CC BY
18
УДК 622.2
ГЕОТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ УГОЛЬНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДМОСКОВНОГО
УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА
Е.И. Захаров, А. А. Маликов, Г.В. Фридлендер, М.П. Ганин
Сформулированы концептуальные положения для создания геотехнологий комплексного освоения угольных и техногенных месторождений Подмосковного угольного бассейна. Показано, что эту проблему можно решить на основе инновационных технологий комплексного освоения угольных и техногенных месторождений Подмосковного бассейна. Решение проблемы заключается в комплексном подходе к изучению и разработке геотехнологий глубокой переработки углей и отходов производства на основе подземной газификации бурого угля в фильтрационном канале, физико-химической геотехнологии извлечения зольного остатка из выработанного пространства и экстракции полезных компонентов. Предложены технологические решения по получению энергетического газа для предприятий малой энергетики, железа, глинозем и технический кремний.
Ключевые слова: подземная геотехнология, уголь, комплексное освоение угольных месторождений, техногенное месторождение, подземная газификация угля, Подмосковный угольный бассейн, Тульская область.
Угольная энергетика вырабатывает около 40 % всего электричества в мире. Тепловые электростанции на угле в США и Германии вырабатывают около половины всей электроэнергии, а в Индии, Китае и Австралии - их доля достигла уже 70 %. Причина этого очевидна: во всем мире стоимость газа намного опережает стоимость угля. Департамент энергетики США считает, что после 2020 года уголь заметно обгонит газ и, вообще, займет нишу наиболее перспективного и быстрорастущего топлива для электростанций. Только в течение ближайших 15 лет в США планируется построить около 100 электростанций на угле. Рост потребления угольного топлива ожидается и в Канаде, там вследствие окончания эксплуатационного срока службы реакторов планируется остановить несколько блоков атомных станций и заменить их угольными ТЭС. Во многих странах внедряются новые современные технологии сжигания угля, поддерживающие не только большую энергоэффективность, но и уменьшающие воздействия на окружающую среду угольной генерации [1 - 4].
В отличие от мировых тенденций, в российской электроэнергетике углю не отводится столь важная роль как за рубежом. В стране занимающей второе место по запасам угля и пятое место в мире по его добыче, доля угольного топлива в производстве электрической энергии составляет всего лишь 25 %. Но при этом следует отметить, что воздействие на природную среду в процессе добычи и использования угля 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.
238
Однако сегодня неизбежный рост цен на газ и грядущая нехватка генерирующих тепловых мощностей создают предпосылки для возрождения угольной генерации в России. Эта перспектива - очевидна, хотя в России почему-то существует мнение, что переработка угля не окупается и стоит довольно дорого. Если еще 30 лет назад с таким мнением можно было согласиться, то сегодня уже нельзя игнорировать собственные природные и научные ресурсы.
Особенностью российской угольной промышленности является концентрация основной доли запасов в восточных регионах, а основные потребители угольной продукции расположены в европейской части России. Таким образом, географическое положение Подмосковного бассейна уникально. Он расположен на территории Новгородской, Тверской, Смоленской, Калужской, Тульской и Рязанской областей. Общие геологические ресурсы угля составляют 11 млрд т. Балансовые запасы более 3,5 млрд т.
В Тульской области главными полезными ископаемыми до недавнего времени являлись месторождения бурых углей Подмосковного бассейна, разработка которых началась в 1853 году. За это время в Тульской области добыто более 1 млрд 200 млн т угля. Суммарная площадь, в той или иной мере подверженная техногенному воздействию, связанному с разработкой месторождений угля, составляет около 12 % от общей территории области. Следовательно, разработка инновационных энергоэффективных технологий комплексного освоения угольных и техногенных месторождений Подмосковного угольного бассейна является актуальной технической проблемой. Научная значимость решения проблемы заключается в установлении новых и уточнении существующих закономерностей рационального природопользования при формировании энергетически независимых промышленных кластеров. На этих территориях целесообразно использовать инновационные геотехнологии подземной газификации углей, получения электроэнергии, переработки зольного остатка газифицируемых углей и минерального сырья техногенных месторождений. Это позволит реализовывать идеологию экологической и промышленной безопасности территорий на новом техническом уровне, а также сформулировать научные принципы обеспечения сырьевого импортозамещения и технологической независимости предприятий центрального региона России на основе комплексного освоения угольных и техногенных месторождений Подмосковного угольного бассейна.
Основными мировыми научными конкурентами по рассматриваемой проблеме в данный период являются научные школы США, Канады, Великобритании, Германии, Польши, КНР и ЮАР. Этот вывод основывается на анализе научных публикаций, представленных в журналах «International Journal Coal Geology», «Energy Conversion and Management», «Fuel», «Procedia. Environmental Sciences», «Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers», «Progress in Energy and Combustion Science» and «Applied Energy» [2 - 7].
Геотехнологические подходы к комплексному освоению буро-угольных месторождений Подмосковного бассейна. Конкретной задачей в рамках рассматриваемой проблемы является научное обоснование и разработка геотехнологий глубокой переработки углей, отходов топливно-энергетического комплекса, отходов подземной добычи угля и других промышленных предприятий на основе подземной газификации бурого угля Подмосковного бассейна, и физико-химической геотехнологии извлечения зольного остатка из выработанного пространства. Данная задача является базовым системно образующим блоком в решении рассматриваемой проблемы.
В целом проблема комплексного освоения угольных и техногенных месторождений и производство товарной продукции из отходов производства является чрезвычайно популярной в различных научных школах стран Европы и США. Особый интерес вызывает возможность подземной газификации угля и глубокой переработки получаемого синтезгаза. Особый интерес представляет разработка энергосберегающих технологий. Однако исследования ведутся, не пересекаясь по узким направлениям. Это переработка отходов угледобычи и обогащения угля с получением различных материалов из вторичных минеральных ресурсов (КНР, США и Канада). Подземная газификация исследуется в США, КНР, ЮАР, Польше и Австралии. Судя по публикациям последних 10 лет, узкоспециализированные исследования ведутся по всем направлениям, входящим в рассматриваемую проблему [8]. Однако в представленной комплексной постановке эта проблема за рубежом не рассматривается. Основными направлениями исследований в мировой науке по рассматриваемой проблеме являются изучение подземной газификации углей, переработка техногенных отходов, разработка энергосберегающих, эффективных технологий переработки минеральных ресурсов.
Предлагаемые методы и подходы основываются на современных достижениях теории фильтрации газов в пористых сорбирующих средах и физической газодинамики реагирующих сред, а также горной теплофизики и математического моделирования. Получение полезных компонентов основывается на современных результатах экспериментальной физической химии, теории химико-технологических аппаратов и процессов [6-8].
В течение нескольких лет продолжаются комплексные научные исследования, изыскания и инженерно-технические разработки, которые включают следующие работы:
1. Изучение геологического и гидрогеологического состояния запасов бурого угля на территории Тульской области.
2. Обобщение и систематизация существующей базы данных по геологическому состоянию, гидрогеологии и фактическому количеству запасов бурого угля на территории Тульской области.
3. Исследование качественных показателей состава подземных вод, на территориях горных отводов ликвидированных шахт и геологического состояния остаточных запасов ликвидированных угольных разрезов.
4. Изучение геологических условий залегания, гидрогеологии и технического анализа невскрытых балансовых запасов бурого угля на территории Тульской области.
5. Научное обоснование и разработка инновационной геотехнологической концепции комплексного освоения угольных месторождений Подмосковного угольного бассейна.
Полученные результаты позволяют создать базу данных по геологическому состоянию и фактическому количеству запасов бурого угля на территории Тульской области, а также электронные версии планов горных работ по ликвидированным шахтам и угольным разрезам. Таким образом, получена обобщенная гидрогеологическая характеристика территорий горных отводов ликвидированных шахт. Исследованы качественные показатели состава подземных вод на территориях горных отводов ликвидированных шахт. Продолжается выяснение геологического состояния остаточных запасов ликвидированных угольных разрезов, и геологические условия залегания, гидрогеология и технический анализ невскрытых балансовых запасов бурого угля на территории Тульской области. Все это позволяет сформулировать концептуальные положения инвестиционного проекта инновационных геотехнологий комплексного освоения угольных месторождений. Очевидно, что геотехнология отработки запасов бурого угля методом подземной газификации угля и получения электроэнергии будет энергетической основой комплексного освоения недр Тульской области.
В настоящее время необходимо переходить к изучению закономерностей направленного изменения свойств техногенных массивов, продолжить следующие исследования и технологические разработки.
1. Классификация техногенных месторождений, горная масса которых представлена железосодержащими отходами горной, перерабатывающей, топливно-энергетической и металлургической отраслей промышленности на основе оценки их физико-химических свойств и возможности их использования в качестве источников Ее(П) и Ее(Ш) при получении нано-дисперсных частиц магнетита [9-11].
2. Исследование изменений свойств горной массы техногенных месторождений, представленных железосодержащими отходами (ЖСО), а также изучение направленного изменения свойств и состояния горной массы воздействием химической конденсации и электрохимического растворения.
3. Разработка технологии получения магнетита из ЖСО.
4. Исследование изменения магнитных свойств магнетитов под воздействием электромагнитных полей различных параметров и оценка устойчивости магнитных свойств магнетитов, полученных различными способами.
5. Изучение закономерностей направленного изменения свойств магнетитов и обоснование технологических параметров получения магнитных жидкостей на различных дисперсионных средах, исследование их свойств и эффективности применения.
На данном этапе уже разработаны теоретические положения тепломассообмена и подготовлено научно-техническое обоснование получения тепловой и электрической энергии при подземном сжигании буроугольных пластов. Обоснована физическая модель и разработано математическое описание подземного горения угля в фильтрационном канале. Разработана математическая модель тепломассообмена подземного сжигания угольного пласта в фильтрационном режиме и создан комплекс программных средств для имитационного моделирования технологий подземного сжигания угольного пласта. Вычислительные эксперименты позволили количественно и качественно определить режимы устойчивого функционирования подземного теплогазогенератора.
Однако практика показывает, что необходимо создать базу данных по рекуперативным теплообменникам, газотурбинным и газо-поршневым электростанциям и МГД-генераторам, которые должны быть технологически адаптированы к подземным тепло-газогенераторам. При этом уже сейчас разработаны эскизные проекты энерго-сырьевых предприятий, использующих систему «Подземный теплогазогенератор - локальная электростанция» [12 - 13].
Новые способы подземной газификации пластов бурого угля. В Тульском государственном университете разработаны новые технологии комплексного использования угольных месторождений Тульской области. Это способ подземной газификации тонких и средней мощности пластов бурого угля и способ комплексного освоения месторождений бурого угля [12-13].
Технологическая схема реализации способа подземной газификации тонких и средней мощности пластов бурого угля (рис. 1) содержит вертикальные продуктивные скважины 1, с которыми соединены горизонтальные продуктивные скважины 2, которые расположены на границах отрабатываемого участка пласта на расстоянии 50 - 60 м друг от друга. Между горизонтальными продуктивными скважинами 2 по центру отрабатываемого участка пласта расположен ряд нагнетательных скважин 4 с шагом 15 - 20 м друг от друга. Между вертикальными скважинами 1 на одной оси 6, перпендикулярной линии простирания угольного пласта 7 расположена первая нагнетательная скважина 5. Скважины 1 связаны с дымососом 11. От дымососа 11 энергетический газ направляется потребителю.
Технологическая схема способа комплексного освоения месторождений бурого угля (рис. 2) содержит ряд дренажных скважин 1, ряд продуктивных скважин 2 газификации угля, ряд нагнетательных скважин 3 для воздуха, ряд нагнетательных скважин 4 для растворителя золошлако-вых остатков угля, ряд скважин 5 для откачки продуктивного раствора на поверхность, ряд скважин 6 для заполнения выработанного пространства блока закладочным материалом. Ряды скважин в блоке расположены друг от друга на расстоянии 20 - 25 м. В каждом ряду располагают 10 - 12 вертикальных скважин на расстоянии 15 - 20 м друг от друга. Ряд дренажных скважин 1 подключен к водоводу 7, который соединен с узлом водоподго-
товки 8. Ряд продуктивных скважин 2 газификации угля подключают к газопроводу 9, соединенному с дымососом 10, который подключен узлу очистки энергетического газа 11, установленному перед локальной газовой электростанцией 12. Ряд скважин 5 для откачки продуктивного раствора на поверхность подключен к трубопроводу 13, направленному к химико-технологическому узлу 14. Узел аккумулирования 15 диоксида углерода соединен с узлом очистки энергетического газа 11 и локальной газовой электростанцией 12. Узел водоподготовки 8, узел очистки энергетического газа 11, химико-технологический узел 14 связаны с входами узла неутили-зируемых отходов 16. Узел неутилизируемых отходов 16 и узел аккумулирования диоксида углерода 15 соединены с закладочным комплексом 17.
Рис. 1. Способ подземной газификации тонких и средней мощности
пластов бурого угля
Практическая апробация в натурных условиях осуществлялась на ш. Киреевская - 3 ОАО «Мосбассуголь» совместно с научными сотрудниками Московского горного института Национального исследовательского технологического университета «МИС и С». В качестве объекта газификации был использован предохранительный целик в околоствольном дворе. Предохранительный целик залегал на глубине 65 м в неустойчивых горных породах. Было осуществлено осушение горных выработок околоствольного двора. Целик был оконтурен горными выработками, которые выполняли функции горизонтальных продуктивных скважин 2. Вертикальные нагнетательные скважины 4 были пробурены по центру предохранительного целика, а функции вертикальных скважин 1 выполнял вентиляционный ствол шахты. После розжига угля и подачи дутья в нагнетательные скважины газогенератор вышел на устойчивый режим работы в течение 8 суток.
243
18
К потребителю
8
?¥¥¥¥¥¥Х
К потребителю
К потребителю
7
В закладочный массив выработанного пространства _
-4............................................
Рис. 2. Способ комплексного освоения месторождений бурого угля
Низшая теплотворная способность полученного энергетического газа при работе газогенераторов на воздушном дутье: 3360...4200 кДж/м3. Подача парокислородного дутья повышала теплотворную способность энергетического газа на 45.80 %.
Обработка результатов длительных наблюдений показала, что необходимо поддерживать температуру огневого забоя на уровне 550.700 С путем подачи окислителя в количестве 20000.50000 м3/ч. При этом горизонтальные продуктивные скважины должны быть длиной 100 - 140 м и располагаться на границах отрабатываемого участка газифицируемого угольного пласта на расстоянии 50 - 60 м друг от друга. Ряд нагнетательных скважин целесообразно бурить по центру газифицируемого участка пласта с шагом 15 - 20 м.
В целом результаты наблюдений показали, что предлагаемые технологические параметры позволяют обеспечить устойчивое горение в огневом забое фильтрационного канала и повысить калорийность энергетического газа на 45.80 % при подземной газификации тонких и средней мощности пластов бурого угля, залегающих на глубинах 30 - 100 м от земной поверхности в неустойчивых горных породах.
Заключение. Месторождения угля в Подмосковном бассейне весьма привлекательны для локальной энергетики, которая основывается на подземной газификации угля. Эта технология известна давно и в Тульской области: станции подземной газификации работали еще с 1940 года. Современные технические средства позволяют повысить эффективность подземной газификации и на порядок снизить себестоимость электроэнергии. Следовательно, есть все основания для устойчивого развития минерально-сырьевого комплекса и формирования импортозамещающих технологий, в том числе, и для машиностроительного комплекса.
В настоящее время изучение физико-химических процессов подземной газификации угля осуществляется научными школами многих экономически продвинутых стран - это, например, Китай, США, Австралия, Индия, Польша и др. Зарубежные партнеры активно внедряют технологию подземной газификации в практику и формируют энергетически независимые кластеры промышленного и сельскохозяйственного назначения.
В Тульском государственном университете разработаны технологические решения по получению энергетического газа для предприятий малой энергетики. Также в университете разработана физико-химическая технология комплексного освоения месторождения бурого угля. Зольность подмосковных углей около 30 %, и это считалось одним из основных их недостатков. Но исследования показали, что зольный остаток подмосковных углей представляет собой полиметаллическую руду. В состав золы входят редкоземельные элементы, оксиды алюминия, магния, марганца, железа и другие ценные компоненты. Электроэнергия и тепло подземной газификации угля будут использованы на местных промышленных и сельскохозяйственных предприятиях. Технологии, созданные в ТулГУ, позволяют поэтапно отработать любое угольное месторождение и обеспечить экологическую безопасность на всех стадиях технологического процесса.
В целом отходы добычи использования бурого угля создали техногенные месторождения, которые необходимо использовать для различных отраслей промышленности. Экономические оценки показывают, что переработка породных отвалов уже на первом этапе позволит получать продукцию, востребованную на внутреннем рынке. Это, например, оксид железа, глинозем и технический кремний. Бизнес-планы по целому ряду рассмотренных инвестиционных проектов свидетельствуют об инвестиционной привлекательности Тульской области. Сроки окупаемости по представленным проектам не превышают 4 лет. Таким образом, исследования ТулГУ показывают, что вкладывать деньги в комплексное освоение угольных и техногенных месторождений Подмосковного угольного бассейна экономически выгодно.
Список литературы
1. Ganesh R. Kale, Bhaskar D. Kulkarni, Ranjit N. Chavan Combined gasification of lignite coal: Thermodynamic and application study // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2014. Issue 45. P.163-173.
2. Prabu V., Jayanti S. Underground coal-air gasification based solid oxide fuel cell system // Applied Energy. 2012. Issue 94. P. 406-414.
3. Wiatowski M., Stanczyk K., Swiadrowski J., Kapusta K., Cybulski K., Krause E., Grabowski J., Rogut J., Howaniec N., Smolinski A. Semi-technical underground coal gasification (UCG) using the shaft method in Experimental Mine «Barbara» // Fuel. 2012. Issue 99. P. 170-179.
4. Sankar Bhattacharya, Kazi Bayzid Kabir, Klaus Hein. Dimethyl ether synthesis from Victorian brown coal through gasification e Current status, and research and development needs // Progress in Energy and Combustion Science. Issue 39. 2013. P. 577-605.
5. Krzysztof Kapusta, Krzysztof Stanczyk. Pollution of water during underground coal gasification of hard coal and lignite // Fuel. 2011. No 90. P. 1927-1934.
6. Barbara Bielowicz, Jacek R. Kasinski. The possibility of underground gasification of lignite from Polish deposits // International Journal of Coal Geology. 2014. No 131. P. 304-318.
7. Ganesh R. Kale, Bhaskar D. Kulkarni, Ranjit N. Chavan Combined gasification of lignite coal: Thermodynamic and application study // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2014. No 45. P. 163-173.
8. Martin Grabner, Bernd Meyer. Performance and exergy analysis of the current developments in coal gasification technology // Fuel. 2014. No 116. P. 910-920.
9. Качурин Н.М., Калаева С.З., Воробьев С.А. Получение магнитных жидкостей из отходов // Обогащение руд. 2015. №2. С. 47-52.
10. Каплунов Д.Р. Теоретические основы проектирования освоения недр: становление и развитие // Горный журнал. 2014. №7. С. 49-53.
11. Griazev M.V., Kachurin N.M., Spirin V.I. Energy-efficient technologies of integrated coal and mining waste development in the Moscow Coal Basin in the context of secure and sustainable supply of row materials in Central Russia // Eurasian Mining. 2016. № 2. P. 15-19.
12. Способ подземной газификации тонких и средней мощности пластов бурого угля: пат. 2522785 РФ; опубл. 20.07.14. Бюл. №20.
13. Способ комплексного освоения месторождения бурого угля: пат.2526953 РФ; опубл.: 27.08.14. Бюл. №24.
Захаров Евгений Иванович, д-р техн. наук, профессор, ecology_tsu_tula@mail.ry, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, профессор, заведукющий кафедрой, ecology _tsu_tula@mail.ry, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Фридлендер Григорий Владимирович, аспирант, ecology_tsu_tula@mail. ry, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ганин Михаил Павлович, аспирант, ecology_tsu_tula@mail. ry, Россия, Тула, Тульский государственный университет
GEOTECHNOLOGIES FOR COMPLEX DEVELOPMENT OF COAL AND ANTHROPOGENIC DEPOSITS IN THE MOSCOW COAL BASIN
E.I. Zakharov, A.A. Malikov, G.V. Friedlander, M.P. Ganin
The conceptual provisions for the creation of geotechnologies for the integrated development of coal and man-made deposits of the Moscow coal basin are formulated. It is shown that this problem can be solved on the basis of innovative technologies for the integrated development of coal and industrial deposits in the Moscow Region basin. The solution to the problem is a comprehensive approach to the study and development of geotechnologies for the deep processing of coal and industrial waste based on underground gasification of brown coal in the filtration channel, physicochemical geotechnology for extracting ash resi-
246
due from the worked out space and extraction of useful components. Technological solutions for the production of energy gas for small enterprises are proposed. The physicochemical technology of integrated development of brown coal deposits is proposed.
Key words: underground geotechnology, coal, integrated development of coal deposits, anthropogenic deposit, underground coal gasification, Moscow coal basin, Tula region.
Zakharov Evgenyi Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, ecology _tsu tula @mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Malikov Andrei Andreevich, doctor of technical sciences, professor, head of a chair, ecologytsutula @,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Fridlender Grigoryi Vladimirovich, postgraduate, ecology_tsu_tula@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Ganin Michail Pavlovich, postgraduate, ecology_tsu_tula@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 51-74
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ РАСЧЕТЕ ПОТЕНЦИАЛА ПРОИЗВОДСТВА ЗИМНЕГО БЕТОНИРОВАНИЯ
А. О. Хубаев
Изучены имеющиеся в настоящее время механизмы организационно-технологических действий при организации и производстве зимнего бетонирования. Сформированы в группы параметры, влияющие на организационно-технологические решения при производстве зимнего бетонирования. Произведено описание математического аппарата, который дает характеристику параметров объекта. Описаны суть и последовательность проведения эксперимента.
Ключевые слова: зимнее бетонирование, математическая статистика, организационно-технологический потенциал, уравнение регрессии, планирование эксперимента.
В Российской Федерации, несмотря на экстремальные климатические условия, постоянно происходит рост ежегодно возводимых монолитных железобетонных конструкций. В связи с этим возведение монолитных железобетонных конструкций вынужденно является процессом всесезон-ным. Как результат возведение монолитных железобетонных конструкции в зимний период влечет за собой ряд проблем, влекущих увеличение трудозатрат, стоимости строительства и нарушение сроков. Ранее уже было предложено создать инструмент, оценивающий обоснованность и эффективность применения организационно-технических мероприятий при производстве зимнего бетонирования. В данной статье продолжено описание «дорожной карты» по созданию данного инструмента. Он же является комплексным показателем производства зимнего бетонирования и носит название «потенциала производства зимнего бетонирования». В научном сообществе понятие потенциала изучалось и имело практическое применение многими исследователями [1-12, 15, 16].
247
