Геотехнологические способы разработки месторождений полезных ископаемых

московский 

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

С
О
В
Е
Т 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 

Председатель 

Л.А. 
ПУЧКОВ 
президент 
МГГУ, 
чл. -корр. 
РАН 

Зам. 
председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 
директор 
Издательства 
Ml I У 

Члены 
редсовета 

ИВ. 
ДЕМЕНТЬЕВ 
академик 
РАЕН 

АЛ. 
ДМИТРИЕВ 
академик 
РАЕН 

Б.А. 
К4РТОЗИЯ 
академик 
РАЕН 

А.В. 
КОРЧАК 
академик 
МЛН 
ВШ 

М.В. 
КУРЛЕНЯ 
академик 
РАН 

В. И. 
ОСИПОВ 
академик 
РАН 

В.Л. 
ПЕТРОВ 
академик 
МЛН 
ВШ 

Э.М. 
СОКОЛОВ 
академик 
МЛН 
ВШ 

К Н. 
ТРУБЕЦКОЙ 
академик 
РАН 

В.А. 
ЧАНТУРИЯ 
академик 
РАН 

Е.И 
ШЕМЯКИН 
академик 
РАН 

В Ы С Ш Е Е Г О Р Н О Е О Б Р А З О В А Н И Е 

К.Н. Лазченко 
Б.Д. Терентьев 

геОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ 
СПОСОБЫ РАЗРАБОТКИ 
МЕСТОРОЖДЕНИЙ 
ПОЛЕЗНЫХ 
ИСКОПАЕМЫХ 

Издание 
третье 

Рекомендовано 
Министерствам 
образования 
и на)ки 
Российской 
Федерации 
в 
качестве 
учебного 
пособия 
для студентов 
высшш 
учебных 
заведений, 
обучающихся 
по направлению «Горное 
дело» 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

2 0 0 7 

УДК 622.272 
ББК 33.24 
Л 17 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям 
книжным для взрослых. СанПиН 1.2.1253-03», 
утвержденным 
Главным государственным санитарнъш врачом России 30 марта 
2003 г. 

Л а з ч е н к о К.Н., Т е р е в т ь е в Б.Д. 

Л 17 
Геотехнологические способы разработки месторождений 
полезных ископаемых: Учеб. пособие для вузов. — 3-е изд. — 
М : 
Издательство Московского государственного 
горного 
университета, 2007. — 75 с. 

Рассмотрены перспективные направления разработки месторождений 
полезных ископаемых. Особое внимание уделено проблемам отработки с использованием нетрадиционных методов: подземной газификации угольных 
пластов (ПТУ) и подземному сжиганию утлей (ПТУ). Изложены теоретические вопросы ПГУ и результаты промышленного внедрения данного метода в 
России и за рубежом. Приведены направления дальнейшего развития нетрадиционных методов разработки. 

Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Горное дело». 

ISBN 5-7418-0073-4 

Допечатка 
тиража. 

УДК 622.272 
ББК 33.24 

ISBN 5-7418-0073-4 
К.Н. Лазченко, Б.Д. Терентьев, 
2002,2007 

© 
© 

Издательство МГГУ, 2002,2007 
Дизайн книги. Издательство 
МГГУ, 2002,2007 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение 
6 

1. Состояние развития технологии разработки 
месторождений полезных ископаемых на современном этапе 
8 

1.1.0 необходимости развития новых технологий разработки угля 
9 

1.2. Характерные особенности геотехнологических етодов и их классификация 
10 

1.3. Основные понятия и определения 
14 

1.4. Основные направления развития геотехнологаи 
20 

2. Подземная газификация угля (ПГУ) 
22 

2.1.Основные понятия и представления 
22 

2.2. Основные реакции газификации угля 
24 

2.3. Факторы, влияющие на процесс подземной 
газификации 
32 

2.4. Технология ПГУ 
35 

3. Вскрытие и подготовка месторождений 
42 

3.1. Основные требования 
42 

3.2. Вскрытие месторождений скважинами 
43 

3.3. Буровое оборудование 
46 

3.4. Конструкция скважин 
48 

3.5. Бурение скважин 
49 

3.6. Крепление скважин 
54 

3.7. Заканчивание скважин 
56 

3.8. Исследования в скважинах и документация.... 58 

4. Опыт подземной газификации в странах СНГ 
и за рубежом 
61 

5. Перспективы развития ПГУ 
71 

Список литературы 
75 

5 

ВВЕДЕНИЕ 

Стратегический курс развития народного хозяйства 
на всестороннюю интенсификацию, органически включает в себя разработку мер, направленных на более рациональное использование природных ресурсов при одновре­
менном усилении охраны окружающей среды. По своему 
характеру, специальной и экономической зависимости 
названные проблемы далеко выходят за пределы хозяйственной сферы и производственных задач. В окружающей 
природной среде все более дают о себе знать процессы и 
явления, свидетельствующие о том, что связанное с НТР 
бурное индустриальное развитие во всем мире вызывает 
глубокие изменения во взаимоотношениях человека и 
природы. В этой связи чрезвычайно важным является 
обзорный анализ имеющихся и разрабатываемых новых 
технологий извлечения из недр и переработки полезных 
ископаемых, ключевым фактором развития и внедрения 
которых является ускорение темпов добычи полезных 
ископаемых и повышение экологической эффективности 
НТР в области горной технологии. 

Совершенствование технологии добычи полезных ископаемых не может быть обеспечено без резкого повышения производительности труда и снижения себестоимости 
полезных ископаемых. Известно, что практически за полвека горное дело шагнуло от кайла и лопаты до мощных 
механизированных комплексов. Однако происшедший 
скачок носит скорее количественный, чем качественный 
характер, поскольку в основе технологии добычи попрежнему лежит все те же кайло и лопата, хотя и механические. 

Поэтому так актуально именно сейчас вести поиск 
принципиально новых, нетрадиционных путей добычи 
полезных ископаемых, позволяющих избежать перемещения пустых пород, исключить присутствие под землей 

6 

ВВЕДЕНИЕ 

человека, резко увеличить производительность труда, повысить сохранность окружающей среды. 

При традиционных процессах добычи не происходит 
изменение качественных, физических или химических 
свойств добываемого продукта, поскольку последний извлекается из недр в виде дробленой кусковатой массы и 
только при дальнейшей переработке продукт труда горняка приобретает новые свойства, форму, качества и т.п. 

На современном этапе развития горного дела, когда 
добытый «кусок» обходится очень дорого, да и содержит 
с годами все уменьшающееся количество полезного компонента, его последующая переработка требует затрат не 
сопоставимых с ценностью извлекаемых продуктов. 

На основании сказанного можно предположить, что в 
ближайшее время будет невыгодно извлекать из недр ископаемое в виде «куска», потребуется избирательное извлечение полезных компонентов. 

Осуществление такого подхода к эксплуатации месторождения должно сопровождаться качественными изменениями в горном производстве и, прежде всего, переходом 
процесса добычи от уровня «куска» на уровень иона, молекулы и атома. Поэтому НТР в сфере горного производства 
во многом связана с развитием геотехнологии, как наиболее 
совершенной и «гуманной» по отношению к природе. 

При разработке и реализации перспективных планов 
и программ становится необходимым в полной мере опираться на уже имеющиеся достижения в этой области для 
рационализации природопользования. При этом важное 
значение имеет широкое внедрение безотходных и малоотходных технологий добычи и переработки на месте залегания полезного ископаемого, обогащения и переработки минерального сырья, геотехнологических и других 
методов разработки, оборотного водоснабжения, что позволяет не только в полной мере использовать все полезные компоненты, но и улучшать экологическую обстановку угольных регионов. 

7 

I СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ 

1 | МЕСТОРОЖДЕНИЙ 
ПОЛЕЗНЫХ 
ИСКОПАЕМЫХ 

j НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ 

Прошло несколько тысячелетий с тех пор, как человечество начало добывать и использовать природные минеральные ресурсы, но только в относительно недавнее 
время были освоены современные промышленные методы их добычи и переработки. 

Вторая половина XX века характеризуется бурным 
развитием добычи известных и новых видов минерального сырья, являющихся источником энергии, ценными 
компонентами металлов, строительных материалов, широко используемых в черной и цветной металлургии, топливно-энергетической и химической промышленности и 
др. В настоящее время из минерального сырья извлекаются почти все химические элементы. Это стало возможным 
после того, как в середине XX века горное производство 
начало перестраиваться на базе крупной современной индустрии, а развитие горной науки, благодаря трудам многочисленных научных школ, позволило создать основы 
современной поточной и цикличной технологии добычи и 
обогащения полезных ископаемых. Масштабы мирового 
горного производства в настоящее время настолько велики, что в нем занято около 100 млн. человек [1]. 

В связи с ускоренной отработкой наиболее доступных 
и благоприятных месторождений полезных ископаемых 
значительно усложнились разработки в шахтах и рудниках: горные работы достигли глубин 3-4 км, где температуры пород достигают 50-60°С, а давление газов и воды 
исчисляется многими десятками кгс/см

2. 

Усложнение горно-технологических условий разработки потребовало разработки новых способов управления горным давлением, осушения и дегазации горных 

8 

СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ TEX110Л0ГИИ РАЗРАБОТКИ 

МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ... 

пород, проветривания и др. Кроме этого, с усложнением 
условий разработки возрастает необходимость создания 
эффективных мер для борьбы с внезапными выбросами, 
горными ударами, суфлярными выделениями. 

1.1.0 необходимости развития новых 
технологий разработки угля 

Сильно разветвленные связи энергетики со многими 
другими отраслями, принципиальная ограниченность эффективны запасов природного топлива требуют заблаговременного многоаспектного зондирования сверхдальних 
перспектив развития топливно-энергетического комплекса. Особое внимание в мировой печати за последнее 
время стало уделяться первой четверти XXI века - периоду, когда значительная часть эффективных, в сегодняшнем понимании, мировых запасов нефти и природного 
газа будет исчерпана. Предварительный анализ показывает 
большую вероятность того, что угольная промышленность 
может оказаться в этот период наиболее реалистичной основой развития энергетики, вновь став предметом серьезного 
внимания, но на новой технологической основе. 

Общие тенденции технико-экономического развития 
подземной добычи угля на базе совершенствования существующих технологических способов следует признать не 
очень перспективными. 

Экономический эффект от технического совершенствования существующей принципиальной угледобычи за 
последние десятилетия большей частью расходовался на 
компенсацию наблагоприятной динамики горно-геологических факторов. Качество добываемого угля по мере 
ввода существующих видов техники систематически 
ухудшается. Более того, в последние годы наметилось и 
устойчивое снижение объемов добычи, хотя капиталоемкость собственно угольного производства регулярно рос
9 

ГЛАВА 1 

ла. В целом тенденция технического развития отрасли 
были и являются экстенсивными, а не интенсивными. 
Можно совершенно уверенно сказать, что возможности 
развития и расширения техники, пришщпиально базирующейся на современной технологии угледобычи, будут 
исчерпаны до конца текущего века. 

Изложенное дает основание предполагать, что к тому 
времени остро встанет вопрос о коренных изменениях 
самих основ технологии добычи и использования угля. В 
первой четверти XXI века немыслимо оставаться на базе 
совершенствования ныне применяемых технологий. 

Возможное значение ориентированной в значительной 
мере на уголь топливно-энергетической стратегии в первой 
четверти XXI века определяется прежде всего тем, что: 

• из всех видов ископаемого топлива на долю углей приходится подавляющая часть, и в перспективе только угольные запасы являются практически неисчерпаемыми; 

• геологические запасы угля гораздо более достоверны, чем нефтяные; 

• сроки эксплуатации угольных предприятий более 
продолжительны; 

• существует высокая вероятность реального снижения себестоимости добычи и др. [2]; 

• в силу объективной дрлгосрочности своего существования угольные предприятия в будущем станут главным 
поставщиком горно-химического сырья, в том числе, 
возможно, синтетического моторного топлива [3]. 

1.2. Характерные особенности 
геотехнологических методов и их классификация 

Генеральным направлением создания эффективных, 
экологически чистых способов эксплуатации месторождений полезных ископаемых является разработка 
геотехнологических методов. 

10 

СОСТОЯНИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ 
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ... 

Сущность геотехнологических методов (ГМ) заключается в переводе полезного ископаемого в подвижное 
состояние. Эти методы имеют следующие особенности. 

1. Разработка месторождений ведется через скважины, которые служат для вскрытия, подготовки и добычи 
полезного ископаемого. 

2. Месторождение - объект добычи полезного ископаемого и место его частичной переработки, так как технология добычи предусматривает избирательное извлечение полезных компонентов. 

3. Рудник состоит из трех основных элементов: блока 
приготовления рабочих агентов, добычного поля (рудное 
тело, где протекает процесс) и блока переработки продуктивных флюидов. 

4. Инструментом добычи служат рабочие агенты 
(энергия или ее носители, вводимые в рабочую зону, 
например, химические растворы, электрический ток, вода-теплоноситель и т.п.). 

5. Под воздействием рабочих агентов полезное ископаемое изменяет агрегатное состояние, образуя продуктивные флюиды (раствор, расплав, газ, гидросмесь), которые обладают легкой подвижностью и начинают перемещаться под внешним воздействием. 

6. Разработка месторождения зональна и перемещается во времени у добычных скважин, а сам метод определяет размеры и форму рабочей зоны в эксплуатируемой 
части месторождения. 

7. Управление процессом добычи осуществляется с поверхности путем изменения параметров рабочих агрегатов 
(расход, температура, давление, концентрация и т.д.) и 
места его ввода в залежь и отбора продуктивных флюидов. 

Геотехнологические методы можно классифицировать по способу воздействия на полезное ископаемое 
(рис. 1) и по процессам добычи в основе которых лежат 
вид и способ перевода полезного ископаемого в подвижное состояние (табл. 1.1). 

11