территориально-отраслевого объединения предприятий, максимального использования потенциально полезных компонентов осваиваемых месторождений и получения широкой гаммы продуктов с высокой добавленной стоимостью и минимальным экологическим воздействием на окружающую среду. Реализация таких проектов позволит вовлекать в промышленное использование некондиционные запасы высокозольного энергетического сырья.

Информационные источники: 1. Шаклеин С.В. Концепция развития сырьевой базы Кузнецкого угольного бассейна / C.В. Шаклеин, М.В. Писаренко // ФТПРПИ. 2014. №3, С. 118–125. 2. Тыжнов А.В. Материалы по геологии Западной Сибири №3 (45): Геологический очерк Барзасского района Кузнецкого бассейна. Томск, 1938. –155 с. 3. Патраков Ю.Ф. Состояние и перспективы процессов глубокой переработки углей / Ю.Ф. Патраков // Химия в интересах устойчивого развития. 2005.– Т. 13.– №4.– С. 593–597. 4. Патраков Ю.Ф. Оценка ресурсов альтернативных твердых горючих ископаемых Кузбасса / Ю.Ф. Патраков, М.В. Писаренко, С.В. Шаклеин // ГИАБ. Отдельный выпуск.– 2013. №6. С. 177–186. 5. Патраков Ю.Ф. Характеристика горючего сланца Дмитриевского месторождения Кузбасса / Ю.Ф. Патраков, Н.И. Федорова // Химия твердого топлива. 2008. №4. С. 3–6. 6. Татаринцева О.С. Оценка возможности использования горных пород Сибири и Дальнего Востока в производстве базальтовых волокон / О.С. Татаринцева, Н.Н. Ходакова// Базальтовые технологии. 2012. Октябрь-декабрь. С. 15–17. 7. Каменное литье [Электронный ресурс] // ОАО «Первоуральский завод горного оборудования»: официальный сайт. Электр. дан. Первоуральск. Режим доступа: http://pzgo.ru/kamennoe_lite/ Загл. с экрана. 8. Проблемы каменного литья. Киев: Институт литейного производства, 1963. 130 с. 9. Патраков Ю.Ф. Перспективы освоения Барзасского геолого-экономического района Кузбасса / Ю.Ф. Патраков, С.В. Шаклеин, М.В. Писаренко // Горная промышленность. 2014. №5 (117) C. 24–27. 10. Игнатов А.М. Рациональное направление использования каменных изделий из синтетических материалов в строительстве /А.М. Игнатов и др. // Известия вузов. Строительство. 2011. 8–9. С. 3–15. 11. Пономарев В.Б. Базальтовые и базальтопластиковые материалы для строительства / В.Б. Пономарева, А.Ц. Рапопорт // Базальтовые технологии. 2012. Октябрь-декабрь. С. 29–35.
Ключевые слова: Барзасский геолого-экономический район, производство каменного литья, горючие сланцы, горючий газ, базальт

Журнал "Горная Промышленность"№2 (132) 2017, стр.31