Альтернативные источники органических топлив

     Современное состояние знаний по рассматриваемой  проблеме, а также цель и идея работы обусловили необходимость постановки и решения следующих задач исследований.

     1. Разработка прогрессивных технологических схем выемки  угля  с учетом возможности размещения пород в горных выработках и практической реализации селективной отработки участков шахтных полей с ограниченными запасами  и уточнение их рациональных технологических и геомеханических характеристик.

     2. Изучение геолого-промышленной специфики функционирования экспериментального участка «Углегаз»  и  исследования  технологических схем подземного сжигания угольных пластов в условиях Подмосковного бассейна.

     3. Разработка концептуальных положений по созданию и внедрению экологически рациональной технологии добычи и переработки углей Подмосковного бассейна как основы реструктуризации угольной промышленности центра России.

     4. Исследование свойств органо-минеральных удобрений из  бурых углей для оценки их влияния на свойства дерново-подзолистой почвы,  получения радиохимической характеристики и определения качественного и количественного состава гуминовых кислот в углях Подмосковного бассейна.

     5. Оценка потенциальных возможностей подземного пространства закрывающихся шахт Подмосковного бассейна для размещения нетоксичных отходов по факторам длительной устойчивости выработок и гидрогеологии, обоснование параметров технологии размещения и термического обезвреживания ТБО в шахте, экономическая оценка предложенного варианта.

     6. Установление факторов,  определяющих  устойчивость работы газотеплогенератора.

     7. Математическое моделирование подземного горения угольного пласта для определения оптимального расположения скважин при бесшахтной отработке запасов угля и исследование динамики теплообмена при комбинированной технологической схеме подачи  воздуха и удаления продуктов горения угля.

     8. Физическое  моделирования  различных схем отработки запасов пласта по технологии «Углегаз».

     9. Осуществление вероятностно-статистического   анализа   результатов стендовых испытаний опытно-промышленного газотеплогенератора.

     Территория  региона, на которой расположен тот или иной промышленно-технологический комплекс (в том числе и угледобывающий), является сложной социально-экономической системой, где сам промышленно-технологический комплекс представляет собой открытую технологическую и социально-экономическую подсистему, связанную в иерархическом отношении с другими подсистемами как по вертикали, так и по горизонтали. Территории угледобывающих регионов  являются сложными социально-экономическими и техническими системами, управление которыми в силу большого количества объектов  и связей как внутренних, так и внешних, требует оперативной информации о последствиях решений,  принимаемых должностными лицами. Прогнозные результаты принимаемых крупномасштабных решений обычно хорошо видны в пределах области знаний, получаемых при анализе функционирования упрощенной экономической модели, и могут быть упущены, ввиду многосвязности, в других областях знаний, не учтенных в данной модели, но именно эти результаты, как правило, и представляют негативные последствия принимаемых крупномасштабных решений.

     Показательным в этом отношении является пример Подмосковного бассейна. На начальном  этапе освоения добыча угля в Подмосковном бассейне составляла всего лишь 9000 - 83000 т в год (период с 1858 по 1870 гг.), перед второй мировой войной в 1940 году было добыто более 10 млн. т угля, а наибольшая добыча - 42-47 млн. т - приходится на 1956 - 1960 годы. В настоящее время акционерная компания «Мосбассуголь» преобразована в ОАО «Мосбассуголь» и добывает не более 1 млн. угля в год. Все это привело к необходимости разработки технологических решений комплексного использования угольных месторождений Подмосковья.

     Концептуальная  формула  комплексного подхода заключается в том, что создание конкурентоспособных энерго - сырьевых предприятий и устойчивой системы новых рентабельных  рабочих мест на базе технологической и социальной инфраструктуры действующих шахт и строящихся шахт Подмосковного бассейна обеспечивается экологически чистой технологией комплексного освоения недр и нетрадиционного использования  подземных пространств существующих и вновь проводимых горных выработок, внедрения принципов гибкой технологии комплексного освоения угольных месторождений и создания энерго - сырьевых комбинатов на промплощадках закрывающихся и действующих шахт.

     Требования  к технологическим схемам ведения  очистных и подготовительных работ, позволяющие в наибольшей степени учитывать горно-геологические условия эксплуатации угольных шахт Подмосковного бассейна, можно сформулировать следующим образом.

     1. Для практической реализации систем разработки угольных пластов короткими очистными забоями необходимо обеспечивать рациональную увязку выемочного, транспортного и иного оборудования по всему комплексу горных работ.

     2. Необходимо использовать в технологических системах шахт как серийно выпускаемые, так и опытные образцы оборудования с относительно низкими стоимостными характеристиками и перспективой использования местных и региональных производственных и ремонтных баз.

     3. Необходимо исключить из технологических систем трудоемкие, материалоемкие, многоступенчатые и опасные процессы и операции и параллельно осуществить максимальную унификацию (многофункциональность) оборудования.

     4. Доведение до минимума, определяемого порогом экономической целесообразности, потери полезного ископаемого.

     5. Обеспечение высоких показателей надежности технологических систем в целом и их структурных элементов.

     6. Ориентация на относительно простые схемы организации производства при высоких темпах ведения очистных и подготовительных работ.

     7. Обеспечение возможности включения в структуры технологических систем процессов размещения различных веществ с учетом их агрегатного состояния в выработанном пространстве.

     При ранжировании требований в современных  условиях доминирующим требованием является обеспечение минимальной ресурсоемкости (без снижения требований безопасности и охраны недр). Это требование позволяет выделить следующие группы технологических схем отработки ограниченных запасов угля в условиях форсированного сокращения производственных мощностей при ограниченных ресурсах, меняющихся требованиях к качеству угля и функциональному диапазону технологий.

     1. Технологические схемы выемки  угля проходческими комбайнами  при камерных системах разработки пластов.

     2. Технологические схемы на основе специального оборудования.

     3. Технологические схемы бурошнековой  выемки угля.

     Технологической основой указанных групп является структурное сочетание средств выемки, вентиляции, транспорта и водоотлива, которое можно легко обеспечить в настоящее время применительно к условиям функционирования ОАО «Мосбассуголь». Минимизация ресурсоемкости позволяет выделить группы технологических схем выемки ограниченных запасов угля в условиях форсированного сокращения производственных мощностей при ограниченных ресурсах, меняющихся требованиях к качеству угля и функциональному диапазону технологий.

     Технология  выемки и транспортирования угля на основе проходческого оборудования может быть реализована в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий Подмосковного бассейна и для этих условий разработаны различные рациональные варианты технологий. Для селективной выемки пластов со сложной структурой перспективными являются флангово-фронтальная и короткозабойная фронтальная технологии, например, с применением машины фронтально-избирательного действия, которая имеет телескопическую стрелу с дисковым рабочим органом, снижающим динамические удары.

     Применение  самоходной платформы в конструкции  машины весьма перспективно для создания выемочного механизма в рамках короткозабойной технологии. Бурошнековая технология может быть принята как базовая для разработки универсальных совмещенных технологических схем очистных и подготовительных работ на пологих пластах тонких и средней мощности в составе проходческих и буро-закладочных комплексов для выборочной и селективной отработки угольных месторождений Подмосковного бассейна.

     Технология  отработки угольных пластов камерными системами разработки представлена на рис. 1 – 3, а систематизация  технологий разработки угольных пластов короткими забоями на рис. 4.

     На  следующем этапе в диссертации  в процессе обоснования геотехнологических принципов ликвидации твердых бытовых отходов (ТБО) была уточнена структура варианта размещения затаренных ТБО в подземном пространстве шахты, включая дополнительные полости, с последующим сжиганием совместно с углем. Вычислительные эксперименты позволили определить исходные данные и установить закономерности материального и топливного баланса процесса сжигания смеси бурого угля и твердых бытовых отходов. Таким образом, были установлены закономерности изменения показателей сжигания от скорости горения смеси и обоснованы эффективные режимы горения, увязанные с технологическими возможностями (проведение камер, транспортные схемы и т.п.).

     При заданных объёмах подземного пространства по размещению ТБО необходимая минимальная скорость горения смеси G_см  составит 0,881 кг/с, максимальная  – 3,038 кг/с. Температура смеси на выходе из угольного канала в зависимости от G_см - от 400 до 700 К.

     Длина угольного канала горения, обеспечивающего полное сгорание угля при рассматриваемых G_см, Т_г  и количестве одновременно сжигаемых блоков (n_бл  =1,2,4), находится в диапазоне от 73,5 м до 112,5 м. 
 

     

 

     Рис. 1. Отработка запасов угольного пласта тупиковыми камерами с их расширением  прямым ходом

     а) с поддержанием выработанного пространства;  б) с частичным погашением камеры за крепью; 1 - конвейерный штрек; 2 - вентиляционный штрек; 3 - отработанная камера; 4- формируемая камера; 5 - камера с расширением; 6 - проходческий комбайн; 7 - ленточный конвейер; 8 - перегружатель; 9 - участковый конвейер; 10 - вентиляционный став; 11 - междукамерные целики; 12 - перемычка; 13 - индивидуальные гидростойки; 14 - деревянные стойки; 15 - самодвижущаяся комплектная крепь

     

     Рис. 2. Отработка запасов угольного пласта камерами при их расширении обратным ходом

     а) с поддержанием выработанного пространства; б) с частичным погашением камеры за крепью; 1 - конвейерный штрек; 2 - вентиляционный штрек; 3 - отработанная камера; 4- формируемая камера; 5 - камера с расширением; 6 - проходческий комбайн; 7 - ленточный конвейер; 8 - перегружатель; 9 - участковый конвейер; 10 - вентиляционный став;   11 - междукамерные целики; 12 - перемычка; 13 - индивидуальные гидростойки; 14 - деревянные стойки; 15 - самодвижущаяся комплектная крепь; 16 - обходная выработка

     

     Рис. 3. Отработка запасов угольного пласта камерами с их расширением обратным ходом и полным погашением 

     1 - конвейерный штрек; 2 - вентиляционный (монтажный) штрек; 3 - отработанная  камера; 4- формируемая камера; 5 - камера  с расширением; 6 - проходческий комбайн;                7 - ленточный конвейер; 8 - перегружатель; 9 - участковый конвейер; 10 - вентиляционный став; 11 - междукамерные целики; 12 -перемычка; 13 - индивидуальные гидростойки;             14 - деревянные стойки; 15 - двойной комплект самодвижущейся крепи;                                     16 - обходная выработка 

     Установлено, что отклонения от идеального режима горения и связанное с ними добавление горючих газов в продукты подземного сжигания угля и ТБО практически не изменяют материальный баланс процесса и теплофизические свойства продуктов сжигания.

     Наиболее целесообразным вариантом технологии сжигания смеси угля и ТБО является сжигание её с необходимой массовой скоростью в одном канале горения (одном блоке). Установлено, что существующая схема вентиляции шахты не требует корректировки. С участием автора разработаны технические требования к теплотехническому комплексу поверхности и предложены компоновочная схема и основной состав.

     Геотехнологические  параметры определяются для схемы, при которой производится совместное сжигание отходов, размещенных в камерах (дополнительных полостях), и угля в междукамерных целиках. Ширину каждой из сооружаемых камер принимаем равной 4 м, а длина определяется размерами угольных целиков по линии расположения камер и составляет до 50 м.

 

     

       
 
 

     

 

     

     При таком способе фронт горения угля и ТБО наиболее рационально ориентировать перпендикулярно длинной оси камер и межкамерных угольных целиков шириной 4 м.  Такая ориентировка фронта горения гарантирует относительно стабильные поперечные размеры канала горения по всей его длине, а также наиболее полное выгорание угля и ТБО.

     В последнем случае достигается наиболее полная экологическая безопасность остатков ТБО, получаемых в результате их сжигания в смеси с бурым углем. В качестве базового объекта исследований были использованы шахты  ОАО «Мосбассуголь».