Обоснование технологии комплексного освоения запасов урано-угольных месторождений Подмосковного бассейна

Угольная промышленность Российской Федерации имеет среди других отраслей топливно-энергетического комплекса наиболее обеспеченную сырьевую базу. Общие балансовые запасы угля в России составляют около 200 млрд т. Он был и останется на перспективу базовым стратегическим топливом для ТЭЦ, металлургии как ценное химическое и полиметаллическое сырье.

В РФ находятся уникальные по масштабам и петрографическому составу угольные бассейны: Кузнецкий бассейн коксующихся углей, Буреинский, Ленский, Западно-Сибирский, Челябинский, Кизеловский, Тунгусский, а также ценнейшие месторождения бурого угля в Канско-Ачинском, Подмосковном бассейнах и Приморском крае, в которых сосредоточены значительные ресурсы рения, урана, германия, галлия, серебра, молибдена и других элементов — примесей.

Рентабельное освоения этого огромного по масштабам потенциала возможно только на основе его интегрального изучения. При этом угольная тематика не может быть узкой. Чем более комплексными будут предложения и решения, касающиеся повышения роли угля в экономике России, тем привлекательнее будет его роль как источника ценных компонентов. Некоторые из них (уран, рений, торий, германий, молибден) содержатся в углях, породных прослойках или прилегающих породах почвы и кровли в концентрациях рентабельных для промышленного производства.

Расширение масштабов применения угля должно дать мощный импульс исследованиям и разработке новых, экологически чистых технологий добычи, сжигания, а также его переработки. Физико-химические и микробиологические способы добычи и переработки полезных ископаемых в современных условиях приобретают все большее значение, так как позволяют ввести в отработку бедные месторождения, которые ранее не представляли коммерческого интереса.

В середине XX столетия высокие концентрации урана были обнаружены в ряде угольных бассейнов — Челябинском, Подмосковном, Канско-Ачинском, Южно-Уральском, Иркутском и др. Кроме урана, в урано-угольных месторождениях содержится в концентрациях рентабельных для промышленного извлечения, ряд других элементов — рений, германий, молибден, селен, серебро, а также торий, золото, которые при создании нанотехнологий могут являться сырьевой базой химико-технологической промышленности России.

Термин «урано-угольные месторождения», несмотря на его зарождение еще в послевоенные годы 20-го века, не является общеупотребительным. Своим появлением он в первую очередь обязано доктору геолого-минералогических наук Ковалеву А. А., открывшему и занимавшемуся разведкой Джильскош и Кавакскош урано-угольных месторождений северной Киргизии, описавшему их особенности в докторской диссертации [47]. Урано-угольные месторождения описаны и в трудах академика и вице-президента РАН, крупнейшего специалиста по геохимии рудных месторождений Н. П. Лаверова, а также В. И. Казанского, И. М. Баюшкина и др. [11,40].

Нераспространенность термина «урано-угольные месторождения» связана с закрытостью урановой тематики в прошлом, а также отнесением данных месторождений к забалансовым, из-за относительно небольших запасов урана по сравнению с открытыми на тот момент урановыми месторождениями, низким качеством бурых углей и часто сложными горногеологическими условиями. Все это способствовало его редкому упоминанию специалистами рудных месторождений и тем более специалистами по добыче угля. В то же время в публикациях последних десяти лет в связи с изменившимся спросом на уран и технологическим прогрессом в сфере добычи полезных ископаемых данный термин получает все большое распространение [81].

В бывшем СССР основной сырьевой базой урана были Казахстан и Киргизия. Отработка урано-угольных пластов велась на Шубаркольском, Кольжатском и других месторождениях.

Знание основных закономерностей распределения урана и других редкоземельных элементов, а также использование нетрадиционных технологий отработки позволят горным способом рентабельно и экологически безопасно вести их добычу.

Многие исследователи и ученые, оценивая современную ситуацию в урано-геологической отрасли России, считают ее неблагополучной. В связи с тем, что за последние, десятилетия не открыто ни одного крупного месторождения с рентабельными рудами, объем добычи урана в настоящее время и на ближайшую перспективу не сможет обеспечить даже внутренние потребности России в урановом топливе. Потребности в сырье для производства ядерного топлива в России значительно превосходят добычу урана, поэтому недостаток покрывается складскими запасами.

В целом накоплено огромное количество информации об урано-угольных месторождениях мира, однако технология отработки и геохимия углей России до настоящего времени остается малоизученной областью знаний.

До изобретения атомного оружия геохимия урана в углях ни в одной стране не вызывала интереса. Длительное время уран представлял интерес только для узкого круга химиков и находил ограниченное применение для производства красок. С открытием явления радиоактивности урана началась промышленная переработка урановых руд с целью извлечения и использования радия в научных исследованиях.

На довоенные годы приходится всего несколько работ, связанных с изучением радиоактивности углей Донецкого и Кузнецкого бассейнов. Однако в середине XX столетия, в связи с открытием явления деления ядер, уран стал основным ядерным топливом и для многих стран превратился в жизненно важный элемент, поэтому геологические исследования, связанные с поисками урана во всех странах были тотально засекречены.

Геологические исследования урано-угольных месторождений можно проследить только по литературным источникам на примере углей запада США, в то время как на территории бывшего СССР все сведения, касающиеся урано-угольных месторождений носили совершенно секретный характер.

До настоящего времени отсутствуют надежные и представительные данные геологического характера о распределении урана по площади и по вертикали в пределах конкретного урано-угольного месторождения.

Открытые в последние годы месторождения урана и других элементов, приуроченные к угленосным отложениям Подмосковного бассейна, в силу специфики их структуры и особенностей залегания выдвигают проблему разработки концепции комплексного экологически чистого освоения этих перспективных ресурсов на основе их комплексного использования.

В связи с вышеизложенным исследования по выявлению специфики структуры и особенностей залегания урано-угольных месторождений для разработки и реализации экологически чистого освоения и комплексного использования этих перспективных ресурсов можно с полным основанием квалифицировать как актуальные, позволяющие сформулировать цель диссертационной работы.

Целью диссертации является обоснование технологии комплексного t освоения запасов урано-угольных месторождений на базе разделения компонентов горной массы с последующей утилизацией шахтной породы в выработанном пространстве, обеспечивающей повышение эффективности и экологичности горного производства.

Основная идея работы заключается в использовании при управлении качеством добытой урано-угольной массы низкокипящих и способных экстрагировать природные органические соединения тяжелых жидкостей, обеспечивающих полноту извлечения полезных ископаемых и повышение уровня технологичности производства.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем:

— урано-угольные месторождения следует рассматривать как потенциально пригодные для промышленной отработки, а содержащийся в концентрациях, рентабельных для промышленного освоения, ряд других элементов, может являться сырьевой базой химико-технологической промышленности России;

— концепция экологически чистого комплексного освоения урано-угольных месторождений Подмосковного бассейна основывается на реализации эффективных путей повышения ценности урано-угольного сырья и продуктов его переработки с использованием низкокипящих тяжелых жидкостей и с последующим размещением отходов в выработанном пространстве шахт;

— параметры технологии отработки урано-угольных пластов Подмосковного бассейна определяются в зависимости от места расположения ураносодержащих включений в структурной колонке пласта и от величины абсолютного радоновыделения в очистные и подготовительные горные выработки шахт.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— сформулированы новые методические положения разработки экологически чистой технологии освоения запасов урано-угольных месторождений, отличающиеся тем, что задача их комплексного использования требует рассмотрения всей технологии превращения ресурсов в конечный продукт как единой системы с учетом выделения радона из разрабатываемого урано-угольного пласта и вмещающих породвпервые установлены закономерности изменения соотношений серы в процессе экстракции низкокипящими нерастворимыми в воде средами на структуру органической массы бурого угля, отражающие полноту и скорость экстракции угольной органики от времени для основных типов подмосковного бурого угля;

— предложена концепция технологии комплексного освоения урано-угольного месторождения Подмосковного бассейна с учетом горногеологических условий и использовании физико-механических свойств исходного сырья и базирующаяся на экологически безопасных низкокипящих жидкостях, параметрах и режимах процесса разделения сред;

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

— корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием комплексного метода исследований, включающего метод научно-технического обобщения информации, классификации и синтез технических решений, аналитические методы исследований, методы математического моделирования и современных программных средств;

— достаточным объемом лабораторных исследований и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об удовлетворительной сходимости разработанной технологической модели (отклонение не превышает15%).

Научное значение диссертации заключается в разработке концепции комплексного освоения урано-угольных месторождений и найденном решении повышения качества угля путем его реагентного модифицирования низкокипящей тяжелой жидкостью на основе фторалканов.

Практическое значение работы заключается в том, что разработаны методические рекомендации по выбору технологических параметров выемочных участков с учетом выделения в горные выработки радона из угольного пласта и вмещающих пород.

Предложен метод извлечения органической серы из угля путем его реагентного модифицирования низкокипящей тяжелой жидкостью.

Создан программный модуль, позволяющий автоматизировать процесс решения инженерных задач при выборе средств комплексной механизации, с учетом всего многообразия очистных комплексов и рыночной цены на них. Разработанный программный модуль применяется при решении научных задач и в учебных целях при подготовке горных инженеров.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанные рекомендации по технологии комплексного освоения урано-угольных месторождений могут быть приняты к использованию ОАО «ПНИУИ» при разработке проекта освоения Вельского урано-угольного месторождения. Разработанный программный модуль по выбору средств комплексной механизации используется в учебном процессе на кафедре ПРПМ.

Апробация работы Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Подземной разработки пластовых месторождений» Московского государственного горного университета (г. Москва, 2007;2009), докладывались на семинарах научных симпозиумов «Неделя горняка» (г. Москва, 2008;2009).

Публикации. По результатам научных исследований опубликованы 4 статьи.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 178 страниц машинописного текста, содержит 35 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 121 наименования.

Основные выводы по главе 5.

1. Горно-гелогические условия месторождения и предлагаемая технология разработки, технологический процесс обогащения, выщелачивания делают комплексное использование энергетического потенциала Подмосковного бассейна высокорентабельным и быстро окупаемым.

2. Инвестиционная привлекательность проекта разработки месторождения, даже при относительно высокой ставке процента, и не оптимистическом сценарии (высокий срок службы шахты, высокие первоначальные инвестиции, усредненная цена редкоземельных элементов, при их нехватке и значит постоянном росте цены), высокая, с показателями чистой приведенной стоимости выше нуля (1600 млн руб.) и внутренней нормой доходности 21%.

3. Экономические выгоды от разработки месторождения делают еще более существенными нематериальные выгоды от создания тысяч рабочих мест, вовлеченности проектных и научных институтов. В свою очередь социально-экономические выгоды комплексного использования месторождений Подмосковного бассейна могут способствовать частичному финансированию государством, льготному режиму налогообложению или получение кредитов на льготных условиях.

Заключение

.

Цель диссертационной работы заключалась в обосновании технологии комплексного освоения запасов урано-угольных месторождений на базе рационального разделения компонентов горной массы с последующей утилизацией шахтной породы в выработанном пространстве, обеспечивающей повышение эффективности и экологичности горного производства. Проведенный анализ и экспериментальные исследования позволили предложить обосновать экологически чистую и экономически обоснованную технологию комплексного освоения данных месторождений.

В развитии поставленной цели было сформулировано несколько задач, при решении которых получены следующие выводы, научные и практические результаты.

1. На основе анализа геологической информации обоснованы возможность и целесообразность экологически чистого освоения запасов урано-угольных месторождениях Подмосковного бассейна.

2. На основании лабораторных исследований установлено, что реагентное модифицирование бурых углей Подмосковного бассейна низкокипящими нерастворимыми в воде средами способствует уменьшению процентного содержания серы по сравнению с исходной пробой. После 36 часов выдержки в реагенте, модифицирование приводит к полному растворению органической серы в реагенте.

3. Обоснованна технологическая схема раскройки шахтного поля с учетом порядка отработки запасов отдельных участков урано-угольных месторождений и особенностей радоновыделения в подземные горные выработки. Главные воздухопадающие выработки проводятся по пустым нерадиационным породам, выемочные участки имеют минимальную эманирующуя поверхность, а исходящая струя выемочного участка выдается через фланговые стволы.

4. Скорректирована методика определения нагрузки на очистной забои, оборудованные комплексом KMKJI, позволяющая оптимизировать нагрузку на очистной забой с учетом затрат времени на формирование подготовительной выработки и закладку выработанного пространства. При длине лавы от 30 до 50 м и скорости подвигания очистного забоя 810 м/сутки нагрузка на очистной забой составит 900−1350 т/сут.

5. На основании результатов численного моделирования обоснованны параметры коротко-лавной технологии отработки запасов в зависимости от эманируюгцей поверхности очистного забоя и содержания урана в угольном пласте. Размер выемочного участка по простиранию должен составлять 200−400м, а длина короткой лавы 20−45 м.

6. Разработана концепция комплексного освоения запасов урано-угольных месторождений с учетом горно-геологических условий и использовании физико-механических свойств исходного сырья и базирующаяся на экологически безопасных низкокипящих жидкостях, параметрах и режимах процесса разделения сред.

7. Разработаны варианты коротко-лавной технологии, учитывающие радоновыделение в горные выработки, позволяющие сократить объем проведения подготовительных выработок (на 40%) и обеспечить повышение нагрузки на пласт в два раза.

8. Определена область эффективного освоения запасов урано-угольных пластов Подмосковного бассейна в зависимости от содержания урана в угольном пласте и производственной мощности шахты. При содержании урана менее 100 г/т освоение запасов экономически нецелесообразно.

9. Разработан программный модуль, позволяющий автоматизировать выбор типа и типоразмера механизированной крепи с учетом горногеологических и горно-технических условий, а также технологии ведения очистных работ.