Введение к работе
Актуальность работы. Структура топливно-энергетического баланса (ТЭБ) за последние сорок лет существенно изменилась. Если в 1950 г. доля угля в ТЭБ страны составляла 66,1%, то в настоящее время — только 22,6%, а по прогнозам к 2000 г. должна упасть до 21 ... 18%. Аналогичная ситуация наблюдается н в других государствах. Уменьшение доли угля в ТЭБ объясняется низкими ценами на нефть и газ, хотя в некоторых странах (Франция) тепловые электростанции, работавшие на каменном угле, вытесняются атомными. Тем не менее, каменный уголь продолжает оставаться важнейшим энергоносителем. Мировая добыча составляет 3211,2 млн. т каменного и 1180,2 млн. т бурого угля. По прогнозам мировые разведанные запасы угля остались на 235 лет, тогда ,как остальных энергоносителей (нефть, газ, уран) —на несколько десятков лет.
Анализ распределения запасов ископаемых углей по глубине залегания и территории страны показывает, что только 35% доступны для открытых горных работ, но 2/3 из них представлены бурыми углями и находятся в основном в восточных районах страны. Это говорит о том, что подземный способ разработки останется по-прежнему основным в уголь-ион промышленности, несмотря на все присущие ему недостатки: высокая трудоемкость, некомфортные и опасные условия труда, высокая себестоимость добытого угля.
Тепловая энергетика занимает второе место в мире по загрязняющему воздействию на окружаюацую среду после автодорожного транспорта. Отдельными звеньями этого производства являются добыча н переработка угля, его транспортировка н хранение, производство электроэнергии. Кроме того, каждое нз этих звеньев является эиергопотребляющИ'М и, естественно, экологически вредным, они оказывают собственное специфическое воздействие на окружающую среду.
Весь процесс производства электроэнергии оказался разорванным на отдельные звенья, практически друг с другом мало связанные. Горняки стремятся добыть больше угля, мало заботясь о его качестве, транспортники — набрать больше тонно-километров, энергетики, стоящие на завершающей
стадии производства, должны расплачиваться за всех, получая сырье низкого качества и высокой стоимости. Производство разорвано на отдельные звенья, функционирующие на значительном пространственном удалении друг от друга: уголь до-были в Кузбассе, перевезли по железной дороге в европейскую часть страны и сожгли на электростанции. При этом возникает экологическое противоречие: на шахте имеются большие объемы выработанного пространства, приводящие к сдвижению 'массива со всеми вытекающими отсюда негативными экологическими последствиями (подработка и заболачивание поверхности, понижение уровня грунтовых вод); в то же время в районе тепловых электростанций накапливается огромное количество золошлаковых отходов п жидких выбросов, утилизировать которые из-за их огромного количества непосредственно на месте практически невозможно, а вывозить в другие регионы экономически невыгодно. Утилизация отходов горно-энергетического производства представляется сложной проблемой, так -как последние содержат трудновыводимые из шпх токсичные, радиоактивные и другие вредные примеси.
Еще одной проблемой, решению которой препятствует разорванность горно-энергетического производства, является комплексное использование энергоресурсов угольного месторождения. Так, после отработки рабочих пластов угольного месторождения в недрах остаются колоссальные запасы энергоресурсов, превратить которые в электроэнергию и тепло возможно только непосредственно на месте залегания. Для этого необходимо строительство объектов энергетики — задача невыполнимая, если их строить только для утилизации .низкокондиционных ресурсов.
Таким образом, формирование экологически чистого производства, обеспечивающего добычу, переработку, сжигание угля и получение электроэнергии на едином горно-энергетическом комплексе, обеспечивающем комплексное освоение энергоресурсов угольного месторождения, является крупной актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Целью диссертации является установление закономерностей взаимосвязей этапов функционирования горно-энергетического производства для формирования экологически чистых комплексов на базе многостадийной отработки угольных месторождений блок-стволами, обеспечивающих повышение эффективности их работы, уровня экологичнсети и комплексности использования энергорасурсов.
Основная идея работы заключается в единстве горно-энергетического производства, увязывающего все стадии добычи, переработки сырья и производства электроэнергии в целостный экологически чистый и высокоэффективный ироцесс.
Методы исследований. В диссертации использован комплекс методов на базе научно-технического обобщения и анализа современного состояния проблемы н передового производственного опыта, аналитические исследования процессов 'гидростатики и гидродинамики, механики сплошной среды, лабораторных экспериментов па специальных стендах и модельных установках, імєтодов математического моделирования и технико-экономической оптимизации параметров технологической схемы шахты, натурных исследований, математической статистики и корреляционного анализа.
Новые научные положения, выносимые на защиту:
-
Концепция экологически чистого горно-энергетического комплекса, представляющая собой основу для формирования нового научного направления, 'базируется на закономерностях функционирования этапов производства электроэнергии при многостадийной отработке угольных месторождений.
-
Стратегия многостадийной отработки месторождений полезных ископаемых учитывает последовательность, время «работы» стадий, направление н интенсивность отработки участков шахтных полей.
-
Использование тяжелых рабочих сред для выполнения процессов горного производства по добыче угля, его транспортированию, водоотливу, закладке выработанных пространств, захоронению вредных отходов, кондиционированию рудничной атмосферы, обогащению угля и его классификации по крупности, дегазации пластов позволяет создать многофункциональную технологическую систему.
-
Закономерности изменения размеров блок-стволов под влиянием горно-геологических и горнотехнических факторов являются базой для выработки рациональных пространственно-планировочных решений по отработке, участков угольных месторождений.
-
Конструирование схем вскрытия н подготовки шахтных полей при отработке их запасов блок-стволами основывается на систематизации участков, .классификации схем и способов реализации лространствеино-планпровоч'Ных решений.
-
Технико-экономические показатели эффективности технологии отработки запасов блок-стволами находятся в тесной зависимости от комплекса горно-геологических и горнотехнических факторов при новом технологическом содержании производственных процессов, таких, как выемка угля в коротких очистных забоях, проветривание блоков через трубопроводы и скважины, пневмотранспортнрованне угля вентиляционной струей, подземное углеобогащение, гидростатический подъем горной массы, оставление породы в шахте.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
достаточным объемом лабораторных исследований на стендах и модельных установках процессов обогащения и подъема угля, явлений сорбции и десорбции тяжелых разделительных сред на поверхности каменного угля и пустой породы, а также явлений экстракции угольной органики, в том числе органической серы, тяжелыми фторалканами (более 2500 наблюдений);
значительным объемом вычислительного эксперимента на математических моделях (10000 вариантов на «аждой из 12 моделей);
удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение не превышало 12%);
положительными результатами использования отдельных технических решений (по размещению породы от проведения подготовительных выработок в выработанном пространстве, по организации работы закладочных лав) при проектировании новых и реконструкции действующих шахт Ростовской области России и Луганской области Украины.
Научное значение работы заключается в разработке научно-методических основ формирования экологически чистого горно-энергетического комплекса на основе учета экологических и технологических проблем, а также проблем комплексного использования энергоресурсов угля и угольного месторождения в целом, использование которых позволяет существенно повысить объективность вырабатываемых технико-технологических решений.
Практическое значение диссертации заключается в следующем:
обосновании наиболее перспективных схем отработки шахтных толей блок-стволами с точки зрения снижения объема .консервируемых в охранных и междублоковых целиках запасов угля;
оценке схем подготовки блоков по критерию минимизации объемов породы, получающейся от проходки подготовительных выработок;
обосновании вариантов системы разработки пластов для наиболее распространенных горно-геологических условий залегания .их;
разработке экономико-математических моделей технологической схемы шахты для оптимизации параметров блок-стволов;
обоснованном выборе рабочих жидкостей для реализации процессов подземного обогащения и гидростатического подъема угля;
разработке схем проветривания блок-стволов, с отводом исходящей струи по трубам и с совмещением пневмотранспорта с вентиляцией и обосновании их параметров;
разработке технологических схем подготовки 'блоков без выдачи породы от 'проходки подготовительных выработок из шахты;
установлении оптимальных параметров блоков при различных вариантах технологической схемы отработки их запасов (с канатно-скиповым подъемам, с гидростатическим подъемом).
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований составили основу для формирования трех концепций экологически чистой автоматизированной шахты глубокого заложения, победивших во Всесоюзном конкурсе, объявленном в 1990 г. ПКНТ СССР, с использованием которых была разработана «Целостная концепция...». Для реализации последней была составлена программа научно-исследовательских работ, утвержденная б. ГКНТ СССР и Минуглепро-'мом СССР.
Технологические схемы оставления породы в шахте приняты Всероссийской топливной ассоциацией, а также ПКБ производственных объединений «Антрацит», «Ровенькиантра-цит», «Краснодонуголь», «Ростовуголь» для использования при конкретном 'проектировании и планировании горных работ.
Основные положения по многостадийной отработке шахтных .полей блок-стволами вошли в учебник, учебные пособия, конспекты лекций, практические и лабораторные занятия по учебным програмімам ряда дисциплин учебного плана МГГУ.
Апробация работы. Основные результаты работы, отдельные, положения и разделы диссертации докладывались и получили одобрение на Всесоюзной научно-технической конференции «Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений» (Москва, 1989 г.), Всесоюзном научно-техническом совещании «Эколого-эконо-мические проблемы угледобывающего региона с подземным способом добычи угля» (Шахты, 1990 г.), ученом совете. ИГД им. А. А. Скочинского (Люберцы, 1989, 1991 гг.), Всесоюзном конкурсе по разработке концепции создания экологически чистой, автоматизированной угольной шахты глубокого заложения (Москва, 1990 г.), Круглом столе АЕН РФ «Нетрадиционные технологии добычи полезных ископаемых н решение экологических проблем» (Москва, 1995 т.), Второй 'Научно-технической конференции «Экологические проблемы' горного производства, переработка и размещением отходов» (Москва, 1995 г.), научном семинаре кафедры ТПУ Московского государственного горного университета (Москва, 1989— 1994 гг.).
Публикация. Основные положения диссертации опубликованы в 51 работе, в том числе 4 брошюрах и учебных пособиях, 25 авторских свидетельствах на изобретения и 22 статьях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи разделов, заключения и списка использованных источников из 229 наименований. Диссертация изложена на 498 страницах, включая 295 страниц машинописного текста, 97 рисунков и 38 таблиц.
Автор выражает .глубокую благодарность проф., докт. техн. наук А. С. Бурчакову и проф., докт. техн. наук А. П. Ки-лячкову за научно-методические консультации, -коллективу кафедры «Технология, меха<пизация и организация подземной разработки угля» за большую помощь в проведении экспериментов, а также работникам опытной обогатительной фабрики производственного объединения «Беларуськалий» за активное участие в изготовлении опытной установки гидростатического подъема н 'проведении экспериментальных исследований.
