Скважинная добыча угля с использованием биодеструкции угольного пласта

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2697 

Кафедра подземной разработки пластовых месторождений

Ю.Ф. Васючков 
А.Ю. Стулишенко 

Скважинная добыча угля 
с использованием  
биодеструкции угольного пласта

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2015 

УДК 622.831.023 
 
В19 

Р е ц е н з е н т  
ученый секретарь горно-металлургической секции  
Российской академии естественных наук, д-р техн. наук Г.Х. Хчеян 

Васючков Ю.Ф. 
В19  
Скважинная добыча угля с использованием биодеструкции 
угольного пласта : учеб. пособие / Ю.Ф. Васючков, А.Ю. Стулишенко. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2015. – 164 с. 
ISBN 978-5-87623-909-9 

Учебное пособие содержит результаты опытно-экспериментальных и аналитических работ в области гидравлической разработки угольных пластов с их 
предварительной микробиологической деструкцией. Излагаются методики и 
показатели процесса биодезинтегрции угля и его влияние на параметры гидравлического разрушения угольного пласта для последующей эффективной 
скважинной добычи угля (СГД). Работа развивает отечественные исследования 
по скважинной разработке, в частности угольных пластов. Издагается концептуальный проект скважинной гидродобычи угля с использованием биодеструкции угольных пластов в условиях Кузнецкого угольного бассейна. 
Предназначено для студентов горных специальностей, работников вузов, 
научно-исследовательских организаций, предприятий горнодобывающей 
промышленности, а также может служить монографией для научных сотрудников минерально-сырьевого комплекса. 
УДК 622.831.023 

ISBN 978-5-87623-909-9 
© Ю.Ф. Васючков,  
А.Ю. Стулишенко, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................5 
I. Состояние проблемы использования технологии  
гидродобычи угля.....................................................................................7 
1.1. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых......................7 
1.2. Устойчивость кровли выемочных камер...................................18 
1.3. Гидравлическое разрушение угля..............................................23 
1.4. Прочность и пористость угольного пласта ...............................30 
1.5. Методы направленного изменения прочности угольного 
массива ................................................................................................34 
II. Биодеструкция угля с целью снижения его прочности..................41 
2.1. Использование микроорганизмов в горном деле .....................41 
2.2. Анализ минеральной структуры угля........................................48 
2.3. Культуры бактерий, пригодные для биодеструкции  
минералов в ископаемом угле ...........................................................53 
2.4. Связь прочности угля с изменением его  
пористо-трещинного объема .............................................................68 
2.5. Исследование кинетических характеристик  
бактериального выщелачивания минералов угля............................75 
III. Методика экспериментальных исследований  
биодеструкции угля................................................................................80 
3.1. Методическое обоснование биодеструкции минералов угля....80 
3.2. Методика культивирования железоокисляющих  
и силикатных бактерий ......................................................................82 
3.3. Оборудование и измерение параметров процесса 
биовыщелачивания.............................................................................85 
3.4. Показатели эффективности биовыщелачивания  
минералов угля ...................................................................................90 
IV. Влияние бактериального воздейтствия на прочность угля ..........98 
4.1. Минералогический анализ углей шахты «Большевик» ...........98 
4.2. Экспериментальные исследования деструкции  
минеральной составляющей угля шахты «Большевик» ...............107 
4.3. Анализ параметров деструкции минеральных  
соединений угля................................................................................108 
4.4. Результаты экпериментального исследования деструкции 
минеральных соединений углей шахты «Большевик»..................114 
V. Технологические решения по применению биотехнологии 
для повышения эффективности скважинной гидродобычи угля.....122 

5.1. Технология биообработки угольного пласта для 
его дезинтеграции.............................................................................122 
5.2. Технологическая схема скважинной гидродобычи  
на основе биодезинтеграции угольного пласта .............................128 
5.3. Особенности скважинной гидродобычи угля на основе 
биодезинтеграции пласта.................................................................132 
5.4. Концептуальный проект скважинной гидродобычи угля  
с применением предварительной биодезинтеграции угольного 
массива на поле шахты «Большевик».............................................139 
5.5. Эффективность СГД с предварительной биообработкой 
угольных пластов № 31 и 32............................................................148 
Заключение............................................................................................157 
Приложение ..........................................................................................158 
Библиографический список.................................................................162 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Биогеотехнология как наука об использовании в горном деле 
фундаментальных закономерностей современных биотехнологий, 
применяемых в пищевой, фармацевтической, сельскохозяйственной 
и химической отраслях экономики развитых стран, достаточно молода. Она зародилась в ХХ веке. В настоящее время биогеотехнология 
позволяет разрабатывать бедные руды, интенсифицировать добычу 
нефти, бороться с опасным угольным метаном в шахтах, обогащать 
полезные ископаемые и добывать ценные металлы.  
Настоящая книга посвящена разработке одной из проблем горного 
производства – проблеме повышения эффективности скважинной 
гидравлической добычи полезных ископаемых, которая позволяет 
минимизировать капитальные затраты и отрицательное воздействие 
на окружающую среду. Способы скважинной разработки угольных 
месторождений могут быть с успехом использованы при выемке 
весьма тонких пластов или участков угольных месторождений, где 
традиционные технологии экономически не оправданы. Использование биогеотехнологии на рудных отвалах или месторождениях с 
бедными рудами уже ведется в промышленном масштабе, например, 
при добыче меди или урана. Этому способствуют меньшие, чем традиционно, затраты на единицу добываемой продукции и более высокая безопасность работ. 
В связи с актуальностью применения биотехнологии в угольной 
промышленности в Московском горном институте в 1965 г. был создан научно-исследовательский отдел по разработке микробиологического и физико-химического методов для угольной промышленности. Это научное направление развивается и сегодня.  
Пособие посвящено развитию технологии скважинной добычи угля, в частности, техническим решениям, направленным на скважинную бактериальную подготовку угольного пласта с целью снижения 
его внутрипластовой прочности.  
Излагаются параметры и особенности работы гидромониторов в 
процессе разрушения угольных пластов. Приводится анализ минеральной составляющей ископаемых углей и информация по выбору 
бактериальных культур для растворения (выщелачивания) отдельных 
минералов. Результаты исследований позволили создать для Кузнецкого угольного бассейна оригинальную технологическую схему 

скважинной добычи угля из пластов-спутников, которые не могли 
быть разработаны с использованием традиционной технологии.  
Результаты, полученные в ходе исследований, основаны на оригинальных экспериментальных методиках. Использованы современные 
аппаратура и программное обеспечение. Биометрические исследования проведены совместно сотрудниками кафедр подземной разработки 
пластовых месторождения (проф. Ю.Ф. Васючков, А.Ю. Стулишенко) 
МГГУ и обогащения руд цветных и редких металлов (ЭкоТех) (проф. 
Э.В. Адамов, канд. биол. наук Л.Н. Крылова, М.С. Гусаков) МИСиС.  
Приведенные в книге аналитические и экспериментальные результаты расширяют и дополняют информацию, полученную на лекциях и практических занятиях по дисциплине «Биотехнология горного производства», что может служить материалом для самостоятельной работы студентов. 
Будущее богатого минерально-сырьевого комплекса России – 
в высокоэффективных, ресурсо- и энергосберегающих технологиях, 
минимизации разрушающего воздействия на геосферы Земли и повышении безопасности горных работ. Этим целям вполне отвечает 
информация, изложенная в данном пособии. 

I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ  
ТЕХНОЛОГИИ ГИДРОДОБЫЧИ УГЛЯ 

1.1. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых 

В основе метода скважинной гидравлической добычи (СГД) полезных ископаемых лежит идея использования энергии гидравлической струи, подводимой к массиву горной породы (угля) в целях его 
разрушения, перевода продукта разрушения в подвижное состояние 
– пульпу и ее транспортировки на поверхность.  
Обычно методом скважинной гидродобычи разрабатываются 
рыхлые, слабосцементированные руды и угольные пласты. Перспективными для этого метода являются все легко диспергируемые, пористые, рыхлые и слабосвязные залежи полезных ископаемых, к которым относятся: месторождения торфа, фосфориты и марганецсодержащие отложения, россыпные месторождения золота, олова, янтаря, алмазов, титана, осадочные месторождения редких и радиоактивных руд, мягкие бокситовые руды, битуминозные песчаники, угли, горючие сланцы и т.п. [1]. 
Большой вклад в развитие технологии скважинной гидравлической добычи полезных ископаемых внесли В.Ж. Аренс, H.И. Бабичев, А.Д. Башкатов, Г.Х. Хчеян, В.В. Сенкус, Н.Ф. Цяпко и др. 
В XIX в. был разработан гидравлический монитор (М.М. Карпинский) как одно из средств разработки золотоносных месторождений, а 
непосредственно сам способ гидровлической добычи угля был предложен в России в 1935 г. советским инженером В.Г. Вишняковым и 
развит В.С. Мучником.  
На сегодняшний день российские ученые имеют более 88 патентов на использование средств и технологий для процессов скважинной гидравлической добычи полезных ископаемых.  
Первые публикации по технологии скважинной гидродобычи относятся к 1936 г. В них было показано, что для определенных горногеологических условий экономически выгодно вести добычу некоторых видов твердых полезных ископаемых (песок, гравий, уголь) через скважины небольшого диаметра (200…300 мм). С 1970-х гг. Российский государственный геологоразведочный университет участвует в разработке этой технологии.  
Принципиальная технологическая схема СГД представляет собой 
систему скважин, пробуренных в пласт полезного ископаемого с по

верхности [2], установленного в них трубопровода для подачи воды 
и сжатого воздуха и откачки пульпы, а также компрессорную и насосную станцию (рис.1.1).  
Основной инструмент для разрушения полезного ископаемого – 
напорная вода, подаваемая через гидромонитор в забой под высоким 
давлением.  
Разрушенная угольная масса в виде пульпы поднимается на поверхность при помощи эрлифта, гидроэлеватора погружными насосами или их комбинацией. Разделение жидкого и твердого осуществляется на специальных площадках, в результате чего твердая фаза складируется, а вода фильтруется и повторно направляется в скважины. 

 

Рис. 1.1. Принципиальная технологическая схема скважинной 
гидродобычи:  
1 – рудный пласт; 2 – компрессор; 3 – воздуховод; 4 – буровой станок; 
5 – добычной агрегат; 6 – добычное поле; 7 – трубоукладчик;  
8 – бульдозер; 9 – водовод; 10 – насосная станция; 11 – всас;  
12 – бассейн осветленной воды; 13 – карта намыва руды;  
14 – тампонажные пробки; 15 – кровля пласта; 16 – целик; 17 – почва 
пласта; 18 – добычная скважина; 19 – гидромонитор; 20 – эрлифт 

Управление процессом добычи осуществляется с поверхности путем изменения расхода и давления рабочих агентов, а также мест воздействия рабочего агента и отбора полезного ископаемого. По мере 
отработки участков месторождения производится их рекультивация, 
которая заключается в ликвидации добычных скважин, планировке 
поверхности и восстановлении культурного слоя.  
Управление кровлей с использованием метода СГД осуществляется 
путем оставления целиков в пустых породах или закладки выработанного пространства в целях добычи дорогостоящей руды или предотвращения деформаций поверхности [2]. Поскольку СГД подразумевает безлюдную выемку, то при прочной и устойчивой кровле дополнительного поддержания кровли в выемочных камерах не требуется.  
Метод СГД может быть реализован путем бурения скважин также 
из подземных или открытых горных выработок (комбинированный 
способ). Общие технологические операции СГД и задачи их осуществления представлены в табл. 1.1. 

Таблица 1.1 

Технологические операции СГД и решаемые ею задачи 

Операция 
Решаемые задачи 

Эксплуатационная 
разведка 

Уточнение физико-геологичесюй обстановки; получение 
полной характеристики рудного тела и вмещающих пород, 
геометризация рудного тела; уточнение запасов; выделение 
разностей руд; определение гидрогеологических параметров 
скважин и пласта 

Вскрытие 

Расчистка и планирование отрабатываемого участка месторождения; бурение и оборудование добычных скважин для 
обеспечения доступа добычного устройства к рудному телу; 
детализация строения и состава рудного тела 

Подготовительные 
работы 

Проходка дренажных выработок; прокладка подъездных 
дорог, сетей электроснабжения, участковых трубопроводов 
для подачи напорной воды, сжатого воздуха и других рабочих агентов, устройство участковых землесосов и прокладка 
пульповода для гидротранспортировки руды на склад или 
обогатительную фабрику 

Производство  
рабочих агентов 

Обеспечение добычного участка напорной водой и сжатым 
воздухом 

Очистная выемка 

Разрушение рудного пласта для перевода его в подвижное 
состояние; управление процессом формообразования камеры; приведение руды во взвешенное состояние и доставка ее 
к выдачному механизму; выдача руды на поверхность; согласование подъема с работами по разрушению и доставке 

Управление горным 
давлением 

Контроль и управление сдвижением горных пород и поверхости для обеспечения безопастности ведения горных работ 
и полноты извлечения полезного ископаемого 

Окончание табл. 1.1 

Операция 
Решаемые задачи 

Транспортировка 

Гидротранспортирование руды от добычных агрегатов на 
склад или обогатительную фабрику; усреднение и частичное 
(попутное) обогащение 

Складирование 
Размещение руды в хранилищах и на карте намыва; усреднение руды 

Рекультивация 

Вовлечение отторженных горными работами земель в использование; восстановление ценности поверхности земли 
(ликвидация добычных скважин; закладка камер; планировка 
поверхности и ее подготовка для сельского хозяйства или 
промышленного строительства) 

 
На рис. 1.2 показан комбинированный метод гидравлической до-
бычи полезных ископаемых, обеспечивающий комплексное использование горных выработок и буровых скважин для осуществления 
процесса гидравлической разработки рудного тела.  

 

Рис. 1.2. Комбинированный метод гидравлической добычи полезных 
ископаемых:  
1 – ствол; 2 – горизонтальные выработки по пустым породам;  
3 – устройства для всасывания породы; 4 – насосные агрегаты;  
5 – добычная скважина; 6 – рудное тело; 7 – гидромонитор;  
8 – вращающаяся головка с соплами; 9 – блок для осуществления 
механического распыления и подачи монитора в забой; 10 – шланг 

Рис. 1.3. Схема разработки ненарушенного угольного пласта по 
возвратной схеме сверху вниз по наклонной скважине:  
1 – разрабатываемый пласт; 2 – обсаженная эксплуатационная 
скважина; 3 – цементация; 4 – превентор; 5 – водоподающая труба;  
6 – гидромониторные насадки; 7 – пульпоподъемная труба 

Отработка запасов методом СГД может быть произведена по прямоточной, возвратной или совмещенной схеме. При прямоточной 
схеме используется две скважины: в одной из них устанавливается 
гидромонитор, а другая подготавливается для транспортировки добытой руды. Максимальная эффективность данной схемы достигается при залегании рудного тела под углом.  
Возвратная схема добычи подразумевает эксплуатацию одной 
скважины для всех технологических процессов (рис. 1.3).  
Совмещенная схема имеет возвратное направление потоков, однако конструкция гидромонитора подразумевает как осевые гидравлические сопла, предназначенные для разрушения рудного тела, так и 
боковые – для финальной зачистки добычной камеры.  
Главные различия между множеством вариантов осуществления 
метода СГД заключаются в способах разрушения и доставки, а также 
в разнообразных конструкциях скважинного оборудования, предназначенного для различных горно-геологических условий применения.  
Отличительной особенностью скважинного оборудования является жесткое требование к поперечным размерам, обусловленное необходимостью его работы в скважине. В комплект предлагаемого оборудования для СГД угля входят: грузовая платформа (служит базой и 
пунктом управления всеми видами оборудования СГД); скважинный 
гидромониторный агрегат; скважинный гидроэлеваторный агрегат; 

скважинный эрлифтный агрегат; устройство для напорного подъема 
гидросмеси; комбинированный гидродобычный агрегат.  
Характерной чертой работы скважинного гидромонитора (рис. 1.4) 
является возможность сопла вращаться вокруг своей оси. Вращение 
позволяет достаточно эффективно производить разрушение угля или 
руды вокруг скважины. Вращение сопла осуществляется за счет реактивной движущей силы потока воды. 
К. Астон (США) предложил использовать поток воды не только 
для разрушения полезных ископаемых, но и для управления скважинной добычей.  

 

Рис. 1.4. Устройство для скважинной гидродобычи руд или угля:  
1 – технологическая вода; 2 – пульпа; 3 – сжатый воздух; 4 – короткие 
трубки с соплами; 5 – система откачки пульпы; 6 – клапан для выхода 
сжатого воздуха; 7 – отвод скважины; 8 – зацементированная до труб 
область скважины 

Один из первых добычных агрегатов, изготовленных в США и 
объединивших в одной трубе гидромонитор и гидроэлеватор, был 
предназначен для разработки рудных пластов практически на любой 
глубине, а также для образования подземных емкостей и расширения 
скважин (рис. 1.5).