Помощь студентам в учебе
Комплексная оценка каменноугольно-пермских угленосных отложений и разработка промышленно-энергетической классификации ископаемых углей
|
Введение 4
Глава 1 Современные представления о закономерностях образования генетических свойств ископаемых углей и угленосных отложений в каменноугольно-пермский период угленакопления 13
1.1 Анализ проблемы классификации углей и типизации угольных
запасов 13
1.2 Современные представления об углеобразовании и
угленакоплении 21
1.2.1 Основные направления геологического изучения
образования углей и угленосных отложений 22
1.2.2 Особенности процесса углеобразования в позднем палеозое.. 26
1.2.3 Угленакопление в каменноугольно-пермский период 39
1.3 Образование генетических свойств углей 53
1.3.1 Петрографический состав углей 58
1.3.2 Восстановленность углей 67
1.3.3 Метаморфизм углей 76
1.4 Структура углей 84
1.4.1 Теоретические модели структуры углей 85
1.4.2 Особенности электронной и молекулярной структуры
микрокомпонентов и углей 89
1.4.3. Методы определения генетических свойств углей 103
1.5 Основные принципы классификации углей 107
1.5.1 Закономерности изменения технологических свойств углей
от их генезиса 108
1.5.2 Роль восстановленности в оценке коксующихся свойств
углей 113
1.5.3 Марочная классификация и подходы к определению
ценности углей 117
Выводы 116
Глава 2 Методические основы комплексной оценки генетических свойств углей и угленосных отложений 123
Глава 3 Разработка метода комплексной оценки генетических свойств ископаемых углей на основе инфракрасной спектроскопии 133
3.1 Обоснование выбора частот инфракрасного спектра углей 135
3.2 Способы определения генетических свойств углей 143
3.3 Влияние окисленности на спектральные параметры углей 154
Глава 4 Восстановленность углей Кузнецкого бассейна 158
4.1 Особенности углеобразования Кузнецкого бассейна 158
4.2 Сопоставительный анализ критериев углеобразования
и угленакопления 160
4.3 Особенности образования восстановленности в кузнецких углях.. 166
4.4 Восстановленность и гелификация углей бассейна 175
Глава 5 Закономерности изменения восстановленности и гелификации в угленосных отложениях каменноугольно-пермского 185 возраста
5.1 Существующие признаки восстановленности углей Донецкого, 185
Карагандинского, Кузнецкого и Печорского бассейнов
5.2 Закономерности изменения геологических и генетических
показателей в угленосных отложениях разных бассейнов и признаки их 190 сходства и различия
Глава 6 Разработка критериев ценности каменных углей и промышленно-энергетической классификации для единого учёта 222
угольных запасов 223
6.1 Ископаемый уголь и угольное сырьё 228
6.2 Анализ теории о спекающих и коксующих свойствах углей
6.3 Метод оценки коксующейся и коксообразующей способности
ископаемых углей и алгоритм определения их энергогенерирующей 234
способности
6.4 Способ оценки генетического преимущества и совместимости 248
ископаемых углей
6.5 Разработка критериев ценности неоднородных ископаемых 252
углей
6.5.1 Существующие теоретические предпосылки определения 261
углей по ценности
6.5.2 Разработка промышленно-энергетической классификации 265
ископаемых углей
6.6 Разработка подхода типизации каменных углей на основе их
промышленно-генетической, технологической и энергетической 270
ценности для единого учёта угольных запасов 273
Выводы 275
Заключение 278
Список литературы 312
Приложение
Глава 1 Современные представления о закономерностях образования генетических свойств ископаемых углей и угленосных отложений в каменноугольно-пермский период угленакопления 13
1.1 Анализ проблемы классификации углей и типизации угольных
запасов 13
1.2 Современные представления об углеобразовании и
угленакоплении 21
1.2.1 Основные направления геологического изучения
образования углей и угленосных отложений 22
1.2.2 Особенности процесса углеобразования в позднем палеозое.. 26
1.2.3 Угленакопление в каменноугольно-пермский период 39
1.3 Образование генетических свойств углей 53
1.3.1 Петрографический состав углей 58
1.3.2 Восстановленность углей 67
1.3.3 Метаморфизм углей 76
1.4 Структура углей 84
1.4.1 Теоретические модели структуры углей 85
1.4.2 Особенности электронной и молекулярной структуры
микрокомпонентов и углей 89
1.4.3. Методы определения генетических свойств углей 103
1.5 Основные принципы классификации углей 107
1.5.1 Закономерности изменения технологических свойств углей
от их генезиса 108
1.5.2 Роль восстановленности в оценке коксующихся свойств
углей 113
1.5.3 Марочная классификация и подходы к определению
ценности углей 117
Выводы 116
Глава 2 Методические основы комплексной оценки генетических свойств углей и угленосных отложений 123
Глава 3 Разработка метода комплексной оценки генетических свойств ископаемых углей на основе инфракрасной спектроскопии 133
3.1 Обоснование выбора частот инфракрасного спектра углей 135
3.2 Способы определения генетических свойств углей 143
3.3 Влияние окисленности на спектральные параметры углей 154
Глава 4 Восстановленность углей Кузнецкого бассейна 158
4.1 Особенности углеобразования Кузнецкого бассейна 158
4.2 Сопоставительный анализ критериев углеобразования
и угленакопления 160
4.3 Особенности образования восстановленности в кузнецких углях.. 166
4.4 Восстановленность и гелификация углей бассейна 175
Глава 5 Закономерности изменения восстановленности и гелификации в угленосных отложениях каменноугольно-пермского 185 возраста
5.1 Существующие признаки восстановленности углей Донецкого, 185
Карагандинского, Кузнецкого и Печорского бассейнов
5.2 Закономерности изменения геологических и генетических
показателей в угленосных отложениях разных бассейнов и признаки их 190 сходства и различия
Глава 6 Разработка критериев ценности каменных углей и промышленно-энергетической классификации для единого учёта 222
угольных запасов 223
6.1 Ископаемый уголь и угольное сырьё 228
6.2 Анализ теории о спекающих и коксующих свойствах углей
6.3 Метод оценки коксующейся и коксообразующей способности
ископаемых углей и алгоритм определения их энергогенерирующей 234
способности
6.4 Способ оценки генетического преимущества и совместимости 248
ископаемых углей
6.5 Разработка критериев ценности неоднородных ископаемых 252
углей
6.5.1 Существующие теоретические предпосылки определения 261
углей по ценности
6.5.2 Разработка промышленно-энергетической классификации 265
ископаемых углей
6.6 Разработка подхода типизации каменных углей на основе их
промышленно-генетической, технологической и энергетической 270
ценности для единого учёта угольных запасов 273
Выводы 275
Заключение 278
Список литературы 312
Приложение
Актуальность темы исследований. По состоянию на 01.01.2013 г. подтверждённые мировые запасы угля составляют 891,5 млрд тонн (Coal: BP Statistical Review of World Energy June, 2015). В недрах России разведанные запасы углей оцениваются в 193,3 млрд тонн, из которых 85,3 млрд тонн составляют каменные угли, включающие 39,8 млрд тонн коксующихся углей; на действующих предприятиях промышленные запасы каменных и коксующихся углей составляют соответственно 19 и 4 млрд тонн (Таразанов, 2013).
К коксующимся углям относят спекающиеся угли, способные переходить при нагревании без доступа кислорода в кокс, поэтому они являются важным сырьём для технологии слоевого коксования при производстве доменного кокса, необходимого для металлургических и неметаллургических
производств.
По разным оценкам, доля металлургии в общем объёме промышленной продукции в нашей стране составляет 15-17 % и наличие запасов коксующихся углей позволяет иметь собственную сырьевую базу коксования, которая определяет экономику страны. Для промышленности России коксующиеся угли всегда считались стратегическим сырьём и в государственном балансе учитывались отдельно.
В 1962 году Постановлением Госплана СССР введена марочная типизация запасов, которая действует в России до настоящего времени. Данная методология учёта балансовых запасов предполагает деление углей на коксующиеся и энергетические угли (Методика разведки угольных месторождений Кузнецкого бассейна, 1978).
Марка угля - это условное обозначение разновидности углей, близких по генетическим признакам и основным энергетическим и технологическим характеристикам (ГОСТ 17070-87). При определении направления использования углей по марке выделяют технологические и энергетические угли, а в запасах угли числятся как коксующиеся и энергетические. Отметим, что ГОСТ 25543-2013 является основным документом в установлении типа марочных углей при подсчёте балансовых запасов и учёте их добычи, поэтому при применении стандарта правильно было бы выделять коксующиеся, технологические и энергетические угли.
Это подтвердилось на практике в 2011 году, когда угли, находящиеся в недрах, стали объектом налогообложения, т. е. запасы приобрели стоимостную оценку. Для взимания налога на добычу полезного ископаемого (НДПИ) была введена классификация ископаемых углей, в которой марочные угли выделены в группы: коксующиеся, антрациты, бурые угли и угли прочие, по ставкам налога на добычу полезных ископаемых. В данной классификации марка получила дополнительный статус - критерия ценности ископаемых углей.
ГОСТ 25543-2013 не предусматривает определение коксующегося угля, а толкование термина «коксующийся уголь» в ГОСТ 17070-87 «Угли. Термины и определение», на который ссылается ГОСТ 25543-2013, отсутствует. При таких условиях ГОСТ 51588-2000 «Угли каменные и антрациты Кузнецкого и Горловского бассейнов. Технические условия» регламентирует для коксования один перечень марочных углей, а для взимания НДПИ к коксующимся углям относятся другие марочные угли.
Из-за несогласованности, например, в 2013 году запасы углей категории коксующиеся угли в Кузнецком бассейне уменьшились на 5,4 млрд тонн за счёт выбывания углей марок Г, КСН и ТС, активно используемых в коксохимическом производстве для получения металлургического кокса технологией слоевого коксования. Иными словами, без обоснований часть марочных углей, пригодных для коксования, не признаётся коксующимися углями, а в результате произошло реальное снижение стоимости балансовых запасов на 10 %. Подробный анализ приводится в главе 1.
Таким образом, попытка объединить в одном стандарте генетическую и промышленную классификации на основе угольной марки с приданием её функции критерия ценности углей привела к сложной системе ранжирования углей и учёта угольных запасов.
Возникшая проблема включает ряд нерешённых задач, имеющих геологическую, технологическую и методологическую направленности, которые не позволяют создать единый алгоритм классифицирования ископаемых углей и деления запасов по направлениям их использования. Решению этих задач посвящена диссертационная работа.
Идея работы состоит в создании промышленно-генетической классификации ископаемых углей для новой системы типизации запасов на основе критериев их ценности: промышленно-генетической, технологической, энергетической.
Степень разработанности темы. Разработан новый подход,
учитывающий основные направления использования каменных углей, для выделения трёх видов: коксующиеся, энерготехнологические и топливные, и предложена промышленно-энергетическая классификация, обеспечивающая единый учёт данного вида полезного ископаемого на основе его промышленногенетической, технологической и энергетической ценности.
Цель работы - проведение комплексной оценки каменноугольнопермских угленосных отложений разных бассейнов для выявления особенностей образования угольного вещества на стадии седиментогенеза и литогенеза и разработка подходов по выделению промышленно-энергетических типов каменных углей для единого учёта на основе его промышленногенетической, технологической и энергетической ценности.
Задачи исследований:
1. На основе инфракрасной спектроскопии разработать комплексный метод, обеспечивающий определение факторов углеобразования-гелификации, восстановленности и метаморфизации - для распознавания условий накопления и преобразования органического вещества на стадии седиментогенеза и литогенеза.
2. Изучить условия возникновения восстановленности в угленосных отложениях Кузнецкого бассейна и установить её связь с гелификацией углей и их петрографическим составом.
3. Выявить закономерности образования восстановленности углей в угленосных отложениях Донецкого, Карагандинского, Кузнецкого и Печорского бассейнов и установить их связь с процессом гелификации растительной массы в каменноугольно-пермский период углеобразования для определения сходства и различия неоднородных ископаемых углей.
4. Разработать критерии оценки каменных углей, отражающие их коксующую, коксообразующую и энергогенерирующую способности и генетическое преимущество, для создания промышленно-энергетической классификации и определения подхода к выделению типов ископаемых углей, учитывающего направления их использования, - для единого учёта данного полезного ископаемого по его ценности.
Научная новизна работы:
1. Разработан авторский метод комплексной оценки генетических свойств углей: степени гелификации (Пг), восстановленности (Пв) и метаморфизации (Пм) для распознавания условий накопления и преобразования органического вещества на стадии седиментогенеза и литогенеза.
2. Впервые на примере Кузнецкого бассейна в каменноугольно-пермских угленосных отложениях выделен новый вид восстановленности углей, обусловленный эволюцией растений-углеобразователей, характеризующийся как флористическая восстановленность. Образование восстановленности углей в результате неравномерного тектонического погружения осадков (циклогенеза) в области седиментогенеза одного осадочного комплекса автором выделяется как литофациальная восстановленность.
3. Впервые установлено, что сходство угленосных отложений Донецкого, Карагандинского, Кузнецкого и Печорского угольных бассейнов обусловлено доминированием типа болота: мангрового, эвтрофного, мезотрофного, а их различие - проявлением флористической восстановленности углей. Доказано, что сочетание типа болотной среды и особого состава флоры определяет интенсивность гелификации растительной массы вне зависимости от этапов и ритмов угленакопления.
4. Разработаны новые критерии: коксующая (ККС), коксообразующая (КПТК) и энергогенерирующая (КЭГ) способности и генетическое преимущество (КГП) для определения ценности каменных углей. Разработаны промышленноэнергетическая классификация и подход к типизации ископаемых углей на основе их промышленно-генетической, технологической, энергетической ценности для единого учёта данного полезного ископаемого.
Защищаемые положения:
1. Предложен комплексный метод оценки генетических показателей (гелификации, восстановленности, метаморфизации), учитывающий изменение структуры углей и обеспечивающий распознавание особенностей образования угольного вещества на стадии седиментогенеза и литогенеза угленосных отложений.
2. В углях Кузнецкого бассейна установлены два типа восстановленности:
флористическая (Пвфлор), обусловленная эволюцией растений-
углеобразователей под влиянием палеоклиматических и палеогеографических факторов при формировании угленосных отложений, и литофациальная (Пвл-ф), которая является результатом геодинамических условий (циклогенеза) накопления угольных пластов в бассейне.
3. Сходство угленосных отложений Донецкого, Карагандинского, Кузнецкого и Печорского бассейнов обусловлено доминированием типа болота: мангрового, эвтрофного и мезотрофного, а различия - степенью восстановленности углей. Сочетание типа болотной среды и особого состава флоры определяло интенсивность гелификации растительной массы вне зависимости от этапов и ритмов угленакопления.
4. Разработан новый подход, учитывающий основные направления использования каменных углей, для выделения трёх видов: коксующихся, энерготехнологических и топливных, и предложена промышленноэнергетическая классификация, обеспечивающая единый учёт данного вида полезного ископаемого на основе его промышленно-генетической, технологической и энергетической ценности.
Теоретическая и практическая ценность работы.
1. Разработан оперативный метод комплексной оценки на основе ИК- спектроскопии, позволяющий определять степень гелификации, восстановленности и метаморфизации ископаемых углей, для распознавания условиий их накопления на стадии седиментогенеза и преобразования на разных этапах литогенеза.
2. Установлены причины влияния восстановленности на процесс
гелификации углей и выделены два вида восстановленности: флористическая восстановленность, отражающая эволюцию растений-углеобразователей, и литофациальная восстановленность, как результат неравномерного
тектонического погружения осадков (циклогенеза) в области седиментогенеза одного осадочного комплекса.
3. Установлены признаки сходства и различия угленосных отложений разных бассейнов и доказано, что сочетание типа болотной среды и особого состава флоры определяло интенсивность гелификации растительной массы вне зависимости от этапов и ритмов угленакопления
4. Предложены новые критерии: коксующая (ККС), коксообразующая (КПТК) и энергогенерирующая (КЭГ) способности и генетическое преимущество (КГП) для определения ценности каменных углей, промышленно-энергетическая классификация и подход к типизации ископаемых углей на основе их промышленно-генетической, технологической, энергетической ценности для единого учёта данного полезного ископаемого.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечиваются:
- представительным объёмом выборок экспериментальных данных (более 10000 проб), полученных путём проведения специальных лабораторных исследований, а также при выполнении НИР;
- многолетними (более 30 лет) исследованиями автора по оценке генетических, технологических, коксующихся свойств углей Кузнецкого бассейна, проводимых на стадии разведки и эксплуатации месторождений, а также углей Карагандинского и Донецкого бассейнов при оценке и контроле сырьевой базы коксования коксохимических предприятий России и Украины;
- количеством (более 500) пластовых и товарных проб по пластам для изучения комплексным методом на основе инфракрасной спектроскопии совместно с химико-петрографическими анализами для создания оценки генетических свойств углей: степени восстановленности, гелификации и метаморфизации и их коксующих свойств вновь созданным методом определения коксующейся способности углей;
- увязанной межметодным контролем авторской базы данных генетических и технологических параметров углей со справочной апробированной базой данных, созданной разработчиками ГОСТ 25543-2013 «Угли бурые, каменные и антрациты. Классификация по генетическим и технологическим параметрам»;
- результатами анализов углей, полученных на поверенном оборудовании в центре метрологии и стандартизации, использованием стандартных эталонов и стандартизованных методов (ГОСТ Р);
- проведением анализов и определений в аккредитованных лабораториях ОАО «ВУХИН», ОАО «СИБНИИУглеобогащение» и ОАО «Западно-Сибирский испытательный центр»;
- фондовыми материалами ОАО «ВУХИН», отчётами геологических фондов и данными исследований, опубликованных в технической и геологической литературе.
Апробация работы проводилась в Кузнецком центре ВУХИН и ЗападноСибирском испытательном центре. Основные положения и результаты работы докладывались:
- на научных конференциях: «Исследование углей, процессов и продуктов их переработки» (г. Свердловск, 1985 г., 1988 г.), «Совершенствование технологии переработки углей и повышение качества продукции на коксохимических производствах Кузбасса и Алтая» (г. Новокузнецк, 1988 г.);
- на III Всесоюзной конференции Министерства геологии СССР (Ростов - на - Дону, 1990 г.);
- на научно-технических советах: Кузнецкого центра ВУХИН
(г. Новокузнецк, 1985-2005 гг.), Западо-Сибирского испытательного центра (г. Новокузнецк, 1991-1993, 2005 гг.), ПО «Запсибгеология» (г. Новокузнецк, 1985-1993 гг.), ОАО «Междуречье» (г. Междуреченск, 1993 г.), ОАО ОУК «Южкузбассуголь» (г. Новокузнецк, 1995 г.), ОАО «Кокс» (г. Кемерово, 19931995 гг.), ОАО «Алтай-Кокс» (г. Заринск, 1993-1996 гг.), ОАО «НТМК» (г. Нижний Тагил, 1995-2003 гг.), ОАО УК «Кузбассуголь» (г. Кемерово, 2003 г.), ООО «ОФ Анжерская» (г. Анжеро-Судженск, 2004-2007 гг.), АО «Криворожсталь (г. Кривой Рог, 2007 г.);
- на техническом совете филиала ЭКС таможенного управления г.
Новосибирска (2011 г.);
- на советах ГКЗ и ТКЗ (2008-2013 гг.) по защите запасов углей
Сарбалинского месторождения (Кондомский ГЭР) и Увального месторождения (Терсинский ГЭР), запасов на участках: «Шурапский» (Кемеровский ГЭР), «Кировский Глубокий» (Ленинский ГЭР), «Отвальный Южный № 1, 2
и Глубокий» (Ерунаковский ГЭР);
- на XIII Всероссийском угольном совещании «Основные направления геологоразведочных и научно-исследовательских работ на твёрдые горючие ископаемые в современных экономических условиях» (Ростов-на-Дону, 2014 г.).
Личный вклад автора состоит:
- в постановке задач и организации экспериментов, обработке результатов исследований углей и разработке формул и уравнений, в проведении расчётов и создании модели распределения влияния генетических факторов на молекулярное строение углей;
- в создании комплексного метода определения генетических свойств углей на основе ИК-спектроскопии, метода определения генетического преимущества и коксующей способности углей, межметодного контроля для увязки результатов исследования углей разных лабораторий;
- в разработке критериев ценности углей, промышленно-генетической классификации и системы типизации запасов ископаемых углей.
Под руководством автора:
- создан алгоритм контроля качества углей угольных предприятий и обогатительных фабрик, составляющих сырьевую базу коксования Кузбасса;
- разработаны методические рекомендации по идентификации углей, коксов и полукоксов для таможенных целей (г. Новосибирск, Экспертно- криминалистическая служба - Региональный филиал ЦЭКТУ ФТС № 010117/3857 от 08.10.2012 г.)
- создана система экспертной оценки качества, генетических и коксующихся свойств углей для подтверждения их марочной принадлежности, пригодности для производства доменного кокса для идентификации запасов при подсчёте запасов и в качестве объектов налогообложения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 печатные работы, в том числе 32 статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК для публикации научных результатов, в соавторстве получено 1 авторское свидетельство на изобретение, 1 патент на изобретение и 4 ноу-хау.
Особую благодарность автор выражает консультанту д.г.-м.н. профессору С. И. Арбузову и старшим коллегам д.г.-м.н. профессору Л. П. Рихванову, д.г.-м.н. профессору А. К. Мазурову в создании диссертационной работы. Отдельная благодарность коллеге к.т.н. с.н.с. А.С. Станкевичу и коллективу Кузнецкого центра ОАО «ВУХИН»: Ф. М. Станкевич, Н. А. Чегодаевой, Н. И. Подчищаевой, Н. В. Осиповой, Л. А. Надтоке, Т. Д. Недёшевой за помощь в проведении исследований и испытания углей. За помощь в проведении апробации авторских методов диссертант особо признателен директору ООО «ВНИЦуголь» С. А. Пантыкину, директору ООО «ОФ Анжерская» А. Н. Чевге, главному геологу ООО «Кузбасс Недра» А. С. Ющенко.
Структура диссертации оформлена согласно защищаемым положениям.
К коксующимся углям относят спекающиеся угли, способные переходить при нагревании без доступа кислорода в кокс, поэтому они являются важным сырьём для технологии слоевого коксования при производстве доменного кокса, необходимого для металлургических и неметаллургических
производств.
По разным оценкам, доля металлургии в общем объёме промышленной продукции в нашей стране составляет 15-17 % и наличие запасов коксующихся углей позволяет иметь собственную сырьевую базу коксования, которая определяет экономику страны. Для промышленности России коксующиеся угли всегда считались стратегическим сырьём и в государственном балансе учитывались отдельно.
В 1962 году Постановлением Госплана СССР введена марочная типизация запасов, которая действует в России до настоящего времени. Данная методология учёта балансовых запасов предполагает деление углей на коксующиеся и энергетические угли (Методика разведки угольных месторождений Кузнецкого бассейна, 1978).
Марка угля - это условное обозначение разновидности углей, близких по генетическим признакам и основным энергетическим и технологическим характеристикам (ГОСТ 17070-87). При определении направления использования углей по марке выделяют технологические и энергетические угли, а в запасах угли числятся как коксующиеся и энергетические. Отметим, что ГОСТ 25543-2013 является основным документом в установлении типа марочных углей при подсчёте балансовых запасов и учёте их добычи, поэтому при применении стандарта правильно было бы выделять коксующиеся, технологические и энергетические угли.
Это подтвердилось на практике в 2011 году, когда угли, находящиеся в недрах, стали объектом налогообложения, т. е. запасы приобрели стоимостную оценку. Для взимания налога на добычу полезного ископаемого (НДПИ) была введена классификация ископаемых углей, в которой марочные угли выделены в группы: коксующиеся, антрациты, бурые угли и угли прочие, по ставкам налога на добычу полезных ископаемых. В данной классификации марка получила дополнительный статус - критерия ценности ископаемых углей.
ГОСТ 25543-2013 не предусматривает определение коксующегося угля, а толкование термина «коксующийся уголь» в ГОСТ 17070-87 «Угли. Термины и определение», на который ссылается ГОСТ 25543-2013, отсутствует. При таких условиях ГОСТ 51588-2000 «Угли каменные и антрациты Кузнецкого и Горловского бассейнов. Технические условия» регламентирует для коксования один перечень марочных углей, а для взимания НДПИ к коксующимся углям относятся другие марочные угли.
Из-за несогласованности, например, в 2013 году запасы углей категории коксующиеся угли в Кузнецком бассейне уменьшились на 5,4 млрд тонн за счёт выбывания углей марок Г, КСН и ТС, активно используемых в коксохимическом производстве для получения металлургического кокса технологией слоевого коксования. Иными словами, без обоснований часть марочных углей, пригодных для коксования, не признаётся коксующимися углями, а в результате произошло реальное снижение стоимости балансовых запасов на 10 %. Подробный анализ приводится в главе 1.
Таким образом, попытка объединить в одном стандарте генетическую и промышленную классификации на основе угольной марки с приданием её функции критерия ценности углей привела к сложной системе ранжирования углей и учёта угольных запасов.
Возникшая проблема включает ряд нерешённых задач, имеющих геологическую, технологическую и методологическую направленности, которые не позволяют создать единый алгоритм классифицирования ископаемых углей и деления запасов по направлениям их использования. Решению этих задач посвящена диссертационная работа.
Идея работы состоит в создании промышленно-генетической классификации ископаемых углей для новой системы типизации запасов на основе критериев их ценности: промышленно-генетической, технологической, энергетической.
Степень разработанности темы. Разработан новый подход,
учитывающий основные направления использования каменных углей, для выделения трёх видов: коксующиеся, энерготехнологические и топливные, и предложена промышленно-энергетическая классификация, обеспечивающая единый учёт данного вида полезного ископаемого на основе его промышленногенетической, технологической и энергетической ценности.
Цель работы - проведение комплексной оценки каменноугольнопермских угленосных отложений разных бассейнов для выявления особенностей образования угольного вещества на стадии седиментогенеза и литогенеза и разработка подходов по выделению промышленно-энергетических типов каменных углей для единого учёта на основе его промышленногенетической, технологической и энергетической ценности.
Задачи исследований:
1. На основе инфракрасной спектроскопии разработать комплексный метод, обеспечивающий определение факторов углеобразования-гелификации, восстановленности и метаморфизации - для распознавания условий накопления и преобразования органического вещества на стадии седиментогенеза и литогенеза.
2. Изучить условия возникновения восстановленности в угленосных отложениях Кузнецкого бассейна и установить её связь с гелификацией углей и их петрографическим составом.
3. Выявить закономерности образования восстановленности углей в угленосных отложениях Донецкого, Карагандинского, Кузнецкого и Печорского бассейнов и установить их связь с процессом гелификации растительной массы в каменноугольно-пермский период углеобразования для определения сходства и различия неоднородных ископаемых углей.
4. Разработать критерии оценки каменных углей, отражающие их коксующую, коксообразующую и энергогенерирующую способности и генетическое преимущество, для создания промышленно-энергетической классификации и определения подхода к выделению типов ископаемых углей, учитывающего направления их использования, - для единого учёта данного полезного ископаемого по его ценности.
Научная новизна работы:
1. Разработан авторский метод комплексной оценки генетических свойств углей: степени гелификации (Пг), восстановленности (Пв) и метаморфизации (Пм) для распознавания условий накопления и преобразования органического вещества на стадии седиментогенеза и литогенеза.
2. Впервые на примере Кузнецкого бассейна в каменноугольно-пермских угленосных отложениях выделен новый вид восстановленности углей, обусловленный эволюцией растений-углеобразователей, характеризующийся как флористическая восстановленность. Образование восстановленности углей в результате неравномерного тектонического погружения осадков (циклогенеза) в области седиментогенеза одного осадочного комплекса автором выделяется как литофациальная восстановленность.
3. Впервые установлено, что сходство угленосных отложений Донецкого, Карагандинского, Кузнецкого и Печорского угольных бассейнов обусловлено доминированием типа болота: мангрового, эвтрофного, мезотрофного, а их различие - проявлением флористической восстановленности углей. Доказано, что сочетание типа болотной среды и особого состава флоры определяет интенсивность гелификации растительной массы вне зависимости от этапов и ритмов угленакопления.
4. Разработаны новые критерии: коксующая (ККС), коксообразующая (КПТК) и энергогенерирующая (КЭГ) способности и генетическое преимущество (КГП) для определения ценности каменных углей. Разработаны промышленноэнергетическая классификация и подход к типизации ископаемых углей на основе их промышленно-генетической, технологической, энергетической ценности для единого учёта данного полезного ископаемого.
Защищаемые положения:
1. Предложен комплексный метод оценки генетических показателей (гелификации, восстановленности, метаморфизации), учитывающий изменение структуры углей и обеспечивающий распознавание особенностей образования угольного вещества на стадии седиментогенеза и литогенеза угленосных отложений.
2. В углях Кузнецкого бассейна установлены два типа восстановленности:
флористическая (Пвфлор), обусловленная эволюцией растений-
углеобразователей под влиянием палеоклиматических и палеогеографических факторов при формировании угленосных отложений, и литофациальная (Пвл-ф), которая является результатом геодинамических условий (циклогенеза) накопления угольных пластов в бассейне.
3. Сходство угленосных отложений Донецкого, Карагандинского, Кузнецкого и Печорского бассейнов обусловлено доминированием типа болота: мангрового, эвтрофного и мезотрофного, а различия - степенью восстановленности углей. Сочетание типа болотной среды и особого состава флоры определяло интенсивность гелификации растительной массы вне зависимости от этапов и ритмов угленакопления.
4. Разработан новый подход, учитывающий основные направления использования каменных углей, для выделения трёх видов: коксующихся, энерготехнологических и топливных, и предложена промышленноэнергетическая классификация, обеспечивающая единый учёт данного вида полезного ископаемого на основе его промышленно-генетической, технологической и энергетической ценности.
Теоретическая и практическая ценность работы.
1. Разработан оперативный метод комплексной оценки на основе ИК- спектроскопии, позволяющий определять степень гелификации, восстановленности и метаморфизации ископаемых углей, для распознавания условиий их накопления на стадии седиментогенеза и преобразования на разных этапах литогенеза.
2. Установлены причины влияния восстановленности на процесс
гелификации углей и выделены два вида восстановленности: флористическая восстановленность, отражающая эволюцию растений-углеобразователей, и литофациальная восстановленность, как результат неравномерного
тектонического погружения осадков (циклогенеза) в области седиментогенеза одного осадочного комплекса.
3. Установлены признаки сходства и различия угленосных отложений разных бассейнов и доказано, что сочетание типа болотной среды и особого состава флоры определяло интенсивность гелификации растительной массы вне зависимости от этапов и ритмов угленакопления
4. Предложены новые критерии: коксующая (ККС), коксообразующая (КПТК) и энергогенерирующая (КЭГ) способности и генетическое преимущество (КГП) для определения ценности каменных углей, промышленно-энергетическая классификация и подход к типизации ископаемых углей на основе их промышленно-генетической, технологической, энергетической ценности для единого учёта данного полезного ископаемого.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечиваются:
- представительным объёмом выборок экспериментальных данных (более 10000 проб), полученных путём проведения специальных лабораторных исследований, а также при выполнении НИР;
- многолетними (более 30 лет) исследованиями автора по оценке генетических, технологических, коксующихся свойств углей Кузнецкого бассейна, проводимых на стадии разведки и эксплуатации месторождений, а также углей Карагандинского и Донецкого бассейнов при оценке и контроле сырьевой базы коксования коксохимических предприятий России и Украины;
- количеством (более 500) пластовых и товарных проб по пластам для изучения комплексным методом на основе инфракрасной спектроскопии совместно с химико-петрографическими анализами для создания оценки генетических свойств углей: степени восстановленности, гелификации и метаморфизации и их коксующих свойств вновь созданным методом определения коксующейся способности углей;
- увязанной межметодным контролем авторской базы данных генетических и технологических параметров углей со справочной апробированной базой данных, созданной разработчиками ГОСТ 25543-2013 «Угли бурые, каменные и антрациты. Классификация по генетическим и технологическим параметрам»;
- результатами анализов углей, полученных на поверенном оборудовании в центре метрологии и стандартизации, использованием стандартных эталонов и стандартизованных методов (ГОСТ Р);
- проведением анализов и определений в аккредитованных лабораториях ОАО «ВУХИН», ОАО «СИБНИИУглеобогащение» и ОАО «Западно-Сибирский испытательный центр»;
- фондовыми материалами ОАО «ВУХИН», отчётами геологических фондов и данными исследований, опубликованных в технической и геологической литературе.
Апробация работы проводилась в Кузнецком центре ВУХИН и ЗападноСибирском испытательном центре. Основные положения и результаты работы докладывались:
- на научных конференциях: «Исследование углей, процессов и продуктов их переработки» (г. Свердловск, 1985 г., 1988 г.), «Совершенствование технологии переработки углей и повышение качества продукции на коксохимических производствах Кузбасса и Алтая» (г. Новокузнецк, 1988 г.);
- на III Всесоюзной конференции Министерства геологии СССР (Ростов - на - Дону, 1990 г.);
- на научно-технических советах: Кузнецкого центра ВУХИН
(г. Новокузнецк, 1985-2005 гг.), Западо-Сибирского испытательного центра (г. Новокузнецк, 1991-1993, 2005 гг.), ПО «Запсибгеология» (г. Новокузнецк, 1985-1993 гг.), ОАО «Междуречье» (г. Междуреченск, 1993 г.), ОАО ОУК «Южкузбассуголь» (г. Новокузнецк, 1995 г.), ОАО «Кокс» (г. Кемерово, 19931995 гг.), ОАО «Алтай-Кокс» (г. Заринск, 1993-1996 гг.), ОАО «НТМК» (г. Нижний Тагил, 1995-2003 гг.), ОАО УК «Кузбассуголь» (г. Кемерово, 2003 г.), ООО «ОФ Анжерская» (г. Анжеро-Судженск, 2004-2007 гг.), АО «Криворожсталь (г. Кривой Рог, 2007 г.);
- на техническом совете филиала ЭКС таможенного управления г.
Новосибирска (2011 г.);
- на советах ГКЗ и ТКЗ (2008-2013 гг.) по защите запасов углей
Сарбалинского месторождения (Кондомский ГЭР) и Увального месторождения (Терсинский ГЭР), запасов на участках: «Шурапский» (Кемеровский ГЭР), «Кировский Глубокий» (Ленинский ГЭР), «Отвальный Южный № 1, 2
и Глубокий» (Ерунаковский ГЭР);
- на XIII Всероссийском угольном совещании «Основные направления геологоразведочных и научно-исследовательских работ на твёрдые горючие ископаемые в современных экономических условиях» (Ростов-на-Дону, 2014 г.).
Личный вклад автора состоит:
- в постановке задач и организации экспериментов, обработке результатов исследований углей и разработке формул и уравнений, в проведении расчётов и создании модели распределения влияния генетических факторов на молекулярное строение углей;
- в создании комплексного метода определения генетических свойств углей на основе ИК-спектроскопии, метода определения генетического преимущества и коксующей способности углей, межметодного контроля для увязки результатов исследования углей разных лабораторий;
- в разработке критериев ценности углей, промышленно-генетической классификации и системы типизации запасов ископаемых углей.
Под руководством автора:
- создан алгоритм контроля качества углей угольных предприятий и обогатительных фабрик, составляющих сырьевую базу коксования Кузбасса;
- разработаны методические рекомендации по идентификации углей, коксов и полукоксов для таможенных целей (г. Новосибирск, Экспертно- криминалистическая служба - Региональный филиал ЦЭКТУ ФТС № 010117/3857 от 08.10.2012 г.)
- создана система экспертной оценки качества, генетических и коксующихся свойств углей для подтверждения их марочной принадлежности, пригодности для производства доменного кокса для идентификации запасов при подсчёте запасов и в качестве объектов налогообложения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 печатные работы, в том числе 32 статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК для публикации научных результатов, в соавторстве получено 1 авторское свидетельство на изобретение, 1 патент на изобретение и 4 ноу-хау.
Особую благодарность автор выражает консультанту д.г.-м.н. профессору С. И. Арбузову и старшим коллегам д.г.-м.н. профессору Л. П. Рихванову, д.г.-м.н. профессору А. К. Мазурову в создании диссертационной работы. Отдельная благодарность коллеге к.т.н. с.н.с. А.С. Станкевичу и коллективу Кузнецкого центра ОАО «ВУХИН»: Ф. М. Станкевич, Н. А. Чегодаевой, Н. И. Подчищаевой, Н. В. Осиповой, Л. А. Надтоке, Т. Д. Недёшевой за помощь в проведении исследований и испытания углей. За помощь в проведении апробации авторских методов диссертант особо признателен директору ООО «ВНИЦуголь» С. А. Пантыкину, директору ООО «ОФ Анжерская» А. Н. Чевге, главному геологу ООО «Кузбасс Недра» А. С. Ющенко.
Структура диссертации оформлена согласно защищаемым положениям.
Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований решаются научные задачи, связанные с геологической оценкой угленосных отложений каменноугольнопермского возраста и разработкой новой методологии классификации каменных углей и запасов России на основе их промышленно-энергетической ценности.
Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
1. Разработан комплексный метод генетической оценки ископаемых углей в границах значений классификационных параметров ГОСТ 25543-88:
Ro = 0,63-1,78 %, ДОК = 2-70 %, Га = 12,9-42,3 %, у = 0-32 мм, с
использованием полос поглощения ИК-спектра на частотах D4000, D3040, D2920, D2860, D2000. D1600, D1260, D1090, D1030, позволяющий определять их степень восстановленности (Пв), гелификации (Пг) и метаморфизации (Пм).
2. Установлено, что образование флористической восстановленности (Пвфлор) в углях Кузнецкого бассейна связано с эволюционным изменением растений-углеобразователей, а результатом неравномерного циклического погружения осадков (циклогенеза) в отдельном осадочном комплексе является литофациальная восстановленность (Пл-ф).
3. Выявлено, что угли, обладающие разным молекулярным строением, но с равными значениями R0 могут считаться «изометаморфными», если они находились в близких постдиагенетических условиях. Термин «изометаморфные угли» должен включать равную степень метаморфизации органического вещества сравниваемых углей и их равные величины по восстановленности и гелификации.
4. Установлено, что однонаправленный характер изменчивости восстановленности и гелификации углей связан со сменой группового состава торфяников и отражает циклическую смену состава фитоценозов в каменноугольно-пермский период угленакопления, а разнонаправленный характер изменения восстановленности с гелификацией отражает цикличность и продолжительность отдельных фаций в угольном бассейне. В результате при изучении лито-фациальной восстановленности углей пластов и угленосных отложений отдельных осадочных комплексов в бассейне следует учитывать уровень флористической восстановленности.
5. На примере Донецкого, Карагандинского, Кузнецкого и Печорского
угольных бассейнов доказано, что сходство угленосных отложений бассейнов обусловлено доминированием типа болота: мангрового, эвтрофного,
мезотрофного, а их различие - интенсивностью проявления флористической восстановленности углей. В результате общий ритм углеобразования не совпадает с ритмами эпох и циклогенеза угленакопления в верхнем палеозое.
6. Установлено, что средний расчётный уровень восстановленности углей для Донбасса соответствует показателю Пв = 0,67 ед., для Карагандинского бассейна Пв = 0,60 ед., для Печорского бассейна Пв = 0,56, ед. и для Кузбасса Пв = 0,48 ед.
7. Экспериментально установлено, что среди спекающихся углей
выделяются по показателю ККС > 1,0 ед. коксующиеся угли, а по показателю КПТК > 1,0 ед. - коксообразующие угли. Для унификации углей разных
бассейнов вводятся комплексный показатель (КГП) - генетическое
преимущество угля, отражающий сочетание генетических факторов, степени гелификации, восстановленности и метаморфизации, которые обусловливают преимущественные технологические особенности угля над другими углями в пределах классификационных параметрах марки.
8. Обосновано, что для ископаемых углей следует применять термин «коксующая способность», а для угольных шихт термин «коксуемость», соответственно, термины «спекающая способность» для ископаемых углей, «спекаемость» для угольных смесей. Предлагаемые показатели ККС, КПТК, КГС являются основными критериями для определения промышленно-генетической и технологической ценности углей.
9. Разработана промышленно-энергетическая классификация и система типизации запасов ископаемых углей, которые обеспечивают ведение единого учёта на основе их промышленно-генетической (ПГЦ), технологической (ТЦ), энергетической (ЭЦ) ценности. Новая система типизации запасов объединяет ГОСТ 25543-2013 и промышленно-энергетическую классификацию (ПЭК) углей, что позволяет правильно идентифицировать угли по двум понятиям - «марка» и «ценность» угля.
10. По показателям ПГЦ, ТЦ, ЭЦ выделяются технологические и энергетические запасы, которые включают коксообразующие угли (ТК), технологические угли (ТЭ), энергогенерирующие угли (ЭГ) и энерготопливные угли (ЭТ) с установленной налоговой ставкой.
11. Рекомендуется использовать промышленно-энергетическую классификацию ископаемых углей как дополнение промышленно-генетической классификации (ГОСТ 25543-2013) для определения типов балансовых запасов РФ и их единого геологического и экономического учёта при разведке и недропользовании.
12. Внедрение оперативного метода комплексной оценки на основе ИК- спектроскопии позволит проводить распознавания условий накопления органической массы на стадии седиментогенеза и её преобразования на разных этапах литогенеза, тем самым использовать их в качестве признаков для поиска перспективных угленосных и нефтеносных отложений.
Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
1. Разработан комплексный метод генетической оценки ископаемых углей в границах значений классификационных параметров ГОСТ 25543-88:
Ro = 0,63-1,78 %, ДОК = 2-70 %, Га = 12,9-42,3 %, у = 0-32 мм, с
использованием полос поглощения ИК-спектра на частотах D4000, D3040, D2920, D2860, D2000. D1600, D1260, D1090, D1030, позволяющий определять их степень восстановленности (Пв), гелификации (Пг) и метаморфизации (Пм).
2. Установлено, что образование флористической восстановленности (Пвфлор) в углях Кузнецкого бассейна связано с эволюционным изменением растений-углеобразователей, а результатом неравномерного циклического погружения осадков (циклогенеза) в отдельном осадочном комплексе является литофациальная восстановленность (Пл-ф).
3. Выявлено, что угли, обладающие разным молекулярным строением, но с равными значениями R0 могут считаться «изометаморфными», если они находились в близких постдиагенетических условиях. Термин «изометаморфные угли» должен включать равную степень метаморфизации органического вещества сравниваемых углей и их равные величины по восстановленности и гелификации.
4. Установлено, что однонаправленный характер изменчивости восстановленности и гелификации углей связан со сменой группового состава торфяников и отражает циклическую смену состава фитоценозов в каменноугольно-пермский период угленакопления, а разнонаправленный характер изменения восстановленности с гелификацией отражает цикличность и продолжительность отдельных фаций в угольном бассейне. В результате при изучении лито-фациальной восстановленности углей пластов и угленосных отложений отдельных осадочных комплексов в бассейне следует учитывать уровень флористической восстановленности.
5. На примере Донецкого, Карагандинского, Кузнецкого и Печорского
угольных бассейнов доказано, что сходство угленосных отложений бассейнов обусловлено доминированием типа болота: мангрового, эвтрофного,
мезотрофного, а их различие - интенсивностью проявления флористической восстановленности углей. В результате общий ритм углеобразования не совпадает с ритмами эпох и циклогенеза угленакопления в верхнем палеозое.
6. Установлено, что средний расчётный уровень восстановленности углей для Донбасса соответствует показателю Пв = 0,67 ед., для Карагандинского бассейна Пв = 0,60 ед., для Печорского бассейна Пв = 0,56, ед. и для Кузбасса Пв = 0,48 ед.
7. Экспериментально установлено, что среди спекающихся углей
выделяются по показателю ККС > 1,0 ед. коксующиеся угли, а по показателю КПТК > 1,0 ед. - коксообразующие угли. Для унификации углей разных
бассейнов вводятся комплексный показатель (КГП) - генетическое
преимущество угля, отражающий сочетание генетических факторов, степени гелификации, восстановленности и метаморфизации, которые обусловливают преимущественные технологические особенности угля над другими углями в пределах классификационных параметрах марки.
8. Обосновано, что для ископаемых углей следует применять термин «коксующая способность», а для угольных шихт термин «коксуемость», соответственно, термины «спекающая способность» для ископаемых углей, «спекаемость» для угольных смесей. Предлагаемые показатели ККС, КПТК, КГС являются основными критериями для определения промышленно-генетической и технологической ценности углей.
9. Разработана промышленно-энергетическая классификация и система типизации запасов ископаемых углей, которые обеспечивают ведение единого учёта на основе их промышленно-генетической (ПГЦ), технологической (ТЦ), энергетической (ЭЦ) ценности. Новая система типизации запасов объединяет ГОСТ 25543-2013 и промышленно-энергетическую классификацию (ПЭК) углей, что позволяет правильно идентифицировать угли по двум понятиям - «марка» и «ценность» угля.
10. По показателям ПГЦ, ТЦ, ЭЦ выделяются технологические и энергетические запасы, которые включают коксообразующие угли (ТК), технологические угли (ТЭ), энергогенерирующие угли (ЭГ) и энерготопливные угли (ЭТ) с установленной налоговой ставкой.
11. Рекомендуется использовать промышленно-энергетическую классификацию ископаемых углей как дополнение промышленно-генетической классификации (ГОСТ 25543-2013) для определения типов балансовых запасов РФ и их единого геологического и экономического учёта при разведке и недропользовании.
12. Внедрение оперативного метода комплексной оценки на основе ИК- спектроскопии позволит проводить распознавания условий накопления органической массы на стадии седиментогенеза и её преобразования на разных этапах литогенеза, тем самым использовать их в качестве признаков для поиска перспективных угленосных и нефтеносных отложений.