XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Горнодобывающая промышленность является одной из наиболее загрязняющих воздушный бассейн отраслей. Так, например, в 1999 году предприятиями угольной промышленности было выброшено в атмосферу 620,8 тыс. т вредных веществ, в том числе 443,5 тыс. т метана, а в 2004 г. объем выброшенного в атмосферу метана возрос до 660,7 тыс. т., и по существующим прогнозам количество выбрасываемого шахтного газа в мире увеличится до 1 млн. т. к 2020 г., в основном, за счет роста угольной добычи в Китае [1,2].

Международное внимание к проблемам изменения климата усилили интерес к проблеме утилизации рудничных газов и в настоящее время в мире существуют несколько коммерчески испытанных технологий, которые работают на шахтном и вентиляционном газах. В европейских странах такие газы, как конверторный, коксовый, ферросплавный, шахтный метан и газ мусорных свалок давно стали обычным топливом, на котором уже десятками лет вырабатываются электроэнергия, пар и горячая вода, что делает актуальным разработку способов и систем в этой области [3].

Шахтный газ является значительным, но практически неосвоенным ресурсом с основными запасами, находящимися в примерно десятке стран. Китай. Россия, Польша и США являются крупнейшими «загрязнителями» атмосферы, совместно отвечая за три четверти от всего мирового выброса шахтного газа.

До середины 1970-х годов общепринятым способом борьбы с метаном было проветривание горных выработок с помощью больших объемов воздуха. Однако с развитием подземного способа добычи и разработкой более метаноносных угольных пластов использование одной лишь системы вентиляции стало недостаточным. Введение заблаговременной дегазации посредством бурения дегазационных скважин и вакуумного отсасывания позволило снизить нагрузку на системы вентиляции и дополнительно повлекло за собой увеличение производительности угольных шахт. Однако технологии дегазации являются чрезвычайно затратными и не исключают огромных эксплуатационных затрат на вентиляцию, что повышает себестоимость добычи угля на порядок [3,4].

В 1813 году Деви из своих анализов газов из разных буровых скважин и трещин (таб.1) заключил, что рудничный газ есть смесь метана с небольшим количеством азота и углекислого газа, и он качественно тождествен по составу с газом, выделяющимся из болот [5].

Таблица 1 – Составы сопутствующих газов

Источник происхождения	CH4	CO2	N2	O2	Примечания
Копь Dunraven, газ из soufflard	96,70	0,47	2,79	0,0	Анализ Дж. В. Томаса
Копь Dombran (из soufflard)	95,11	0,48	4,07	0,34	Анализ австр. ком. о Р. газе
Копь Hruschau (из soufflard)	79,16	3,19	17,04	0,61	Анализ австр. ком. о Р. газе
Копь Liebe Gottes (бур. скваж.)	77,69	3,77	18,49	0,66	Анализ Зауэра
Копи Рыковского, шахта № 10	51,96	0,29	39,66	8,99	Анализ проф. Курнакова; копи Донецкого бассейна; вероятно, при сборе газа попал в трубки атмосферный воздух, чем и можно объяснить сравнительно большое содержание кислорода
Оттуда же; собрано после взрыва	61,08	0,57	34,54	3,81
Копи Иловайского, капитальная шахта	64,91	1,04	30,45	3,60

Осознавая потенциал шахтного метана, все больше компаний продают его для различных индустриальных нужд, или производят тепло и электроэнергию для собственных нужд. В том случае, когда концентрация каптируемого шахтного газа близка к 100%, поставки его для промышленного использования (продажа в газопровод) являются наиболее привлекательным способом использования метана. Однако помимо высокой концентрации газ должен удовлетворять другим жестким требованиям, таким как отсутствие примесей, воды и пыли. Как правило, такой газ добывается из скважин заблаговременной дегазации или путем бурения в необрабатываемые пласты, где не происходит смешения шахтного газа и вентиляционного газа [3].

В настоящее время шахтный газ продается в газопровод только в немногих странах. В США, например, где цена на природный газ высока, около 1,3 млрд. куб. м шахтного метана ежегодно поставляется в газопровод. В Европе шахтный газ используется в газопроводе в Великобритании и Чехии. Однако в большинстве стран основными препятствиями подобному использованию являются недостаточная концентрация каптируемого шахтного газа, недоступность газопровода в непосредственной близости от шахты и/или низкая цена на природный газ. В этом случае, в отличие от использования в газопроводе, производство электричества из шахтного газа не требует очень высоких концентраций. Как правило, шахтный газ может использоваться в газовых двигателях или турбинах при содержании метана свыше 25% и при проведении предварительной очистки и сушки [3,5].

На сегодняшний день в мире существует ряд проектов, где шахтный метан используется для производства электричества. Наибольшим опытом ведения подобных проектов (свыше десяти лет) обладают Австралия, Германия, Япония, Великобритания и США. За последние два года утилизация шахтного газа стала все больше применяться на шахтах в развивающихся странах, таких как Китай, Польша, Россия и Украина. Согласно данным за 2005 г., в мире существует около пяти десятков электростанций, работающих на шахтном газе, суммарной мощностью свыше 300 МВт. Индивидуальная производственная мощность таких электростанций может сильно различаться, начиная от мини-электростанций в 150 кВт до самой крупной станции в 94 МВт.

Происхождение рудничного газа отождествляют с образованием метана при разложении растительных веществ без доступа воздуха в болотах. Исследования Линдсей-Вуда (1879—1881) показали, что он содержится в порах угля и окружающих его горных пород, и находится под значительным давлением, которое возрастает как с плотностью угля, так и с глубиной скважины. Возрастание давления с глубиной скважины подчинено известной закономерности, давшей возможность Малляру находить величины, очень близкие с непосредственно наблюдаемым. При этом количество газа, приходящегося на единицу веса угля, находится из сопоставления количеств выделившегося в руднике газа с весом добытого за то же время угля. Этим путем найдено, что на 1 тонну угля в различных рудниках Германии, Англии и Бельгии приходится от 10 до 67 куб. м газа. Количество газа в угле, доставленном на дневную поверхность, для разных углей Валлиса колеблется от 0,55 до 3,75 куб. м на тонну, а для антрацита достигает 18,75 куб. м. [6].

Как свидетельствует статистика крупных пожаров и взрывов на угольных шахтах [1,2,9], а также результаты проведенных исследований [3,4,7], все существующие методы и средства их пожаровзрывозащиты [2,10], включая предлагаемые инновации в этой области [11-15], не решают проблемы безопасной работы горняков, в т.ч. эффективной охраны их здоровья [16], из-за отсутствия системного подхода.

Угольные шахты, как правило, расположены вдали от газопроводов, в связи с чем, наиболее эффективным способом реализации рудничных газов, помимо использования для внутренних нужд, является их сжижение и отправка существующими транспортными средствами СПГ.

И здесь целесообразно использование новых технических решений, направленных на сжижение попутных газов в полевых условиях. Дело в том, что существующие современные технологии сжижения требуют больших площадей и энергозатрат. Поэтому, если принять за основу утилизации рудничных газов, где метан является преобладающим, теплотехнические расчеты сжижения природного газа в противотоке с жидким азотом («Арктический каскад»), то, во-первых, потребуется минимальные площади, а во-вторых, применяя термомагнитные и мембранные нанотехнологии газоразделения, получим высокоэффективный комплекс. Например, для сжижения газа объемом в 10 млн. куб.м./сутки необходимо располагать площадью не более 100 кв.м. [17].

15 лет назад учеными РГУ был разработан метод термомагнитной сепарации воздуха [8] и на термомагнитный сепаратор воздуха (ТМСВ) был получен патент РФ [18], на основе которого, в т.ч. с применением малогабаритной азотной мембранной установки во втором каскаде газоразделения диамагнетиков (ГРДМ), была разработана (рис.1) модель системы безопасной и экологически чистой добычи угля [19,20].

Таким образом, объединяя все указанные выше инновации, получим не только абсолютно безопасную систему подземной добычи полезных ископаемых, но и экономически эффективный комплекс утилизации рудничных газов в СПГ, а также в другие полезные сжиженные газы (углекислый газ, аргон, гелий и др.).

Рис.1- Блок-схема системы обеспечения безопасности угольных шахт

1 – атмосферный воздух, 2 – термомагнитный сепаратор воздуха с блоком газоразделения диамагнетиков (ТМСВ-ГРДМ), 3 – кислородный трубопровод («парамагнитный»), 4 – трубопровод остальных газов («диамагнитный»), 5 – угольный комбайн, 6 – угольный забой, 7 – центр переработки сепарированных газов, 8 – радиомодемы, 9 – репитеры, 10 – пункт диспетчерского управления, Ра – атмосферное давление, ΔРm,n - разность давлений в зоне работы «m»-го ТМСВ-ГРДМ в «n»-м штреке.

Используя предлагаемый подход, была разработана модель такой системы на примере шахты № 56 в г. Красный Сулин Ростовской области (ОАО «Шахтуголь»).

Увеличение объема выработки при добыче антрацита происходит пропорционально производительности используемых комбайнов. В шахте № 56 используются комбайны «Темп – 1» [21], предназначенные для выемки крутых (40...60°) пластов. Целевой угольный пласт вскрыт тремя скважинами, на основе которых установлено, что его мощность составляет 1,3 м. Уголь-антрацит отнесен к IV категории бурения.

2D - схема штреков и забоев шахты представлена на рисунке 2, а в технические характеристики комбайна – в таблице 2.

Таблица 2 – технические характеристики комбайна «Темп – 1»

вынимаемая мощность пласта, м	0,95-1,4
ширина захвата, мм	900; 1000
диаметр по резцам	0,56
скорость резания, м/с	1,96
мощность, квт	107
напряжение, в	660

На основе технических характеристик рассчитаем скорость движения комбайна в забое (м/с) [22]:

(1)

где Нw - удельный расход электроэнергии (МДж/т), m - мощность вынимаемого пласта угля (м), В - ширина захвата исполнительного органа (м), γ - плотность угля (т/куб.м).

Объем выработки одним комбайном (л/с) [22]:

(2)

В шахте используются 3 комбайна. Следовательно, суммарный объем само притока воздуха в шахту составит - 0.025 куб. м/с.

Таким образом, принимая во внимание тот факт, что установки ТМСВ-ГРДМ объединяются в систему радиомодемами и должны располагаться в зоне прямой видимости друг от друга, получим необходимое число ТМСВ-ГРДМ для шахты № 56 в количестве 10 установок (рис.2).

Список литературы

1. Минерально-сырьевая база угольной промышленности России. В 2-х томах. Том 1 (состояние, динамика, развитие). - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 1999. - 648 с.

2. Левкин Н.Б. Предотвращение аварий и травматизма в угольных шахтах Украины. - Донецк: Донбасс. 2012. - 392с.

3. Пучков Л.А., Красюк Н.Н., Золотых С.С., Максименко Ю.М. Опыт и перспективы использования угольного метана /Препринт. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2004. - 32 с.

4. Джигрин А.В., Исаев И.Р., Мясников С.В. Прогнозирование взрывов газа и пыли в угольных шахтах // Безопасность труда в промышленности.- 2010.- №4, С.38-42.

5. Переработка природного газа - URL: http://hromax.ru/sposobyi_pererabotki_prirodnogo_gaza.html

6. Рудничный газ / Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Эфрона - URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/brokgauz_efron/89097/

7. Белозеров В.В., Босый С.И, Плахотников Ю.Г, Прус Ю.В. Метод и система защиты горняков и шахт от пожаров и взрывов //Современные наукоемкие технологии.- 2010.- № 9, с.48-50.

8. Белозеров В.В., Новакович А.А., Топольский Н.Г. Модель сепаратора воздуха для систем безопасности //Ежегодная международная научно-техническая конференция Системы безопасности (СБ-2003) - М.: Академия ГПС МЧС России, 2003, С. 198-199.

9. 10 крупнейших аварий на угольных шахтах России.Досье ТАСС//БНК - 29.02.2016 - Сыктывкар: "Север-Медиа" - URL: https://www.bnkomi.ru/data/news/47794/ .

10. Охрана труда: Учебник для вузов / К.3.Ушаков, Б.Ф.Кирин, Н.В. Ножкин и др. Под ред.К.З.Ушакова. М.: Недра, 1986. - 624 с.

11. Бондарь В.А. и др. Способ борьбы с метаном в угольных шахтах - заявка на изобретение № 4240934/03, 27.08.1999, МПК6 E21F5/00, C12N11/00

12. Золотарев Г.М. Безопасная шахта Золотарева - Патент РФ на изобретение № 2310073, 10.11.2007, МПК Е21С41/18.

13. Портола В.А., Способ предупреждения взрывов метана в шахтах - Патент РФ на изобретение № 2371583, 27.10.2009, E21F5/00.

14. Халафов Ф.Р., Шахвердиев А.Х., Способ вентиляции шахтной атмосферы - Патент РФ на изобретение № 2282035, 20.08.2006, МПК Е1F 1/00, Е21 F5/00.

15. Шелудяков Е.П., Установка для уменьшения взрывоопасности угольных шахт – Патент РФ на изобретение № 2347910, 27.02.2009, МПК E21F5/00.

16. Филимонов С.Н., Станкевич Н.Г., Разумов В.В., Панев Н.И., Способ прогнозирования риска развития ишемической болезни сердца у шахтеров с хроническим пылевым бронхитом - Заявка на изобретение № 2002120782/15, 27.04.2004, МПК А61В10/00.

17. Минигулов Р.М., Руденко С.В., Васин О.Е., Грицишин Д.Н.., Соболев Е.И., Гусейнов Ч.С. Способ сжижения природного газа по циклу высокого давления с предохлаждением этаном и переохлаждением азотом «Арктический каскад» и установка для его осуществления – патент РФ на изобретение № 2645185 от 16.03.2017, опубл. 16.02.2018, Бюл. № 5.

18. Белозеров В.В., Босый С.И., Видецких Ю.А., Новакович А.А., Пирогов М.Г., Толмачев Г.Н. Способ термомагнитной сепарации воздуха и устройство для его осуществления - Патент РФ № 2428242 от 10.09.2011.

19. Белозеров В.В., Босый С.И., Нестеров А.А., Падчеваров В.В., Плахотников Ю.Г., Прус Ю.В., Топольский Н.Г. Способ комбинированной защиты горняков и шахт от пожаров и взрывов и система для его осуществления - заявка на изобретение № 2010121080 от 09.07.2010.

20. Белозеров В.В., Босый С.И., Плахотников Ю.Г., Прус Ю.В. Метод и система защиты горняков и шахт от пожаров и взрывов //Успехи современного естествознания. – 2010. – № 11, с.87-89.

21. Техническая характеристика очистных комбайнов для крутых пластов URL: https://infopedia.su/14x15753.html

22. Расчет технических параметров комбайна - URL: https://studwood.ru/1600281/tehnika/raschet_tehnicheskih_parametrov_kombayna

Код для цитирования: Скопировать