Экологически рациональная и безопасная геотехнология получения энергии из углей Подмосковного бассейна

4. Абрамкин Н.И., Агеева И.В. Математические модели разработки угольных пластов на малых глубинах//Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2009. С. 22-28.

5. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Белая Л.А., Агеева И.В. Комплексная оценка состояния окружающей среды промышленно развитого угледобывающего региона// Изв. ТулГУ. Естественные науки. Сер: Науки о Земле, Тула. 2009. Вып. 5. С. 226 - 234.

6. Концептуальные положения повышения эффективности геоэкологического мониторинга промышленных регионов/ Э.М. Соколов [и др.]// Безопасность жизнедеятельности. 2010. Вып. 5. С. 28 - 32.

7. Стась Г.В., Демина О.В., Агеева И.В. Алгоритмы и комплекс программных средств для прогноза газообмена в атмосфере Подмосковного угольного бассейна// Безопасность жизнедеятельности, 2010. Вып. 5. С. 53 - 56.

N.M. Kachurin, A.B. Gabin, V.P. Safronov, E.A. Mashintcev

ENVIRONMENTAL - ECONOMICAL EVALUATING EFFICIENCY OF COAL PRODUCTION BY UNDERGROUND GEOTECHNOLOGY

Information analysis by wastes utilization in Moscow, Donets and Kuznetsk Coal Basins were realized. Results of environmental-economical researches on evaluating coking coal production efficiency at liquidated mines of Prokopyevsk District in Kuznetsk Basin are discussed.

Key words: wastes, waste bank, environmental-economical efficiency, mathematical model, optimization.

Получено 24.11.11

УДК 622.33.016

Н.М. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-20-41, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

Э.М. Соколов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,

ЭКОЛОГИЧЕСКИ РАЦИОНАЛЬНАЯ И БЕЗОПАСНАЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ УГЛЕЙ ПОДМОСКОВНОГО БАССЕЙНА

Приведены результаты обобщения исследований по подземной газификации углей Подмосковного бассейна. Предложены экологически рациональные и безопасные технологические схемы получения электроэнергии и проведена оценка запасов угля на перспективу.

Ключевые слова: подземная газификация, геотехнология, экология, безопасность, электроэнергия.

Подмосковный угольный бассейн расположен на территории Новгородской, Калининской, Смоленской, Калужской, Тульской и Рязанской областей РФ. Общая площадь развития угленосных отложений до глубины 200 м...120 тыс. км2. Первые сведения о наличии залежей угля известны с 1722 г., систематическая добыча осуществлялась с 1855 г. Общие геологические ресурсы 11 млрд т. Балансовые запасы А+В+С1 - 4098 млн т, С2 -1024 млн т, забалансовые - 1843 млн т. Подмосковный бассейн расположен на южном и западном крыльях Московской синеклизы. Песчано-глинистая угленосная толща бобриковского и тульского горизонтов визей-ского яруса нижнего карбона мощностью около 50 м подстилается и перекрывается карбонатными отложениями. Она полого (доли градуса) погружается к центру синеклизы и содержит до 14 пластов и пропластков угля. Промышленное значение имеют до 4 пластов. На большей части площади бассейна один (II) угольный пласт сложного строения средней мощностью 1,4.2,8 м (максимально 5.12 м) образует разобщенные угольные залежи (месторождения) площадью до 120 (в среднем 30) км . Наибольшая угле-насыщенность характерна для центральной части южного крыла синекли-зы, она резко снижается в западном, восточном и северном направлениях. Разведано около 95 месторождений, объединённых в 22 угленосных района (рис. 1).

Угольное месторождение отрабатывается по технологии подземной газификации угля. Горючий газ подземной газификации подается на устройства очистки от примесей, а затем на газотурбинную электростанцию (или малую электростанцию другого типа), где газ подземной газификации сжигают, преобразуя в электрическую энергию.

Себестоимость одного гигаватта электрической энергии, полученной таким способом, будет на порядок меньше себестоимости гигаватта, полученного традиционным образом.

При подземном сжигании угля протекают следующие химические реакции:

С + О2  СО2 + 393,7 кДж,

С + О2  2СО + 263,5 кДж,

С + Н2О  СО2 + Н2 - 88 кДж,

С + Н2О  СО + Н2 - 130 кДж.

Состав энергетического газа при работе подземных газогенераторов на воздушном дутье представлен в таблице.

Рис. 1. Подмосковный угольный бассейн

Состав энергетического газа при работе подземных газогенераторов

Концентрации газовых компонент в энергетическом газе, %

С02 02 H2S СпНт СО Н2 СН4 N2

12 .17 0,2 ... 0,3 0,6 ... 1,4 0,2 6 .15 14 ... 15 1,5 ... 2 56 ... 58,6

Низшая теплотворная способность энергетического газа при работе подземных газогенераторов на воздушном дутье 3360.4200 кДж/м . Принципиальные технологические схемы получения электроэнергии на основе подземной газификации угля представлены на рис. 2-3.

Подмосковный уголь является гумусовым бурым углем, образовавшимся из органического материала торфа в восстановительных условиях. Встречаются незначительные и не выдержанные по площади сапропелевые угли (богхеды), которые добываются вместе с гумусовым. Исходным материалом гумусовых углей служили мелкие стеблевые остатки, сапропелевых - водоросли с единичным включением гумусовых остатков. Органическое вещество бурых углей гумусового происхождения - смесь гуминовых кислот и гуминов с битумами, сапропелитового происхождения

- смесь карбоновых кислот жирного ряда с циклическими кислородосо-держащими соединениями.

Угли бассейна отличаются повышенной зольностью, в связи с чем среди них условно выделяются малозольные (до 35 %), зольные (35...40%) и многозольные (45...50 %) разности. В рабочих пластах многозольные угли встречаются в виде отдельных пачек различной мощности, незакономерно чередующихся с менее зольными. В зависимости от содержания влаги угли разделяются на три группы: Б1 (с содержанием влаги > 40 %), Б2 (30...40 %), Б3 (< 30 %).

Система подачи воздуха

Очаг подземного горения угля

Система очистки газа подземной газификации

Земная поверхность

Газотурбинная электростанция

Электроэнергия в сеть

Скважина для нагнетания воздуха

Горючий газ подземной

Рис. 2. Принципиальная технологическая схема получения электроэнергии на основе подземной газификации угля

Минеральная часть углей на 85...90 % состоит из каолинита и частично гидроокислов алюминия, 10... 15 % приходятся на другие минералы (кварц, маркизит, гипс, кальцит, слюда). Сера в углях содержится в виде органических и минеральных соединений, последние представлены главным образом колчеданом. Гумусовые угли подвержены в отличие от сапропелевых процессу окисления.

Одним из характерных признаков окисленных углей является резкое снижение удельной теплоты сгорания до 6700...8400 кДж/кг. Им свойственно также очень высокое содержание гуминовых кислот (45...50 %). Процессы окисления углей наиболее интенсивно развиваются в зонах раз-

мывов угленосной толщи, приуроченных большей частью к краевым частям залежей.

ГАЗОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР

Газ подземной газификации угля СО+ +С02+Н2+ +СН

Технологический узел разделения газов

СО+Н2+СН4

СМЕСИТЕЛЬ

Рис. 3. Функциональная технологическая схема малой энергетики на базе месторождений Подмосковного угольного бассейна

Угли бассейна неоднородны и по физико-механическим свойствам. Удельный вес кондиционных углей (Ас до 45 %) изменяется от 1,05 до 1,4 и зависит от содержания в них минеральных примесей. Сопротивление углей сжатию колеблется от 0,8 до 18 МПа. Вследствие большой неоднородности углей по вещественному составу, слабого метаморфизма и несложной тектоники кливаж в угольных пластах имеет ограниченное развитие и характер ломаной линии.

По состоянию на 01.01.94 г. балансовые запасы угля по категориям А+В+С1 составляли 3732,9 млн т, по категории С2 - 545,2 млн т; забалансовые запасы - 1575,6 млн т. Запасы подсчитаны в кондициях мощности пласта 1,4 м, глубины залегания до 200 м и зольности угля до 40 %.

Основная часть балансовых запасов угля категорий А+В+Сх сосредоточена в Тульской области - 1525,7 млн т (40,9 % от запасов бассейна) и Калужской области - 1225,9 млн т (32,8 %). Остальные запасы находятся в Рязанской - 427 млн т (11,4 %), Смоленской - 392,8 млн т (10,5 %) и Тверской - 161,5 млн т (4,4 %) областях.

В настоящее время разрабатываются и подготовлены к освоению 1951,4 млн т балансовых запасов угля категорий А+В+Сь или 52,3 % от всех запасов бассейна, из них находятся в эксплуатации и числятся на ба-

лансе действующих шахт и разрезов 549Д млн т, подготавливаются к разработке и числятся на балансе строящихся шаха 201,5 млн т, находятся на резервных разведанных участках 1200,8 млн т. Остальные запасы в количестве 1781,5 млн т, или 47,7 %, еще не подготовлены к промышленному освоению и числятся на перспективных для разведки и прочих месторождениях и участках.

Фонд резервных разведанных месторождений и участков для строительства новых шахт (резерв подгруппы «а») составляет 16 участков с балансовыми запасами угля категорий А+В+С1 1196,1 млн т, категории А+В -564, 2 млн т, категории С2- 29 млн т.

К числу перспективных для разведки отнесены 35 месторождений и участков для шахт с балансовыми запасами углей категорий А+В 333,4 млн. т, категорий А+В+С1 - 779,7 млн т, категории С2 - 181,9 млн т.

К прочим отнесены 48 месторождений и участков для шахт с балансовыми запасами углей категорий А+В 452,3 млн т, категорий А+В+С1 -918,2 млн т, категории С2 - 36,9 млн т.

В целом обеспеченность промышленными запасами угля категорий А+В+С1! действующих предприятий определяется исходя из количества промышленных запасов и их производственной годовой мощности. Геологоразведочные работы в бассейне, направленные на прирост запасов угля, прекращены с 1990 г. из-за отсутствия ассигнований. Хотя, как показывает практика проектирования и строительства шахт на Никулинском, Бельцев-ском, Симаковском, Березовском и других месторождениях, для уточнения морфологии и строения угольных пластов, изучения качества, гидрогеологических и горнотехнических условий добычи угля на первоочередных площадях отработки потребуются доразведочные работы со сгущением разведочной сети до 100... 125 м. Характеристика балансовых запасов, ранее находившихся в эксплуатации угольных месторождений Подмосковного бассейна, представлена на рис. 3.

са 545,2

А+В ЕЭА+В+С1 ОС2

Рис. 3. Балансовые запасы месторождений Подмосковного бассейна

Этапы реализации проекта экологически рациональной малой энергетики на базе угольных месторождений Подмосковного угольного бассейна сводятся к следующему.

1. Разработка лабораторной стендовой установки и проведение стендовых лабораторных испытаний.

2. Проведение натурного эксперимента на одном из угольных месторождений Тульской области.

3. Разработка проектов для разведанных месторождений угля на территории Тульской области.

Газотурбинные электростанции выпускаются Пермским ОАО «Авиадвигатель». Это электростанции типа ГТЭС различных типоразмеров с производительностью от 12 до 36 ГВт-ч.

N.M. Kachurin, E. V. Socolov, A.B. Gabin, I.N. Zubakov

ENVIRONMENTAL RATIONAL AND SAFETY GEOTECHNOLOGY FOR PRODUCTION ENERGY FROM MOSCOW BASIN COAL

Results of generalizing research by coal underground gasification of Moscow Basin are discussed. Environmental rational and safety technological schemes of production electrical energy were proposed and perspective evaluating probable resources of coal was realized.

Key words: underground gasification, geotechnology, ecology, safety, electrical energy.

Получено 24.11.11

УДК 622.33.016:502.1

Н.М. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-20-41, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

Э.М. Соколов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (Россия, Тула, ТулГУ),

A.Б. Жабин, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ),

B.П. Сафронов, д-р техн. наук, проф.,

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПОДЗЕМНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ УГЛЯ

Рассмотрены закономерности влияния геотехнологических факторов на окружающую среду при подземной добыче угля. Показано, что интенсивность воздействия подземной добычи коксующихся углей на окружающую среду характеризуется интегральным показателем экологической безопасности, который основывается на закономерностях формирования пылегазовых выбросов, сбросов и нарушения земель, и их взаимосвязи с производственной мощностью шахт и величиной электропотребления. Предложены математические модели, позволяющие прогнозировать уровень воздействия подземной угледобычи на окружающую среду при различных прогнозных сценариях энергопотребления горными предприятиями.