CC BY
0
ment of the Qform component // Forging and stamping production. Processing of materials by pressure. 2020. No. 4. pp. 33-38.
8. Milevskaya T. V. Investigation of the process of hot volumetric stamping of medical instruments in the software package of the Qform component on the example of the technology of precise hot volumetric stamping of the left half-leaf of dental forceps Shch-13. General recommendations on the selection of equipment // Science and Education: scientific publication of the Bauman Moscow State Technical University. 2011. No. 13. p. 50.
9. Pugaev P. V., Kondakov D. I. Evaluation of the extrusion process with different geometries of the matrix // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2023. No. 5. pp. 415-418.
10. Investigation of the yield stress of the Al-Mg-Si alloy (AD-35) with a sharp change in the deformation rate at elevated temperatures / P. Petrov [et al.] // Key engineering materials. 2013. Volume 554-557. pp. 1099-1104.
УДК 622.324.5
КОМБИНИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ КУЗБАССА
В.А. Федорин, В.И. Клишин, Е.Н. Козырева
Представлены предложения к комбинированной технологии разработки газоносных угольных пластов наземным и подземным способами газификаций в Кузбассе. Теоретически обоснована методология расчета технологических параметров способа подземной газификации угля с физико-химической комбинацией попутной добычи метана газоносных угольных пластов. Приведенный вариант реализации технологии «ПГУ - метан», безусловно, не является единственно возможным, что позволяет считать эту технологию достаточно универсальной и высокоадаптивной. Рассматриваемая комбинированная технология открывает новые возможности как для подземной газификации угля, так и для промышленной добычи метана из угольных месторождений.
Ключевые слова: технология газификации угля, метан, глубокая переработка, кластер.
Введение
Газификация относится к одному из старейших после коксования методов переработки углей [1]. Развитие рынка природного газа, сжиженного нефтяного и природного газа, привело к резкому снижению, а в некоторых регионах и странах к ликвидации потребления газообразного топлива из угля для нужд городского теплоснабжения и промышленной теплоэнергетики, но сохранилось крупномасштабное производство химического сырья и продуктов на базе синтезгаза из угля, а также синтетического моторного топлива. Газификация ведется наземным и подземным способами при абсолютном преобладании наземной газификации. Для
каждого из сортов угля разработаны соответствующие конструкции газогенераторов и в каждом случае получают газ специфического состава для соответствующего потребления. По дальнесрочным прогнозам, газификация сохранит свое положение как один из важнейших методов переработки углей.
По классификации группы горных наук «Геотехнология» включает физико-химическую геотехнологию, куда входят не только наземная, но и подземная газификация угля (ПГУ). Среди российских регионов в этом плане выделяется Кузбасс, где проведению работ по развитию данной технологии способствует Администрация Кемеровской области. В начале октября 2022 года в Кемерово проведен международный угольный форум для определения вектора развития отрасли в новых условиях [2]. Будущее угольной отрасли - это не наращивание объемов добычи, а глубокая переработка угля в продукт с высокой стоимостью. Кузбасс уходит от статуса сырьевого региона, сейчас мы делаем ставку на науку в этой отрасли. Необходимо сделать процесс добычи угля более безопасным. Не менее важная задача, над которой сейчас совместно работают наши ученые и промышленники, - внедрение «чистых» природоохранных технологий, -отметил губернатор Кузбасса Сергей Цивилев.
Состояние проблемы и постановка задачи
Одной из основных задач проекта по созданию энерготехнологического угольного кластера с глубокой переработкой угля в Кузбассе являлось повышение деловой активности в Кузбассе путем организации масштабного строительства перерабатывающих энерготехнологических комплексов для перехода от экстенсивного, сырьевого к инновационному производству конечной высоколиквидной продукции из угля в районе его добычи, с устойчивостью к изменениям рыночной конъюнктуры [3].
В содержание концепции входит разработка проектной документации на объекты капитального строительства, а дальнейшая реализация проекта должна обеспечить состояние современного технологического кластера с замкнутым циклом производства, который связывает добычу угля, транспортировку, обогащение и его глубокую переработку, по безотходным технологиям с минимальным экологическим воздействием на окружающую природную среду в высоколиквидной, востребованной продукции:
- синтетические моторные топлива;
- энергетическую и тепловую энергию;
- строительные материалы;
- различные ценные химические продукты.
При этом в составе энерготехнологического кластера предусматриваются действующие шахты и развитие участка «Серафимовский» со значительными запасами угля, обогатительная фабрика, энерготехнологиче-
ский комплекс и объекты энергообеспечивающей и транспортной инфраструктуры. Институтом угля ФИЦ УУХ СО РАН выполнена оценка перспективы и направлений развития угледобывающей отрасли Кузбасса. Уровень экономического развития России зависит от соотношения добывающих и перерабатывающих отраслей промышленности. Чем выше удельная составляющая отрасли, перерабатывающая полезные ископаемые, в частности угля, чем более наукоемкие технологии в них заложены, тем выше экономическая эффективность производства [4].
Программой развития угольной промышленности России (распоряжение Правительства РФ от 13 июля 2020 г. № 1523-р) к 2035 году предусматривается реализация пилотных проектов на базе глубокой переработки угля и достижение мировых стандартов в области охраны окружающей среды. Установлено, что необходимость повышения финансовой стабильности угольных компаний определяется перспективой сокращения потребления традиционных форм угля за счет перехода к потреблению продуктов его глубокой переработки. В 2021 году Правительством Кемеровской области - Кузбасса утверждена Стратегия развития кластера «Комплексная переработка угля и техногенных отходов в Кемеровской области - Кузбассе» до 2030 года [5].
Одной из базовых направлений производственной цепочки кластера является добыча и переработка газа (метана) из угольных пластов: метан, сжиженный природный газ (СПГ), компримированный природный газ (КПГ). Газовая составляющая карты производственной цепочки кластера отводится ООО «Газпром добыча Кузнецк», которое реализует первый в России инновационный Проект по добыче метана из угольных пластов в Кузбассе [6]. Главной задачей является успешное строительство демонстрационных многозабойных скважин с применением опробованных технологий строительства, освоения скважин. Решение данной задачи позволит значительно повысить экономическую эффективность разработки метаноугольных месторождений и выйти на промышленную добычу метана угольных пластов в объеме до 4 млрд. кубометров метана в год, а также расширить использование метана угольных пластов для электрогенерации, заправки автотранспорта и автономной газификации удаленных участков региона.
В кластере представлены организации инфраструктуры и сервисные компании:
АО «Метан Кузбасса»: выполнение полного комплекса исследований газоносности угольных пластов и вмещающих пород, консалтинг в области освоения газовых месторождений угольных пластов;
ЗАО «Углеметан Сервис»: оказание инжиниринговых и консалтинговых услуг в области дегазации пластов и утилизации метана (проведение фильтрационных и десорбционных тестов углегазовых месторождений, выбор технологии и обоснование схем утилизации шахтного метана: газо-
генераторные установки, модульные котельные станции и установки каталитического окисления), эксплуатация модульной установки по утилизации метана.
Распоряжением Правительства РФ [7] в 2022 году утверждена комплексная научно-техническая программа, в которой одной из задач является создание взаимосвязанных технологических комплексов по добыче и переработке угля в продукцию с высокой добавленной стоимостью с обоснованием необходимости проведения фундаментальных и прикладных научных исследований.
По этому направлению весьма привлекательной выглядит задача обеспечения энергетики, в данном случае Кузбасса, собственным дешевым горючим газом, полученным в процессе газификации угольных пластов. Следует отметить, что геологический потенциал газификации угля Кузбасса очень велик [4]. Угольные месторождения Кузбасса содержат огромное количество пластового метана. Величина метанонасыщенности этих месторождений составляет порядка 60-200 м3/м2. Существующие технологии извлечения метана из углепородного массива (к которым можно отнести как технологию дегазации угольных шахт, осуществляемую с целью обеспечения безопасных условий труда подземных рабочих, так и технологию промышленной добычи метана угольных месторождений) обладают общим крупным недостатком - отсутствием стабильности дебита и состава (концентрации метана) извлекаемой из горного массива метановоздушной смеси. Данное обстоятельство служит препятствующим фактором на пути широкого развития технологий промышленного извлечения пластового метана из углепородного массива и последующего его полезного использования.
Однако отмеченный выше недостаток может быть нивелирован и сведен к минимуму в том случае, если технологию добычи пластового метана рассматривать не как самодостаточную технологию, а как составную часть технологии подземной газификации угля.
Таким образом, в данном случае можно вести речь о создании из двух известных технологий - подземной газификации угля и технологии добычи пластового метана - новой комбинированной симбиозной технологии освоения газоносных угольных месторождений «ПГУ - метан».
Комбинированная технология газификации
В Институте угля и углехимии СО РАН в 2008 году разработано геотехнологическое обоснование комбинированного способа подземной газификации угля и добычи метана, а также новая технология освоения высокогазоносных угольных месторождений [8, 9], предполагающая в процессе разработки месторождения одновременное осуществление процесса подземной газификации угольных пластов и извлечение пластового метана через пробуренные с земной поверхности скважины (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная схема реализации новой технологии освоения газоносных угольных месторождений [10]
В соответствии с регламентом данной технологии, все операции по разработке угольного месторождения производятся с поверхности, без использования подземного труда. Предлагаемая технология сочетает в себе преимущества безлюдной выемки угля с экологической приемлемостью и является экономически рентабельной.
По предварительным расчетам, в сравнении с применением ранее традиционного способа подземной газификации угля, использование данной технологии обеспечит увеличение прибыльности при освоении высокогазоносного угольного месторождения на 40.. .45 %.
В результате выполненных исследований разработан комплексный физико-химический способ освоения углеметановых месторождений. Определена стратегия проектирования и реализация комплексного освоения углеметановых месторождений на базе ТЭО строительства опытно-промышленного предприятия газификации угля («ПГУ - метан») в Кузбассе. Местом проведения пробных испытаний технологии выбрано предприятие ООО «Газпром добыча Кузнецк» [6]. Данное предприятие реализует технологию получения метана из угольных пластов, а также имеет в своем фонде скважины, пробуренные по угольному пласту.
Теоретически обоснована методология расчета технологических параметров способа подземной газификации угля с физико-химической комбинацией попутной добычи метана газоносных угольных пластов.
На рис. 2 представлена схема для определения радиуса нагревания горного массива при отработке пластов методом подземной газификации угля.
График изменеиш температуры
Рис. 2. Определение радиуса нагревания горного массива при отработке пластов методом подземной газификации угля
Расчетным путем определены размеры зоны температурного воздействия очага горения газифицируемого угольного пласта на окружающий горный массив, радиус которой составляет порядка 10-15 мощностей данного пласта. Выполнено сравнение параметров сдвижения земной поверхности с использованием физико-химической геотехнологии ПГУ.
Заключение
При сравнении параметров сдвижения земной поверхности с использованием физико-химической геотехнологии ПГУ установлено различие сдвижений массива горных пород и сдвижения земной поверхности для крутонаклонных пластов угля, разрабатываемых различными технологиями. Анализ полученных результатов показывает, что максимум оседаний земной поверхности, наблюдаемый при ПГУ Южно-Абинской станции (закрытой в 1996 году) и для традиционной технологии, имеет близкие значения. Однако несколько меняется характер сдвижения подработанного массива, который проявляется в уменьшении зоны влияния выработанного пространства при ПГУ на земную поверхность, в отличие от значений горизонтальных сдвижений и деформаций. Поэтому использование апробированной для традиционных технологий методики расчета параметров сдвижений земной поверхности для ПГУ требует нормативной корректировки [11].
Представленный вариант реализации технологии «ПГУ - метан», безусловно, не является единственно возможным, что позволяет считать эту технологию достаточно универсальной и высокоадаптивной. Можно утверждать, что рассматриваемая комбинированная технология открывает новые возможности как для подземной газификации угля, так и для промышленной добычи метана из угольных месторождений [12].
Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук» проект FWEZ-2021-0001 «Создание многофункциональных систем мониторинга и прогноза газодинамических явлений, контроля напряженного состояния, разработка методов их предотвращения и оценки эффективности при подземной разработке угольных месторождений» (рег. № АААА-А21-121012290020-4).
Список литературы
1. Цикарев Д.А., Петрова Г.И., Бычев М.И. Переработка углей. Часть I. Зарубежный научный и промышленный опыт. Якутск: ЯФ Изд-во га РАН, 2005. 128 с.
2. Пономарев А. Перспективный оптимизм // Уголь Кузбасса. 2022. № 5 (090). С. 4-7.
3. Концепция инвестиционного проекта «Создание энерготехнологического кластера «Серафимовский» с глубокой переработкой угля в Кемеровской области. Электронная версия. Кемерово, 2009. 76 с. (АКО и ИУУ СО РАН).
4. Ремезов А.В., Жаров А.И. Новые технологии переработки угля // Вестник КузГТУ. 2012. № 3. С. 110-111.
5. Распоряжение Правительства Кемеровской области - Кузбасс от 14 июня 2021 года № 359-р «Об утверждении стратегии развития кластера «Комплексная переработка угля и технологических отходов в Кемеровской области - Кузбасса» до 2030 года.
6. Попов В.А. Обоснование использования систем метаноугольных скважин для добычи водорода и других попутных газов методом подземной газификации угольных пластов на предприятии ООО «Газпром добыча Кузнецк» // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2022. № 4 (130). С. 82-90. 001: 10.33285/1999-6934-2022-4(130)-82-90.
7. Распоряжение правительства РФ № 1144-р от 11.05.2022 «Об утверждении комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Разработка и внедрение комплекса технологий в областях разведки и добычи твердых полезных ископаемых, обеспечения промышленной безопасности, биоремедиации, создании новых продуктов глубокой переработки угольного сырья при последовательном снижении
экологической нагрузки на окружающую среду и рисков для жизни населения». М., 2022. 27 с. 17 прил.
8. Лазаренко С.Н., Тризно С.К., Шахматов В.Я. Технико-экономическое обоснование комбинированной технологии разработки газоносных угольных месторождений «ПГУ-метан» // Уголь. 2007. № 4. С. 68-71.
9. Лазаренко С.Н., Тризно С.К., Шахматов В.Я. Варианты реализации комбинированной технологии разработки газоносных угольных месторождений «ПГУ - метан» // Уголь. 2008. № 2. С. 27-30.
10. Способ подземной газификации свиты газоносных угольных пластов: пат. 2319838 РФ; опубл. 20.03.2008. Бюл. № 8.
11. Писаренко М.В., Борисов И.Л. Особенности характера сдвижения горных пород при подземной газификации углей и при традиционном способе отработки мощного крутопадающего угольного пласта в Кузбассе // Сб. науч. тр. X межд. науч.-практ. конф. Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности России. 16-19 сентября. Кемерово, 2008. С. 157-160.
12. Федорин В.А., Шахматов В.Я., Клишин В.И. Предложения по выбору геологических участков для подземной газификации угля и добычи метана в Кузбассе (на примере Ленинского района) // Научно-технический журнал «Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса». 2021. № 3 (121). М.: Изд. дом «Губкин», РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина. С. 79-84. DOI: 10.33285/1999-6934-2021-3(123)-79-84.
Федорин Валерий Александрович, д-р техн. наук, гл. науч. сотр., fedo-rinva@ic. sbras. ru, Россия, Кемерово, Институт угля ФИЦ УУХ СО РАН,
Клишин Владимир Иванович, чл.-корр. РАН, д-р техн. наук, проф., директор института, Klishin VI@ic. sbras. ru, Россия, Кемерово, Институт угля ФИЦ УУХ СО РАН,
Козырева Елена Николаевна, канд. техн. наук, зав. лабораторией, KozyrevaEN@ic. sbras. ru, Россия, Кемерово, Институт угля ФИЦ УУХ СО РАН
COMBINED METHOD FOR KUZBASS COAL SEAMS GASIFICATION V.A. Fedorin, V.I. Klishin, E.N. Kozyreva
The solutions for combined development technology of gas-bearing coal seams by means of above and under-ground coal gasification methods in Kusbass were worked out. The methodology of calculating technological parameters for underground coal gasification method with physical and chemical combination of accompanying production of methane out of gas-bearing coal seams was theoretically substantiated. The introduced implementation variant of «UCG-methane» method cannot be considered exclusive one so it allows considering it rather universal and highly adaptive. The studied combined technology reveals new
opportunities for both underground coal gasification and industrial production of methane out of coal deposits.
Key word: coal gasification method, methane, advanced processing, cluster.
Fedorin Valeriy Aleksandrovich, doctor of engineering sciences, chief researcher, fedorinva@,ic.sbras.ru, Russia, Kemerovo, Institute of Coal FITZ UUH SB RAS,
Klishin Vladimir Ivanovich, correspondent member for Russian Academy of Sciences, doctor of engineering sciences, professor, Director of Institute of coal, [email protected], Russia, Kemerovo, Institute of Coal FITZ UUH SB RAS,
Kozyreva Elena Nikolaevna, candidate of technical sciences, head of the Laboratory, [email protected], Russia, Kemerovo, Institute of Coal FITZ UUH SB RAS
References
1. Tsikarev D.A., Petrova G.I., Bychev M.I. Coal processing. Part I. Foreign scientific and industrial experience. Yakutsk: YAF Publishing House SB RAS, 2005. 128 p.
2. Ponomarev A. Perspective optimism // Coal of Kuzbass. 2022. No. 5 (090).pp.4-7.
3. The concept of the investment project "Creation of the Serafimovsky energy technology cluster with deep processing of coal in the Kemerovo region. The electronic version. Kemerovo, 2009. 76 p. (aKO and IUU SB RAS).
4. Remezov A.V., Zharov A.I. New technologies of coal processing // Bulletin of KuzSTU. 2012. No. 3. pp. 110-111.
5. Decree of the Government of the Kemerovo Region - Kuzbass dated June 14, 2021 No. 359-r "On approval of the strategy for the development of the cluster "Integrated processing of coal and technological waste in the Kemerovo Region - Kuzbass" until 2030.
6. Popov V.A. Substantiation of the use of methane-coal well systems for the extraction of hydrogen and other associated gases by the method of underground gasification of coal seams at the Gazprom Dobycha Kuznetsk LLC enterprise // Equipment and technologies for the oil and gas complex. 2022. No. 4 (130). pp. 82-90. DOI: 10.33285/1999-6934-2022-4(130)-82-90.
7. Decree of the Government of the Russian Federation No. 1144-r dated 05/11/2022 "On approval of the comprehensive scientific and technical program of the full innovation cycle "Development and implementation of a complex of technologies in the fields of exploration and extraction of solid minerals, industrial safety, bioremediation, creation of new products of deep processing of coal raw materials with consistent reduction of environmental impact and risks for the life of the population". M., 2022. 27 p. 17 adj.
8. Lazarenko S.N., Trizno S.K., Shakhmatov V.Ya. Feasibility study of the combined technology for the development of gas-bearing coal deposits "PGU-methane" // Coal. 2007. No. 4. pp. 68-71.
9. Lazarenko S.N., Trizno S.K., Shakhmatov V.Ya. Options for the implementation of combined technology for the development of gas-bearing coal deposits "PGU - methane" // Coal. 2008. No. 2. pp. 27-30.
10. Method of underground gasification of the formation of gas-bearing coal seams: pat. 2319838 of the Russian Federation; publ. 03/20/2008. Byul. No. 8.
11. Pisarenko M.V., Borisov I.L. Features of the nature of rock movement during underground coal gasification and with the traditional method of mining a powerful steeply falling coal seam in Kuzbass // Sb. nauch. tr. X international scientific and practical confer-
ence. Energy security of Russia. New approaches to the development of the Russian coal industry. September 16-19. Kemerovo, 2008. pp. 157-160.
12. Fedorin V.A., Shakhmatov V.Ya., Klishin V.I. Proposals for the selection of geological sites for underground coal gasification and methane production in Kuzbass (on the example of the Leninsky district) // Scientific and technical journal "Equipment and technologies for the oil and gas complex". 2021. No. 3 (121). Moscow: Gubkin Publishing House, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (NRU). pp. 79-84. DOI: 10.33285/1999-6934-2021-3(123)-79-84.
УДК 622.831:624.046.2
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОХРАННЫХ СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НРС НА ИХ НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ
Н.Н. Малышева, В.Е. Нефёдов
Работа посвящена структурному моделированию охранного сооружения с распором, который достигается посредством использования невзрывчатого расширяющегося состава. Рассмотрено влияние параметров охранного сооружения на его несущую способность по этапам его нагружения.
Ключевые слова: охранное сооружение, распор, параметры, несущая способность, факторный анализ.
В [1] была доказана необходимость использования такого охранного сооружения, которое бы быстро включалось в работу. В качестве такого охранного сооружения была предложена тумба с распором (рис. 1, а, б), который достигается посредством использования невзрывчатого расширяющегося состава (НРС).
Для того чтобы определить эффективность тумбы, был рекомендован метод компьютерного моделирования взаимодействия предложенного охранного сооружения с вмещающими породами внутри участка массива, включающего выемочную транспортную выработку.
Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем [2]. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения ее параметров и начальных условий. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в силу их возможности проводить т.н. вычислительные эксперименты, в тех случаях, когда реальные эксперименты [3] затруднены из-за финансовых или физических препятствий или могут дать непредсказуемый результат.
Перед определением модуля деформации охранного сооружения, который среди прочего является одним из исходных данных для численно-
