Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Общая характеристика работы

Актуальность. В России доля природного газа в производстве энергии неоправданно велика. Но в то же время мировая электроэнергетика в среднем на 43% основана на угле: в странах ЕЭС - более 50%, в США - на 56%, в Китае - на 70%, а в России его доля на тепловых станциях составляет 27% (с учетом атомных и гидростанций - 18%). Разведанных запасов газа хватит на 80 лет, тогда как угля - на 300 лет. Эксплуатируемые месторождения газа иссякают, а для освоения новых месторождений (на Ямале, в Баренцевом море) требуются огромные затраты. Цена газа в перспективе вырастет в 5-6 раз. Адекватно подорожает и электроэнергия. Целесообразность прогнозирования тех социальных и экономических рисков, которым может подвергнуться наша страна через 50 лет, очевидна, если ситуация в данной области останется без изменений. Особую остроту приобретает эта проблема для центра европейской части Российской Федерации, где есть один-единственный источник минеральных энергоресурсов - Подмосковный буроугольный бассейн. Однако реализуемые в отрасли процессы реструктуризации и диверсификации угольной промышленности поставили эту угленосную территорию в разряд бесперспективных угольных бассейнов.

В горнодобывающих регионах России создалась напряженная социально-экономическая и экологическая обстановка, что негативно отразилось на качестве и уровне жизни населения этих регионов. Сегодня уже становится очевидной возможность энергетического кризиса и в Центральном федеральном округе, как это было в дальневосточных регионах страны. Наряду с энергетическими проблемами обостряются экологические проблемы, обусловленные ускоряющимися темпами роста потоков твердых бытовых отходов (ТБО) в городах, а эти проблемы можно и нужно решать по-новому, используя геотехнологические подходы.

Анализ технико-экономических обоснований на закрытие угольных шахт свидетельствует о том, что вопросы использования основных фондов ликвидируемых предприятий изучены лишь в первом приближении. В существенной мере это относится как к использованию горных выработок и оставленных запасов полезного ископаемого, так и к подземному захоронению и обезвреживанию отходов производства в виде глубокого захоронения их в скважины или в виде захоронения в естественные или искуственные пустоты на различных глубинах. Значительный опыт захоронения отходов в соляных рудниках или специально создаваемых искусственных пустотах в толщах соли накоплен в Германии. Подземное пространство шахт и железных рудников используется в гораздо меньшей степени. Такой опыт для техногенных пространств Подмосковного буроугольного бассейна с возможностью подземного сжигания отходов совместно с углем является достаточно перспективным.

Таким образом, исследования, направленные на научное обоснование технологий комплексного освоения буроугольных месторождений, характеризуются значительной актуальностью.

Целью диссертации является установление закономерностей развития технологий освоения запасов буроугольного бассейна для обоснования эффективных технологических решений по комплексному использованию энергетического потенциала низкокалорийного и высокозольного бурого угля и практической реализации способов утилизации твёрдых промышленных отходов в подземном пространстве закрываемых шахт, обеспечивающих устойчивое функционирование систем диверсифицированных производств.

Основная идея работы заключается в реализации при обосновании прогрессивных технологических решений по комплексному освоению буроугольных месторождений эффекта объектно-ориентированной адаптивности нетрадиционных короткозабойных систем разработки пластов с неустойчивыми кровлями к специфике проявлений геомеханических и термодинамических процессов при подземном сжигании низкокалорийного и высокозольного угля в смеси с твёрдыми бытовыми отходами.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Комплексное освоение буроугольных месторождений основывается на реализации технологических схем отработки запасов угля, при которых возможно эффективное использование энергетического потенциала в объективно сбалансированной системе «горная выработка - угольный пласт - вмещающие породы - термодинамические процессы подземного сжигания угля и ТБО».

2. Технологии отработки запасов угля на базе существующих комплексов очистного и проходческого оборудования могут быть эффективно реализованы в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий Подмосковного буроугольного бассейна. В то же время при ранжировании геотехнологических требований в современных условиях доминирующим среди них является минимизация ресурсоемкости, позволяющая объективно выделить группы рациональных технологических схем отработки остаточных запасов угля, в условиях форсированного сокращения производственных мощностей при дефиците ресурсов и изменениях конъюнктуры рынка.

3. Параметры систем разработки буроугольных пластов по системе парных камер определяются совместимостью технологических схем очистных и подготовительных работ, а также геомеханическими характеристиками взаимодействия междукамерных целиков с неустойчивыми вмещающими породами.

4. Максимальный КПД теплообменника при устойчивом горении угольного пласта в зависимости от горно-геологических условий обеспечивается при температуре газообразных продуктов горения 473-523 К и расходе 20000 - 50000 м³/ч.

5. Интенсивность горения угля как при технологии подземной газификации угля, так и при технологии «Углегаз», прямо пропорциональна проницаемости, трещиноватости, коэффициенту диффузии кислорода, энергии активации, константе скорости окисления угля и тепловому эффекту реакции кислорода с углем и обратно пропорциональна влажности угля и вмещающих пород.

6. Устойчивое горение угольного пласта достигается при концентрации кислорода в огневом забое, равной C⁰(1+KV)^-1, и оптимальных параметрах газотеплогенератора: расстояния между скважинами и рядами скважин; количества воздуха, подаваемого в нагнетательные скважины; перепада давления, развиваемого источниками тяги.

7. Процесс подземного горения угольного пласта достаточно адекватно моделируется трехмерной системой уравнений тепломассообмена с учетом закономерности Аррениуса для константы скорости хемосорбции кислорода в огневом забое, а также скорости перемещения огневого забоя. При этом вмещающие породы допустимо рассматривать как однородную, изотропную пористую среду.

Новизна работы:

· научно обоснован переход к технологиям подземной разработки месторождений высокозольных бурых углей, базирующимся на принципах комплексного использования минерального сырья месторождения и геотехнологических возможностей подземного пространства угольных шахт по завершении проектного срока службы;

· доказано, что в условиях Подмосковного бассейна можно эффективно использовать как технологию подземной газификации угля, так и технологию «Углегаз», на базе существующего оборудования и обеспечения устойчивого горения бурого угля в фильтрационном канале;

· научно обоснована возможность использования технологической и социальной инфраструктуры Подмосковного бассейна в качестве основной базы создания конкурентоспособных энергосырьевых предприятий;

· сформулированы теоретические положения подземной выемки угольных пластов Подмосковного бассейна, тепломассообменных процессов при подземном сжигании угля забалансовых запасов, а также отходов производств из сферы потребления в горных выработках отработанных шахт, для разработки эффективных геотехнологий комплексного использования низкокалорийного и высокозольного бурого угля и практической реализации геотехнологических способов утилизации промышленных отходов в подземном пространстве шахт;

· установлены закономерности тепломассопереноса при подземном сжигании угольного пласта и ТБО, отличающиеся тем, что подземное горение угольного пласта моделируется трехмерной системой уравнений тепломассообмена с учетом скорости перемещения огневого забоя и закономерности Аррениуса для константы скорости хемосорбции кислорода в огневом забое.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

· корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием классических методов физической химии, математической физики, математической статистики технологического моделирования и современных достижений вычислительной техники;

· представительным объемом лабораторных и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей и обоснованности выводов и рекомендаций;

· результатами опытно-промышленной апробации результатов исследований.

Научное значение диссертации состоит в разработке методической базы обоснования прогрессивных технологических решений по комплексному освоению буроугольных месторождений на принципах гибкого сочетания технологий доработки забалансовых запасов угля и подземного сжигания полезного ископаемого в смеси с ТБО для эффективного использования техногенного пространства шахт.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

· разработаны прогрессивные технологические решения по использованию камерной, камерно-столбовой систем разработки буроугольных пластов с неустойчивыми кровлями;

· предложены технологические схемы размещения ТБО в выработанных пространствах шахт;

· разработаны рекомендации по организации участка «Углегаз» на закрываемых шахтах Подмосковного бассейна;

· разработаны рекомендации по рациональному теплоснабжению объектов инфраструктуры закрываемых шахт на основе использования продуктов подземного сжигания угля и ТБО;

· определены направления по повышению теплотехнических возможностей подземных газотеплогенераторов при сжигании угля и ТБО на шахтах;

· разработана структура и функциональные принципы организационно многопрофильных конкурентоспособных горных производств в новых экономических условиях;

· сформулированы концептуальные положения по обеспечению эффективного и устойчивого функционирования буроугольных шахт нового технического уровня, реализующих экологически чистые геотехнологии.

Реализации работы. Рекомендации по рациональному использованию продуктов горения угольного пласта при его подземном сжигании приняты к реализации при формировании системы теплоснабжения объектов инфраструктуры шахты №3 «Киреевская» ш/у «Владимировское» ПО «Тулауголь».

Технологические предназначения по использованию штреков главных направлений для размещения ТБО и формированию дополнительных искусственных полостей (камер) в охранных целиках, задействуемых при сжигании смеси угля и ТБО, одобрены и рекомендованы ПО «Тулауголь» к реализации в практике планирования мероприятий по закрытию шахт.

Основные научные результаты диссертации используются в учебном процессе Московского государственного горного университета и Тульского государственного университета при подготовке дипломированных специалистов по направлениям «Горное дело» и специальности «Охрана окружающей среды и рациональное природопользование».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы обсуждались и получили одобрение на научных симпозиумах, проводимых в МГГУ в рамках «Недели горняка» (Москва, 2001 - 2007), на 3-м Международном симпозиуме «Mining Environmental Protection» (Югославия, г. Белград 2001-2003), 2-й Международной конференции «Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых и переработки отходов горной промышленности» (г. Тула, 2003), 1-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула 2003), 2-й Международной конференции «Социально - экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Москва - Тула, 2005), Ежегодных конференциях профессорско-исследовательского состава (2001 - 2006), научных семинарах кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ (2001 - 2007).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 29 научных трудов, включая 3 монографии, 15 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, содержит 35 иллюстраций, 18 таблиц и список литературы из 270 наименований.

Автор диссертационной работы выражает глубокую благодарность чл. - корр. РАН, доктору технических наук, проф. Л. А. Пучкову за методическую помощь, сотрудникам кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ за содействие при проведении научных исследований.

2. основное содержание работы

Развитие концептуальных положений комплексного освоения буроугольных месторождений и подземного пространства отработанных шахт, утилизация отходов и создание нетрадиционных технологий в ведущих угольных бассейнах России приобрели исключительную актуальность. К настоящему времени российскими и зарубежными школами разработаны научные основы комплексного освоения недр, подземной газификации и подземного сжигания угля для получения тепловой энергии, основанные на использовании классических законов термодинамики, физической химии и математической физики. Фундаментальные теоретические положения и практические рекомендации по процессам подземной добычи и физико-химической геотехнологии отработки угольных месторождений сформулированы в трудах академиков Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, К.Н. Трубецкого, чл.-корр. РАН Л.А. Пучкова, Д.Р. Каплунова. В дальнейшем эти научные принципы были развиты в трудах докт.техн.наук, проф: А.С Бурчакова, Б.Ф. Васючкова, Н.М. Качурина, А.Б. Ковальчука, Ю. Н. Кузнецова, а.с. Малкина, г.и. Селиванова, В.Е. Савченкова, В.И. Сарычева, А.И. Сычева, Г.А. Янченко, с.а. Ярунина; канд.техн.наук И.М. Закоршменного и др.

Современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме, а также цель и идея работы обусловили необходимость постановки и решения следующих задач исследований.

1. Разработка прогрессивных технологических схем выемки угля с учетом возможности размещения пород в горных выработках и практической реализации селективной отработки участков шахтных полей с ограниченными запасами и уточнение их рациональных технологических и геомеханических характеристик.

2. Изучение геолого-промышленной специфики функционирования экспериментального участка «Углегаз» и исследования технологических схем подземного сжигания угольных пластов в условиях Подмосковного бассейна.

3. Разработка концептуальных положений по созданию и внедрению экологически рациональной технологии добычи и переработки углей Подмосковного бассейна как основы реструктуризации угольной промышленности центра России.

4. Исследование свойств органо-минеральных удобрений из бурых углей для оценки их влияния на свойства дерново-подзолистой почвы, получения радиохимической характеристики и определения качественного и количественного состава гуминовых кислот в углях Подмосковного бассейна.

5. Оценка потенциальных возможностей подземного пространства закрывающихся шахт Подмосковного бассейна для размещения нетоксичных отходов по факторам длительной устойчивости выработок и гидрогеологии, обоснование параметров технологии размещения и термического обезвреживания ТБО в шахте, экономическая оценка предложенного варианта.

6. Установление факторов, определяющих устойчивость работы газотеплогенератора.

7. Математическое моделирование подземного горения угольного пласта для определения оптимального расположения скважин при бесшахтной отработке запасов угля и исследование динамики теплообмена при комбинированной технологической схеме подачи воздуха и удаления продуктов горения угля.

8. Физическое моделирования различных схем отработки запасов пласта по технологии «Углегаз».

9. Осуществление вероятностно-статистического анализа результатов стендовых испытаний опытно-промышленного газотеплогенератора.

Территория региона, на которой расположен тот или иной промышленно-технологический комплекс (в том числе и угледобывающий), является сложной социально-экономической системой, где сам промышленно-технологический комплекс представляет собой открытую технологическую и социально-экономическую подсистему, связанную в иерархическом отношении с другими подсистемами как по вертикали, так и по горизонтали. Территории угледобывающих регионов являются сложными социально-экономическими и техническими системами, управление которыми в силу большого количества объектов и связей как внутренних, так и внешних, требует оперативной информации о последствиях решений, принимаемых должностными лицами. Прогнозные результаты принимаемых крупномасштабных решений обычно хорошо видны в пределах области знаний, получаемых при анализе функционирования упрощенной экономической модели, и могут быть упущены, ввиду многосвязности, в других областях знаний, не учтенных в данной модели, но именно эти результаты, как правило, и представляют негативные последствия принимаемых крупномасштабных решений.

Показательным в этом отношении является пример Подмосковного бассейна. На начальном этапе освоения добыча угля в Подмосковном бассейне составляла всего лишь 9000 - 83000 т в год (период с 1858 по 1870 гг.), перед второй мировой войной в 1940 году было добыто более 10 млн. т угля, а наибольшая добыча - 42-47 млн. т - приходится на 1956 - 1960 годы. В настоящее время акционерная компания «Мосбассуголь» преобразована в ОАО «Мосбассуголь» и добывает не более 1 млн. угля в год. Все это привело к необходимости разработки технологических решений комплексного использования угольных месторождений Подмосковья.

Концептуальная формула комплексного подхода заключается в том, что создание конкурентоспособных энерго - сырьевых предприятий и устойчивой системы новых рентабельных рабочих мест на базе технологической и социальной инфраструктуры действующих шахт и строящихся шахт Подмосковного бассейна обеспечивается экологически чистой технологией комплексного освоения недр и нетрадиционного использования подземных пространств существующих и вновь проводимых горных выработок, внедрения принципов гибкой технологии комплексного освоения угольных месторождений и создания энерго - сырьевых комбинатов на промплощадках закрывающихся и действующих шахт.

Требования к технологическим схемам ведения очистных и подготовительных работ, позволяющие в наибольшей степени учитывать горно-геологические условия эксплуатации угольных шахт Подмосковного бассейна, можно сформулировать следующим образом.

1. Для практической реализации систем разработки угольных пластов короткими очистными забоями необходимо обеспечивать рациональную увязку выемочного, транспортного и иного оборудования по всему комплексу горных работ.

2. Необходимо использовать в технологических системах шахт как серийно выпускаемые, так и опытные образцы оборудования с относительно низкими стоимостными характеристиками и перспективой использования местных и региональных производственных и ремонтных баз.

3. Необходимо исключить из технологических систем трудоемкие, материалоемкие, многоступенчатые и опасные процессы и операции и параллельно осуществить максимальную унификацию (многофункциональность) оборудования.

4. Доведение до минимума, определяемого порогом экономической целесообразности, потери полезного ископаемого.

5. Обеспечение высоких показателей надежности технологических систем в целом и их структурных элементов.

6. Ориентация на относительно простые схемы организации производства при высоких темпах ведения очистных и подготовительных работ.

7. Обеспечение возможности включения в структуры технологических систем процессов размещения различных веществ с учетом их агрегатного состояния в выработанном пространстве.

При ранжировании требований в современных условиях доминирующим требованием является обеспечение минимальной ресурсоемкости (без снижения требований безопасности и охраны недр). Это требование позволяет выделить следующие группы технологических схем отработки ограниченных запасов угля в условиях форсированного сокращения производственных мощностей при ограниченных ресурсах, меняющихся требованиях к качеству угля и функциональному диапазону технологий.

1. Технологические схемы выемки угля проходческими комбайнами при камерных системах разработки пластов.

2. Технологические схемы на основе специального оборудования.

3. Технологические схемы бурошнековой выемки угля.

Технологической основой указанных групп является структурное сочетание средств выемки, вентиляции, транспорта и водоотлива, которое можно легко обеспечить в настоящее время применительно к условиям функционирования ОАО «Мосбассуголь». Минимизация ресурсоемкости позволяет выделить группы технологических схем выемки ограниченных запасов угля в условиях форсированного сокращения производственных мощностей при ограниченных ресурсах, меняющихся требованиях к качеству угля и функциональному диапазону технологий.

Технология выемки и транспортирования угля на основе проходческого оборудования может быть реализована в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий Подмосковного бассейна и для этих условий разработаны различные рациональные варианты технологий. Для селективной выемки пластов со сложной структурой перспективными являются флангово-фронтальная и короткозабойная фронтальная технологии, например, с применением машины фронтально-избирательного действия, которая имеет телескопическую стрелу с дисковым рабочим органом, снижающим динамические удары.

Применение самоходной платформы в конструкции машины весьма перспективно для создания выемочного механизма в рамках короткозабойной технологии. Бурошнековая технология может быть принята как базовая для разработки универсальных совмещенных технологических схем очистных и подготовительных работ на пологих пластах тонких и средней мощности в составе проходческих и буро-закладочных комплексов для выборочной и селективной отработки угольных месторождений Подмосковного бассейна.

Технология отработки угольных пластов камерными системами разработки представлена на рис. 1 - 3, а систематизация технологий разработки угольных пластов короткими забоями на рис. 4.

На следующем этапе в диссертации в процессе обоснования геотехнологических принципов ликвидации твердых бытовых отходов (ТБО) была уточнена структура варианта размещения затаренных ТБО в подземном пространстве шахты, включая дополнительные полости, с последующим сжиганием совместно с углем. Вычислительные эксперименты позволили определить исходные данные и установить закономерности материального и топливного баланса процесса сжигания смеси бурого угля и твердых бытовых отходов. Таким образом, были установлены закономерности изменения показателей сжигания от скорости горения смеси и обоснованы эффективные режимы горения, увязанные с технологическими возможностями (проведение камер, транспортные схемы и т.п.).

При заданных объёмах подземного пространства по размещению ТБО необходимая минимальная скорость горения смеси G_см составит 0,881 кг/с, максимальная - 3,038 кг/с. Температура смеси на выходе из угольного канала в зависимости от G_см - от 400 до 700 К.

Длина угольного канала горения, обеспечивающего полное сгорание угля при рассматриваемых G_см, Т_г и количестве одновременно сжигаемых блоков (n_бл =1,2,4), находится в диапазоне от 73,5 м до 112,5 м.



Рис. 1. Отработка запасов угольного пласта тупиковыми камерами с их расширением прямым ходом

а) с поддержанием выработанного пространства; б) с частичным погашением камеры за крепью; 1 - конвейерный штрек; 2 - вентиляционный штрек; 3 - отработанная камера; 4- формируемая камера; 5 - камера с расширением; 6 - проходческий комбайн; 7 - ленточный конвейер; 8 - перегружатель; 9 - участковый конвейер; 10 - вентиляционный став; 11 - междукамерные целики; 12 - перемычка; 13 - индивидуальные гидростойки; 14 - деревянные стойки; 15 - самодвижущаяся комплектная крепь

Рис. 2. Отработка запасов угольного пласта камерами при их расширении обратным ходом

а) с поддержанием выработанного пространства; б) с частичным погашением камеры за крепью; 1 - конвейерный штрек; 2 - вентиляционный штрек; 3 - отработанная камера; 4- формируемая камера; 5 - камера с расширением; 6 - проходческий комбайн; 7 - ленточный конвейер; 8 - перегружатель; 9 - участковый конвейер; 10 - вентиляционный став; 11 - междукамерные целики; 12 - перемычка; 13 - индивидуальные гидростойки; 14 - деревянные стойки; 15 - самодвижущаяся комплектная крепь; 16 - обходная выработка

Рис. 3. Отработка запасов угольного пласта камерами с их расширением обратным ходом и полным погашением

1 - конвейерный штрек; 2 - вентиляционный (монтажный) штрек; 3 - отработанная камера; 4- формируемая камера; 5 - камера с расширением; 6 - проходческий комбайн; 7 - ленточный конвейер; 8 - перегружатель; 9 - участковый конвейер; 10 - вентиляционный став; 11 - междукамерные целики; 12 -перемычка; 13 - индивидуальные гидростойки; 14 - деревянные стойки; 15 - двойной комплект самодвижущейся крепи; 16 - обходная выработка

Установлено, что отклонения от идеального режима горения и связанное с ними добавление горючих газов в продукты подземного сжигания угля и ТБО практически не изменяют материальный баланс процесса и теплофизические свойства продуктов сжигания.

Наиболее целесообразным вариантом технологии сжигания смеси угля и ТБО является сжигание её с необходимой массовой скоростью в одном канале горения (одном блоке). Установлено, что существующая схема вентиляции шахты не требует корректировки. С участием автора разработаны технические требования к теплотехническому комплексу поверхности и предложены компоновочная схема и основной состав.

Геотехнологические параметры определяются для схемы, при которой производится совместное сжигание отходов, размещенных в камерах (дополнительных полостях), и угля в междукамерных целиках. Ширину каждой из сооружаемых камер принимаем равной 4 м, а длина определяется размерами угольных целиков по линии расположения камер и составляет до 50 м.

При таком способе фронт горения угля и ТБО наиболее рационально ориентировать перпендикулярно длинной оси камер и межкамерных угольных целиков шириной 4 м. Такая ориентировка фронта горения гарантирует относительно стабильные поперечные размеры канала горения по всей его длине, а также наиболее полное выгорание угля и ТБО.

В последнем случае достигается наиболее полная экологическая безопасность остатков ТБО, получаемых в результате их сжигания в смеси с бурым углем. В качестве базового объекта исследований были использованы шахты ОАО «Мосбассуголь».

Бурый уголь шахт ОАО «Мосбассуголь» является типичным для бурых углей Подмосковного угольного бассейна. Марка угля - Б2, состав угля на рабочую массу ~ W_t=33%, А =23,5%, S -2,9%, С = 29,1%, Н = 2,2%, N =0,6%, О = 8,7%, низшая теплота сгорания угля на рабочую массу Q = 10500 кДж/кг, по данным исследований, проведённых в МГГУ, средняя теплота сгорания ТБО на рабочую массу составляет Q_i = 6300 кДж/кг. Состав ТБО на рабочую массу вариабелен, поэтому их влажность, которая является одной из важнейших характеристик топлива при теплотехнических расчетах, примем равной влажности на рабочую массу угля, т.е. W_ТБО = W_t = 33%. Вероятность того, что W_ТБО будут равны W_t угля, довольно большая, поскольку до процесса сжигания ТБО могут находиться в камерах довольно длительное время (порядка 1 года) и весьма вероятно, что между ними и углем в межкамерных целиках установится равновесное состояние как по температуре, так и по влажности.

Состав теплотехнического комплекса должен определяться заданной теплопроизводительностью, составом парогазовой смеси и ПДК. Все устройства и аппараты, входящие в комплекс, должны быть увязаны между собой по всем параметрам и подчинены общей технологии утилизации физического тепла газов подземного сжигания угля и их очистки. В состав теплотехнического комплекса должны входить следующие основные устройства и аппараты: контрольно-регулирующая и управляющая аппаратура; обвязка скважины (ствола) исходящих газов; аппараты предварительной мокрой очистки газов и регулировки их температуры и производительности; система очистки газов от сернистых соединений; система котлов-утилизаторов тепла; система пылеулавливания газов, выбрасываемых в атмосферу; вентилятор-дымосос; система трубопроводов парогазовой смеси; система циркуляции теплофикационной воды в виде насосов, трубопроводов, аппаратуры управления; система химической подготовки подпиточной воды и ее магнитной обработки; дымовая труба и газовые задвижки.

Учитывая данные расчетов, температура газа - теплоносителя может достигать 1000⁰С, что требует защиты обсадных колонн скважин. Кроме того, следует учитывать требования, предъявляемые к оборудованию (Т_г 600⁰С). Использование данного устройства позволяет сохранить скважину и полезно использовать извлекаемое при этом тепло.

Для очистки газов от твердых частиц следует применять мокрые золоуловители следующих типов: центробежные скрубберы (ЦС ВТИ) или мокротрубковые золоуловители (МП ВТИ), работающие в комплексе с оросительными устройствами производительностью 2,1-3,25м³ воды в час. Для повышения степени очистки дымовых газов при установке центробежных скрубберов типа ЦС ВТИ перед скруббером рекомендуется применять аппараты типа МВ-УО ОРГОЭС или МПР-50, включающие трубы Вентури с системой орошения, обеспечивающие удельный расход воды в пределах 50-200 г/м³ газа. При этом эффективность пылеулавливания составляет 57-99%.

Горно-геологическими факторами, определяющими значения физико-химических факторов, влияющих на устойчивость подземного горения угольного пласта, являются обводненность месторождения, тип угля и вмещающих пород, гипсометрия и глубина залегания угольного пласта, наличие карстовых нарушений.

Максимальный КПД теплообменника при устойчивом горении угольного пласта обеспечивается если температура газообразных продуктов горения составляет 473-523 К, а расход 20000-50000 м³/ч. Для такого режима работы теплообменника необходимо прогреть угольный пласт на линии всасывающих скважин до температуры не менее 573 К. Устойчивое горение бурого угля происходит в фильтрационном канале и зависит от интенсивности фильтрационного потока воздуха, поступающего к огневому забою. Параметрами оптимизации газотеплогенератора являются расстояния между скважинами и рядами скважин; количество воздуха, подаваемого в нагнетательные скважины; перепад давления, развиваемый источниками тяги. Физико-химическими факторами, определяющими интенсивность физико-химических процессов горения угля, являются проницаемость, трещиноватость и влажность угля и вмещающих пород; коэффициент диффузии кислорода; энергия активации, константа скорости окисления угля и тепловой эффект реакции кислорода с углем.

При фиксированном перепаде давления фильтрационный поток воздуха к огневому забою будет зависеть от проницаемости и трещиноватости угольного пласта, на которые существенное влияние оказывает влажность угля. Если плотность фильтрационного потока будет недостаточна, то процесс горения будет затухать. Горно-геологические условия Подмосковного бассейна позволяют эффективно использовать как технологию подземной газификации угля, так технологию «Углегаз», на базе существующего оборудования.

Теоретические исследования, лабораторные и промышленные эксперименты показали, что технология комплексной постадийной отработки угольных месторождений «Углегаз», разработанная в Московском горном университете под руководством академика В.В. Ржевского, позволяет резко снизить нагрузки на окружающую среду по сравнению с традиционными способами угледобычи. Однако положительный экологический эффект достигается при устойчивом процессе подземного горения угольного пласта. Поэтому на стадии проектных решений необходимо иметь корректное математическое описание этого процесса, являющегося одним из основных в технологии «Углегаз».

Область горения угольного пласта, расположенную между рядом нагнетательных и вытяжных скважин можно разделить на следующие составные части - это зольный остаток; объем угольного пласта, реагирующий с кислородом воздуха; зона термической подготовки угольного пласта. Объем угля, контактирующий с зольным остатком, имеет наибольшую температуру в области горения. Учитывая, что линейный размер этой зоны на несколько порядков меньше расстояния между скважинами, будем считать, что область горения состоит из двух полуплоскостей - зольного остатка и термически подготовленного угля, которые разделены линией огневого забоя.

В качестве физической модели процесса подземного сжигания угольного пласта принята модель, в соответствии с которой горение угля определяется интенсивностью трех различных процессов: химической реакции кислорода с углем на поверхности огневого забоя, сопровождающейся выделением тепла; конвективно-диффузионным переносом кислорода к огневому забою и отводом газообразных продуктов реакции.

Очевидно, что в общем процессе подземного горения угольного пласта лимитирующей стадией является тепломассоперенос в зоне химического реагирования. При определенном сочетании параметров тепломассообмена устанавливается состояние динамического равновесия, которое характеризуется постоянной скоростью химической реакции, и горение протекает в устойчивом режиме.

В рамках этой физической модели справедливо следующее уравнение теплового баланса: , где Q_x - количество тепла, выделяющегося в результате химической реакции; Q_Т - количество тепла, уходящего из зоны химической реакции за счет теплопроводности; Q_Г.П. - количество тепла, уносимого из зоны химической реакции газообразными продуктами горения. Количество тепла, выделяющегося в результате химической реакции, равно qw, где q - тепловой эффект физико-химического взаимодействия кислорода с углем, Дж/м³; w - скорость химической реакции, м³/c.

Тепловой эффект взаимодействия кислорода с углем складывается из тепла процесса хемосорбции, которое при высоких температурах изменяется в интервале от 18 до 37 МДж/м³ и в среднем составляет 28 МДж/м³, и тепла реакции окисления углерода угля кислородом воздуха, которое равно 10 МДж/м³. Поэтому этот параметр можно считать постоянным и в среднем равным 38 МДж/м³.

Математическое описание процесса подземного горения угольного пласта можно представить в следующем виде:

; (1)

; (2)

; (3)

; (4)

, (5)

где K₀ - предэкспоненциальный множитель, 1/с; E - энергия активации, Дж/моль; R - универсальная газовая постоянная, Дж/мольK; _у - теплопроводность термически подготовленного угля, Вт/мK; С_у - теплоемкость термически подготовленного угля, Дж/кгK; _Пi - теплопроводность вмещающих пород (индекс i=1 относится к породам кровли, i=2 - к породам почвы), Вт/мК; Т_i(x,y_i,t) - функция, описывающая поле температур во вмещающих породах, K; _г - плотность газообразных продуктов горения, кг/м; V - скорость фильтрации, м/с; С_г - теплоемкость газообразных продуктов горения, Дж/кгK.

Уравнения (1) - (5) описывают нестационарное поле температур угольного пласта и вмещающих пород соответственно. Математическая модель процесса, представленная уравнениями (1) - (2) и условиями (3) - (5), является теоретическим обобщением результатов физического моделирования и стендовых испытаний, проведенных сотрудниками МГГУ и ТулГУ. Полученная модель позволяет решить следующие практические задачи:

· определение расстояние между рядами нагнетательных и всасывающих скважин, которое обеспечит эффективную работу теплообменника;

· определение физических условий, обеспечивающих устойчивую реакцию горения;

· оценка химического состава газообразных продуктов подземного сжигания угольного пласта и мощность выбросов загрязнителей в водоносные горизонты и приземные слои атмосферы.

Забалансовые запасы целого ряда угольных месторождений Подмосковного бассейна целесообразно отрабатывать по скважинной технологии, которая аналогична известным технологическим схемам подземной газификации угля. Это позволяет использовать в качестве математического описания распределения воздуха в угольном пласте и вмещающих породах модели, предложенные И.А. Чарным. Адаптация этих моделей к рассматриваемым физическим условиям сводится к следующему.

Пусть в однородном пласте расположены два параллельных ряда скважин, расстояние между которыми 2h, расстояние между скважинами в ряду s, глубина каждой скважины одна и та же и равна H. Установившееся течение газовой смеси в пористой среде описывается уравнением Лапласа: , где - потенциал массовой скорости фильтрации газа; k - коэффициент газовой проницаемости, м²; - коэффициент динамической вязкости воздуха, Пас; ₀ - плотность воздуха, кг/м³; p₀ - атмосферное давление, Па; p - давление воздуха в данной точке пористой среды, Па.

При этом вновь введенные источники окажут небольшое влияние на распределение потенциалов в плоскости z=H, так как расстояние от них до этой плоскости 2H значительно больше расстояния между скважинами 2. В этом случае потенциал массовой скорости фильтрации будет иметь вид:

, (6)

где q₁, q_2n - мощность стоков и источников, на единицу длины скважины, Н/мс; n - число скважин.

Массовые дебиты скважин источников находятся из условий равенства нулю потенциалов на их контурах:

, (7)

где r - радиус скважины.

Условия (7) представляют собой систему N линейных уравнений. Учитывая, что радиус скважины значительно меньше расстояний между ними, эту систему уравнений можно записать в следующем виде:

, (8)

где

;

;

;

.

Учитывая тот факт, что массовая скорость фильтрации газовой смеси пропорциональна градиенту потенциала фильтрационного течения, получим:

;

;

;

.

. (9)

Использование формулы (9) позволило рассчитать минимальные скорости фильтрации V_min в плоскости угольного пласта (при z = H) в зависимости от соотношения линейных размеров сетки скважин и числа скважин в ряду. Установлено, что оптимальной по критерию V_min max является квадратная сетка скважин c h/ = 1. C ростом числа скважин в ряду V_min монотонно возрастает, но, начиная с N = 13 - 15, прирост минимальной скорости фильтрации незначителен.

Решение уравнений (8) показывает, что общий дебит скважин-источников всегда меньше дебита стоков. Это объясняется тем, что кровля угольного пласта не является абсолютно непроницаемой и поэтому неизбежен подсос воздуха через аэродинамически активные зоны покрывающих пород. Расстояние между рядами скважин определяется из условия прогрева угольного пласта до температуры, равной расчетной температуре газообразных продуктов горения. При этом рассматривается стационарный процесс теплообмена, который установится через некоторый период после возникновения устойчивого горения. Для того чтобы поддерживалось устойчивое горение, необходим устойчивый диффузионный поток кислорода к реагирующей поверхности, который соответствует состоянию динамического равновесия процесса окисления угля в интервале температур горения. Тогда с учетом принятых допущений и математического описания процесса тепломассообмена получим, что при стационарном теплообмене дT/дt = 0, и тогда математическая модель примет вид:

; (10)

(11)

где V - скорость фильтрации воздуха, м/с; V_ОЗ - средняя скорость подвигания огневого забоя, м/c; - концентрация кислорода на линии огневого забоя;

;

.

Из решения задачи (10) - (11) следует, что существует функция T(x), которая имеет горизонтальную асимптоту < T_ОЗ

. (12)

При этом в зависимости от расстояния 2h асимптота может находиться как выше изотермы T_г, так и ниже нее. Принимая =T_г, можно определить оптимальное расстояние между рядами скважин

. (13)

Чтобы воспользоваться формулой (13), необходимо рассчитать . Для решения этой задачи достаточно рассмотреть стационарный конвективно-диффузионный перенос кислорода к огневому забою. Математическая модель диффузионного переноса в этом случае имеет вид:

, (14)

, (15)

где K - константа скорости химического взаимодействия кислорода с углем при температуре T_ОЗ, 1/с;

Решение задачи (14) - (15) можно записать следующим образом:

Функция C(x) также имеет горизонтальную асимптоту > C_*, которая определяется по формуле: Принимая, что = C_о, где C_о - начальная концентрация кислорода в воздухе, поступающем в нагнетательные скважины, получим: . Исходя из оптимальных режимов работы серийно выпускаемых теплообменников принимаем средний расход газообразных продуктов горения равным 510⁴ м³/ч и их температуру T_г=578К, при этом средняя скорость фильтрации воздуха будет составлять 3,510² м/с.

Температура огневого забоя принимается исходя из опыта подземной газификации угля и результатов физического моделирования равной 788К, тогда К = 0,19 1/с. Значения коэффициентов: a = 5,910^-7 м²/с; b = 7,4410^-3 м/с (при расчете b, значение V_о.з. принято из опыта подземной газификации угля равным 0,5 м/сут). Расчетная концентрация кислорода на огневом забое 3,1%, тогда по формуле найдем 2h = 28,9 м. Учитывая возможные отклонения, связанные с временными флуктуациями температуры, оптимальным следует считать расстояние между рядами скважин 20 - 30 м.

Сотрудниками ОАО «Мосбассуголь» и МГГУ совместно с исследовательской группой «Углегаз» ТулГУ проведена серия опытов на лабораторной установке, созданной на базе технологического комплекса шахты № 3 - «Киреевская», для исследования процесса сжигания пласта бурого угля при различных способах подачи воздуха в модель. Исследования показали, что при огневой отработке оконтуренных целиков угля комбинированная схема, разработанная в МГГУ, обеспечивает начальное горение в свободном канале с последующей интенсификацией процесса за счет фильтрационного подвода воздуха к огневому забою. Этот способ обеспечил устойчивое горение с высокой температурой газообразных продуктов горения. Результаты натурного эксперимента свидетельствуют о том, что в целом для условий Подмосковного бассейна эта технологическая схема является наиболее эффективной при отработке оконтуренных выработками целиков угля (такая ситуация наиболее часто наблюдается в околоствольных дворах отрабатывающихся шахт и подлежащих закрытию). В качестве расчетной схемы рассматривался плоский объект произвольной формы, оконтуренный выработками.

Комплексное решение тепломассопереноса позволило получить на выходе всю информацию, необходимую для обоснованного выбора параметров подземного газотеплогенератора, в том числе и дебит окислителя, а также рассчитать возможный выброс тепловой энергии в окружающую среду. В целом на основе экспериментальных и теоретических исследований уточнены существующие закономерности физико-химических процессов, протекающих при подземном сжигании бурых углей Подмосковного бассейна, для получения тепловой энергии.

Полученные результаты, по мнению автора, могут быть использованы для решения проблем диверсификации и технологической реструктуризации действующих и строящихся шахт ОАО «Мосбассуголь» и способствовать созданию экологически рациональных и экономически конкурентоспособных энергосырьевых предприятий. Математическое моделирование технологической схемы огневой отработки угольного целика ш. «Киреевская - 3» показало, что комбинированная воздухообменная схема позволит обеспечить потребителя необходимым количеством тепла. Для нормального функционирования рассмотренной технологической схемы необходимо провести технические мероприятия по осушению подготовленных запасов.

Современное политическое и экономическое состояние Российской Федерации, социально-экономическое состояние областей Центрального региона России, где расположены угледобывающие предприятия Подмосковного бассейна, а также цель и концептуальная формула комплексного освоения недр, по мнению автора, на первом этапе позволяют решить следующие задачи.

Разработка нормативного документа, регламентирующего на Федеральном и локальном уровнях правоотношения, создающие льготные налоговые условия для бизнесменов, создающих рентабельные рабочие места в угольной промышленности Подмосковного бассейна за счет комплексного освоения недр, нетрадиционного использования техногенных пространств, переработки отходов производства, технологической реструктуризации инфраструктуры поверхностного комплекса угольных шахт.

Создание базы данных геологических условий шахтных полей действующих шахт ОАО «Мосбассуголь» и геологических оценок возможности промышленного использования полезных ископаемых, залегающих ниже разрабатываемых угольных пластов.

Создание базы данных гидрогеологических условий шахтных полей действующих и закрытых шахт ОАО «Мосбассуголь».

Разработка технико-экономического обоснования и бизнес-планов по типовым технологическим решениям, предусматривающим сохранение базовых систем горных предприятий как основы для создания новых рентабельных рабочих мест, обеспечивающих необходимую занятость населения угледобывающих районов, сохранение и развитие социальной инфраструктуры.

Создание на базе одной из шахт акционерной компании «Мосбассуголь» экспериментальных участков для апробации новых технологий и средств механизации горных работ.

Разработка локальной нормативно-технической документации, регламентирующей правила обращения с токсичными отходами производств, применительно к условиям их хранения в горных выработках бывших шахт ОАО «Мосбассуголь», и проведение её юридической экспертизы.

Разработка технологических решений по хранению токсичных отходов производства в горных выработках угольных шахт ОАО «Мосбассуголь», на которых дальнейшая добыча угля нерентабельна.

Разработка системы контроля за состоянием токсичных отходов производств, хранимых в горных выработках бывших угольных шахт.

Организация государственной и общественной экологической экспертизы проектов использования горных выработок бывших угольных шахт ОАО «Мосбассуголь» для хранения токсичных отходов производств.

Создание системы непрерывной переподготовки и повышения квалификации инженерных кадров, а также профессиональной подготовки, переподготовки и повышения квалификации рабочих кадров акционерной компании «Мосбассуголь» с использованием современных вычислительных комплексов, программных средств и технологического оборудования.

В настоящее время в указанном направлении уже получен ряд научных и практических результатов, в том числе и с участием автора диссертации.

Результаты исследований рынка сбыта продукции свидетельствуют о том, что потенциальными потребителями продукции являются население, сельскохозяйственные предприятия, промышленные предприятия частного бизнеса Центрального региона России. Потребителями нормативных и системных разработок являются службы администраций областей России, а также заинтересованы зарубежные потребители.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технологические решения по комплексному освоению буроугольных месторождений на базе использования низкокалорийного и высокозольного бурого угля и практической реализации геотехнологических способов утилизации промышленных отходов в подземном пространстве закрываемых шахт, имеющие важное хозяйственное значение для топливно-энергетического комплекса России.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором, заключаются в следующем.

1. Сформулированы основные положения концепции комплексного освоения буроугольных месторождений, основывающиеся на реализации технологических схем отработки запасов угля, при которых возможно эффективное использование энергетического потенциала в объективно сбалансированной системе «горная выработка - угольный пласт - вмещающие породы -термодинамические процессы подземного сжигания угля и ТБО».

2. Доказано, что комплексное освоение буроугольных месторождений обеспечивается адаптацией по геомеханическому фактору нетрадиционных для Подмосковного бассейна систем разработок пластов и обоснованным выбором термодинамических параметров процесса подземного сжигания угля промышленных и бытовых отходов на основе имитационного моделирования тепломассообменных процессов в системе «горная выработка -угольный пласт - вмещающие породы».

3. Установлены параметры систем разработки буроугольных пластов по системе парных камер, которые определяются совместимостью технологических схем очистных и подготовительных работ, а также геомеханическими характеристиками взаимодействия междукамерных целиков с неустойчивыми вмещающими породами.

4. Установлено, что при отсутствии бокового распора максимальная просадка целиков находится в диапазоне 175-206 мм; рост просадки практически не зависит от пролета выработки, а вызывается увеличением размеров целиков. При этом пучение почвы выработки исключается, однако просадка целика вызывает также сжатие части обнаженных пород почвы, которое распространяется на длину около 1,25 м от края целика к центру выработки.

5. Выявлены общие закономерности изменения показателей сжигания в подземных горных выработках смеси бурого угля и твердых бытовых отходов и обоснован эффективный режим горения, увязанный с технологическими возможностями (проведение камер, транспортные схемы и т.п.), установлено, что на 1 кг ТБО, сжигаемого в подземном пространстве, приходится 1,625 кг, что при размещении в шахте от 10,5 до 36,5 т ТБО требует подготовки для сжигания соответственно 17,2 и 59,3 тыс.т угля.

6. Доказано, что при заданных объёмах подземного пространства шахты по размещению ТБО необходимая скорость горения смеси составит 0,881 - 3,038 кг/с, а температура газообразных продуктов горения на выходе из угольного канала составляет 400 - 700 К. При этом отклонения от идеального режима горения и связанное с ними добавление горючих газов в продукты подземного сжигания угля и ТБО практически не изменяют материальный баланс процесса и теплофизические свойства продуктов сжигания.

7. Установлено, что горно-геологическими факторами, определяющими значения физико-химических характеристик, влияющих на устойчивость подземного горения угольного пласта, являются обводненность месторождения, тип угля и вмещающих пород, гипсометрия и глубина залегания угольного пласта, наличие карстовых просадок. Параметры газотеплогенератора находятся в функции расстояния между скважинами и рядами скважин; количества воздуха, подаваемого в нагнетательные скважины; перепада давления, развиваемого источниками тяги.

...