автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование технологических решений по рациональной отработке запасов угля при комплексном использовании энергоресурсов месторождений

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИКОМПЛЕКС-НОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОПУТСТВУЮЩИХ ДОБЫЧЕ УГЛЯ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ.

1.1. Анализ особенностей отработки запасов на глубоких горизонтах шахт.

1.2. Анализ технологий отработки запасов при комплексном освоении энергоресурсов месторождений.

1.3. Существующие способы комплексного использования энергоресурсов при добыче угля.

1.4. Цель, задачи и методы исследования выводы. .:.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Обоснование комплекса попутных добыче угля энергоносителей и возможности их комплексного использования

2.2. Методика исследования процесса накопления кондиционного метана в действующей горной выработке.

2.3. Методика исследования процессов накопления тепла в атмосфере выработок выемочного участка и его отбора для утилизации.

ВЫВОДЫ.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ОТРАБОТКИ ЗАПАСОВ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ОСВОЕНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

3.1. Особенности отработки запасов газоносных угольных пластов в изолированном пространстве, заполненном инертной метановой средой.

3.2. Моделирование процессов накопления метана и его отбора для утилизации.

3.3. Моделирование процессов накопления тепла и его отбора для утилизации в атмосфере выработок выемочного участка.

ВЫВОДЫ.

4. КОМПЛЕКС ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

4.1. Принципиальная технологическая схема отработки запасов при комплескном использовании энергоресурсов.

4.2. Методика определения параметров технологии.

4.3. Апробация технологии и экономическая эффективность.

ВЫВОДЫ.

Актуальность работы. Основными особенностями отработки глубоких горизонтов является повышенное газо- и тепловыделение и более интенсивное проявление горного давления. За период с 1950 г. по 1997 г. средняя глубина горных работ на шахтах бывшего СССР возросла более чем в 2 раза. Проблему эффективного управления горным давлением решают применением специальных типов крепей с повышенной несущей способностью. Дополнительно применяются различные методы изменения состояния вмещающих пород, поэтому повышенные газо- и тепло выделение становятся основными, осложняющими ведение горных работ, факторами. Затраты на управление газовым и нормализацию теплового режима в шахте на глубине 700 м составляют до 35 % себестоимости добычи угля и резко возрастают с дальнейшим увеличением глубины горных работ. Одновременно следует отметить, что добыче угля соответствует, например, на шахтах России выделение 2,1 млрд.м3 метана и 6,5 млрд. кВт ч тепловой энергии, Эффективное управление газо- и тепловыделением на шахтах может быть достигнуто при комплексном использовании энергоресурсов угольных месторождений, обеспечивающем повышение эффективность ведения горных работ и уровня их безопасности, что подтверждает актуальность для угольной отрасли решаемой задачи.

Целью диссертации является установление зависимостей параметров газо- и термодинамического состояния действующих изолированных выработок от горно-геологических и горнотехнических факторов для разработки технологических решений по рациональной отработке запасов угля при комплексном использовании энергоресурсов месторождений, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности отработки запасов на глубоких горизонтах шахт.

Идея диссертации заключается в том, что эффективное комплексное использование энергоресурсов угольных месторождений достигается путем применения изолированного от общешахтной атмосферы пространства, заполненном инертной средой, для отработки глубоких горизонтов шахт.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Отработка глубоких горизонтов шахт сопровождается выделением значительного количества метана и тепла, которые снижают эффективность и безопасность горных работ, в то же время являются дополнительно промышленно значимыми энергоресурсами угольных месторождений.

2. Комплексное использование энергоресурсов угольных месторождений достигается применением технологии горных работ в изолированном от общешахтной атмосферы пространстве, обеспечивающей накопление и подготовку к утилизации газа-метана и тепла.

3. Производство горных работ в изолированном от общешахтной атмосферы пространстве с накоплением в нём и подготовкой для утилизации сопутствующих добыче угля энергоносителей возможно при равномерном распределении метана и тепла во всём объёме действующих выработок выемочного участка.

4. Управление газо- и термодинамическим состоянием действующих изолированных выработок выемочного участка обеспечивается применением комплекса специальных технических и технологических средств, включающих изолирующие шлюзы и перемычки с заданной проницаемостью, а также вентиляционную сбойку с установкой в ней вентилятора для создания замкнутой струи газа в выработках участка.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- критическим анализом литературных и фондовых источников по исследоваемому вопросу;

- результатами моделирования газового и теплового режима выемочного участка на базе фундаментальных зависимостей газовой и тепловой динамики шахт;

- положительными результатами апробации разработанных технологических решений в шахтных условиях.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей выделения сопутствующих добыче угля энергоносителей в атмосферу горных выработок для разработки технологии их аккумулирования и подготовки к утилизации, обеспечивающей повышение эффективности и безопасности отработки запасов на глубоких горизонтах шахт.

Практическое значение работы заключается в разработке технологических решений по рациональной отработке запасов угля при комплексном использовании энергоресурсов угольных месторождений.

Реализация работы. Технологические решения по рациональной отработке горизонтов шахт с комплексным освоением энергоресурсов угольных месторождений, использованных при составлении программ развития горных работ на шахтах ОАО УК «Ленинскуголь».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научных симпозиумах, посвященных «Неделе горняка», МГГУ, (Москва, 1998-1999 гг.); научных семинарах кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ, (Москва 1998-1999 гг.); научно-техническом совете угольной компании «Ленинскуголь» (город Ленинск-Кузнецкий, 1999г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, изложенных на 124 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц, 18 рисунков, список литературы из 85 наименований и приложения.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1. Разработана принципиальная технологическая схема отработки запасов угля при комплексном использовании энергоресурсов, основанная на традиционном подходе к улучшению показателей разработки угольных месторождений.

2. Разработана методика определения параметров технологии, обеспечивающих эффективное создание на выемочном участке инертной газовой среды и его эксплуатацию. Осуществлена ее реализация в виде блок-схемы определения параметров технологии.

3. Разработанные технологические решения позволяют существенно повысить эффективность отработки газоносных угольных пластов на больших глубинах с использованием нетрадиционных технологий. Расчетный экономический эффект для условий шахты «Комсомолец» составил:

- за счет роста нагрузки на очистной забой - 3250060 руб.;

- за счет утилизации извлекаемого метана - 580270 руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертацией является научной квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной для угольной отрасли задачи обоснования технологических решений по рациональной отработке запасов угля при комплексном использовании энергоресурсов месторождений, обеспечивающих повышение эффективности горных работ и уровня их безопасности.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему:

1. Установлено, что при отработке глубоких горизонтов шахт повешенное выделение метана и тепла приводит к росту себестоимости добычи угля на 35% при одновременном снижении безопасности горных работ. В тоже время в пределах выемочного участка выделяется свыше 6 млн.м3 в год метана и около 3 млн. кВт- ч тепловой энергии, что представляет промышленный интерес при комплексном использовании энергоресурсов месторождений.

2. Обоснованы основные источники выделения метана и тепла при ведении горных работ на глубоких горизонтах шахт и разработаны модели формирования газового и теплового режима горных выработок, позволившие сформулировать принципы аккумулирования энергоносителей и их утилизации.

3. Обоснованы принципиальные технологические решения по аккумулированию метана и тепла в объеме действующих горных выработок, сущность которых заключается в следующем:

- основные источники выделения метана и тепла изолируются от общешахтной атмосферы перемычками и шлюзами;

- для создания равномерной концентрации метана в атмосфере изолированных выработок и нормализации теплового режима призабойного пространства лавы создается замкнутый поток газа путем установки в специальной выработке вентиляторной установки;

- отбор метана для утилизации осуществляется по критерию поддержания определенного давления в атмосфере изолированных выработок.

4. Установлены зависимости параметров газодинамического состояния действующих изолированных горных выработок от комплекса горно-геологических и горнотехнических факторов, подтверждающие принципиальную возможность накопления метана и его отбора для промышленной утилизации.

5. Обоснована принципиальная возможность накопления тепловой энергии в атмосфере действующих изолированных горных выработок и установлены зависимости параметров теплового режима выработок от горногеологических условий и показателей работы очистного забоя.

6. Обоснован комплекс технологических решений по отработке запасов угля с накоплением и подготовкой для утилизации метана и тепла и разработана методика определения параметров выемочного участка при комплексном использовании энергоресурсов месторождений.

7. Осуществлена апробация технологических решений для условий поля шахты "Комсомолец" УК "Ленинскуголь". За счет нормализации газового режима выемочного участка и утилизации метана экономический эффект составив соответственно 3250060 руб. и 580270 руб.

1. Айруни А.Т. Закономерности газоотдачи из сближенных угольных пластов при их подработке и надработке /Проблемы разработки угольных месторождений. -М., Недра, 1969., с.124-142.

2. Айруни А.Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в шахтах. -М., Наука, 1987, 310 с.

3. Айруни А.Т. Основы предварительной дегазации угольных пластов на больших глубинах. -М., «Наука», 1970.

4. Айруни А.Т. Теория и практика борьбы с рудничными газами на больших глубинах. -М., Недра, 1981, 332 с.

5. Айруни А.Т., Слепцов Е.И., Перминова И.И. Проблема метана при подземной разработке угольных пластов: Экспресс-информация // Комплексная разработка газоносных угольных пластов за рубежом. -М., изд. ЦНИЭИуголь, 1989, с.ЗО.

6. Айруни А.Т., Слепцов Е.И., Перминова И.И. Комплексная разработка газоносных угольных пластов за рубежом. ЦНИЭИуголь. -М., 1989. Вып. 19.

7. Акимов А.Г., Земисев В.Н. Сдвижение горных пород при подземной разработке угольных и сланцевых месторождений. -М., Недра, 1970, 224 с.

8. Антощенко Н.И. Влияние целиков угля на газолвыделение при отработке сближенных пластов. Уголь, 1988, № 3, С. 14-17.

9. Беспятов Г.А. Математическая модель газового давления в зоне влияния очистного забоя. Вопросы аэрологии, охраны труда и природы. Кемерово, 1985, с. 17-23.

10. Ю.Бочаров А.Н. Влияние степени разгрузки угольного пласта на его фильтрационные свойства. Безопасность труда в промышленности. 1987, № 12, с. 55-56.

11. П.Бузинов С.Н. Гидродинамические методы исследования скважин и пластов. -М., Недра, 1973.

12. Баймухаметов С.К. Разработка способов управления вентиляцией и газовыделением в шахтах для обеспечения безопасных условий интенсивной добычи угля: Дисс.доктютехн. Наук. -М., МГИ, 1990, 280 с.

13. Баймухаметов C.K. Совершенствование подготовки и отработки свиты мощных газоносных, склонных к самовозгоранию угольных пластов Карагандинского бассейна. Обзорная информация. -М., ЦНИЭИуголь, 1990, 42 с.

14. Брайчева H.A., Черняк В.П., Щербань А.Н. Методы расчета температуры вентиляционного воздуха подземных сооружений. Киев «Наукова думка», 1981.

15. Воропаев А.Ф. Управление тепловым режимом в глубоких шахтах. -М., Госгортехиздат, 1961.

16. Воропаев А.Ф. Тепловое кондиционирование рудничного воздуха в глубоких шахтах. -М., «Недра», 1979.

17. Воропаев А.Ф. Теория теплообмена рудничного воздуха и горных пород в глубоких шахтах. -М., «Недра», 1966.

18. Гайдук JI.A. Определение коэффициента газопроницаемости вмещающих пород при нисходящем порядке отработки пологих угольных пластов. Физико-технические проблемы разработки и обогащения твердых полезных ископаемых. -М., ИПКОН АН СССР, 1986.

19. Глузберг Е.И., Гращенков Н.Ф., Шалаев B.C. комплексная профилактика газаовой и пожарной опасности в угольных шахтах. М., Недра, 1988, с. 183.

20. Глузберг Е.И. Теоретические основы прогноза профилактики шахтных эндогенных пожаров. -М., «Недра», 1986.

21. Греков С.П., Калюсский А.Е. Газодинамика инертных сред и разгазирование горных выработок при авариях. М., Недра, 1975, 120 с.

22. Гуревич Ю.С., егоров А.Г. Утилизация шахтного метана при заблаговременной подготовке шахтных полей. -М., МГИ, 1988. 65 с.

23. Глушко В.Т. Проявление горного давления в глубоких шахтах.

24. Дегазация выработанных пространств. Айруни А.Т., Духовных Е.И., Даев Ю.В., и др. ЦНИЭИуголь, 1976, 57 с.

25. Дополнение к «Руководству по проектированию угольных шахт», -М., Недра, 1981, 77 с.

26. Ельчанинов Е.А. Проблемы управления термодинамическими процессами в зоне влияния горных работ. -М., «Наука», 1989.

27. Итоги рабочего совещания по вопросу извлечения и комплексного использования метана, содержащегося в угольных пластах. Катовице, Польша. 16-21 марта 1992.

28. Каменев С.Г., Преображенская Е.И., Садчиков В.А. и др. Управление газовыделением на угольных шахтах. -М., Недра, 1980, 222 с.

29. Комплексная дегазация высокопроизводительных выемочных участков. Обзор/ЦНИЭИуголь. -М., 1986. Вып. 3, 61 с.

30. Кизряков А.Д. Остаточная метаноносность надработаннных пологих угольных пластов. Сборник ИГД АН СССР, № 198, 1981, с. 25-27.

31. Клебанов Ф.С. Об управлении газовыделением из выработанного пространства. Уголь, 1957, № 10, с. 31-35.

32. Колмаков В.А. Метановыделение и борьба с ним в шахтах. -М., Недра, 1981, 134 с.

33. Кузнецов С.В., Кригман Р.Н. Природная проницаемость угольных пластов и методы её определения. -М., Наука, 1978, 122 с.

34. Лидин Т.Д., Айруни А.Т., и др. Исследование закономерностей дегазации разрабатываемых, подрабатываемых и надрабатываемых угольных пластов. -М., ИФЗ, АН СССР, 1969, 84 с.

35. Лыков A.B. Теория теплопроводности. Высшая школа. 1967, 599 с.

36. Маевская В.М., Поликарпов А.Г. и др. Принципы моделирования движения метановоздушной смеси в выработанном пространстве. Способы и средства предупреждения самовозгорания угля в шахтах. Кемерово, ВостНИИ, 1988, с. 81-87.

37. Мартыненко О.Г., Соковишин Ю.А. Свободно конвективный теплообмен. Справочник. Минск. Наука и техника, 1982, 163 с.

38. Матвиенко Н.Г. Борьба с метаном в очистных забоях. -М., Углетехиздат, 1958, 34 с.

39. Методика определения газообильности выработок, проводимых в присечку к выработанному пространству. Карагандинское отделение ВостНИИ, 1990, 32 с.

40. Методика определения концентрации метана в непроветриваемых тупиковых выработках шахт Карагандинского бассейна. Штаб ВГСЧ Карагандинского бассейна, 1981, 25 с.

41. Морев A.M., Евсеев И.И. Дегазация сближенных пластов. -М., Недра, 1975, 168 с.

42. Мясников A.A. Метанообильность горнных выработок в зависимости от интенсивности и порядка отработки выемочных полей. -М., 1960, 66 с.

43. Мясников A.A., Рябченко A.C., Садчиков В.А. Управление газовыделением при разработке угольных пластов. -М., Недра, 1987, 216 с.

44. Носик М.И. Исследование и разработка методов предупреждения метановой опасности в подготовительных выработках угольных шахт. Автореферат диссертации канд. техн. наук, Кемерово, 1983, 24 с.

45. Нефедов П.П. Красюк H.H. Интенсивное комплексное освоение газоносных угольных месторождений, Караганда, 1996, 245 с.

46. Осипов С.Н. Управление метановыделением при различных скоростях подвигания очистного забоя. -М., Госгортехиздат, 1960, 95 с.

47. Петросян А.Э. Выделение метана в угольных шахтах. -М., Недра, 1975, 187 с.

48. Подпальный В.Н. и др. Распределение метана в непроветриваемых тупиковых выработках. Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. 1968, № 10, с.24-26.

49. Прокофьев В.П., Кауфман JI.JI. О метановыделении в шахтные выработки в зависимости от очередности разработки пластов в свите. Разработка месторождений полезных ископаемых. 1970, № 18, с. 25-27.

50. Проблема разработки метаноносных пластов в Кузнецком угольном бассейне./ Ю.Н.Малышев, Ю.Л.Худин, М.П.Васильчук и др. -М.; Изд. АГН, 1997, 463 с.

51. Проявкин Е.Т., Кащуба B.C. Основные параметры инертной атмосферы в лавах. Технология добычи подземным способом. 1973, с. 97-102.

52. Пучков Л.А., Бурчаков A.C., Красюк H.H. Угольная шахта закрытого типа с безлюдной технологией горных работ в изолированной инертной газовой среде. Проспект ВДНХ СССР. -М., 1990.

53. Пучков Л.А. Красюк H.H., Косьминов Е.А., Ксенафонтов С.И., Коликов К.С., Казаков В.Б. Технология отработки газообильных участков шахтных полей с добычей и утилизацией метана. Учебное пособие. Часть 1, -М., 1995, 87 с.

54. Резник Л.Г., Турилин С.АК. Исследования метановыделения при посадках основной кровли. Совершенствование технологии очистных работ на шахтах Донбасса. Донецк, ДонУГИ, 1983, с. 181-186.

55. Рудаков Б.Е., Забурдяев B.C. Выбор рациональной технологии выемки угля в газообильных шахтах. Обзор-информация, -М., 1985.

56. Руководство по дегазации угольных шахт. -М., Недра, 1975, 190 с.

57. Стариков A.B. Комплексное освоение угольных месторождений. М.;Наука, 1990,- 184 с.

58. Справочник по рудничной вентиляции. Под ред. Ушакова К.З. -М., Недра, 1988,440 с.

59. Садчиков В.А., Талапкеров А.Ш., Преображенская Е.И. Дегазация на шахтах Карагандинского угольного бассейна. Безопасность труда в промышленности. 1980, № 3, с.5-6.

60. Тарасов Б.Г. Прогноз газообильности выработок и дегазации шахт. -М., Недра, 1973, 208 с.

61. Тарасов Б.Г., Колмаков В.А. Газовый барьер угольных шахт. -М., Недра, 1978, 200 с.

62. Угольная шахта будущего (варианты закрытой разработки).

63. Материалы к технико-экономическому докладу. -М., МГИ, 1968, 76 с.

64. Управление газовыделением на угольных шахтах. Калиев С.Г., Преображенская Е.И. и др. -М., Недра, 1970, 221 с.

65. Устинов A.M., Калиев С.Г. Влияние режима проветривания участка на распределение концентрации метана в выработанном пространстве. Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. 1971, № 10, с. 10-12.

66. Устинов A.M., Калякин Г.В. и др. Динамика газонакопления в изолированном пространстве очистного забоя. Караганда, ВНИИГД, 1985, 4 с. Деп. В ЦНИЭИУголь 24.09.85, № 3491-уп.

67. Тепловой режим глубоких угольных шахт и металлических рудников. Материалы Международного симпозиума. Киев «Наукова думка», 1977.

68. Хилько В.В. Изменение газопроницаемости призабойной части пластов при под и надработке. Геомеханика напряженного газонасыщенного массива. Киев, «Наукова думка», с.65-71.

69. Хохлов И.В. Сдвижение и проницаемость подработанной толщи горных пород. Научные сообщения ИГД АН СССР, № 235, 1985, с. 32-38.

70. Христианович С.А. Об измерении давления газа в угольном пласте. ФТПРПИ, № 3, 1988, с. 3-24.

71. Шахта закрытого типа с безлюдной технологией горных работ в изолированной инертной газовой среде. Концепция создания высокопроизводительной, экологически чистой, автоматизированной угольной шахты глубокого заложения. -М., МГИ, 1989, 30 с.

72. Шевченко Л.А. Газовыделение в очистные выработки при разработке мощных пластов слоями с обрушением. Уголь, 1988, № 1, с. 16-19.

73. Шевченко Л.А. Определение газопроницаемости пласта по газовыделению в скважину. Известия ВУЗов, Горный журнал, 1986, № 10, с.43-46.

74. Щербань А.Н. Кремнев О.А. Научные основы расчета и регулирования теплового режима глубоких шахт. Издательство Академии наук УССР, Киев, 1960.

75. Черняк И.Л. Управление горным давлением в подготовительных выработках глубоких шахт. -М., Недра, 1984, 304 с.

76. Черняк И.Л. Технология и механизация подземной добычи угля. -М., недра, 1981.