CC BY
141
УДК 622.817.47:662.767.1 А.В. Ремезов, С.И. Хлудов ОПЫТ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАПТИРОВАННОГО ГАЗА МЕТАНА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Из истории развития каптирования газа метана из горных выработок дегазационными системами известно, что в Кузбассе этот способ снижения газообильности горных выработок применяется с 1951 года. Впервые дегазация горных работ была применена на шахте «Северная» и «Коксовая». Отработанный положительный опыт дегазации на данных шахтах позволил расширить область его применения на других шахтах Кузбасса.
Динамика развития дегазации на шахтах Кузбасса отражена в табл.1.
На 01.10.2005г. дегазацию осуществляли всего 17 шахт Кузбасса из находящихся в работе.
изолированный отвод газовоздушной смеси с содержанием газа метана из шахт дегазационными системами достиг максимального уровня и в 1988 г. составлял 553,6 м3/мин при средней эффективности дегазации 43%. По эффективности удаления метана из одной шахты (55.5%) средствами дегазации шахты Воркутинского месторождения занимали первое место в стране на территории СНГ и одно из ведущих мест в мировой практике. Этот показатель в 2,5 раза выше, чем на шахтах Донецкого, в 10 - Кузнецкого, в 5 - Карагандинского бассейнов.
Применяемая в ОАО «Воркутауголь» система _________________________________Таблица 1
Показатели Изменение по годам
1951 1960 1980 1990 1995
Количество шахт с дегазацией 2 4 34 48 26
Способы дегазации 1 2 3 3 3
Разрабатываемый пласт, % 100 50 43 22 18
Пласты-спутники и выработанное пространство - - 43 50 52
Комбинированный, % - 50 14 28 30
Количество каптируемого метана, тыс. м3 680 2400 89910 216000 163860
На шахтах Ленинского рудника, когда в 5060-е годы горные работы велись на незначительной глубине, при дегазации с использованием скважин, пробуренных с поверхности, эффективность дегазации по отдельным лавам составила до 62% .
Для обеспечения безопасной работы по добыче угля и повышения нагрузки на очистной забой дегазацию позднее стали применять и на других угольных месторождениях России.
Применение дегазации в Воркутинском угольном районе началось в 1956 г. За этот период
дегазации, согласно табл. 2, весьма эффективна для высокопроизводительной работы очистных забоев в условиях высокой газообильности разрабатываемых угольных пластов, позволяет получить при этом метановоздушную смесь (МВС) с высоким содержанием метана, что является главным условием его успешного использования.
Выдаваемая из горных выработок газовоздушная смесь при использовании дегазации нашла впервые практическое применение в качестве топлива для котлов в 1975 г. на шахте «Воркутин-ская» объединения «Воркутауголь».
Таблица 2
Шахта Сред-несу-точная добы-ча угля Средняя абсолютная газообильность шахты с /учетом каптируемого метана Среднегодовой расход метана, каптируемого дегазационными установками Средняя по шахте эффективность дегазации, % Категория шахты
м3/мин млн. м3/год м3/мин млн. м3/год
Северная 6117 172 90,4 95 49,9 55 Опасная по внезапным выбросам
Воркутинская 3514 152 79,9 79 4105 52
Комсомольская 5617 135,5 71,2 57 30,0 42
Заполярная 4112 119,4 62,8 22 11,6 18,4
Аяч-Яга 2287 81 42,6 25,8 13,6 32 Сверх- категорная
Октябрьская 5471 47 24,7 - - - III
Газовоздушная смесь по своему составу неоднородна. Объем газа метана в ней может изменяться по времени от 75-80 до 20%, а иногда ниже 10% . Плотность выдаваемой из шахты газовоздушной смеси в пределах эксплуатационной концентрации (30%) составляет 0,82-1,11 кг/м3. газовоздушная смесь фактически легче атмосферного воздуха, но тяжелее метана. Температура газовоздушной смеси на выходе из дегазационной установки (станции) - в пределах 30-50°С.
Использование газовоздушной смеси в качестве топлива для котлов допускается, когда объемная доля газа метана в ней составляет не менее 30%.
В 1975 году на шахте «Воркутинская» на сжигание газовоздушной смеси, выдаваемой средствами дегазации из горных выработок, были переведены четыре котла ДКВР-65/13.
В период 1975-1980гг. в соответствии с разработанным проектом института ПечорНИИпроект при переводе на сжигание газовоздушной смеси было переведено на различных шахтах ПО «Воркутауголь» девять котлов различного типа: СО-2, КЕ-10/14, ДКВР. Затраты на перевод котла с угольного топлива на газовоздушную смесь окупались в течение 4-6 месяцев.
Но, учитывая, что состав и концентрация газа метана в дегазируемой газовоздушной смеси очень неоднородны и не постоянны во времени, рекомендуется в резерве оставлять минимум один котел в котельной, работающий на угле или на другом топливе, например на мазуте.
Расширяя возможности использования дегазируемой газовоздушной смеси для генерации тепловой энергии, впервые для генерации тепловой энергии в угольной промышленности в 1982 г. осуществили перевод на сжигание газовоздушной смеси в топках сушильной установки на обогатительной фабрике шахты «Северная» с годовым объемом сушки угольных продуктов в объеме 700 тыс. т угля. А в марте 1984 г. перевели на сжигание газовоздушной смеси вторую сушильную установку. Ежегодно за счет этого экономится в пределах 2200 тонн продуктов углеобогащения.
Следующим прогрессивным решением было решение о создании установки для нагрева подаваемого в шахту воздуха. Таким же образом также впервые в угольной отрасли в 1990 г. по проекту института «Донецкуглеавтоматика» был построен автономный газовый воздухонагреватель (АГВ), работающий на сжигании метановоздушной смеси, выдаваемой из горных выработок шахты средствами дегазации. Эксплуатация АГВ в течение более 10 лет показала его надежность и экономичность. За время работы было выработано свыше 3 млн. Гкал тепловой энергии для подогрева воздуха, подаваемого в шахту.
В настоящее время газовоздушная смесь сжигается в четырех котельных на 12 паровых котлах, где совместно с сушильной установкой и АГВ в
2000 году было использовано более 32 млн. м3 метана, что соответствует 38,3 тыс. тонн угольного топлива. При этом концентрация метана в газовоздушной смеси составила от 25 до 52%.
Общая мощность источников тепловой энергии, использующих газовоздушную смесь в качестве топлива, в настоящее время составляет 110 Гкал/год (128 МВт), а установки «Катапил-лар» для выработки электроэнергии - 1 МВт.
Внедрение вышеперечисленных технологий сжигания метановоздушной смеси, выданной из горных выработок шахт средствами дегазации, сдерживается несколькими факторами. Одним из основных является отсутствие нормативных документов на использование дегазационного газа метана из шахт для получения тепловой и электрической энергии.
Попытки использования дегазируемой из горных выработок метановоздушной смеси производилось и на шахтах Кузбасса.
Совместно с сотрудниками МГГУ впервые на Ленинском руднике в 90-х годах на шахте «Комсомолец» были испытаны две газогенераторные установки мощностью по 45 кВт для выработки электроэнергии. Затем примерно в период 19982003 гг. на шахте «Чертинская» работала газогенераторная установка «Катапиллар» мощностью 1 МВт. В связи с недостаточными объемами каптируемого газа метана эксплуатация установки была прекращена.
В 2003-2005 гг. на каптируемом газе метане извлекаемого из горных выработок закрытого второго района шахты «Кольчугинская» в работе находилось две установки «Катапилар» мощностью по 1 МВт. Но в связи с истощением концентрации газа метана ниже допустимых величин эксплуатацию газогенераторных установок были вынуждены прекратить. Вырабатываемая электроэнергия газогенераторными установками использовалась для снабжения электроэнергией нескольких улиц частного сектора.
Необходимо отметить, что затраты на содержание газогенераторных установок и зарплату обслуживающего персонала превышали оплату поставляемой населению электроэнергии.
После прекращения необходимого финансирования со стороны ГУРШ дальнейшую эксплуатацию газогенераторных установок вынуждены были прекратить и по этой причине.
В заключение необходимо отметить, что для дальнейшего проведения работ по наработке опыта использования каптируемого газа метана, как в топках котлов, так и в газогенераторных установках при выгодных условиях, необходимо на уровне региональных и государственных структур принять ряд законов, которые бы стимулировали использование каптируемого из горных выработок газа метана для выработки тепловой и электрической энергии предприятиями осуществляющими данный бизнес.
□ Авторы статьи:
Хлудов Станислав Иванович
- соискатель каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом
Ремезов
Анатолий Владимирович
- докт.техн.наук, проф. каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом
УДК 622.831.245:622.281.74 С.И. Хлудов, А.В. Ремезов, В.Г. Климов СОСТОЯНИЕ ДЕГАЗАЦИИ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ КУЗБАССА
Эксперименты по дегазации угольных пластов при их отработке были проведены в Кузбассе в 1951 г. на шахте «Северная» и «Коксовая-2». Затем эта технология в результате значительного положительного эффекта постепенно начала внедряться и на других угольных шахтах Кузбасса.
В 1960 г. дегазация применялась уже на четырех шахтах, в 1980 г. - на 34, в 1990 г. - на 48 шахтах. Но, начиная с 1990 г, происходит резкое снижение количества шахт, работающих с дегазацией. Их количество составило всего 26 шахт.
На графиках (рис. 1) отражено количество шахт, работающих за период с 1951 по 1995 гг. с применением дегазации и количество каптируемого ими метана.
По состоянию на конец 2005 года на шахтах Кузбасса получили распространение три схемы дегазации:
1) ограждающая дегазация при проведении подготовительных выработок;
2) пластовая дегазация, основанная на отсосе газа метана из оконтуренного блока или выемочного столба перед началом ведения очистных работ;
3) дегазация выработанного пространства, в
основе которой заложен отсос метановоздушной смеси через скважины, пробуренные с земной поверхности или, в основном, с параллельной выработки.
Дегазация при проведении подготовительных выработок, передовая (ограждающая) применяется на пластах газообильность которых превышает 3 м3/мин, а в отдельных случаях и при меньшей газообильности.
Бурение передовых (ограждающих) скважин производится под углом 3-5° к оси выработки. Диаметр скважин - 76 мм и длина - 50-60 м. такая дегазация производится при проведении подготовительных выработок на шахтах «Чертинская», «Алардинская», «Томская», им. В.И. Ленина, «Кушеяковская». Передовая (ограждающая) дегазация проводится в 12-15 передовых забоях из примерно 180 действующих.
Пластовая (заблаговременная) дегазация, как правило, применяется путем бурения скважин по пласту угля параллельно линии забоя на восстание на всю ширину выемочного столба, не добуривая 15-20 м до противоположного штрека. Расчетное время предварительной дегазации выемочного столба до начала работы очистного забоя состав-
со
*
о
т
к
о
ф
Т
5
с;
о
ю
*
6
2
со
ф
5
X
(О
Э
£
О
ф
Т
5
с;
о
1951г.
1960г. 1980г. 1990г.
1995г.
2005г.
Количество каптируемого метана
Количество шахт
Рис. 1. Количество шахт, работающих с дегазацией, и количество каптируемого ими метана
ляет, как правило, до 6 месяцев. При определенных условиях это время можно сократить до 3-4 месяцев.
В настоящее время пластовая дегазация применяется на шахтах: им. С.М. Кирова, «Чертин-ская», «Алардинская», «Абашевская», «Распадская», «Шахта-12», «Томская», «Юбилейная».
Предварительная дегазация проводится на 13 выемочных участках.
В Кузбассе в настоящее время дегазация применяется на 17 действующих шахтах из 68.
В настоящее время на газовых шахтах Кузбасса применяются два способа дегазации выработанного пространства:
1. Дегазация выработанного пространства с использованием скважин, пробуренных в купол обрушения с земной поверхности и отсосом газовоздушной смеси с 60-80% содержанием газа метана при помощи передвижения вакуумных установок.
Несмотря на вроде бы высокую эффективность этого способа, количество очистных забоев, работающих с его применением, уменьшается. Это связано, прежде всего, с ограниченным сроком работы данных скважин, а также с их дороговизной.
Поэтому данный способ применяется в настоящее время всего при работе 5 очистных забоев на пяти шахтах.
2. Дегазация выработанного пространства с использованием скважин, пробуренных с конвейерного штрека отрабатываемого очистного забоя или с параллельно уже пройденного вентиляционного штрека следующего выемочного столба. Скважины бурятся кустами впереди забоя с последующим их попаданием в отработанное пространство. Если имеются сближенные подрабаты-
□ Авторы статьи:
Хлудов Станислав Иванович
- соискатель каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом
ваемые пласты, то одна из скважин пересекает подрабатываемый пласт. Такой способ дегазации выработанного пространства очистного забоя пока применяется всего на двух шахтах: им. С.М. Кирова и «Комсомолец».
Анализируя настоящее состояние развития дегазации на шахтах Кузбасса, необходимо отметить, что с увеличением глубины горных работ растет насыщенность угольных пластов метаном, который является основным сдерживающим фактором роста нагрузки на очистной забой, но количество шахт, очистных забоев, работающих с дегазацией, постоянно сокращается.
Снижение числа шахт, работающих с дегазацией: обусловлено следующими причинами.
1. Непонимание не только новыми собственниками, но и нанятым управленческим персоналом значимости проблемы дегазации угольных пластов в обеспечении безопасности ведения горных работ, повышения нагрузки на очистной забой, повышения производительности труда и, в конечном счете, рентабельности производства.
2. Отсутствие мобильного самоходного бурового оборудования для бурения дегазационных скважин при подземной дегазации угольных пластов и отработанного пространства.
3. Зачастую недостаточное сечение горных выработок, оконтуривающих выемочный столб, что не позволяет в них одновременно производить не только работы по бурению дегазационных скважин, но и другие работы по доставке оборудования или одновременной работе конвейерного транспорта и т.д.
4. Отсутствие в угольной промышленности закона о предварительном снижении природной газообильности угольных пластов до 5-8 м3/мин перед началом горных работ по добыче угля.
Ремезов
Анатолий Владимирович - докт.техн.наук, проф.каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом
Климов
Владимир Григорьевич
- соискатель каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом
УДК 004.891:504.06
Ю.А.Степанов, Т.В.Корчагина
ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И ВЫРАБОТКИ ПРИРОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ
В соответствии со стратегией развития угольной промышленности России предусматривается превращение ее в устойчиво функционирующую и рентабельную отрасль за счет создания конкурентоспособных предприятий, освоения месторождений с благоприятными горно-геологическими условиями, внедрения новых технологий, комплексной экологически чистой переработкой угля, а также прогнозирования и управления качеством
окружающей среды при производственных выбросах.
Важной составной частью общей стратегии развития отрасли является обеспечение экологической безопасности производства и благоприятных жизненных условий для населения угольных регионов. Именно предприятия горнодобывающей и перерабатывающей отраслей оказывают наибольшую техногенную нагрузку на компонен-
Рис.1. Окно программы для оценки состояния экосистемы
ты окружающей среды, проявляющуюся в загрязнении атмосферного воздуха, почв и приповерхностных отложений, поверхностных и подземных вод, и, как следствие этого, приводящую к повышению уровня заболеваемости населения.
Современное общество все в большей степени сталкивается с проблемой обеспечения безопасности человека и природной среды от воздействия неблагоприятных техногенных факторов. В связи с этим исследование процессов взаимодействия и количественная оценка воздействия техногенных массивов угледобывающих предприятий на окружающую среду является одной из актуальных проблем.
Использование новых информационных технологий, в частности экспертных систем, позволяет увеличить быстродействие и достоверность оценки экономического ущерба от загрязнения окружающей среды.
Специалистами по проблемам экологии на угольных предприятиях совместно с преподавателями кафедры прикладной информатики разработана программа, с помощью которой можно:
- ознакомиться со схемой влияния техногенного массива угледобывающих предприятий на компоненты окружающей среды и человека,
- выполнить расчеты и провести количественный анализ степени загрязнения окружающей среды вызванного техногенезом,
- познакомиться с комплексом мероприятий, направленных на предотвращение загрязнения природной среды и восстановление ландшафта в зонах складирования отходов горнодобывающей и горноперерабатывающей промышленности.
Программный комплекс экологического анализа как элемент экспертной системы включат механизм формирования базы знаний, позволяющий анализировать новые экологические ситуации на основе любых из существующих. Применение элементов экспертных систем дает возможность наращивать базу знаний экспертами при помощи удобного графического интерфейса.
Рассматриваемый процесс взаимодействия техногенного массива с компонентами окружающей среды состоит из трех частей (рис. 1).
Первая часть представляет собой перечень исследуемых компонентов окружающей среды, на которые наибольшим образом оказывает влияние техногенный массив угледобывающих предприятий.
С помощью второй части программного комплекса можно выполнить количественную оценку степени воздействия техногенеза на различные компоненты окружающей среды. Все объекты в этой части схемы интерактивны. Щелчок мыши по какому-либо объекту второй части схемы запускает соответствующий расчетный модуль программного комплекса. Использование различных модулей позволяет провести расчеты для определения некоторых показателей влияния техногенного массива на окружающую среду. Этими показателями могут быть объемы выбросов вредных веществ в атмосферу, площади изъятия и нарушения прилегающих к техногенным массивам земель, объемы сточных и подземных вод, критерии эффективности использования ресурсов и т. п. Так, к примеру, на рис. 2 показан вид рабочего окна для количественной оценки выбросов загрязняю-
28
Ю.А.Степанов, Т.В.Корчагина
Породные отвалы
Расчет выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от породных отвалов
Общие параметры | Выбросы твердых частиц | Выбросы при работе бульдозеров Горящие отвалы шахт | горящие отвалы разрезов
Кг =1 - Для действующих отвалов Кг =0,5 ■ В первый год после пекращенияэксплуатации Кг =0,3 ■ Во второй год после прекращения эксплуатации Кг =0,1 ■ В третий и последующие годы после прекращиеняэксплуатации Т г ■ продолжительность горения отвала в течении последнего года до полного его тушения. Для действующих отвалов = 365.
Количество горящих отвалов [Ї
ОК
Кол-во породы, т/год Угля в породе, % Углерода в угле,% Серы в угле, % Водорода в угле,% Азота в угле,% Кг Тг
I 45000 10 59,5 0,5 4 1,5 1 365
Оксид угллерода (М СО]
317,044 т/год
Диоксид серы (М 502]
3703 т/год
Серовдород (М Н25)
7,891 т/год
Оксиды азота (М N0x1 0,007 т/год
Общее количество загрязняющих веществ 328,646 т/год
Рис. 2. Окно расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу
Комплекс мероприятий по охране природных ВОД
Комплекс мероприятий по охране природных вод
Природоохранного характера [ Восстановительного характера
1) Рациональное использование, очистка и возврат вод в поверхностные водоемы и водотоки, подземные горизонты
очистка дренажных и сточных вод горного
производства . механические методы очистки
(процеживание, отстаивание, фильтрование); организация оборотного водоснабжение" физико-химические методы
(флотация, адсорбция, ионообмен, дистилляция, обратный осмос, ультрафильтрация контроль состояния, режима и качества Кристализация, десорбция.);
подземных и поверхностных вод . химические методы
(нейтрализация, коагулирование, окисление, восстановление, флокулирование); снижение водоемкости горного произво,_ электрохимические (электролиз);
- биологические.
Рис. 3. Вид окна мероприятий восстановительного характера по охране природных вод
щих веществ в атмосферу от породных отвалов.
Третья часть представляет собой перечень мероприятий по предотвращению или уменьшению степени влияния техногенеза на окружающую среду и человека. Эта часть, также является интерактивной, но в свою очередь имеет информативный характер. После выполнения расчетов и получения количественных показателей, исследуемых компонентов, пользователь имеет возможность ознакомиться с основными мероприятиями, необходимыми для снижения вредного влияния техногенеза на окружающую среду. В зависимости от количества и объема загрязняющих веществ экспертная система генерирует и выводит на экран перечень восстановительных или природоохранных мероприятий. Например, на рис. 3
показан перечень мероприятий восстановительного характера по охране природных вод.
Таким образом, предлагаемая экспертная система для проведения количественной оценки воздействия техногенеза на окружающую среду позволяет сделать обоснование для выполнения комплекса мероприятий и рекомендаций по оздоровлению и рекультивации территорий, находящихся в зоне размещения техногенных массивов. Это позволяет предотвратить или снизить негативное влияние исследуемых факторов на объекты экологической защиты, оптимизировать затраты на очистку загрязненных вод, а также на эффективную реализацию природоохранных мероприятий в целом.
□ Авторы статьи:
Степанов Юрий Александрович
- канд.техн.наук, доц. каф. информационных технологий СибГИУ (г. Новокузнецк)
Корчагина Татьяна Викторовна
- декан экономического факультета филиала КузГТУ ( г. Прокопьевск)
