Общая характеристика работы

     Актуальность. В России доля природного газа в производстве энергии неоправданно велика. Но в то же время мировая электроэнергетика в среднем на 43% основана на угле: в странах ЕЭС – более 50%, в США – на 56%, в Китае – на 70%, а в России его доля на тепловых станциях составляет 27% (с учетом атомных и гидростанций – 18%). Разведанных запасов газа хватит на 80 лет, тогда как угля - на 300 лет. Эксплуатируемые месторождения газа иссякают, а для освоения новых месторождений (на Ямале, в Баренцевом море) требуются огромные затраты. Цена газа в перспективе вырастет в 5-6 раз. Адекватно подорожает и электроэнергия. Целесообразность прогнозирования тех социальных и экономических рисков, которым может подвергнуться наша страна через 50 лет, очевидна, если ситуация в данной области останется без изменений. Особую остроту приобретает эта проблема для центра европейской части Российской Федерации, где есть один-единственный источник минеральных энергоресурсов – Подмосковный буроугольный бассейн. Однако реализуемые в отрасли процессы реструктуризации и диверсификации угольной промышленности поставили эту угленосную территорию в разряд бесперспективных угольных бассейнов.

     В горнодобывающих регионах России создалась напряженная социально-экономическая и экологическая обстановка, что негативно отразилось на качестве и уровне жизни населения этих регионов. Сегодня уже становится очевидной возможность энергетического кризиса и в Центральном федеральном округе, как это было в дальневосточных регионах страны. Наряду с энергетическими проблемами обостряются экологические проблемы, обусловленные ускоряющимися темпами роста потоков твердых бытовых отходов (ТБО) в городах, а эти проблемы можно и нужно решать по-новому, используя геотехнологические подходы.

       Анализ технико-экономических обоснований на закрытие угольных шахт свидетельствует о том, что вопросы использования основных фондов ликвидируемых предприятий изучены лишь в первом приближении. В существенной мере это относится как к использованию горных выработок и оставленных запасов полезного ископаемого, так и к подземному захоронению и обезвреживанию отходов производства в виде глубокого захоронения их в скважины или в виде захоронения в естественные или искуственные пустоты на различных глубинах. Значительный опыт захоронения отходов в соляных рудниках или специально создаваемых искусственных пустотах в толщах соли накоплен в Германии. Подземное пространство шахт и железных рудников используется в гораздо меньшей степени. Такой опыт для техногенных пространств Подмосковного буроугольного бассейна с возможностью подземного сжигания отходов совместно с углем является достаточно перспективным.

     Таким образом, исследования, направленные на научное обоснование технологий комплексного освоения буроугольных месторождений, характеризуются значительной актуальностью. 

     Целью диссертации является установление закономерностей развития технологий освоения 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. 

     Основная  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 в смеси с твёрдыми бытовыми отходами. 

     Основные  научные положения, выносимые на защиту:

     1. Комплексное освоение буроугольных месторождений основывается на реализации технологических схем отработки запасов угля, при которых возможно эффективное использование энергетического потенциала в объективно сбалансированной системе «горная выработка – угольный пласт – вмещающие породы – термодинамические процессы подземного сжигания угля и ТБО».

     2. Технологии отработки запасов угля на базе существующих комплексов очистного и проходческого оборудования могут быть эффективно реализованы в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий Подмосковного буроугольного бассейна. В то же время при ранжировании геотехнологических требований в современных условиях доминирующим среди них является минимизация ресурсоемкости, позволяющая объективно выделить группы рациональных технологических схем отработки остаточных запасов угля, в условиях форсированного сокращения производственных мощностей при дефиците ресурсов и изменениях конъюнктуры рынка.

     3. Параметры систем разработки буроугольных пластов по системе парных камер определяются совместимостью технологических схем очистных и подготовительных работ, а также геомеханическими характеристиками взаимодействия междукамерных целиков с неустойчивыми вмещающими породами.

     4. Максимальный КПД  теплообменника  при  устойчивом горении угольного пласта в зависимости от горно-геологических условий обеспечивается при температуре газообразных продуктов горения 473-523 К и расходе 20000 - 50000 м³/ч. 

     5. Интенсивность горения угля как при технологии подземной газификации угля, так и при технологии «Углегаз», прямо пропорциональна проницаемости, трещиноватости, коэффициенту диффузии кислорода, энергии активации, константе скорости окисления угля и тепловому эффекту реакции кислорода с углем и обратно пропорциональна влажности угля и вмещающих пород.

     6. Устойчивое горение угольного пласта достигается при концентрации кислорода в огневом забое, равной C⁰(1+KV)^-1, и оптимальных параметрах газотеплогенератора: расстояния между скважинами и рядами скважин;  количества воздуха, подаваемого в нагнетательные скважины; перепада давления, развиваемого источниками тяги.

     7. Процесс подземного горения угольного пласта достаточно адекватно моделируется трехмерной системой уравнений тепломассообмена с учетом закономерности Аррениуса для константы скорости хемосорбции кислорода в огневом забое, а также скорости перемещения огневого забоя. При этом вмещающие породы допустимо рассматривать как однородную, изотропную пористую среду.

     Новизна работы:

• научно обоснован переход к технологиям подземной разработки месторождений высокозольных бурых углей, базирующимся на принципах комплексного использования минерального сырья месторождения и геотехнологических возможностей подземного пространства угольных шахт по завершении  проектного срока службы;
• доказано, что в условиях Подмосковного бассейна можно эффективно использовать как технологию подземной газификации угля, так и технологию «Углегаз», на базе существующего оборудования и обеспечения устойчивого горения бурого угля в фильтрационном канале;
• научно обоснована возможность использования технологической и социальной инфраструктуры Подмосковного бассейна в качестве основной базы создания конкурентоспособных энергосырьевых предприятий;
• сформулированы теоретические положения подземной выемки угольных пластов Подмосковного бассейна, тепломассообменных процессов при подземном сжигании угля забалансовых запасов, а также отходов производств из сферы потребления в горных выработках отработанных шахт, для разработки эффективных геотехнологий комплексного использования низкокалорийного и высокозольного бурого угля и практической реализации геотехнологических способов утилизации промышленных отходов в подземном пространстве шахт;
• установлены закономерности тепломассопереноса при подземном сжигании угольного пласта и ТБО, отличающиеся тем, что подземное горение угольного пласта моделируется трехмерной системой уравнений тепломассообмена с учетом скорости перемещения огневого забоя и закономерности Аррениуса для константы скорости хемосорбции кислорода в огневом забое.

     Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

• корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием классических методов физической химии, математической физики, математической статистики технологического моделирования и современных достижений вычислительной техники;
• представительным объемом лабораторных и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей и обоснованности выводов и рекомендаций;
• результатами опытно-промышленной апробации результатов исследований.

     Научное значение диссертации состоит в разработке методической базы обоснования прогрессивных технологических решений по комплексному освоению буроугольных месторождений на принципах гибкого сочетания технологий доработки забалансовых запасов угля и подземного сжигания полезного ископаемого в смеси с ТБО для эффективного использования техногенного пространства шахт.   

     Практическая  значимость работы состоит в следующем:

• разработаны прогрессивные технологические решения по использованию камерной, камерно-столбовой систем разработки буроугольных пластов с неустойчивыми кровлями;
• предложены технологические схемы размещения ТБО в выработанных пространствах шахт;
• разработаны рекомендации по организации участка «Углегаз» на закрываемых шахтах Подмосковного бассейна;
• разработаны рекомендации по рациональному теплоснабжению объектов инфраструктуры закрываемых шахт на основе использования продуктов подземного сжигания угля и ТБО;
• определены направления по повышению теплотехнических возможностей подземных газотеплогенераторов при сжигании угля и ТБО на шахтах;
• разработана структура и функциональные принципы организационно многопрофильных конкурентоспособных горных производств в новых экономических условиях;
• сформулированы концептуальные положения по обеспечению эффективного и устойчивого функционирования буроугольных шахт нового технического уровня, реализующих экологически чистые геотехнологии.

     Реализации  работы. Рекомендации по рациональному использованию продуктов горения угольного пласта при его подземном сжигании приняты к реализации при формировании системы теплоснабжения объектов инфраструктуры шахты №3 «Киреевская» ш/у «Владимировское» ПО «Тулауголь».

     Технологические предназначения по использованию штреков  главных направлений для размещения ТБО и формированию дополнительных искусственных полостей (камер) в охранных целиках, задействуемых при сжигании смеси угля и ТБО, одобрены и рекомендованы ПО «Тулауголь» к реализации в практике планирования мероприятий по закрытию шахт.

     Основные  научные результаты  диссертации  используются в учебном процессе Московского государственного горного  университета и Тульского государственного университета при подготовке дипломированных  специалистов по направлениям «Горное дело» и специальности «Охрана окружающей среды и рациональное природопользование». 

     Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы обсуждались и получили одобрение на научных симпозиумах, проводимых в МГГУ в рамках «Недели горняка» (Москва, 2001 - 2007), на 3-м Международном симпозиуме «Mining Environmental Protection» (Югославия, г. Белград 2001-2003), 2-й Международной конференции «Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых и переработки отходов горной промышленности» (г. Тула, 2003), 1-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула 2003), 2-й Международной конференции «Социально – экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Москва – Тула, 2005), Ежегодных конференциях профессорско – исследовательского состава (2001 - 2006), научных семинарах кафедры «Подземнаяразработка пластовых месторождений» МГГУ (2001 - 2007). 

     Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 29 научных трудов, включая 3 монографии, 15 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.  

     Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения,           7 глав и заключения, содержит 35 иллюстраций, 18 таблиц и список литературы из 270 наименований.

     Автор диссертационной работы выражает глубокую благодарность чл. – корр. РАН, доктору технических наук, проф. Л. А. Пучкову за методическую помощь, сотрудникам кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ за содействие при проведении научных исследований.

     основное  содержание работы 

     Развитие концептуальных положений комплексного освоения буроугольных месторождений и подземного пространства отработанных шахт, утилизация отходов и создание нетрадиционных технологий в ведущих угольных бассейнах России приобрели исключительную актуальность. К настоящему времени российскими и зарубежными школами разработаны научные основы комплексного освоения недр, подземной газификации и подземного сжигания угля для получения тепловой энергии, основанные на использовании классических законов термодинамики, физической химии и математической физики. Фундаментальные теоретические положения и практические рекомендации по процессам подземной добычи и физико-химической геотехнологии отработки угольных месторождений сформулированы в трудах академиков Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, К.Н. Трубецкого, чл.-корр. РАН Л.А. Пучкова, Д.Р. Каплунова. В дальнейшем эти научные принципы были развиты в трудах докт.техн.наук, проф: А.С Бурчакова, Б.Ф. Васючкова, Н.М. Качурина, А.Б. Ковальчука, Ю. Н. Кузнецова, а.с. Малкина, г.и. Селиванова, В.Е. Савченкова, В.И. Сарычева, А.И. Сычева, Г.А. Янченко,  с.а. Ярунина; канд.техн.наук И.М. Закоршменного и др.