Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 13
1.1. Основные итоги реформирования угольной отрасли 13
1.2. Характеристика ресурсов закрываемых шахт и направления их 29 рационального использования
1.3. Анализ состояния работ в области геотехнологических методов освоения угольных месторождений 52
1.4. Цели и задачи исследования 64
ВЫВОДЫ 65
2. Обоснование принципиальной технологической схемы рационального использования ресурсов закрываемых шахт 67
2.1. Факторы, влияющие на выбор технологических схем 67
2.2. Направления и принципы конструирования технологических схем 71
2.3. Способы утилизации и обезвреживания твердых отходов и перспективы их размещения в техногенном пространстве
закрываемых шахт 80
ВЫВОДЫ 94
3. Технологические решения по подземному сжиганию оставленных при закрытии шахт запасов угля 95
3.1. Моделирование процессов подземного сжигания угля 95
3.1.1. Общий анализ процесса горения угля 95
3.1.2. Математическая модель процесса горения угля в канале 99
3.1.3. Стендовое моделирование технологии подземного сжигания угля. 106
3.2. Параметры технологической схемы подземного сжигания оставленных запасов и принципы их расчета 121
3.3. Технологические схемы получения тепловой и электрической энергии при подземном сжигании оставленных запасов 144
3.3.1. Схемы с использованием физического тепла 144
3.3.2. Технологические схемы с использованием физического и химического тепла 156
3.3.3. Экспериментальные исследования по дожиганию горючих компонентов 173
3.4. Типовые решения для составления проекта подземного сжигания
оставленных в недрах запасов угля с получением тепловой и
электрической энергии 176
ВЫВОДЫ 180
4. Технологические решения по размещению твердых бытовых отходов в техногенном пространстве закрываемых шахт 182
4.1. Требования к техногенному пространству шахт, заполненному отходами 182
4.2. Технологические решения по приему, размещению и термической подготовке твердых бытовых отходов на шахтной поверхности и доставке шлаков и золы к стволу 193
4.3. Технологические решения по доставке ТБО и мелкофракционных шлаков к местам закладки пустот в техногенном пространстве шахты 205
4.4. Технологические решения по созданию дополнительных полостей и размещению отходов и продуктов их переработки в подземном пространстве 210
4.5. Варианты рациональных технологических схем размещения термически подготовленных твердых отходов в техногенном пространстве 219
4.6. Типовые решения для составления проекта размещения отходов в техническом пространстве закрываемых шахт 231
Выводы 235
5. Примеры проектирования технологии рационального использования ресурсов закрываемых шахт 237
5.1. Проектные решения по использованию техногенного пространства для размещения твердых отходов в различных горно-геологических условиях 237
5.1.1. Подмосковный угольный бассейн 237
5.1.2. Восточный Донбасс 259
5.1.3. Кузнецкий бассейн 271
5.2. Проектные решения по подземному сжиганию оставленных запасов угля 280
5.2.1. Расчет параметров технологической схемы при шахтной подготовке оставленных запасов угля 280
5.2.2. Расчет параметров комбинированной технологии подземной газификации и сжигания угля 293
5.2.3. Разработка рекомендаций по выбору способов и средств экспресс контроля параметров процесса 303
ВЫВОДЫ 311
6 Эколого-экономическая оценка прогрессивных технологических решений по использованию ресурсного потенциала закрываемых шахт 313
6.1 Экологическая оценка технологических решений 313
6.1.1 Экологическая оценка технологии подземного сжигания угля 313
6.1.2 Экологическая оценка технологии размещения твердых отходов в техногенном пространстве шахт 319
6.2 Экономическая оценка новых технологических схем 327
6.2.1 Оценка эффективности технологии ПСУ 327
6.2.2 Экономическая оценка использования техногенного пространства для размещения твердых отходов 335
6.3 Методические основы и структура технико-экономического обоснования технологических схем использования ресурсов закрываемых угольных шахт с учетом экологического, экономического и социального факторов 353
Выводы 361
Заключение 363
Литература
- Характеристика ресурсов закрываемых шахт и направления их 29 рационального использования
- Направления и принципы конструирования технологических схем
- Математическая модель процесса горения угля в канале
- Технологические решения по приему, размещению и термической подготовке твердых бытовых отходов на шахтной поверхности и доставке шлаков и золы к стволу
Введение к работе
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.
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 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.
Таким образом, исследования, направленные на разработку технологических решений по рациональному освоению ресурсного потенциала закрываемых шахт, позиционируются как весьма актуальные.
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.
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 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.
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.
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.
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/м 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:
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:
Разработана концепция освоения остаточного ресурсного потенциала закрываемых шахт путем подземного сжигания угля и использования техногенного пространства.
Установлены закономерности процесса горения: температуры, состава газа, количества сгоревшего угля по длине канала горения. Определены условия получения электрической энергии при подземном сжигании угля.
Разработана методика расчета параметров газификации и сжигания угля в подземных условиях.
Разработана методика расчета параметров работы газотурбинной эжекционной установки.
Установлены зависимости объемов поддерживаемого подземного пространства закрываемых шахт от горно-геологических условий и горнотехнических факторов.
Обоснованы принципиальные технологические решения по использованию подземного пространства для размещения твердых отходов.
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 «Подземгаз».
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 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 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.
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.
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.
Характеристика ресурсов закрываемых шахт и направления их 29 рационального использования
Увеличение объемов добычи угля в СССР происходило систематически с } начала XX в. Максимальный объем добычи был достигнут к 1988 г., когда объем добычи угля составил 771,9 млн т, при этом объем добычи подземным способом был равен 430,0 млн т, или 55,7% общей добычи за год. Объем добычи угля в РСФСР тогда достиг 416,6 млн т при этом на шахтах было добыто 197,7 млн.т. или 47,5% общей добычи за год.
С 1989 г. отмечалось ежегодное сокращение объемов добычи угля и снижение значений всех показателей работы отрасли [1-6].
К 1992 г. более половины шахт России имели фактический срок службы свыше 40 лет; лишь 16 из них были относительно новыми. Около 2/3 шахт были опасны по газу и угольной пыли, каждая вторая - по самовозгоранию угля. Только на 15%о шахт технико-экономические показатели работы были сопоставимы с показателями передовых зарубежных угледобывающих предприятий, а 46% требовали реконструкции. В результате запущенности всего горного хозяйства отрасли, старения шахтного фонда, снижения трудовой и технологической дисциплины и высокой аварийности. Отмечалось снижние производительность труда на угольных предприятиях, сокращались объемы проведения горных выработок и уменьшалась нагрузка на очистные забои.
Вследствие принятых в 1989-1991 гг. в условиях мощного забастовочного движения шахтеров экономически неоправданных правительственных решений значительно увеличилась продолжительность отпусков шахтеров, которая в 1,7 - 2,5 раза стала выше, чем в основных угледобывающих странах мира. Ежемесячное число выходов на работу в угольной промышленности России было на 20%) меньше, чем за рубежом. Проблемы предприятий угольной отрасли усугублялись крайне несовершенным в техническом отношении состоянием объектов социальной инфраструктуры шахтерских городов и поселков. Большинство из этих объектов нуждалось в срочном ремонте и реконструкции. В угольной отрасли резко обострились производственные, технические, экологические и социально-экономические проблемы, она оказалась в условиях системного социально-экономического и организационно-управленческого кризиса.
Дальнейшее функционирование отрасли требовало постоянно возрастающих государственных дотаций, что при бюджетном дефиците тех лет было нереальным. Бюджетное финансирование отрасли противоречило идеям рыночной экономики, введенной в стране с января 1992 г.
В целях вывода угольной отрасли из системного кризиса, ее адаптации к условиям рыночной конкуренции с другими топливными ресурсами было признано необходимым начать глубокие структурные отраслевые и межотраслевые преобразования, т.е. осуществить реструктуризацию отрасли.
Инициатором реструктуризации отрасли выступила компания «Росуголь», которая осуществляла эти работы в 1993-1997 г. В дальнейшем решения этих задач, определенных Постановлением №1462 Правительства Российской Федерации от 20.11.1997г., было возложено на вновь созданные учреждения -Государственное учреждение по вопросам реорганизации и ликвидации нерентабельных шахт и разрезов (ГУРШ) и Государственное учреждения по координации программ местного развития и решению социальных проблем, вызванных реструктуризацией предприятий угольной промышленности (Соцуголь).
До разработки мероприятий по реструктуризации угольной отрасли России был изучен опыт структурной перестройки угольных отраслей в зарубежных странах, где эта перестройка началась примерно на 40 лет раньше, чем в России. Сложный процесс реструктуризации угольной отрасли, включающий в себя технические, технологические, организационные, социальные и экономические преобразования, в разных странах имел различные побудительные мотивы и преследовал разные цели.
Угольные предприятия России, расположенные крайне неравномерно на гигантской территории страны, были очень разнообразны по горногеологическим условиям. Технико-технологическое состояние шахт и разрезов было кризисным. В стратегии своей структурной перестройки Россия должна была учесть, как собственный опыт развития, так и многообразный опыт реструктуризации угольной промышленности в Западной, Центральной и Восточной Европе, а также в Китае, США и других странах [7,8].
Основная задача реструктуризации угольной промышленности России была сформулирована следующим образом - обеспечить переход от убыточной, неконкурентоспособной угольной отрасли к отрасли, состоящей из конкурентоспособных и обеспечивающих саморазвитие в длительной перспективе угольных компаний, конкурирующих друг с другом и функционирующих без бюджетных дотаций. Это должно было произойти после закрытия нерентабельно работавших шахт и разрезов. При этом предполагалось, что экономика угледобывающих регионов после значительных структурных преобразований в угольном секторе также будет перестраиваться, диверсифицировать свою структуру. Государство возьмет на себя необходимые обязательства по поддержке выполнения основных социальных функций в отношении высвобождаемых работников и диверсификации структуры региональной экономики. Объем этой поддержки должен был предельно снизить в тех условиях уровень безработицы в угольных регионах и остроту социальных конфликтов.
К основополагающим принципам при реструктуризации угольной отрасли России были отнесены следующие: Россия должна оставаться в числе ведущих угледобывающих стран мира; значение гигантских угольных ресурсов России топливно-энергетическом балансе нашей страны должно повышаться по мере истощения мировых запасов нефти и газа, геологические ресурсы которых значительно меньше угольных; объемы добычи угля как в целом по стране, так и по отдельным угледобывающим регионам должны определяться уровнем рыночного спроса и тенденциями его изменения на внутреннем и мировом рынках энергоносителей; повышение конкурентоспособности угля должно обеспечиваться, главным образом, посредством снижения производственных затрат на его добычу и обогащение, а также посредством вовлечения в разработку наиболее рентабельных угольных месторождений и применения нового оборудования.
Реструктуризацию угольной отрасли России было намечено осуществить за короткий период времени. Реформирование отрасли велось поэтапно, посредством акционирования предприятий с последующей их приватизацией и созданием региональных угольных компаний и холдингов. Особое внимание уделялось работе перспективных шахт, которых в 1995 г. насчитывалось 50 технических единиц.
Направления и принципы конструирования технологических схем
Западно-Сибирский район (Кузнецкий бассейн).На угольных шахтах Кузнецкого бассейна в 2004 г. разрабатывалось 63 пологих и полого-наклонных шахтопластов, в том числе: 1 - мощностью 0,9-1,5 м; 54 мощностью 1,51-5,0 м; 8 - мощностью более 5 м. По углам падения пласты подразделяются на две группы: с углами падения 0-18-59 шахтопластов и 19-35 - 4 шахтопласта. [26]. По комплексу горно-геологических факторов, влияющих на технологические и технические решения при добыче угля, все шахтопласты бассейна и их запасы можно разделить на три группы: группа I - пологие пласты с низкометаморфизированными углями в зоне активного водообмена; группа II -пологие пласты со средне- и высокометаморфизированными углями в зоне метановых газов, группа III - крутые и крутонаклонные пласты мощностью от 1,5 до 20 м. К первой группе пластов относятся пласты следующих шахт «Егозовская», «Красноярская», «Грамотеинская», «Колмогоровская», «Листвяжная», «Кыргайская», «Котинская», «Талдинская-Западная № 1 и № 2, № 7, а также шахты новостройки на Соколовском месторождении. Для шахт этой группы характерны пласты мощностью 2-5 м, слабо нарушенные (менее 5 м/га), со слабой почвой; глубина разработки менее 200 м. Осложняющими факторами при выемке таких пластов являются самовозгораемость угля, локальные притоки воды в лаву (более 5 м /ч). Природная газоносность пластов менее 5 м /т. Промышленные запасы угля на шахтах значительны с преобладанием высокотехнологичных пластов угля.
Пласты II группы разрабатываются большинством шахт Кузбасса. Для них характерны: мощность от 1,5 до 10,0 м; наличие разрывных нарушений, высокая газоносность углей (до 25 м /т); глубина горных работ 200-600 м; боковые породы средней устойчивости и устойчивые (70%); породы основной кровли легко (65%) и трудно обрушаемые (35%); опасность отдельных пластов по проявлению внезапных выбросов угля и газа и горных ударов, самовозгораемость угля. Шахты этой группы пластов обеспечены высокотехнологичными и технологичными запасами на срок более 15-20 лет. В тоже время 15-20% запасов на этих шахтах нетехнологичны это участки небольших размеров и неправильной формы с мощностю пластов не более 1,5 м.
В Ш группу входят шахты, разрабатывающие крутые и крутонаклонные пласты (40 шахтопластов), для которых еще не созданы высокопроизводительные и безопасные технологии добычи угля. Большая часть шахтопластов (63%) имеет сложное строение и содержит от 1 до 5 прослойков мощностью каждого от 0,03 до 0,77 м. Основная доля прослойков (27% ) приходится на аргиллиты и алевролиты, имеющие сопротивляемость резанию от 200 до 400 Н/мм. Низкие по крепости углистые аргиллиты и левролиты, имеющие сопротивляемость резанию до200 Н/мм, составляют около 40%), а крепкие алевролиты и песчаники с сопротивляемостью резанию более 400Н/мм немногим более 60%. Характерным для пластов Кузбасса является содержание в пластах нераздробленных и консолидированных твердых включений значительного содержания (SB=0,9-7,4%). Нераздробленные включения, как правило, представлены пиритными конкрециями, называемыми в практике угледобычи колчеданами. Размеры их составляют обычно 25-50 см. Более простое, как правило, без прослоев и твердых включений, строение имеют шахтопласты Кемеровского и Томусинского районов. Доля таких пластов составляет около 30%) общего числа шахтопластов Кузбасса.
Крутопадающие пласты Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса имеют в основном сложное строение и лишь 26% их имеет простое строение. По управляемости и устойчивости породы кровли делятся на группы: легко и среднеуправляемые (Л) и трудноуправляемые (Т), устойчивые (У) и неустойчивые (Н); по роду почвы на две группы: прочные (П) и слабые (С).
Из прогнозных каталогов шахтопластов Кузнецкого бассейна [26] известны следующие сочетания свойств боковых пород: ТНП-15% ; ТУП - 25%; ЛУП - 30%»; ЛУС - 14%; ЛНС - 16% . Таким образом, преобладают породы кровли средней устойчивости и устойчивые (70%)) и прочные породы почвы (70%). Трудноуправляемые породы кровли встречаются в 40%) случаев. В Кузнецком бассейне большинство пластов являются сближенными.
Северный район (Печорский бассейн). В Печорском угольном бассейне разрабатывают Воркутинское, Воргашорское и Интинское месторождения [27]. На Воркутинском месторождении шахтами отрабатываются от 1 до 3-х пластов: Мощный (мощность 2,4-4,0 м); Тройной (2,4-3,0 м); Четвертый (1,4-1,7 м); Пятый (1,0 м). Пласты слабо нарушенные, несамовозгорающиеся, опасные по горным ударам, глубина ведения горных работ 500-900 м, газоносность пластов - до 30 м3/т. Боковые породы не ниже средней устойчивости с прочностью на одноосное сжатие 40-60 МПа. Породы основной кровли представлены от легко (70%) до труднообрушаемых (30%). Запасы угля практически везде технологичные.
Северо-Кавказский район (Восточный Донбасс). К особенностям горно-геологических условий разработки антрацитовых пластов в этом регионе относятся [28]: преобладание тонких пластов мощностью 0,9-1,2 м (75% промышленных запасов); наличие в большом количестве ложной кровли, обуславливающей присечку пластов при выемке на мощность до 0,4 м и высокую зольность угля (до 35%); большая глубина разработки (600-900 м), вызывающая пучение пород почвы в подготовительных выработках; отсутствие метана в антрацитовых пластах; широкое развитие на ряде шахт размывов пластов (шахты «Алмазная» и «Гуковская»), разрывной нарушенности (шахта «Садкинская») и небольших сбросов размерами 0,2-0,3 м (шахта «Обуховская»); высокая сопротивляемость антрацитовых пластов резанию (200-300 Н/мм и более); при существующей технике очистных работ большинство промышленных запасов угля относятся к нетехнологичным; высокая прочность боковых пород на сжатие (60-80 МПа).
Математическая модель процесса горения угля в канале
Биотермические методы подразделяют на полевое компостирование на открытых площадках без предварительной подготовки отходов (биотермические камеры, теплицы, парники) и промышленное биотермическое обезвреживание и переработку отходов.
Полевое компостирование производится на специальных открытых участках в штабелях длиной 10-25 м трапецеидального сечения (основание 3-4 м, высота 1,5-2 м), которые располагаются на поверхности земли или в траншеях глубиной 0,5 м. В основание штабеля укладывают торф, солому, опилки и другие материалы, способствующие удержанию влаги. Отходы укладывают без уплотнения, а для изоляции сверху и с боков штабель засыпают слоем земли, торфа или зрелого компоста толщиной 20 см. Предварительная подготовка отходов предусматривает отбор на соответствующих барабанных ситах мелких и крупных фракций.
Обезвреживание ТБО и превращение их в компост закрытым способом осуществляется в биотермических камерах вместимостью от 2 до 20м3. Срок компостирования - 40-60 дней. Устройство камер требует значительных затрат, так как процесс загрузки и выгрузки компоста сложен и трудоёмок. Способ используется на небольших объектах типа парков, домов отдыха и т.п.
Бескамерное обезвреживание отходов без уплотнения производится в котлованах или на участках, ограниченных откосами, с устройством искусственной аэрации.
Бытовые отходы используют также в качестве биотоплива в парниках и теплицах для выращивания ранних овощей. Перед закладкой в траншеи в феврале-марте отходы разрыхляют. Слой отходов при глубине траншеи 1 м составляет 0,4-0,6м, растительной земли-0,1-0,2м. Разогревание происходит за 5-6 дней до to=50/.60C, затем температура медленно снижается до 25-30С и держится на этом уровне 3-4 мес. Метод очень трудоемок, температура биотоплива практически не регулируется, санитарно-гигиенические условия неудовлетворительны. В связи с этим наиболее целесообразно применение в парниках и теплицах в качестве биотоплива компоста, получаемого в результате промышленной переработки отходов на мусороперерабатывающих заводах.
Современные МПЗ выполняют четыре технологические операции, обеспечивающие законченный цикл обезвреживания отходов: прием и предварительную подготовку материала; биологический аэробный процесс компостирования отходов; окончательную обработку отходов; сжигание не компостируемых отходов.
Кроме аэробного компостирования, можно применять анаэробное сбраживание дроблёного мусора с канализационным осадком.
Затраты на переработку 1 м ТБО (в ценах 1991 г) с биобарабанами составляют 1,3-1,6 руб., в перерасчете на 1т компоста-8,5-10,5 руб. На переработку 10 тыс.т отходов требуется 8-Ю чел. МПЗ целесообразны при наличии гарантированных потребителей биотоплива или компоста в радиусе до 20км при цене на компост 7-7,5 руб/т [120].
Для сокращения количества бытовых отходов, подлежащих обезвреживанию и сортировке, применяют механизированное их разделение ТБО на специальных мусоросортировочных заводах. Как правило, из ТБО извлекаются черные и цветные металлы, стекло, бумага, пластмассы, органические вещества, используемые в дальнейшем при производстве ряда ценных продуктов. Определенная технология сортировки и обработки ТБО обеспечивает получение из отходов высококачественного топлива в виде гранул и брикетов.
Методы сортировки отходов и восстановления из них материальных ресурсов разделяют по способу предварительной подготовки отходов (с дроблением и без него) и по характеру разделения (механическая, воздушная, гидравлическая, магнитная сепарация). Наиболее распространены магнитная и воздушная сепарации. В качестве примера можно привести установку фирмы "Флект" (Швеция) с предварительной подготовкой сырья и воздушной многоступенчатой сепарацией, позволяющую выделить до 60% вторичных материалов, без учета цветных металлов и стекла.
К основным термическим методам обезвреживания ТБО относятся сжигание и пиролиз.
Целесообразно применять мусоросжигательные установки (заводы): ТБО содержат не менее 30% органического вещества и отличаются высокой теплотой сгорания; отсутствуют гарантированные потребители компоста и биотоплива; повышены санитарные требования к обезвреживанию отходов курортов, больниц и.т.п.; необходимость ликвидации не компостируемых остатков МПЗ.
Мусоросжигательные установки по производительности (в кг сжигаемых отходов в час) делятся на четыре группы: 1 - до 30 (самые малые); 2 - 30-500 (малые); 3 - 800-3000 (средние); 4 - свыше 3000 (крупные). Установки 1-й и 2-й групп без утилизации теплоты рекомендуются для уничтожения специфических отходов медучреждений, трупов животных. Установки 3-й группы чаще всего применяют в городах или районах с населением более 250 тыс. чел. Для установок 3-й и 4-й групп необходима утилизация теплоты в утилизационных котельных, ТЭЦ, электростанциях в виде пара, горячей воды или электроэнергии. Считается, что таким образом можно обеспечивать до 10% потребности в тепле коммунального хозяйства города.
Технологическая схема МСУ определяется: производительностью установки; теплотворностью отходов; продолжительностью использования теплоты от сжигания отходов; стоимостью отпускаемой тепловой энергией; капитальными затратами на строительство установки.
МСУ состоит из топочного устройства, котла-утилизатора, механизмов шлакоудаления, воздухонагревателя, системы очистки газов. В качестве примера на рис.2.7, приведена технологическая схема второго Московского мусоросжигательного завода.
Важнейшая часть установки топочное устройство, обеспечивающее, кроме обычных для топки операций, выполнение специальных операций: превращение отходов в золу и шлаки, пригодные к полезному использованию; максимальное уменьшение выноса золы и дымовых газов из топки; ликвидацию запаха выходящих газов.
Так как ТБО является гетерогенным топливом с постоянно изменяющимися плотностью, размерами кусков, теплотой сгорания и скоростью горения, средняя удельная теплота сгорания их колеблется от 3400 до 9500 кДж/кг. Такая теплота недостаточна для поддержания 800С на выходе из топки, в связи с чем требуется дополнительное сжигание высококалорийного энергетического топлива или подогрев дутьевого воздуха.
Отходящие дымовые газы температурой 800-1000С, должны охлаждаться до 300-350С, существующие устройства сухой очистки дымовых газов не могут работать выше этих температур.
Технологические решения по приему, размещению и термической подготовке твердых бытовых отходов на шахтной поверхности и доставке шлаков и золы к стволу
Согласно цели и задачам работы предусмотрено обоснование технологических схем путем выполнения экспериментов по физическому моделированию технологии на стендовой установке. Стендовая установка обеспечивает геометрическое и физическое подобия при сжигании угля конкретным условиям отработки пластов на участке натурного моделирования. В результате физического моделирования предусмотрено получение необходимых информационных данных, позволяющих внести необходимые поправки как в части подготовки и сжигания намеченных к огневой отработке угольных блоков, так и в части используемого при этом тягодутьевого, теплоэнергетического и очистного оборудования. Физическое моделирование применительно к задачам данной работы дает возможность: установить возможности реализации устойчивого во времени и эффективного по результатам процесса сжигания угля в условиях, воспроизводящих с необходимой степенью подобия участки натурного моделирования; определить степень извлечения угля при сжигании пласта при различном расположении каналов подачи окислителя; установить на качественном уровне общую физическую картину и закономерности развития в пространстве и во времени области горения угля при сжигании моделируемых угольных блоков; получить данные о температурном и газовом режимах работы моделируемых подземных газогенераторов на различных стадиях развития процесса ПСУ; установить пределы изменения концентраций содержащихся в извлекаемом газе химических соединений и его температуры; определить места розжига в пределах блока сжигания. Анализ работ, посвященных моделированию, выполненный в отраслевой НИЛ «Новой технологии комплексного извлечения на шахтах угля, газа и тепловой энергии», показывает, что при работе с моделями, выполненными из натурных материалов, целесообразно и обоснованно использовать следующую схему масштабов [59, 127]: ok п-2)-іо2; (3-29) Or = ah (з.зо) Оу=7; (3.31) С =а/; (3.32) 107 где CLi, OLf, Oly Q j - значения масштабов соответственно; своим линейного, скорости воздуха, объемного расхода воздуха, времени выгорания подготовленного блока.
Теоретический анализ процессов при ПСУ показывает, что все главные особенности, определяющие характер развития этих процессов, контролируются механизмами химических реакций, протекающих в сравнительно «узкой» области, локализованной вблизи перемещающейся поверхности фронта огневого забоя, а также механизмами тепло- и массопереноса, определяющими условия и скорость протекания указанных реакций. Все остальные действующие факторы в условиях, соответствующих реальной физической обстановке на участках планируемых натурных экспериментов имеют второстепенное значение и при постановке модельных экспериментов могут учитываться в достаточно далеком приближении без существенного искажения общей качественной картины развития исследуемого процесса [136,137].
В связи с этим при постановке экспериментов по физическому моделированию процесса ПСУ учитывалась необходимость соблюдения следующих основных требований: геометрического подобия модели и «контуров» с соблюдением линейного масштаба; приближенного физического подобия модели и «контуров» в отношении следующих факторов: скорости движения воздуха и газовых потоков, теплофизических свойств угля и вмещающих пород.
Необходимая, по оценочным расчетам, степень подобия указанных факторов в «натуре» и моделях обеспечивается путем подбора соответствующих материалов и их определенной закладкой в модель, а также выбором соответствующего тягодутьевого оборудования. Закладка пород непосредственной кровли проводилась теми же породами, что и на участке натурного моделирования. Порядок проведения экспериментов на стендовой установке включает в себя: подготовку (закладка) модели; розжиг; выполнение экспериментальных наблюдений; обработку и анализ полученных данных и результатов.
При подготовке моделей (рис. 3.5) на днище корпуса стендовой модели укладываются породы почвы. Далее помещают элементы конструкций, моделирующие горные выработки и скважины, которые располагаются в соответствии с генеральной схемой. После этого закладывается уголь в виде блоков. По днищу корпуса стендовой модели расположены гнезда для термопар, которые позволяют получить температурные характеристики в моделируемом блоке. Розжиг угля в моделях производится при работающем дымососе.
Похожие диссертации на Разработка технологических решений по рациональному освоению ресурсного потенциала закрываемых шахт
