Введение к работе
Актуальность. Существование всех цивилизаций при всем разнообразии их менталитетов было направлено, в конечном счете, на потребление природных ресурсов. Воздействие человека на природную среду в процессе хозяйственной деятельности приобретает глобальный характер. По масштабам извлекаемых и перемещаемых пород, преобразования рельефа, воздействия на перераспределение и динамику поверхностных и подземных вод и активизации геохимического переноса эта деятельность сопоставима с геологическими процессами. Но люди преобразовывали, и будут преобразовывать природу, поэтому важнейшей проблемой стратегии управления качеством природопользования являются разработка и внедрение геотехнологических принципов комплексного использования недр при подземной добыче угля.
Особую остроту приобретает эта проблема для европейской части Российской Федерации, где есть один единственный источник угля – Подмосковный угольный бассейн. Однако процессы реструктуризации и диверсификации угольной промышленности поставили эту угленосную территорию в разряд бесперспективных угольных бассейнов.
Сегодня уже очевидно, что если жить так, как мы живем последнее десятилетие, если думать теми категориями, которые противопоставляют Российскую государственность эффективной рыночной экономике, и сохранить без изменения возникшую шкалу общественных ценностей, то вскоре центральную Россию ожидает энергетический кризис, который уже имеет место в дальневосточных регионах страны.
Следовательно, для возрождения и последующего развития отечественной системы рационального и безопасного природопользования нужны иные знания, иные принципы, иные стандарты. Анализ технико-экономических обоснований на закрытие шахт свидетельствует о том, что вопросы использования основных фондов ликвидируемых предприятий изучены лишь в первом приближении. В первую очередь это относится к использованию горных выработок и оставленных запасов.
Таким образом, исследования, посвященные разработке теоретических положений, позволяющих научно обосновать геотехнологические принципы комплексного использования недр Подмосковного бассейна при подземной добыче угля и развития геотехнологий огневой отработки угольных пластов, являются актуальной научной проблемой .
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 – 2010 годы)» (рег. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0319).
Целью работы являлось уточнение закономерностей развития технологий по освоению запасов буроугольного бассейна для обоснования эффективных технологических решений по комплексному использованию энергетического потенциала низкокалорийного и высокозольного бурого угля и практической реализации способов утилизации твёрдых промышленных отходов в подземном пространстве закрываемых шахт, обеспечивающих устойчивое функционирование систем диверсифицированных производств.
Идея работы заключается в реализации при обосновании прогрессивных технологических решений по комплексному освоению буроугольных месторождений эффекта объектно-ориентированной адаптивности нетрадиционных короткозабойных систем разработки пластов с неустойчивыми кровлями к специфике проявлений геомеханических и термодинамических процессов при подземном сжигании низкокалорийного и высокозольного угля.
Основные научные положения, сформулированные в работе, состоят в следующем.
1. Технология выемки и транспортирования угля на основе существующих средств механизации может быть реализована в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий Подмосковного бассейна, при этом в современных условиях доминирующим требованием является миниминизация ресурсоемкости разрабатываемых геотехнологий.
2. Геотехнологии огневой отработки запасов угля с получением электрической и тепловой энергии при подземном сжигании бурых углей Подмосковного бассейна могут быть использованы для решения проблем диверсификации и технологической реструктуризации энергетики Тульской области и других регионов Центрального Федерального округа.
3. Горно-геологическими факторами, определяющими значения физико-химических факторов, влияющих на устойчивость подземного горения угольного пласта, являются обводненность месторождения, тип угля и вмещающих пород, гипсометрия и глубина залегания угольного пласта, наличие карстовых нарушений, а максимальный КПД теплообменника при устойчивом горении угольного пласта обеспечивается, если температура газообразных продуктов горения составляет 473…523 К, а расход воздуха, подаваемого к огневому забою, находится в интервале значений 20…50 тыс. м3/ч.
4. Устойчивое горение угольного пласта достигается, если концентрация кислорода в огневом забое равна C0(1+KV)-1, а оптимальное расстояние между рядами скважин составляет 20…30 м, а параметрами оптимизации газотеплогенератора являются расстояния между скважинами и рядами скважин; количество воздуха, подаваемого в нагнетательные скважины; перепад давления, развиваемый источниками тяги.
5. Процесс подземного горения угольного пласта моделируется трехмерной системой уравнений тепломассообмена с учетом закономерности Аррениуса для константы скорости хемосорбции кислорода в огневом забое, а также скорости движения огневого забоя, при этом вмещающие породы можно рассматривать как однородную, изотропную пористую среду.
Новизна теоретических положений:
- научно обоснованы эксплуатационные параметры подземной разработки высокозольных бурых углей, отличающиеся тем, что обоснование и выбор технологических параметров основываются на принципах комплексного использования минерального сырья месторождения и геотехнологических возможностей подземного пространства отработанных угольных шахт ;
- доказано, что в условиях Подмосковного бассейна можно эффективно использовать, как технологию подземной газификации угля, так и технологию «Углегаз», 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;
- обосновано научное положение, которое утверждает, что технологическая и социальная инфраструктура Подмосковного бассейна является основой создания конкурентоспособных энергосырьевых предприятий.
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 обоснованности выводов и рекомендаций;
- результатами опытно-промышленной апробации разработанных методик;
- положительными результатами промышленной апробации разработанных технических средств и организационно-технологических схем.
Практическая значимость работы заключается в том, что были на практике реализованы новые направления комплексного освоения недр Подмосковного бассейна для решения перспективных задач развития конкретных производственных единиц на основе интеграции промышленности Центрального региона, вузовской и академической науки. Разработаны структура и функциональные принципы горного производства в новых экономических условиях. Разработаны и апробированы новые и усовершенствованы существующие технологии добычи бурого угля.
Реализация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы были апробированы на шахтах Подмосковного бассейна. Теоретические результаты и технические решения включены в базовые учебные курсы по проектированию угольных шахт для студентов, обучающихся по специальности «Горное дело», а также использованы при выполнении договорных и госбюджетных НИР в Тульском государственном университете.
Апробация работы. Научные положения и практические разработки диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2009 – 2011 гг.), на научных семинарах и конференциях МГГУ (г. Москва, 2009 – 2011 гг.), на научно-технических советах ОАО «Мосбассуголь», 3-й и 4-й Международной конференции «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2008 – 2009 гг.), Международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула, 2010 г.), Международной конференции «Ecology, Energy Economy Safety in a Non Liner World. 3E – SAFETY» (г. Белград, 2009 г.); 3-й Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2010 г.); 3-rd International Symposium ENERGY MINING «Energy Mining, New Technologies, Sustainable Development» (Сербия, г. Апатин, 2010 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 статей.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения 5 глав, и заключения, изложенных на 147 страницах машинописного текста, содержит 9 иллюстраций, 4 таблиц и список литературы из 118 наименований.
Автор диссертации выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору В.И. Сарычеву, а также сотрудникам кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений за постоянную поддержку и методическую помощь в проведении исследований.
