"justify">     

     

     

     

     

где

      ;

      ;

      ;

      .

      .                                                            (9)

       Использование формулы (9) позволило рассчитать минимальные скорости фильтрации V_min в плоскости угольного пласта (при z = H) в зависимости  от  соотношения линейных размеров сетки скважин и числа скважин в ряду. Установлено, что оптимальной по критерию V_min ® max является квадратная сетка скважин c h/s = 1.  C  ростом  числа скважин в ряду V_min монотонно возрастает, но,  начиная  с N = 13 – 15, прирост минимальной скорости фильтрации незначителен.

     Решение уравнений (8) показывает, что общий  дебит скважин-источников всегда меньше дебита стоков. Это объясняется тем, что кровля угольного пласта не является абсолютно непроницаемой и поэтому неизбежен подсос воздуха через аэродинамически активные зоны покрывающих пород. Расстояние между рядами скважин определяется из условия прогрева угольного пласта до температуры, равной расчетной температуре газообразных продуктов горения. При этом рассматривается стационарный  процесс теплообмена, который установится через некоторый период после возникновения устойчивого горения. Для того чтобы поддерживалось устойчивое горение, необходим устойчивый диффузионный поток кислорода к реагирующей  поверхности, который соответствует  состоянию динамического равновесия процесса окисления угля в интервале температур горения. Тогда с учетом принятых допущений и математического описания процесса тепломассообмена получим, что при стационарном теплообмене  дT/дt = 0,  и тогда математическая модель примет вид: 

      ;                                                                              (10)

                                             (11)

где V - скорость фильтрации воздуха, м/с; V_ОЗ - средняя скорость подвигания огневого забоя, м/c; - концентрация кислорода на линии огневого забоя;

     

;                .

         Из решения задачи (10) - (11) следует, что существует функция T(x), которая имеет горизонтальную асимптоту < T_ОЗ

      .                 (12)           

     При этом  в зависимости от расстояния 2h асимптота может находиться как выше изотермы T_г, так и ниже нее. Принимая =T_г, можно определить оптимальное расстояние между рядами скважин

      .                             (13)

     Чтобы воспользоваться формулой (13), необходимо рассчитать . Для  решения этой задачи достаточно рассмотреть стационарный конвективно-диффузионный перенос кислорода к огневому забою. Математическая модель диффузионного переноса в этом случае имеет вид: 

      ,                                                                            (14)

      ,                                                                         (15) 

где K - константа скорости химического  взаимодействия кислорода с углем  при температуре T_ОЗ, 1/с;

     Решение задачи (14) - (15) можно записать следующим  образом:

     

     Функция C(x) также имеет горизонтальную асимптоту  > C_*, которая определяется по формуле: Принимая, что = C_о,  где C_о - начальная концентрация кислорода в воздухе, поступающем в нагнетательные скважины, получим: . Исходя из оптимальных режимов работы серийно выпускаемых теплообменников принимаем средний расход газообразных продуктов горения равным 5×10⁴ м³/ч и их температуру T_г=578К, при этом средняя скорость фильтрации воздуха будет составлять 3,5×10² м/с.

     Температура огневого забоя принимается исходя из опыта подземной газификации  угля и  результатов  физического моделирования равной 788К, тогда К = 0,19 1/с.  Значения коэффициентов: a = 5,9×10^-7 м²/с; b = 7,44×10^-3 м/с (при расчете b, значение V_о.з. принято из опыта подземной газификации угля равным 0,5 м/сут). Расчетная концентрация кислорода на огневом забое 3,1%, тогда по формуле найдем 2h = 28,9 м. Учитывая возможные отклонения, связанные с временными флуктуациями температуры, оптимальным следует считать расстояние между рядами скважин 20 - 30 м.

     Сотрудниками  ОАО «Мосбассуголь» и МГГУ совместно с исследовательской группой  «Углегаз»  ТулГУ проведена серия опытов на лабораторной установке, созданной на базе технологического комплекса шахты № 3 – «Киреевская», для  исследования процесса сжигания пласта бурого угля  при различных способах подачи воздуха в модель. Исследования показали, что при огневой отработке оконтуренных целиков угля комбинированная схема, разработанная в МГГУ, обеспечивает  начальное горение в свободном канале с последующей интенсификацией процесса за счет фильтрационного подвода воздуха к огневому забою. Этот способ обеспечил устойчивое горение с высокой температурой газообразных продуктов горения. Результаты натурного эксперимента свидетельствуют о том, что в целом для условий Подмосковного бассейна эта технологическая схема является наиболее эффективной при отработке оконтуренных выработками целиков угля (такая ситуация наиболее часто наблюдается в околоствольных дворах отрабатывающихся шахт и подлежащих закрытию). В качестве расчетной схемы рассматривался плоский объект произвольной формы, оконтуренный выработками.

     Комплексное решение тепломассопереноса позволило  получить на выходе всю информацию,  необходимую для обоснованного выбора параметров подземного газотеплогенератора, в том числе и дебит окислителя, а также рассчитать возможный выброс тепловой энергии в окружающую среду. В целом на основе экспериментальных  и теоретических исследований уточнены существующие закономерности физико-химических процессов, протекающих  при подземном сжигании бурых углей Подмосковного бассейна, для получения тепловой энергии.

     Полученные  результаты, по мнению автора, могут быть использованы для решения проблем диверсификации и технологической реструктуризации действующих и строящихся шахт ОАО «Мосбассуголь» и способствовать созданию экологически рациональных и экономически конкурентоспособных энергосырьевых предприятий. Математическое моделирование технологической схемы огневой отработки угольного целика ш. «Киреевская – 3» показало,  что комбинированная воздухообменная схема позволит обеспечить потребителя необходимым количеством  тепла. Для нормального функционирования рассмотренной технологической  схемы необходимо провести технические мероприятия по осушению подготовленных запасов.

     Современное политическое и экономическое состояние Российской Федерации, социально-экономическое состояние областей Центрального региона России, где расположены угледобывающие предприятия Подмосковного бассейна, а также цель и концептуальная формула комплексного освоения недр, по мнению автора, на первом этапе позволяют решить следующие задачи.

1. Разработка нормативного документа, регламентирующего на Федеральном и локальном уровнях правоотношения, создающие льготные налоговые условия для бизнесменов, создающих рентабельные рабочие места в угольной промышленности Подмосковного бассейна за счет комплексного освоения недр, нетрадиционного использования техногенных пространств, переработки отходов производства, технологической реструктуризации инфраструктуры поверхностного комплекса угольных шахт.
2. Создание базы данных геологических условий шахтных полей действующих шахт ОАО «Мосбассуголь» и геологических оценок возможности промышленного использования полезных ископаемых, залегающих ниже разрабатываемых угольных пластов.
3. Создание базы данных гидрогеологических условий шахтных полей действующих и закрытых шахт ОАО «Мосбассуголь».
4. Разработка технико-экономического обоснования и бизнес-планов по типовым технологическим решениям, предусматривающим сохранение базовых систем горных предприятий как основы для создания новых рентабельных  рабочих мест, обеспечивающих необходимую занятость населения угледобывающих районов, сохранение и развитие социальной инфраструктуры.
5. Создание на базе одной из шахт акционерной компании «Мосбассуголь» экспериментальных участков для апробации новых технологий и средств механизации горных работ.
6. Разработка локальной нормативно-технической документации, регламентирующей правила обращения с токсичными отходами производств, применительно к условиям их хранения в горных выработках бывших шахт ОАО «Мосбассуголь», и проведение её юридической экспертизы.
7. Разработка технологических решений по хранению токсичных отходов производства в горных выработках угольных шахт ОАО «Мосбассуголь», на которых дальнейшая добыча угля нерентабельна.
8. Разработка системы контроля за состоянием токсичных отходов производств, хранимых в горных выработках бывших угольных шахт.
9. Организация государственной и общественной экологической экспертизы проектов использования горных выработок бывших угольных шахт ОАО «Мосбассуголь» для хранения токсичных отходов производств.
10. Создание системы непрерывной переподготовки и повышения квалификации инженерных кадров, а также профессиональной подготовки, переподготовки и повышения квалификации рабочих кадров акционерной компании «Мосбассуголь» с использованием современных вычислительных комплексов, программных средств и технологического оборудования.

     В настоящее время в указанном направлении уже получен ряд научных и практических результатов, в том числе и с участием автора диссертации.

     Результаты  исследований рынка сбыта продукции  свидетельствуют о том, что потенциальными потребителями продукции являются население, сельскохозяйственные предприятия, промышленные предприятия частного бизнеса Центрального региона России. Потребителями нормативных и системных разработок являются службы администраций областей России, а также заинтересованы зарубежные потребители.  
 
 
 
 

     Заключение

 

     Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технологические решения по комплексному освоению буроугольных месторождений на базе использования низкокалорийного и высокозольного бурого угля и практической реализации геотехнологических способов утилизации промышленных отходов в подземном пространстве закрываемых шахт, имеющие важное хозяйственное значение для топливно-энергетического комплекса России.

     Основные  научные и практические результаты, полученные лично автором, заключаются в следующем. 

     1. Сформулированы основные положения концепции комплексного освоения буроугольных месторождений, основывающиеся 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. Доказано, что комплексное освоение буроугольных месторождений обеспечивается адаптацией по геомеханическому фактору нетрадиционных для Подмосковного бассейна систем разработок пластов и обоснованным выбором термодинамических параметров  процесса подземного сжигания угля промышленных и бытовых отходов на основе имитационного моделирования тепломассообменных процессов в системе «горная выработка -угольный пласт - вмещающие породы».

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