Введение к работе
Актуальность. В соответствии с долгосрочной программой развития угольной промышленности России осуществляется переход к инновационному социально ориентированному типу экономического угольной отрасли, при этом необходимо обеспечить высокий уровень экологической безопасности при комплексном освоении угольных и техногенных месторождений. Прогнозный диапазон рациональных объемов добычи угля в 2030 г. должен составить 380 - 430 млн т. Очевидно, что необходимо совершить настоящий рывок в повышении конкурентоспособности российской угольной промышленности. Минерально-сырьевые ресурсы России являются частью ее национального богатства, а научные исследования, связанные с экологической оценкой реструктуризации и диверсификации угольной промышленности, позволят реформировать экономику страны во многих промышленных отраслях на собственной природно-ресурсной базе.
В результате осуществляемой реструктуризации угольной промышленности России и ликвидации нерентабельных угледобывающих предприятий произошла ликвидация шахт Подмосковного угольного бассейна, Восточного Донбасса и некоторых шахт Кузбасса. Особую остроту приобретают проблемы, связанные с экологическими последствиями, комплексного освоения угольных и техногенных месторождений, предусматривающих глубокую переработку энергетических углей и техногенных отходов. При этом предполагается широкое внедрение физико-химической геотехнологии отработки месторождений бурого угля, как в Кузбассе, так и Центральном Федеральном округе.
Существующие методы прогнозирования экологических последст -вий при добыче угля, его глубокой переработке, получении электроэнергии и различных стратегических материалов на территориях горнопромышленных регионов требуют более глубокого научного обоснование для реализации экологически рациональных методов природопользования. Это повысит эффективность создаваемых индустриальных парков на базе государственно-частного партнерства горно-перерабатывающих предприятий и обеспечит выполнение требований экологического императива.
Основой нового уровня экологической безопасности является комплексное освоение угольных и техногенных месторождений в различных регионах России. Следовательно, тема исследований актуальна.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам ра-
ционального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (рег. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (гос. контракт № 02.740.11.0319).
Целью работы являлось уточнение геоэкологических и геотехнологических закономерностей комплексного освоения угольных и техногенных месторождений для определения экологически рациональных геотехнологических параметров, и совершенствования системы экологической безопасности комплексного освоения месторождений, позволяющей снизить техногенную нагрузку на окружающую среду и обеспечить рациональное использование вторичных минеральных ресурсов.
Идея работы заключается в том, что экологически рациональным является использование геотехнологии подземной газификации, обеспечивающей энергией разработку техногенных месторождений, а параметры системы экологической безопасности комплексного освоения месторождений, снижающей техногенную нагрузку на окружающую среду и обеспечивающей рациональное использование вторичных минеральных ресурсов, основываются на адекватных математических моделях подземного горения угля и динамики распределения физико-химических и потребительских свойств отходов горного производства и промышленных отходов других отраслей на территории горнопромышленного региона.
Основные научные положения работы заключаются в следующем:
-
Экологически рациональные геотехнологические параметры и эффективная система экологической безопасности комплексного освоения угольных и техногенных месторождений, позволяющая сни-зи ть техн ог енн ую нагрузку на окр ужа ющую ср ед у и обесп ечи ть ра -циональное использование вторичных минеральных ресурсов, должны основываться на адекватных математических моделях, системах территориального экологического и эпидемиологического мониторинга и локальных экологических нормативах горнопромышленного региона.
-
Динамика распределения физико-химических и технологических свойств вещества техногенных месторождений удовлетворительно моделируется уравнением первого порядка в частных производных, решения которого позволяют прогнозировать качественное состояние и количественные показатели рассматриваемой горной массы. При
этом физико-химические и технологические свойства складируемой горной массы изменяются до некоторых предельных значений.
3. Геотехнологии огневой отработки запасов угля с получением электрической и тепловой энергии при подземном сжигании бурых углей Кузбасса и Подмосковного бассейна могут быть использованы для решения проблем энергообеспечения геотехнологий глубокой пе-рера б отки отх одов произв одства и прои зв одств а товаров импортоза -мещения с низкой себестоимостью и минимальных воздействием на окружающую среду.
Новизна основных научных и практических результатов:
получено решение одномерного уравнения гиперболического типа в частных производных для описания динамики распределения средних значений физико-химических и технологических свойств отходов в техногенных месторождениях, образованных отходами горных предприятий и предприятиями других отраслей на рассматриваемой территории;
доказано, что для отработки месторождений бурого угля можно эффективно использовать технологию подземной газификации угля с последующим получением электроэнергии на базе существующего оборудования, обеспечивая устойчивое горение бурого угля в фильтрационном канале;
установлены закономерности тепломассопереноса при подземном сжигании угольного пласта, отличающиеся тем, что подземное горение угольного пласта моделируется трехмерной системой уравнений тепломассообмена с учетом скорости движения огневого забоя и закономерности Аррениуса для константы скорости хемосорбции кислорода в огневом забое;
усовершенствована структурно-функциональная схема обеспечения экологической безопасности при комплексном освоении угольных и техногенных месторождений и предложена модель финансирования инвестиционных проектов развития инновационных территориальных кластеров по комплексной переработке угля и техногенных отходов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается: корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием классических методов физической химии, математической физики, математической статистики и современных достижений вычислительной техники; достаточно большим объемом лабораторных и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей и обосно-
ванности выводов и рекомендаций; результатами опытно-промышленной апробации разработанных методик; положительными результатами промышленной апробации разработанных технических средств и организационно-технологических схем.
Практическое значение работы заключается в том, что усовершенствована система экологической безопасности комплексного освоения угольных и техногенных месторождений для территорий горнопромышленных регионов. Разработаны комплекты математических моделей и комплексы программных средств оценки экологической эффективности геотехнологических мероприятий, что повышает эффективность САПР геоэкологической экспертизы на всех этапах проектирования и эксплуатации территорий горных отводов индустриальных парков и инновационных территориальных кластеров по комплексной переработке угля и техногенных отходов.
Реализация работы. Уточненные геоэкологические и геотехнологические закономерности комплексного освоения угольных и техногенных месторождений для определения экологически рациональных геот ехн ол оги чес ки х параметров исп ользов а н ы при разработк е т ерр и -ториальных программ развития горнопромышленных регионов. Научные и практические результаты были использованы в Тульском государственном университете при выполнении НИР по федеральной и межрегиональным научно-техническим программам, а также включены в учебно-методические материалы по курсу «Промышленная экология. Защита биосферы» и «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» для студентов, обучающихся по направлению «Горное дело».
Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом, и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2013 -2015 гг.), на научно-технических советах ОАО «Прокопьевскуголь» (г. Прокопьевск Кемеровской обл., 2012-2014 гг.), ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподава-тельского состава ТулГУ (г. Тула, 2012 - 2015 гг.); Научно-практической конференции, посвященной 25-летию Горного института УрО РАН «Проблемы безопасности и эффективности освоения георесурсов в современных условиях» (г. Пермь, 2013 г.) , 9-й и 10-й Международных конференциях по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2013 - 2014 г.), 6-й Международной конференции по геомеханике (г. Варна, Болгария 2014 г.).
Личный вклад заключается: в обобщении существующей базы данных по воздействию угольных шахт и обогатительных фабрик на территориях Кузбасса и Центрального федерального округа; в проведении натурных наблюдений, разработке математических моделей и проведении вычислительных экспериментов; в выполнении работ по федеральным и региональным научным темам и программам.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 работ, 2 из которых опубликованы в изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки РФ.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 189 страницах машинописного текста, состоит из 5 разделов, содержит 18 таблиц, 41 рисунок, список литературы из 132 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., проф. Э.М. Соколову и д.т.н., проф. Е.И. Захарову за постоянную поддержку и методическую помощь в проведении исследований.