Введение к работе
Актуальность работы. Южно-Якутский каменноугольный бассейн, запасы которого составляют 4463,2 млн. тонн по категориям А, В, Сі и 2931,7 млн. тонн по категории Сг, расположен на юге Республики Саха (Якутия). На территории бассейна широко развита островная мерзлота. Большие запасы и повсеместное распространение угля определяют его первостепенное значение в качестве энергоносителя для энерго- и теплоснабжения региона. Следует отметить, что не все запасы угля могут быть рентабельно отработаны подземным или открытым способом. Поэтому необходимо рассмотреть возможность применения альтернативного способа разработки каменноугольных запасов, в частности, методом подземной газификации углей (ПГУ).
В России и за рубежом накоплен определенный опыт отработки угольных месторождений с помощью технологии ПГУ, однако, на практике эффективность указанной технологии зависит от конкретных горно-геологических условий угольных месторождений, поэтому механический перенос накопленного опыта подземной газификации угля для условий Южно-Якутского каменноугольного бассейна невозможен.
Из вышесказанного следует, что обоснование эффективной технологии подземной газификации Южно-Якутских углей с учетом качества углей, условия залегания угольных пластов, наличия геокриолитозоны, является актуальной научно-практической задачей.
Диссертационная работа выполнена в рамках научных направлений лаборатории «Нетрадиционные технологии освоения угольных месторождений Севера» Технического института (филиала) ФГАОУ ВПО СВФУ, по планам НИР Министерства науки и профессионального образования Республики Саха (Якутия) по темам №170 «Оценка возможности подземной газификации углей в условиях многолетней мерзлоты» и №379 «Оценка возможности подземной газификации углей в Республике Саха (Якутия)», планам НИР Государственного комитета по науке и инновационной деятельности Республики Саха (Якутии) по теме №1167 «Разработка рекомендаций по внедрению технологии и экономическая оценка подземной газификации угля в северо-восточной части Республики Саха (Якутия)».
Цель работы - научное обоснование возможности применения технологии подземной газификации угля Южно-Якутского каменноугольного бассейна.
Задачи исследований:
1. Проанализировать, обобщить отечественный и зарубежный опыт работ по подземной газификации угля.
-
Разработать лабораторную установку для исследования процессов подземной газификации угля, способную поддерживать стабильность физико-химических процессов и моделировать горно-геологические условия угольных месторождений Южной Якутии.
-
Провести лабораторные исследования по изучению процессов газификации углей различного марочного состава и установить основные технологические параметры получения технологического газа оптимального состава.
-
Выполнить теоретическое обоснование конструктивно-технологических параметров подземного газогенератора с учетом наличия многолетнемерзлых горных пород и различных горно-геологических условий разработки месторождений.
-
Определить пригодность угольных месторождений Южной Якутии для подземной газификации на основе анализа результатов лабораторных исследований и конструктивно-технологических параметров подземного газогенератора.
Методы исследований: обобщение и анализ отечественного и зарубежного опыта подземной газификации угля в различных геологических условиях, литературных и фондовых материалов по угольным месторождениям Южно-Якутского каменноугольного бассейна; лабораторные исследования процессов подземной газификации углей; газохроматографический анализ проб полученного технологического газа; методы математической статистики при обработке результатов лабораторных исследований.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Разработанная лабораторная установка подземной газификации угля, позволяющая имитировать горно-геологические и геокриологические условия залегания углей, осуществлять процессы розжига и подбора дутьевого агента, исследовать физико-химические процессы превращения топлива из твердого состояния в газообразное, пространственное распространение теплового поля в пределах очага газификации обеспечивает, в отличие от аналогов, создание и поддержание температуры внутри газогенератора, характерной для условий криолитозоны.
-
Максимальная теплотворная способность технологического газа, получаемого при подземной газификации углей Южно-Якутского каменноугольного бассейна
о. о. о.
(для марок углей Г - 10,6 МДж/м , Ж - 15,6 МДж/м , КЖ - 16 МДж/м ), достигается при температурах в очаге горения в пределах 800-820С, 910-950С, 815-825С и влажности угля 6,6-8,4 %, 8,4-9,2 %, 9,4-10,2 %, соответственно. Научная новизна заключается в следующем: установлено, что для подземной газификации месторождений Южной Якутии пригодны угли марок Г, Ж, КЖ, а угли марки К не поддаются газификации из-за их спекаемости при высоких температурах в подземном газогенераторе;
определены закономерности влияния температуры в очаге горения, влажности угля, длины канала газогенератора, вида и параметров дутьевого агента на процесс газификации угля и состав получаемого технологического газа;
установлено, что отрицательные температуры углей, характерные для месторождений зоны распространения многолетнемерзлых горных пород, влияют на процесс ПГУ только на этапе розжига.
Практическое значение работы состоит в том, что:
установлено, что угли марки КЖ Денисовского, Верхне-Талуминского и Яко-китского месторождения являются наиболее пригодными для разработки способом ПГУ;
разработана и изготовлена лабораторная установка процессов газификации угля, позволяющая оптимизировать технологические параметры подземной газификации угля с учетом влияния геокриолитозоны;
предложен состав цементной смеси для тампонажа затрубного пространства технологических скважин при подземной газификации угля в условиях многолетней мерзлоты;
предложены конструктивные решения по направленному бурению и обвязке устьев технологических скважин.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, полученных в диссертации, обеспечиваются корректностью поставленных задач, их решением с применением современных высокоточных приборов и методов исследований, достаточным объемом экспериментальных исследований и высокими значениями коэффициентов корреляции полученных зависимостей.
Личный вклад автора заключается в определении цели и задач исследований, изучении и обобщении литературных данных по технологии ПГУ и фондовых материалов по геологии угольных месторождений Южно-Якутского бассейна, разработке и создании лабораторной установки подземной газификации угля, непосредственном участии в проведении лабораторных работ, анализе полученных результатов, выборе угольных месторождений Южной Якутии, пригодных для процессов подземной газификации.
Апробация работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих научных мероприятиях: Международная научно-практическая конференция «Южная Якутия - новый этап индустриального развития» (г. Нерюнгри, 2007г.), XIII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2007» (г. Томск, 2007 г), Ярмарка инновационных научно-технических проектов «Молодежь. Наука. Бизнес» (г. Якутск, 2008
г.), IV Сибирская международная конференция молодых ученых по наукам о Земле (г. Новосибирск, 2008), Всероссийская научно-практическая конференция «История, проблемы и перспективы развития Южной Якутии» (г. Нерюнгри, 2010 г.), Научная конференция «Новые технологии, инновации, изобретения» (г. Иркутск, 2010 г.), III Международная научно-практическая конференция «Инновационный путь развития экономики России: власть, регионы, наука, бизнес» (г.Кемерово, 2011 г.), IV Всероссийская научная конференция с участием иностранных ученых «Проблемы комплексного освоения георесурсов» (г. Хабаровск, 2011 г.), Научный симпозиум «Неделя горняка - 2011» (г. Москва, 2011 г.), Всероссийские научно-практические конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (г. Нерюнгри, 2002-2013 г.г.), заседание ученого совета ИГДС СО РАН (г. Якутск, 2013 г.), научные семинары ТИ (ф) ФГАОУ ВПО «СВФУ» (г. Нерюнгри).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 24 печатных работы, в т.ч. З в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент Российской Федерации на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 113 наименований. Общий объем работы включает 158 страниц машинописного текста, 55 рисунков и 7 таблиц.
