Разработка технологических решений по рациональному освоению ресурсного потенциала закрываемых шахт

Закоршменный, Иосиф Михайлович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка технологических решений по рациональному освоению ресурсного потенциала закрываемых шахт
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологических решений по рациональному освоению ресурсного потенциала закрываемых шахт"

На правах рукописи УДК 622:001.12

ЗАКОРШМЕННЫЙ Иосиф Михашю^

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО РАЦИОНАЛЬНОМУ ОСВОЕНИЮ РЕСУРСНОГО ПОТЕНЦИАЛА ЗАКРЫВАЕМЫХ ШАХТ

Специальность 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва 2007

003064597

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном горном университете

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

доктор технических наук, профессор ИСАЧЕНКО Николай Филиппович (ООО «Национальный углеродный фонд»)

доктор технических наук, профессор ПЕТРЕНКО Евгений Васильевич (ОАО НТЦ «Промышленная безопасность»)

доктор технических наук ЛАЗАРЕНКО Сергей Николаевич (Институт угля и углехимии СО РАН)

Ведущая организация: Акционерное общество «Подмосковный научно-исследовательский и проектио-конструкторский угольный институт (ПНИ УИ)» (г. Новомосковск)

Защита диссертации состоится «20» сентября 2007 г в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д-212.128.03 при Московском государственном горном университете по адресу 119991, Ленинский проспект, 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан «./2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Владимир Васильевич Мельник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Доля России в мировых запасах нефти составляет 13%, угля - 20%, газа - 34% При этом доля использования утя значительно уступает газу и составляет всего 16-17%, в то время как во всей мировой экономике в целом - 40%. Правительство Российской Федерации поставило задачу перед угольщиками - увеличить долю угля, поставляемого на нужды энергетики страны, до 35%. Для замещения становящихся все более дорогим нефти и газа Министерствам промэнергетики и экономразвития поручено в 2006 г разработать конкретную программу действий для достижения заданного уровня использования угая Энергетической стратегией России на период до 2020 г предусмотрено увеличение добычи угля к 2020 г не менее чем на 25% Однако анализ экономической и производственной деятельности угледобывающей отрасли, а также динамики движения промышленных запасов показывает, что подготовленных резервных мощностей практически нет, и поэтому шахты и разрезы не готовы к такому изменению конъюнктуры рынка углеводородного сырья. Выбытие мощностей за последние 5 лет в 1,6 раза превышает ввод новых В 2005 г это соотношение по шахтам составило более 2 Имеется значительный объем незавершенного строительства и дефицит утя, для нужд теплоснабжения.

Первоочередная отработка пластов, залегающих в благоприятных горногеологических условиях, с преимущественной ориентацией на комплексно-механизированную добычу угая (93,5% в 2005 г.), которой можно эффективно освоить только 43% промышленных запасов действующих предприятий, приводит к сужению сырьевой базы Дополняют эти показатели списанные более 7 млрд т балансовых запасов при ликвидации шахт

Одним из направлений решения указанного комплекса задач является продление срока службы угольных шахт за счет более полного использования их ресурсов (извлечение запасов, оставленных по технологическим, экономическим причинам, использование подземного пространства как на действующих, так и закрывающихся шахт)

Основой практической реализации этого направления могут быть физико-химические геотехнологии, в настоящее время представленные подземной газификацией угля (ПГУ), подземным сжиганием угля (ПСУ), скважинной гидравлической добычей угля (СГД), подземной гидрогенизацией (растворением) угля (ПРУ) и экстракцией угля (ПЭУ). Из них наиболее

перспективными для разработки энергетических углей и реальными к промышленному внедрению являются ПГУ и ПСУ

На начало 2006 г прекращена добыча и проведены ликвидационные работы на 188 шахтах Этот процесс будет продолжаться, так как еще 31 шахта экономически неэффективна (нагрузка на очистной забой не более 500 т)

Анализ ТЭО на закрытие шахт свидетельствует, что вопросы использования значительных ресурсов закрывающихся шахт рассматриваются как второстепенные, а вопросы создания эффективных новых производств, связанных с утилизацией бытовых и промышленных отходов, отработки оставшихся запасов на основе физико-химических геотехнологий - вообще не рассматриваются. В то же время при использовании такого подхода реструктуризация шахты будет заключаться не в ее закрытии и физическом уничтожении с затратами более 500 млн. рублей в среднем на шахту (ликвидация капитальных выработок, стволов, подъемных машин, поверхностных зданий), а в перестройке и применении существующего оборудования и инфраструктуры к задачам нового производства

Таким образом, исследования, направленные на разработку технологических решений по рациональному освоению ресурсного потенциала закрываемых шахт, позиционируются как весьма актуальные

Целью диссертации является выявление закономерности влияния комплекса факторов на эффективность освоения ресурсного потенциала закрываемых шахт для разработки прогрессивных вариантов технологий, обеспечивающих продление эффективной работы горных предприятий, создание дополнительных рабочих мест и снижение экологической нагрузки на регион

Основная идея работы заключается в разработке системного подхода к реализации физических эффектов при подземном сжигании угля в месте его залегания, созданию дополнительных полостей с попутной добычей угля и размещению термически подготовленных твердых бытовых отходов в технологическом пространстве шахты

Методы исследований. Решения поставленных в работе задач осуществимо с привлечением комплекса методов исследований, включающего научный анализ и обобщение, математическое моделирование, экспериментальные исследования в лабораторных и натурных условиях с использованием апробированных и специально разработанных методик для

обоснования параметров технологических решений по рациональному освоению ресурсов закрываемых шахт.

Основные научные положения, сформулированные в работе, состоят в следующем

1 Обеспечение эффективной работы закрываемой согласно проекту шахты в постэксплуатационный по планомерной добыче период может быть реализовано при освоении осгаточного ресурсного потенциала на базе подземного сжигания угля в месте его залегания, создании дополнительных полостей с попутной добычей полезного ископаемого и размещении в техногенном пространстве шахты термически подготовленных твердых бытовых отходов

2 Повышение эффективности технологии подземного сжигания угля на глубинах до 300м обеспечивается реализацией нагнетательно-всасывакяцего блочно - ориентированного способа подачи окислителя в зону горения угля, способствующего снижению потерь окислителя и конечных продуктов горения 3. Эффективность функционирования процессов подземного сжигания угля находится в функции депрессии продуктивного газа и полноты использования горючих компонентов и выражается в повышении объема извлекаемого теплоносителя и температуры последнего

4 Параметры подземного теплогазогенератора определяются глубиной залегания и мощностью угольных пластов, низшей теплотой сгорания полезного ископаемого, водопритоком в зону горения и топологией сети горных выработок

5 Получение электрической энергии на базе продуктов подземного сжигания угля в диапазоне температур продуктивного газа 550-960К и при теплоте сгорания его выше 200 кДж/м3 может быть обеспечено включением в состав поверхностного теплотехнического комплекса эжекционной установки

6 Эффективность технологических решений по размещению термически подготовленных твёрдых бытовых отходов в техногенном пространстве угольной шахты определяется устойчивостью горных выработок, длительностью затопления их при наличии водопритоков и глубиной термической обработки отходов

7 Диверсификация производства на закрываемой шахте может быть реализована за счёт увеличения объемов техногенного пространства путем создания дополнительных полостей в целиках угля с последующим использованием его для термической подготовки ТБО, размещения в полостях

ТБО, в том числе с последующим сжиганием их с углем межполостных целиков угля

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

• значительным объемом аналитических, стендовых и экспериментальных исследований (исследование остаточных ресурсов 7 угольных шахт, станции «Подземгаз», проведено 7 стендовых исследований и эксперимент по дожиганию оставленных запасов угля),

• использованием при исследованиях фундаментальных и апробированных положений термодинамики, теории горения и газификации топлив и физики горных пород для выявления закономерностей, протекающих в рассматриваемой гетерогенной термодинамической системе для обоснования технологических решений,

• применением современных методов эколого-экономической оценки разработанных технологических решений;

• удовлетворительной сходимостью полученных теоретических результатов с экспериментальными (расхождение не превышает 10-15%)

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Разработана концепция освоения остаточного ресурсного потенциала закрываемых шахт путем подземного сжигания угля и использования техногенного пространства

2 Установлены закономерности процесса горения, температуры, состава газа, количества сгоревшего угля по длине канала горения Определены условия получения электрической энергии при подземном сжигании угля

3 Разработана методика расчета параметров газификации и сжигания угля в подземных условиях

4 Разработана методика расчета параметров работы газотурбинной эжекционной установки

5 Установлены зависимости объемов поддерживаемого подземного пространства закрываемых шахт от горно-геологических условий и горнотехнических факторов

6 Обоснованы принципиальные технологические решения по использованию подземного пространства для размещения твердых отходов

7 Установлены закономерности, позволяющие определять параметры комбинированной технологии подземного сжигания угля

Научное значение работы заключается в выявлении закономерностей

влияния комплекса факторов на эффективность освоения ресурсного потенциала закрываемых шахт для разработки методической базы обоснования параметров технологий подземного сжигания угля и многоцелевого использования техногенного пространства горных предприятий. Практическое значение диссертации:

• разработаны рекомендации по формированию комплекса теплоэнергетического оборудования для извлечения полезной энергии из продуктов подземного сжигания угля,

• разработан способ сжигания и газификации угля в подземных условиях на основе нагнетательно-всасывающего режима подачи окислителя в угольный канал (патент РФ 1760787),

• разработаны технические решения по конструкции газоотводящей выработки или скважины (патент РФ 1438305) и тягодутьевого оборудования (патент РФ 2096605), позволяющие повысить энергетическую эффективность процесса сжигания угольных пластов (запасов) при одновременном снижении его отрицательного воздействия на окружающую среду,

• разработан способ переработки отходов в техногенном пространстве (патент РФ №2025639),

• разработаны рекомендации по применению комбинированной технологии в условиях Южно-Абинской станции «Подаемгаз»

• Обоснованы параметры технологических схем размещения продуктов термического обезвреживания ТБО в техногенном пространстве шахты, обеспечивающих экономически эффективное и экологически безопасное использование шахты как коммунального предприятия

Реализация результатов работы. Результаты исследований вошли составной частью в рекомендации по разработке комбинированной технологии подземного сжигания угля в условиях Южно-Абинской станции «Подземгаз» в 1989 г., технических заданий на сооружение и ввод в эксплуатацию участка комбинированной технологии «ПГУ-ПСУ» на Южно-Абинской станции «Подземгаз» ПО «Киселевскуголь» (Кузбасс) в 1990 г. и 1994 г, использованы при разработке технических заданий на сооружение участков ПСУ на шахте «Суртаиха» ПО «Киселевскуголь» для дожигания угольных запасов в зоне эндогенных пожаров в 1986 г и на отработанных шахтах № 1 шахтоуправления «Калиновское» и №4 Несветаевского шахтоуправления ПО «Шахтуголь» (Восточный Донбасс) в 1993 г и в 1995 г., руководства «Типовые решения для составления проекта подземного сжигания оставленных в недрах

запасов угля с получением энергии для бытовых и производственных нужд», утвержденного корпорацией «Уголь России»

Разработанные технологические схемы размещения отходов в техногенном пространстве закрываемых шахт переданы в ГК «Росуголь» в 1994-1995 гг и ОАО УК «Киселевскуголь» в 2000 г. и реализованы при оценке возможностей перепрофилирования закрываемых шахт

Научные и практические результаты работы использованы в учебном процессе МГТУ при подготовке дипломированных специалистов специальностей 130401 «Физические процессы горного и нефтегазового производства» и 130404 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на Всесоюзной научной конференции «Комплексное использование физических свойств горных пород и процессов» (Москва, 1987), на Всесоюзной научно-технической конференции «Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений» (Москва, 1989); на X Всесоюзной научной конференции «Физические процессы горного производства» (Москва, 1991), на научных конференциях и симпозиумах в рамках «Неделя горняка» (Москва, 1994-2006), на научной конференции «Экологические проблемы горного производства» (Москва, 1995), на отчетной конференции-выставке по подпрограмме «Топливо и энергетика» НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (Москва 2001); на научно-технических совещаниях в ГК «Росуголь» и ГУРШ при Минтопэнерго России (Москва, 1993-1996), на секциях Ученого совета ИГД им. А А Скочинского (Москва, 1999), на технических советах ПО «Киселёвскуголь», «Шахтуголь» (Киселевск, Красный Сулин) 1986-2000), на научных семинарах кафедры ПРПМ МГТУ (Москва, 2003-2007)

Автор выражает глубокую благодарность коллективам кафедр «Подземная разработка пластовых месторождений» и «Физика горных пород и процессов» Московского государственного горного университета за методическую помощь, ценные советы и замечания, высказанные в процессе выполнения работы, а также инженерно-техническим и научным работникам предприятий и организаций, принимавшим участие в проведении соответствующих экспериментальных исследований по теме диссертации

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 40 научных трудов, включая 16 статей в изданиях, рекомендованных ВАК

России, 4 патента РФ на изобретения

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, содержит 88 иллюстраций, 102 таблицы и список литературы из 255 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования

В ближайшие 20 лет эксперты прогнозируют увеличение мирового потребления энергии до 16,5-19,1 млрд т условного топлива (тут) против 13,0 млрд тут в 2000 г. Доля России в мировых запасах нефти составляет 13%, угля - 20%, газа - 34%, то есть уголь, наряду с газом, занимает ведущее место, и Россия может ориентироваться на уголь в качестве главного стратегического ресурса, однако на практике, к сожалению, этого не происходит В качестве так называемого котельно-печного топлива для получения электрической и тепловой энергии по - прежнему приоритет отдается газу При этом доля угля в структуре потребления составляет всего 16-17 %, в то время как в промышленно развитых странах она достигает 40%

Перспективными планами развития угольной промышленности России предусмотрено увеличение добычи угля не менее чем на 25% к 2020 году. Однако, несмотря на увеличение начиная с 1993 г нагрузки на очистной забой с 485 до 1744 т/сут, в том числе КМЗ с 719 до 2550 т/сут., и более чем в 2,2 раза производительности труда, оснований для оптимистических прогнозов развития подземного способа добычи угля нет Это подтверждается тем, что за счет строительства новых предприятий и реконструкции действующих введен только 41% производственных мощностей Имеется к тому же значительный объем незавершенного строительства Опережающими темпами разрабатываются пласты в благоприятных горно-геологических условиях Объем добычи из забоев, расположенных на пластах с углом залегания до 35° при мощности пластов более 1,8 м, в 2005 г составил 81,9% к общей добыче из действующих очистных забоев. В связи с этим и по причине списания более 7 млрд т балансовых запасов при ликвидации шахт сужается сырьевая база

На начало 2006 г прекращена добыча и ведутся ликвидационные работы на 188 шахтах Этот процесс будет продолжаться, так как в настоящее время в составе шахтного фонда отрасли имеется 31 предприятие с нагрузкой на очистной забой не более 500 т в сутки

Разрабатываемые в настоящее время ТЭО закрытия ряда шахт России

предусматривают только частичное использование зданий и сооружений на поверхности шахты и полную ликвидацию всего подземного комплекса горных выработок с выборочным извлечением крепи и технологичного оборудования

Стоимость горных выработок составляет порядка 50-70% от основных производственных фондов. От 10 до 25% этих фондов приходится на оборудование, которое после извлечения обычно не реализуется из-за его изношенности Таким образом, в результате реализации традиционных технологичных решений большая часть производственных фондов теряется безвозвратно.

К сожалению, темпы реструктуризации отрасли превышают возможности ее финансирования. Хотя большая часть средств, выделяемых на ликвидацию убыточных шахт, идет на социальную защиту трудящихся и создание новых производств в этих районах, возникает острая напряжённость в связи с дефицитом ресурсных мест, функционированием служб в населенных пунктах, где закрываемые шахты были градообразующими производственными объектами Значительно отстает финансирование мероприятий по ликвидации негативных экологических последствий ведения горных работ

В то же время следует отметить, что нерентабельные и закрываемые шахты обладают значительным оставленным ресурсным потенциалом, эффективное использование которого может быть выходом из сложившейся ситуации

Многие из шахт на момент закрытия обладают существенными остаточными запасами метана - до 50% от геологических запасов. По оценке РосНИИугая, выполненной по 5 шахтам Кузбасса, потенциал метанодобычи из выработанных пространств на момент их закрытия составлял 27% от остаточных ресурсов метана Работы по данному направлению доведены до уровня промышленного внедрения благодаря комплексным исследованиям учёных, в частности МГТУ, ИПКОН РАН, ВНИИПромгаза, ИГД им А А Скочинского КузГТУ. Результаты их иследований могут быть успешно реализованы на практике.

Излив шахтных вод из закрываемых шахт, объем которых в настоящее время составляет 8 тыс. м3 в сутки, также необходимо принимать к учету при разработке ТЭО на закрытие шахт

Оставленные по экономическим и технологическим причинам запасы угля могут быть отработаны на основе прогрессивных решений на базе физико-химических геотехнологий

Из всех известных физико-химических геотехнологий добычи угля наиболее перспективными для разработки энергетических углей и подготовленными к промышленному внедрению являются подземная газификация угля (111'У) и подземное сжигание угля (ПСУ) В России накоплен положительный опыт применения 111У в различных горно-геологических условиях основных уюльных бассейнов Большой объем исследований выполнен и ведется в настоящее время в области ПГУ за рубежом

Наибольший вклад в разработку технологии ПГУ внесли советские и российские ученые 3 Ф.Чуханов, П В Скафа, А А Агроскин, Н В Лавров, Б В Канторович, М К Ревва, Е.В Крейнин, Б И.Кондырев, С Н.Лазаренко, К.Н.Звягинцев, В Н Казак, В В Капралов, Г В.Орлов и многие другие

Под руководством Е В.Крейнина ранее были выполнены исследования, позволившие уточнить минимальную мощность станций «Подземгаз» на уровне 300 МВт, минимальный срок их эксплуатации - 30 лет. При этом им было показано, что удельный водоприток в очаге горения должен быть менее 1 кг воды/кг угля Сырьевой базой для эффективного применения апробированной технологии ПГУ являются 22% балансовых запасов угля России Для остальных угольных запасов, в том числе оставленных на действующих и закрываемых шахтах и запасов маломасштабных месторождений, классическая схема ПГУ нецелесообразна по экономическим и технологическим критериям

В этих условиях, по мнению автора, целесообразно применение ПСУ Исследования, выполненные в области разработки научных принципов осуществления ПСУ и обоснования технологических схем, показывают, что приоритет в этом направлении принадлежит российским ученым Наибольший вклад в разработку и становление технологии ПСУ внесли ученые и производственники А.СЛурчаков, Ю Ф.Васючков, Ф И. Грохотов, Е.И Глузберг, А П Килячков, А Б Ковальчук, В В.Ржевский, Г И.Селиванов, В А Серов, В ЛЛИкуратник, СВЯнко, ГАЯнченко, С.АЯрунин и др Выполненные экспериментальные исследования технологии ПСУ в 1985-90 гг на угольных шахтах Донбасса и Подмосковного бассейна были направлены на получение тепловой энергии и дали в целом положительные результаты, хотя и ниже ожидаемых (табл 1). Не удалось, к сожалению, выявить причины и факторы, снижающие выход тепловой энергии при ПСУ, а также разработать технологические решения, обеспечивающие эффективность последней. В конце 80-х годов прошлого столетия в результате недостаточного финансирования

эксперименты были прекращены, кроме как на объектах Кузбасса В Кузбассе был осуществлен выбор участков на шахте «Суртаиха» ПО «Киселевскуголь» и Южно-Абинской станции «Подземгаз», отрабатывавших мощные крутые пласты. Учитывая, что разработка крутых пластов существенно отличается от разработки горизонтальных и пологих, была создана с участием автора стендовая установка для отработки схем подготовки блоков сжигания угля и технологических режимов ПСУ Результаты выполненных исследований являлись основой разработки рациональных технологических схем подземного сжигания

Таблица 1

Результаты натурных экспериментов по ПСУ

Показатели Шахта №1 «Острый» Шахта «Ки ресвская-3»

1-ый этап 2-ой этап 1-ый этап 2-ой этап

Запасы угля, т 1010 3500 2500 14500

Время эксперимента, сут 150 458 232 575

Расход воздуха 0,в,Л/с 0,48 - - 0,09

Расход воздуха 0/ яч3/с 1,07 2,29 1,42/0,94* 0,97/0,64

Скорость горения угля б/102,кг/с 7,79 9,30 6,4/15,2 6,94

Средняя за время эксперимента температура Т!в,К 443 445 385 412

Состав сухих продуктов подземного сжигания угля (ППСУ) % со2 14,20 7,10 12,00 8,03

$02 0,01 - - -

о2 6,39 12,40 8,5 10,1

СО 1,85 0,17 1,55 0,22

н2 2,59 0,24 3,00 0,32

СН2 0,36 0,04 2,25 0,43

0,46 - - -

*В числителе приведенные экспериментальные данные и результаты анализа на их основе, а в знаменателе уточненные данные и результаты анализа на их основе

Важным аспектом использования оставленных ресурсов угольных шахт, кроме ПСУ, является использование техногенного пространства их для размещения твердых отходов различных производств. В первую очередь следует отметить исследования по размещению породы от проведения и ремонта выработок, которые были выполнены ИГД им. А.А. Скочинского, ДонУГИ, МГГУ, ДонГТУ и др организациями Но все они были выполнены применительно к действующим шахтам Использование же выработок околоствольных дворов на закрытых шахтах для складских целей, нужд гражданской обороны, выращивания сельхозпродукции оказалось

убыточным, поскольку, используя не более 3-5% общего объема техногенного пространства, приходилось обеспечивать надлежащее проветривание, водоотлив и энергоснабжение шахты На основе опыта Германии и в связи с закрытием значительного числа шахт были сформулированы предложения по размещению в техногенном пространстве закрывающихся шахт твердых бытовых отходов К тому же традиционная для России утилизация бытовых и промышленных отходов на полигонах сталкивается с существенными сложностями в решении вопроса выделения новых площадей под них и экологическими проблемами реализации данного способа.

Установлено, что средний объем поддерживаемых выработок на момент закрытия шахт Восточного Донбасса составил порядка 800 тыс м3, на шахтах Подмосковного бассейна -100 тыс. м3, Прокопьевско-Киселевского района - 400 тыс м3 Структура техногенного пространства закрываемых шахт представляется следующим образом для условий пологих и наклонных пластов Донбасса и Кузбасса вертикальные выработки составляют до 5%, горизонтальные выработки - 62%, наклонные - 33%; для крутонаклонных и крутых пластов доля вертикальных выработок составляет - 1,9%, горизонтальные - 98,1%, наклонных - 0. Для шахт Подмосковного бассейна на долю вертикальных стволов приходится 1,8%, выработок околоствольного двора с примыкающими участками основных главных выработок - 17%, магистральных штреков - 81,2%.

Крепь горных выработок к моменту закрытия шахт чаще всего находится в хорошем или удовлетворительном состоянии, что способствует эффективному повторному использованию этих выработок. Наибольшее распространение в исследуемых условиях получили анкерная (около 40%) и арочная (35-38%) металлические крепи Анкерной крепью закреплено более 50% горизонтальных выработок 60% наклонных выработок закреплено арочной крепью На долю выработок с железобетонной крепью приходится 14-16%

На основании вышеизложенного в соответствии с целевыми направлениями диссертации определены следующие научные задачи

1 Анализ изученности проблем и опыт эффективного использования ресурсного потенциала закрываемых шахт и направлений

2 Обоснование направлений использования ресурсного потенциала закрываемых шахт

3 Оценка объемов поддерживаемого техногенного пространства, его пригодности для размещения отходов и определение степени влияния

геомеханических и гидрогеологических факторов на срок службы перепрофилированного предприятия.

4 Оценка объемов 1БО в районе предприятий и обоснование способа их термической подготовки.

5 Обоснование вариантов технолоши размещения в шахте твердых отходов и разработка рекомендаций по переоборудованию поверхностного комплекса, схем транспорта, вентиляции и шахтного водоотлива.

6 Оценка влияния горно-геологических, и технологических факторов на температуру и состав продуктов подземного сжигания угля

7 Обоснование состава теплотехнического комплекса поверхности при ПСУ и проведение исследований по дожиганию горючих компонентов

8 Разработка методики обоснования параметров турбогенераторной эжекционной установки, обеспечивающей повышение депрессии и определение условий получения электроэнергии при ПСУ.

9 Эколого-экономическая оценка разработанных технологических решений по освоению ресурсного потенциала закрываемых угольных шахт

2. Обоснование принципиальной технологической схемы рационального использования ресурсов закрываемых шахт

При выборе технологической схемы использования ресурсов закрываемых шай с размещением твердых отходов и сжиганием оставленных запасов угля необходим комплексный учет влияния горно-геологических, гидрогеологических, горнотехнических, экологических и экономических факторов, а также возможностей реализации прогрессивных технологических решений по эффективному освоению ресурсного потенциала закрываемых шахт

Ликвидация и термическая подготовка отходов является сложной санитарной, технической и экологической проблемой Решению целого ряда вопросов в этом направлении посвящены работы АКХ им. К Д Памфилова, Экотехпрома и др организаций

Более 80% всех твердых отходов в России складируется на свалках и полигонах Складирование отходов в виде насыпных холмов или в карьерах и оврагах приводит к загрязнению грунтовых вод фильтратом, а окружающих территорий легкими фракциями отходов. Анализ методов переработки твердых отходов показывает, что наиболее целесообразно использовать для размещения в техногенном пространстве закрываемых шахт продукты их термической

подготовки, в результате чего образуется 25-30% твердого нетоксичного и непатогенного остатка в виде мелкофракционных ишаков Реализация термических способов обеспечивает возможность использования образующейся при сжигании отходов теплоты для производства тепла или электроэнергии, при этом необходимы минимальные размеры землеотвода по сравнению со всеми остальными способами обезвреживания отходов В России разработана и защищена патентами в промышленно развитых странах технология высокотемпературного сжигания ТБО с использованием печи Ванюкова Рациональная мощность по переработке отходов определена с учетом численности населения шахтерских городов и составляет от 30 до 100 тонн твердых бытовых отходов в сутки

Исследования особенностей формирования ресурсного потенциала закрываемых шахт позволили сформулировать основные требования к технологическим схемам рационального его освоения.

При разработке технологии использования техногенного пространства шахты для размещения отходов главным требованием является ориентация на минимальное изменение существующей топологии сети горных выработок и применяемых технических средств

Анализ результатов реализации технологии ПСУ на экспериментальных участках Донецкого и Подмосковного бассейнов (табл 1) позволил обосновать направления дальнейших исследований по обеспечению полноты и эффективности отработки запасов тонких и крутых пластов

Одной из основных причин, не позволившей реализовать при экспериментах все потенциальные возможности ПСУ, являются значительное внешние водопритоки Скрытая теплота испарения в продуктах подземного сжигания угля (ППСУ) составила 0,373 0,557 от высшей теплоты сгорания Qsr углей Кроме того, имело место уменьшение температуры угольного канала горения Туе до величин, при которых диффузионный режим горения угля в УК становится переходным или вообще кинетическим В этом случае длина зоны горения значительно превышает размеры канала горения, что резко снижает влияние расхода подаваемого воздуха Qв на показатели ПСУ

На основании результатов исследований в качестве перспективных участков для ПСУ в работе определены запасы угля по мощности, углу падения пластов и качеству полезных ископаемых при отсутствии внешних водопритоков деод или дв(х)<3,0 кг воды/кг угля для каменных углей и двод<1,0 кг воды/кг угля для бурых

Наблюдение за состоянием экологической обстановки на участках ПСУ и примыкающих к ним территорий выполнялось МГГУ совместно с ПНИУИ и КГМИ, однако данные не были систематизированы Полученные результаты показали, что загрязняющее действие отработанных ППСУ, выбрасываемых в атмосферу, гораздо ниже, чем при сжигании эквивалентных количеств угля аналогичного качества в топках котельных, теплоэлектростанций и бытовых печей В них отсутствуют токсичные окислы азота, практически полностью сероводород ЯД а содержание твердых частиц и сернистого ангидрида 802 не превышает ПДК Сбрасываемая в местные водоемы на шахте №1 «Острый» вода, откачиваемая во время второго этапа экспериментов, содержала 0,002-0,008 мг/л фенолов (в среднем 0,0023 мг/л) По данным ВНИИОСуголь, это сопоставимо с их содержанием в сточных водах шахт Кузнецкого, Донецкого и Карагандинского бассейнов (0,001-0,33 мг/л) При экспериментах в качестве основного фактора, ограничивающего работоспособность технологии ПСУ, было отмечено перекрытие магистральных выработок («запечатывание») при обрушениях больших масс вмещающих пород с высоким коэффициентом разрыхления

Технология ПСУ направлена на удовлетворение нужд малой энергетики, поэтому оптимальная мощность по производству тепловой энергии в работе рекомендуется до ЗГкал/час

При обосновании рационального варианта технологической схемы ПСУ для конкретного участка необходимы изыскание возможности максимального использования имеющихся горных выработок, осуществление объективного выбора оборудования поверхностного теплотехнического комплекса для получения экономически эффективной удовлетворяющей требованиям потребителей конечной продукции ПСУ.

3. Технологические решения по подземному сжиганию оставленных при закрытии шахты запасов угля

Шахтный и комбинированный способы подготовки участков ПСУ целесообразно применять для подготовки к сжиганию уже вскрытых горными работами запасов угля, а скважинный - для подготовки к сжиганию не вскрытых горными работами запасов как на ранее неосваиваемых угольных месторождениях, так и в пределах горных отводов

Анализ процессов формирования состава газа в угольном канале показал, что процессы обмена энергией, лежащие в основе технологии ПГУ и ПСУ, относятся к одному классу гетерогенных термохимических процессов

Условие получения в угольном канале /к ППСУ с максимальным запасом физического тепла и минимальным содержанием экологически вредных компонентов (горючие газы, пары каменноугольной смолы) имеет вид /к я /г, где - длина зоны горения Условие реализации процессов газификации представляется как /к = (8 - 10) /г, а температура (Т) ППСУ на выходе из зоны горения должна быть не менее 1000К

Наличие при ПСУ в угольном канале только зоны горения и практическое отсутствие ограничений по температуре ППСУ позволили акад. В В Ржевскому рекомендовать данную технологию для отработки довольно небольших по площади распространения угольных запасов По его утверждению, таких запасов скопилось в недрах земли в основных угледобывающих регионах на начало 80-х годов порядка 20 млрд т, которые постоянно увеличиваются вследствие закрытия шахт и переоценки запасов

Анализ ранее выполненных натурных экспериментов показал необходимость уточнения области эффективного применения технологии ПСУ.

Для обоснования параметров участка ПСУ при непосредственном участии автора разработана методика, включающая расчет длины угольного канала, тепловой мощности и выбор необходимого тягодутьевого оборудования На основе анализа теплового и материального баланса процессов сжигания в пределах определяемого на основе опытных данных диапазона расхода воздуха устанавливаются закономерности изменения показателей эффективности сжигания от скорости горения и обосновываются рациональные режимы горения, увязанные с топологией сети горных выработок

Мощность на выходе из газоотводящей сети 1ЫГВ является важнейшим объективным показателем процесса сгорания и газификации угля. Однако для выбора вида и типоразмера оборудования необходимо знать температуру и реальный расход газа, а также, какая часть Ыгв представлена в газе физическим, химическим теплом и скрытой теплотой испарения паров воды.

Если основная часть МГБ представлена в виде высокопотенциального физического тепла, температура на выходе из газоотводящей сети Тгв > 800 -1000К, то преобразование в любой необходимый потребителю вид энергии

(горячая вода, перегретый пар, электроэнергия) принципиальных затруднений не вызывает

Наличие в продуктах сгорания и газификации химического тепла и скрытой теплоты испарения паров воды требует не только дополнительного оборудования, но и учета экологических последствий такого преобразования энергии

Длина зоны горения зависит от температуры канала горения и может быть определена по формулам С А Гольденберга, Е В Крейнина и Г А. Янченко как для диффузионного процесса горения, так и для переходного

Однако для технологических целей также важно выявить распределение энергии по длине канала горения С этой целью разработана математическая модель для описания процесса горения, которая представляется в виде модели «пограничного слоя». В основе построения модели лежат результаты экспериментальных исследований А С Предводителева, А.Б. Чернышева, З.Ф. Чуханова, свидетельствующие о том, что основные химические процессы происходят в тонкой пленке, прилегающей к поверхности сжигаемого материала

В предложенной модели рассмотрен процесс горения на внутренней поверхности цилиндрического канала длиной I и диаметром й . Поступление кислорода достигается путем принудительной подачи воздуха в этот канал В данной модели скорость движения воздуха по каналу считается постоянной как во времени, так и в пространстве. С целью упрощения расчетов рассмотрены случаи наличия низких температур (Т < 1200 К) с определяющими реакциями горения углерода с получением окиси углерода и двуокиси ушерода, и высоких температур с определяющей реакцией восстановления двуокиси углерода (реакция Будуара) С02+С=2С0

При численной реализации модели установлены зависимости между скоростью подачи воздуха, геометрическими параметрами канала (скважин) и температурой исходящего газа Установлено, что при увеличении скорости подачи воздуха повышается температура газа и возрастает объем выгоревшего слоя угля Максимальный выход физического тепла в зависимости от конкретных условий достигается при концентрациях кислорода на выходе из огневого канала не более 8-10% (рис 1)

Оь% Т\К

Рис 1 Изменение процесса горения угля в зависимости от расхода окислителя по длине канала горения

Для подтверждения результатов аналитических расчетов было выполнено стендовое моделирование технологии ПСУ применительно к условиям крутопадающих пластов Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса Характеристика объектов исследований представлена в табл.2

Таблица 2

Характеристика объектов исследований

Участок Глубина, м Мощность пласта, м Угол падения, град Обводненность, м3 Технологическая схема

Шахта «Суртаиха» 170-180 7,0-8,0 75 1,0 Шахтная

15-й газогенератор ст «Подземгаз 60 3,8 75 - Комбинированная

Отличительной особенностью модели является то, что она позволяет имитировать не только собственно процесс горения, но и утилизацию получаемой тепловой энергии Закладка блоков в модель производилась углем массой 0,8-1,1 т, породами почвы и кровли пласта выбранного объекта, полностью имитирующими в масштабе 1.40 сложившуюся топологию сети горных выработок. Формирование и развитие очага горения выявлялось с помощью исследования полученной динамики распределения изотерм в горящем угольном слое Применительно к условиям шахты «Суртаиха»

эксперименты отличались числом пластов и скважин в них, местом расположения розжига и схемой движения газовых потоков

Выполненное стендовое моделирование показало, что процесс выгорания угольного блока протекает в 3 стадии розжиг, стабильное развитие, затухание, которые характеризуются соответственно скоростями движения газа 0,7 -1,5, 0,6 - 0,8, 0,4 - 0,7 м/с, выход физического тепла достигает максимума при коэффициенте избытка окислителя а«2 Средняя температура стабильного горения находится в диапазоне 500 — 600°С Анализ компонентного состава исходящего газа показал наличие в нем горючих компонентов (СО+Н2+СН4=2,5%), что дает возможность их дожигания.

Установлено, что схема подготовки и сжигания угольного блока с расположением воздухоподающей и продуктивной выработки по падению и восстанию обеспечивает устойчивую подачу воздуха в очаг горения и отвод из него горючих газов, а наличие восстающих скважин обеспечивает устойчивость процесса по всей площади блока. Теоретические и лабораторные исследования были использованы при разработке технического задания на сжигание мощного крутого пласта при обосновании параметров технологической схемы ПСУ

На отработанных газогенераторах были выполнены исследования технологических схем подачи воздуха с измененным числом продуктивных скважин и направлением движения газовоздушных потоков Расход подаваемого воздуха в течение всего времени выполнения эксперимента не изменялся Выполненный расчет полного аэродинамического сопротивления участка показал необходимость применения нагнетательно-всасывающей схемы поступления воздуха в очаг горения и отвода газа-теплоносителя на поверхность, что позволяет увеличить в этих каналах расход воздуха и продуктов сжигания утя.

Анализ результатов моделирования позволил установить неприемлемость возвратноточной схемы подачи воздуха при сближенном расположении скважин из-за большой вероятности значительных потерь угля (при эксперименте - 40%)

Результаты анализа полноты сжигания угля по исследуемым схемам позволили доказать то, что практически полное сжигание угольного блока (в экспериментах до 95%) достигается посредствам использования имеющихся продуктивных скважин, оптимальное число которых обеспечивает стабильность процесса горения и его эффективность Это, по мнению автора, связано с изменением скорости движения парогазовой струи Снижение

содержания кислорода Ог на выходе из блока сжигания сопровождается увеличением выхода горючих газов Температура извлекаемого на экспериментальных участках газа составляла 300-600°С Получение краткой мощности может быть обеспечено увеличением числа оптимальных блоков продуктивных и воздухоподающих скважин с независимой подачей воздуха

Выполненные исследования являлись исходной базой обоснования параметров технологической схемы дожигания запасов угля на 15-м газогенераторе

Результаты стендового и математического моделирования свидетельствуют о возможности использования с целью извлечения физического тепла угольных каналов, имеющих длину /к, значительно меньшую 1Г, при этом выход физического тепла имеет максимальное значение при /г=1,6 т Яе016

С учетом результатов ранее выполненных исследований и с использованием разработанной методики был выполнен анализ формирования энергетических мощностей для условий выбранных объектов натурных испытаний, мощность угольного пласта т—2,2 м, длина газоогводящих выработок 100-500 м, величина удельного водопритока от 0 до 2 кг на 1кг сжигаемого угля, доля горючих газов - от 0 до 6%, требуемая мощность участка в пределах 1-3 Гкал (1160-3500 кВт) Такой диапазон изменения мощности обеспечивается при объемном расходе воздуха Ов=0,45-2,35 нм3/с Основные результаты в графическом виде представлены на рис 2 Установлено, что подземный водоприток $вод в угольном канале наиболее сильно снижает температуру продуктивного газа Тгв Так, увеличение §вод до 2,0 кг/кг при минимальных размерах продуктивных выработок приводит к снижению Тга примерно на 800К Следует отметить, что в газоотводящих выработках с максимальными в рассматриваемом диапазоне размерами в течение нескольких месяцев вообще невозможно получать ППСУ с Тгв>373,15 К На конечном участке ГВ происходит конденсация находящихся в ППСУ паров воды

Наличие в ППСУ горючих газов приводит к потенциальному снижению потерь физического тепла примерно на 5-10% Дня обеспечения эффективного извлечения тепловой энергии необходимо, чтобы конструкция блоков сжигания имела минимально возможную в данных условиях длину продуктивных выработок.

2500

2000

1500

т„,к

tmtk

т„,к

tb=0 /j tv-2годе

T. ~ l.VL'^4

\ ?ХТт = 2год(Г

1500

100 200 400

Рис 2 Зависимости Тге от 1гапри Qr = 0,45 нм3/с и рассматриваемых вариантов исходного содержания горючих газов и диапазонах изменения qB и г,. : a) dra=0,25M, б) dra=lM, в) drB=3M

Анализ результатов расчетов общего КПД извлечения энергии Г[0 показывает, что максимальные значения его составляют rio = 0,78-0,88, и при наличии эффективных методов извлечения из ППСУ скрытой теплоты испарения воды и химического тепла становится принципиально возможной реализация эффективной отработки способа ПСУ даже относительно небольших угольных запасов с использованием для транспортирования ППСУ имеющихся шахтных выработок.

Методом, позволяющим в значительной степени устранить отрицательное влияние химической неполноты сгорания угля с одновременным повышением их экологической чистоты, является дожигание горючих газов в ППСУ непосредственно перед их подачей в соответствующее теплообменное оборудование Эксперименты, проведенные в условиях Южно-Абинской станции «Подземгаз», полностью подтверждают этот факт Дожигание горючих газов обеспечивает повышение КПД извлечения полезной энергии (при

проведении эксперимента с 24 до 58%) Кроме того, это позволяет частично решить проблему оперативного управления процессами ПСУ.

Как показали аналитические и экспериментальные исследования, для повышения энергетической эффективности процесс дожигания необходимо реализовать в непосредственной близости от выхода из угольного канала Предложенные в работе технические решения по обустройству газоотводящей выработки, реализующие эти предложения с одновременным снижением потерь тепла в окружающую среду, признаны изобретением (патент РФ №1438805)

Успешное решение вопросов дожигания горючих газов позволяет использовать создавшуюся после ведения горных работ длину канала горения, что позволяет снизить объемы подготовительных работ

При использовании ППСУ возможны различные варианты компоновки оборудования в составе поверхностных теплотехнических комплексов (111ГК), функционирование которых основано на различных принципах утилизации тепла и видах теплоносителя. Например, в условиях Южно-Абинской станции применение технологии ПСУ имеет ряд особенностей К ним относится ограничение температуры газа (не более 250°С по условию оптимального функционирования колонн продуктивных скважин) и использование паровой фазы в составе продуктов горения (более трети извлекаемой энергии)

На основании результатов проведенных экспериментов сформулированы требования к поверхностному теплотехническому комплексу и определен состав его оборудования В качестве котла-утилизатора тепла газообразных продуктов подземного сжигания угля рекомендован теплообменник с применением модулей на тепловых трубах, которые обеспечивают устойчивость работы ПТПС и предотвращают необходимость отключения тягодутьевого оборудования для оперативного ремонта при выходе из строя части тепловых труб или скважин. При последовательном соединении модулей они могут быть использованы при температурах продуктов сжигания до 600°С

Для подземного сжигания тонких пластов и при применении в качестве продуктивных скважин малого диаметра повышение эффективности технологии обеспечивается включением в состав технологической схемы газотурбинной эжекционной установки (ГТЭУ) Установка совмещает в себе функции тягодутьевого оборудования и устройства для дожигания горючих компонентов на базе отработавшего летный ресурс авиационного двигателя, например ГТД - 350 (патент РФ № 2096605) На основе разработанной совместно с Институтом гражданской авиации методики расчета дроссельных

характеристик ТГЭУ, отличительной особенностью которой является учет физико-химических свойств ППСУ, активного и пассивного расхода, давления, температуры, наличия в смеси горючих компонентов, выполнен расчет дроссельных характеристик. Это позволило установить наиболее эффективный режим и определить конечную температуру газа после дожигания горючих компонентов Т*, суммарную тепловую мощность газовой струи Qe и относительную эффективную тепловую мощность Q^

Установлено, что включение в технологическую схему эжекционной установки обеспечивает не только значительное повышение депрессии, но и устойчивое получение тепловой и электрической энергии Получение электрической энергии может быть обеспечено при температуре продуктивного газа 623К (полученной при проведении экспериментальных работ) с теплотой

сгорания Q, > 950 кДж/м3,а также при повышении температуры продуктивного

газа до 960К с теплотой сгорания Qrt > 200 кДж/м3, что обеспечивается на всех режимах работы участка ПСУ

Для вышеприведенных условий, а также при наличии нарушенных и высокопроницаемых пород, предложен новый способ сжигания пластов, основанный на нагнетательно-всасывающем режиме (НВС) подачи воздуха в угольный канал (патент РФ 1760787) Его суть заключается в обеспечении расчетного соотношения между расходами воздуха и газа Возможна реализация этого способа и при Ш У. Использование разработанного способа обеспечивает повышение эффективности базовой технологии полноты извлечения подготовленных запасов угля и снижения утечек газа (рис 3)

Выполненная автором совместно с Е.В. Крейниным оценка эффективности применения разработанного способа позволила установить его приоритет по сравнению с традиционной 111У до глубины 300м При увеличении интенсивности выгазовывания эффективная глубина уменьшается

На основании выполненных исследований в 1989 г была смонтирована и введена в действие теплоэнергетическая установка для получения тепловой энергии на 15-м газогенераторе Южно-Абинской станции "Подземгаз", где после газификации около 20 % запасов осталось в недрах. Потребляемая мощность участка составляла 57,1 кВт Полная энергетическая мощность на устье газоотводящей скважины составила Ny=1178 кВт и в 20,6 раза превысила среднюю мощность, затраченную при эксперименте

Рис. 3. Комбинированная технология подземного сжигания угольных пластов: I - сжигаемый уголь; 2 - угольный целик; 3 - породы кровли; 4 - закладка; 5 - обрушенные породы кровли; 6 - газотурбинная эжекционная установка; 7 - газотурбинный двигатель; 8 -генератор; 9 - регулируемые дроссели; Ц - циклоп; С - скруббер

Получаемая тепловая энергия позволила частично заместить работу поверхностной котельной, используя ее коммуникации. В качестве теплоносителя использовалась горячая вода с температурой 60-90°С.

4. Технологические решения по размещению твердых бытовых отходов в техногенном пространстве закрываемых шахт

На основании требований к техногенному пространству шахт обоснован перечень отходов, которые могут быть размещены в горных выработках и полостях. Производственная деятельность шахт сопровождается накоплением до 96,8% всех, отходов ре тонов, что, например для условий шахты С.М, Кирова ГК «Ростовуголь», составляет 4,2 млн. тонн. Из этого количества накопленных отходов к горюч им в обычном состоянии может быть отнесено 62% ТБО и 12% ТЦО от общего числа отходов (без породы), или в сумме 74%. 26% отходов относится к негорючим, но может быть расплавлено в печи реактора типа РЭМ.

Использование шахтной котельной следует считать вынужденной мерой, предпочтительнее строительство минизавода конструкции Обнинского ФТИ

или технология, разработанная «ГНЦ Гинцветмет» и НПО «Алгон». В основу этой технологии заложен реализуемый в одном агрегате процесс жидкофазной переработки сырья при применении печи Ванюкова Технология разработана в России и защищена патентом в промышленно развитых странах Сырьем могут служить низкосортные угли и отходы с зольностью до 50 %

При оценке геомеханического состояния породного массива, помимо прогноза состояния крепи и возможных деформаций выработок во времени, необходимо учитывать устойчивость целиков и камер (полостей), а также возможность сохранения существующей гидрогеологической обстановки за счет исключения водогазопроводящих трещин над горными выработками

Прогнозирование гидрогеологических и инженерно-геологических условий работы бывших горных предприятий в новом режиме выполняется на основе анализа материалов, накопленных за время их эксплуатации При этом важнейшим фактором следует считать данные геологоразведочных работ по обводненности тектонических нарушений и сдренированности водоносных горизонтов в пределах отработанной части шахтного поля, наличие и пространственное положение напорных горизонтов

Принципиально технологические решения по размещению твердых отходов разделяются на две основные группы

I - размещение отходов без термического обезвреживания, когда в техногенном пространстве шахт размещаются затаренные отходы;

II - размещение отходов после термического обезвреживания в виде мелкофракционных шлаков (МФШ)

Для доставки МФШ предложены технические решения с использованием имеющегося транспортного оборудования и топологии сети горных выработок на шахтах (конвейеры, вагонетки, перемещение гравитационным способом), обеспечивающие бесперебойную работу комплекса Реализация предложенных решений требует применения несложных приспособлений и ограниченного набора дополнительного стандартного транспортного оборудования

Необезвреженные отходы необходимо перемешать в вагонетках или на площадках в специальной таре

Анализ объемов техногенного пространства закрываемых шахт показывает необходимость поиска работоспособных технологических решений по созданию дополнительных объемов его за счет извлечения частично или полностью оставленных ранее запасов угая При создании дополнительного объема техногенного пространства необходимо исключать присечку боковых

пород. Поэтому при. мощности пластов, обеспечивающей минимальную в соответствии с Г1Е высоту выработай (полости), нет ограничений по схемам проведения выработок (полостей). В иных случаях, а также на крутых пластах рекомендуется бурошнековая технология создания полостей. Для закладки мел ко фракционных шлаков в зависимости от горно-геологических условий используются буропшеклвые установки, метательные машины, гидравлические установки и перемещение шлаков под действием гравитации.

Переработка твёрдых отходов может быть осуществлена в техногенном пространстве, в выработках околостьольного двора, в подготовленных полостях и газогенераторах при совместном сжигании с углем на основе разработанного способа отходов (патент РФ 2025639). Пример реализации разработанного способа применительно к условиям шахт Подмосковного бассейна представлен на рис.4. Предложен порядок расчёта объёмов угля и откодов при их совместном сжигании. 11ри этом параметры процесса сжигания определяются в соответствии с изложенной выше методикой. На длительность периода подготовки блока совместного сжигания угля и отходов влияют состав и пожароопасное гь последних. Проведенные исследования предварительного прогрева блока показали, что при относительно невысокой температуре нагрева подаваемого воздуха (порядка 50К) имеет место повышение температуры газа на выходе из угольного канала на 0%.

Рис. 4. Технологическая схема подготовки процесса совместного сжигания угля и ТБО

5. Примеры проектирования технологии рационального использования ресурсов закрываемых шахт

Использование подземного пространства в работе рассмотрено применительно к условиям Подмосковного, Кузнецкого и Донецкого угольных бассейнов

В Подмосковном бассейне на шахте «Смирновская» на момент ее закрытия объем всех поддерживаемых выработок и камер составлял 95040 м3, который в условиях жизнеобеспечения малых городов и поселков (с числом жителей до 50 тыс чел) без уплотнения твердых отходов будет заполнен в течение 2 лет, что говорит о необходимости термической подготовки отходов и создания дополнительных полостей. Исходя из объемов накопления отходов и рекомендаций по минимальной мощности мусоросжигательных установок, диапазон рациональной мощности составил от 29 до 100 т/сут. В целиках у магистральных штреков было сосредоточено 1064 тыс.т угая. При извлечении 60% целиков объем техногенного пространства увеличивается в 6 раз Срок службы перепрофилированного предприятия составляет 68 лет Дальность транспортирования отходов 2 км.

Дополнительные полости в виде камер имеют длину 50 м, что определяется расположением магистральных штреков Предельный пролет незакрепленной камеры, рассчитанный по формулам В.Д Слюсарева и ГН.Кузнецова, составляет до 4 м Для данной величины пролета по методу Л.Д Шевякова были определены расчетные значения ширины межкамерного целика для условия шахты "Смирновская". Установлено, что устойчивость целика может быть обеспечена при его ширине от 2,8 до 6,7 м при коэффициенте запаса прочности «=1,2 и от 1,8 до 4,0 м при коэффициенте запаса прочности и=1,0 Принята к расчету ширина целика, равная 4 м

На этапе полного затопления шахты вследствие ее закрытия движение воды предопределяется природными значениями гидравлических градиентов водоносного горизонта и его водопроницаемостью Фильтрация воды через глинистую пленку (слой), как показали исследования ученых МГГУ, возможна лишь в случае превышения значения фактического градиента 1ф над критическим градиентом 1кр Для данных условий 1ф<1кр (0,005<10) , что свидетельствует о том, что фильтрация воды из затопленной шахты в водоносный горизонт У пинских известняков, защищенных толщей в 20 м тонких зернистых песков и природных глин, происходить не будет Движение

может носить диффузионный характер, при котором время распространения загрязняющих компонентов может быть соизмеримо с геологическим

В Донецком бассейне исследования проводились с целью обоснования варианта реализации технологической схемы на шахте им С.М.Кирова ГК «Ростовуголь» Объем выработок, пригодных для размещения твердых отходов, составил 448 тыс м3, из них 61,7% горизонтальных и 31,1% наклонных Наибольшее распространение имеют анкерная (38,9%) и арочная металлические крепи (35,5%) Несмотря на частичную коррозию отдельных элементов, анкерная крепь в течение длительного периода времени сохраняет достаточную для поддержания выработок в устойчивом состоянии несущую способность На участках, расположенных вне зоны влияния горных работ, выработки находятся в удовлетворительном состоянии 15-20 лет. Запасы угля в целиках составили более 920 тыс т, объем целиков -574,6 тыс м3 При извлечении 50% целиков можно создать дополнительные полости объемом около 300 тыс. м3, что в совокупности с горными выработками составляет 736 тыс м3 Дальность транспортирования отходов составляет 0,5-3,2км. К первоочередному использованию рекомендована центральная часть шахтного поля II горизонта с объемом выработок около 98 тыс м3 и дополнительных полостей (скважин) 126 тыс м3, что позволит обеспечить работу по приему отходов в течение 18 лет с производительностью 100 т/сут.

Прогноз гидрогеологических условий показал необходимость исключить подтопление нижних горизонтов шахты в период размещения отходов, так как это приведет к их прорыву в шахту им. Ленина Во время работы шахты в новом режиме ожидается сохранение состава и свойств подземных вод При этом за счет фильтрации воды из верхних горизонтов не исключено уменьшение степени ее минерализации и снижение содержания ионов 804

Для условий Восточного Донбасса наиболее приемлемым является бурошнековый способ выемки у гая, обеспечивающий необходимую по гидрогеологическим условиям кратность подработки, плавное опускание углевмещающего массива, а также создание полостей и их закладку с использованием одного и того же оборудования

В Кузнецком бассейне на шахте «Краснокаменская» объем горных выработок на момент исследования составлял 390 тыс. м3 В качестве объектов получения дополнительных полостей для размещения отходов расматривались технологические и охранные целики Запасы угля в целиках только у промквершлагов составляли 1385,1 тыс.т Дальность транспортировки угля при

этом находится в пределах 0,9-2,6 км. В условиях залегания мощных крутых пластов на. шахте «Краснокамеиская» для создания дополнительных полостей в техногенном пространстве при извлечении технологических целиков угля было рекомендовано применение только технологии бурошнековой выемки (рис. 5).

Д.-Л

ли

Условные обозначения;

Рис. 5. Схема создания и закладки дополнительного объема технологического пространства в условиях ш, «Краснокаменская»

Этому решению способствуют наличие на шахте «Крас нокаме некая» относительно устойчивых боковых пород, что сводит к минимуму вероятность зажатия бурового става в буримых по углю скважинах, а также незначительная ширина целиков угля у промежуточных квершлагов (порядка 20 - 30м),

При ежесуточном поступлении отходов в количестве не менее 70 т и совместном их сжигании с углем в соотношении 2:1 образуется 30 т шлаков и нелетучей золы плотностью 1,3 т/м\ Следовательно, ежегодно в техногенном пространстве шахты «Крас г юкамепс кая» возможно размещение не менее 1! тыс.т отходов, или 8,4 тыс.м3. С учетом дополнительных полостей в объеме 410

тыс м3 срок службы шахты как коммунального предприятия с учетом коэффициента заполняемое™ выработок (К3=0,8) составит 76 лет Обследование выработок показало, что они находятся в удовлетворительном состоянии и могут служить 20-25 лет без перекрепления Водопритоки в выработки шахт снизятся на 10-20% от средней многолетней их величины (187,5 м3/ч), что следует из гидродинамических закономерностей формирования общих водопритоков в тектонические структуры ограниченных размеров полузакрытого типа

Для транспортирования МФШ к месту закладки и угля от создания дополнительных полостей рекомендуется использование существующих на шахте технологических средств транспорта, имеющего значительный резерв по производительности, с включением в транспортную цепь передвижных узлов разгрузки вагонеток.

На рис 6 представлена схема транспорта отходов и угля в условиях шахты «Краснокаменская»

Рис 6. Схема транспорта отходов и угля в условиях ш. «Краснокаменская»

Анализ схем вентиляции шахты показал, что не возникает трудностей в обеспечении нормальных режимов проветривания техногенных пространств по

центральным схемам При фланговых схемах проветривания и отсутствии парных выработок ставится под сомнение целесообразность размещения шлаков в горных выработках

С учетом результатов выполненных исследований при обосновании параметров технологических схем подземного сжигания рассмотрению подлежали участки, имеющие горные выработки ограниченной протяженности, которые можно использовать в качестве продуктивных. В иных случаях предусматривалось бурение скважин

В Подмосковном бассейне для условий шахты «Смирновская» определены параметры технологической схемы совместного сжигания смеси угля и твердых отходов (рис 4) и выявлены общие закономерности изменения показателей сжигания в подземных горных выработках, обоснован эффективный режим горения, увязанный со скоростью проведения камер, схемой транспорта, расположением вскрывающих выработок и оборудования.

Установлено, что при размещении в шахте от 10,5 до 36,5 т отходов требуется добыча соответственно 17,2 тыс т и 59,3 тыс т угля для подготовки камер Тепловая мощность, выделяющаяся при сжигании смеси ТБО и бурого угля, составляет соответственно 6,75 и 23,25 Гкал/ч При этом с целью повышения эффективности процесса сжигания требуемую мощность предпочтительно получать при минимальном числе каналов горения

В Донецком бассейне в условиях участка №1 Калиновского ш/у (АООТ «Шахтуголь») разработано техническое задание на подземное сжигание антрацитового пласта мощностью 1,6 м сложного строения, угол падения которого составляет 8-10° Объем запасов угая был определен на уровне 17,5 тыс т Потребителями тепла считаются здания и сооружения на поверхности. Необходимая длительная тепловая мощность составляет 0,5 Гкал/час, максимальная 1Гкал/час Учитывая результаты моделирования и расчета депрессии участка в качестве тягодутьевого оборудования принят дымосос ДН-Ю В качестве продуктивной выработки принят наклонный главный ствол длиной 450 м и сечением 6 м2, при этом воздух рекомендуется подавать по вспомогательному стволу Срок службы участка первой очереди определён равным 6,1 года С точки зрения безопасной работы в случае отключения электроэнергии процесс будет функционировать за счет тепловой депрессии, что подтверждено ранее выполненными исследованиями

При реализации технологии ПСУ для условий горного отвода шахты №25 ГП «Карачаевское шахтоуправление» при мощности пласта 0,7 м учтено то, что

произойдет значительный рост депрессии, превосходящей возможности серийно выпускаемых дымососов Кроме этого, максимальная потребность в тепловой энергии составила 6 Гкал/ч В этих условиях необходимым является применение в качестве тягодутьевого оборудования эжекционной установки на базе авиационного двигателя при отказе от возвратноточной схемы движения воздушно-газового потока

Анализ результатов исследования показывает, что использование ГТЭУ для дожигания горючих компонентов в количестве 2% повышает объем тепловой энергии на 30% (рис 7) При этом упрощается управляемость процесса, практически в 2 раза увеличивается срок службы участка в пределах подготовленного блока сжигания

Для повышения эффективности отработки запасов угля в условиях Южно-Абинской станции «Подземгаз» (Кузбасс) термохимическими способами предложена комбинированная технология (1-я стадия - ПГУ, 2-я стадия - ПСУ), обеспечивающая повышение степени извлечения энергии угля в пласте с 55-60 % (энергетический КПД ПГУ) до 70-75 %. Применительно к указанным условиям разработаны рекомендации, утвержденные техническим директором ПО «Киселевскуголь», в которых представлены зависимости, позволяющие рассчитывать расстояние между скважинами и устойчивую ширину целика, рис 8

В 0,25 А 0,5 0,75 Су кг/с

Рис. 7 Обобщенная зависимость мощности на выходе из газоотводящей сети 1-при существующей технологии ПСУ, 2-е учетом дожигания горючих компонентов, 3-е учетом теплоты сжигания топлива двигателя

Расчеты подтвердили возможность увеличить на 20% расстояние между скважинами, при этом на 4,1% возрастет полнота извлечения запасов

Разработаны исходные требования и рекомендации по выбору способов и средств экспресс-контроля параметров подземного сжигания угля.

в, м

ш=3м т=5м т=7м

1с,м

т=7м г т=5м \ , т=3м

ЕЗ- ——

1с,м

5 10 15 20 25

расстояние между скважинами

5 10 15 20

расстояние между скважинами

Рис 8 Зависимость полноты извлечения угля и ширины целика от поперечного расстояния между скважинами в условиях Южно-Абинской станции «Подземгаз».

6. Эколого-экономическая оценка прогрессивных технологических решений по использованию ресурсного потенциала закрываемых шахт

Экологическая оценка подземного сжигания угля была осуществлена на основе систематизации исследований, выполненных МГИ совместно с ПНИУИ и КГМИ Оценка термической подготовки отходов базируется на систематизации показателей работы Московского спецзавода №3 и использовании фондовых материалов завода По основным вредным компонентам (дымовые газы, ПАУ, диоксины, соли тяжелых металлов) превышения ПДК при имеющихся системах газоочистки не отмечено

Экологическая оценка совместного сжигания утя и отходов при производительности предприятия по отходам ЮОт/сут., выполненная на кафедре ЭП под руководством В А Харченко и В.Т Коваля, показала, что образующиеся при этом приземные концентрации дымовых газов, диоксинов, солей тяжелых металлов оказались значительно ниже ПДК

Для термической подготовки твердых отходов предпочтительным, по сравнению с использованием шахтных котельных, является строительство мини-заводов, которые обеспечивают дополнительное получение сплавов

черных и цветных металлов и экологически чистого шлака, очистку уходящих газов от вредных примесей и пыли, производство тепловой и электрической энергии для удовлетворения собственных нужд предприятия и потребителя Шлаки от сгорания ТБО и у гая являются практически нетоксичными и могут без ограничения размещаться в техногенном пространстве горных предприятий Нелетучая зола должна складироваться на полигонах

Помимо максимальной приземной концентрации вредных и загрязняющих веществ, было проанализировано распространение фенолов в атмосфере и в составе откачиваемых из очага горения шахтных вод. Отмечено, что наиболее опасным следствием является загрязнение воздуха и подземных вод фенолами на расстояниях соответственно до 750 м и до 3-4 км. Вопрос загрязнения подземных вод фенолами при сжигании утя требует дополнительного исследования для каждого конкретного участка

Критерием экономической оценки эффективности использования горных выработок для размещения твердых отходов является чистая экономическая прибыль, так как она вскрывает экономическую заинтересованность угледобывающих предприятий в реализации подобного хозяйственного мероприятия Для дополнительного анализа экономической эффективности размещения твердых отходов в горных выработках предложенная методика предполагает расчет показателей экономического ущерба окружающей среде, народнохозяйственного эколого-экономического эффекта, сравнительной эколого-экономической эффективности и эколого-экономической эффективности финансовых и материальных затрат.

При совместном сжигании утя и отходов эффективность технологии, по сравнению с полигонным вариантом, достигается за счет снижения отрицательного воздействия на окружающую среду ТБО и продуктов их сжигания, а также утилизации и вовлечения в хозяйственный оборот попутно получаемой тепловой энергии и запасов утя в целиках При обезвреживании отходов на поверхности шахт и размещении шлаков в техногенном пространстве появляется возможность плановой перепрофилизации предприятия Выполненная оценка для условий Подмосковного, Донецкого и Кузнецкого бассейнов подтверждает эффективность использования техногенного пространства шахты для размещения МФШ, по сравнению с размещением на полигоне. Установлено, что эффективность финансовых и материальных затрат зависит от использования вторичных ресурсов, которые

могут быть получены при термической подготовке твёрдых отходов Результаты оценки для условий шахты «Краснокаменская» представлены в табл 3

Таблица 3

Сравнение вариантов использования техногенного пространства шахты

«Краснокаменская»

№ Поли- Использование техногенного пространства для

№ Показатели гон размещения твердых отходов

ПУП Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4

1 Валовой доход, млн руб/год 1875 12104,75 13504,75 34470 8088,5

2 Капитальные затраты, млн руб/год 252 997,2 997,2 1801,2 277,2

3 Эксплуатационные затраты, млн руб/год 1020 6145 6145 15810 2700

4 Налоги и отчисления, млн руб/год 537 2680 2990 7660 1800

5 Чистая экономическая прибыль, млн руб /год 66 2282,55 3372,55 9198,8 3311,3

6 Эколого-экономический ущерб, млн руб /год всего в том числе 1913 945 1345 4490 1165

атмосфере, 401 180 180 900 0

водным объектам, 1045 705 1105 3525 1105

земельным ресурсам, 467 60 60 65 60

7 Народнохозяйственный эколого-экономический эффект, млн руб /год -38 11159,75 12159,75 29980 6923,5

вариант I - включает прием, термическую переработку твердых отходов, утилизацию и реализацию тепловой электрической энергии, металлов и последующее размещение в горных выработках твердых продуктов сжигания отходов, вариант II - включает прием, термическую обработку твердых отходов, утилизацию только тепловой энергии и размещения твердых продуктов сжигания в горных выработках,

вариант III - только прием и размещение твердых продуктов сжигания отходов

сторонних организаций, вариант IV - включает прием, термическую обработку твердых отходов от сторонних организаций, размещение их без предварительной переработки в горных выработках

Маркетинговые исследования показали, что в радиусе до 30 км от закрываемых угольных шахт имеются производители отходов в объемах, значительно превышающих возможности шахт по их размещению Значительный интерес для инвесторов представляют также возможности создания около 100 рабочих мест без переквалификации трудящихся В связи с этим частичное финансирование проекта возможно в рамках программы закрытия неперспективных шахт за счет создания новых рабочих мест

Экономическая оценка технологии подземного сжигания оставленных запасов угля может производиться по предельным затратам на энергоресурсы (народнохозяйственный эффект) или по уровню цены на альтернативный вид продукции у потребителя (эффект у потребителя)

В ценовом выражении эффективности определяется общая сумма эксплуатационных затрат, а затем доход от внедрения технологии и общий финансовый итог. Расчеты показали, что стоимость 1 Гкал тепла при ПСУ ниже стоимости тепла, вырабатываемого по традиционной схеме в установке с шестью котлами, на 32% при учете всей сметной стоимости строительства участка ПСУ и на 46% при учете стоимости, полученного только на теплотехническом комплексе Разработанные в диссертации технологические решения наиболее привлекательны для регионов с закрываемыми неперспективными шахтами, не имеющих альтернативного твердого топлива

Применение комбинированной технологии подземного сжигания угольных пластов в исследуемых условиях обеспечивает экономический эффект за счет увеличения на 20% расстояния между каналами горения и снижения потерь угая

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технологические решения по рациональному освоению ресурсного потенциала закрываемых шахт посредством получения тепловой и электрической энергии при подземном сжигании угля и размещения термически подготовленных твердых бытовых отходов в техногенном пространстве шахт, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие угольной отрасли России.

Основные научные и практические результаты работы, полученные автором, заключаются в следующем 1 Анализ опыта реализации программы реструктуризации угольной промышленности России показывает, что при закрытии шахт имеет место существенное недоиспользование их ресурсного потенциала, прежде всего в виде технологических целиков различного назначения и некондиционных запасов угля, а также в виде значительных объемов техногенного пространства, которые могут быть эффективно задействованы в

постзксплуатадионный по добыче угля период в целях получения тепловой и электрической энергии, снижения экологической нагрузки на регион

2 Установлено, что технология подземного сжигания угля позволяет эффективно отрабатывать оставленные запасы при КПД извлечения энергии не менее 70-85 % и температуре, обеспечивающей эффективное использование энергии в соответствии с требованиями потребителя

3 Установлено, что при увеличении скорости подачи воздуха увеличиваются температура и объем выгоревшего слоя в канале горения Температура достигает максимума при объемной концентрации кислорода 810% на выходе из канала горения Полнота и равномерность выгорания определяются скоростью подачи воздуха и наличием дополнительных каналов

4. Предложена методика расчета тепловой мощности, длины канала горения и выбора тягодутьевого оборудования, выявлены основные закономерности формирования теплового баланса процесса ПСУ

5. Установлено, что использование шахтных выработок большого сечения в качестве продуктивных каналов неэффективно, так как потери тепла в окружающую среду в первые месяцы составляют до 30-40%, а через 1-2 года 10-15% Задействование этих выработок оправдано при больших скоростях сгорания угля (более 1 кг/с) и сроках эксплуатации (более года)

6 Установлено, что комбинированная технология ПСУ обеспечивает повышение на 15-20% степени извлечения угля при реализации разработанного нагнетательно-всасывающего способа подземной газификации, позволяющего снизить уровень утечек воздуха и газа в окружающую среду Факторами, ограничивающими область применения технологии, являются глубина залегания запасов угля (300 м) и расход дутья (более 3000 м3/ч), что связано с фильтрационными свойствами вмещающих пород, геометрическими параметрами скважин и характеристиками тягодутьевого оборудования

7 Предложена концепция формирования теплотехнического комплекса оборудования дата извлечения тепловой энергии при термическом разложении углей с учетом температуры продуктивного газа, параметров горных выработок и наличия горючих компонентов Обоснованы технологические решения, обеспечивающие эффективное извлечение тепловой энергии до 3 Гкал/ч в широком диапазоне температур при ПСУ

8 Предложена технологическая схема ПСУ с использованием газотурбинной эжекционной установки, обеспечивающей дожигание горючих компонентов газа и повышение его депрессии

9 Разработана методика обоснования параметров газотурбинной эжекционной установки и определены условия её эффективной работы

10. Разработана принципиальная технологическая схема получения электрической энергии при ПСУ Установлено, что получение электрической энергии на базе продуктов подземного сжигания угля в диапазоне температур продуктивного газа 550-960К и теплоте горения его выше 200 кДж/м3 может быть обеспечено включением в состав поверхностного теплотехнического комплекса эжекционной установки

11 Разработана концепция использования подземного пространства шахт для размещения твёрдых отходов, включающая прием и термическую подготовку последних, обоснование требуемого объема подземного пространства, оценку гидрогеологических условий и геомеханических факторов, разработку технологаческих решений по перемещению и закладке отходов в техногенное пространство, эколого-экологическую и маркетинговую оценку

12. Разработаны технологические схемы размещения термически подготовленных твёрдых отходов в объеме от 30 до 100 т в горных выработках и полостях, образуемых при частичном извлечении угля из технологических целиков, для условий закрываемых шахт Подмосковного, Кузнецкого и Донецкого бассейнов.

13 Установлено, что размещение термически подготовленных отходов не приводит к ухудшению состояния окружающей среды и является экономически предпочтительней технологии размещения твёрдых отходов на полигонах. При этом экономическая эффективность размещения термически подготовленных отходов растет пропорционально степени извлечения вторичных ресурсов

14 Обоснованы схемы транспорта и рекомендации по выбору существующего и созданию нестандартного оборудования, обеспечивающего транспортирование и закладку твердых отходов в техногенное пространство шахт

15 Разработан способ размещения и переработки твердых отходов в техногенном пространстве шахт Для условий Подмосковного бассейна предложена технологическая схема его реализации при размещении отходов в

камерах, подготовленных в целиках у штреков главных направлений и обоснованы ее рациональные параметры. Установлено, что максимальный выход энергии обеспечивается при наличии минимального числа каналов горения

Основное содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах автора

В изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Закоршменный ИМ, Каркашадзе MB Параметры комбинированной технологии подземного сжигания угля Горный информационно-аналитический бюллетень -М Изд-во МГТУ - 2006 - № 6 -С 238-244

2 Закоршменный И М, Шкуратник В.Л Контроль процессов при подземном сжигании угля Горный информационно-аналитический бюллетень -М Изд-во МГТУ -2006 - № З.-С 250-257

3 Закоршменный И М, Оценка возможности и технологические решения по размещению твердых бытовых отходов в подземном пространстве шахт Горный информационно-аналитический бюллетень -М Изд-во МГГУ.-2005-№4-С 166-172

4 Закоршменный И М Оценка возможности использования подземного пространства закрываемых угольных шахт для размещения отходов Горный информационно-аналитический бюллетень -М.- Изд-во МГГУ-2003 -№3 -С 101-102

5 Закоршменный И.М, Определение условий использования технологии термохимической переработки оставленных запасов угля Горный информационно-аналитический бюллетень -М Изд-во МГТУ - 2003 - № 3-С 102-103

6 Ярунин С А, Закоршменный И М, Стрижко Ф Н Методика обоснования параметров и сущность виброимпульсного воздействия на угольные пласты с целью их извлечения Горный информационно-аналитический бюллетень. -М Изд-воМГГУ- 2001 -№7 -С 15-18

7 Закоршменный ИМ, Янченко ГА Формирование энергетической мощности участка подземного сжатия угля. Горный информационно-аналитический бюллетень -М Изд-во МГГУ 2001 -№ 8.-С 136-140

8 Закоршменный ИМ, Янченко ГА Влияние условий сгорания угля в угольном канале на температуру продуктивного газа. Горный информационно-аналитический бюллетень -М Изд-во МГГУ.- 2001 - № 7-С 206-211

9 Ярунин С А, Закоршменный И М, Савельев В М Технологическая схема подземного сжигания тонких угольных пластов//Уголь 2000.- № 11.-С. 5859.

10 Закоршменный И.М, Чуканов СЮ- Повышение эффективности использования подземного пространства закрываемых шахт,

отрабатывающих пласты крутого падения Горный информационно-аналитический бюллетень -М Изд-во МГГУ - 2000 - № 3 -С 76-77

11 Закоршменный И М, Антонов В Б Принципиальная технологическая схема термохимической переработки некондиционных запасов угля Горный информационно-аналитический бюллетень -М. Изд-во МГГУ-2000 - № 3 -С 47-48

12. Ярунин С А, Закоршменный ИМ, Каркашадзе М.В, Савельев ВМ, Технологическая схема подземного сжигания угля на базе эжекционной установки Горный информационно-аналитический бюллетень -М Изд-во МГГУ - 1998.- № 3 -С 23-26

13 Закоршменный ИМ., Ярунин С А, Максимов ВЮ. Потенциальные возможности использования подземного пространства угольных шахт Горный информационно-аналитический бюллетень. -М Изд-во МГТУ-19983-С 27-29

14 Закоршменный ИМ, Янченко Г.А Анализ и пути повышения эффективности извлечения тепловой энергии Горный информационно-аналитический бюллетень -М Изд-во МГГУ.- 1997.-№8 -С 213-218

15. Дербинева О. Л, Закоршменный ИМ, Янченко ГА, Филатов В А Физические основы технологии подземного сжигания угольных запасов в отработанных газогенераторах станций «Подземгаз» Горный информационно-аналитический бюллетень -М Изд-во МГГУ- 1996- № 6-С 129-132

16 Закоршменный ИМ, Янченко ГА, Бурьянов О В Концепция формирования теплоэнергетического оборудования для извлечения полезной энергии из продуктов подземного сжигания углей Горный информационно-аналитический бюллетень -М Изд-во МГГУ - 1995,- № 5-С 67-71

В прочих изданиях*.

17 Патент 1438305, МКИ3 Е21 В 43/24 Устройство для подземного сжигания угля/Бурчаков А С., Закоршменный И М, Селиванов Г И, Ржевский В В и др-5с илЗ Заявлено 11.11.1986г

18 Патент 1760787, МКИ3 Е21 В 43/295 Способ подземной газификации твердых полезных ископаемых и устройство для осуществления Селиванов Г И, Закоршменный И М, Янченко Г А, Янченко Т И, Ворогов А.И - 7с ил 1 Заявлено 30 05 1996г

19 Патент № 2025639, МКИ5 Р23 О 5/34. Способ переработки отходов Закоршменный И М, Пучков Л.А, Селиванов Г И, Ярунин С А, Ярунина И С - 9с ил 2 Заявлено 15 04 1993г

20. Патент 2096605, МКИ3 Е21 В 43/295 Устройство для передачи тепловой энергии газообразных продуктов подземного сжигания угля теплоносителю Закоршменный И М, Каркашадзе Г Г, Ярунин С А, Савельев В М, Филатов В А - 4с ил 1 Заявлено 30 05 1996г

21 Закоршменный ИМ Использование подземного пространства горных предприятий для размещения твердых отходов. -М МГГУ - 2005.-87с

22 Закоршменный ИМ., Янченко ГА Определение области эффективного использования технологии термохимической переработки оставленных запасов угля с получением электроэнергии Отчетная конференция-выставка по подпрограмме «Топливо и энергетика» научно-технической программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» Тез докл - М • Изд-во МЭИ - 2001 - С 132-133

23 Закоршменный ИМ, Янченко ГА Практикум по дисциплинам «Геомеханические процессы горного производства», «Термодинамика» -М. МГТУ-1996.-93с

24 Закоршменный ИМ., Янченко ГА О повышении экологической чистоты продуктов подземного сжигания угля/Экологические проблемы горного производства- Труды научн конф -М МГТУ - 1995 -С. 199-202

25 Селиванов ГИ, Давиденко БЮ, Закоршменный ИМ. Методические основы формирования структуры геомеханического обеспечения технологии сжигания угля в подземных условиях (технология ПСУ) -М МГТУ.- 1994 -43с

26 Селиванов Г И, Янченко Г А, Закоршменный И М Расчет параметров газификации и сжигания угля в подземных условиях -М МГГУ - 1994 -69с

27 Селиванов Г И, Закоршменный И М, Янченко Г А Технология извлечения тепловой энергии из угольных запасов в отработанных газогенераторах Южно-Абинской станции «Подземгаз» Неделя горняка -Тез докл -М МГТУ - 1994.-С 109.

28 Закоршменный И М, Иченко А Б. Технологические схемы подземного сжигания высокогазоносных антрацитовых пластов -М ., МГИ - 1993 .-57с

29. Закоршменный И М, Макридин В М Технологические схемы утилизации тепловой энергии для дожигания запасов угля в отработанных газогенераторах — В сб Механизированная отработка угольных пластов Кузбасса - Прокопьевск КузНИУИ- 1992 -С 21-23

30 Селиванов ГИ, Закоршменный ИМ, Янченко ГА Анализ извлечения энергии при подземном сжигании угольных охранных целиков газогенератора №15 Южно-Абинской станции «Подземгаз». - В сб • Защита окружающей среды при разработке угольных месторождений - Караганда Карагандинское обл правление Союза научн и инж обществ СССР - 1991 -С 32-42

31 Селиванов Г И, Закоршменный И М, Янченко Г А. Анализ запасов в отработанных газогенераторах Южно-Абинской станции «Подземгаз» применительно к их отработке методом подземного сжигания - В сб Защита окружающей среды при разработке угольных месторождений.-Караганда. Карагандинское обл правление Союза научн и инж обществ СССР - 1991 - С 30-32

32 Типовые решения для составления проекта подземного сжигания оставленных в недрах запасов угля с получением тепловой энергии для бытовых и производственных нужд/Ржевский В В, Дмитриев А П.,

Бурчаков А.С, Селиванов Г И, Закоршменный ИМ и др. -М Корпорация «Уголь России» - 1991 - 269с

33 Селиванов Г И, Янченко Г А, Закоршменный И М Отработка межгенераторных угольных целиков путем их подземного сжигания/ Физические процессы горного производства//Х Всесоюзная научная конференция с участием научно-исследовательских институтов 29-31 января 1991г Тез докл -М МГИ-1991 -С 112

34 Селиванов Г И, Закоршменный И М Комбинированный способ отработки подземных газогенераторов/Интенсивная и безопасная технология разработки угольных и сланцевых месторождений//Всесоюзная конференции 2-4 февраля 1989 г Тез докл-М МГИ-1989.-С7

35 Рекомендации по разработке технологии подземного сжигания угля в условиях Южно-Абинской станции «Подземгаз»/Селиванов Г И, Закоршменный ИМ, Каркашадзе MB и др -М-Киселевск ПО «Киселевскуголь», 1989 -22с

36 Закоршменный И М Параметры процесса сжигания свиты крутопадающих пластов. - В сб Нетрадиционные технологии разработки угольных месторождений» -М МГИ - 1988 -С 94-96

37 Закоршменный И М, Технологическая схема отработки свиты мощных крутых пластов. - В сб Технология комплексного извлечения угля, газа, энергии, воды, породы -М МГИ - 1988 - С. 90-92

38 Селиванов Г И, Жулябин В И, Закоршменный И М Моделирование отработки пластов в зоне эндогенных пожаров - В сб Технология подготовки шахтных полей с добычей угля и метана -М.: МГИ - 1987 -С 80-82

39. Закоршменный И М, Чалый К П Курьина Р.Ф. Энерготехнические схемы использования тепла дымовых газов - В сб Вскрытие и отработка шахтного поля блок-стволами, обеспечивающими снижение объемов горных работ.-М МГИ-1987.-С 93-95

40 Селиванов ГИ, Янченко ГА, Закоршменный ИМ. О составе газа при подземном сжигании углей/Комплексное исследование физических свойств горных пород и процессов//Всес научн конф • Тез докл -М МГИ - 1987 -С 110

Подписано в печать 31 05 2007г Формат 90x60/16 Объем 2 пл_Тираж ЮОэкз_Заказ № 50 j

Типография Московского государственного горного университета Москва, Ленинский пр-т, д 6

Содержание диссертации, доктора технических наук, Закоршменный, Иосиф Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Основные итоги реформирования угольной отрасли.

1.2. Характеристика ресурсов закрываемых шахт и направления их 29 рационального использования.

1.3. Анализ состояния работ в области геотехнологических методов освоения угольных месторождений.

1.4. Цели и задачи исследования.

ВЫВОДЫ.

2. ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕСУРСОВ ЗАКРЫВАЕМЫХ ШАХТ.

2.1. Факторы, влияющие на выбор технологических схем.

2.2. Направления и принципы конструирования технологических схем

2.3. Способы утилизации и обезвреживания твердых отходов и перспективы их размещения в техногенном пространстве закрываемых шахт.

ВЫВОДЫ.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ПОДЗЕМНОМУ СЖИГАНИЮ ОСТАВЛЕННЫХ ПРИ ЗАКРЫТИИ ШАХТ ЗАПАСОВ УГЛЯ.

3.1. Моделирование процессов подземного сжигания угля.

3.1.1. Общий анализ процесса горения угля

3.1.2. Математическая модель процесса горения угля в канале

3.1.3. Стендовое моделирование технологии подземного сжигания угля.

3.2. Параметры технологической схемы подземного сжигания оставленных запасов и принципы их расчета.

3.3. Технологические схемы получения тепловой и электрической энергии при подземном сжигании оставленных запасов.

3.3.1. Схемы с использованием физического тепла.

3.3.2. Технологические схемы с использованием физического и химического тепла.

3.3.3. Экспериментальные исследования по дожиганию горючих компонентов.

3.4. Типовые решения для составления проекта подземного сжигания оставленных в недрах запасов угля с получением тепловой и электрической энергии.

ВЫВОДЫ.

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ В ТЕХНОГЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ ЗАКРЫВАЕМЫХ ШАХТ

4.1. Требования к техногенному пространству шахт, заполненному отходами.

4.2. Технологические решения по приему, размещению и термической подготовке твердых бытовых отходов на шахтной поверхности и доставке шлаков и золы к стволу.

4.3. Технологические решения по доставке ТБО и мелкофракционных шлаков к местам закладки пустот в техногенном пространстве шахты.

4.4. Технологические решения по созданию дополнительных полостей и размещению отходов и продуктов их переработки в подземном пространстве.

4.5. Варианты рациональных технологических схем размещения термически подготовленных твердых отходов в техногенном пространстве.

4.6. Типовые решения для составления проекта размещения отходов в техническом пространстве закрываемых шахт.

ВЫВОДЫ.

5. ПРИМЕРЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕСУРСОВ ЗАКРЫВАЕМЫХ ШАХТ.

5.1. Проектные решения по использованию техногенного пространства для размещения твердых отходов в различных горно-геологических условиях.

5.1.1. Подмосковный угольный бассейн.

5.1.2. Восточный Донбасс.

5.1.3. Кузнецкий бассейн.

5.2. Проектные решения по подземному сжиганию оставленных запасов угля.

5.2.1. Расчет параметров технологической схемы при шахтной подготовке оставленных запасов угля.

5.2.2. Расчет параметров комбинированной технологии подземной газификации и сжигания угля.

5.2.3. Разработка рекомендаций по выбору способов и средств экспресс контроля параметров процесса.

ВЫВОДЫ.

6 ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

ПРОГРЕССИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕСУРСНОГО ПОТЕНЦИАЛА

ЗАКРЫВАЕМЫХ ШАХТ

6.1 Экологическая оценка технологических решений.

6.1.1 Экологическая оценка технологии подземного сжигания угля.

6.1.2 Экологическая оценка технологии размещения твердых отходов в техногенном пространстве шахт.

6.2 Экономическая оценка новых технологических схем.

6.2.1 Оценка эффективности технологии ПСУ.

6.2.2 Экономическая оценка использования техногенного пространства для размещения твердых отходов.

6.3 Методические основы и структура технико-экономического обоснования технологических схем использования ресурсов закрываемых угольных шахт с учетом экологического, экономического и социального факторов.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка технологических решений по рациональному освоению ресурсного потенциала закрываемых шахт"

Актуальность работы. Доля России в мировых запасах нефти составляет 13%, угля - 20%, газа - 34%. При этом доля использования угля значительно уступает газу и составляет всего 16-17%), в то время как во всей мировой экономике в целом - 40%. Правительство Российской Федерации поставило задачу перед угольщиками - увеличить долю угля, поставляемого на нужды энергетики страны, до 35%. Для замещения становящихся все более дорогим нефти и газа Министерствам промэнергетики и экономразвития поручено в 2006 г. разработать конкретную программу действий для достижения заданного уровня использования угля. Энергетической стратегией России на период до 2020 г. предусмотрено увеличение добычи угля к 2020 г. не менее чем на 25%. Однако анализ экономической и производственной деятельности угледобывающей отрасли, а также динамики движения промышленных запасов показывает, что подготовленных резервных мощностей практически нет, и поэтому шахты и разрезы не готовы к такому изменению конъюнктуры рынка углеводородного сырья. Выбытие мощностей за последние 5 лет в 1,6 раза превышает ввод новых. В 2005 г. это соотношение по шахтам составило более 2. Имеется значительный объем незавершенного строительства и дефицит угля, для нужд теплоснабжения.

Первоочередная отработка пластов, залегающих в благоприятных горногеологических условиях, с преимущественной ориентацией на комплексно-механизированную добычу угля (93,5% в 2005 г.), которой можно эффективно освоить только 43% промышленных запасов действующих предприятий, приводит к сужению сырьевой базы. Дополняют эти показатели списанные более 7 млрд. т балансовых запасов при ликвидации шахт.

На начало 2006 г. прекращена добыча и проведены ликвидационные работы на 188 шахтах. Этот процесс будет продолжаться, так как еще 31 шахта экономически неэффективна (нагрузка на очистной забой не более 500 т).

Анализ ТЭО на закрытие шахт свидетельствует, что вопросы использования значительных ресурсов закрывающихся шахт рассматриваются как второстепенные, а вопросы создания эффективных новых производств, связанных с утилизацией бытовых и промышленных отходов, отработки оставшихся запасов на основе физико-химических геотехнологий - вообще не рассматриваются. В то же время при использовании такого подхода реструктуризация шахты будет заключаться не в её закрытии и физическом уничтожении с затратами более 500 млн. рублей в среднем на шахту (ликвидация капитальных выработок, стволов, подъемных машин, поверхностных зданий), а в перестройке и применении существующего оборудования и инфраструктуры к задачам нового производства.

Настоящая работа выполнялась в рамках Общесоюзной научно-технической программы 0.05.08 «Разработать и освоить технологию и технические средства комплексного извлечения на шахтах угля, газа и тепловой энергии, получаемой от сжигания в недрах оставшихся их запасов, обеспечивающие повышение производительности труда в 5-6 раз по сравнению с традиционным способом добычи угля (технологию «Углегаз»)» и Отраслевой (межотраслевой) программы 012510 Минуглепрома СССР «Разработать и освоить технологию комплексного извлечения угля, газа и энергии на шахтах, обеспечивающую повышение производительности труда в 5,0 - 6,0 раз по сравнению с традиционным способом добычи угля», разработанных на 1986 - 1990гг и до 2000г во исполнение постановлений ГКНТ СССР № 559 от 03.10.1983 г. и № 535 от 31.12.1986 г., в рамках проекта 04 «Создание экологически чистого теплотехнического предприятия на базе подземного сжигания оставленных на закрытых шахтах запасов угля для нужд малой энергетики» Межотраслевой научно-технической программы «Уголь России» Минтопэнерго России на 1993 - 1997гг., а так же в рамках научно-технической программы: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограммы 207«Экология и рациональное природопользование» (раздел: 207.04. проблемы техногенных образований и использования промышленных и бытовых отходов) и 206. Топливо и энергетика (раздел: 206.04. Повышение эффективности технологий добычи, переработки угля и сопутствующих энергоресурсов) 2001-2002гг. и ряда других хоздоговорных и бюджетных НИР.

Основная идея работы заключается в разработке системного подхода к реализации физических эффектов при подземном сжигании угля в месте его залегания, созданию дополнительных полостей с попутной добычей угля и размещению термически подготовленных твёрдых бытовых отходов в технологическом пространстве шахты.

Методы исследований. Решения поставленных в работе задач осуществимо с привлечением комплекса методов исследований, включающего: научный анализ и обобщение, математическое моделирование, экспериментальные исследования в лабораторных и натурных условиях с использованием апробированных и специально разработанных методик для обоснования параметров технологических решений по рациональному освоению ресурсов закрываемых шахт.

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

1. Обеспечение эффективной работы закрываемой согласно проекту шахты в постэксплуатационный по планомерной добыче период может быть реализовано при освоении остаточного ресурсного потенциала на базе подземного сжигания угля в месте его залегания, создании дополнительных полостей с попутной добычей полезного ископаемого и размещении в техногенном пространстве шахты термически подготовленных твёрдых бытовых отходов.

2. Повышение эффективности технологии подземного сжигания угля на глубинах до 300м обеспечивается реализацией нагнетательно-всасывающего блочно - ориентированного способа подачи окислителя в зону горения угля, способствующего снижению потерь окислителя и конечных продуктов горения.

3. Эффективность функционирования процессов подземного сжигания угля находится в функции депрессии продуктивного газа и полноты использования горючих компонентов и выражается в повышении объёма извлекаемого теплоносителя и температуры последнего.

4. Параметры подземного теплогазогенератора определяются глубиной залегания и мощностью угольных пластов, низшей теплотой сгорания полезного ископаемого, водопритоком в зону горения и топологией сети горных выработок.

5. Получение электрической энергии на базе продуктов подземного сжигания угля в диапазоне температур продуктивного газа 550-960К и при теплоте сгорания его выше 200 кДж/м3 может быть обеспечено включением в состав поверхностного теплотехнического комплекса эжекционной установки.

6. Эффективность технологических решений по размещению термически подготовленных твёрдых бытовых отходов в техногенном пространстве угольной шахты определяется устойчивостью горных выработок, длительностью затопления их при наличии водопритоков и глубиной термической обработки отходов.

7. Диверсификация производства на закрываемой шахте может быть реализована за счёт увеличения объёмов техногенного пространства путём создания дополнительных полостей в целиках угля с последующим использованием его для термической подготовки ТБО, размещения в полостях ТБО, в том числе с последующим сжиганием их с углём межполостных целиков угля.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

• применением современных методов эколого-экономической оценки разработанных технологических решений;

• удовлетворительной сходимостью полученных теоретических результатов с экспериментальными (расхождение не превышает 10-15%).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана концепция освоения остаточного ресурсного потенциала закрываемых шахт путем подземного сжигания угля и использования техногенного пространства.

2. Установлены закономерности процесса горения: температуры, состава газа, количества сгоревшего угля по длине канала горения. Определены условия получения электрической энергии при подземном сжигании угля.

3. Разработана методика расчета параметров газификации и сжигания угля в подземных условиях.

4. Разработана методика расчета параметров работы газотурбинной эжекционной установки.

5. Установлены зависимости объемов поддерживаемого подземного пространства закрываемых шахт от горно-геологических условий и горнотехнических факторов.

6. Обоснованы принципиальные технологические решения по использованию подземного пространства для размещения твердых отходов.

7. Установлены закономерности, позволяющие определять параметры комбинированной технологии подземного сжигания угля.

Научное значение работы заключается в выявлении закономерностей влияния комплекса факторов на эффективность освоения ресурсного потенциала закрываемых шахт для разработки методической базы обоснования параметров технологий подземного сжигания угля и многоцелевого использования техногенного пространства горных предприятий.

Практическое значение диссертации:

• разработаны рекомендации по формированию комплекса теплоэнергетического оборудования для извлечения полезной энергии из продуктов подземного сжигания угля;

• разработан способ сжигания и газификации угля в подземных условиях на основе нагнетательно-всасывающего режима подачи окислителя в угольный канал (патент РФ 1760787);

• разработан способ переработки отходов в техногенном пространстве (патент РФ №2025639);

• разработаны рекомендации по применению комбинированной технологии в условиях Южно-Абинской станции «Подземгаз».

Реализация результатов работы. Результаты исследований вошли составной частью в рекомендации по разработке комбинированной технологии подземного сжигания угля в условиях Южно-Абинской станции «Подземгаз» в 1989 г., технических заданий на сооружение и ввод в эксплуатацию участка комбинированной технологии «ПГУ-ПСУ» на Южно-Абинской станции «Подземгаз» ПО «Киселевскуголь» (Кузбасс) в 1990 г. и 1994 г., использованы при разработке технических заданий на сооружение участков ПСУ на шахте «Суртаиха» ПО «Киселевскуголь» для дожигания угольных запасов в зоне эндогенных пожаров в 1986 г. и на отработанных шахтах № 1 шахтоуправления «Калиновское» и №4 Несветаевского шахтоуправления ПО «Шахтуголь» (Восточный Донбасс) в 1993 г. и в 1995 г., руководства «Типовые решения для составления проекта подземного сжигания оставленных в недрах запасов угля с получением энергии для бытовых и производственных нужд», утвержденного корпорацией «Уголь России».

Разработанные технологические схемы размещения отходов в техногенном пространстве закрываемых шахт переданы в ГК «Росуголь» в 1994-1995 гг. и ОАО УК «Киселевскуголь» в 2000 г. и реализованы при оценке возможностей перепрофилирования закрываемых шахт.

Научные и практические результаты работы использованы в учебном процессе МГГУ при подготовке дипломированных специалистов специальностей 130401 «Физические процессы горного и нефтегазового производства» и 130404 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение: на Всесоюзной научной конференции «Комплексное использование физических свойств горных пород и процессов» (Москва, 1987); на Всесоюзной научно-технической конференции «Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений» (Москва, 1989); на X Всесоюзной научной конференции «Физические процессы горного производства» (Москва, 1991); на научных конференциях и симпозиумах в рамках «Неделя горняка» (Москва, 1994-2006); на научной конференции «Экологические проблемы горного производства» (Москва, 1995); на отчетной конференции-выставке по подпрограмме «Топливо и энергетика» НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (Москва 2001); на научно-технических совещаниях в ГК «Росуголь» и ГУРШ при Минтопэнерго России (Москва, 1993-1996); на секциях Ученого совета ИГД им. А.А.Скочинского (Москва, 1999); на технических советах ПО «Киселевскуголь», «Шахтуголь» (Киселёвск, Красный Сулин) 1986-2000), на научных семинарах кафедры ПРПМ МГГУ (Москва, 2003-2007).

Автор чтит память скончавшегося проф., д.т.н. Ярунина С.А., определившего научное направление и оказавшего методическую помощь в выполнении данной работы на начальных этапах. п

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 40 научных трудов, включая 16 статей в изданиях, рекомендованных ВАК России, 4 патента РФ на изобретения.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, и заключения, содержит 88 иллюстраций, 102 таблицы и список литературы из 255 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Закоршменный, Иосиф Михайлович

Выводы

1. Анализ экологических последствий сжигания ТБО на мусоросжигательных установках позволяет считать применение технологии заполнения техногенном пространства продуктами термической переработки ТБО допустимым.

2. Анализ экологических последствий технологий ПСУ делает возможным ее применения для отработки оставленных запасов. При этом ограничивающим фактором является гидрогеологическая характеристика участка ПСУ

3. Применительно к технологии ПСУ стоимостная оценка не имеет общего недостатка, присущего денежной оценке - повторного счета, отражающего стоимость всех полуфабрикатов и материалов, используемых при производстве продукции. Таким образом, разница между результатами и затратами позволяет получать данные об абсолютной величине превышения результатов над затратами.

4. Установлена целесообразность строительства участков ПСУ с мощностью по производству тепловой энергии в пределах 3 Гкал/ч. Выполненная экономическая оценка показала инвестиционную привлекательность при реальной процентной ставке до 42,85%.

5. Критерием экономической оценки использования горных выработок для размещения твердых отходов является чистая экономическая прибыль, так как она вскрывает экономическую заинтересованность угледобывающих предприятий в реализации подобного хозяйственного мероприятия. Для дополнительного анализа экономической эффективности размещения твердых отходов в горных выработках выполнен расчет показателей экономического ущерба окружающей среде, народнохозяйственного эколого-экономического эффекта, сравнительной эколого-экономической эффективности.

6. Экономическая оценка использования подземного пространства шахт для размещения ТБО, при размещении ТБО на полигоне затраты финансовых и материальных средств неэффективно как для предприятия, так и для города и региона. При размещении ТБО или МФШ от обезвреживания ТБО в техногенном пространстве закрываемой угольной шахты эффективность финансовых и материальных затрат зависит от использования вторичных ресурсов, которые могут быть получены при термическом обезвреживании твёрдых отходов.

7. Разработан эталон ТЭО использования оставленных запасов и техногенном пространства закрываемых угольных шахт с учетом экологического, экономического и социального факторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технологические решения по рациональному освоению ресурсного потенциала закрываемых шахт посредством получения тепловой и электрической энергии при подземном сжигании угля и размещения термически подготовленных твёрдых бытовых отходов в техногенном пространстве шахт, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие угольной отрасли России.

Основные научные и практические результаты работы, полученные автором, заключаются в следующем:

1. Анализ опыта реализации программы реструктуризации угольной промышленности России показывает, что при закрытии шахт имеет место существенное недоиспользование их ресурсного потенциала, прежде всего в виде технологических целиков различного назначения и некондиционных запасов угля, а также в виде значительных объемов техногенного пространства, которые могут быть эффективно задействованы в постэксплуатационный по добыче угля период в целях получения тепловой и электрической энергии, снижения экологической нагрузки на регион.

2. Установлено, что технология подземного сжигания угля позволяет эффективно отрабатывать оставленные запасы при КПД извлечения энергии не менее 70-85 % и температуре, обеспечивающей эффективное использование энергии в соответствии с требованиями потребителя.

3. Установлено, что при увеличении скорости подачи воздуха увеличиваются температура и объем выгоревшего слоя в канале горения. Температура достигает максимума при объемной концентрации кислорода 8-10% на выходе из канала горения. Полнота и равномерность выгорания определяются скоростью подачи воздуха и наличием дополнительных каналов.

4. Предложена методика расчёта тепловой мощности, длины канала горения и выбора тягодутьевого оборудования, выявлены основные закономерности формирования теплового баланса процесса ПСУ.

1-2 года 10-15%. Задействование этих выработок оправдано при больших скоростях сгорания угля (более 1 кг/с) и сроках эксплуатации (более года).

6. Установлено, что комбинированная технология ПСУ обеспечивает повышение на 15-20% степени извлечения угля при реализации разработанного нагнетательно-всасывающего способа подземной газификации, позволяющего снизить уровень утечек воздуха и газа в окружающую среду. Факторами, ограничивающими область применения технологии, являются глубина залегания запасов угля (300 м) и расход дутья (более 3000 м /ч), что связано с фильтрационными свойствами вмещающих пород, геометрическими параметрами скважин и характеристиками тягодутьевого оборудования.

7. Предложена концепция формирования теплотехнического комплекса оборудования для извлечения тепловой энергии при термическом разложении углей с учётом температуры продуктивного газа, параметров горных выработок и наличия горючих компонентов. Обоснованы технологические решения, обеспечивающие эффективное извлечение тепловой энергии до 3 Гкал/ч в широком диапазоне температур при ПСУ.

8. Предложена технологическая схема ПСУ с использованием газотурбинной эжекционной установки, обеспечивающей дожигание горючих компонентов газа и повышение его депрессии.

9. Разработана методика обоснования параметров газотурбинной эжекционной установки и определены условия её эффективной работы.

10. Разработана принципиальная технологическая схема получения электрической энергии при ПСУ. Установлено, что получение электрической энергии на базе продуктов подземного сжигания угля в диапазоне температур продуктивного газа 550-960К и теплоте горения его выше 200 кДж/м может быть обеспечено включением в состав поверхностного теплотехнического комплекса эжекционной установки.

11. Разработана концепция использования подземного пространства шахт для размещения твёрдых отходов, включающая приём и термическую подготовку последних, обоснование требуемого объёма подземного пространства, оценку гидрогеологических условий и геомеханических факторов, разработку технологических решений по перемещению и закладке отходов в техногенное пространство, эколого-экологическую и маркетинговую оценку.

13. Установлено, что размещение термически подготовленных отходов не приводит к ухудшению состояния окружающей среды и является экономически предпочтительней технологии размещения твёрдых отходов на полигонах. При этом экономическая эффективность размещения термически подготовленных отходов растёт пропорционально степени извлечения вторичных ресурсов.

14. Обоснованы схемы транспорта и рекомендации по выбору существующего и созданию нестандартного оборудования, обеспечивающего транспортирование и закладку твердых отходов в техногенное пространство шахт.

15. Разработан способ размещения и переработки твердых отходов в техногенном пространстве шахт. Для условий Подмосковного бассейна предложена технологическая схема его реализации при размещении отходов в камерах, подготовленных в целиках у штреков главных направлений и обоснованы её рациональные параметры. Установлено, что максимальный выход энергии обеспечивается при наличии минимального числа каналов горения.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Закоршменный, Иосиф Михайлович, Москва

1. Угольная промышленность Российской Федерации в 1998-2005 г. (том 1. II,III). -М.: Росинформуголь. 1999-2006 гг.

2. Итоги работы угольной промышленности России за 2006 -М: Уголь, 2007, № З.-С. 23-29.

3. Килимник В.П. Основной фонд подземной угледобычи России. М.: Горная промышленность, 2001, №1-С. 38-40.

4. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н. Угольная промышленность России на пороге и в начале XXI века, (доклад на XVIII Горном Конгрессе).-М.:Горная промышленность, 2000, -№6-C.33-35.

5. Мазикин В.П., Вылегжанин В.Н. Перспективы развития горнодобывающей промышленности. М.: Уголь, 1999, № 4.-С. 14-17.

6. Грицко Г.И., Кочетков В.Н., Лазаренко С.Н. Угольная промышленность: состояние и перспективы развития. -М.: Уголь, 1999, №4. С. 21-24.

7. Реструктуризация угольной промышленности (Теория. Опыт. Программы) //Малышев Ю.Н., Зайденварг В.Е., Зыков В.М. и др. ; Под. ред Малышева Ю.Н. -М.: Компания «Росуголь» 1996.-е.

8. Килимник В. Г., Хлапенов Л. Е. Особенности реструктуризации угольных отраслей России, Украины и Казахстана (аналитический обзор). М.: «Недра комьюникейшне, ЛТД».-2002. 47 с

9. АнтоновО.П. Экономическое положение угольной отрасли на современном этапе развития рыночных отношений. М., МГГУ//ГИАБ, 2005, № 8-С.26-29.

10. Рыбак А.Д., Гранин И.В., Козловчунас Е.Ф. Основные тенденции развития угольного производства и энергетическая безопасность России. Горный весник, 1998, №6.

11. Регионы России. Социально-экономические показатели. 2004: стат. Сб.//Росстат. -М., 2004.-966с.

12. Доклад обоснованных направлениях государственной политики развития угольной отрасли и повышения конкурентоспособности ее продукции на внутреннем и внешнем рынке. Уголь, 2002,№10.

13. Угольная промышленность России Уголь № 1, 2004

14. Грицко Г.И. О роли угля в обеспечение энергетической безопасности «Уголь» №2, 2001.15

Информация о работе

Закоршменный, Иосиф Михайлович
доктора технических наук
Москва, 2007
ВАК 25.00.22

Диссертация

Разработка технологических решений по рациональному освоению ресурсного потенциала закрываемых шахт - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы