Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование геотехнологий комплексного использования угольных месторождений Подмосковного бассейна

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование геотехнологий комплексного использования угольных месторождений Подмосковного бассейна"

гиси

005015357

у /

ЗУБАКОВ Игорь Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ГЕОТЕХНОЛОГИЙ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДМОСКОВНОГО БАССЕЙНА

Специальность 25.00.22 Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 щр 1ъП

Тула 2012

005015357

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ) на кафедре геотехнологий и строительства подземных сооружений.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор КАЧУРИН Николаи Михайлович.

Официальные оппоненты:

МЕЛЬНИК Владимир Васильевич, доктор технических наук, профессор, МГГУ, зав. каф. «Подземная разработка пластовых месторождений», г. Москва,

САФРОНОВ Вадим Викторович, кандидат технических наук, ОАО «Тулагипрохим», начальник отдела, г. Тула.

Ведущая организация: ОАО «ТулНИГП», г. Тула.

Защита диссертации состоится «23» марта 2012 г. в/^час ООълин на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 90, 6-й уч. корпус, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92, Ученый совет ТулГУ, факс: (4872) 33-13-05, e-mail: galina_stas@mail.ru.

Автореферат разослан « XX» леерам ЛОМ г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Б. Копылов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Существование всех цивилизаций при всем разнообразии их менталитетов было направлено, в конечном счете, на потребление природных ресурсов. Воздействие человека на природную среду в процессе хозяйственной деятельности приобретает глобальный характер. По масштабам извлекаемых и перемещаемых пород, преобразования рельефа, воздействия на перераспределение и динамику поверхностных и подземных вод и активизации геохимического переноса эта деятельность сопоставима с геологическими процессами. Но люди преобразовывали, и будут преобразовывать природу, поэтому важнейшей проблемой стратегии управления качеством природопользования являются разработка и внедрение геотехнологических принципов комплексного использования недр при подземной добыче угля.

Особую остроту приобретает эта проблема для европейской части Российской Федерации, где есть один единственный источник угля - Подмосковный угольный бассейн. Однако процессы реструктуризации и диверсификации угольной промышленности поставили эту угленосную территорию в разряд бесперспективных угольных бассейнов.

Сегодня уже очевидно, что если жить так, как мы живем последнее десятилетие, если думать теми категориями, которые противопоставляют Российскую государственность эффективной рыночной экономике, и сохранить без изменения возникшую шкалу общественных ценностей, то вскоре центральную Россию ожидает энергетический кризис, который уже имеет место в дальневосточных регионах страны.

Следовательно, для возрождения и последующего развития отечественной системы рационального и безопасного природопользования нужны иные знания, иные принципы, иные стандарты. Анализ технико-экономических обоснований на закрытие шахт свидетельствует о том, что вопросы использования основных фондов ликвидируемых предприятий изучены лишь в первом приближении. В первую очередь это относится к использованию горных выработок и оставленных запасов.

Таким образом, исследования, посвященные разработке теоретических положений, позволяющих научно обосновать геотехнологические принципы комплексного использования недр Подмосковного бассейна при подземной добыче угля и развития геотехнологий огневой отработки угольных пластов, являются актуальной научной проблемой.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования 1три комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2010 годы)» (per. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0319).

Целью работы являлось уточнение закономерностей развития технологий по освоению 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.

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.

Основные научные положения, сформулированные в работе, состоят в следующем.

1. Технология выемки и транспортирования угля на основе существующих средств механизации может быть реализована в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий Подмосковного бассейна, при этом в современных условиях доминирующим требованием является ми-ниминизация ресурсоемкости разрабатываемых геотехнологий.

2. Геотехнологии огневой отработки запасов угля с получением электрической и тепловой энергии при подземном сжигании бурых углей Подмосковного бассейна могут быть использованы для решения проблем диверсификации и технологической реструктуризации энергетики Тульской области и других регионов Центрального Федерального округа.

3. 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, а максимальный КПД теплообменника при устойчивом горении угольного пласта обеспечивается, если температура газообразных продуктов горения составляет 473...523 К, а расход воздуха, подаваемого к огневому забою, находится в интервале значений 20...50 тыс. м3/ч.

4. Устойчивое горение угольного пласта достигается, если концентрация кислорода в огневом забое равна С0(1+КУ)"', а оптимальное расстояние между рядами скважин составляет 20...30 м, а параметрами оптимизации газотеплогенератора являются расстояния между скважинами и рядами скважин; количество воздуха, подаваемого в нагнетательные скважины; перепад давления, развиваемый источниками тяги.

5. Процесс подземного горения угольного пласта моделируется трехмерной системой уравнений тепломассообмена с учетом закономерности Арре-ниуса для константы скорости хемосорбции кислорода в огневом забое, а

также скорости движения огневого забоя, при этом вмещающие породы можно рассматривать как однородную, изотропную пористую среду.

Новизна теоретических положений:

- научно обоснованы эксплуатационные параметры подземной разработки высокозольных бурых углей, отличающиеся тем, что обоснование и выбор технологических параметров основываются на принципах комплексного использования минерального сырья месторождения и геотехнологических возможностей подземного пространства отработанных угольных шахт;

- доказано, что в условиях Подмосковного бассейна можно эффективно использовать, как технологию подземной газификации угля, так и технологию «Углегаз», на базе существующего оборудования, обеспечивая устойчивое горение бурого угля в фильтрационном канале;

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

- обосновано научное положение, которое утверждает, что технологическая и социальная инфраструктура Подмосковного бассейна является основой создания конкурентоспособных энергосырьевых предприятий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

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

- достаточно большим объемом лабораторных и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей и обоснованности выводов и рекомендаций;

- результатами опытно-промышленной апробации разработанных методик;

- положительными результатами промышленной апробации разработанных технических средств и организационно-технологических схем.

Практическая значимость работы заключается в том, что были на практике реализованы новые направления комплексного освоения недр Подмосковного бассейна для решения перспективных задач развития конкретных производственных единиц на основе интеграции промышленности Центрального региона, вузовской и академической науки. Разработаны структура и функциональные принципы горного производства в новых экономических условиях. Разработаны и апробированы новые и усовершенствованы существующие технологии добычи бурого угля.

Реализация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы были апробированы на шахтах Подмосковного бассей-

на. Теоретические результаты и технические решения включены в базовые учебные курсы по проектированию угольных шахт для студентов, обучающихся по специальности «Горное дело», а также использованы при выполнении договорных и госбюджетных НИР в Тульском государственном университете.

Апробация работы. Научные положения и практические разработки диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2009 - 2011 гг.), на научных семинарах и конференциях МГГУ (г. Москва, 2009 - 2011 гг.), на научно-технических советах ОАО «Мосбассуголь», 3-й и 4-й Международной конференции «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2008 - 2009 гг.), Международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула, 2010 г.), Международной конференции «Ecology, Energy Economy Safety in a Non Liner World. 3E - SAFETY» (г. Белград, 2009 г.); 3-й Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2010 г.); 3-rd International Symposium ENERGY MINING «Energy Mining, New Technologies, Sustainable Development» (Сербия, г. Апатин, 2010 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 статей.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения 5 глав, и заключения, изложенных на 147 страницах машинописного текста, содержит 9 иллюстраций, 4 таблиц и список литературы из 118 наименований.

Автор диссертации выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору В.И. Сарычеву, а также сотрудникам кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений за постоянную поддержку и методическую помощь в проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Фундаментальные теоретические положения и практические рекомендации по процессам подземной добычи и физико-химической геотехнологии огневой отработки угольных месторождений сформулированы в трудах академиков РАН Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, К.Н. Трубецкого, Ю.Н. Малышева, чл.-корр. РАН Л.А. Пучкова, Д.Р. Каплунова. В дальнейшем эти научные принципы были развиты в трудах А.С Бурчакова, С.А. Ярунина, Б.Ф. Васючкова, В.В. Мельника, Ю.Н. Кузнецова, A.C. Малкина, Г.И. Селиванова, А.Б. Ковальчука, H.M. Качурина, Н.И. Абрамкина и др.

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

1. Разработать прогрессивные технологические схемы 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. Изучить геолого-промышленную специфику функционирования экспериментального участка «Углегаз» и исследования технологических схем подземного сжигания угольных пластов в условиях Подмосковного бассейна.

3. Разработать концептуальные положения по созданию и внедрению экологически рациональной технологии добычи и переработки углей Подмосковного бассейна как основы реструктуризации угольной промышленности центра России.

4. Определить факторы, влияющие на устойчивость работы подземного газотеплогенератора при использовании технологий подземного сжигания бурого угля.

5. Осуществить математическое моделирование подземного горения угольного пласта для определения оптимального расположения скважин при бесшахтной отработке запасов угля и исследования динамики теплообмена при комбинированной технологической схеме подачи воздуха и удаления продуктов горения угля.

Подмосковный угольный бассейн расположен на территории Новгородской, Калининской, Смоленской, Калужской, Тульской и Рязанской областей РФ. Общая площадь развития угленосных отложений до глубины 200 м - 120 тыс. км2. Первые сведения о наличии залежей угля извести с 1722 г., систематическая добыча осуществлялась с 1855 г. Общие геологические ресурсы - 11 млрд т. Балансовые запасы А+В+С[ - 4098 млн т, С2 - 1024 млн т, забалансовые -1843 млн т.

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 выемки 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.

2. Технологические схемы на основе специального оборудования.

3. Технологические схемы бурошнековой выемки.

Технологической основой указанных групп является структурное сочетание средств выемки, вентиляции, транспорта и водоотлива, которое можно

легко обеспечить в настоящее время на угольных шахтах. Миниминизация ресурсоемкое™ 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.

Необходимость применения таких вариантов систем разработки диктуется специфическими особенностями, совокупность которых формируется на основе ряда следующих технологических, геомеханических и геотехнических требований:

- частичность отработки запасов регламентируется необходимостью возведения околоствольных дворов и вскрывающих выработок, проведения выработок главных направлений и их охраной, наличием тектонических нарушений;

- для обеспечения полноты извлечения полезного ископаемого, снижения степени пожароопасности, для уменьшения вредного влияния очистных работ на капитальные выработки и подрабатываемый массив в определенных горно-геологических и горнотехнических условиях необходимо предусматривать закладку выработанных пространств;

- оборудование, применяемое на очистных и подготовительных работах, является однотипным;

- применяемые технологии должны обеспечивать высокие технико-экономические показатели при минимальных затратах труда и материальных ресурсов.

Если угольное месторождение отрабатывается по геотехнологии «Угле-газ» или по технологии подземной газификации угля, то горючий газ подземной газификации подается на устройства очистки от примесей, а затем на газотурбинную электростанцию (или малую электростанцию другого типа), где газ подземной газификации сжигают, преобразуя в электрическую энергию. При подземном сжигании угля протекают следующие химические реакции: С + 02 -> С02 + 393,7 кДж; С + 02 -* 2СО + 263,5 кДж; С + Н20 -> С02 + Н2 - 88 кДж; С + Н20 -> СО + Н2 -130 кДж. Состав энергетического газа при работе подземных газогенераторов на воздушном дутье представлен в таблице. Низшая теплотворная способность энергетического газа при работе подземных газогенераторов на воздушном дутье - 3360.. .4200кДж/м3. Принципиальная технологическая схема получения электроэнергии на основе подземной газификации угля представлена на рис. 1.

Состав энергетического газа при работе подземных газогенераторов

Концентрации газовых компонент в энергетическом газе, %

С02 о2 H2S СпНщ СО Н2 СШ N2

12... 17 0,2... 0,3 0,6... 1,4 0,2 6... 15 14... 15 1,5...2 56... 58,6

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 - 20 ...50 тыс. 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.

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема получения электроэнергии на основе подземной газификации угля

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 го-

рения будет затухать. Горно-геологические условия Подмосковного бассейна позволяют эффективно использовать как технологию подземной газификации угля, так и 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 по 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».

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-диффузионного переноса кислорода к огневому забою и отвода газообразных продуктов реакции.

В рамках этой физической модели справедливо следующее уравнение теплового баланса: С2Х - (}т - (}гп = 0, где <3Х - количество тепла, выделяющегося в результате химической реакции; От - количество тепла, уходящего из зоны химической реакции за счет теплопроводности; (2Г П. - количество тепла, уносимого из зоны химической реакции газообразными продуктами горения. Количество тепла, выделяющегося в результате химической реакции, равно где q - тепловой эффект физико-химического взаимодействия кислорода с углем, Дж/м3; ш - скорость химической реакции, м3/с. Тепловой эффект взаимодействия кислорода с углем складывается из тепла процесса хемо-сорбции, 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:

руС, Ат(М) = Ч^(х,!)-|>га^(х, У„ 1)|у=0-

-руУСу^-Т(х,1); (1*

о х

дх 5 у?

= -^T(Xi,yi,t)+^TT(xi,yi,t), i=l,2; (2)

8 у? д xf

T(x, 0) = T, (x, y., 0) = T0 = const; (3)

Ti(x)0,t) = T(x,t); (4)

-^¿T(0,t) = qKeIIlcC(0,t)e4>

OK

где Ко - предэкспоненциальный множитель, 1/с; Е - энергия активации, Дж/моль; R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль-К; Яу - теплопроводность термически подготовленного угля, Вт/м-К; Су - теплоемкость термически подготовленного угля, Дж/кг-К; Кп - теплопроводность вмещающих пород (индекс i=l относится к породам кровли, i=2 — к породам почвы), Вт/м-К; T,(x,yi,t) - функция, описывающая поле температур во вмещающих породах, К; рг - плотность газообразных продуктов горения, кг/м; V - скорость фильтрации, м/с; Сг - теплоемкость газообразных продуктов горения, Дж/кг-К.

Уравнения (1) - (2) 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:

- определить расстояние между рядами нагнетательных и всасывающих скважин, которое обеспечит эффективную работу теплообменника;

- определить физические условия, обеспечивающие устойчивую реакцию горения.

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 Н. Установившееся течение газовой смеси в пористой среде описывается уравнением Лапласа У2Ф = 0, где Ф - потенциал массовой скорости фильтрации газа; к - коэффициент газовой проницаемости, м2; ц - коэффициент динамической вязкости воздуха, Па-с; ро - плотность воздуха, кг/м3; р0 - атмосферное давление, Па; р - 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 2Н значительно больше расстояния между скважинами 2ст. В этом случае потенциал массовой скорости фильтрации будет иметь вид

® = 7t-I|q1|;in{[(x-2c7(n-l))2 + (y-h)2+(z-H)2]x

RT(0,t)

(5)

x[(x-2a(n-l))2+(y-h)2+(z + H)2jj+ +iqa.ta{[(x-2a(n-l))1+(y+h)l+(z-H)l]x

x[(x - 2o(n -1))2 + (y + h)2 + (z + H)2 J'JJ, (6)

где qi, q2n - мощность стоков и источников на единицу длины скважины, Шм с; N - число скважин.

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

ф|при (x-xn)2 + (y+h)2 +(z-H)2 = r2| = О, n = l7N, (7)

где г - 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:

Bl<hl+d12<l22+ - МмЧги =:::-Al-Cl> d2lЯ2l+BIq22+ - +d1Nq2N =-Л-С2,

<1ШЯ21+С1МЧ22+ - +В1Ч2М =-А1-СХ>.

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

Ро^-^Пх-г^п-!)]^)-1^^)-1]--¿¿Ча.[х-2о(п-1)][(8зпГ-(84п)-'];

±Ч,ЛУ+Ь)[(8ЭпГ-(840Г]; -¿¿Чь[(-Н)(83„Г-(2+Н)(84пГ].

Тогда модуль вектора фильтрации воздуха определяется по известной формуле

V = (РоГ (V,2 + Уу2 + Ужг )°'5. (9)

Расчет по формуле (9) позволил определить минимальные скорости фильтрации Утш в плоскости угольного пласта (при г = Н) в зависимости от соотношения линейных размеров сетки скважин и числа скважин в ряду. Установлено, что оптимальной по критерию Ут1П -> тах является квадратная сетка скважин с Ь/а =1. С ростом числа числа скважин в ряду Ушш 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. 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 дИд\ = 0 и тогда математическая модель примет вид

<12т ,ат я

а—г+Ь— = 0, (10)

TL>=T03=c°nst,

dT

-l dx

OD

= 2hqK0C.exp[-E(RT03)-1],

x=o

где V - скорость фильтрации воздуха, м/с; У0з - средняя скорость подвигания огневого забоя, м/с; С. - концентрация кислорода на линии огневого забоя.

Из решения задачи (10) - (11) следует, что существует функция Т(х), которая имеет горизонтальную асимптоту Т^ < Тоз:

Т„ = lim Т(х) = Т03 -2hqK0C.(b\)~' exp[-E(RT03)-']. (12)

X—>QO -1

Принимая Ти =Т„ можно определить оптимальное расстояние между рядами скважин

2h = Xb(T03 -Tr)(aqK0C.)' exp[-E(RT03r'] . (13)

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

D£+V£ = 0. (,4)

dx dx

С1х=о =С.=С0П51,

= КС.-1,

Б— с1х

где К - константа скорости химического взаимодействия кислорода с углем при температуре Т0з, 1/с; К = К0 ехр [-Е(КТ03].

Решение задачи (14) - (15) можно записать следующим образом: С(х) = С.{ иКУ-'^-ехр^хУЛ-')]]. (16)

Функция С(х) также имеет горизонтальную асимптоту > С., которая определяется по формуле С|хй=С(1+К\г1). Принимая, что Си = С0, где Сс-начапьная концентрация кислорода в воздухе, поступающем в нагнетательные скважины, получим следующее соотношение: С. = С0 + КУ"1). Исходя

из оптимальных режимов работы серийно выпускаемых теплообменников, принимаем средний расход газообразных продуктов горения равным 5-Ю4 м /ч и их температуру Тг=578 К, при этом средняя скорость фильтрации воздуха будет составлять 3,5-102 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: а = 5,910'7 м2/с; Ь = 7,44-Ю'3 м/с (при расчете Ь значение Уоэ принято из опыта подземной газификации угля равным 0,5 м/сут). Расчетная концентрация кислорода на огневом забое 3,1%, тогда по формуле найдем 2Ь = 28,9 м. Учитывая возможные отклонения, связанные с временными флуктуациями температуры, оптимальным следует считать расстояние между рядами скважин равное 20...30 м.

Полученные результаты могут быть использованы для решения проблем диверсификации и технологической реструктуризации Подмосковного угольного бассейна и способствовать созданию экологически рациональных и экономически конкурентоспособных энерго-сырьевых предприятий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на основании экспериментальных и теоретических исследований закономерностей подземной выемки угольных пластов Подмосковного бассейна и тепломассообменных процессов при подземном сжигании угля забалансовых запасов уточнены закономерности развития технологий по освоению запасов буроугольного бассейна и обоснованы эффективные технологические решения по комплексному использованию энергетического потенциала низкокалорийного и высокозольного бурого угля, обеспечивающие устойчивое функционирование систем диверсифицированных производств, что имеет важное значение для экономики России.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Рациональные технологические схемы выемки пологих угольных пластов средней мощности для типичных условий Подмосковного бассейна должны включать низкозатратные технические и технологические решения и обладать максимальной адаптивностью к изменяющимся горно-геологическим условиям и горнотехнической обстановке.

2. Обоснование конкретной технологической схемы комплекса горных работ должно базироваться на формальной оценке реальных горных ситуаций, а перспективы рассматриваемых технологических схем окончательно могут быть выявлены при проведении натурных исследований или математического моделирования.

3. Предлагаемые технологические схемы отработки участков шахтных полей камерными системами разработки, скреперно-струговой и бурошнеко-вой выемкой являются наиболее простыми с точки зрения их реализации в конкретных условиях, обладают высокой гибкостью при адаптации их в изменяющихся геотехнических ситуациях.

4. Комплексное использование угольных месторождений обеспечивается адаптацией по геомеханическому фактору нетрадиционных для Подмосковного бассейна систем разработок и выбором термодинамических параметров процесса подземного сжигания угля на основе имитационного моделирования тепломассообменных процессов в системе «горная выработка - угольный пласт - вмещающие породы».

5. 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, а параметрами оптимизации газотеплогенератора являются расстояния между скважинами и рядами скважин; количество воздуха, подаваемого в нагнетательные скважины; перепад давления, развиваемый источниками тяги.

6. Максимальный КПД теплообменника при устойчивом горении угольного пласта обеспечивается, если температура газообразных продуктов горения составляет 473-523 К, а расход 20...50 тыс. м3/ч. Для такого режима работы теплообменника необходимо прогреть угольный пласт на линии всасывающих скважин до температуры не менее 573 К.

7. Процесс подземного горения угольного пласта моделируется системой уравнений тепломассообмена с учетом закономерности Аррениуса для константы скорости хемосорбции кислорода в огневом забое. Математическая модель комбинированной схемы «Углегаз» должна учитывать трехмерность процесса тепломассообмена и скорость движения огневого забоя, а вмещающие породы можно рассматривать как однородную, изотропную пористую среду.

Основные научные и практические результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Математическая модель динамики теплообмена и экологической безопасности при подземном сжигании оконтуренных целиков угля./ В.П. Сафронов, А.Б. Жабин, Н.М. Качурин, И.Н.Зубаков // Естественные науки. 2007. Вып. 2. С. 83-88.

2. Абрамкин Н.И., Сарычев В.И., Зубаков И.Н. Физико-химические основы и технологические принципы подземного сжигания углей для получения тепловой энергии: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технического журнала). 2009. №12. 39 с.

3. Зубаков И.Н. Расчет воздухообмена в подземных камерах и помещениях административно-бытовых комплексов надшахтных зданий Подмосковного бассейна// Ш Магистерская научно-техническая конференция: тезисы докладов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. С.45-46.

4. Расчетная модель технологических показателей ведения очистных работ в коротких забоях./ В.И. Сарычев, О.В. Коновалов, А.П. Саламатин, И.Н. Зубаков, М.А. Голодов// Материалы 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики»/ ТулГУ, 2728 октября 2011 г. Тула-Донецк-Минск. 2011. Т. 1. С. 336-344.

5. Оценка трудоемкости очистных работ при выемке угля короткими забоями./

B.И. Сарычев, О.В. Коновалов, А.П. Саламатин, И.Н. Зубаков, М.А. Голодов// Материалы 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики»/ ТулГУ, 27-28 октября 2011 г. Тула-Донецк-Минск. 2011. Т.1. С. 352-365.

6. Технологии очистной выемки ограниченных запасов на основе короткозабой-ных систем разработки./ В.И. Сарычев, И.Н. Зубаков, С.С. Жуков, С.И. Шестаков,

C.Г. Страданченко, М.А. Голодов// Материалы 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики»/ ТулГУ, 27-28 октября 2011 г. Тула-Донецк-Минск. 2011. Т.1. С. 365-377.

7. Экологически рациональная и безопасная геотехнология получения энергии из углей Подмосковного бассейна./ Н.М. Качурин, Э.М. Соколов, А.Б. Жабин, И.Н. Зубаков// Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2011. Вып. 2. С. 20-27.

8. Технологические схемы отработки камерами с расширением и с закладкой выработанных пространств./ В.И. Сарычев, В.В. Мельник, И.Н. Зубаков, С.С. Жуков // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2011. Вып. 2. С. 202-206.

9. Системы разработки камерами с расширением./ В.И. Сарычев, Н.И. Абрамкин, Е.И. Захаров, И.Н. Зубаков, С.С. Жуков// Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2011. Вып. 2. С. 206-212.

10. Моделирование технологических схем и организации работ в коротких очистных забоях./ В.И. Сарычев, В.В. Мельник, Н.И. Абрамкин, Е.И. Захаров, И.Н. Зубаков// Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2011. Вып. 2.

11. Качурин Н.М., Зубаков И.Н. Математическая модель подземной газификации угля в фильтрационном канале// Материалы Всероссийской конференции «Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и регионального природопользования» / ЮР-ГТУ(НПИ), 26-28 октября 2011 г. Новочеркасск. 2011. С. 299-302.

Изд. Лиц. ЛР №020300 от 12.02.97. Подписано в печать 13.02.2012 Формат бумаги 60x84 . Бумага офсетная.

Усл.печл. 1,5. Уч.-изд.л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ 39 Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, прЛенина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГу. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 95

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Зубаков, Игорь Николаевич, Тула

61 12-5/3394

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Тульский государственный университет

На правах рукописи

ЗУБАКОВ Игорь Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ГЕОТЕХНОЛОГИЙ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДМОСКОВНОГО БАССЕЙНА

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая

и строительная)

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д.т.н., профессор Н.М. Качурин

Тула 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 4

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................. 10

1.1. Основные методические положения и практические результаты реструктуризации и диверсификации угольной промышленности .... 10

1.2. Общая характеристика и область применения систем

разработки, приемлемых для шахт Подмосковного бассейна........... 17

1.3. Физико-химические основы и технологические принципы подземного сжигания углей для получения горючих газов

и тепловой энергии............................................................... 29

Выводы................................................................................... 39

Цель и идея работы. Постановка задач исследований......................... 42

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМЫ ВЫЕМКИ УГЛЯ С УЧЕТОМ РАЗМЕЩЕНИЯ ПУСТЫХ ПОРОД В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ. СЕЛЕКТИВНАЯ ОТРАБОТКА УЧАСТКОВ ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ

С ОГРАНИЧЕННЫМИ ЗАПАСАМИ 44

2.1. Общие требования к технологическим схемам............................. 44

2.2. Технологические схемы выемки угля проходческими

комбайнами при камерной системе разработки........................... 45

2.3. Технологические схемы на основе специального оборудования....... 48

- 2.4. Технологические схемы бурошнековой выемки угля..................... 50

2.5. Геомеханическое обоснование технологических схем................... 55

Выводы................................................................................... 60

3. ГЕОЛОГО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО УЧАСТКА "УГЛЕГАЗ"

И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ...................... 61

3.1. Выбор объекта исследований. Горно-геологические условия залегания забалансовых запасов и результаты их технического

анализа.............................................................................. 61

3.2. Результаты физического моделирования различных схем отработки пласта по технологии «Углегаз»............................................... 71

3.3. Анализ результатов стендовых испытаний газотеплогенератора...... 73

3.4. Факторы, определяющие устойчивость работы газотеплогенератора 73

3.5. Проект малой энергетики на базе угольных месторождений Подмосковного угольного бассейна.......................................... 75

Выводы................................................................................... 82

4. ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ВЫЕМКИ УГЛЯ С УЧЕТОМ ВОЗМОЖНОСТИ РАЗМЕЩЕНИЯ ПОРОД

В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ...................................................... 83

4.1. Технология очистных работ ограниченных запасов на основе

систем разработки короткими забоями....................................... 83

4.2. Оценка технологических показателей ведения очистных работ

в коротких забоях................................................................. 96

4.3. Оценка трудоемкости очистных работ при выемке угля короткими забоями............................................................................. 100

Выводы................................................................................... 115

5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДЗЕМНОГО

ГОРЕНИЯ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА УГЛЕЙ................................. 116

5.1. Физическая модель и математическое описание подземного горения угольного пласта.................................................................. 116

5.2. Оптимальное расположение скважин при огневой отработке

угольного пласта................................................................. 120

5.3. Математическая модель динамики теплообмена при подземном сжигании оконтуренных целиков угля...................................... 127

Выводы................................................................................... 134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................ 136

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.............................. 138

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Все цивилизации, при всем разнообразии их менталите-тов были направлены, в конечном счете, на потребление природных ресурсов. Воздействие человека на природную среду в процессе хозяйственной деятельности приобретает глобальный характер. По масштабам извлекаемых и перемещаемых пород, преобразования рельефа, воздействия на перераспределение и динамику поверхностных и подземных вод, и активизации геохимического переноса эта деятельность сопоставима с геологическими процессами. Но люди преобразовывали, и будут преобразовывать природу, поэтому важнейшей проблемой стратегии управления качеством природопользования являются разработка и внедрение геотехнологических принципов комплексного использования недр при подземной добыче угля.

В России доля природного газа как топлива на электростанциях будет снижаться вследствие падения добычи. Мировая электроэнергетика в среднем на 43% основана на угле: в Европе - более 50%, в США - на 56%, в Китае - на 70% . В России его доля на тепловых станциях составляет 27%, а 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 вырастет в 5-6 раз. Настолько же подорожает электроэнергия. Целесообразно прогнозировать те социальные, экономические и политические риски, которыми подвергнется наша страна через 50 лет, если ситуация в данной области останется без изменений. Особую остроту приобретает эта проблема для европейской части Российской Федерации, где есть один единственный источник угля - Подмосковный угольный бассейн. Однако процессы реструктуризации и диверсификации угольной промышленности поставили эту угленосную территорию в разряд бесперспективных угольных бассейнов.

Сегодня уже очевидным, что если жить так, как мы живем последнее

десятилетие, если думать теми категориями, которые противопоставляют Российскую государственность эффективной рыночной экономике, и сохранить без изменения возникшую шкалу общественных ценностей, то вскоре нас ожидает энергетический кризис и в центральном федеральном округе, что уже имеет место в дальневосточных регионах страны. Следовательно, для возрождения и последующего развития отечественной системы рационального и безопасного природопользования нужны иные знания, иные принципы, иные стандарты. Анализ технико-экономических обоснований на закрытие шахт свидетельствует о том, что вопросы использования основных фондов ликвидируемых предприятий изучены лишь в первом приближении. В первую очередь это относится к использованию горных выработок и оставленных запасов.

Таким образом, исследования, посвященные разработке теоретических положений, позволяющих научно обосновать геотехнологические принципы комплексного использования недр Подмосковного бассейна при подземной добыче угля и развития геотехнологий огневой отработки угольных пластов, являются актуальной научной проблемой.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2010 годы)» (per. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0319).

Целью работы являлось уточнение 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 подзем-

ном пространстве закрываемых шахт, обеспечивающих устойчивое функционирование систем диверсифицированных производств.

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.

Основные научные положения, сформулированные в работе, состоят в следующем:

1. Технология выемки и транспортирования угля на основе существующих средств механизации может быть реализована в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий Подмосковного бассейна при этом в современных условиях доминирующим требованием является миними-низация ресурсоемкости разрабатываемых геотехнологий.

2. Геотехнологии огневой отработки запасов угля с получением электрической и тепловой энергии при подземном сжигании бурых углей Подмосковного бассейна могут быть использованы для решения проблем диверсификации и технологической реструктуризации энергетики Тульской области и других регионов Центрального Федерального округа.

3. 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, а максимальный КПД теплообменника при устойчивом горении угольного пласта обеспечивается если температура газообразных продуктов горения составляет 473-523 К, а расход воздуха, подаваемого к огневому забою, находится в интервале значений 20000 - 50000 м /ч.

4. Устойчивое горение угольного пласта достигается, если концентрация кислорода в огневом забое равна СоО+КУ)"1, а оптимальное расстояние между рядами скважин составляет 20-30 м, а параметрами оптимизации га-

зотеплогенератора являются расстояния между скважинами и рядами скважин; количество воздуха, подаваемого в нагнетательные скважины; перепад давления, развиваемый источниками тяги.

5. Процесс подземного горения угольного пласта моделируется трехмерной системой уравнений тепломассообмена с учетом закономерности Ар-рениуса для константы скорости хемосорбции кислорода в огневом забое, а также скорости движения огневого забоя, при этом вмещающие породы можно рассматривать как однородную, изотропную пористую среду.

Новизна теоретических положений:

• научно обоснованы эксплуатационные параметры подземной разработки высокозольных бурых углей, отличающиеся тем, что обоснование и выбор технологических параметров основываются на принципах комплексного использования минерального сырья месторождения и геотехнологических возможностей подземного пространства отработанных угольных шахт;

• доказано, что в условиях Подмосковного бассейна можно эффективно использовать, как технологию подземной газификации угля, так и технологию «Углегаз», на базе существующего оборудования, обеспечивая устойчивое горение бурого угля в фильтрационном канале;

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

• обосновано научное положение, которое утверждает, что технологическая и социальная инфраструктура Подмосковного бассейна является основой создания конкурентоспособных энергосырьевых предприятий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

• корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием классических методов физической химии, математической физики,

математической статистики и современных достижений вычислительной техники;

• достаточно большим объемом лабораторных и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей и обоснованности выводов и рекомендаций;

• результатами опытно-промышленной апробации разработанных методик;

• положительными результатами промышленной апробации разработанных технических средств и организационно-технологических схем.

Практическая значимость работы заключается в том, что были на практике реализованы новые направления комплексного освоения недр Подмосковного бассейна для решения перспективных задач развития конкретных производственных единиц на основе интеграции промышленности Центрального региона, вузовской и академической науки. Внедрен и действует геоэкологический императив в развитии геотехнологической базы ОАО «Мосбасс-уголь» за счет создания региональных научно-производственных структур, в которых концентрируются для этого усилия институтов и факультетов горного профиля и Российской академии наук. Разработана структура и функциональные принципы горного производства в новых экономических условиях. Разработаны и апробированы новые и усовершенствованы существующие технологии добычи бурого угля.

Реализация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы были апробированы на шахтах Подмосковного бассейна. Теоретические результаты и технические решения включены в базовые учебные курсы по проектированию угольных шахт для студентов, обучающихся по специальности «Горное дело» и студентов, а также использованы при выполнении договорных и госбюджетных НИР в Тульском государственном университете.

Апробация работы. Научные положения и практические разработки диссертационной работы, и отдельные ее разделы докладывались и обсужда-

лись на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2009 - 2011 гг.), на научных семинарах и конференциях МГГУ (г. Москва, 2009 - 2011 гг.), на научно-технических советах ОАО «Мосбассуголь», 3-й и 4-й Международной конференции «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2008 - 2009 гг.), Международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула, 2010 г.), Международной конференции «Ecology, Energy, Economy Safety in a Non Liner World. 3E - SAFETY» (г. Белград, 2009 г.); 3-я Международная конференция по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2010 г.); 3-rd International Symposium ENERGY MINING «Energy Mining, New Technologies, Sustainable Development» (Сербия, г. Апатин, 2010 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликован .......статей.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения 5 глав, и заключения, изложенных на 147 страницах машинописного текста, содержит _9_ иллюстраций, _4_ таблицы и список литературы из 118 наименований.

Автор диссертации выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору В.И, Сарычеву, а также сотрудникам кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений за постоянную поддержку и методическую помощь в проведении исследований.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Основные методические положения и практические результаты реструктуризации и диверсификации угольной промышленности

Экономические реформы и развитие рыночных отношений делают неизбежными структурные преобразования в горнодобывающих отраслях и, прежде всего, в угольной промышленности. Объективными причинами таких преобразований являются сложные горно-геологические условия большинства разрабатываемых угольных месторождений, неблагоприятное их географическое размещение по отношению к основным потребителям угля на внутреннем и внешнем рынках. При наличии мощностей газовой промышленности и развитой системы газопроводов эти причины оказывают существенное негативное влияние на конкурентоспособность продукции многих угольных предприятий [1-4].

Реструктуризация и диверсификация угольной промышленности предусматривает постепенное закрытие неперспективных, особо убыточных шахт с низкими технико-экономическими показателями и улучшение структуры ресурсной базы угольной промышленности за счет отказа от разработки пластов, опасных по внезапным выбросам и горным ударам, тонких пластов и пластов с углами падения свыше 25°. Снижение добычи при этом предлагается компенсировать за счет концентрации финансовых, материальных и людских ресурсов на более эффективных предприятиях, имеющих благоприятные условия для развития.

К 1997 году предусматривалось закрыть 44 неперспективные и особо убыточные шахты, а к 2000 году - последовательно прекратить добычу на 140 шахтах. Была проведена большая работа по разработке, экспертизе и утверждению