Перспективы добычи и использования угольного метана в России

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донецкий национальный технический университет»  

Д.Д. Выговская, Д.Д. Выговский, А.В. Агарков, Д.С. Краснов, Р.С. Муляр

КОМПЛЕКСНОЕ ОСВОЕНИЕ НЕДР И ПОДЗЕМНАЯ УРБАНИСТИКА

Монография (в 2-х томах)

Том 1

Донецк – 2017

УДК

 

 

Выговская Д.Д., Выговский Д.Д., Агарков А.В., Краснов Д.С., Муляр Р.С. Комплексное освоение недр и подземная урбанистика. Монография. Том 1. – Донецк: ДонНТУ, 2017. – 153 с.

Рассмотрены возможности и основные функции недр для реализации различных геотехнологий. Обозначены характерные проблемы комплексного освоения подземного пространства. Оценены возможности использования с максимальным эффектом всего ресурсного потенциала недр Земли. Изложены методы оценки георесурсного потенциала, направления и тенденции комплексного освоения и использования недр, приведены и описаны основные принципы интегрирования различных технологий добычи полезных ископаемых (открытой, подземной, комбинированной, физико-химической) по критерию полноты освоения георесурсов. Подробно рассмотрены и систематизированы исследования геомеханических, аэродинамических, гидродинамических и физико-химических процессов, протекающих при комплексном освоении недр. Приведен анализ направлений использования технологического подземного пространства и основные программы исследований. Описаны технологии извлечения георесурсов рациональным сочетанием технологических процессов и оборудования различных способов добычи с утилизацией отходов горно-металлургического производства в закладке выработанного пространства. Представлена технико-экономическая оценка возможности использования подземного пространства закрывающихся шахт. Рассмотрены основные аспекты размещения отходов в подземном пространстве и примеры использования подземного пространства в хозяйственных целях. Даны системные предложения по обеспечению рационального вторичного использования горных выработок на территориях горнопромышленных регионов. 

Монография составлена путем компиляции и структурирования научных исследований в области комплексного освоения и рационального использования подземного пространства.  

© Выговская Д.Д., Выговский Д.Д., Агарков А.В., Краснов Д.С., Муляр Р.С.

Оглавление

 

ПРЕДИСЛОВИЕ. 5

ГЛАВА I ЭКСКУРС В ИСТОРИЮ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕДР. 6

1.1 Начало освоения человеком подземного пространства. 7

1.2 Глубинные исследования земли. 9

ГЛАВА II ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ О КОМПЛЕКСНОМ ОСВОЕНИИ НЕДР 32

2.1 Общие представления о комплексном освоении недр. 33

2.2 Маркшейдерское обеспечение комплексного освоения ресурсов горнодобывающих регионов. 34

ГЛАВА III ОСОБЕННОСТИ ОСВОЕНИЯ НЕДР И РАЗВИТИЕ ГЕОТЕХНОЛОГИЙ.. 40

3.1 Методологические подходы к исследованию, классификации и оценке эффективности комплексного освоения ресурсов недр. 41

3.2 Перспектива комплексного освоения недр – комбиниро-ванные геотехнологии. 48

ГЛАВА IV СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР 56

4.1 Классификация видов негативного влияния, причиняемого недрам при освоении георесурсов. 57

4.2 Комплексное освоение георесурсов недр – новая идеология в теории и практике разработки месторождений полезных ископаемых. 63

ГЛАВА V ИННОВАЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ.. 71

5.1 Подземная газификация углей. 72

5.1.1 Общие сведения. 72

5.1.2 Способы подготовки подземных газогенераторов. 74

5.1.3 Поверхностный комплекс станции "Подземгаз". 77

5.1.4 Перспективы подземной газификации угля. 79

5.2 Подземное сжигание угля. 81

5.3 Угольный метан: перспективы добычи и использования. 84

5.4 Геотермальная энергия. 89

ГЛАВА VI ЗАКОНОДАТЕЛЬНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ И РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕДР ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ.. 113

6.1 Собственность на недра. 114

6.2 Республиканский фонд недр и республиканский фонд месторождений полезных ископаемых. 114

6.3 Органы, которые осуществляют государственное управление в сфере геологического изучения, использования и охраны недр. 115

6.4 Предоставление недр в пользование. 115

6.4.1 Пользователи недр. 115

6.4.2 Виды пользования недрами. 116

6.4.3 Участки недр, предоставляемые в пользование. 116

6.5 Сроки пользования недрами. 118

6.6 Лицензия на пользование недрами. 119

6.7 Общие положения Закона об охране окружающей среды.. 122

6.7.1 Основные принципы охраны окружающей среды.. 122

6.7.2 Общие требования в сфере охраны окружающей среды при размещении, проектировании, строительстве, реконструкции, вводе в эксплуатацию, эксплуатации, консервации и ликвидации зданий, строений, сооружений и иных объектов. 125

ГЛАВА VII ОЧСТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШАХТНЫХ ВОД.. 126

7.1 Опыт и перспективы использования шахтных вод. 127

7.2 Проблемы очистки шахтной воды и направления их решений. 135

7.3 Шахтные воды Донбасса – экологическое бедствие или будущее водоснабжения. 140

7.4 Повышение эффективности очистки шахтных вод горнодобывающей промышленности. 145

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 151

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 152

 

 

Предисловие

Современная концепция комплексного освоения недр базируется на многообразии и экономической ценности георесурсов, значимости самих недр с их природоорганизующими функциями как фактора жизнеобеспечения общества.

Без промышленного использования георесурсов цивилизованная жизнь на Земле невозможна. Поэтому целенаправленное освоение недр с целью добычи полезных ископаемых необходимо для существования и развития общества. Рациональное и комплексное освоение георесурсов означает высокую полноту использования природных богатств, интенсивность горного производства, воссоздание новых видов полезных ресурсов и сохранение недр как комплексного ресурса жизнедеятельности на Земле.

Стратегия освоения недр должна предусматривать также возможность управления их состоянием при ведении горных работ, обеспечивающего эффективность производства, а также его техническую и экологическую безопасность.

Однако недра Земли служат не только источником полезных ископаемых, минерального сырья, воды и газа, но и обладают столь необходимым для человечества пространством, где могут быть размещены различные объекты жизнеобеспечения общества, а также не утилизированные отходы промышленности.

Освоение человеком подземного пространства должно компенсировать прогрессирующий дефицит свободных площадей на поверхности Земли.

Развитие подземного строительства и освоение существующего геотехногенного подземного пространства позволят рационально размещать не только технологические и энергетические коммуникации, но и создавать промышленные цеха, ремонтные центры, магазины, объекты культурного назначения, спортивные и другие залы, нефтехранилища, водохранилища, бункеры хранения сыпучих материалов, склады, убежища гражданской обороны, хранить государственные архивы, складировать радиоактивные отходы атомных электростанций и многое другое.

Авторы будут признательны за конструктивные предложения и замечания по монографии.

ГЛАВА I

ЭКСКУРС В ИСТОРИЮ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕДР

1.1 Начало освоения человеком подземного пространства

 

Освоение человеком подземного пространства началось в глубокой древности. В период, предшествующий 4-му тысячелетию до н.э., прототипом подземных сооружений можно считать естественные пещеры, используемые нашими предками в качестве жилища, защищавшего их от непогоды и хищников. Люди старались приспосабливать для обитания наиболее пригодные и уютные гроты и пещеры. При длительном проживании под землей обустраивались входы, создавались ниши, выравнивались полы, устраивались места для очага и отдыха, принимались меры по накоплению и удалению лишней воды, выполнялись работы по маскировке и т.п.

Начиная с 4 тысячелетия до н.э. люди начали проводить значительные по масштабам подземные работы. Наиболее важными видами подземного строи- тельства тогда явились рытье тоннелей, подземных ходов сообщения, каналов, строительство водопроводов и даже подземных городов. Примерно в то же время человек начал разрабатывать горные породы для получения различных полезных ископаемых.

Первое свидетельство о постройке тоннеля относится к 2150 году до нашей эры. Это был подводный пешеходный тоннель протяженностью 900 м и размерами в разрезе 4 × 3,6 м под рекой Евфрат в Вавилоне, соединявший царский дворец с храмом Юпитера. На время строительства русло реки шириной 180 м было отведено в сторону и все работы произведены насухо в открытом котловане. Стены и свод тоннеля состояли из кирпичной кладки на битумном вяжущем материале.

Около 50 года до н.э. римлянами был пробит тоннель, длиной около 5 км для отвода воды из озера Фучино. Тоннель строился в течение 11 лет, работы велись встречными забоями примерно из 40 шахт.

Около 300 года н.э. на территории современной Турции был построен тоннель, выполнявший одновременно функции водопровода и подземного судоходного канала.

При императоре Адриане римлянами был сооружен тоннель для водоснабжения Афин. В период турецкого владычества численность населения города резко упала, тоннель был заброшен и вновь запущен в эксплуатацию спустя почти два тысячелетия — в 1840 году. В 1925 году афинский водопровод был расширен и реконструирован, вследствие чего старый римский тоннель продолжает эксплуатироваться до сих пор.

В Грузии на скалистом обрыве высотой 105 м на левом берегу р. Куры в XII—XIII вв. был высечен подземный комплекс Вардзиа. Комплекс представляет собой 8 этажей пещер, пройденных в вулканических туфах на участке шириной около 500 м (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Подземный комплекс Вардзиа.
Грузия. XII—XIII вв. н.э.

Для водоснабжения комплекса его строителями был пробит тоннель, протяженностью 3,5 км, по дну которого пролегали два гончарных трубопровода. Вода по ним шла самотеком. Пропускная способность этого водопровода составляла более 160 000 л/ сут.

Начиная с 400 года н.э. историками отмечается почти тысячелетний застой в европейском тоннелестроении. Данный перерыв относится также к строительству объектов промышленного и гражданского назначения.

Древнегреческий философ и ученый Аристотель (384 — 322 гг. до н. э.), например, объяснял возникновение землетрясений тем, что земная кора имеет отверстия, через которые сильные ветры воздействуют на подземные воды. Эти воды растворяют породы, образуя в них пустоты и провалы. Древнегреческий географ и историк Страбон (64/63 г. до н. э. — 23/24 г. н. э.) объяснял находки морских раковин вдали от моря тем, что поверхность Земли то поднимается, то опускается. Так, по его мнению, возникли острова и даже материки, а вулканы — это клапаны, предохраняющие Землю от накопления газов и взрывов. Среднеазиатский ученый-энциклопедист Бируни (973 — около 1050) писал, что суша и море всегда перемещаются. Если мы видим гору из слоев окатанных камней, считал Бируни, значит, галька и гравий — это те камни, которые когда-то откололись от гор и затем долго подвергались воздействию водных потоков и ветров, а затем превратились в единую массу — «тесто». Современник Бируни, живший и в Средней Азии, и в Иране, ученый, философ, врач Ибн Сина — Авиценна (около 980 — 1037) полагал, что образование камней происходит или очень быстро под действием сильного жара, или медленно, если жар небольшой. Тогда горы образуются из вязкой глины, которая долго сохнет и постепенно превращается в камень.

1.2 Глубинные исследования земли

Мировая экономика во второй половине ХХ века столкнулась с глобальной проблемой обеспечения минерально-сырьевыми ресурсами. Научно-техническая революция, охватившая практически все промышленно развитые государства мира, привела к огромному росту потребления полезных ископаемых. Электрификация, химизация и автоматизация производства, развитие качественной металлургии, космической техники, современного воздушного, наземного и морского транспорта, радиотехнической, электронной и других отраслей промышленности, а также сельского хозяйства и связи - все это базируется на потреблении больших количеств разнообразных видов топливно-энергетического, рудного и нерудного минерального сырья. Возникновение новых отраслей промышленности, науки и техники потребовало выявления и добычи в значительных количествах и принципиально новых видов полезных ископаемых: радиоактивных элементов, ряда редких металлов и др. Одновременно с этим быстро возрастало потребление традиционных их видов -алюминия, титана, платиноидов, а также энергетического, металлургического, горно-химического сырья, строительных материалов и др. В период с 1950-го по настоящее время добыча полезных ископаемых в капиталистических и развивающихся странах увеличилась в целом в 5-15 раз и более.
В ХХI веке в мире будет продолжаться рост потребления минерально-сырьевых и энергетических ресурсов, для чего необходимо увеличение открываемых и эксплуатируемых месторождений полезных ископаемых. Западными экспертами прогнозируется, что в последующие 50 лет объемы горно-добычных работ возрастут по меньшей мере в 5 раз, главным образом, за счет новых месторождений с переработкой руд по уже известным технологиям, поскольку рециклинговые технологии не смогут в полной мере удовлетворить растущее потребление.
Между тем большая часть месторождений полезных ископаемых, имеющих выход на земную поверхность, не только выявлена, но и в значительной части уже отработана.

Поэтому открытие новых ресурсов требует проникновения на все большие глубины. Но обнаружить месторождения на больших глубинах довольно трудно и экономически дорого и зависит не только от технических возможностей проникновения в земные недра. Необходимо знать строение недр на глубине, научиться понимать суть происходящих процессов, четко представлять закономерности распределения полезных ископаемых.
В последние годы разведка и добыча нефти и газа ведутся в ряде районов уже на глубинах 5-7 км, угля и металлов - 1-2 км. А некоторые золотодобывающие шахты (Колар в Индии, Витватерсрэнд - в Южной Африке) имеют забои на отметке более 3 км. Увеличение средней глубины освоения недр хотя бы еще на 1-2 км, не говоря уже о глубинах 5-10 км, принципиально расширит перспективы роста минерально-сырьевого и энергетического потенциала человечества. В решении этой проблемы особая роль принадлежит глубокому и сверхглубокому бурению - единственному пока способу проникновения в недра Земли для прямого определения состава глубинного вещества и разработки критериев прогнозирования и поисков скрытых залежей полезных ископаемых, в первую очередь нефти и газа и некоторых дефицитных металлов.
Изучение глубинного геологического строения Земли - насущная задача геологов, занятых прогнозированием и поисками месторождений полезных ископаемых. В его результатах крайне заинтересованы также горняки, осуществляющие промышленное освоение выявленных объектов. Ведь условия работы в глубоких шахтах отличаются большой сложностью с технической точки зрения и нередко сопряжены с повышенной степенью риска, вызванной аномальными призабойными значениями температуры и давления. Глубинные слои Земли привлекают ученых и других специальностей еще и потому, что именно здесь зарождаются современные тектонические движения, землетрясения и очаги вулканической деятельности, отсюда поступают мощные потоки тепла. В земных недрах заключена разгадка и многих других явлений, например, как магнетизма, так или иначе влияющих на жизнь и деятельность людей.
К настоящему времени накоплен большой опыт бурения поисково-картировочных, разведочных опорно-параметрических и структурных скважин, проходивших как в различных частях континентов, так и на дне Мирового океана. В отдельных странах общий объем проходки достигает многих тысяч километров, однако только незначительная часть приходится на скважины глубиной 5-7 км и более. Именно поэтому недра собственной планеты мы знаем едва ли не хуже окружающего нас космического пространства. Что же у нас под ногами, какими могучими глубинными процессами обусловлена эволюция планеты Земля? На эти и многие другие вопросы должно дать ответ целенаправленное изучение земных недр путем проведения широкого комплекса исследований, среди которых первостепенная роль принадлежит глубинному изучению недр.
Вместе с тем неизведанные недра таят в себе разгадки истории Земли, процессов ее развития и особенностей рудообразования; в недрах таятся новые запасы и еще не известные нам источники минерального сырья и энергии; на больших глубинах возможно выявление веществ, находящихся в необычном состоянии, например, со сверхплотной упаковкой атомов, и др. Земные недра - это, если можно так сказать, "антикосмос" со своими процессами и явлениями, открытие обнаружения которых может иметь важные научные и трудно предсказуемые для практики последствия.
Земля - сложная геодинамическая система, в недрах и на поверхности которой в течение нескольких миллиардов лет протекают разнообразные экзогенные (приповерхностные) и эндогенные (глубинные) процессы формирования и разрушения горных пород. Эти процессы в определенных условиях сопровождаются формированием месторождений полезных ископаемых, прогнозирование, поиски и разведка которых составляют главную задачу прикладной геологии. Результативность геолого-разведочных работ на всех стадиях их проведения зависит от уровня геологических знаний о закономерностях размещения месторождений и процессов их образования. Все это требует углубленного изучения не только структуры и состава верхних находящихся на поверхности слоев планеты, но и более глубоких горизонтов. Выдающемуся ученому, первому президенту АН СССР академику А. П. Карпинскому принадлежат удивительные по своей прозорливости слова: "Геологу нужна вся Земля". Вся Земля не только по ее поверхности, но и на глубину. Без этого невозможно до конца понять и оценить структурно-вещественные и термодинамические условия образования месторождений нефти и газа, каменного угля, различных рудных и нерудных полезных ископаемых, а следовательно, нельзя и разработать правильные методы их прогноза и поисков.
Самая верхняя геосфера - земная кора. Современное понятие о земной коре основано прежде всего на сейсмических характеристиках пород и связано с именем югославского сейсмолога А. Мохоровичича. Изучая сейсмограммы близких землетрясений, он установил, что в верхнем слое Земли сейсмические волны распространяются с меньшей скоростью (около 6 км/с), чем на больших глубинах (8-8,5 км/с). Этот низкоскоростной слой впоследствии и был назван земной корой, а сейсмическая граница, отделяющая его от более глубоких горизонтов Земли (мантии), в память ее первооткрывателя была названа границей Мохоровичича. В пределах континентов земная кора имеет мощность 40-60 км, что составляет не более 1% земного радиуса, а в районах глубоководных акваторий океанов - всего лишь 10-12 км. По геологическим и геохимическим данным, до глубины 16 км подсчитан усредненный состав пород земной коры. Эти цифры по мере накопления новых данных постоянно уточняются. Сейчас среднее содержание отдельных элементов оценивают так: кислород - 47 %, кремний - 27,5 %, алюминий - 8,6 %, железо - 5 %, кальций, натрий, калий - 10,5 % , на все остальные элементы приходится около 1,5 %, в том числе на титан - 0,6 %, углерод - 0,1 %, медь - 0,01 %, свинец - 0,0016 %, золото - 0,0000005 %.
Земная кора вместе с твердым слоем верхней мантии объединяется понятием "литосфера", а совокупность земной коры и верхней мантии принято называть "тектоносферой".
Земная кора обладает значительно меньшими плотностью и общей массой по сравнению с мантией и ядром. В верхней ее части - на границе литосферы с гидросферой и атмосферой - развиваются интенсивные процессы преобразования косной (неживой) и живой материи и формируются осадочные месторождения нефти, газа, угля, некоторых металлов (железа, марганца, алюминия и др.), каменной и калийной солей и других видов полезных ископаемых. В силу своего пограничного положения земная кора является наиболее гетерогенной (неоднородной) оболочкой Земли. Самый верхний слой представлен относительно слабо дислоцированными и в малой степени метаморфизованными осадочными породами: терригенными (песчаники, гравелиты, конгломераты, разнообразные глины), карбонатными, соленосными и другими комплексами, слагающими преимущественно депрессионные (опущен-
ные) блоки земной коры. С этими породами, мощность которых составляет от 1-2 км на платформах до 10-20 км в глубоких впадинах-прогибах, связаны месторождения нефти, газа, каменного угля, а также каменных и калийных солей, фосфоритов, строительных материалов. Кроме этих нерудных полезных ископаемых, в осадочных толщах залегают крупные месторождения ряда металлов (меди, свинца и цинка, урана, железа и др.).
Ниже осадочного чехла расположены кристаллические породы гранитного (гранитно-метаморфического) слоя. Главные породообразующие компоненты горных пород - это кремнезем и глинозем, а также оксидные соединения железа, кальция, магния, щелочей, титана и другие. Содержание в магматических породах кремнезема и щелочей определяет количество и распределение в них рудных элементов.
Поиск и разведка месторождений полезных ископаемых пока не выходят за пределы осадочного и гранитно-метаморфического слоев. Тем не менее сведения о более глубоких горизонтах планеты, как отмечалось выше, нужны геологам для объяснения образования месторождений, выяснения причин горообразования, вулканизма, землетрясений и других явлений. Пионерами глубинных исследований стали советские геологи.

Глубинное изучение недр
В изучении глубинного строения территории СССР можно выделить три этапа. На первом в 60-е годы были сформулированы задачи этих исследований, проведена научная подготовка, созданы отечественные технические средства для сверхглубокого бурения и геолого-геофизических исследований в скважинах на глубинах до 10-15 км. Второй этап приходится на 70-е годы, в течение которых проводились экспериментальное бурение Кольской и Саатлинской сверхглубоких скважин, а также исследования отдельных регионов с использованием глубинных геофизических методов. Третий этап, начавшийся в 1981 году, знаменовал собой переход к планомерному комплексному изучению земной коры и верхней мантии на всей территории страны.
Реализация идеи глубинного изучения земных недр в СССР стала возможной только в начале 60-х годов, что позволило начать проектирование, а затем и бурение скважин глубиной до 12-15 км. К этому времени в СССР и США уже имелось несколько скважин глубиной 7-9 км, которые были пробурены с целью поисков нефти и горючего газа.
Тогда специалисты обсуждали задачи, которые могли быть поставлены при бурении сверхглубоких скважин, и намечали места для их возможного заложения. Эти вопросы рассматривались, в частности, в опубликованных в начале 60-х годов статьях В.В.Белоусова, Н. А. Беляевского, В. В. Федынского, Н. И. Хитарова, Ю.М.Шейнмана, И. С. Тимофеева и др.
В 1960-1962 гг. Государственным комитетом Совета Министров СССР по координации научно-исследовательских работ была согласована и утверждена первая программа по изучению недр Земли и сверхглубокому бурению. Для организации, координации и практического руководства работами по глубинному изучению земных недр в 1963 г. был образован Межведомственный научный совет по проблеме "Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение", который объединил около 200 крупных ученых и специалистов научных и производственных организаций различных министерств и ведомств.
Головной организацией в осуществлении намеченных задач было определено Мингео СССР, а для реализации программы привлечено более 150 научных и производственных организаций страны. Бурение Кольской скважины было поручено специально организованной Кольской геологоразведочной экспедиции объединения "Волгокамскгеология" (с 1986г. - объединение "Недра").
Программа комплексных глубинных исследований недр на перспективу была разработана Мингео совместно с АН СССР, Минвузом, Миннефтепромом и другими ведомствами. Этот комплекс работ утввердили ГКНТ и Госплан СССР в качестве общесоюзной программы.
Состояние уровня теоретически разработок, методов исследований, способов и средств изучения глубинного строения земной коры и верхней мантии, а также накопленный опыт позволяли расширить круг дальнейших исследований, в частности, за счет определения закономерностей строения и развития земной коры континентов, шельфовых областей и океанов, выяснения источников геодинамических процессов и изучения процессов осадконакопления, дифференциации магматических очагов, генезиса и миграции флюидов (растворов и газов) в земной коре, современных геотермического и геодинамического режимов.
Программой предусматривалось развитие сети региональных геотраверсов и проходки глубоких и сверхглубоких скважин. В ХII пятилетке комплексные исследования на крупных геодинамических полигонах осуществлялись согласованно с проходкой глубоких скважин в важнейших рудных районах. Сочетание сети взаимоувязанных региональных геотраверсов, глубоких и сверхглубоких скважин, которые были пробурены в разных геологических условиях, геодинамических полигонов обеспечивало получение объемной трехмерной информации по нескольким глубинным уровням земной коры. Предстояло также усилить работы по совершенствованию методов интерпретации геофизических данных с использованием ЭВМ применительно к новым представлениям о волновых сейсмических полях, исследованию природы физических границ в земной коре и верхней мантии, увеличить глубинность сейсмического зондирования, усовершенствовать физическую основу метода.
В ХII пятилетке получили дальнейшее развитие региональные геолого-геофизические работы в основном на территории Западно-Сибирской и Русской плит, Средней Азии, Востока и Северо- Востока СССР. Кроме того, были начаты региональные работы на шельфах Баренцева и Карского морей. В перспективе (в ХIII-ХIV пятилетках) планировалось выполнить комплекс исследований по профилям соответственно 22,5 и 27,5 тыс.км в основном в районах Дальнего Востока, Восточной Сибири, Русской плиты и шельфовых областей Северного Ледовитого и Тихого океанов. При этом комплексные исследования по геотраверсам должны были опережать проходку глубоких и сверхглубоких скважин, информация по которым в первую очередь должна использоваться для уточнения результатов интерпретации геофизических исследований.
Геологическую информацию о глубинном строении литосферы с оценкой перспектив нефтегазоносности и рудоносности получили по полигонам, глубоким и сверхглубоким скважинам, решавшим две главные группы задач: исследование глубинного строения и оценка перспектив нефтегазоносности основных типов геоструктур, отвечающих различным геодинамическим обстановкам, а также исследование глубинного строения, оценка вертикального размаха рудоносности и выявление факторов прогноза залежей в типовых рудных районах.
Скважины, решавшие задачи первой группы, были размещены таким образом, что они обеспечивали вскрытие глубинных частей различных типов геоструктур, в результате чего изученные интервалы разреза как бы надстраивают друг друга по возрасту отложений. Это позволило получить геологический разрез отложений суммарной мощностью около 60 км, возрастной диапазон которых составляет более трех млрд.лет.
Изучение древних образований щитов и кристаллических массивов с получением комплексной информации об их строении, составе и потенциале рудоносности гранулито-базальтового, гнейсово-гранитного и протогеосинклинального комплексов обеспечивали Кольская и Криворожская скважины. Кольская скважина при проектной глубине 15 км к 1990 г. должна была достигнуть 13 км. Криворожскую скважину предполагалось углубить до 8 км при проектной глубине 12 км, что позволило бы определить характер распространения богатых железных руд на глубину и уточнить существующие представления о рудоносности Криворожского бассейна.
Бурение Уральской скважины имело целью вскрытие и изучение наиболее полного разреза палеозойских образований Урала. Этот разрез продуктивен на медно- колчеданные и скарново-магнетитовые руды. Проектировалось вскрыть рудоносную систему, пересечь кристаллический фундамент и таким образом получить параметрические данные о физическом состоянии глубинных недр Урала, необходимые для уточнения ранее составленных сейсмических разрезов. Все это было важно для реконструкции и изучения рудоносных систем, а в конечном итоге и для изучения процессов рудогенеза.
Оценка золотоносности глубоких горизонтов Узбекистана, расшифровку природы их основания планировалось получить при проходке Мурунтауской скважины, которая в 1990 г. должна была достичь проектной глубины 7 км. При благоприятных горно-геологических условиях и хорошем состоянии бурильной установки скважина могла быть продолжена и на большую глубину.
Группа скважин должна была решать задачи выявления и оценки перспектив нефтегазоносности глубинных горизонтов платформенных осадочных толщ. В их числе Прикаспийская скважина (проектная глубина 7 км) для вскрытия подсолевых отложений.
Днепрово-Донецкая скважина, предназначавшаяся для вскрытия каменноугольных нефтегазоносных отложений с возможным выходом в породы основания, должна была быть завершена проходкой в 1990 г. (7 км), а Тимано-Печорская скважина для оценки нефтегазоносности девонских и додевонских отложений (7 км) - в 1990 г. Тюменская скважина имела проектную глубину 8 км, и её цель была вскрыть потенциально нефтегазоносные доюрские отложения и их основание. К 1991 г. было намечено пробурить 6 км. Задачи оценки нефтегазоносности глубоких горизонтов в Татарии следовало решить Новоелховской скважиной проектной глубиной 7 км. До глубины 11,5 км рассчитывалось пройти Саатлинскую скважину в Азербайджане, вошедшую в породы основания Куринской депрессии. Кубанская скважина проектной глубиной 12 км должна была вскрыть мезозойско-кайнозойский разрез Западно-Кубанского прогиба и способствовать оценке его нефтегазоносности.
В районах бурения указанных глубоких и сверхглубоких скважин были намечены полигоны, на которых предполагалось выполнить комплекс геологических, геофизических и геохимических исследований. До размещения новых глубоких скважин намечалось провести опережающие исследования на Западно-Сибирском, Тимано-Печорском, Норильско-Игарском, Вилюйском, Становом, Сахалинском, Прикаспийском и Иссык-Кульском полигонах.
Вторая группа задач - глубинное изучение рудных районов - решается путем проходки скважин глубиной 3-5 км и комплексных геолого-геофизических исследований. На 1986-1990 гг. была намечена проходка скважин в следующих рудных районах: Норильском - 3,5 км, Печенгском - 4, Кавалеровском - 4, Тырныаузском - 3, Хибинском - 2, Дарасунском - 2, Алмалыкском - 2 и Малокавказском - 2 км. Все скважины были привязаны к региональным геотраверсам. При этом намечалось изучение рудных районов с плутоногенными месторождениями (сульфидные медно-никелевые, хромитовые, редкоземельно-апатитовые, алмазоносные кимберлиты), с комплексными рудоносными рудно-магматическими системами (золоторудные, оловорудные, меднорудные, молибденовые), с рудоносными терригенными толщами (цветные металлы, золото, сурьма и ртуть, вольфрам), вулканогенными месторождениями (золото-серебряные, цинково-медноколчеданные, железорудные).
При изучении рудных районов предусматривалось решение следующих основных задач: определение их позиций в глубинных структурах земной коры, получение комплекса данных о разрезах земной коры до глубины 3-5 км путем интерпретации наземных наблюдений и бурения отдельных опорных скважин, выявление факторов, влияющих на распределение руд по вертикали, установление природы факторов, определяющих рудную зональность, разработка комплексных геолого-генетических и прогнозно-поисковых пространственных моделей рудных районов и месторождений с обоснованием методов и методик локального прогноза скрытых месторождений и рудных тел.
Сейчас признано, что глубокое и сверхглубокое бурение является составным звеном единой научно-геологической программы, базирующейся на синтезе информации, получаемой из космоса с помощью спутников Земли, атмо- и стратосферы - с использованием различных летательных аппаратов, с поверхности Земли - путем геологических и других наблюдений непосредственно на земной поверхности, и из недр Земли - по данным бурения скважин и применения геофизических методов и других глубинных методов.
Космогеологические методы - новое мощное средство для исследования не только поверхности, но и глубинного строения Земли. В СССР проводилось систематическое изучение геологического строения территории, базирующееся на использовании материалов многоканальных космических съемок и результатов прямых космовизуальных наблюдений, контролируемых наземными исследованиями. Результатом этих работ стали специализированные космогеологические карты разного масштаба - новый вид геологической продукции, нашедшей широкое применение при геотектонических и минерагенических построениях, прогнозировании полезных ископаемых и решении конкретных задач по совершенствованию планирования геологоразведочных работ. Космологическое картирование позволило менее чем за десять лет выявить новые черты геологического строения огромных территорий и наметить площади для первоочередного их изучения в более крупных масштабах. При этом использование материалов космических съемок существенно повысило объективность геологических карт и надежность расшифровки глубинного строения земной коры. Непосредственное влияние космогеологических методов на результаты прогнозных и поисковых работ заключается в повышении достоверности прогноза за счет разработки космогеологических критериев размещения полезных ископаемых. Достигнутый уровень космогеологических методов позволяет говорить о становлении космогеологии - нового научного направления геологических исследований.

Cюрпризы Кольской сверхглубокой
Мировым рекордсменом по глубине является и, по всей видимости, на долгие времена останется Кольская сверхглубокая скважина, заложенная на севере Балтийского щита, 12260 м.
До проходки Кольской сверхглубокой скважины теория рудообразования была построена на данных, полученных в основном при изучении конечных продуктов рудогенеза - самих месторождений. Задачи реконструкции возможного формирования залежей полезных ископаемых решались главным образом на основании воссоздания истории геолого-тектонического развития соответствующих блоков земной коры по результатам изучения поверхностных выходов и разведки отдельных месторождений и рудных полей на глубины в сотни метров. Разумеется, для этих целей использовались и результаты исследований в районах вулканизма. Однако все это не могло заменить прямых наблюдений процессов, протекающих в земных недрах. В результате проходки Кольской скважины впервые были получены непосредственные данные о составе и физическом состоянии пород на глубинах, превышающих 10 км. Это имеет первостепенное значение для прогноза скрытых месторождений вообще и типоморфных для Кольского полуострова полезных ископаемых (железные руды, апатит, медь и никель, слюда, редкие металлы и др.).
Каждый кусочек горной породы, извлеченный из недр, представлял большую ценность. Чем дальше уходила в глубину Кольская скважина, тем труднее было доставлять образцы вещества на поверхность. Куски породы в виде цилиндрических столбиков (кернов), чаще всего диаметром 60-80 мм, выбуриваются буровой коронкой. При этом периферийная кольцевая часть забоя разрушается. В обычных случаях, при бурении разведочных скважин на ограниченную глубину, керн продвигается в буровой снаряд и закономерно попадает в колонковую трубу. В ней он находится в процессе бурения, пока его не поднимут наверх. Однако на большой глубине керн, выбуренный из массива и освобожденный от горного давления, как бы взрывается. Его разрушают мощные внутренние силы, порожденные сжатием вышележащей многокилометровой толщи пород. Керн разрушается, его отдельные кусочки забивают проход в колонковую трубу и истираются в процессе бурения. Обычно при этом сохраняется не более 5-10% выбуренного керна. Для борьбы с таким явлением конструкторами был создан принципиально новый колонковый снаряд с системой гидротранспорта керна.
Кольской скважиной вскрыты горные породы возрастом 1,9-1,6 млрд. и свыше 2,8 млрд. лет.
В результате детального комплексного изучения поднятых с больших глубин образцов горных пород был сделан ряд новых неожиданных и очень интересных наблюдений. Многие из них представляют интерес как для геологов, так и для палеонтологов и биологов. В частности, установлено, что породы на глубоких горизонтах земной коры, традиционно считавшиеся извечно "мертвыми", когда-то формировались при активном участии биологических процессов. По данным изотопного анализа углерода, выделены два источника углекислого газа: первый связан с мантией, второй имеет биогенное происхождение и преобладает в протерозойских породах. В последних к тому же найдены окаменелые остатки микроорганизмов - микрофоссили, возраст которых исчисляется первыми миллиардами лет. Обнаружено и определено уже 17 видов микроорганизмов - прямых свидетелей биогенных процессов, происходивших на нашей планете в древние эпохи. Таким образом, бурение Кольской сверхглубокой подтвердило идею В. И. Вернадского о наличии на Земле докембрийских биосфер.
Большой интерес представляет впервые доказанное существование на сверхбольших глубинах в пределах древних кристаллических массивов подземных вод: они зафиксированы практически на всех разбуренных интервалах. Наибольшие притоки высокоминерализованных вод и газов установлены в зонах тектонических нарушений, обладающих повышенной проницаемостью. В зонах циркуляции подземных вод, зафиксированных на больших глубинах (6,5-9,5 км и более), происходило отложение относительно низкотемпературной гидротермальной минерализации (медной, свинцово-цинковой, никелевой). Этот процесс продолжается, по-видимому, и поныне.
Обнаруженные в скважине ассоциации рудных минералов, относящихся к одним из самых низкотемпературных по образованию, свидетельствуют о принципиальной возможности появления на этих глубинах их промышленных скоплений, не говоря уже о высокотемпературных рудных образованиях. Этот вывод имеет фундаментальное значение для развития учения о полезных ископаемых и поисков рудных залежей на больших глубинах. Он означает, что вертикальный размах рудоотложения весьма значителен, и поэтому прогнозирование скрытых рудных залежей можно вести на любую, технически доступную глубину.
Традиционно верхнюю часть коры называют "гранитным" слоем, а нижнюю - "базальтовым". Предположение о существовании этих двух слоев - сиаля и симы (названы так по преобладающему развитию отдельных элементов: силиция, т. е. кремнезема, и алюминия в первом случае и силиция и магния - во втором) - было высказано еще задолго до широкого разворота глубинных сейсмических работ. А после того как немецкий геофизик Дж. Конрад обнаружил в земной коре промежуточную границу со скоростью распространения волн около 6,4 км/с, т. е. близкой к скорости продольных волн в базальтах, данная двухслойная модель стала общепринятой. Однако наличие "базальтового" слоя оставалось всего лишь предположением. Ведь в отличие от "гранитного" слоя, который часто представлен на поверхности Земли, "базальтовый" слой нигде на поверхность не выходит. Возможность вскрытия скважиной этого гипотетического слоя вызывала большой интерес.
Кольская скважина действительно пересекла границу резкого изменения скоростей сейсмических волн, однако вопреки ожиданиям никакого слоя, состоящего из базальтов или других пород основного состава, обнаружено не было. Проведенные специальные исследования показали, что резкое изменение скорости распространения упругих волн скорее всего обусловлено не вариациями состава горных пород при переходе от "гранитного" слоя к "базальтовому", а с разуплотнением на этих глубинах горных пород.
Не менее интересными и неожиданными оказались измерения температуры на больших глубинах. Предполагалось, что в тектонически спокойных районах, к которым относится Балтийский щит, температура с глубиной растет незначительно (примерно 8-10° С на 1 км). Однако температура на глубине 10 км достигла 180° С. Возможно, это частично связано с некоторым повышением с глубиной содержания радиоактивных элементов. По результатам скважинного гамма-каротажа и других видов геофизических исследований установлена зональность в распределении по вертикали концентраций урана, тория и калия. Этот факт явился существенным вкладом как в разработку общей термической модели формирования земной коры, так и в решение конкретных проблем использования геотермальной энергии в хозяйственных целях.
Изучение температурного режима недр позволило получить дополнительные данные для ответа на один из волнующих ученых вопросов: каков вклад мантии и радиоактивного распада элементов в горных породах в общий поток тепла из недр? Расчет энергетического баланса показал, что основным источником глубинного тепла является все же мантия, а не тепловая энергия распада радиоактивных элементов, содержащихся в породах верхних горизонтов земной коры.
Изучение состава и физических свойств глубинных пород позволило более обоснованно подойти к определению геологической природы глубинных сейсмических границ, лежащих в основе интерпретации строения недр. Было установлено, что характер изменения физических свойств горных пород и формирование геофизических границ в земной коре (кроме разуплотнения пород, связанного с высвобождением воды) в большой степени зависит от напряженного состояния горных пород (его распределения по глубине). При этом границы резкого изменения напряжений соответствуют ступенчатым изменениям температурного градиента и теплового потока. Причина перераспределения напряжений, по всей вероятности, обусловлена внутренними процессами, происходящими или происходившими в земной коре, и в первую очередь метаморфизмом горных пород.
Анализ накопленного по скважине фактического материала позволил выявить вертикальную зональность в распределении проявлений деформаций в земной коре: до глубины 4,5 км развиты практически недеформированные породы, в слое от 4,5 до 6,8 км - сланцеватые породы, глубже - преимущественно гнейсовидные. На этом фоне - по всему разрезу - встречены локальные зоны, вдоль которых проявлялись низкотемпературные гидротермальные процессы. Эти факты опровергают предположения о том, что при прочих равных условиях на распространение по вертикали и внутреннее строение рудоносных трещинных структур значительное влияние оказывает увеличение с глубиной всестороннего давления и что максимальная глубина распространения минерализованных зон и трещиноватости не может превышать 5 км. На основе замеров мелкой трещиноватости и пористости в образцах керна было убедительно доказано, что минерализованные трещинные структуры распространяются в 2-3 раза дальше от поверхности, чем ранее предполагалось на основании общих теоретических расчетов. Полученные материалы показывают, что на разных этапах геологической истории одного и того же района характер деформации горных пород менялся в зависимости от геотермического режима в недрах Земли. Поэтому в условиях низких тепловых потоков трещинные структуры могли формироваться на весьма больших глубинах.
Итогом бурения Кольской скважины можно считать получение принципиально новых данных об эволюции докембрийской континентальной земной коры в интервале до 1,6 млрд. лет и создание ее объемной модели. В последние годы появляются все новые и новые доказательства того, что континентальная земная кора возникла в самом начале геологической истории нашей планеты и в течение архея - протерозоя прошла очень сложный эволюционный путь развития. Однако вопрос о происхождении первичной земной коры по-прежнему остается дискуссионным.

Саатлинская сверхглубокая
Саатлинская сверхглубокая скважина в отличие от Кольской бурилась в области "молодой" континентальной земной коры Средиземноморского подвижного пояса. Активное геологическое развитие этого пояса протекало в так называемый альпийский период, начавшийся в мезозое и продолжающийся в настоящее время. Скважина заложена в Закавказье в Куринской низменности вблизи слияния рек Куры и Аракса, в нефтегазоносном районе. Она достигла глубины 8267 м. Эта скважина должна была выяснить возможности обнаружения нефтяных и газовых залежей на больших глубинах и установить положение кристаллического фундамента современной Куринской низменности, образованной между двумя крупными горными хребтами - Большим и Малым Кавказом.
К сожалению, не оправдались ожидания вскрыть в пределах Саатлинской структуры нефте- и газоносные горизонты (хотя в отдельных породах разреза и установлено присутствие небольших количеств углеводородов). Скважина, по всей вероятности, угодила непосредственно в один из крупных длительно развивающихся вулканических центров, в пределах которых скопления углеводородов не создаются.
Несмотря на то что Саатлинская скважина не достигла проектной глубины 15 км, вскрытый ею разрез дал много нового для понимания глубинного строения Кавказа и истории его развития. Прежде всего удалось установить, что территория Куринской впадины в мезозое представляла собой море, на дне которого шли бурные вулканические процессы. Огромные массы вулканических продуктов образовали сначала подводные горы, которые затем поднялись над водой и превратились в цепь вулканических островов - островную дугу. Она протягивалась примерно с юга на север в том же направлении, в котором и до настоящего времени геофизики устанавливают крупную глубинную аномалию в строении земной коры.

Новые техника и технологии
Бурение сверхглубоких скважин (более 6000 м) имеет ряд особенностей по сравнению с бурением скважин на освоенные глубины. В частности, исходные геологические данные для проектирования сверхглубоких скважин, как правило, прогнозные и не имеют достаточной степени достоверности; проектные решения по способам бурения, конструкции скважины, выбору технических средств бурения (бурильных труб, долот), а также материалов для буровых и тампонажных растворов содержат несколько возможных вариантов, которые корректируются или даже меняются по мере углубления скважин; большой объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ - необходимое условие обеспечения оптимальных технико-технологических решений в условиях многовариантности геологического строения и др.
В настоящее время требованиям сверхглубокого бурения удовлетворяют только два основных способа - турбинный и роторный. В мировой практике нефтегазопоискового бурения преимущественно используется роторное бурение, но расчеты свидетельствуют о том, что при глубине более 10000 м предпочтительным остается бурение забойными двигателями.
Конструкция скважины, включая число обсадных колонн, их диаметр и глубину спуска, определяется с учетом многих факторов. Решающее значение в кристаллических породах играют их физико-химические свойства. Для осадочных пород важно избегать несовместимости условий бурения в разных интервалах разреза, а также обеспечивать герметичность затрубного пространства и возможность установки соответствующего по давлению противовыбросового оборудования. При выборе конструкции оцениваются стойкость труб от механического износа и их прочностные свойства, а также допустимая масса секций труб. Во многом сочетание диаметров обсадных колонн в скважине зависит от диаметра конечной колонны, которая должна соответствовать условиям проводимых в ней исследований.
Был разработан и внедрен принципиально новый метод бурения открытым стволом оптимального диаметра, позволивший в 5-6 раз сократить металлоемкость конструкции скважины (по сравнению со скважинами на нефть и газ), исключить износ зацементированных обсадных колонн, предотвратить непреодолимые осложнения и тем самым обеспечить возможность бурения на большие глубины.
Для бурения Кольской сверхглубокой скважины была создана отечественная буровая установка БУ-15000 грузоподъемностью 400 т при давлении нагнетания 400 кг/см2 с максимальной автоматизацией процессов бурения (спуск и подъем бурового инструмента, подача долота) и бесступенчатым регулированием основных технических процессов за счет применения привода на постоянном токе. Установка рассчитана для проходки скважин до глубины 15 км. Автоматизация позволила в несколько раз увеличить скорость бурения.
Сверхглубокое бурение обусловило совершенствование конструкции и повышение термостойкости объемных двигателей и маслонаполненных редукторов, которые могли работать при температурах до 160-180°. Они стали основными низкооборотными машинами для работы с шарошечными долотами с герметизированными опорами, алмазными долотами и долотами типа "Стратопакс".
Специально для бурения сверхглубоких скважин были сконструированы породоразрушающие инструменты и забойные двигатели с соответствующей глубинным условиям характеристикой, в том числе с маслонаполненной герметизированной опорой, обеспечившие показатели отработки, на 15-20% превышающие средние проектные параметры, а на больших глубинах - на 70-100%. Были созданы термостойкие редукторные турбобуры, устойчиво работающие со скоростью вращения 80-200 об/мин (забойный двигатель работает от энергии потока жидкости без вращения колонны или с ее вращением на минимальной - 2-4 об/мин - скорости). Сконструированы и внедрены в практику эффективные средства контроля работы турбобура на забое, без которых невозможно бурение забойным двигателем на глубинах более 8-9 км с контролем процесса по наземным датчикам. Внедрены в производство новые типы керноотборных снарядов с гидротранспортом керна в камеру складирования, которые обеспечили приемлемые показатели отбора пород практически по всей глубине скважины. Новый колонковый снаряд позволяет сохранять от истирания значительную часть выбуренного керна и поднимать его на поверхность: процент выноса керна с больших глубин повышается в 2-3 раза против обычного. Разработана принципиально новая технология ликвидации тяжелых призабойных осложнений методом безориентированного забуривания нового ствола без установки цементного моста, которая была трижды успешно применена при бурении Кольской сверхглубокой скважины на глубинах более 7 км.
Учеными и конструкторами был создан ряд уникальных приборов и аппаратуры, что обеспечило проведение наиболее полного в мировой практике комплекса исследований. Среди них аппаратура акустического каротажа, позволившая изучать закономерности акустических полей и определять интервальные и пластовые скорости распространения упругих колебаний поперечных и продольных волн, и семейство аппаратуры спектрометрического гамма-каротажа, которая обеспечила точные спектрометрические исследования при температуре до 250°С и давлении до 210 МПа.
На Кольской сверхглубокой скважине была внедрена информационно-измерительная система, включавшая три основные программно-аппаратные подсистемы для подготовки к рейсу, контроля бурения, определения итогов рейса.
На Тюменской сверхглубокой скважине использовалась станция автоматической оптимизации бурения, разработанная ВПО "Союзгеотехника". Система обеспечивала оптимизацию по рейсовой скорости или проходки на долото, корректировку выбранного режима бурения при изменении условий бурения в процессе рейса, распознавание на ранней стадии возникновения предаварийных и аварийных ситуаций и их вероятную оценку.

Мы были первыми
Выдающиеся достижения Советского Союза в области изучения континентальной земной коры привлекли широкое внимание геологов, инженеров, технологов и других специалистов за рубежом. Это особенно наглядно проявилось на XXVII Международном геологическом конгрессе (1984 г., Москва), где впервые были доложены основные результаты изучения Кольской сверхглубокой скважины. Успехи и результаты исследований земной коры в СССР с помощью сверхглубоких скважин, и прежде всего Кольской, ускорили разработку программ глубокого бурения в США, Франции, ФРГ, Великобритании и других странах. Внимание к этой проблеме было продиктовано как научными интересами изучения континентальной коры, так и необходимостью решения практических задач, связанных с освоением полезных ископаемых в ее глубоких горизонтах как в ближайшие десятилетия, так и в более далекой перспективе.
США тогда расширили изучение как океанической, так и континентальной земной коры. Геологической службой США была разработана национальная программа исследований Северо-Американского континента путем бурения скважин глубиной до 15 км и проведения значительных объемов геофизических работ для изучения глубинного строения земной коры и верхней мантии. Программа рассчитывалась на много лет.
Частично реализована программа бурения на юге Северо-Американского континента. Большие успехи достигнуты в разбуривании океанического дна, что привело к важным в научном и практическом отношении выводам. Значительное количество скважин планируется к проходке в тектонически активных зонах Земли для изучения механизма формирования молодых, ныне живущих сбросов, вдоль которых располагаются очаги катастрофических землетрясений, и для выявления условий возникнове-ния магматических расплавов и стимулируемых ими гидротермальных растворов. В качестве одного из объектов исследования намечена зона активного глубокого раскола земной коры Сан-Андреас в Калифорнии, где скважина должна пересечь всю зону сейсмической активности, расположенную предположительно на глубине 6-9 км. При изучении современной гидротермальной и магматической деятельности ученые столкнутся с рядом нерешенных проблем технического плана, связанных с прохождением бурового снаряда и геофизических приборов на глубины с температурой 500-600° С и выше. Пока в этом отношении сделаны лишь самые общие предположения и рекомендации, основанные на опыте бурения скважин в осадочных бассейнах, где температура не превышала 250° С.
Резко возрос интерес к изучению глубинного строения Земли и в Европе. В последние годы Европейским научным фондом, объединяющим 18 европейских стран, начато финансирование проекта первого геолого-геофизического траверса: северная оконечность Норвегии-Скандинавия-ФРГ-Италия-Сицилия-Северная Африка.
В Швеции ведется бурение скважины в пределах крупного метеоритного кратера, расположенного в центральной части страны. Образовавшаяся при взрыве воронка заполнена осадочными отложениями, которые, по мнению шведских геологов, являлись хорошим коллектором для углеводородов глубинного (мантийного) происхождения. Так ли это на самом деле и должна выяснить бурящаяся скважина. Одновременно будет решен и ряд важных вопросов, связанных с расшифровкой механизма формирования в земной коре космогенных структур.
Подготавливалось бурение сверхглубокой скважины Европа-1 в ФРГ (до 14 км) в северных предгорьях Альп. Программой предусматривалось проведение большого объема сейсмических работ, а также выполнение обширных исследований, направленных на сбор информации об условиях образования развитых в районе скважины месторождений, формировавшихся в определенном интервале температур и давления.
Рассматриваются программы бурения сверхглубоких скважин также в Англии, Франции и других странах.

Забытые проекты
Бурение глубоких и сверхглубоких скважин, обеспечение сопровождающих его геофизических работ и тщательное изучение керна и околоскважинного пространства представляют сложный научно-производственный комплекс работ, которые выполняются большими коллективами специалистов разного профиля. Район каждой глубокой и сверхглубокой скважины представляет собой геолого-геофизический и геодинамический полигон, в пределах которого решается широкий круг технических методических и геологических проблем. Все это в конечном счете нацелено на объемное изучение геологического строения континентальной земной коры.
Существуют два направления использования глубоких скважин. Первое предусматривает использование ствола скважины в качестве долговременной геообсерватории по изучению вариаций преимущественно естественных физических полей. Другие исследователи обращают внимание на необходимость изучения вариаций не только естественных физических полей, но и свойств среды, и в этом случае использование искусственно управляемых источников полей совершенно необходимо. При этом скважина и прилегающий к ней массив горных пород (геопространство) используются как геолаборатория.
В России все работы по бурению глубоких и сверхглубоких скважин давно прекращены, и только две из них используются для вялотекущих научных исследований.
В настоящее время в мире, помимо Кольской глубинной геолаборатории, функционируют Воротиловская глубинная геообсерватория и лаборатория GFZ, созданная на базе скважины КТВ в Германии. Это дает уникальную возможность проведения одновременных режимных наблюдений за глобальными длиннопериодными вариациями полей и изучения вклада различных составляющих (естественного и техногенного генезиса) в регистрируемые параметры. Но такие исследования также не ведутся.
Сворачивание комплексных масштабных глубинных исследований недр нанесло значительный ущерб экономике страны. Глубокие и сверхглубокие скважины, которые бурились в нефтегазоносных бассейнах, должны были обеспечить ученых данными, на основании которых можно судить о продуктивности нижних горизонтов осадочных бассейнов и выяснить термодинамические условия формирования и сохранения в них залежей нефти и газа. Одна из этих скважин, Кубанская, должна была вскрыть разрез Западно-Кубанского прогиба до глубины 11-12 км, для которого характерны экстремальные термодинамические условия. В этом прогибе отмечается повышенный приток глубинного тепла и его дополнительное экранирование толщами молодых осадочных отложений с низкой теплопроводностью.
Надо сказать, что проблема оценки перспектив нефтегазоносности глубоких горизонтов занимала особое место в советской программе глубинного изучения недр Земли в связи с неопределенностью наших суждений относительно возможности нахождения на больших глубинах промышленных скоплений углеводородов, особенно нефти.
Следует заметить, что по мере освоения больших глубин необходимо будет уделить внимание такому нетрадиционному виду сырья, как углеводороды, растворенные в пластовых водах. По имеющимся оценкам, запасы метана в пластовых водах многократно перекрывают запасы традиционного газового сырья и практически неисчерпаемы. Однако водорастворенный газ пока не используется. Основная причина заключается в том, что каждая скважина в отдельности дает слишком низкий дебит такого газа при огромных объемах попутной минерализованной воды, которую необходимо утилизировать во избежание загрязнения окружающей среды. Однако не исключено, что с глубиной вследствие значительного увеличения содержания газа в пластовых водах его дебиты будут возрастать.
Не менее важна задача изучения глубинного строения рудных районов. Она должна была решаться путем бурения скважин глубиной от 3-5 до 7-10 км и проведения сопровождающих их геолого-геофизических исследований. Целью этих работ являлось изучение глубоких (более 1-2 км) горизонтов уже выявленных рудных залежей для выявления условий их формирования и прироста запасов, определение рудоносных уровней в глубинных геологических структурах земной коры, построение объемных и генетических моделей главнейших рудных районов и разработка на этой основе критериев глубинного прогнозирования залежей, выявление природы и факторов, определяющих вертикальный размах оруденения и зональность его распределения, источники рудного вещества и процессы, приводящие к его перераспределению и накоплению.
В целях повышения эффективности геофизических и геохимических методов исследования, аэровысотных и космических средств для изучения поверхности Земли и ее недр был создан межотраслевой научно-технический комплекс (МНТК) "ГЕОС" - автоматизированная геосистема сбора и обработки геологической, геофизической и геохимической информации, получаемой на четырех уровнях: "космос", "воздух", "земля", "скважина". Физико-геологической основой этих исследований являлись разработанные советскими геологами и геофизиками фундаментальные положения о парагенезисе физических, геохимических и биохимических полей в верхних и приповерхностных слоях литосферы, т. е. об их совместном проявлении в результате одновременного или последовательного образования. Создание этой геосистемы позволяло решить важнейшую межотраслевую проблему информаационного обеспечения фундаментальных исследований в области наук о Земле. Геосистема должна была включать наземные средства сбора геофизической, геохимической и геологической информации, средства экспресс-обработки и передачи данных от полевых станций через геостационарный спутник в пункты интегрированной обработки информации. Важнейшей при этом являлась разработка специализированного информационно-вычислительного комплекса на базе супер- ЭВМ.
Такая геосистема позволяла повысить в первую очередь эффективность и сократить затраты на всех стадиях геолого-разведочных работ за счет оптимизации организационных и технических решений, осуществлять комплексное изучение и прогнозирование техногенных процессов, разрабатывать меры по снижению их влияния на окружающую среду и обеспечивать выдачу оперативных данных о наземной и околоземной обстановке в интересах народного хозяйства. Система также оказалась невостребованной "реформаторами".
Успехи в реализации программы исследования глубинных недр с помощью сверхглубокого бурения позволили советским геологам выступить с предложением разработать проект Международной комплексной геолого-геофизической программы по изучению глубинного строения земной коры и верхней мантии "Глобус". Эта программа должна была включать в себя создание сети профилей (трансектов), пересекающих крупные тектонические, физические и геодинамические зоны мира с различными характеристиками среды. Глобальная сеть геотраверсов программы "Глобус" должна была быть увязана с системой профилей в СССР, а также с расположением сейсмических профилей на территории США и Европы.
Программа "Глобус" позволила бы решить следующие задачи:
- изучить закономерности строения и развития земной коры континентов и океанов, осадочного чехла наиболее глубоких впадин на платформах, осадочно-вулканогенных толщ геосинклиналей, составов и строения гранитного и базальтового слоев и других горизонтов (слоев) Земли, природы сейсмических границ, процессов дифференциации магматических и геометрических очагов и связанных с ними источников флюидов, растворов и газов, геотермических режимов;
- создать сеть опорных геолого-геофизических профилей для проведения долговременных, периодических или непрерывных наблюдений за изменением физических параметров глубинных недр Земли;
- разработать основы прогнозирования поисков и разведки глубоких и сверхглубоких месторождений полезных ископаемых, а также обосновать систему признаков - предвестников землетрясений, вулканических извержений и других явлений, связанных с состоянием глубинных недр и их влиянием на атмосферу и биосферу Земли;
- усовершенствовать и создать новые технические средства по проникновению в недра Земли на глубину 15 км и более.
Проектом программы "Глобус" предлагалось бурение в различных районах нашей планеты около 50 глубоких и сверхглубоких скважин, которые в будущем следовало превратить в стационарные геолого-геофизические полигоны (научные лаборатории) для изучения физических и геодинамических характеристик земной среды.
Геотраверсы, связывающие глубокие скважины, должны были изучаться по единой, согласованной программе. Вдоль них предполагалось сосредоточить исследования, выполняемые по международным проектам, в том числе под эгидой ООН и ее организаций - ЮНЕСКО и др. Однако с распадом Советского Сюза о программе "Глобус" забыли.

Вместо заключения
Программа глубинного изучения недр в СССР и результаты бурения Кольской сверхглубокой скважины привлекли большое внимание ученых и специалистов разных стран. Многие иностранные и международные периодические издания ознакомили широкую мировую общественность с достижениями СССР в этой области. Издательство "Шпрингер" (ФРГ) выпустило переведенную на английский язык монографию "Кольская сверхглубокая". Интерес, проявленный за рубежом к проводившимся в СССР исследованиям по глубинному изучению земной коры, был продиктован как рядом уже сделанных советскими специалистами научных открытий, так и теми результатами, которые могли быть получены в будущем при решении практических задач, связанных с освоением полезных ископаемых на глубоких горизонтах земной коры. Особо важным результатом изучения керна Кольской скважины стало открытие на глубине порядка 10000 м рудоносных трещинных структур с минерализацией сульфидов, цветных металлов, золота и других самородных металлов. Мы и наши зарубежные коллеги отмечали важное значение разработанного в СССР принципиально нового подхода к изучению глубинного строения недр, который позволял тесно увязать результаты наблюдений по разным направлениям исследований в пределах огромных территорий.
Общепризнанно, что с проходкой Кольской скважины - флагмана сверхглубокого бурения начался новый период изучения земной коры. Сверхглубокое бурение на континенте и в океанах перерастает в новую отрасль науки и техники, в которой сочетаются последние достижения научно-технического прогресса вообще и геологических дисциплин в частности. Разрезы сверхглубоких скважин в совокупности составят своеобразную "каменную летопись" Земли во всем диапазоне геологического времени и геологического пространства. Нет сомнения в том, что достижение глубоких горизонтов Земли откроет для геологов новые закономерности ее развития, которые позволят принципиально по-иному вести поиск месторождений полезных ископаемых.
Следует глубоко осознать, что человечество жило и еще долго будет существовать за счёт потребления минерально-сырьевых ресурсов. Поиск их становится исключительно трудной и дорогостоящей задачей, и решить её можно только новыми научно-техническими средствами. Властям необходимо осознать, что исследование недр требует не только глубоких теоретических знаний и практических навыков специалистов, но и соответствующей индустрии.
К сожалению, длительные годы перестройки мы исполняли "танцы дикарей" на нашей геологической истории и потеряли ту весомую научную и производственную базу, которую создавали десятилетиями. Создание такой базы является лучшим доказательством того, что мы можем многое. Чтобы ее восстановить необходимы политическая воля и умная государственная политика решения проблем отечественной экономики в целом и геологии в частности.

 

ГЛАВА II

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ О КОМПЛЕКСНОМ ОСВОЕНИИ НЕДР

2.1 Общие представления о комплексном освоении недр

 

Комплексное освоение недр для горных наук представляет собой базовое по­нятие. Вместе с тем оно рассматривается как учение и важное направление прак­тической деятельности. Здесь находят взаимосвязь все основные отрасли горных знаний и направления исследований.

Развитие комплексного освоения недр осуществляется этапами, приурочен­ными к определенным периодам времени.

На первом этапе оно как научное направление и одновременно актуальная проблема было выдвинуто и описано впервые академиком А.Е. Ферсманом еще в 1932 г. Комплексное освоение с позиций государственной значимости раскрыто и обосновано академиками А.В. Сидоренко и Н.В. Мельниковым в конце 60-х — на­чале 70-х гг. Цель такого освоения состояла в укреплении минерально-сырьевой базы страны, что предполагало производство максимально широкой номенклату­ры товарной продукции на основе повышения полноты и экономической эффек­тивности извлечения полезных ископаемых в процессах их добычи и переработки.

В 1982 г. академик М.И. Агошков положил начало второму этапу развития по­нятия комплексного освоения недр. Им предложена классификация ресурсов зем­ных недр по шести группам. В ней были обобщены имевшиеся на то время знания о ресурсном потенциале недр и технологических способах их освоения. С учетом этого комплексное освоение раскрыто с двух позиций: полного использования осваиваемых георесурсов (не только полезных ископаемых) и сочетания приме­няемых в процессе освоения существенно различных способов. Имелось в виду, что на этой основе может быть достигнут оптимальный народно-хозяйственный и социальный эффект от промышленного освоения ресурсов недр.

Академик К.Н. Трубецкой в 1990 г. развил данное представление. Он ввел но­вые понятия: «реально выявленные ресурсы недр», «потенциальные георесурсы», «ресурсовоспроизводящие функции горного производства» и «ресурсовоспроиз- водящие геотехнологии». Это позволило на третьем этапе включить в представле­ние о комплексном освоении еще и процессы создания новых ресурсов недр, в том числе путем перевода потенциальных ресурсов (т. е. не полностью выявленных и оцененных) в реальные. Для этого необходимо изменение условий залегания ми­неральных образований, их качества, а также параметров, сроков формирования и состояния выработанного пространства.

Есть основания предположить, что следующий, четвертый этап развития ком­плексного освоения недр будет отличаться от предыдущих включением в состав ресурсов недр нового по содержанию экологического ресурса. Его сохранение, предотвращение сверхнормативного расходования, восстановление в необходи­мых параметрах — все это как целенаправленная деятельность по формирова­нию в массивах горных пород участков с заданными свойствами с целью сохране­ния экологической функции недр должно рассматриваться в качестве нового вида их освоения в дополнение к известному перечню видов.

 

2.2 Маркшейдерское обеспечение комплексного освоения ресурсов горнодобывающих регионов

Существующие формы освоения недр вызывают преобразование среды и расположенных в ней и на ее поверхности природных и искусственных объектов.

Диапазон этих преобразований весьма широк: от едва улавливаемых высокоточными инструментальными наблюдениями деформаций горных пород до коренных изменений состояния среды, сопровождаемых горными ударами, внезапными выбросами угля и газа, провалами на земной поверхности, подтоплением, заболачиванием, обезвоживанием и загазированием значительных территорий и другими  вредными последствиями.

Эти последствия имеют место не только в период строительства и эксплуатации горнодобывающих предприятий или подземных сооружений, но и в период их ликвидации и позже. Известны случаи, когда вода, заполняющая горные выработки после прекращения работы водоотлива, вытесняла по трещинам на земную поверхность и в подвалы зданий скопившиеся в выработках вредные газы, вызывающие взрывы и отравления людей. Подъем уровня шахтных вод нередко ведет к загрязнению питьевых водоносных горизонтов. Провалы на земной поверхности образуются через многие годы, иногда десятилетия, после ликвидации горных выработок. В таком последействии горнодобывающих предприятий и подземных сооружений состоит одна из особенностей освоения недр. Другой особенностью является то, что работы по освоению недр, в отличие от работ на земной поверхности, ведутся в сложной, слабо изученной, постоянно меняющейся и потенциально опасной среде, какой является массив горных пород. В этих условиях эффективное и безопасное освоение недр и других ресурсов регионов обеспечивается лишь в том случае, если параметры горных работ строго соответствуют состоянию среды. Но поскольку это состояние постоянно меняется, адаптация параметров к происходящим изменениям не всегда технически возможна и экономически целесообразна, особенно при применении мощной современной техники, характеризующейся высокой производительностью, но недостаточной маневренностью в стесненных подземных условиях.

Более эффективным является не приспособление параметров к состоянию среды, а воздействие на это состояние среды с таким расчетом, чтобы оно соответствовало рациональным параметрам ведения горных работ и строительства подземных сооружений. Такие воздействия осуществляются технологическими методами  управления геомеханическими процессами, под которыми понимают совокупность научно-обоснованных технологических приемов или операций, позволяющих при освоении недр целенаправленно изменять состав, свойства и состояние массива горных пород и обеспечивать развитие процессов его деформирования и разрушения, а также фильтрации подземных вод и газов в заданных направлениях, объемах и в установленных пространственно временных пределах.

Исследования ИПКОН РАН и ряда других институтов (ВНИМИ, МГГУ) позволили разработать методы управления геомеханическими процессами при комплексном освоении недр и научно обосновать области их применения, в наибольшей степени соответствующие природным горно-геологическим, гидрогеологическим и экологическим условиям. С целью облегчения выбора и упорядочения применения этих методов составлена их классификация. В качестве основного классификационного признака принято назначение этих методов. С этим связаны также условия, объем, место и время применения методов.

К основным технологическим методам относятся:

гармоническая отработка пластов, базирующаяся на таком порядке ведения горных работ в пространстве и во времени, при котором происходит взаимная компенсация деформаций разных знаков;

частичная выемка  полезного ископаемого по площади, при которой деформации горных пород не достигают земной поверхности, что обеспечивает сохранность и нормальную эксплуатацию расположенных на ней объектов;

выемка полезного ископаемого на неполную мощность и применение новых видов закладки выработанного пространства и полостей над ним, при которых обеспечивается уменьшение всех видов деформаций массива и земной поверхности;

опережающая  отработка защитных пластов полезного ископаемого, предотвращающая газодинамические явления при освоении недр;

отработка пластов полезного ископаемого расходящимися забоями, широким фронтом и смежными забоями с заданным опережением, обеспечивающая плавное развитие геомеханических процессов в массиве горных пород и равномерное опускание земной поверхности и расположенных на ней объектов;

отработка пластов полезного ископаемого методом парных штреков, позволяющая регулировать развитие геомеханических процессов во времени;

изменение направления очистной выемки и смещение границ горных работ, обеспечивающее развитие деформационных процессов в заданных пределах;

устройство компенсационных траншей и разгрузочных щелей, позволяющее перераспределять деформации в массиве горных пород и на земной поверхности и удалять границы зон повышенных напряжений от охраняемых объектов;

применение щитовых проходческих комплексов с гидропригрузом на забой, обеспечивающих устойчивость массива при проведении тоннелей в слабых обводненных породах под застроенными территориями;

применение специальных способов укрепления грунтового массива, проходки и крепления выработок с использованием замораживания, цементации, химического закрепления, кессона и других технологий, позволяющих приводить обводненный массив в устойчивое состояние.

Вопросы  освоения  недр  до  последнего времени мало увязывались с вопросами использования и сохранения других ресурсов, имеющихся в горнопромышленных регионах. Эти ресурсы могут быть как природного, так и искусственного происхождения. К природным относятся земля, водные объекты на поверхности земли и водоносные горизонты в толще пород, к искусственным – здания, сооружения, подземные коммуникации, линии электропередач, железные и шоссейные дороги, мосты и тоннели.

В отраслевых нормативных документах отражаются в основном краткосрочные ведомственные интересы и мало учитываются длительные последствия регионального или даже федерального масштаба. Так, согласно действующим Правилам охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок под реками, протекающими над шахтными полями, оставляются предохранительные целики. В результате реки нередко оказываются выше остальной местности, осевшей под влиянием горных работ, и естественный сток воды в реку прекращается. Для предотвращения затопления окружающей местности сооружаются оградительные дамбы, которые требуют постоянного ухода, осуществляемого горным предприятием. Но как только это предприятие закрывается, дамбы начинают разрушаться, так как у местных властей, как правило, не хватает сил и средств бесконечно долго следить за состоянием этих дамб и своевременно их ремонтировать. Разрушение дамб ведет к затоплению значительных площадей и обмелению рек.

Между тем, имеется немало способов не только предотвратить эти вредные экологические последствия, но и извлечь дополнительные запасы полезного ископаемого. Достаточно, например, запланировать горные работы с таким расчетом, чтобы русло реки попадало в зону сжатия, где не образуются водопроводящие трещины. Отработку запасов под реками целесообразно приурочивать к концу эксплуатации шахты. В этом случае воды реки можно временно пропустить по искусственному руслу или по трубам.

В Институте проблем комплексного освоения недр РАН разработан способ, позволяющий существенно повысить эффективность отработки запасов под водными объектами и предотвратить негативные для окружающей среды последствия. Суть этого способа состоит в том, что в предохранительном целике, непосредственно под водным объектом отрабатывается лава, параметры которой рассчитываются так, чтобы в толще пород не образовывалось сквозных водопроводящих трещин, соединяющих реку с горными выработками. Методика такого расчета в ИПКОН РАН имеется. Между отрабатываемой лавой и остальными очистными выработками оставляются барьерные   целики, рассчитываемые по «Правилам технической эксплуатации…». При таком порядке отработки запасов водный объект опустится на величину, при которой сохранится наклон поверхности в его сторону (что также поддается расчету), при этом над барьерными целиками появятся возвышенности, заменяющие водозащитные дамбы.

Рисунок 2.2 – Способы охраны водных объектов

 

 

Графически суть рассмотренного способа иллюстрируется рисунком, на котором пунктирной линией показано положение земной поверхности и водного объекта до отработки пласта, сплошной линией их положение после отработки пласта, при этом на рисунке (поз. а) показано их положение при оставлении предохранительного целика под объектом, а на рисунке (поз. б) – при отработке этого целика. Как видно из рисунка, при оставлении предохранительного целика водный объект оказался выше уровня окружающей местности, осевшей под влиянием горных работ (поз. а), а при отработке этого целика (поз. б) естественное положение объекта относительно окружающей местности сохраняется, при этом над барьерными целиками создаются некоторые возвышенности, играющие роль водозащитных дамб.

Неуправляемое развитие деформационных процессов приводит к недопустимым оседаниям земной поверхности, образованию провалов и водопроводящих трещин, осушению или заболачиванию земель и другим проявлениям вредного воздействия горных работ на окружающую среду. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, апробированные практикой, показывают, что путем выбора научно-обоснованных параметров и порядка ведения горных работ, взаимного положения выработок относительно друг друга и охраняемого объекта можно существенно уменьшить, а в ряде случаев полностью исключить вредное влияние горных работ на экологическую обстановку в районе добычи полезных ископаемых.

 

ГЛАВА III

ОСОБЕННОСТИ ОСВОЕНИЯ НЕДР И РАЗВИТИЕ ГЕОТЕХНОЛОГИЙ

3.1 Методологические подходы к исследованию, классификации и оценке эффективности комплексного освоения ресурсов недр

Ранее недра земли в научной литературе и на практике рассматривались почти исключительно как источник минерального сырья, хотя с древности человек использовал пещеры, воду колодцев, тепло термальных источников, строил подземные культовые сооружения и т.п. Понятие «комплексное освоение недр», т.е. всей совокупности их ресурсов, впервые было выдвинуто акад. Н.В.Мельниковым в начале семидесятых годов прошлого века.

Акад. А.И. Агошков отмечает, что за короткий период еще не вполне сформировались сущность, смысл и значение нового понятия. Имеются разноречивые суждения, допускаются отождествления понятий «комплексное освоение» и «комплексное использование» недр, месторождений и полезного ископаемого (минерального сырья).

Совершенно справедливо, что полезное ископаемое является только составной частью месторождения, которое, в свою очередь, представляет лишь один из главных видов полезных ресурсов недр земли. Иными словами это взаимосвязанные, соподчиненные объекты-системы разных уровней иерархии, имеющие много общего, но полное отождествление которых недопустимо.

В то же время термины «освоение» и «использование» представляются достаточно близкими, взаимосвязанными, соподчиненными, и уж во всяком случае, не противоречивыми. Различие между ними имеет, в основном, временной характер. Прежде чем рационально использовать что-либо (продукт, ресурс, технологию, аппарат, энергию, явление) даже при наличии инструкции необходимо познать и освоить новинку. С другой стороны, приступая к освоению непознанного нужно, как минимум, предполагать, что его использование будет полезным. И только последующая практика, возможно не с первой попытки, покажет - насколько предположение окажется обоснованным.

Таким образом, освоение можно трактовать как предполагаемое, прогнозируемое, планируемое, организуемое или начальное использование какого-либо ресурса недр. После освоения проектной мощности добычи и потребления любого нового ресурса недр в любой отрасли народного хозяйства, через 2-3 года логичнее говорить о хозяйственном использовании, как свершившемся факте, а не освоении этого ресурса. Вместе с тем, учитывая начальный этап выявления, изучения и освоения разнообразных ресурсов земных недр, и для разграничения объектов исследования допустимым представляется одновременное использование терминов «комплексное освоение ресурсов недр (КОРН)» и его составной части «комплексное использование минерального сырья (КИМС)» или комплексное использование любого другого ресурса недр. С другой стороны, понятие «комплексное освоение и (или) использование» относится не только к минеральному сырью, но и к любому растительному, биологическому, сельскохозяйственному и т.п. сырью, в более общем смысле, к природному или искусственному (техногенному) ресурсу любой ресурсной среды.

Комплексное использование сырья в зависимости от конкретной цели можно рассматривать обособленно на любой стадии производства готовой продукции. Но относить его «в горном производстве только к завершающей стадии промышленного освоения месторождений – переработке добытого полезного ископаемого (минерального сырья)» нецелесообразно. Общеизвестно, что развитие комплексного использования минерального сырья позволяет экономически эффективно вовлекать в эксплуатацию более бедные по содержанию отдельных ценных компонентов руды и, таким образом, существенно расширяет ресурсы недр, непосредственно оказывает влияние на параметры всех стадий производства, включая геологоразведочные и добычные работы. Экономически оптимальный уровень комплексного использования сырья можно выявить только в рамках системного подхода, при учете всех стадий производства. Таким образом, допустимо говорить как о комплексном освоении, так и о комплексном использовании любого полезного ресурса недр и в отдельности, и всей их совокупности в целом. Причем необходимым обоснованно считается междисциплинарный или мультидисциплинарный подход при исследовании и решении любых генетических или прикладных задач применительно к недрам Земли.

По мере исследования проблемы комплексного освоения недр пополняется и уточняется перечень ресурсов недр, пересматриваются принципы их группировки и классификации, перспективы хозяйственного использования и, соответственно, научные проблемы горных и других наук.

Так, акад. М.И. Агошковым два десятилетия назад предложено выделить шесть основных групп ресурсов земных недр по их видам:

 месторождения полезных ископаемых;

 горные породы вскрыши;

 отходы обогатительного и металлургического производства;

 глубинные источники пресных, минеральных и термальных вод;

 внутреннее – глубинное тепло недр земли;

 природные и созданные человеком (техногенные) полости в земных недрах.

Кроме того, автором упоминаются практические примеры разработки морских месторождений полезных ископаемых на больших глубинах, делается вывод о необходимости, экономической эффективности и перспективности интенсивного развития работ на таких месторождениях, хотя в предложенной классификации ресурсов недр они не отмечены.

Другие подходы к классификации ресурсов недр предложены в работах проф. Ю.Д. Дядькина. В частности, приведена классификация природных ресурсов недр по их назначению, распространению, и условиям естественного воспроизводства, соответствующая, в основных чертах, развивающая и конкретизирующая общепринятую, более общую, классификацию всей совокупности природных ресурсов, используемую в природопользовании. Такой подход, несомненно, вполне оправдан, поскольку «в отличие от таких ресурсных сред, как мировой океан, атмосфера и космос, земные недра обладают не только максимальной плотностью и труднодоступностью, но и наибольшей «ресурсонасыщенностью», т.е. являются превалирующей частью природных ресурсов по их объему, ценности и разнообразию.

Принципиально важными, практически значимыми и вполне оправданными представляются следующие предложения, обоснованные в работе:

 выделение в классификации возобновляемых (водные, микробиологические) и, особенно, неисчерпаемых (геотермальные, пространственные, информационные и стройматериалы) ресурсов. До этого общераспространенным было мнение о невозобновляемости ресурсов земных недр, рассматриваемых, по преимуществу, только как вместилище полезных ископаемых;

 автор подчеркивает тесную взаимосвязь, пространственное взаимопроникновение различных по назначению природных ресурсов, что делает принципиально невозможным абсолютно селективное и полное извлечение из ресурсной среды любого из них без потерь, ущербов качеству и загрязнению, без «непреднамеренного» извлечения других ресурсов;

 безусловно важным и практически значимым является выделение автором информационных ресурсов о вещественном составе, свойствах горных пород, особенностях строения и условиях проникновения в земные недра, которые накапливаются с древних времен, являются неисчерпаемыми и «обеспечивают повышение экономической и экологической эффективности любых горных работ по овладению всей совокупностью богатств земных недр»;

 принципиальное значение имеет уточнение автором терминов «ограниченность» и «невозобновляемость» минеральных ресурсов, означающих не факт строго фиксированного их объема в недрах (запасы воды на Земле тоже не беспредельны), «а лишь то обстоятельство, что темпы продолжающегося естественного воспроизводства этих ресурсов намного (на несколько порядков) ниже темпов их потребления. В действительности, в результате геологоразведочных работ, освоения новых районов на континентах и шельфе, а главным образом, как следствие снижения кондиционных требований под влиянием изменений в экономике и успехов технического прогресса в добыче, обогащении и переработке горючих ископаемых и руд, их ресурсы расширяются». Расширение минеральных ресурсов и борьба с их истощением возможны лишь на пути совершенствования горной технологии;

 отмечая прогрессирующее загрязнение водных ресурсов планеты и возрастающее значение ресурсов подземных вод (особенно пресных), автор к актуальным задачам горной науки относит развитие такой технологии, которая исключала бы опасность катастрофической подработки водоносных горизонтов, их дренирования и загрязнения водных ресурсов. Одновременно необходимо развитие оборотного водоснабжения, использование старых выработок или проходка специальных подземных камер для аккумуляции воды, что, как отмечает автор, считали необходимым еще в древнем Египте;

 весьма перспективными автор считает неисчерпаемые геотермальные ресурсы недр, идея освоения которых высказана в 1898г. К.Э.Циолковским, развита в 1920г. акад. В.А.Обручевым и подтверждена зарубежными экспериментами 1970-1980-х годов. При этом масштабы будущей геотермальной энергетики почти целиком определяются развитием технологии бурения скважин (на глубину 3-4 км), крупномасштабного разрушения горных пород (порядка 0,2-0,3 км³) и управления физическими процессами в горячем горном массиве. В 1977г. фонтан пара из скважины с обширной трещиной гидроразрыва горячих гранодиоритов (3км, 185 °С) положил начало длительным испытаниям первой геотермальной циркуляционной системы (ГЦС) в штате Нью-Мексико США. В 1983г. там же при гидроразрыве на глубине около 4 км при температуре более 300°С создана зона трещиноватости (искусственный геотермальный коллектор) высотой 1150 м при ширине 800 и мощности до 150 м. Вслед за этим в Великобритании проведен гидроразрыв в Корнуолле с образованием системы вертикальных трещин протяженностью 2,5 км. Аналогичные опыты проводятся в Японии, Германии, Франции, готовятся в ряде других стран, в том числе подготавливаются в России Санкт-Петербургским государственным горным институтом (техническим университетом) совместно с Тырныаузским вольфрамо-молибденовым комбинатом, Гипроникелем и ПГО «Недра»;

 особое внимание автор уделил обоснованию перспектив освоения пространственных ресурсов недр и разработал детальную классификацию природно-технологических систем комплексного освоения подземного пространства по назначению и соотношению природных и технологических элементов, в том числе не связанных с добычей полезных ископаемых. В работах отмечается, что подземное строительство обходится, как правило, дороже, чем строительство аналогичного, по назначению и функциональным параметрам, объекта на поверхности, а по текущим затратам на его эксплуатацию имеет неоспоримые преимущества (энергозатраты сокращаются на 30-50%). Во многих случаях подземный вариант строительства принимается не в целях экономии, а по соображениям безопасности в случае вооруженных конфликтов или террористической угрозы, а также из-за невозможности создания аналогичной системы на поверхности (метрополитены крупных мегаполисов, транспортные тоннели под Ла-Маншем, в высокогорных районах и т.п.). Никакие наземные конструкции по прочности не могут сравниться с прочностью породного массива. Кроме того, в работах подчеркиваются надежность, прочность, долговечность, безопасность и, особенно, экологические преимущества подземного расположения многих объектов и необходимость учета этих обстоятельств в методологии экономической оценки освоения подземного пространства, слабо еще разработанной;

 наиболее эффективным является совместное комплексное освоение двух и более видов ресурсов земных недр.

В анализируемой работе автором сознательно исключены из рассмотрения породы вскрыши и отходы обогатительного и металлургического производств (техногенные месторождения), так как исследуются лишь природные ресурсы недр. Это является недостатком работы, во-первых, из-за непоследовательности, так как при детальном рассмотрении освоения подземного пространства основное внимание уделено именно техногенным пустотам, а естественные только упоминаются. Во-вторых, актуальность освоения возобновляемых техногенных месторождений постоянно возрастает для пополнения ограниченных ресурсов минерального сырья и с точки зрения решения экологических проблем, что в совокупности, по принципу обратной связи, существенным образом влияет на технико-экономические параметры промышленных запасов и эксплуатации месторождений. В-третьих, комплексное освоение по определению предполагает максимально полное выявление и учет всех видов, разновидностей, специфических особенностей, возможных областей и направлений полезного использования ресурсов недр во всем их многообразии, включая нетрадиционные. Только на этом пути можно выявить экономически оптимальные направления и варианты освоения отдельных участков недр и соответствующих им ресурсов в конкретный период развития национальной экономики.

Экономика КОРН характеризуется большой сложностью и многогранностью, поскольку в определенной мере должна учитывать все многообразие свойств и специфических особенностей каждого и всей совокупности ресурсов земных недр, их тесную взаимосвязь, взаимопроникновение и взаимозависимость. Многие технологические процессы и операции извлечения из недр и последующей переработки являются общими (как и затраты на их осуществление) по крайней мере одновременно для нескольких видов ресурсов. В то же время для эффективного потребления, в подавляющем большинстве случаев, необходимо разделение любого изымаемого объема недр на отдельные его полезные составляющие с получением готовых товарных продуктов, требуемого рынком состава, агрегатного состояния и чистоты (допустимого содержания посторонних примесей). В этой связи крайне необходима разработка методологии стоимостной оценки отдельных и всей совокупности ресурсов недр, оценки ожидаемой и фактической экономической эффективности КОРН в целом при обязательной одновременной дифференцированной оценке эффективности использования каждого ресурса в отдельности. Дело в том, что в специфических условиях комплексного использования совокупности ресурсов не исключены случаи, когда общая высокая эффективность обеспечивается за счет использования какого-либо одного из них, либо неэффективное использование одного из ресурсов может привести к убыточности использования всей совокупности ресурсов.

Как отмечено выше, многообразие видов и свойств ресурсов недр и их тесная взаимосвязь, взаимопроникновение в природных условиях обусловливают необходимость применения как общих так и специфических технологических приемов и оборудования для их освоения (разрабатываемых различными науками), характеризующихся разным уровнем и структурой затрат на их осуществление. Однако специфика отдельных ресурсов и технологических приемов их освоения не сказывается на методологии определения экономических параметров и эффективности использования любого из них в рамках комплексного освоения определенной совокупности ресурсов недр. Иными словами определение себестоимости, абсолютной, сравнительной экономической эффективности производства тепловой, электрической энергии на основе одновременно (в рамках одного природоэксплуатирующего предприятия) извлекаемых из недр угля, заключенного в нем метана, нефти, попутного газа или геотермальной энергии в методологическом отношении принципиальных различий не имеет. Отдельные ценные составляющие многокомпонентного минерального сырья – химические элементы (черные, цветные, редкие и др. металлы, сера, фосфор, фтор и т.д.) - с полным правом могут рассматриваться по отдельности как определенные разновидности минеральных ресурсов недр. Каждый из них имеет специфические особенности, проявляющиеся в технологии и уровне затрат на производство, разнообразии областей потребления и т.п. В принципе их освоение и использование может осуществляться изолированно, обособленно, но, несомненно, предпочтительным является комплексное использования всех ценных составляющих минерального сырья. Поскольку КИМС, как показано выше, является составной частью КОРН, аналогичные экономические проблемы и способы их исследования и разрешения для частного и целого в методологическом отношении должны быть единообразными. Так как направление КИМС сформировалось в науке и реализовано на практике намного раньше, при исследовании экономических проблем КОРН необходимо в полной мере использовать уже имеющиеся наработки по первому направлению, с необходимой их корректировкой в соответствии с новыми научными данными и конкретными условиями хозяйствования в рыночных условиях.

 

3.2 Перспектива комплексного освоения недр – комбиниро-ванные геотехнологии

В многообразных горно-геологических условиях залегания рудных залежей при высокой степени неопределенности факторов внешней и внутренней среды развитие геотехнологии должно базироваться на накопленном опыте реализации наиболее эффективных и безопасных технологических решений, а также на разработке и внедрении новых прогрессивных технологических схем, обеспечивающих повышение полноты и комплексности ос­воения недр.

Обеспечить полноту и комплексность освоения ме­сторождений с вовлечением в эксплуатацию бедных руд, техноген­ного сырья возможно только на основе сочетания технологических процессов различных способов добычи в едином завершенном цикле комбинированной геотехнологии.

Комплексное освоение недр базируется на реализации двух неотъемлемых положений - это безотходное (малоотходное) ис­пользование всех вовлекаемых в ходе освоения участка недр георе­сурсов и извлечение их рациональным сочетанием технологических процессов и оборудования различных способов добычи с утилизацией отходов горно-металлургического производства в заклад­ке выработанного пространства, использовании последних при ре­культивации территорий, в промышленном и дорожном строитель­стве, при создании горных объектов нового производственного на­значения.

Крупным шагом в этом направлении является переход горно­добывающих предприятий на совместную деятельность подземных рудников и карьеров - комбинированный способ разработки. Ком­бинированные геотехнологии, основанные на различных сочетани­ях во времени и пространстве в пределах одного месторождения технологических процессов открытого и подземного способов до­бычи, нашли достаточно широкое применение в практике горных работ. При этом для вскрытия запасов, подлежащих добыче под­земными технологиями, используются традиционные варианты вскрытия выработками, располагаемыми за пределами зон сдвиже­ния. В этой связи, создание единой схемы вскрытия и подготовки запасов на различных этапах открытых и подземных работ стало основой комбинированной разработки. При этом карьерные транс­портные системы и сам карьер необходимо рассматривать как вскрывающие выработки для запасов, подлежащих подземной от­работке, а вскрывающие подземные выработки - как вариант вскрытия глубоких горизонтов карьера.

Развитие комбинированного способа разработки месторожде­ний в ряде случаев сдерживается применением раздельных техно­логических решений на открытые и подземные горные работы. Так, например, принятые и широко апробированные в практике горных работ методики обоснования производственной мощности пред­приятия и выбора рациональных комплексов механизации откры­тых и подземных технологий не учитывают специфики отработки запасов переходной зоны от открытых горных работ к подземным, что приводит к нерациональному использованию имеющегося на руднике оборудования, а также к снижению интенсивности и каче­ства извлечения рудной массы системами разработки с массовым выпуском. В связи с этим, необходимо изыскание технологических решений, направленных на обоснование интенсивности добычи руды в переходной зоне с учетом возможностей современных вы­сокопроизводительных комплексов механизации и рациональных способов управления качеством рудной массы при едином методи­ческом подходе к проектированию горнотехнической системы комбинированной геотехнологии.

Качество добываемых георесурсов является одним из важней­ших аспектов комплексного освоения минерально-сырьевой базы и должно рассматриваться как среднее содержание в них полезного компонента в сочетании со стабильностью этого показателя. Фор­мирование рациональных качественных характеристик добываемо­го сырья зависит от выбора схемы выемки - валовой или селектив­ной. Решение этой задачи приобретает принципиально новое зна­чение с точки зрения обоснования эффективной стратегии при комплексном освоении месторождений. При ее решении необхо­димо учитывать такие задачи, как определение наиболее целесооб­разной очередности извлечения разносортных запасов и обоснова­ние оптимального соотношения их объемов, а также выбор схемы вскрытия, отвечающий этим требованиям.

В этом отношении комбинированный способ разработки ме­сторождений позволяет создавать благоприятные условия для фор­мирования комплексных схем рудопотоков в сочетании с исполь­зованием различных вариантов способов выемки - валовой и се­лективной на открытых, открыто-подземных и подземных горных работах. При этом, как показывают результаты проведенных ис­следований, формирование комплексных схем рудопотоков должно осуществляться с учетом совокупности факторов, оказывающих влияние на изменение качества минерального сырья, а выбор спо­соба управления качеством рудопотоков на различных этапах ос­воения месторождения комбинированной геотехнологией следует осуществлять с учетом изменения содержания, контрастности, ценности и соотношения богатых, рядовых и бедных руд по глуби­не и площади месторождения в установленной последовательности открытых, открыто-подземных и подземных горных работ.

Несмотря на преимущества применения комбинированного открыто-подземного способа добычи, принятые в настоящее время в проектах решения не всегда позволяют вовлечь в эффективную отработку все промышленные запасы руд. В подземном простран­стве за проектным контуром в бортах и основании карьеров оста­ются выклинивающиеся в массиве и распределённые по периметру рудные участки; в шахтных полях не полностью отрабатываются бедные руды и маломощные рудные залежи, отдаленные локаль­ные рудные тела, запасы, расположенные в неблагоприятных гор­но-геологических условиях.

Эффективное вовлечение таких запасов в промышленное ос­воение возможно путем применения различных комбинаций физи­ко-технических, физико-химических способов добычи, а также со­вершенствования технологии повторной разработки месторожде­ний и специальных способов добычи.

При этом в едином комплексном проекте решаются вопросы поэтапного вовлечения в эксплуатацию отдельных участков недр с оптимизацией во времени и пространстве последовательности реа­лизации сочетаний процессов комбинированной геотехнологии от­работки природных залежей и сопутствующих техногенных обра­зований, с использованием сформированных открытыми и подзем­ными работами выработанных пространств.

Создание горнотехнических систем на базе комбинации тра­диционного открытого и подземного способов добычи с процесса­ми физико-химической геотехнологии на основе кучного и под­земного выщелачивания ценных компонентов из бедных руд и тех­ногенного сырья, в особых геомеханических и гидрологических условиях с процессами гидродобычи, а в отдельных случаях для отработки маломощных рудных тел и жил со специальными гео­технологиями извлечения рудного керна при бурении скважин большого диаметра обеспечивает наиболее полное вовлечение всех природных и техногенных георесурсов в эффективное промыш­ленное использование.

Применение таких технологий связано с рассмотрением не только рудопотоков, но и минерально-сырьевых потоков, характе­ризующихся сложным вещественным составом и различным агре­гатным состоянием, для которых необходимо изыскание новых эффективных способов управления качеством и обоснования их параметров на различных этапах освоения месторождений. Исходя из этого, совершенствование способов управления качеством до­бываемого минерального сырья должно базироваться на таком принципе, который учитывает: вид комбинированной геотехноло­гии, тип горнотехнической системы, вещественный и агрегатный состав потоков, а также тип основных вскрывающих выработок. Вид комбинированной геотехнологии следует определять сочета­нием физико-технических и физико-химических способов добычи. При этом к физико-техническим технологиям относятся горнотех­нические системы, включающие сочетание традиционных - откры­того и подземного способов добычи, а также на отдельных участках нетрадиционных методов, таких как, например, скважинная гидродо­быча или выбуривание руды скважинами большого диаметра как с поверхности, так и из подземных выработок. К физико-химическим - выщелачивание подземное, скважинное, кучное, дегазация выплавка в сочетании с выщелачиванием бедных руд и техногенных отходов на поверхности, в выработанном пространстве карьера и подземных вы­работок.

Необходимо также отметить, что различные комбинации фи­зико-технических и физико-химических геотехнологий создают дополнительные возможности по повышению качества некондици­онных руд путем их обогащения на месте залегания. Технология освоения предусматривает разделение рудных тел на донорские и акцепторные, выщелачивание донорских тел, благоприятных по вещественному составу, на месте залегания, сбор продуктивного раствора, транспортирование его к акцепторным рудным телам и обогащение последних на месте залегания путем переосаждения выщелоченных ранее ценных компонентов из растворов в объеме акцепторных рудных тел. Обогащенный таким образом массив раз­рабатывается аналогично балансовым запасам месторождения.

Данные технологии пока не нашли широкого промышленного применения на горнодобывающих предприятиях. Основная причи­на - отсутствие апробированных в промышленных масштабах тех­нологий, а также нормативной документации по их проектирова­нию.

В настоящее время при ужесточении требований к охране недр и окружающей среды (увеличение экологических платежей), ста­новятся актуальными проблемы захоронения отходов горно­обогатительного производства тем более, что затраты на подземное захоронение в виде закладки сопоставимы с затратами на склади­рование в поверхностных хвостохранилищах. При этом необходи­мо учитывать, что вещественный состав отходов переработки, на­копленных на предприятиях в большом объеме, характеризуется достаточно высоким содержанием ценных компонентов, извлече­ние которых возможно путем применения физико-химических ме­тодов. Разработка и реализация эффективной технологии перера­ботки хвостов является основой для перевода хвостохранилища из категории хранилищ отходов, состоящих на балансе предприятия, в категорию «техногенные месторождения», что позволит сократить экологические платежи предприятия. Поэтому решение проблемы предполагает выбор технологических решений, направленных на целенаправленное формирование техногенных месторождений еще на стадии эксплуатации предприятий.

Утилизация отходов после выщелачивания в качестве компо­нентов закладочной смеси, отвечает также тенденции увеличения доли систем с закладкой выработанного пространства, являющих­ся, как известно весьма перспективным направлением комплексно­го освоения рудных месторождений.

Применение твердеющей закладки позволяет надежно обеспе­чить управление горным давлением, уменьшить площадь изымаемых сельскохозяйственных угодий для горных отводов и предохранить земную поверхность от оседания. Одним из главных факторов, сдер­живающих область применения закладки, является ее высокая стои­мость, основную долю которой (до 60%) составляют затраты на ис­ходные материалы, что существенно влияет на экономические показа­тели рудников. В этой связи изыскание составов закладочных смесей на основе отходов переработки, местных материалов и подбора хими­ческих добавок, способствующих улучшению технологических свойств искусственного массива и удешевлению закладочных работ в целом, есть и будет в ближайшем будущем актуальной проблемой.

Для всех способов разработки месторождений характерно воз­действие на биосферу, затрагивающее практически все её элемен­ты: водный и воздушный бассейны, землю, недра, растительный и животный мир.

Это воздействие может быть как непосредственным (прямым), так и косвенным, являющимся следствием первого. Размеры зоны распространения косвенного воздействия значительно превышают размеры зоны локализации прямого воздействия и, как правило, в зону распространения косвенного воздействия попадает не только элемент биосферы, подвергающийся непосредственному воздейст­вию, но и другие элементы.

В процессе подземной разработки образуются и быстро увели­чиваются пространства, нарушенные горными выработками, отва­лами пород и отходов переработки, представляющие собой бес­плодные поверхности, отрицательное влияние которых распро­страняется на окружающие территории.

В связи с осушением месторождений и сбросом дренажных и сточных вод (отходов переработки полезных ископаемых) в поверх­ностные водоёмы и водотоки резко изменяются гидрогеологические и гидрологические условия в районе месторождения, ухудшается каче­ство подземных и поверхностных вод.

В настоящее время не представляется возможным дать сравни­тельную количественную оценку влияния на окружающую среду гор­ного производства и других видов деятельности человека, поскольку отсутствуют научно-методические основы для такого сравнения. Применение же различных частных критериев не позволяет получить однозначный ответ на этот вопрос.

Так, если сравнивать абсолютные затраты на строительство очистных сооружений в цветной и чёрной металлургии, теплоэнер­гетической и горнодобывающей промышленности, то наибольшие затраты приходятся на теплоэнергетику. По относительной доле этих затрат в общих капиталовложениях на первое место выходит цветная металлургия.

Превращение проблемы национального использования при­родных ресурсов и охраны окружающей среды в важнейшую об­щегосударственную проблему требует в области горного дела раз­вития как перспективных технологий, в том числе и совершенство­вание применяемых, так и принципиально новых, исследования, в которых практически не проводились. Таковыми в ближайшем бу­дущем являются нанотехнологии.

Уже сейчас существует достаточно много перспективных на­правлений, в которые вкладываются значительные средства, что касается горного дела, то пока в России начаты исследования прак­тически только в области обогащения минерального сырья. Плани­руется разработка взрывчатых материалов, которые смогут исполь­зоваться в горной промышленности с областью применения прак­тически в любых условиях.

Нанотехнологии могут использоваться и при создании закла­дочных смесей, свойства которых на наноуровне позволят корен­ным образом изменить долю применения систем с искусственным поддержанием очистного пространства при освоении рудных ме­сторождений и подход к подбору компонентов, необходимых для обеспечения требуемых прочностных характеристик закладочного массива.

Известно, что при реализации процессов выщелачивания тон­кодисперсного природного и техногенного сырья, одной из про­блем является укладка предварительно окомкованного материала с сохранением его структуры. Обеспечить требуемые прочностные характеристики окатышей без повышенного расхода вяжущего, ко­торый, как правило, отрицательно влияет на фильтрационные ха­рактеристики, возможно путем изменения свойств окатышей на наноуровне. Применение нанотехнологий целесообразно и при создании наноматериалов для принципиально новых видов крепле­ния подземных горных выработок различного назначения. Широкие перспективы применения нанотехнологий связаны с разработкой со­ставов комплексных растворителей минералов для выщелачивания ценных компонентов из руд и техногенного сырья сложного вещест­венного состава, а также с новых материалов, способных селективно сорбировать переведенные в продуктивные растворы элементы.

Таким образом, перспективы разработки рудных месторожде­ний должны быть связаны с такой методологией проектирования, которая базируется на всестороннем учете и адекватном отображе­нии проектируемых объектов с прогнозными показателями освое­ния недр и технического прогресса. Такая методология позволяет перейти к научно-обоснованному выбору геотехнологической стратегии комплексного освоения месторождений различными способами или их рациональным сочетанием во времени и про­странстве.

Последовательность и параметры реализации технологических про­цессов должны быть определены на основе оптимизационного модели­рования показателей функционирования всех технологических подсис­тем с установлением времени вовлечения в промышленную эксплуата­цию отдельных участков недр, сформированных выработанных про­странств и техногенных образований.

Решение проблем комплексного освоения рудных месторож­дений возможно двумя путями:

совершенствование применяемых технологических реше­ний с обоснованием их рациональных параметров с целью повы­шения полноты, комплексности и обеспечения экологической и промышленной безопасности горных работ;

создание принципиально новых инновационных геотехно­логий и технологических схем освоения недр, основанных на про­ведении научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ с целью качественного изменения технических и экономиче­ских показателей горного производства; получения новых видов продукции.

Реализация основных направлений комплексного освоения рудных месторождений позволит:

повысить качество и уровень извлечения полезных компо­нентов из недр, а также объемы дополнительной товарной продук­ции;

рассматривать целенаправленно сформированные хранилища отходов, как техногенные месторождения, которые могут быть эф­фективно освоены методами физико-химической геотехнологии.

Таким образом, изменение подхода к освоению рудных место­рождений существенно расширяет минерально-сырьевую базу гор­нодобывающих предприятий, решает вопросы вскрытия, подготов­ки запасов к очистной выемки кондиционных и некондиционных руд в зависимости от применяемой геотехнологии и особенностей использования накопленных и текущих техногенных образований в завершенном цикле комплексного освоения участка недр.

ГЛАВА IV

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР

4.1 Классификация видов негативного влияния, причиняемого недрам при освоении георесурсов

Недра Земли являются важным источником роста благосостояния и обороноспособности страны. Вместе с тем в горнодобывающем сек­торе наметился ряд проблем, основными из которых являются: истощение сырье­вой базы, усложнение горно­-геологических и климатических условий разработки месторождений, отставание прироста разведанных запасов от темпов их извлечения; неблагоприятный гео­графический фактор, размещение подго­товленных запасов в удаленных и труд­нодоступных регионах страны; низкий технический уровень многих горных предприятий, устаревание технологий; недостаток инвестиционных ресурсов, несовершенство налогообложения не­дропользователей; неблагоприятные экологические воздействия, оказывае­мые горными работами, в том числе за­грязнение атмосферы, подземных и по­верхностных водных объектов и др.

При освоении недр в зону влияния горных работ попадает большое количе­ство объектов, составляющих важные ресурсы горнодобывающих регионов. К этим ресурсам относятся реки, озера, леса, инженерные сооружения, комму­никации и другие природные и искусст­венные объекты, в связи с чем освоение недр должно производиться с учетом того, как оно влияет на состояние ука­занных объектов.

Решение или хотя бы снижение нега­тивных последствий перечисленных и других проблем минерально-сырьевого комплекса направлено на повышение эффективного и безопасного управления освоением недр, геотехнологические и экологические аспекты сохранения недр с использованием нормативно-­технических и правовых документов.

Недостаточно обоснованное, неупо­рядоченное освоение недр нередко ведет к тяжелым негативным последствиям и большим убыткам. Пример тому - зато­пление шахты «Западная - Капитальная» в Ростовской области, что привело к по­тере вскрытых и подготовленных к вы­емке запасов угля не только на этой шахте, но и на соседних шахтах им. Ле­нина и «Комсомолец», которые при­шлось закрыть, т.к. они были гидравли­чески связаны с затопленной шахтой. В результате, помимо прямых убытков, был нанесен огромный социальный ущерб населению города Новошахтинска, поскольку эти шахты являлись гра­дообразующими, и другого производст­ва в городе нет.

Примерно по таким же причинам были затоплены первый и третий Берез­никовские рудники, разрабатывающие Верхнекамское месторождение калийно-­магниевых солей, что привело к боль­шим потерям ценного минерального сы­рья (Верхнекамское месторождение, яв­ляется одним из самых крупных залежей калийно-магниевых солей в мире и единственным в стране освоенным ме­сторождением). Затопление рудников сопровождалось образованием на зем­ной поверхности крупных провалов, представляющих угрозу для жилой за­стройки, электростанции, газо- и тепло­проводам, железной дороге и другим объектам. Образовавшийся и развиваю­щийся провал вблизи единственной же­лезнодорожной ветки, связывающей Соликамско-Березниковский промышлен­ный узел с Транссибом, может привести к прекращению отгрузки добываемой продукции соседнего предприятия ОАО «Сильвенит» из-за полного прекраще­ния железнодорожного сообщения. Ме­жду тем ОАО «Сильвенит» обеспечива­ет около 60% поставок хлористого ка­лия на внутренний рынок и примерно 8,5% - на мировой.

Перечень приведенных и большого числа других примеров недостаточно грамотного освоения недр показывает, насколько актуальна проблема предот­вращения или снижения негативного влияния, причиняемого недрам при ос­воении георесурсов.

Это негативное влияние может быть большим и едва ощутимым, мгновен­ным или проявится через многие годы и десятилетия. Он может быть прямым, косвенным и даже опосредованным, возместимым и невозместимым, вре­менным и постоянным, прогнозируемым или неожиданным и т.д.

По каждому из этих признаков мож­но составить свою классификацию. Так, только по признаку, связанному с изме­нением недр, можно выделить следую­щие виды негативного влияния.

А. Источники негативного влияния на недра (по объективным причинам):

Изъятие (извлечение) из недр полезных ископаемых, осуществляемое различными технологиями и техниче­скими средствами.

Нарушения (преобразования) геологической среды, вызванные дея­тельностью человека (взрывные работы при выполнении геофизических иссле­дований и проведении взрывов при до­быче, гидроразрыв пластов, перемеще­ние в выработанном пространстве отби­той горной массы и пр.).

Загрязнения геологической сре­ды: геомеханические, гидрогеологиче­ские, геохимические, радиационные, геотермические, геобактериологичес-кие.

Комплексные (синергетические). Представляют совокупность в различ­ном сочетании вышеуказанных источников возможного ущерба, наносимого недрам.

Б. Источники негативного влияния на недра (по субъективным причинам):

Недостаточная полнота и качество (достоверность, надежность) горно­геологической информации о запасах полезных ископаемых и свойствах уча­стков недр, содержании полезных ком­понентов в минеральных образованиях, своевременность ее получения и пре­доставления, в т.ч. при пересчете запа­сов.

Отсутствие оперативного (экс­прессного) и постоянного (на стацио­нарных устройствах и установках) ко­личественного и качественного учета и контроля извлекаемых, в т.ч. поступаю­щих на первичную переработку и от­правляемых на склады, в отвалы мине­ральных образований, а также оставляе­мых в недрах запасов основных и со­вместно с ними залегающих полезных ископаемых и содержащихся в них по­лезных компонентов, сжигаемого по­путного нефтяного газа.

Отклонение сверх допустимых значений параметров разработки место­рождений полезных ископаемых, преду­смотренных проектами, планами веде­ния горных работ и локальными проек­тами отработки отдельных выемочных единиц, включающих: параметры обу­стройства месторождения, его вскрытия и подготовки, в т.ч. целиков различного назначения; превышение (в сравнении с установленными нормативами) объема извлекаемых запасов полезных иско­паемых из лучших по качеству или ус­ловиям эксплуатации выемочных участ­ков; нарушение установленных схем, порядка, операций и сроков разработки отдельных выемочных участков место­рождений; необоснованное изменение принятых в проекте технологий и тех­нологических схем разработки место­рождений и их участков.

 Нарушение установленных проек­том или нормативно-правовыми актами схем, порядка и своевременности кон­сервации и ликвидации горного пред­приятия и связанного с ним горного имущества, умышленное банкротство горных предприятий, их слияний и по­глощений.

 Самовольная застройка площадей залегания полезных ископаемых и/или несоблюдение принятого порядка и сро­ков использования этих площадей в других целях.

 Размещение и накопление про­мышленных и бытовых отходов на пло­щадях водосбора и в местах залегания подземных вод, используемых для пить­евого и промышленного водоснабжения.

 Отсутствие узаконенных соглаше­ний или несогласованность действий недропользователей, осуществляющих эксплуатацию месторождений на одних и тех же или сопряженных лицензион­ных участках недр.

Однако классификации, составлен­ные по таким признакам, получаются громоздкими, трудно используемыми и не раскрывающими источники и причи­ны негативного влияния на недра, воз­действуя на которые можно уменьшить это воздействие. Ухудшение качества георесурсов и усложнение условий их освоения ведут к снижению прибыли недропользователя, а, следовательно, и к уменьшению налоговых отчислений го­сударству.

Поэтому в качестве основного клас­сификационного признака следует при­нять вид негативного влияния, наноси­мого собственнику недр, т.е. государству.

 

Таблица 4.1 – Классификация негативного влияния, причиняемого недрам при освоении георесурсов и мероприятия по его предотвращению

 

Класс (виды негативного влияния)	Группа (источники негативного влияния)	Категория (причины негативного влияния)	Мероприятия по предотвращению негативного влияния
1. Потери георесурсов	1.1. Потери в предохранительных целиках 1.2. Потери в межкамерных и охранных целиках 1.3. Эксплуатационные потери	1.1.1. Несогласованность горных и строительных работ. 1.1.2. Несовершенство мер охраны подрабатываемых объектов. 1.2.1. Слабое геомеханическое обос­нование параметров горных работ. 1.2.2. Ошибка в проектировании. 1.3.1. Несовершенство технологии добычи полезных ископаемых. 1.3.2. Недостаточный контроль за ох­раной недр. Отсутствие действенных рыча­гов управления полнотой отработки запасов	Четкое согласование горных и строитель­ных работ, усовершенствование мер ох­раны подрабатываемых объектов, осо­бенно вертикальных стволов шахт и руд­ников. Повышение требований к геомеха­ническому обоснованию параметров гор­ных работ и содержанию проектов в части охраны недр. Усовершенствование технологии добы­чи полезных ископаемых. Усиление контроля за охраной недр. Разработка законодательных докумен­тов, стимулирующих снижение потерь и ужесточающих штрафные санкции за их увеличение.
2. Ухудшение качества георесурсов	2.1. Разубоживание и засорение добы­ваемого продукта 2.2. Загрязнение	2.1.1. Несовершенство технологии добычи полезных ископаемых. 2.1.2. Недостаточная эксплуатацион­ная разведанность. 2.1.3. Слабый контроль за производ­ством горных работ. 2.2.1. Неправильное планирование горных работ. Недостаточный учет гидрогео­механических процессов при совме­стном влиянии нескольких факторов	Повышение требований к планирова­нию горных работ. Развитие методов учета гидрогеомеха­нических процессов при оценке их влияния на качество георесурсов
3. Усложнение условий освоения георесурсов	3.1. Выборочная добыча полезных ис­копаемых 3.2. Оставление в выработанном про­странстве целиков, провоцирующих возникновение гео- и газодинамиче­ских явлений 3.3. Скопление в выработанном про­странстве больших объемов воды	3.1.1. Несовершенство законодатель­ной базы, допускающей выборочную добычу полезных ископаемых. 3.1.2. Недостаточный контроль за ос­воением георесурсов. 3.2.1. Несовершенство технологии добычи полезных ископаемых. 3.2.2. Ошибка в проектировании. 3.2.3. Нарушение при ведении горных работ 3.3.1. Недостаточно обоснованная ли­квидация горных предприятий путем их затопления. 3.3.2. Отсутствие нормативной базы ведения горных работ под затоплен- ными шахтами и рудниками.	Разработка законодательной и норма­тивной базы, обеспечивающей рацио­нальное освоение георесурсов. Создание научных основ рационального освоения георесурсов. Совершенствование технологии добычи полезных ископаемых. Усиление контроля за проектированием и ведением горных работ, особенно в условиях залегания полезных ископае­мых.
4. Комбинация видов негативного влияния	4.1. Комбинация первого и второго классов 4.2. Комбинация первого и третьего классов 4.3. Комбинация второго и третьего классов 4.4. Комбинация трех классов	4.1.1. Потери в предохранительных, межкамерных и охранных целиках. 4.1.2. Эксплуатационные потери, ра- зубоживание, засорение и загрязне­ние 4.2.1. Потери георесурсов и осложне­ние условий их освоения. 4.2.2. Повышение опасности освоения недр. 4.3. Ухудшение качества и осложне­ние условий освоения георесурсов. 4.4. Потери георесурсов, ухудшение качества и осложнение условий их освоения.	Совершенствование технологии добы­чи, усиление контроля за проектирова­нием и ведением горных работ. Повышение требований к обоснованию ликвидации горных предприятий путем их затопления. Разработка нормативного документа, регламентирующего условия ведения горных работ под затопленными шах­тами и рудниками.

 

С этим признаком связаны также ис­точники и причины негативного влия­ния. В классификации должны содер­жаться общие мероприятия по предот­вращению или уменьшению ущерба, ко­торые в каждом конкретном случае сле­дует расширять и углублять.

Классификация негативного влияния, причиняемого недрам (а точнее собст­веннику недр) при освоении георесур­сов, разработанная в соответствии с вышеизложенными принципами, приве­дена в таблице.

Следует отметить, что данная клас­сификация охватывает практически все известные случаи причинения негатив­ного влияния на недра и может быть применена ко всем видам полезных ис­копаемых как твердым, так и месторож­дениям нефти и газа. Однако, при рас­смотрении каждого отдельного случая следует учитывать особенности рас­сматриваемых полезных ископаемых в связи с их различиями по условиям за­легания, добычи, транспортировки и хранения.

Возможность применения данной классификации можно проиллюстриро­вать рассмотрением следующих случа­ев. 23 октября 2003 г. на шахте «Западная-Капитальная» в Ростовской области на глубине 470 м произошел провал с разрушением сооруже­ний промплощадки шахты «Западная-Капитальная» (Ростов­ская область) внезапный прорыв воды в главный скиповой ствол. Попавшая в забой вода вы­вела из строя энергосистему, подъемные клети и связь. Анализ дальнейшего разви­тия аварийной ситуации, причин и возникших послед­ствий установил, что при за­топлении шахты было безвозвратно по­теряно несколько миллионов тонн высо­кокачественного угля, что относится к первому классу ущерба. Одновременно произошло загрязнение питьевых гори­зонтов шахтными водами, через провал, образовавшийся в толще пород вплоть до земной поверхности (рисунок 4.1), что относится ко второму классу ущерба.

 

Рисунок 4.1 – Провал, образовавшийся в толще пород вплоть до земной поверхности

 

И, наконец, усложнение условий раз­работки соседних шахт (им. Ленина и «Комсомолец»), приведшее к закрытию этих шахт, что относится к третьему классу ущерба. В результате аварийное затопление шахты «Западная-Капиталь-ная» принесло суммарный ущерб, относящийся к четвертому клас­су.

Примером случаев подобного рода являются произошедшие аварии на тер­ритории 1-го и 3-го Березниковского рудников калийно-магниевых солей (БКПРУ) ОАО «Уралкалий».

Так, в частности, при аварии 28 июля 2007 г. на территории БКПРУ-1 про­изошел провал на земной поверхности над техногенной карстовой полостью. Размеры воронки, образовавшейся в ре­зультате обрушения грунтовых пород, составляли 50 на 70 м, глубина - около 15 м.

Негативное влияние в данном случае проявилось в затоплении 1-го и 3-го Бе- резниковского рудников на Верхнекам­ском месторождении калийно­магниевых солей привело к безвозврат­ным потерям нескольких десятков мил­лионов тонн ценного минерального сы­рья, что относится к первому классу ущерба, а образование над затопленны­ми рудниками огромных провалов на земной поверхности, приведшее к пере­мешиванию пресных и минерализован­ных вод - ко второму классу ущерба. Наличие огромных объемов воды в за­топленных выработках 1-го и 3-го Бе­резниковских рудников существенно усложнили условия работы соседних 2­го и 4-го рудников, что относится к третьему классу ущерба. В итоге полу­чилось то, что этот случай представлен комбинацией всех видов ущерба, и это также подтверждает факт, что большин­ство видов негативных последствий но­сят комбинированный характер.

Представленные слу­чаи негативного влияния на недра, как и множество проанализированных нами других аварийных ситуаций, приводят к выводу, что в первую очередь, негатив­ному воздействию подвержены источ­ники водоснабжения (в силу особых свойств воды). Это требует особого внимания специалистов при освоении недр вблизи водных объектов, тем более учитывая тот факт, что водные ресурсы на территории нашей страны (несмотря на общее достаточное их количество) распределены неравномерно.

 

4.2 Комплексное освоение георесурсов недр – новая идеология в теории и практике разработки месторождений полезных ископаемых

Современная концепция комплексного освоения месторождений полезных ископаемых базируется на многообразии и экономической ценности георесурсов и значимости самих недр с их природо-организующими функциями как фактора жизнеобеспечения общества.

Практически все месторож­дения являются комплексными, т. е. содержащими в своих недрах не единственное полезное иско­паемое, а некоторое множество сопряженных видов георесурсов. Так, к полезным видам ресурсов угольных месторождений помимо угля - основного полезного иско­паемого - относятся силикатные и карбонатные вмещающие породы, метан угольных пластов, подзем­ные воды, содержащиеся в угле и минеральных примесях редкие и рассеянные элементы. В результа­те добычи полезных ископаемых в недрах образуется выработанное пространство, пригодное для ис­пользования в промышленных и хозяйственных целях.

Без промышленного исполь­зования георесурсов цивилизо­ванная жизнь на Земле невоз­можна. Поэтому целенаправлен­ное освоение недр с целью добы­чи полезных ископаемых необхо­димо для существования и разви­тия общества. Однако это приво­дит к нарушению естественного состояния недр и их природоор­ганизующих функций. Поэтому процессы горнодобывающего производства должны обеспечи­вать сохранение недр, хотя и в преобразованном виде, но не до­пускающем деградации террито­рии освоения.

Таким образом, исходя из мно­гообразия природных и воспроиз­водимых георесурсов месторож­дений полезных ископаемых, в том числе угольных, их экономической ценности и значимости самих недр в целом для жизнеобеспечения общества, можно сказать, что ра­циональное и комплексное освое­ние георесурсов означает высо­кую полноту использования при­родных богатств, интенсивность горного производства, воссозда­ние новых видов полезных ресур­сов, не присутствующих в явном виде в недрах месторождения, и сохранение недр с их природоор­ганизующими функциями как ком­плексного ресурса жизнедеятель­ности на Земле. При реализации этой идеологии комплексного ос­воения недр создаются условия для существенного повышения, во-первых, экономической эффек­тивности горного производства в результате выпуска более широ­кой номенклатуры продукции, а во-вторых, экологичности пред­приятий вследствие применения малоотходных технологий.

Исходя из этих позиций, были сформулированы следующие ос­новные положения концепции комплексного освоения ресурсов угольных месторождений:

высокопроизводитель­ная и экономически оправданная полнота извлечения балансовых запасов угля и других состоящих на государственном балансе по­лезных ископаемых;

добыча, переработка и использование сопутствующих углю минеральных и других ре­сурсов недр;

воспроизводство но­вых видов георесурсов, нетради­ционных для угольного произ­водства;

сохранение недр, вос­создание их в новом качестве как комплексного ресурса жизне­обеспечение общества; учет и сохранение забалансовых и не­активных балансовых запасов угля;

применение комплек­са геотехнологий, обеспечиваю­щих интенсивное, экономически эффективное и безопасное из­влечение из недр георесурсов, целенаправленное воздействие на свойства минеральных сред и состояние массива с целью со­хранения недр для использова­ния в будущем и создания новых видов георесурсов или перевода потенциальных ресурсов в ре­альные путем изменения условий залегания, качества, агрегатного состояния природных и техно­генных образований;

соблюдение условий сохранения экологического рав­новесия в границах влияния ос­воения георесурсов угольных ме­сторождений.

 

На основе этой концепции может быть построена стратегия комплексного освоения угольных месторождений, соответствую­щая основных принципам рацио­нального природопользования и отвечающая требованиям совре­менных рыночных отношений в экономике государства. Базой для формирования та­кой стратегии является совокуп­ность георесурсов, присутст­вующих в недрах месторождения и пригодных для использования в промышленных и хозяйственных целях, а также тех ресурсов, ко­торые могут быть воспроизведе­ны в процессе или в результате освоения недр.

Следующей важной состав­ляющей стратегии комплексного освоения недр является изучение и учет наличия потребности в продукции, создаваемой при разработке месторождения, и услуг, которые могут быть пре­доставлены горнодобывающим предприятием тем или иным пользователям.

Стратегия освоения недр должна предусматривать также возможность управления их со­стоянием при ведении горных работ, обеспечивающего эффек­тивность производства, а также его техническую и экологиче­скую безопасность.

Таким образом, рациональная стратегия комплексного освое­ния георесурсов угольных ме­сторождений должна иметь в своем составе следующие блоки: геологический, маркетинговый, технико-экономический и эколо­гический.

В геологический блок входят следующие разделы:

Первый - качественная и коли­чественная оценка ресурсной базы в пределах территории освоения (месторождение, шахтное поле, группа одновременно осваиваемых участков), выполняемая на основе анализа ресурсной базы и горно­геологических условий залегания угольных пластов, и ранжирование запасов по степени технологично­сти освоения и качеству угля с прогнозированием затрат на до­бычу угля.

Основные цели анализа:

выделение крупных блоков, расчлененных наруше­ниями, с принципиально отли­чающимися условиями залегания, качеством угля для принятия ре­шений по вскрытию и подготовки пластов;

ранжирование вы­емочных участков в соответствии со стандартами оборудования и способами управления горным давлением для выбора техноло­гии горных работ;

прогнозирование га­зообильности выемочных участ­ков для выбора способов и оче­редности дегазации угленосного массива.

Второй раздел - коли­чественная и качественная оценка сопутствующих углю георесурсов в пределах горного отвода с выде­лением групп минеральных и иных скоплений, а именно:

пластов и залежей по­лезных ископаемых, представляю­щих собой объекты самостоятель­ной эксплуатации;

сопутствующих полез­ных ископаемых и компонентов, осваиваемых одновременно с до­бычей угля и влияющих на безо­пасность и эффективность основ­ного производства;

ресурсов, осваиваемых за пределами отработки промыш­ленных запасов угля;

твердых, жидких и га­зообразных отходов основного производства.

Следующий блок пред­назначен для проведения марке­тинговых исследований перспек­тив реализации продукции, созда­ваемой на основе базы георесур­сов месторождения или его части с целью решения следующих задач:

оценка возможности и экономической выгодности повы­шения качества товарного угля и выпуска нетрадиционных видов высокоэффективного угольного топлива;

сопоставление потен­циала сопутствующих углю при­родных и воспроизводимых георе­сурсов с потребностями региона;

исследование конъюнк­туры рынка продукции. Создавае­мой на базе сопутствующих георе­сурсов;

создание банка техно­логий освоения сопутствующих георесурсов и диверсификации производства;

экономическая оценка перспективных направлений соз­дания и использования новых ви­дов готовой продукции и услуг и их влияния на экономику горно­добывающего предприятия, группы предприятий.

В технолого–экономическом блоке стратегии главной задачей является выбор технологий основ­ного, т. е. угольного производства, и технологий для производства продукции на основе извлекаемых из недр сопутствующих углю гео­ресурсов.

Основные разделы этого блока:

Первый и фактически решаю­щий - это обеспечение высоко­производительной, безопасной и экономически оправданной полно­ты извлечения балансовых запа­сов угля.

В него входят выбор и эконо­мическая оценка последователь­ности вскрытия, подготовки и от­работки пластов и выемочных по­лей и технологий горных работ, обеспечивающих конкурентоспо­собность готовой угольной про­дукции на федеральном или ре­гиональном уровне; применение «гибких» комбинированных техно­логий добычи угля, обладающих адаптивностью к изменениям ус­ловий залегания угольных пластов и конфигурации выемочных уча­стков; организация работы горно­добывающего предприятия с воз­можно более высокими нагрузкой на очистной забой и уровнем кон­центрации горных работ (шахта - лава, пласт-лава).

Во втором разделе блока ре­шаются задачи, относящиеся к до­быче, переработке и использова­нию сопутствующих углю мине­ральных и других ресурсов недр, в том числе:

добыча метана и (или)

подземных вод при подготовке к эксплуатации газоносного (обвод­ненного) месторождения путем заблаговременной   дегазации

(осушения) угленосного массива в пределах месторождения, его час­ти, шахтного поля, группы полей;

дегазация газоносных разрабатываемых и смежных угольных пластов в период экс­плуатации шахты, каптаж метана из выработанного пространства с целью добычи пригодной к ис­пользованию МВС и обеспечения безопасности горных работ;

технологическая обра­ботка георесурсов, извлеченных из недр при добыче угля (попутно добываемых пород, метана, шахт­ных вод), и подготовка их к ис­пользованию в промышленных или хозяйственных целях для собст­венного или внешнего потребле­ния;

создание собственных производств по использованию попутно извлекаемых георесурсов и выпуску готовой продукции;

продажа полуфабрика­тов (сырья), создаваемых на базе попутно извлекаемых георесурсов;

добыча метана, накап­ливающегося в выработанном про­странстве закрытых угольных шахт.

Экологический блок стратегии направлен на предотвращение или минимизацию ущерба, наносимого окружающей среде горными рабо­тами на территории освоения.

В этот блок входят следующие разделы: создание малоотходного про­изводства путем применения тех­нологических схем и технологий горных работ, обеспечивающих сокращение объемов проходки вы­работок по породам в результате упрощения общей планировки гор­ных работ, снижение выхода твер­дых отходов путем уменьшения присечки вмещающих пород при проходке пластовых выработок и очистной выемке угля; оставления попутно добываемых пород в шах­те; возвращения в выработанное пространство накопленных твер­дых отходов угольного и обогати­тельного производств; очистки и деминерализации шахтных вод, используемых в собственных тех­нологических нуждах и сбрасы­ваемых в наземные водоемы и во­дотоки; очистки выбрасываемого в атмосферу воздуха исходящей вентиляционной струи от твердых взвесей, извлечения из нее мета­на; утилизации низкоконцентри­рованной МВС; использования в хозяйственных нуждах низкопо­тенциального тепла исходящей вентиляционной струи и бытовых стоков.

К следующему разделу отно­сится использование ресурсовос­производящих функций горнодо­бывающих предприятий, а именно:

создание, инженерное обустройство и предоставление для использования в промышлен­ных или хозяйственных целях дол­говременного выработанного про­странства капитальных выработок (наиболее рациональное назначе­ние этого вида услуг - захороне­ние накопленных твердых отходов собственного и смежных произ­водств, обогатительного, энерге­тического, металлургического, а также переработанных твердых бытовых отходов);

использование вырабо­танного пространства, создающе­гося при очистной выемке угля, для размещения «текущих» твердых отходов собственного и обогати­тельного производств непосредст­венно вслед за продвижением очистных забоев;

сепарация высокозоль­ной добытой горной массы с выде­лением из нее товарного угля;

классификация извле­ченных из недр пород с выделени­ем наиболее ценных видов и их раздельное складирование для по­следующего использования;

производство новых не­традиционных видов высококаче­ственного и транспортабельного твердого и жидкого угольного то­плива.

Важным разделом рациональ­ной стратегии комплексного ос­воения георесурсов угольного ме­сторождения является управление состоянием недр, т. е. угленосного массива, и поверхности Земли, техногенно преобразованных в ре­зультате ведения горных работ и извлечения полезных ископаемых.

Этот раздел по своей сути мо­жет быть отнесен как к технолого­экономическому блоку, так и к экологическому, поскольку сред­ствами реализации управления яв­ляются технологии горных работ, а целями - сохранение недр и зем­ной поверхности в состоянии, не допускающем деградации терри­тории освоения.

В ИПКОН РАН сформулирова­но понятие об идее и способах со­хранения недр при комплексном их освоении: сохранение недр, ко­гда они рассматриваются как часть биосферы, - это осуществ­ление целенаправленных действий по воссозданию как недр в их из­мененном состоянии и направле­нии использования, так и экоси­стем в качестве, требуемом для обеспечения жизнедеятельности. Первое из целенаправленных действий - это управление отхо­дами. Утилизация отходов сокра­щает потребность в специальной добыче соответствующих полез­ных ископаемых и тем самым снижает общую техногенную на­грузку на недра.

Второе - это охрана недр путем применения технологий горных работ, уменьшающих деформации и смещения подрабатываемого массива и земной поверхности на территории освоения. К таким технологиям, в первую очередь, относится ведение очистных работ с закладкой выработанного про­странства.

Третье целенаправленное дей­ствие - это заранее спланирован­ное оставление в недрах забалан­совых и нетехнологичных запасов в виде, не исключающем их освое­ние в будущем.

Для успешной реализации это­го важного раздела стратегии не­обходимо создание экологическо­го (геомеханического, гидрологи­ческого и аэродинамического) мо­ниторинга на территории освоения недр и в пределах зоны влияния горных работ.

Таким образом, современная идеология горнодобывающего угольного производства - это комплексное освоение ресурсов недр, т. е. максимально возмож­ное, но экономически оправдан­ное извлечение и использование угля и сопутствующих полезных ископаемых и компонентов, при­менение комбинированных «гиб­ких» технологий горных работ, управление состоянием недр, обеспечивающее эффективность производства и его техническую и экологическую безопасность.

Технологии комплексного ос­воения основного и сопутствую­щих природных ресурсов уголь­ных месторождений и воспроиз­водства новых, меры по сохране­нию недр и управлению их со­стоянием, система экологическо­го мониторинга должны преду­сматриваться в проектах строи­тельства и реконструкции шахт и реализовываться с начала освое­ния месторождения или его час­ти и до окончания активных про­цессов проявлений влияния гор­ных работ на окружающую среду.

 

ГЛАВА V

ИННОВАЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ

5.1 Подземная газификация углей

5.1.1 Общие сведения

Сущность подземной газификации угля (далее - ПГУ): уголь, непосредственно на месте своего залегания, превращается в газ, который выдается на поверхность в качестве топлива или исходного продукта для получения химических веществ.

Идея подземной газификации угля впервые была высказана Д.И.Менделеевым в 1888 г. при ознакомлении с подземными пожарами от самовозгорания угля. В 1912 г. английский химик У.Рамзай развил эту идею и даже пытался осуществить ПГУ на одной из шахт Англии. В конце 1933 г. в бывшем Советском Союзе учеными И.Е.Коробчанским, В.А.Матвеевым, В.П.Скафой и Д.И.Филипповым был разработан метод ПГУ, получивший название поточного, а в феврале 1935 г. была запущена шахта в Донбассе, работавшая по этому методу. Для его осуществления требовалось проведение сети горных выработок. В 1945–48 гг. был разработан бесшахтный метод ПГУ, основанный на бурении скважин на пласт и образовании первоначальных каналов газификации.

По сути, установка ПГУ представляет собой подземный газогенератор. Процесс газообразования в нем удобнее рассмотреть на примере поточного метода.

Газификационналь-панель (рис. 5) подготавливается проведением стволов, двух наклонных выработок и розжигового штрека по пласту. В розжиговом штреке закладываются дрова, которые воспламеняются зажигательными патронами, в результате чего горение распространяется по угольной поверхности в штреке (канале).

 

Рисунок № 5.1.1 – Технологическая схема поточного метода подземной газификации угля:

1 – воздухоподающий ствол; 2 – газоотводящий ствол; 3, 4 – наклонные пластовые выработки соответственно воздухоподающая и газоотводящая; 5 – штрек розжига; 6 – канал газификации; 7 – зона шлаков; А,В,С – зоны канала газификации соответственно окисления (горения), восстановления и сухой перегонки и сушки

 

По одной из наклонных выработок вдувается воздух, а по другой на поверхность выдается образующийся газ. В процессе выгорания угля огневой забой перемещается вверх по восстанию пласта.

По характеру протекающих в забое химических реакций выделяют три зоны: окисления (горения), восстановления и сухой перегонки и сушки.

В зоне горения (зона А на рис. 5) при сжигании угля образуется двуокись углерода СО₂ с выделением большого количества тепла:

                                    С + О₂ = СО₂ + 23300 кДж/м³

В результате высокой температуры горения угля происходит сильный разогрев пласта и вмещающих пород вблизи огневого забоя, достигающий температуры 900–1200°С.

Разогретый газ СО₂ и пары воды, образовавшиеся в результате испарения пластовых вод, двигаясь дальше вдоль огневого забоя, вступают в реакцию с углеродом. В результате этого происходит восстановление двуокиси углерода в окись углерода:

                                    СО₂ + С = 2СО – 9050 кДж/м³

и

                                Н₂О + С = СО + Н₂ – 7500 кДж/м³.

Реакция восстановления сопровождается поглощением тепла, поэтому температура потока постепенно понижается и при температуре ниже 700°С восстановительные реакции прекращаются. Участок канала газификации, на котором происходит снижение температуры до 700°С, является зоной восстановления (зона В на рис. 5).

При дальнейшем движении потока газов по каналу угольный пласт под влиянием оставшегося тепла еще несколько прогревается и происходит сухая перегонка и сушка угля с выделением летучих веществ СН₂, СО₂, Н₂ и др.

В зоне сухой перегонки и сушки(зона С на рис. 5) под влиянием водяных паров происходит превращение окиси углерода в двуокись:

                                             СО+Н₂О=СО₂+Н₂.

При этом теплотворная способность газа снижается. Поэтому длина канала газификации выбирается такой, чтобы указанная зона не образовывалась или длина ее была минимально возможной.

На практике суммарная длина зоны окисления и восстановления составляет 25–30 м, доходя иногда до 50 м.

Для обеспечения равномерного выгорания пласта в панели производят периодическое реверсирование дутья и отсос газа.

5.1.2 Способы подготовки подземных газогенераторов

 

В настоящее время применяется бесшахтная подготовка газогенераторов, при которой горные выработки заменяются скважинами, направленными с поверхности к пласту.

Горизонтальные пласты вскрываются сеткой вертикальных скважин через 25–30 м друг от друга. Для начала газификации пробуривают первые 3–4 ряда скважин (рис. 6). Бурение последующих рядов скважин производится в процессе газификации пласта.

Рисунок № 5.1.2.1 – Технологическая схема фильтрационного метода подземной газификации угля:

1 – ряд розжиговых скважин; 2 – ряд газоотводящих скважин; 3 – ряд дутьевых скважин

При бурении скважин пласт «перебуривается» на ²/₃ его мощности; затем скважина промывается водой и обсаживается трубами. Производится тампонаж затрубного пространства для герметизации. После этого скважина углубляется в пределах оставшейся мощности пласта.

Пологие, наклонные и крутые пласты вскрываются наклонными скважинами, которые обычно бурятся со стороны лежачего бока пласта (рис. 7). Место ввода полевой скважины в пласт располагают на 10‑20 м ниже зоны выветривания угля, а дальше ее бурят по падению пласта до глубины заложения ряда вертикальных скважин. На участке газификации угля скважины трубами не обсаживаются. Для подачи дутья используются полевые наклонные скважины 6, которые включаются в работу по мере перемещения огневого забоя вверх по восстанию пласта.

Рисунок № 5.1.2.2 – Технологическая схема вскрытия пласта и подготовки газогенератора при бесшахтном методе подземной газификации угля:
1–6 – скважины, соответственно, вскрывающие пласт, газоотводящие, вертикальные розжиговые, наклонные по породе сбоечные и полевые наклонные для подачи дутья

 

Образование каналов газификации производится следующими способами:

¾ воздушно-огневым (фильтрационным);

¾ электрическим;

¾ гидроразрывом пласта;

¾ буровым.

При воздушно-огневом способе используется природная газопроницаемость пласта.

Первоначально перед розжигом угля производится продувка пласта между двумя скважинами воздухом под давлением для увеличения проницаемости пласта за счет отжима воды из пор и трещин. Затем в одну из скважин подают раскаленный кокс, а в другую нагнетают воздух, сжатый до 3–5 атмосфер. Воздух фильтруется в сторону очага горения, которое распространяется в направлении дутьевой скважины, с образованием канала газификации. По мере выгазовывания угля дутье переносят в соседние скважины (рис. 6).

Воздушно-огневой способ применяют на пластах с большой пористостью (преимущественно на бурых углях). Основной недостаток — низкая скорость образования сбоечного канала.

При электрической сбойке скважин в них к угольному пласту опускаются электроды, к которым прикладывается напряжение 2000–4000 В с силой тока до 1200 А. В результате происходит постепенный прогрев пласта до температуры 300–600°С с образованием канала, заполненного пористым коксом. Канал этот расширяется с помощью сжатого воздуха до требуемых размеров.

Хотя электрический способ сокращает время сбойки скважин в 2–3 раза по сравнению с воздушно-огневым, он не нашел широкого применения по ряду причин, главной из которых является условие его применения — на слабообводненных пластах.

Способ образования каналов газификации с помощью гидроразрыва пласта заключается в том, что в угольный пласт по скважинам нагнетается вода под большим давлением. При достижении критической величины, превышающей величину горного давления в районе сбойки, происходит разрыв пласта с образованием трещин и щелей, что значительно повышает его газопроницаемость. Для предупреждения смыкания трещин после снятия давления производят нагнетание жидкости с кварцевым песком.

Способ показал высокую эффективность и находит все большее применение на практике.

Сбойка вскрывающих скважин буровым способом осуществляется путем бурения с поверхности направленных наклонно-горизонтальных скважин (рис. 7). Горизонтальная часть скважины, пробуренная по пласту, используется как канал газификации. Розжиг производится путем подачи в вертикальные скважины раскаленного кокса.

5.1.3 Поверхностный комплекс станции "Подземгаз"

Технологическая схема станции "Подземгаз" приведена на рисунке 8.

Станция имеет несколько производственно-технологических цехов, основными из которых являются: цех буровых работ, подземных газогенераторов, воздуходувный, очистки и охлаждения газа, очистки газа от сероводорода, газодувный.

Цех буровых работ осуществляет бурение скважин различного назначения (вскрывающих, подготавливающих, розжиговых), обсадку их трубами и тампонаж затрубного пространства.

Цех подземных газогенераторов выполняет работы по сбойке скважин, производит монтаж газопроводов для отвода полученного газа и ведет процесс подземной газификации угля.

Воздуходувный цех предназначен для подачи в подземные генераторы и в сбоечные скважины воздуха под необходимым давлением.

 

Рисунок 5.1.3 - Технологическая схема станции "Подземгаз":
1 – газоотводящие скважины; 2 – газопровод; 3 – дутьевые скважины; 4 – трубопровод для подачи воздуха на газификацию; 5 – турбовоздуходувка; 6 – трубопровод для подачи воздуха на сбойку; 7 – компрессор; 8 – цикл условно чистых вод;
9 – циклон; 10 – скруббер; 11 – градирня; 12 – электрофильтры; 13 – сероочистка; 14 – турбогазодувка; 15 – трубопровод для отправки газа потребителю

 

 

Первичное охлаждение газа, имеющего температуру в несколько сотен градусов по Цельсию, осуществляется еще в газоотводящей скважине, куда подается распыленная струя воды. Из скважин газ поступает в газовые коллекторы, а затем в циклон, где улавливается пыль и твердые частицы, выносимые потоком газа из скважин. Далее газ поступает в холодильники — скрубберы. Здесь он охлаждается до температуры 30–35°С, дополнительно очищается от пыли, а также освобождается от избытка водяных паров. Из скрубберов газ поступает в электрофильтры для окончательной очистки от тонкой пыли.

При наличии в газе большого количества сероводорода, он поступает в соответствующий цех очистки, где извлекается сероводород и вырабатываются чистая сера и другие продукты.

После охлаждения и очистки газ направляется в газодувный цех, откуда под давлением 1,5–2 атмосферы он подается потребителям.

Кроме перечисленных цехов, на станции имеется центральная диспетчерская, оборудованная приборами контроля.

Технологическая схема станции "Подземгаз" зависит от характера использования основного продукта — газа: для целей энергетики или для технологического назначения.

Энергетический газ получается при работе подземных генераторов на воздушном дутье. При газификации бурых углей получают энергетический газ с теплотворной способностью до 3,5 МДж/м³ (830 Ккал/м³); при газификации каменных углей теплотворная способность повышается до 4,8 МДж/м³ (1140 Ккал/м³). При такой сравнительно низкой теплотворной способности газ невыгодно транспортировать на значительные расстояния. Однако он может быть использован на месте производства или на близлежащих предприятиях.

Технологический газ получается при работе подземных газогенераторов на дутье, обогащенном кислородом с добавлением пара. В нем содержится до 40–58% водорода. Такой газ используется для получения аммиака, фенолов, спирта, бензина и др. продуктов.

5.1.4 Перспективы подземной газификации угля

Многолетний опыт работы станций "Подземгаз" позволил выявить преимущества и недостатки ПГУ как способа разработки угольных месторождений.

 

Преимуществами ПГУ являются:

ликвидация тяжелого и вредного для здоровья людей труда под землей;

значительное сокращение капитальных вложений на разработку угольного месторождения, поскольку не требуется проводить десятки километров дорогостоящих подземных выработок, строить сложные здания и сооружения на поверхности;

возможность разработки угольных пластов с некондиционными запасами с резким изменением мощности пластов;

уменьшение вредного воздействия на окружающую среду: не требуется отчуждения больших площадей для отвалов пустых пород, не отравляется атмосфера от их горения; полное отсутствие или значительное снижение при сгорании газа ПГУ вредных компонентов, выделяющихся при сгорании угля;

повышение уровня безопасности труда и др.

     Недостатки существующей технологии ПГУ состоят в следующем:

низкая теплота сгорания газа, полученного на воздушном дутье;

ненадежная технологическая управляемость процесса ПГУ, особенно проявляющаяся при эксплуатации большого количества скважин (более 50);

невысокая степень полезного извлечения энергии, содержащейся в газифицируемом угле (до 35–45%);

потери угля в недрах, достигающие 20% и более.

Несмотря на крупные недостатки, присущие ПГУ, перспективность ее применения признана большинством угледобывающих стран и особенно в будущем.

Дальнейшее совершенствование технологии ПГУ должно идти в направлении повышения качества получаемого газа, улучшения управляемости процессом газификации.

Известно, что в Донбассе на действующих и уже закрытых шахтах сосредоточены значительные забалансовые запасы угля в тонких и весьма тонких пластах, выемка которых существующими техническими средствами крайне затруднена или невозможна. Эти запасы представляют интерес еще и потому, что они, как правило, представлены углями высокой стадии метаморфизма, а, следовательно, имеют высокую калорийность. И применение метода ПГУ для извлечения этих запасов может оказаться единственно возможным и целесообразным.

 

 

5.2 Подземное сжигание угля

Идея подземного сжигания угля (далее - ПСУ) с целью использования тепла в хозяйственных целях известна с древних времен. После создания технологии подземной газификации угля и получения положительных результатов ее промышленной эксплуатации к этой идее вернулись снова, уже на новом технологическом уровне. В 1956 г. при проведении конкурса на научную и проектную разработку предложений по подземной газификации углей было подано несколько предложений по подземному сжиганию, которые, однако, не приняли к участию в конкурсе.

В дальнейшем были выполнены исследования по использованию физического тепла газов, получаемых при подземной газификации углей. Температура отходящих газов при подземной газификации углей составляет 400-600 ⁰C. В котле-утилизаторе пар вырабатывается за счёт охлаждения до 150 ⁰C. При этом химический к.п.д. с учётом использования физического тепла отходящих газов может быть увеличен с 50 до 62,5 %. Однако до реализации этой идеи в промышленных масштабах дело так и не дошло.

Только после длительного перерыва, в 80-х годах, к идее использования тепла газов подземного сжигания угля вернулись вновь. Решая задачу комплексного использования энергоресурсов угольного месторождения, академиком B.B. Ржевским была предложена идея многостадийной отработки шахтных полей, которая заключается в последовательном чередовании стадий: добыча метана, частичное извлечение угля, подземное сжигание или газификация оставшихся в недрах запасов с утилизацией выделяющегося при этом тепла.

Отработаны два экспериментальных участка технологии ПСУ «Углегаз». В отличие от ПТУ при ПСУ используется всасывающая схема подачи дутья, что существенно расширяет область применения данной технологии. Ей могут отрабатываться участки, подработанные ранее горными работами, а также участки, расположенные вблизи с действующими шахтами.

Именно на таких участках и функционировали две экспериментальные установки ПСУ: на шахте №1 «Острый» ш/у «Кураховское» п.о. Селидовуголь. И на участке шахты «Киреевская» п.о. Тулауголь. В ходе испытаний отрабатывались параметры технологии, способы розжига, сбойки, управления очагом горения, системы очистки дымовых газов. Была доказана принципиальная возможность осуществления данной технологии в промышленных условиях, в первую очередь, для целей местного теплоснабжения.

На шахте №1 «Острый» были сожжены два блока. При сжигании первого блока он вскрывался двумя воздухоподающими и двумя воздухоотводящими скважинами. Диаметр скважины составлял 550 мм, а диаметр обсадных труб — 425 мм. Депрессия воздушной сети составляла 0,7-3,6 кПа. Максимальная температура горения достигала 800-1000 ⁰C. На сжигание 1 м³ углеродного вещества требуется 8-10 м³ воздуха. Скорость перемещения зоны горения составляла 1м/сут., а максимальная — 5-5,3 м/сут., при расходе воздуха 1,3-1,7 м³/с. Потери тепла на нагрев пород составляли 37 %, а на испарение влаги — 20 %. Коэффициент получения физического тепла достигал 14 %. Состав газов, получающихся при подземном сжигании: O₂ — 4-13 %; CO₂— 5,3-11,2 %; CO — 0,2-2,3 %; H₂ —0,2-3,2 %; CН₄ — 0-0,7 %; SO₂ — 0,004-0,2 %; H₂S₃ — 0,02-0,7 %. Остановка дымососов при сжигании запасов блока показала возможность работы за счёт тепловой депрессии без расхода электроэнергии.

Аналогичные результаты были получены и на шахте «Киреевская», где на первом этапе был сожжён блок площадью 970 м².

Тем не менее, ряд технических вопросов не нашёл технического решения. Важнейшим из них является опасность загрязнения подземных водоносных горизонтов фенолами, образующимися при низкотемпературном горении угля в пласте. Единственный метод, позволяющий хотя бы как-то решить эту проблему — промывка выгазованного пространства с последующей биологической очисткой откачиваемой воды. Однако этот процесс протекает очень медленно, и постоянно будет ограничивать мощность станции ПСУ.

В ряде работ предлагается кардинально решить эту проблему переходом на высокотемпературное сжигание, при котором фенолы сами сгорают в пласте, а дутьё осуществляется обогащенным кислородом воздухом.

Второй трудноразрешимой проблемой является управление очагом горения. Как показал опыт эксплуатации подземных газогенераторов, огневой забой не перемещается последовательно, чаще всего в массиве прогорают каналы в местах с повышенной проницаемостью. В предложении учёных Московского государственного горного университета для управления очагом горения предлагается организовать завесу из газов, не поддерживающих горение, на участке массива между подводящей и отводящей выработкой огневого забоя. Принципиальная схема способа представлена на рис. 10. В качестве газов, не поддерживающих горение, может использоваться азот, углекислый газ, дымовые газы.

Рисунок 5.2 - Принципиальная схема управления процессом подземного горения угля с помощью завесы газов, не поддерживающих горение

 

Третьей трудноразрешимой проблемой является последовательное включение в работу новых участков угольного пласта. При шахтном способе подготовки пластов к подземному сжиганию возможно использование как пластовых, так и полевых выработок. При пластовой и полевой подготовке свежая струя подаётся в режиме фильтрации по контуру выработанное пространство — целик, а отводится, соответственно по поддерживаемой пластовой или полевой выработке. При этом необходимо при полевой подготовке обеспечивать периодическую сбойку полевой выработки с пластом.

Известно предложение, где включение новых участков в работу осуществляется автоматически путем выплавления предварительно заложенных легкоплавкими материалами каналов по мере приближения очага горения.

В концептуальном плане для организации подземного сжигания необходимо решить вопрос о том, будут отводиться газы через стационарную одну выработку блока, или через большое количество скважин большого диаметра. Очевидно, что второй способ вызывает противоречие в стремлении обеспечить экологическую чистоту производства и может рекомендоваться только для отдельных изолированных участков.

По ряду причин объективного и субъективного характера к 90-м годам все работы по подземному сжиганию углей были прекращены, хотя в ходе крупномасштабных научно-исследовательских работ были получены обнадеживающие результаты.

 

5.3 Угольный метан: перспективы добычи и использования

В настоящее время в США разработана и внедрена технология извлечения из угольных пластов до 80% содержащегося в них метана.

Такая степень извлечения достигается пневмо- и гидродинамическим (с помощью воды, пульпы или специальных растворов) воздействием на пласты, стимулирующим повышенную газоотдачу углей.

 

Мировые запасы метана угольных плаcтов превышают запасы природного газа и оцениваются в 260 трлн куб. м. Наиболее значительные ресурсы сосредоточены в Китае, России, США, Австралии, ЮАР, Индии, Польше, Германии, Великобритании и Украине.

Масштабная добыча метана уже ведется в США, где создана и действует целая отрасль промышленности по добыче газа из угольных пластов. За последние 10 лет добыча угольного метана из специальных скважин возросла до 60 млрд куб. м/год. В этой отрасли работает около 200 американских фирм. В последние годы начаты интенсивные работы по извлечению метана в Австралии, Китае, Канаде, Польше, Германии и Великобритании.

В Австралии технологии извлечения газа на шахтах и вне горных предприятий разрабатывались параллельно с США, и некоторые компании успешно ведут разработку метана уже с середины 1990-х гг.

Добыча метана ведется горизонтальными скважинами, пробуренными по пласту на расстояние до 1500 м; газ поступает на очистительную фабрику, где в соответствии с техническими требованиями обезвоживается, фильтруется, сжимается и далее по газопроводу высокого давления поступает в ряд населенных пунктов.

В Китае ресурсы метана угольных пластов составляют до 35 трлн куб. м. Интерес к извлечению метана из угольных пластов стал здесь проявляться в начале 1990-х гг. За прошедшие 10 лет китайскими и иностранными специалистами пробурено более 100 опытных скважин на территории угольных бассейнов в восточной части страны.

В настоящее время объем добычи метана в Китае составляет около 5 млрд куб. м. Однако к 2010 г. планируется увеличить годовую добычу до 10 млрд куб. м.

В Канаде начались экспериментальные работы по извлечению метана на участке Паллисер в провинции Альберта. Канадский газовый комитет прогнозирует, что метан угольных пластов, ресурсы которого составляют около 8 трлн куб. м (тогда как ресурсы традиционного газа в стране - 5 трлн куб. м), в будущем станет основным видом добываемого газа в ряде районов Канады.

В Великобритании известная компания Coalgas Ltd ведет добычу метана из двух заброшенных шахт - «Макхрам», расположенной недалеко от г. Мансфилд, и «Ститлей». Компания разработала альтернативный метод извлечения метана посредством его откачки через вентиляционные стволы шахт, куда он поступает из неотработанных угольных пластов.

Таким образом, необходимость, возможность и экономическая целесообразность крупномасштабной добычи метана из угольных пластов подтверждаются опытом ряда стран.

По мнению американских экспертов, это направление будет неуклонно развиваться, и к 2020 г. мировая добыча метана из угольных пластов достигнет 100-150 млрд куб. м/год, а в перспективе промышленная добыча шахтного метана в мире может достигнуть до 470-600 млрд куб. м/год, что составит 15-20% мировой добычи природного газа.

Перспективы добычи и использования угольного метана в России

Общие ресурсы метана в угольных пластах России составляют по различным источникам 100-120 млрд куб. м/год с учетом восточных и северо-восточных бассейнов. Сегодня газообильность выработок составляет около 30-40 куб. м метана на тонну добываемого угля.

На территории России наиболее газоносными являются пласты угля Воркутинского месторождения и Кузнецкого бассейна.

Несмотря на очевидную перспективность, практика использования шахтного метана как энергетического топлива в России находится на уровне 5-10% от общего объема дегазации, хотя ежегодно в странах СНГ дегазационными установками из угольных шахт извлекается и выбрасывается в атмосферу около 3 млрд куб. м метана, в том числе в России - более 1 млрд куб. м.

Ранее в России шахтный метан в незначительных объемах (47 млн куб. м/год) использовался только в Печорском бассейне, хотя ресурсы метана в угольных бассейнах оцениваются в десятки триллионов кубометров.

Многие районы, в которых находятся угольные бассейны, расположены на значительном расстоянии от месторождений природного газа. Поэтому представляет интерес оценка ресурсов шахтного метана в пластах угольных бассейнов России и начало его промышленной добычи.

Наиболее перспективным в отношении добычи и использования метана в промышленных целях является Кузнецкий угольный бассейн. В октябре 2000 г. ОАО Газпром и администрация Кемеровской области заключили договор по реализации совместного проекта по добыче метана из угольных пластов Кузнецкого бассейна.

В настоящее время в рамках первого этапа экспериментального проекта в Кузбассе на Талдинской площади уже создан и функционирует научный полигон в составе четырех скважин и, необходимой инженерной инфраструктурой.

На основе многолетнего изучения геологоразведочными и научно-исследовательскими организациями метаноносности угольных пластов ресурсы метана здесь оценены в 13 трлн куб. м до глубины 1800 м и в 5-6 трлн куб. м - до 1200 м; наиболее значительные из них находятся в Ерунаковском, Томь-Усинском, Терсинском и Ленинском районах.

При благоприятной ситуации в сфере налогообложения и высоких ценах на газ к 2020 г. Кузбасс способен выйти на добычу 20 млрд куб. м угольного метана. Этот объем можно будет реализовать в Кемеровской, Новосибирской и Омской областях, а также в Алтайском крае.

При оживлении промышленного производства и развитии энергетики потребление природного газа в Кемеровской области может составить около 32 млрд куб. м/год, весь объем которого предполагается покрыть за счет шахтного метана.

Целевым назначением широкомасштабной добычи метана из угольных пластов является полное обеспечение потребностей шахтерских регионов России собственным местным газом, который является наиболее доступным, наиболее дешевым и наиболее экологически чистым резервом из известных газов, альтернативных природному газу.

---

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 347; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!