Рациональное использование минеральных ресурсов горючих сланцев

Размещено на http://www.allbest.ru/

23

На правах рукописи

ДЖИМИЕВА РИТА БОРИСОВНА

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

Специальность: 25.00.36 - Геоэкология (науки о Земле)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

Екатеринбург 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ» и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Чекушина Татьяна Владимировна

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Болтыров Владимир Босхаевич

кандидат геолого-минералогических наук Широков Михаил Юрьевич

Ведущая организация - Государственное образовательное учреждение «РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Серго Орджоникидзе»

Защита состоится « 20 » октября 2011 г. в 14:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, ГСП, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 (3-й учебный корпус, конференц-зал, ауд. 3326).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат разослан «20» сентября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.280.01 А.Б. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы обусловлена тем, что в связи с истощением активно разрабатываемых в настоящее время традиционных месторождений нефти (рис. 1) необходимо всё большее внимание уделять развитию методов получения нефти из твердых полезных ископаемых, в первую очередь - путем освоения месторождений горючих сланцев, запасы которых составляют около 6,5•10¹³ т. В пересчете на эквивалентную нефть (условное топливо), выделяемую в стандартной реторте, запасы нефти в горючих сланцах составляют 630 млрд. т, что значительно превышает мировые ресурсы жидких углеводородов - 280 млрд. т.

Рис. 1. Соотношение разведанных запасов легкой и тяжелой нефти, битума и сланцевой нефти

При добыче полезного компонента (нефти) из пластов горючих сланцев традиционными методами происходит воздействие природных и горнотехнических факторов на развитие деформационных процессов во вмещающем горном массиве, что приводит к сдвижению пород и руд и образованию провалов.

Кроме этого, применяющиеся в настоящее время на практике технологии освоения месторождений горючего сланца (открытая и подземная разработка) способствуют существенному загрязнению окружающей среды газами, пылью, сточными водами, токсичной горной массой. К тому же они не являются особо ресурсосберегающими.

Все эти факторы предопределяют необходимость и возможность разработки новых ресурсосберегающих методов освоения месторождений горючих сланцев, обеспечивающих защиту верхней части литосферы (до глубины 300 м) от последствий техногенной нагрузки. Основой таких методов будет являться перевод органической составляющей горючих сланцев по месту их залегания в литосфере в жидкую фазу (прежде всего за счет их термообработки), целенаправленное и контролируемое перемещение образуемой сланцевой нефти (на основе воздействия знакопеременного напряжения) по продуктивному пласту к эксплуатационной скважине (пробуренной с земной поверхности), т.е. полный уход от традиционных шахтных или карьерных систем разработок, от извлечения сланцевой руды на дневную поверхность (отсутствие отвалов и обрушения (опускания) земной поверхности), ее обогащения (отсутствие отсева), прямого сжигания сланцевого концентрата на ТЭС (отсутствие золоотвалов).

Вместо того, чтобы добывать горючий сланец и затем его перерабатывать в заводских условиях, на земной поверхности целесообразно обеспечить конверсию керогена (твердого органического вещества, содержащегося в минеральной матрице) в высококачественный промпродукт - жидкие углеводороды на месте залегания в пласте.

Целью работы является обоснование рационального использования минеральных ресурсов горючих сланцев.

Задачи, которые необходимо решить для достижения указанной цели:

1. Исследование геологических особенностей приповерхностных слоев литосферы, как основной компоненты, вмещающей месторождение горючих сланцев, обеспечивающих ресурсосберегающую и геоэкологически безопасную добычу ископаемого.

2. Исследование термодеструкционных свойств горючих сланцев, обеспечивающих их рациональное использование.

3. Определение и исследование геомеханических характеристик горного массива, повышающих эффективность рационального недропользования на месторождениях горючего сланца.

Идея работы заключается в использовании имеющихся закономерностей горного массива для рационального использования минеральных ресурсов месторождений горючего сланца.

Методы исследований:

- анализ научной литературы и патентов в области обоснования защиты верхнего слоя литосферы и возможностей рационального использования минеральных ресурсов месторождений горючего сланца;

- научная систематизация и группирование известных и разработанных автором возможностей геоэкологически щадящего освоения месторождений горючего сланца;

- лабораторные эксперименты.

На защиту выносятся:

1. Интенсивность воздействия на окружающую среду разработки месторождений горючих сланцев определяется их геологическими особенностями, обусловливающими технологию добычи полезного ископаемого. Минимальным геоэкологическим воздействием на окружающую среду обладают скважинные методы.

2. Освоение минеральных ресурсов горючих сланцев рационально с использованием технологии скважинной термодеструкции и выщелачивания. Интенсивность процессов определяется физико-химическими свойствами вмещающих пород и руд.

3. Рациональное использование минеральных ресурсов горючего сланца зависит от проницаемости горного массива, повышение которой основано на выявленных тенденциях её деформации с использованием возможностей знакопеременного воздействия на продуктивный пласт.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- определена взаимосвязь геологических особенностей и способов освоения месторождений горючего сланца, обусловливающих интенсивность геоэкологического воздействия на окружающую среду;

- выявлены закономерности процессов термодеструкции при скважинном освоении месторождений горючего сланца;

- впервые предложено использование знакопеременного воздействия на продуктивный пласт для формирования зон деформации горного массива, определяющего эффективность освоения месторождений горючего сланца.

Практическая значимость работы состоит в том, что определены оптимальные характеристики горного массива, обеспечивающие существенное повышение коэффициента получения полезного компонента, а также значения ресурсосбережении снижение геоэкологической нагрузки на окружающую среду.

Реализация результатов работы. Научные положения диссертации были использованы в курсах лекций: «Комплексное использование минерального сырья», «Управление качеством минерального сырья», «Физические и химические процессы горного и нефтегазового производства», «Геоэкология» и «Инновационные методы шахтной разработки месторождений горючего сланца», читаемых студентам на кафедре нефтепромысловой геологии, горного и нефтегазового дела в Российском университете дружбы народов, Южнорусском государственном технологическом университете и Владикавказском горно-металлургическом техникуме.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается комплексным подходом к решению задач диссертации, высокой надежностью использованных методов экспериментальных и теоретических исследований и удовлетворительной сходимостью их результатов.

Личный вклад автора. Все защищаемые результаты диссертационной работы получены лично автором или в соавторстве.

Апробация работы. Материалы исследований были доложены на научных семинарах кафедры нефтепромысловой геологии, горного и нефтегазового дела РУДН (г. Москва, 2006-2010 гг.) в Российском государственном геологоразведочном университете (г. Москва, 2008 г.) и Владикавказском горно-металлургическом техникуме (г. Владикавказ, 2004-2009 гг.), на Международной научно-технической конференции «ISTIQLOL» «Современная техника и технология горно-металлургической отрасли и пути их развития» (г. Навоий, Узбекистан, 2008, 2010 гг.), VI, VII, VIII и IX Международных конференциях «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (г. Караганда, Казахстан, 2007г.; г. Ереван, Армения, 2008 г.; г. Таллинн, Эстония, 2009 г.; г. Котону, Бенин (Африка), 2010 г.), II, III и IV Международных конференциях «Горное, нефтяное, геологическое и геоэкологическое образование в ХХI веке» (г. Кызыл-Кия, Кыргызтан, 2007г.;г. Горно-Алтайск, Россия,2008 г.; г. Алушта, Крым, 2009 г.; г. Грозный, Россия, 2010г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 учебных пособия, 1 монография, 10 статей (в том числе 6 статей в журналах, рекомендуемых ВАК РФ для специальности «Геоэкология») и 18 тезисов докладов (на международных и российских конференциях).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 159 страницах машинописного текста и включает введение, заключение, пять глав, 63 рисунка и 20 таблиц, а также библиографию из 145 наименований; каждая глава завершается выводами.

Работа выполнена в рамках Инновационной образовательной программы Российского университета дружбы народов «Создание инновационных образовательных программ и формирование инновационной образовательной среды» (руководитель УМК д.т.н., проф. А.Е. Воробьев) и по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (Государственный контракт №П1436 от 3 сентября 2009 г., проект: «Разработка технологии экологически безопасного освоения месторождений горючего сланца»).

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

Первое защищаемое положение. Интенсивность воздействия на окружающую среду разработки месторождений горючих сланцев определяется их геологическими особенностями, обусловливающими технологию добычи полезного ископаемого. Минимальным геоэкологическим воздействием на окружающую среду обладают скважинные методы.

В пределах Прибалтийского сланцевого бассейна (включающего Ленинградское месторождение горючих сланцев) исследован горизонт, представленный доломитизированными и глинистыми известняками, в которых расположены слои кукерсита (рис. 2).

Рис. 2. Характеристика геологического разреза месторождения горючего сланца

Непосредственно кукрузеский горизонт делится на два подгоризонта.

Верхний (хумалаский) содержит тонкие слои горючего сланца с многочисленными включениями конкреций известняка и в границах Прибалтийского бассейна промышленного значения не представляет.

Нижний подгоризонт (кохтлаский) имеет мощность 5-6 м и включает в себя две кондиционные пачки горючего сланца.

Нижняя его пачка состоит из 4-6 разделенных известняком слоев горючего сланца мощностью от 0,1 до 0,9 м и представляет в настоящее время промышленный пласт - объект горных разработок. Однако сложное строение этого пласта значительно затрудняет его эксплуатацию. Вмещающими породами являются известняки, местами доломитизированные и битуминозные, изредка содержащие тонкие прослои горючего газа.

Ордовикские известняки (в том числе кукрузеского горизонта) пересекаются вертикальными трещинами, заполненными преимущественно глинисто-песчаным материалом. Трещины северо-восточного направления часто связаны генетически с карстовыми явлениями. Закарстованные зоны достигают по ширине 10-200 м и по длине 100-2000 м. Для них характерны большие водопритоки, что дополнительно затрудняет добычу горючего сланца.

Не все горные массивы являются устойчивыми длительный период времени. Так, общеизвестном явление оседания земной поверхности (а для морских нефте- и газоразработок - морского дна) вследствие добычи нефти и газа. Также довольно неустойчивыми являются горные породы, вмещающие, пласты горючих сланцев.

Визуальные наблюдения вмещающих массивов по стенам горных выработок выявляют следы взаимного перемещения их слагающих отдельных блоков между собой, а также следы скольжения (рис. 3), что позволяет отнести налегающую над месторождениями полезных ископаемых геологическую толщу к довольно подвижным структурам (независимо от способа их отработки).



Рис. 3. Борозды скольжения по кальциту (фото Каткова Г.А., 2009 г.)

В общем случае разработка пластов горючего сланца приводит к изменению напряженного состояния налегающей геологической толщи и их существенному сдвижению, проявляющемуся в образовании обширных зон деформаций во вмещающем горном массиве и на земной поверхности. Данное обстоятельство предопределено тем, что при проведении горных выработок в районе пласта горючих сланцев исходная устойчивость массива близлежащих горных пород нарушается. В частности, под воздействием изменившегося давления горные породы кровли будут неизбежно деформироваться и смещаться. Поэтому оставшиеся после ликвидации сланцевых шахт в геологической толще пустоты (не заложенные горные выработки) являются потенциальными источниками сдвижений подработанной земной поверхности многие десятки и даже сотни лет. Например, в 2001 г. произошло обрушение земной поверхности над горными выработками в г. Макеевке, Украина (рис. 4).



Рис. 4. Провал на устье старого шахтного ствола (фото Феофанова А.Н., 2007 г.)

В зависимости от сочетания влияющих факторов процесс сдвижения горных пород может локализоваться в прилегающем горном массиве или достигать земной поверхности и проявляться в форме воронок, провалов, террас, уступов, трещин, плавных сдвижений (мульд оседаний и сдвижений) и их различных сочетаний.

В соответствии с проведенными исследованиями, к наиболее перспективным для освоения карьерным способом относятся месторождения горючих сланцев, с нефтенасыщенностью свыше 15%. Так, открытыми методами разрабатываются горючие сланцы на глубине до 90 м, при коэффициенте вскрыши менее 3:1 и мощности продуктивного пласта более 5 м. Однако разработка горючих сланцев открытым способом (рис. 5) при большой вскрыше (свыше 100 м и при мощности продуктивного пласта равной 1,4-1,6 м), экономически бесперспективна. Причем степень извлечения полезного компонента из недр напрямую зависит от применяющегося метода добычи (рис. 6) и составляет: при карьерном методе - 65-85 %, а при скважинном - 25-40 %. Применение шахтных методов разработки целесообразно при освоении сланецсодержащих пород, залегающих в продуктивных пластах, мощностью более 5 м, расположенных на глубине 100-400 м, с битумонасыщением свыше 15 %.

Рис. 5. Зависимость эффективности и геоэкологичности технологии открытой разработки от глубины залегания месторождений горючего сланца:

зона оптимума

Размещено на http://www.allbest.ru/

23

горный массив пласт месторождение

Рис. 6. Сравнительная эффективность различных систем разработки месторождений горючего сланца:

а - извлечение полезного компонента из недр; б - геоэкологическая безопасность; в - себестоимость получения полезного компонента; г - внешние ограничения применимости (глубина залегания, трещиноватость массива, климатические факторы и др.); 1 - открытая разработка; 2 - скважинная разработка; 3 - шахтная разработка

Принципиальное отличие шахтной разработки месторождений горючего сланца от известных методов открытой разработки заключается в переносе технологических процессов по добыче полезного ископаемого с поверхности непосредственно в продуктивный пласт или в близлежащие к нему горизонты. Этим достигается существенное снижение геоэкологической нагрузки на окружающую среду.

В целом способы подземной добычи горючих сланцев можно подразделить на рудные и шахтно-скважинные.

При рудном способе разработки горючий сланец извлекается на дневную поверхность. Впоследствии в заводских условиях содержащийся в них полезный компонент (сланцевая нефть) экстрагируется растворителями, паром или горячей водой (зачастую - с добавкой поверхностно-активных веществ).

К недостаткам рудных способов разработки месторождений сланца относятся существенные объемы горных пород, неизбежно извлекаемые при ведении подземных горных работ и являющиеся впоследствии загрязнителями окружающей среды (почв, вод и атмосферы) при долговременном хранении в отвалах.

Рис. 7. Потери горючих сланцев в опорных целиках

Кроме этого, шахтные технологии, реализуемые в настоящее время на Ленинградском месторождении горючих сланцев (Россия), характеризуются завышенными размерами охранных целиков, что приводит к заниженному извлечению полезного ископаемого из недр (рис. 7). Причем при имеющихся глубинах горных работ (50-150 м) применение различных технологий подземной выемки неизбежно приводит к деформации подрабатываемого массива горных пород, включая земную поверхность (ее обрушение в выработанное пространство шахты - рис. 8).

По окончании горных работ и последующего дробления горной массы на обогатительных фабриках до крупности 300 мм, в ней неизбежно остаются нераскрытыми сростки, которые после обогащения попадают в породные отвалы, и с ними теряется до 5-7 % извлеченного из недр сланца.

Хранение в условиях земной поверхности минеральных отходов обогащения, содержащих определенное количество горючего сланца, также оказывает негативное влияние на окружающую среду. Кроме того, при долговременном хранении такие отвалы зачастую самовозгораются (рис. 9) в результате происходит значительное загрязнение атмосферы образующимися токсичными газами (CO₂, CO, SO₂, H₂S и др.).

При последующем сжигании горючих сланцев на ТЭЦ (для нужд энергетики) возникает большое количество токсичных отходов, поступающих в золоотвал (рис. 10), объем которых напрямую связан с качеством сжигаемого сланца определенной линейной зависимостью. Причем все разновидности серы (содержащейся в горючем сланце) при термической обработке на ТЭС претерпевают значительные изменения в химическом составе. Так, органическая сера частично переходит в сероводород и другие летучие сернистые соединения, а все остальное остается в золе (обусловливая ее повышенную токсичность).

При обеспечении технологии подземной разработки месторождений горючего сланца наблюдается более полное извлечение минерального сырья из недр и более высокое (надежное) сохранение дневной поверхности от проседания и обрушения (рис. 11). В частности, если карьеры негативно влияют на естественный рельеф местности и на геоэкологическую ситуацию в целом, то шахтно-очистная система тоже отрицательное влияние оказывает на окружающую среду, обладая при этом многими преимуществами карьерной и скважиной добычи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

23

Рис. 9. Зависимость случаев самовозгорания отвалов обогатительных фабрик горючих сланцев от содержания полезного компонента в горной массе

Рис. 10. Золоотвал Таллиннской ТЭС



Рис. 11. Характеристика геоэкологических проблем на сланцевых шахтах

Кроме того, в случае ликвидации шахт (например, в ОАО «Ленинградсланец») возникнет необходимость постоянных бюджетных затрат на их поддержание в сухом состоянии из-за опасности геоэкологического загрязнения фенолами грунтовых вод и прилегающего водного бассейна в районе северо-западной Государственной границы России (Нарвское водохранилище, Финский залив). Объем водоотлива на этих шахтах достигает 50 млн м³ в год с высотой подъема более 100 м, при этом 80 % воды требует обязательной очистки.

Таким образом, интенсивность воздействия на окружающую среду разработки месторождений горючих сланцев определяется их геологическими особенностями, обусловливающими технологию добычи полезного ископаемого. Минимальным геоэкологическим воздействием на окружающую среду обладают скважинные методы.

Второе защищаемое положение. Освоение минеральных ресурсов горючих сланцев рационально с использованием технологии скважинной термодеструкции и выщелачивания. Интенсивность процессов определяется физико-химическими свойствами вмещающих пород и руд.

Для существенного повышения темпов добычи углеводородного сырья и обеспечения полноты выработки запасов горючего сланца используют разнообразные способы теплового (термического) воздействия на продуктивный пласт.

Условия проведения экспериментов по пиролизу горючих сланцев:

- субстрат - кероген горючих сланцев;

- размер частиц субстрата: < 0,5 мм;

- навеска субстрата - 200 г;

- температурный диапазон - 250 - 480°С;

- период обработки - 2- 4 часа.

Влияние температуры на значение массопереноса углеводородов предлагается учитывать с помощью следующей формулы:

,

где b - эмпирический коэффициент.

Сланцевая нефть в минеральной матрице горючих сланцев находится в химически связанном состоянии, и для ее перевода в текучее состояние требуется значительная энергия, что может дать термообработка (подвижной очаг горения). Так, энергия диссоциации связи C-H (в зависимости от молекулярной массы и структуры молекулы) колеблется в пределах 320-435 кДж/моль, а энергия диссоциации связи С-С - 250-348 кДж/моль. Причем при разрыве связи С-Н от углеводородной молекулы отрывается водород, а при разрыве связи С-С углеводородная молекула разрывается на две неравные части.

Для эффективного разрыва подобных связей в молекулах углеводородных соединений горючего сланца необходимо обеспечить многофакторное энергетическое воздействие. Причем, характер разрушения химических связей керогена при термическом разложении в большей мере зависит от значения скорости нагревания горючих сланцев. Так, при медленном нагреве керогена избирательно разрушаются наименее прочные связи. При большой скорости нагревания ускоряется и деструкция, но отстаёт от темпа повышения температуры, поэтому сдвигается в область более высоких температур.

При термической обработке горючего сланца происходят сложные превращения, характер которых зависит как от химического строения веществ, составляющих органическую массу, так и от условий их нагревания. В результате протекающих при этом термохимических превращений керогена образуются в неодинаковом количестве и разного состава жидкие, газо- и парообразные, а также твердые продукты горения.

Это объясняется тем обстоятельством, что при нагреве сланцев до 450 °С органический материал разлагается со следующим примерным содержанием: 66 % его превращается в нефтепродукты, 9 % - в газ и 25 % - в кокс.

В процессе подземной термодеструкции горючих сланцев наблюдается несколько зон:

- зона обильного выделения газа и подсмольной воды (в режиме от 200 до 400 ^оС). Происходит выход ароматических углеводородов, в том числе сланцевого бензина, толуола, бензола и сольвента;

- зона обильного выделения смолы (в режиме от 350 до 600 ^оС). При выходе смолы в пределах 20-25 % можно получить 1 т сланцевой смолы с 6 т сортового сланца;

- зона экзотермической реакции и образования пиролизных газов (в режиме от 600 до 950 ^о С) (ориентировочный состав газа: Н₂ - 37 %; СН₄ - 20-30 %; СО₂ - 20-18 %; СО - 13-16 %; Н₂S - 0,5-2,3 %; непредельные углеводороды - 5 %);

- зона превращения углеродного коксового остатка с помощью кислорода в горючие газы (в режиме от 950 до 1300 ^оС).

Суть термоскважинной разработки горючих сланцев с получением энергоносителей и металлов заключается в комплексировании двух известных способов скважинной разработки полезных ископаемых: подземного пиролиза и подземного выщелачивания металлов. Поэтому при разработке металлоносных горючих сланцев задачей подземного пиролиза ставится не только получение экономически целесообразного количества горючего газа и сланцевой нефти, но и подготовка месторождения для последующего подземного выщелачивания.

При осуществлении подземного выщелачивания при годовой отработке 1 млн т горючего сланца можно получить:

- энергетический газ, калорийностью не ниже 960 ккал/м³, в объеме 0,7 млрд м³ и нефтепродуктов в объеме 163 тыс. т;

- объем подготовленной золы к отработке, при зольности 70 %, составит 750 тыс. т.

С коэффициентом извлечения при выщелачивании 0,75 % и потерях до 30 % объем добычи металлов может составить (т): Sr - 1240; Мо - 310; V - 300; Tе - 206; U - 24-45 и т.д.

Таким образом, освоение минеральных ресурсов горючих сланцев рационально с использованием технологии скважинной термодеструкции и выщелачивания. Интенсивность процессов определяется физико-химическими свойствами вмещающих пород и руд.

Третье защищаемое положение. Рациональное использование минеральных ресурсов горючего сланца зависит от проницаемости горного массива, повышение которой базируется на выявленных тенденциях деформации горного массива с использованием возможностей знакопеременного воздействия на продуктивный пласт.

Размещено на http://www.allbest.ru/

23

В ходе исследований было установлено, что развитие деформационных процессов в массивах горных пород (горючих сланцев) зависит как от их исходного физико-механического состояния, так и в значительной степени от вида и скорости нагружения. Причем разрушение горных пород массива под влиянием внешнего воздействия начинается с дефекта (зародыша трещины), который первоначально проявляется в виде микротрещин (рис. 12).

Размещено на http://www.allbest.ru/

23

Система трещин в пластах горючего сланца активно реагирует на внешние динамические воздействия (рис. 13), такие как взрыв зарядов ВВ или гидроразрыв пласта (ГРП). При этом в пласте не только возникают новые, но и «оживляются» старые трещины, обусловленные в прежние периоды вследствие тектонических движений.

Важным представляется соотношение потенциальной эффективности термической и динамической составляющих в обеспечении целенаправленной миграции синтезируемой (выжимаемой из сланца) нефти. Такая неравномерность объясняется силами, приводящими к миграции сланцевой нефти по пласту, т.е. особенностями их воздействия.

Если термическая составляющая обеспечивает некоторое увеличение исходного объема сланцевой нефти, что приводит к ее миграции (вытеснению) и одновременно - к тепловой миграции, то горное давление (динамическая составляющая) производит механическое выдавливание сланцевой нефти в результате раскрываемости трещиноватости.

Знакопеременный метод воздействия на пласт горючего сланца характеризуется следующими особенностями:

- создаются значительно более высокие сжимающие и растягивающие градиенты давления в масштабе, соизмеримом с размерами трещин;

- существует возможность локального и направленного воздействия на определенные зоны продуктивного пласта (как по его радиусу, так и по мощности);

- происходит совместное воздействие на продуктивный пласт теплом и высокими знакопеременными градиентами давления.

В результате такого знакопеременного физического воздействия увеличивается выход сланцевой нефти из продуктивного пласта и одновременно снижается имеющееся геоэкологическое воздействие на окружающую среду при уменьшении энергетических затрат.

Таким образом, рациональное использование минеральных ресурсов горючего сланца зависит от проницаемости горного массива, повышение которой базируется на выявленных тенденциях деформации горного массива с использованием возможностей знакопеременного воздействия на продуктивный пласт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача обоснования рационального использования минеральных ресурсов горючего сланца.

Основные выводы заключаются в следующем.

1. Разработка пластов горючего сланца неизбежно приводит к изменению напряженного состояния горных пород вмещающего массива (налегающей толщи) и их сдвижению, проявляющемуся в образовании обширных зон деформаций в горном массиве и на земной поверхности. В зависимости от преобладания тех или иных факторов процесс деформации вмещающего выработку горного массива может проявляться в виде воронок, провалов, террас, уступов, трещин, мульд оседаний и их различных сочетаний. Причем вид, форма и направление возможной деформации земной поверхности под подземной выработкой определяется её типом, характеристиками (параметрами) и условиями залегания.

2. Показано, что экономичность и геоэкологичность горного производства зависят от выбора конкретной технологии разработки месторождений горючих сланцев, которая определяется особенностями их геологического строения. Так, разработка горючих сланцев открытым способом бесперспективна при большой вскрыше (от 100 м, при усредненной мощности пласта 1,4-1,6 м). Степень извлечения полезного компонента из недр (значение рационального недропользования) зависит от метода добычи и составляет: при карьерном методе - 65-85 %, при скважинном - 25-40 %. Произведено сравнение эффективности традиционных систем разработки месторождений горючего сланца и установлено, что по показателю «извлечение полезного компонента из недр» наиболее эффективна открытая разработка (45 %), а по показателю «геоэкологическая безопасность» - скважинная разработка /СГД/ (50 %).

Охарактеризованы геоэкологические проблемы на сланцевых шахтах, среди которых значительное место занимают отвалы горной массы (75,5 %) и потери полезного ископаемого (15 %).

3. Предложен термоскважинный способ разработки горючих сланцев с получением энергоносителей и металлов, который заключается в комплексировании двух известных способов скважинной разработки полезных ископаемых: подземного пиролиза и подземного выщелачивания металлов. Поэтому при разработке металлоносных горючих сланцев задачей подземного пиролиза ставится не только получение экономически целесообразного количества горючего газа и сланцевой нефти, но и подготовка месторождения для последующего подземного выщелачивания.

4. Разработана технология знакопеременного нагружения рабочего пласта горючего сланца, в плоскости которого расположены добычные скважины, путем подработки нижележащего пласта. «Выдавливание» флюидов в нужном направлении горного массива обусловлено условиями закрытия системы вертикальных трещин и открытия горизонтальных, т.е. знакопеременной пригрузкой рабочего пласта горючих сланцев.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК

1. Воробьев А.Е., Джимиева Р.Б., Чекушина Т.В. Инновационные технологии шахтной разработки высоковязкой нефти // Маркшейдерия и недропользование. - 2008. - № 5.- С. 34-40.

2. Воробьев А.Е., Джимиева Р.Б., Чекушина Е.В. Смена поколений технологий шахтной разработки месторождений высоковязкой нефти // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - № 7. - С. 123-128.

3. Чекушина Е.В., Джимиева Р.Б. Современные технологии разработки месторождений высоковязких нефтей // Естественные и технические науки. - 2008. - № 3 (35). - С. 138-140.

4. Янкевский А.В., Кушеков К.К., Джимиева Р.Б. Система имитационного динамического моделирования производственных процессов // Вестник РУДН, сер. Инженерные исследования. - 2008. - № 3.- С. 112-118.

5. Воробьев А.Е., Джимиева Р.Б., Торресс М.З. и др. Современные природоохранные методы освоения месторождений горючего сланца и высоковязкой нефти // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2009. - № 6. - С. 52-55.

6. Воробьев А.Е., Молдабаева Г.Ж., Джимиева Р.Б. Повышение экологической безопасности освоения месторождений горючих сланцев //Безопасность труда в промышленности. - 2011.- N 2.- С.16-19.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

1. Воробьев А.Е., Джимиева Р.Б. Обоснование инновационных технологий шахтной разработки месторождений сланца и высоковязкой нефти. - Владикавказ: Изд-во СКГТУ, 2008. - 122 с.

2. Воробьев А.Е., Разоренов Ю.И., Игнатов В.Н., Джимиева Р.Б. Инновационные геотехнологии разработки месторождений горючего сланца и высоковязкой нефти: Учебное пособие. - Новочеркасск, Изд-во ЮРГТУ (НПИ), 2008. - 213с.

3. Воробьев А.Е., Шамшиев О.Ш., Сабанов С.М., Джимиева Р.Б., Маралбаев А.О. Эколого-технологические основы инновационной разработки месторождений горючего сланца и высоковязкой нефти. - Бишкек (Кыргызстан): КГТУ, 2011. - 214 с.

4. Воробьев А.Е., Норов Ю.Д., Джимиева Р.Б. Инновационные методы газификации и термодеструкции месторождений горючего сланца / под ред. д.т.н. К.С. Санакулова. Гриф НТС Навоийского горно-металлургического комбината. Бухара (Узбекистан): Изд-во Бухоро, 2011. 168 с.

5. Воробьев А.Е., Джимиева Р.Б. Основные пути рационального использования минеральных ресурсов горючих сланцев //Горный журнал Казахстана. -2011. -№1. - С. 10-14.

6. Воробьев А.Е., Джимиева Р.Б., Чекушина Е.В. Инновационные технологии шахтной разработки месторождений горючего сланца и высоковязкой нефти // Горный вестник Узбекистана. - 2009. - N 1.-С. 25-34.

7. Воробьев А.Е., Джимиева Р.Б. Природоохранная разработка месторождений горючего сланца и высоковязкой нефти // Электронный журнал EnergyFuture.ru / http://energyfuture.ru/slanec_eco.

8. Воробьев А.Е., Джимиева Р.Б. Современные методы прогнозирования возможного развития технологий недропользования // Материалы VII Международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр». - М.: Изд-во РУДН, 2008. - С. 85-88.

9. Воробьев А.Е., Джимиева Р.Б. Экологические основы инновационных геотехнологий на месторождениях горючего сланца и высоковязкой нефти // Труды XVI Международной конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии». - Новороссийск, 2008. - С. 119-122.

10. Воробьев А.Е., Бызеев А.В., Джимиева Р.Б. Обоснование возможности подготовки горючих сланцев для комплексной разработки // Материалы IX Международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр». Москва (Россия) - Котону (Бенин). - М.: РУДН, 2010. - С. 283-289.

11. Воробьев А.Е., Джимиева Р.Б. Целенаправленное управление вмещающего массива при добыче сланцевой руды // Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах. - Белгород; Константа, 2010. - С. 370-371.

12. Абдурахмонов С.А., Курбонов Ш.К., Холикулов Д.Б., Джимиева Р.Б. Выделение органических веществ из горючих сланцев Кызылкумов термопарообработкой // Материалы международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр», г.Москва (Россия) - Котону (Бенин). - М., РУДН, 2010. - С. 206-208.

13. Воробьев А.Е., Портнов В.С., Турсунбаева А.К., Джимиева Р.Б. Обоснование методов газификации месторождений горючего сланца // Труды международного симпозиума «Информационно-коммуникационные технологии в индустрии, образовании и науке». Часть 1. - Караганда: КарГТУ (Казахстан), 2010. - С. 20-25.

14. Воробьев А.Е., Джимиева Р.Б. Инновационная технология подземной дегазации горючего сланца // Вестник ЗабГК: Агошковские чтения. N 3. - Чита: ЗабГК, 2010. С. 19-22.

Подписано в печать 16.09.2011 г. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.

Печать на ризографе. Печ. л. 1,0. Тираж 100 . Заказ № .

Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники издательства УГГУ.

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Размещено на Allbest.ru

...