Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди нетрадиционных способов разработки угольных месторождении заметное место занимает метод подземной газификации углей (ПГУ). Эта технология, на протяжении нескольких десятилетий привлекающая повышенное внимание специалистов горного дела как в нашей стране, так и за рубежом, открывает новые возможности в разработке угольных пластов со сложными горио-гсологнческнмн условиями залегания, совмещает добычу и переработку угля, обеспечивая при лічім непосредственное получение конечного продута па месте осуществления газификации пласта - в отличие от добытого угля, являющего собой продукт промежуточный. ПГУ в высокой степени отвечает требованиям, предъявляемым к ресурсосберегающим технологиям. Но решающее преимущество метода подземной газификации углей заключается в его экологических достоинствах - так, при подземной газификации почти не нарушается земная поверхность, а газ, производимый посредством газификации угольных пластов, является экологически приемлемым видом топлива. Таким образом, имеются достаточные основания считать подземную газификацию углей поосфериоп технологией.
Названные достоинства ПГУ делают весьма актуальным определение и обоснование возможностей ее применения при разработке угольных месторождении в Кузнецком бассейне - регионе, п котором экологическая ситуация, в очень большой степени из-за широкого развития угледобычи, а также использования в качестве топлива па ТЭЦ и в котельных преимущественно угля, достигла к настоящему времени критической остроты.
Актуальность исследования перспектив развития подземной газификации углей в Кузбассе определяется, кроме того, и необходимостью перехода России к реализации концепции устойчивого развития, принятой международным сообществом в качестве оптимальной формы развития цивилизации, что - применительно к условиям угледобывающих территорий - подразумевает, в частности, необходимость внедрения нoocфq>иыx, нетрадиционных технологий при разработке угольных месторождений.
Анализ особенностей развития современного производства, и горного дела в частности, показывает, что затраты на разработку и освоение ноосферных технологий не только целесообразны с социально-экономической точки зрения, но и являются важным условием поддержания высоких темпов экономического роста и повышения эффективности производства. В этой связи следует отмстить, что подземная газификация углей, на протяжении последних десятилетий не имевшая в достаточной мере как полноценного научного обеспечения, так и инвестиционной поддержки, и как следствие, не получившая широкого развития и квалифицирован-
ного использования в практике угледобычи, ныне нуждается в решении вопросов совершенствования технологического процесса, определении своей геологической базы, установлении возможных масштабов и форм развития в угольных регионах страны - и в Кузбассев частности.
В связи с изложенным обоснование возможностей развития технологии подземной газификации углей в Кузнецком бассейне, определение направлении п разработка конкретных мер по оптимизации тгого развития, решение задач, связанных с совершенствованием данной технологии, является актуальной научно-технической проблемой, имеющей важное значение по только дня угольной промышленности.
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом Института угля СО РАН. Часть работы выполнялась в рамках программы "Сибирь", выполняемом согласно приказу Миннауки РФ №79 от 23 апреля 1993 г.
Цель работы состоит в разработке научного обоснования развития в Кузбассе технологии подземной газификации углей, и » ее совершенствовании на основе физико-технологпческих способов воздействия на процесс газификации.
Идеи работы заключается в рассмотрении возможностей подземной газификации углей как технологии непосредственного получения конечного продукта па место отработки угольного пласта, п в использовании для повышения эффективности данном технологии физических методов воздействия на очаг горения в газифицируемом пласте.
Задачи исследований:
обосновать возможности развития в Кузбассе подземной газификации углей как ноосфернон технологии;
разработать варианты целевого использования газа подземной газификации углсіі, с определением их приоритетности применительно к условиям Кузбасса;
- разработать базовые принципы создании участка-модуля
подземной газификации углей как составной части современного
угледобывающего предпрнятіія;
- разработать паучпо-техпологнческос обоснование для
строительства крупного промышленного предприятия подземной
газификации углей;
произнести оценку геологических запасов углей Кузбасса по степени пригодности их к отработке методом подземной газификации;
осуществить разработку способов нетрадиционного использования газа подземной газификации углей, перспективных для применения в кузбасских условиях;
осуществить физическое моделирование технологии подземной газификации углей для выявления определяющих, взаимосвязей между основными технологическими характеристиками процесса;
разработать математическую модель процесса массообмепа, протекающего в газпфпкацнонпом канале подземного газогенератора;
разработать способы совершенствования технологии подземной газификации углей на основе физико-технологического воздействия на данный процесс.
Методы исследований. При выполнении работы применен комплексный метод исследовании, включающий: научное обобщение п анализ отечественного и зарубежного опыта практических работ п научных исследований в области подземной газификации углей; методы технико-экономического анализа при обосновании строительства предприятия подземной газификации углей и участка-модуля ПГУ при шахте; анализ геологоразведочных материалов для оценки пригодности запасов угля ддя разработки методом подземной газификации; физическое моделирование процесса подземной газификации углей в лабораторных условиях на экспериментальном стенде, с использованием тепловизионпого метода измерений; обработку результатов методами математической статистики; математическое моделирование процессов массообмепа в газпфпкацнонпом канале подземного газогенератора.
Научные положения, выносимые на защиту:
применение метода подземной газификации углей в Кузбассе расширяет диапазон технических возможностей при разработке угольных месторождений, увеличивая при этом степень соответствия данной разработки принципам ресурсосбережения и рационального природопользования;
развитие подземной газификации углей в Кузбассе обеспечивает получение любых требуемых объемов газообразного топлива ддя использования в котельных н ТЭЦ региона вместо угля;
создание участка-модуля подземной газификации в структуре современного угледобывающего предприятия позволяет отрабатывать наиболее сложные в горно-геологическом отношении районы шахтного поля, а также обеспечивает возможность удовлетворения энергетических потребностей шахты производимой в рамках данного участка ПГУ электроэнергией;
в Кузбассе существует значительное количество запасов углей, измеряемое миллиардами тонн, отработка которых возможна н целесообразна только посредством их подземной газификации;
добавление к газу подземной газификации углей метана, извлекаемого in угольных шахт при дегазации, позволяет повысить теплотворную способность газа подземной газпфш<ацип, а также может рассматриваться как способ утилизации дегазационного метана;
скорость перемещения очага горения по дутьевой скважине, при газификации пласта по новой технологической схеме, значительно выше при использовании кислородного дутья, чем воздушного, и характер взаимосвязи между скоростью перемещения очага п видом дутья изменяется па противоположный в случае перемещения очага горения по га з о отводящей скважине;
режим чередования подачи воздушного и кислородного дутья к очагу горения обеспечивает увеличение степени выгазошшия угольного пласта;
пульсацпониый характер технологического дутья позволяет достигать повышения теплотворной способное производимого газа.
Достоверность и обоснованность научных положений определяется:
достаточным обьемом подь^эгнутых анализу материалов экономического, геологического и экологического характера, касающихся перспектив развития метода подземной газификации углей в Кузбассе (опыт работы Южно-Абинской станции "Под-земгаз" за период 1956-1995 гг., 35 изученных по степени пригодности для ПГУ месторождений и участков в диапазоне глубины залегания пластов 100-600 м);
применением методов подобия при физическом моделировании процесса подземной газификации углей и обоснованием правомерности осуществления такого моделирования;
достаточным количеством экспериментов и высокой сходимостью результатов физического и математического моделирования подземной газификации углей с известными из практики закономерностями протекания данного процесса в реальных условиях.
Научная новизна работы заключается:
в установлении возможности повышения уровня экологическом безопасности при разработке угольных месторождении Кузбасса посредством применения метода подземной газификации углей;
в разработке п обосновании возможности обеспечения значительной части потребностей Кузбасса в газообразном топливе путем производства в регионе газа подземной газификации углей;
в разработке базовых принципов создания участка-модуля подземной газификации углей, являющегося элементом структуры шахты нового технического уровня;
в определении геологической базы метода подземной газификации углей в Кузбассе - оцещ<с угольных запасов Кузнецкого бассейна по степени их пригодности к разработке способом подземной газификации, и в создании башеа данных по запасам угля, пригодных для ПГУ;
в разработке нового способа нетрадиционного использования газа подземной газификации углей, перспективного в регионах
с наличием метанообпльных пластов, и состоящего в добавке к газу ПГУ метана от дегазации угольных шахт;
к установлении экспериментальным путем определяющих взаимосвязей между технологическими параметрами процесса подземной газификации углей, позволяющих определить возможности и способы совершенствования процесса ПГУ - применительно к повой технологической схеме подземной газификации;
л разработке способа достижения большей степени выгазо-П.1ППЯ угольного пласта, заключающегося в применении чередования подачи к очагу горения разных видов дутья - кислородного и воздушного;
в установлении принципиальной возможности увеличения теплотворной способности производимого при подземной газификации угольных пластов газа посредством придания дутьевому потоку пульсацпоипого характера;
в разработке математической модели процесса массообмсиа в окислительной зоне газнфнкацнонного канала подземного газогенератора и в определении рациональной длины окислительной зоны реакционного канала.
Практическое значение работы заключается в том, что результаты выполненных исследований позволяют:
обосновать экологическую необходимость п экономическую целесообразность развития в Кузбассе нетрадиционного способа разработки угольных месторождении - подземной газификации углей;
определить геологическую базу метода подземной газификации углей в Кузнецком бассейне;
предложить обоснованный комплексный подход к определению оптимальных для условий Кузбасса путей использования газа подземной газификации углей;
обосновать целесообразность включения в структуру современного угледобывающего предприятия нового нетрадиционного элемента - участка-модуля подземной газификации углей;
предложить экономически эффективный и технически осуществимый способ совершенствования топливного баланса Кузбасса, предусматривающий масштабную замену угольного топлива на газ подземной газификации углей;
обосновать возможность осуществления нового способа утилизации метана, получаемого при дегазации угольных шахт, посредством добавки его к газу подземной газификации углей;
получить методические рекомендации по разработке нормативных материалов для строительства крупного современного предприятия подземной газификации углей;
определить возможности и способы совершенствования процесса подземной газификации углей, осуществляемого по новой технологии.
Личный вклад автора состоит в:
разработке научного обоснования развития метода подземной газификации углей в Кузбассе;
осуществлении выбора конкретных угольных месторождении и участков на территории Кузнецкого бассейна, рекомендуемых для отработки методом подземной газификации, и создании соответствующего банка данных;
разработке комплексного подхода к определению путей использования газа подземной газификации углей и сопутствующих ему продуктов в условиях Кузбасса;
разработке нетрадиционных напраилеиий использования газа подземной газификации углей, перспективных для кузбасских условии;
- разработке концепции функционирования участка-модуля
подземной газификации углей в составе современного угледобы
вающего предприятия;
разработке методологии, практическом осуществлении физического моделирования процесса подземной газификации углей в лабораторных условиях, и в разработке па основе анализа полученных результатов способов совершенствования технологии ПГУ;
разработке математической модели процесса массообмена в окислительной зоне газнфикацношюго капала подземного газогенератора;
создании методологии разработки технико-экономического обоснования для строительства крупного предприятия подземной газификации углей.
Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором, вошли составной частью в отраслевые и региональные документы методического и прогнозного характера, используемые научно-исследовательскими, проектными организациями и региональными административными органами, применяются при разработке планов реструктуризации угольной отрасли, включены в концепцию шахты нового технического уровни.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на: Всесоюзной конференции "Социально-экономические проблемы достижения коренного перелома в эффективности развития производственных сил Кузбасса" (Кемерово, 1988 г.), Всесоюзной научно-практической конференции "Создание высокоэффективных процессов переработки и использования твердых горючих ископаемых, получение альтернативных моторных топлив и химических продуктов из угля" (Донецк, 1989 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Экологические проблемы угольной промышленности Кузбасса" (Междуречснск, 1989 г.), конференции "Основные направления открытой угледобычи н переработки
КАУ" (Красноярск, 1990 г.), Всесоюзной конференции по развитию производительных сил Сибири "Угольный комплекс - 90" (Лспипск-Кузпецкпй, 1990 г.), Всесоюзном симпозиуме "Проблемы газификации углей" (Красноярск, 1991 г.), Семинаре по подземной газификации углей (Кемерово, 1992 г.), II конференции "Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов" (Москва, 1995 г.), II Международной конференции "Перепекшим развития горнодобывающей промышленности" (Новокузнецк, 1995 г.).
11 і'іші і іс!і їді ПІ Основные результаты работы опубликованы в 21-м научном труде, включая 2 монографии.
Структура и оГн.см диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных па 172 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 26 рисунков и библиографию из 71 наименования.
