CC BY
30
УДК 622.272
Н.И. Абрамкин
ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕДР ПОДМОСКОВНОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА
Семинар № 15
ш И роблема развития концептуаль-л. Ж. ных положений экологически рационального комплексного использования минеральных ресурсов угольных месторождений и подземного пространства отработанных шахт, утилизация отходов и создание малоотходных и безотходных технологий в ведущих угольных бассейнах России приобрели исключительную актуальность. К настоящему времени Российскими и зарубежными школами разработаны научные основы комплексного освоения недр, подземной газификации и подземного сжигания угля для получения тепловой энергии, основанные на использовании классических законов термодинамики, физической химии и математической физики. Фундаментальные теорети-чес-кие положения и практические рекомендации по процессам подземной добычи и физико-химической геотехнологии огневой отработки угольных месторождений сформулированы в трудах академиков РАН Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, К.Н. Трубецкого, чл. корр. РАН Л.А. Пучкова, Д.Р. Каплунова. В дальнейшем эти научные принципы были развиты в трудах проф., докт. техн. наук А.С Бурча-кова, С.А. Ярунина, Б.Ф. Васюч-кова, Ю.Н. Кузнецова, А.С. Малкина, Г.И. Селиванова, А.Б. Ковальчука, Н.М. Качурина, В.Е. Савченкова, А.И. Сычева и др.
Современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме, а также цель и идея работы обусловили необходимость
постановки и решения следующих задач исследований.
Территория региона, на которой расположен тот или иной промышленнотехнологический комплекс (в том числе и угледобывающий), является сложной социально-экономической сис-темой, где сам промышленно-техно-логический
комплекс представляет собой открытую технологическую и социально-
экономическую под-систему, связанную в иерархическом отношении с другими подсистемами как по вертикали, так и по горизонтали. Территории угледобывающих регионов являются сложными соци-ально-экономичес-кими и техническими системами, уп-равление которыми в силу большого количества объектов и связей как внутренних так и внешних требует оперативной информации о последствиях решений, принимаемых должностными лицами. Прогнозные результаты принимаемых крупномасштабных решений обычно хорошо видны в пределах области знаний, получаемых при анализе функционирования упрощенной экономической модели, и могут быть упущены, ввиду многосвязности, в других областях знаний, не учтенных в данной модели, но именно эти результаты, как правило, и представляют негативные последствия принимаемых крупномасштабных решений.
Показательным в этом отношении является пример Подмосковного бас-сейна. На начальном этапе освоения добыча
угля в Подмосковном бассейне составляла всего лишь 9000 - 83000 т. в год (период с 1858 по 1870 годы), перед второй мировой войной в 1940 году было добыто более 10 млн т угля, а наибольшая добыча 42-47 млн т приходится на 1956 - 1960 годы. В настоящее время акционерная компания «Тулауголь» добывает не более 3 млн угля в год. Все это привело к необходимости разработки технологических решений комплексного использования угольных месторождений Подмосковья.
Концептуальная формула комплексного подхода заключается в том, что создание конкурентоспособных энергосырьевых предприятий и устойчивой системы новых рентабельных рабочих мест на базе технологической и социальной инфраструктуры действующих шахт и строящихся шахт Подмосковного бассейна, обеспечивается экологически чистой технологией комплекс-ного освоения недр и нетрадиционного использования подземных пространств существующих и вновь проводимых горных выработок, внедрения принципов гибкой технологии комплексного освоения угольных месторождений и создания энерго-сырьевых комбинатов на промплощадках закрывающихся и действующих шахт.
Требования к технологическим схемам ведения очистных и подготовительных работ, позволяющие в наибольшей степени учитывать горно-геологические условия эксплуатации угольных шахт Подмосковного бассейна можно сформулировать следующим образом.
1. Для практической реализации систем разработки короткими очистными забоями необходимо обеспечить рациональную увязку выемочного, транспортного и иного оборудования по всему комплексу горных работ.
2. Использовать в технологических схемах как серийно выпускаемые, так и
опытные образцы оборудования с относительно низкими стоимостными характеристиками и перспективой использования местных и региональных производственных и ремонтных баз.
3. Исключить из технологических схем трудоемкие, материалоемкие, многоступенчатые и опасные процессы и операции и параллельно осуществить максимальную унификацию оборудования (многофункциональность).
4. Снизить до минимума, определяемого порогом экономической целесообразности, потери полезного ископаемого.
5. Обеспечить высоких показатели надежности технологических схем в целом и ее структурных элементов.
6. Ориентироваться на относительно простые схемы организации труда с высокими темпами ведения очистных и подготовительных работ.
7. Обеспечить возможность включения в структуры технологических схем процессов размещения различных веществ, с учетом их агрегатного состояния, в выработанном прост-ранстве.
При ранжировании требований в современных условиях доминирующим требованием является обеспечение минимальной ресурсоемкости (без снижения требований безопасности и охраны недр). Это требование позволяет выделить следующие группы технологических схем выемки ограниченных запасов угля в условиях форсированного сокращения производственных мощностей при ограниченных ресурсах, меняющихся требованиях к качеству угля и функциональному диапазону технологий.
1. Технологические схемы выемки угля проходческими комбайнами при камерных системах разработки.
2. Технологические схемы на основе специального оборудования.
3. Технологические схемы бурошнековой выемки.
Технологической основой указанных групп является структурное сочетание средств выемки, вентиляции, транспорта и водоотлива, которое можно легко обеспечить в настоящее время на действующих и строящихся шахтах ООО "Тулауголь".
Миниминизация ресурсоемкости позволяет выделить группы технологических схем выемки ограниченных запасов угля в условиях форсированного сокращения производственных мощностей при ограниченных ресурсах, меняющихся требованиях к качеству угля и функциональному диапазону технологий.
Технология выемки и транспортирования угля на основе проходческого оборудования может быть реализована в широком диапазоне горно-геологи-ческих и горнотехнических условий Подмосковного бассейна и для этих условий разработаны различные рациональные варианты. Для селективной выемке пластов со сложной структурой перспективной является флангово-фрон-тальная и короткозабойная фронтальная технология, например, с применением машины фронтально-избиратель-ного действия, которая имеет телескопическую стрелу с дисковым рабочим органом, снижающим динамические удары.
Применение самоходной платформы в конструкции машины весьма перспективно для создания выемочного механизма в рамках коротко-забойной технологии.
Бурошнековая технология может быть принята как базовая для разработки универсальных совмещенных технологических схем очистных и под-готовительных работ на пологих пластах тонких и средней мощности в составе проходческих и буро-закладоч-ных комплексов для выборочной и селективной отработки угольных месторождений Подмосковного бассейна.
В процессе обоснования геотехноло-гических принципов ликвидации твердых
бытовых отходов (ТБО) была уточнена структура варианта размещения затаренных ТБО в подземном пространстве шахты, включая дополнительные полости, с последующим сжиганием совместно с углем. Вычислительные эксперименты позволили определить исходные данные и установить закономерности материального и топливного баланса процесса сжигания смеси бурого угля и твердых бытовых отходов. Таким образом были установлены закономерности изменения показателей сжигания от скорости горения смеси и обоснованы эффективные режимы горения, увязанные с технологическими возможностями (проведение камер, транспортные схемы и т.п.).
Наиболее целесообразной схемой сжигания смеси угля и ТБО является сжигание угля и ТБО с необходимой массовой скоростью в одном канале горения (одном блоке). Установлено, что существующая схема вентиляции шахты не требует корректировки. Разработаны технические требования к теплотехническому комплексу поверхности и предложены компоновочная схема и основной состав.
Геотехнологические параметры определяются для схемы, при которой производится совместное сжигание отходов, размещенных в камерах (дополнительных полостях), и угля в междукамерных целиках. Ширину каждой из сооружаемых камер принимаем равной 4 м, а длина определяется размерами угольных целиков по линии расположения камер и составляет до 50 м. При таком способе фронт горения угля и ТБО наиболее рационально ориентировать перпендикулярно длинной оси камер и межкамерных угольных целиков шириной 4 м. Такая ориентировка фронта горения гарантирует относительно стабильные поперечные размеры канала горения по всей его длине, а также наиболее полное выгорание угля и ТБО. В последнем случае достигается наиболее полная
экологическая безопасность остатков ТБО, получаемых в результате их сжигания в смеси с бурым углем. В качестве базового объекта исследований была использована шахта «Смирновская» ОАО «Тулауголь».
Состав теплотехнического комплекса должен определяться заданной теплопро-изводительностью, составом парогазовой смеси и ПДК.
Для очистки газов от твердых частиц следует применять мокрые золоуловители следующих типов: центробежные скрубберы (ЦС ВТИ) или мокротрубковые золоуловители (МП ВТИ), работающие в комплексе с оросительными устройствами производительностью 2,1-3,25 м3 воды в час. Для повышения степени очистки дымовых газов при установка. центробежных скрубберов типа. ЦС ВТИ перед скруббером рекомендуются применять аппараты типа МВ-УО ОРГОЭС или МПР-50, включающие трубы Вентури с системой орошения, обеспечивающие удельный расход воды в пределах 50-200 г/м3 газа. При этом эффективность пылеулавливания составляет 57-99 %.
Горно-геологическими факторами, определяющими значения физико-химических факторов, влияющих на устойчивость подземного горения уголь-ного пласта, являются обводненность месторождения, тип угля и вмещающих пород, гипсометрия и глубина залегания угольного пласта, наличие карстовых нарушений. Максимальный КПД теплообменника при устойчивом горении угольного пласта обеспечивается если температура газообразных продуктов горения составляет 473-523 К, а расход 20000-50000 м3/ч. Для такого режима работы теплообменника необходимо прогреть угольный пласт на линии всасывающих скважин до температуры не менее 573 К. Устойчивое горение бурого угля происходит в фильтрационном канале и зависит от интенсив-
ности фильтрационного потока воздуха, поступающего к огневому забою. Параметрами оптимизации газотеплогенерато-ра являются расстояния между скважинами и рядами скважин; количество воздуха, подаваемого в нагнетательные скважины; перепад давления, развиваемый источниками тяги. Физико-химическими факторами, определяющими интенсивность физико-химических процессов горения угля являются проницаемость, трещиноватость и влажность угля и вмещающих пород; коэффициент диффузии кислорода; энергия активации, константа скорости окисления угля и тепловой эффект реакции кислорода с углем.
При фиксированном перепаде давления фильтрационный поток воздуха к огневому забою будет зависеть от проницаемости и трещиноватости угольного пласта, на которые существенное влияние оказывает влажность угля. Если плотность фильтрационного потока будет недостаточна, то процесс горения будет затухать. Горно-геологические условия
Подмосковного бассейна позволяют эффективно использовать как технологию подземной газификации угля, так технологию «Углегаз», на базе существующего оборудования.
Теоретические исследования, лабораторные и промышленные эксперименты показали, что технология комплексной постадийной отработки угольных месторождений «Углегаз», разработанная в Московском горном университете по руководством академика В.В. Ржевского, позволяет резко снизить нагрузки на окружающую среду по сравнению с традиционными способами угледобычи. Однако положительный экологический эффект достигается при устойчивом процессе подземного горения угольного пласта. Поэтому на стадии проектных решений необходимо иметь корректное математическое описание этого процесса, являющегося
одним из основных в технологии «Угле-газ».
Область горения угольного пласта, расположенную между рядом нагнетательных и вытяжных скважин можно разделить на следующие составные части -это зольный остаток; объем угольного пласта, реагирующий с кислородом воздуха; зона термической подготовки угольного пласта. Объем угля, контактирующий с зольным остатком, имеет наибольшую температуру в области горения. Учитывая, что линейный размер этой зоны на несколько порядков меньше расстояния между скважинами будем считать, что область горения состоит из двух полуплоскостей - зольного остатка и термически подготовленного угля, которые разделены линией огневого забоя.
В качестве физической модели процесса подземного сжигания угольного пласта принята модель, в соответствии с которой горение угля определяется интенсивностью трех различных процессов: химической реакции кислорода с углем на поверхности огневого забоя, сопровождающейся выделением тепла; конвективно-диффузионным переносом кислорода к огневому забою и отводом газообразных продуктов реакции.
Очевидно, что в общем процессе подземного горения угольного пласта лимитирующей стадии является тепломассопе-ренос в зоне химического реагирования. При определенном сочетании параметров тепломассообмена устанавливается состояние динамического равновесия, которое характери-зуется постоянной скоростью химической реакции и горение протекает в устойчивом режиме.
В рамках этой физической модели справедливо следующее уравнение, теплового баланса:
Ох - Ог - Ог.п. = 0,
где Qx - количество тепла, выделяющегося в результате химической реакции; QТ -
количество тепла, уходящего из зоны химической реакции за счет теплопроводности; Qr.ii. - количество тепла, уносимого из зоны химической реакции газообразными продуктами горения. Количество тепла, выделяющегося в результате химической реакции, равно q•w, где q - тепловой эффект физико-химичес-кого взаимодействия кислорода с углем, Дж/м3; w -скорость химической реакции, м3/с. Тепловой эффект взаимодействия кислорода с углем складывается из тепла процесса хемосорбции, которое при высоких температурах изменяется в интервале от 18 до 37 Мдж/м3 и в среднем составляет 28 Мдж/м3, и тепла реакции окисления углерода угля кислородом воздуха, которое равно 10 Мдж/м3. Поэтому этот параметр можно считать постоянным и в среднем равным 38 Мдж/м3.
Современное политическое и экономическое состояния Российской Федерации, социально-экономичес-кие состояния областей Центрального региона России, где расположены угледобывающие предприятия Подмосковного бассейна, а также цель и концептуальная формула комплексного освоения недр, на наш взгляд, на первом этапе позволяет решить следующие задачи.
1. Разработать нормативный документ, регламентирующий на федеральном и локальном уровнях правоотношения, создающие льготные налоговые условия для бизнесменов, создающих рентабельные рабочие места в угольной промышленности Подмосковного бассейна за счет комплексного освоения недр, нетрадиционного использования пространств существующих горных выработок, переработки отходов производства, технологической реструктуризации инфраструктуры поверхностного комплекса угольных шахт.
2. Создать базу данных по геологическим условиям шахтных полей действующих шахт акционерной компании
«Тулауголь» и геологическим оценкам возможности промышленного использования полезных ископаемых, залегающих ниже разрабатываемых угольных пластов.
3. Создать базу данных по гидрогеологическим условиям шахтных полей действующих и закрытых шахт ООО «Ту-лауголь».
4. Разработать технико-экономические обоснования и бизнес-планов по типовым технологическим решениям, предусматривающим сохранение базовых систем горных как основы для создания новых рентабельных рабочих мест, обеспечивающих необходимую занятость населения угледобывающих районов, сохранение и развитие социальной инфраструктуры.
5. Создать на базе одной из шахт акционерной компании «Тулауголь» экспериментальные участки для апробации новых технологий и средств механизации.
6. Разработать локальную нормативно-техническую документацию, регламентирующую правила обращения с токсичными отходами производства, применительно к условиям их хранения в горных выработках бывших шахт ООО «Ту-лауголь», и провести ее юридическую экспертизу.
7. Разработать технологические решения по хранению токсичных отходов производства в горных выработках угольных шахт ООО «Тулауголь», на которых дальнейшая добыча угля не рентабельна.
8. Разработать системы контроля за состоянием токсичных отходов производства, хранимых в горных выработках бывших угольных шахт.
9. Организовать государственную и общественную экологическую экспертизу проектов использования горных выработок бывших угольных шахт ООО «Тула-уголь» для хранения токсичных отходов производства.
10. Создать системы непрерывной переподготовки и повышения квалификации инженерных кадров, а также профессиональной подготовки, переподготовки и повышения квалификации рабочих кадров акционерной компании «Тулауголь» с использованием современных вычислительных комплексов, программных средств и технологического оборудования.
В настоящее время уже получены следующие научные и практические результаты.
• Проведены комплексные исследования технологических возможностей, перспектив развития средств механизации для экологически рациональных технологий подземной угледобычи, проблем безопасности, эффективного и экономичного проветривания шахт, которые показали, что создание экологически рациональной, ресурсосберегающей технологии и средств механизации для реализации проекта стабилизации и развития Подмосковного угольного бассейна необходимо осуществлять в направлении разработки гибкой технологии, позволяющей эффективно реагировать на коньюктуру внутреннего и внешнего рынков угля и продуктов его переработки, а подземные пространства выработок главных направлений использовать для хранения токсичных отходов первого класса токсичности.
• Качество углей, добываемых в Подмосковном бассейне позволяет рассматривать их как технологическое сырье, которое подвергается двухстадийной переработке. На первой стадии перерабатывается зольный остаток и, в первую очередь, его минеральная составляющая, а на второй стадии уголь со сниженной зольностью используется как энергоноситель или же его органическая составляющая используется для получения гуминовых стимуляторов роста растений. Гуминовые стимуляторы как товарный продукт могут
быть как в твердом состоянии, так и в жидком, в виде коллоидного раствора.
• Разработаны методологические основы прогнозирования опасных и вредных воздействий горной промышленности на население, проживающее на территориях повышенного техногенного и экологического риска, созданы теоретические основы и разработаны инженерные принципы экологического мониторинга территорий, расположенных в зоне воздействий, подземных и открытых горных работ.
• Разработаны концептуальные положения локальной нормативно-правовой базы, обеспечивающей: практическую реализацию новых технологических решений комплексного использования сырьевых ресурсов; практическую апробацию новых технологических решений по созданию предприятий подземного хранения токсичных отходов на территории Тульской области; создание средств механизации для технологии комплексного использования сырьевых ресурсов и
безопасного размещения отходов в существующих горных выработках. Локальная нормативная база, во-первых, обеспечивает решение задач проекта в полном соответствии с требованиями природоохранительного и природно-ре-сурсного направлений экологического права Российской Федерации и, во-вторых, позволяет снизить уровни опасных и вредных техногенных воздействий и одновременно способствовать созданию новых рабочих мест на базе действующих нерентабельных предприятий.
Результаты исследований рынка сбыта продукции свидетельствуют о том, что потенциальными потребителями продукции является население, сельскохозяйственные предприятия, промышленные предприятия частного бизнеса Центрального региона России. Потребителями нормативных и системных разработок являются службы администраций областей России, а также заинтересованы зарубежные потребители.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрамкин Н.И. Обоснование параметров технологической схемы размещения и сжигания отходов в подземном пространстве закрываемых шахт. Горный информационноаналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2000, №3. - С. 37-38.
2. Качурин Н.М., Сычёв А.И., Абрамкин Н.И. Теоретические положения эколо-гически рационального подземного сжигания бурого угля для получения энергии. Тула, известия ТГУ Серия: «Рациональное природопользование» выпуск 1. 2001, - С. 126-148.
3. Абрамкин Н.И. Размещение и сжигание отходов в подземном пространстве ликвидируемых шахт. 3-й Международный симпозиум Белград-Врдник, 21-23.5.2001. - С. 303-308.
4. Абрамкин Н.И. Инструкция и методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине «Основы горного дела» для подготовки бакалавров вечернего обучения специальность 330200 Инженеры защиты окружающей среды МГГУ 2003. - С. 20.
— Коротко об авторах ---------------------------------------
Абрамкин Н.И. - Московский государственный горный университет.
