Выбор технологий и оборудования для комплексного использования метана в условиях шахты

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования, науки молодежи и спорта Украини

Государственное высшее учебное заведение

«Донецкий национальный технический университет »

Кафедра «Природоохранной деятельности »

Выбор технологий и оборудования для комплексного использования метана в условиях шахты

Пояснительная записка курсового проекту по дисциплине

«Технология КВН - ч. 3 - технологии использования метана”

Руковод. проф.

В.Н.Артамонов

Разработал

Ст.гр.КВН - 10

В.В.Моисеенко

Донецк - 2013

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка к курсовому проекту: 3с., 5 табл., 6 рис.,

2 приложения.

Объектом исследования есть шахта „Родина”.

Методы исследования - метод инженерного анализа, технико - экономических расчетов.

Проанализирована ситуация на предприятии и выделены для рассмотрения и решения проблемы, которые стоят перед данным предприятием.

Обоснованы и разработаны технологические схемы извлечения шахтного метана и его использования в хозяйственной деятельности.

Предложенное необходимое оборудование для добычи, транспортировки, подготовке и использованию метана на шахте. Приведенные обоснования, результатов внедрения технологий комплексного использования метана.

Цель работы: совершенствование технологи извлечения метана в условиях сверхкаиегорийной шахты и разработка мероприятий по использованию извлеченного метана.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ

2.ПРОГНОЗ ГАЗОНОСТНОСТИ ШАХТЫ В ПРЕДЛОЖЕНЫХ УСЛОВИЯХ

2.1 Расчет относительного метановыделения с пласта, что разрабатывается

2.2 Расчет относительного метановыделения из пластов-спутников

2.3 Расчет относительного метановыделения из вмещающих пород

2.4 Нагрузка на лаву

2.5 Определить необходимый эфективный коэфициент дегазации

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЕГАЗАЦИИ

3.1 Выбор технологической схемы дегазации

4. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТАНА В УСЛОВИЯХ ШАХТЫ

4.1.1 Выбор вакуум-насоса

4.1.2 Выбор водокольцевого насоса

4.1.3 Выбор электродвигателя

4.2 Определение расхода метано-воздушной смеси, извлекаемой на поверхность

4.3 Разработка плана мероприятий по использованию метана

5. ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЕДЕНИИ РАБОТ

6. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ВНЕДРЕНИЯ КОМПЛКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТАНА

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

метан шахта дегазация насос

ВВЕДЕНИЕ

Одной из характерных черт отечественной промышленности, как известно, является многократно завышена энергоемкость продукции. В первую очередь это относиться к большинству промышленных предприятий, использующих изношенное технологическое оборудование и устаревшие технологии. В условиях значительного дефицита на территории Украины подготовленных к выемке ископаемых энергоресурсов существенным шагом в решении проблемы энергообеспечения предприятий и страны в целом может и должно стать рациональное энергопотребления, вовлечение в промышленный оборот нетрадиционных, попутных и непригодных энергоресурсов. Применительно к угольной промышленности это, прежде всего, повышение енергефективности, создание теплоэнергетических комплексов, утилизация шахтного газа - метана, обеспечение локальной энергобезопасности важнейших объектов отрасли.

Цель работы: совершенствование технологии извлечения метана в условиях сверхкатегорийнои шахты и разработка мероприятий по использованию извлеченного метана.Идея работы: разработка и обоснование технологических решений возможности только с учетом определения общего объема метана добываемого в шахте и технико-экономического обоснования его себестоимости.

Задачи, решаемые в курсовом проекте:

1. Охарактеризовать предприятие как источник творения метана.

2. Выполнить обоснование направлений и критериев рационального использования метана как источника сырья для промышленности и средства снижения экобезопасности в условиях шахт.

3. Разработать и обосновать технологии комплексного использования метана в условиях шахты на основе рациональных способов дегазации и оборудования поверхностного комплекса.

4. Определить эколого-социальные последствия внедрения технолоии комплексного использования метана в условиях конкретной шахты.

Объект исследования - шахта, технология извлечения метана, и его использование.Предмет исследований - технологические процессы извлечения и использования метана.Методы исследования - систематизация, аналитический, методы технико-экономических расчетов, метод моделирования, решение ситуационных задач, прогнозирование, метод статистической обработки данных.

Практическая ценность - даны практические предложения по обоснованию направлений использования метана, предложенные технологические решения с учетом условий шахты.

Метан относится к газам, что, по мнению специалистов, создающих парниковый эффект, удерживая тепло в земной атмосфере. Степень, в которой тот или иной парниковый газ удерживает тепло, измеряется по способности удерживать тепло двуокиси углерода. Считается, что по способности удерживать тепло в атмосфере за столетний период метан в 21 раз превосходит двуокись углерода. Метан и другие парниковые газы выделяются в атмосферу как вследствие естественных процессов, так и в результате человеческой деятельности, например, добычи угля.

Извлечение и утилизация метана угольных месторождений в Украине позволит значительно уменьшить объем парникового газа, выбрасываемого в атмосферу угольными шахтами.Доказано, что наиболее предпочтительными технологическими схемами дегазации в условиях шахты являются технологии использования перекрестными скважинами, что дегазируют не только слои, но и породыВнедренные системы мер по выбору и обоснованию технологических решений по рациональному использованию метана в условиях шахты даст достаточный экономико-социальный эффект.

Использование курсового проекта предусмотренного учебным планом `ідготовки бакалавра по направлению «Горное дело» специализации «Комплексное использование недр» при изучении курса «`ідготовк комплексного использования недр (метан)». Курсовой проект будет выполняться на 6 семестре. Основой является сбор материалов по действующей високогазоноснои шахты.

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ

На основе данных шахты «Родина» были проведены различные расчеты.

Исходные данные приведены ниже в таблицах 1.1, 1.2

Таблица 1.1 - Исходные данные для расчета относительного метановыделения из разрабатываемого пласта.

Марка угля	Д
Природная метаноносность пласта х,	м3/т	21
Выход летучих веществ VГ,	%	42
Объемный выход летучих веществ VГоб,	мл/г с.б.м.	165
Природная влажность угля W,	%	4,2
Природная зольность угля Аз,	%	6
Вынимаемая мощность угольных пачек пласта тв,	м	1,35
Длина участковой выработки lш,	м	1750
Планируемое подвигание лавы vоч,	м/сут.	6
Длина лавы lоч,	м	160
Глубина разработки Н,	м	600
Полная мощность угольных пачек пласта тп,	м	1,4
Скорость транспортирования угля в лаве vт.л,	м/с	1,2
Скорость транспортирования угля в участковой выработке vТ,	м/с	1,6
Время, прошедшее с момента обнажения пласта выработки Тоб,	сут.	340

Таблица 1. 2 - Исходные данные для расчеиа относительного метановыделения из сближенных пластов( спутников)

mс.п,	mв.пр.,	хс.п,	хос.п.,	Нс.п.,	,	VГсп,	хо,	Но,	Подработан или надработан спутник	Способ управления кровлей
м	м	м3/т	м3/т	м	град	%	м3/т	м
0,45	1,4	25	3,5	25	70	27	1,71	80	надработан	закладка

2. ПРОГНОЗ ГАЗОНОСНОСТИ ШАХТЫ В ПРЕДЛОЖЕНЫХ УСЛОВИЯХ

Шахтний метан виникає в процесі трансформації органічних залишків у вугілля під впливом високих тисків і температур. Можна вважати, що в глибинах землі відбувається піроліз органічних речовин. Рослинні залишки

містять велику кількість лігніну, в структурі якого є багато метильних груп. В ході термічної переробки відбувається звільнення метильних радикалів, які потім відривають атом водню від органічних молекул і перетворюються на метан. Видобуток 1 т вугілля супроводжується виділенням 13 м3 чистого метану.

Слід зазначити, що в американській практиці вугільним метаном - coalbed methane (СВМ) називається метан, що міститься у вугільних пластах, а шахтним метаном - соаl mеns methane (СММ) - метан, що виділяється в результаті активної діяльності шахт. У зв'язку з цим концептуальна проблема метану повинна включати два основні напрями:

1) витягання шахтного метану з метою забезпечення безпечних умів роботи шахт, поліпшення екологічної обстановки і подальшою утилізацією цього газу;

2) промислове витягання вугільного метану з метою попередньої дегазації вугільних родовищ і здобуття додаткових об'ємів енергоносія.

2.1 Расчет относительного метановыделения с пласта, что разрабатывается

Коэффициент, учитывающий влияние системы разработки на ме-тановыделение из пласта, вычисляется для по формуле:

; (2.1)

;

где lоч длина очистной выработки (лавы), м; bзд ширина условного пояса газового дренирования угольного пласта определяется по табл., при Vdaf (%) = 12%, bзд берем = 10,5

В формуле (2.1) знак «плюс» принимается при сплошной системе разработки, а «минус» -- при столбовой системе.

Если 0,5, то к расчету принимаем 0,5.

Величину показателя степени п вычислим по зависимости :

; (2.2)

где vоч-- скорость подвигания очистного забоя, м/сут; а1, b1 -- коэффициенты, зависящие от выхода летучих веществ; для углей с выходом летучих веществ Vг ? 22 % а1 =1,435, b1 = - 0,051; при Vг > 22 % а1 = 0,152,

b1 = 0,051; H - глубина разработки, м; (принимается по проекту). При глубине разработки более 1000 м в формулу (3.6) подставляется Н = 1000 м.

Время транспортирования угля с момента отторжения его от массива до выдачи его за пределы участка Тт (мин) определяется по формуле:

+ (2.3)

+

где nl -- число участков (выработок) длиной транспортировки lTi c различной скоростью движения угля; lTi -- протяженность выработок с i-м видом транспорта, м; vTi -- скорость транспортирования угля на участке lTi, м/с.

Коэффициент k1 определяется по выражению:

, (2.4)

;

где a2, b2 коэффициенты, характеризующие газоотдачу из отбитого угля; принимаются при времени дегазации отбитого угля (времени транспортировки угля ТT) до 6 мин соответственно равными 0,051 и 0,7, а при ТT > 6 мин а2 = 0,115, b2 = 0,25.

Величина х1 определяется но формуле:

х1 = х [1 0,85·kпл·е-п]k1; (2.5)

х1 = х1 = 21 [1 0,85·0,87·е-4,26]0,76=14,10 м3/т ;

Величина х0определяется по формуле :

х0 = 0,01хог (100 - W - А3), (2.6)

х0 = 0,01*1,9* (100 - 4,2 - 6)=1,71 м3/т;

Величина x определяется по формуле:

x = 0,01xг (100 - W - А3) (2.7)

где хг остаточная метаноносность угля определенная по данным проб, отнесенная к тонне сухой, беззольной массы, м3/т с.б.м.; хог остаточная метаноносность угля в целиках, невынимаемых угольных пачках, оставляемых в выработанном пространстве, м3/т с.б.м.; W природная влажность угля, %; А3 природная зольность угля, %. Величина хог определяется по табл., при Vdaf (%) = 12%, xог берем 4,1 м3/тс.б.м.

При прямоточных и возвратноточных схемах проветривания (без подсвежения) выемочных участков (система разработки обратным ходом «столбовая» или прямым ходом «сплошная»), т. Е. с последовательным разбавлением метана по источникам его выделения, относительное метановыделение из разрабатываемого пласта рассчитывается по формуле , м3/т

qпл = kпл (x - x1) +kэп (x - x0), (2.8)

2.2 Расчет относительного метановыделения из пластов-спутников

kv - коэффициент, учитывающий влияние скорости подвигания очистного забоя на метановыделение из пласта-спутника, рассчитывается по формуле:

(2.9)

При надработке пологих и наклонных пластов в условиях Донецкого бассейна величина Нр принимается равной 60 м.

Нр = , (2.10)

Относительное метановыделение как из подрабатываемого qсп.пі (м3/т), так и из надрабатываемого qсп.ні (м3/т) пласта-спутника определяется по формуле:

,(2.11)

где kv - коэффициент, учитывающий влияние скорости подвигания очистного забоя на метановыделение из пласта-спутника,; mспі - суммарная мощность угольных пачек отдельного (i-го) пласта-спутника, м; хспi - природная метаноносность пласта-спутника, м3/т; Нспi - расстояние по нормали от разрабатываемого пласта до пласта-спутника, м; Нр - расстояние по нормали между разрабатываемым пластом и смежными пластами, при котором газовыделение из последнего практически равно нулю, м.

2.3 Расчет относительного метановыделения из вмещающих пород

Относительное метановыделение из вмещающих пород рассчитывается по формуле:

, (2.12)

, м3/т;

где kс.п - коэффициент, учитывающий влияние способа управления кровлей и литологический состав пород; значения его принимаются по табл., при способе управления кровлей - полное обрушение берем kс.п = 0,00106 ; Н - глубина разработки, м; Н0 - глубина зоны газового выветривания, м.

Метанообильность участка qуч (м3/т) без дегазации источников метана, составит:

qуч = qпл + qв.п.,(2.13)

qуч = 20,77+2,78 = 23,55(м3/т);

где qпл метановыделение из разрабатываемого пласта, м3/т;

qв.п. метановыделение из выработанного пространства, м3/т.

qв.п. = qс.п. + qпор., (2.14)

qв.п = 0,67 + 2,11 = 2,78 м3/т;

qс.п. метановыделение из сближенных пластов, м3/т;

qпор метановыделение из вмещающих пород, м3/т.

Нагрузка на лаву

Прежде всего, при принятой скорости подвигания очистного забоя и остальных начальных условий определяют уровень плановой добычи Ар (т/доб) по формуле:

, (2.15)

(т/сут),

(2.16)

где г - плотность пород, 2,2 т/м3.

Находим максимальное количество воздуха (расход - Qp, м3/мин) которое может пройти по лаве и параметр - qp.

Для схем проветривания без подсвежения qp = qуч (из раздела 2), расход воздуха по формуле:

,(2.17)

где - коэффициент утечек воздуха через выработанное пространство (определяется исходя из типа пород кровли и способа управления кровлей, по табл., при обрушении, породами кровли - песчаник берем = 1,7.

По относительному метановыделению и значению плановой добычи угля определяют максимальную по газовому фактору нагрузку на очистной забой (Amax, т/сут) по формуле:

(2.18)

qp` = 6,59

2.5 Определить необходимый коэффициент эффективности дегазации

(2.19)

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЕГАЗАЦИИ

Дегазационная скважина горная выработка цилиндрической формы, которую проводят в угольном пласте или боковых породах способом бурения, с целью извлечения шахтного метана. Начало скважин называется устьем, конец -забоем;

Предварительная дегазация - извлечение газа из угольного пласта до начала ведения горных работ.

Дегазация текущая меры по уменьшению метановыделения в горные выработки в процессе очистных и подготовительных работ;

Сближенные пласты (пласты - спутники) Угольные пласты, залегающие в кровле или почве разрабатываемого пласта, из которых метан поступает в горные выработки:

Комплексная дегазация одновременное применение на одном объекте нескольких способов (схем) дегазации;

Способ дегазации определенный порядок действий, которые обеспечивают извлечение метана и вывод его по трубам из объекта дегазации;

Цель дегазации источников метановыделения заключается в каптировании газа высокой чистоты в его источнике до его поступления в рудничный воздух. Для целей регулирования количество газа, поступающего в воздушный поток, не должно превышать возможностей разбавления газообразных загрязнителей вентиляционным воздухом до предписанных уровней безопасности, однако весьма целесообразно каптировать газ в максимальных объемах, с тем чтобы добиться более высокого уровня безопасности, уменьшения его воздействия на окружающую среду и извлечения энергии.

Выбор ненадлежащих методов дегазации или их неудовлетворительное применение являются причиной ее недостаточной эффективности. В случаях, когда в процессе отвода и утилизации концентрация метана в газовоздушной смеси находится в пределах взрывоопасности или приближается к нему, они становятся угрозой безопасного ведения очистных работ.

Методы дегазации источников метановыделения традиционно подразделяются на методы предварительной дегазации и текущей дегазации. Предварительная дегазация заключается в удалении метана из пласта, предназначенного для разработки, до начала ведения горных работ, в то время как текущая дегазация предполагает каптирование метана и других газов, выделяемых окружающими пластами вследствие нарушения геостатического равновесия в массиве горных пород. При частичной разгрузке от горного давления, на определенном удалении от лавы, в результате ведения горных работ происходит фазовый переход связанного метана в газовое состояние, повышается проницаемость дегазируемого массива и образуются каналы для его миграции в горные выработки (интенсификация трещиноватости).

Поскольку предварительная дегазация проводится до начала ведения горных работ, вероятность нарушения системы «массив-вода-метан» в результате сдвижений горных пород отсутствует, но при наличии соответствующих условий, газ извлекается с высокой концентрацией в смеси (до 90%). Время, необходимое для достаточной дегазации угольного пласта, напрямую зависит от его проницаемости. Чем меньше проницаемость угля, тем больше времени необходимо для проведения дегазации с целью снижения газоносности до требуемого значения. Наоборот, для углей с низкой проницаемостью требуется бурение значительно большего числа скважин, чтобы до начала ведения горных работ снизить уровень газоносности до желаемого уровня. Преимущества «поверхностных» методов, заключаются в том, что дегазация может проводиться независимо от горных работ, однако возможность их применения зависит от глубины бурения, сплошности и проницаемостью угля, а также от любых ограничений, обусловленных топографическими факторами или наличием поверхностных сооружений.

Методы текущей дегазации заключаются в каптировании метана, выделяющегося из зон, нарушенных горными работами, до его поступления в выработки при бурении скважин в зоны нарушений над (под) отрабатываемым пластом. При наличии одного или более угольных пластов-спутников над отрабатываемым пластом, или под ним, газовыделение от его подработки может существенно превысить объемы, выделяемые из отрабатываемого пласта. Таким образом, при использовании методов текущей дегазации имеется возможность для извлечения газа в значительно бульших объемах, по сравнению с методами предварительной дегазации. Для обеспечения достаточно высоких концентраций газа для эффективной дегазации ее безопасной утилизации требуются тщательные проектирование этих систем и управление ими. Чем больше угля залегает в кровле и в почве отрабатываемого газообильного угольного пласта, тем большее значение приобретает текущая дегазация.

Снижение эффективности дегазации приводит к резкому увеличению концентраций метана в атмосфере шахты. В связи с этим требуется проведение непрерывного и тщательного мониторинга систем дегазации источников газовыделения для управления ими.

Современную технологическую цепочку извлечения и использования угольного метана можно представить состоящей из двух процессов (рис. 3.1):

- пластовой дегазации (подземной и (или) поверхностной, элементами которой являются специальные горные выработки, скважины, газопроводы с защитными устройствами для вывода газа на поверхность, дегазационные вакуум-насосные станции (ВНС), регистрирующая, регулирующая и защитная аппаратура);

- утилизации (энергетической или химической переработки) извлеченного газа.

Рис.3.1- Принципиальная схема процессов дегазации и утилизации шахтного метана

Дегазация метана характеризуется двумя основными показателями: а) коэффициентом эффективности; б) концентрацией метана в отводимой смеси.

Коэффициент эффективности дегазации представляет собой отношение объема извлеченного метана средствами дегазации к объемам газовыделения. Он составляет в среднем 40-45%, т.е. является еще недостаточным. Это объясняется тем, что значительная часть газа находится в сорбированном состоянии. Метан, извлекаемый путем дегазации, получают, не в чистом виде. По содержанию чистого метана в извлекаемой смеси различают три группы полученного газа:

- (предварительная) угольный метан с содержанием чистого СН4 до 90%;

- (текущая) концентрация метана в метановоздушной смеси (МВС) колеблется в пределах 25-50%;

- выбросы с исходящей вентиляционной струей воздуха - до 0,75% чистого метана.

3.1 Выбор технологической схемы дегазации

Выбор схем дегазации должен осуществляться, так чтобы итоговый (дифференцированный) коэффициент эффективности комплексной дегазации (состоящий из совокупности kэф. использованных в ней схем) был не меньшим , чем определенный в разделе 3.

Приведенные ниже способы основаны на использовании эффекта частичного нарушения естественного состояния массива горными выработками (скважинами) и перераспределения напряжений в угленосной толще под воздействием горных работ, приводящих к увеличению газопроницаемости и газоотдачи угольных пластов (табл. 3.1.1).

Дегазация подработаных или надроботаных пластов-спутников скважинами из подземных выработок является основным способом снижения газовыделения в выработки выемочного участка . Фактическая эффективность дегазации скважинами в значительной степени зависит от физико -механических свойств пород , газоносности спутников , виддаленности этих спутников от разрабатываемого пласта , а также технологического оборудования вакуум - насосных станций и параметров трубопроводов. Она зависит от длины скважин , угла наклона и разворота , продолжительности нахождения в зоне дегазации . Фактическая эффективность дегазации при столбовой системе разработки на действующих шахтах достигает 60 %.

Барьерные скважины бурятся в первую полости расслоения пород , которая находится над зоной их обрушения . Образующийся вакуумный барьер мешает поступать метана в выработки выемочного участка. Этот способ относительно новый и пока не имеет эффективности.

Дегазация экранирующими скважинами предназначена для дегазации пласта. Скважины бурятся параллельно ряды и плоскости пласта на расстоянии 0,5-1,0 м от него длиной не менее половины скамьи. Отдают метан при приближении к скамье на 15-30 м. Не разгружены пласты метан практически не отдают.

Дегазация экранирующими скважинами применяется тогда , когда невозможно бурить скважины по пласту ( выбросоопасных пластах ) через газодинамические явления и при столбовых системах разработки или наличии опережающей выработки.

Таблица 3.1 - Коэффициенты эффективности разных схем дегазации

Дегазация при проведении очистных работ	kэф.
схемы	Пластовыми скважинами	0,1
	Экранирующими скважинами	0,25
Дегазация подрабатываемых (надрабатываемых) пластов-спутников	kэф.
схемы	Барьерными столбовая (с охраной )	0,5
	Барьерными стлбовая( без охраны)	0,4
	Барьерными надрабатываемых пологих и наклонных пластов	0,2

Итогом раздела является определения общего коэффициента эффективности комплексной дегазации.

Экранирующие скважины = 0,25,

Барьерные с охранной = 0,5,

(3.1.3)

0,75 > 0,72;



Рис 3.1.4 - Схема дегазации разрабатываемого пласта экранирующими скважинами при столбовой системе разработки: 1 - скважины; 2 - газопровод; 3 - угольный пласт; 4 - выработанное пространство.

Рис. 3.1.5 - Схема дегазации подрабатываемого пласта скважинами (барьерными), пробуренными навстречу очистному забою и над монтажной выработкой: 1 - разрабатываемый пласт; 2 - подрабатываемый пласт; 3 - вентеляционный штрек; 4 - газопровод; 5 - дегазационная скважина; 6 - выработанное пространство; lс - длина скважины; ш' и ' - проекции углов разгрузки пород кровли и залегания пласта на плоскость, которая проходит через ось скважины; в - угол наклона скважины к горизонту.

4. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТАНА В УСЛОВИЯХ ШАХТЫ

В настоящее время дегазацию источников метановыделения рассматривают как направление, которое, обеспечивает, прежде всего, безопасные по газу условия труда шахтеров и нормальный ритм работы предприятия, а также существенно увеличивает производительность очистных забоев, что способствует снижению себестоимости добываемого угля, росту прибыли. Однако стремление к комплексному использованию добываемых минеральных ресурсов, в том числе более полному использованию природных энергоресурсов неизбежно приведет к пересмотру роли дегазации на угольных шахтах. На дегазацию, являющуюся неотъемлемым технологическим процессом в газообильных и выбросоопасных шахтах, необходимо смотреть одновременно как на способ добычи метана с последующим его использованием в народном хозяйстве, так и как на способ снижения газообильности горных выработок, преследующий совместно с вентиляцией повышение производительности шахт и снижение количества газодинамических явлений. Основной задачей является расширение объемов утилизации угольного метана в народном хозяйстве.

4.1 Выбор вакуум-насоса

Вакуум-насосы могут быть поршневыми или ротационными. Поршневые применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокое давление на выходе и высокую степень разрежения на всасе. Эти насосы отличаются большой степенью сжатия и меньшим, по сравнению с ротационными, теплоотводом, что создает значительное повышение температуры газа на выходе из насоса.

При ведении дегазационных работ применяют в основном ротационные машины с водой в качестве рабочей жидкости -- водокольцевые вакуум-насосы. Вода, имеющая высокие теплоемкость и теплотворность, не создает с горючими газами взрывоопасной смеси. Возможный интенсивный отвод тепла, выделяющегося при сжатии газа, обеспечивает незначительное повышение температуры газа на выходе из вакуум-насоса. Наличие в метановоздушной смеси угольной и породной пыли приводит к повышенному износу рабочих органов в поршневых насосах. В водокольцевых насосах степень износа значительно ниже.

В общем случае водокольцевые вакуум-насосы состоят из цилиндрического или эллипсообразного корпуса 1 (рис. 4.1), закрытого с торцов крышками-лобовинами. Внутри корпуса расположено рабочее колесо 3 с литыми изогнутыми лопатками. Колесо, посаженное навал, размещено в корпусе насоса с эксцентриситетом. Выпуклая сторона лопаток направлена в сторону, противоположную направлению вращения рабочего колеса. Выход вала из крышки-лобовины уплотнен сальником. В корпус насоса подается вода, которая создает в сальниках гидравлический затвор, обеспечивающий дополнительную герметичность. Принцип действия водокольцевого насоса следующий. Перед запуском насоса вода заполняет его корпус примерно наполовину. При вращении электродвигателем вала насоса лопатки ротора увлекают за собой воду, отбрасываемую от втулки рабочего колеса к корпусу, образуя водяное кольцо 7. Благодаря наличию эксцентриситета между водяным кольцом и втулкой ротора образуется серповидное пространство около центра внутренней полости корпуса со стороны, противоположной валунасоса. Рабочая полость вакуум-насоса разделена на отдельные ячейки, ограниченные лопатками, втулкой ротора, торцевыми крышками и внутренней поверхностью жидкостного кольца.

При вращении вала вследствие эксцентриситета объем каждой ячейки, начиная с ее верхнего вертикального положения, увеличивается, и через всасывающие патрубок 5 и окно б происходит засасывание каптируемой метановоздушной смеси. При дальнейшем вращении рабочего колеса после прохождения ячейкой нижнего вертикального положения ее объем начинает уменьшаться, вследствие чего происходит сжатие метановоздушной смеси и выталкивание ее через нагнетательное окно 2. Во время работы насоса из

корпуса через нагнетательный патрубок 4 вместе с нагнетаемым газом выбрасывается вода в количестве, равном количеству воды, поступившей в насос. Для отделения воды от газа и ее сбора установлен водосборник, который с помощью гидоозатвора может наподняться водой только до определенного уровня. Водосборник соединен трубкой с вакуум-насосом и коммуникацией для дополнительного питания установки водой.

Для дегазации угольных шахт применяют водокольцевые вакуум-насосы типа РМК, ВВН, ЖВН, ДВВН, имеющие одинаковый принцип действия и отличающиеся конструкторскими решениями, размерами, производительностью, наличием тех или иных дополнительных элементов (встроенных редукторов, насосов смазки, водоотделителей и др.). Водокольцевые насосы изготовляют двух типов: В -- простого и ДВ -- двойного действия.

Вакуум-насосы могут включаться параллельно или последовательно. Параллельное подключение характерно для поверхностных ВНС, последовательное -- для вспомогательных подземных ВНС. Эффективность Э параллельной или последовательной работы насосов зависит от уточненного эквивалентного сопротивления дегазационной сети Rc,.

Вакуум-насосы типа РМК (ротационные машины компрессионные) относятся к машинам жидкостно-кольцевого типа и используются для создания вакуума или вкачестве компрессора (табл. 4.1). Рабочей жидкостью может служить вода, масло или любая другая неагрессивная жидкость. При использовании насосов в дегазационных системах угольных шахт в качестве рабочей жидкости применяют только воду. Вакуум насосы типа РМК выпускаются трех типоразмеров: РМК-2 (ВВН-32, РМК-3 (ВВН-12) и РМК-4 (ВВН-25). Основная характеристика данных насосов - зависимость давления во всасывающем патрубке от его подачи.

Рис. 4.1 Водокольцевой вакуум-насос одинарного действия

Таблица 4.1 - Технические характеристики вакуум-насосов

Показатели	РМК-2	РМК-3	РМК-4
Максимальный вакуум, %	90	96
Максимальное давление нагнетания,	0,14	0,21
МПа
Максимальная подача, м3/мин	3,6	11,5	27
Частота вращения вала, мин-1	1450	960	720
Мощность электродвигателя, кВт:
Мощность электродвигателя, кВт:
вакуум-насоса	10	28	75
газодувки	14	40	75
Максимальный расход воды, м3/мин:
вакуум-насосом	0,02
газодувкой	0,03	0,06	0,1
Диаметр рабочего колеса, мм	200	325	450
Число лопаток	12	20
Внутренний диаметр корпуса, мм Эксцентриситет, мм Торцевой зазор (между колесом и крышкой), мм	230 12	280	540
		20	35
	0,15	0,25
Диаметр штуцеров, мм (дюйм):
всасывающего	70	120	170
и нагнетательного
водяных	9,525	12,7(1/2)
	(3/8)
Объем, м3:
водосб орника	0,12	0,3
газосборннка		0.28
Габариты, мм:
длина	730	1310	1645
ширина	410	450	600
высота	445	990	1265
Масса, кг:
насоса	123	520	1028
водосборника	27,5	77
газозборника		133

4.1.2 Выбор водокольцевого вакуум-насоса

Табл. 4.2 - Техническая характеристика водокольцевого

вакуум-насоса ВВН-150

Максимальный вакуум, %	85
Максимальное давление нагнетания, МПа	0,15
Максимальная подача, м3/мин	150
Частота вращения вала, мин-1	179
Мощность электродвигателя, кВт	250
Максимальный расход воды, м3/мин	0,35
Габариты, мм	2665х2180х2095
Масса, кг	9490

Насос ВВН-150 имеет четыре всасывающих патрубка и один нагнетательный. Всасывающий патрубки обычно подсоединяются одной системе, а при необходимости - попарно или в отдельности к различным системам питания. Схема питания ВВН-150 представлена на Рис. 4.1

Рис. 4.1 - Схема питания вакуум-насоса ВВН-150: 1 - водоотделитель; 2 - ороситель; 3 - Сетка; 4 - труба; 5 - вакуум-насос; 6 - водяной насос.

4.1.3 Выбор электродвигателя

Электродвигатель устанавливается на ВНС для привода вакуумных и водяных насосов. Для привода вакуум-насосов обычно устанавливается электродвигатели во взрывобезопасном исполнении.

В помещении для электродвигателя должна быть оборудована система приточной вентиляции, автоматически включающаяся и поддерживающая избыточное давление при появлении утечек метана в машинном зале вакуум-насосной станции.

Асинхронный взрывобезопасный электродвигатель трехфазного тока с короткозамкнутым ротором серии МА36 (техническая характеристика представлена в табл. 4.1; схема двигателя - рис. 4.4) предназначен для длительной работы в угольных шахтах, опасным по газу и пыли. Он имеет взрывозащищенное исполнение и рассчитан для работы при температуре окружающего воздуха не более +35 оС и относительной влажности до 97%. Электродвигатель - горизонтальный, на лапах, с одним свободным концом вала, рассчитанным на частоту вращения 750, 100 и 1500 мин-1 и напряжение 380/660 В. Охлаждение осуществляется за счет обдува от собственного вентилятора.

Табл. 4.1 - Техническая характеристика АД МА 36

Мощность, кВт	100
Частота вращения, мин-1	1000
КПД	0,91
Масса, кг	1070

Рис. 4.1 - Схема АД МА 36

4.2 Определение расхода метано-воздушной смеси, извлекаемой на поверхность

Составляем схему газопроводов для дегазации и извлечения метана на поверхность (рис. 4.2).

Общий дебит каптируемого метана в скважинах в пределах одного участка Ic общ (м3/мин) определяем, дифференцировано (по каждому источнику его выделения), по формуле:

,(4.2)

(м3/мин) ;

где qi - метановыделение i-того источника;

Kiэф - коэффициент эффективности дегазации i-того источника.

Расход метано-воздушной смеси, извлекаемой на поверхность из одного участка Qучi (м3/мин), определяем по формуле:

(4.3)

где С - концентрация метановоздушной смеси 30 % об.

Рис. 4.2 - Схема дегазации и извлечения метана на поверхность

4.3 Разработка плана мероприятий по использованию метана

Каждое горное предприятие должно иметь специальную службу или подразделение, а может только инженера-эколога, которые выполняют экологический контроль и надзор за состоянием окружающей природной среды. Эта служба имеет достаточные полномочия и ее деятельность направлена на разработку мероприятий и проектов, снижение вредного воздействия предприятия на окружающую среду. Каждые полгода на предприятии должны утверждаться мероприятия по охране окружающей природной среды. Поэтому основой работы есть реальные документы, пример которого в приложении В "План мероприятий по охране окружающей природной среды предприятия».

Мероприятия изъятию метана угольных шахт в зависимости от способа его извлечения представлены на рис. 4.3.

Рис.4.3 - Мероприятия по изъятию метана угольных шахт

Эта работа выполняется на основе материалов, добытых во время прохождения производственной практики. Студент должен приять решение по разработке или усовершенствованию мероприятия или системы мероприятий по охране атмосферы на конкретном предприятии.

При этом следует уделить внимание следующему:

- Характеристикам главных объектов загрязнения воздуха: котельной, цеха деревообработки, выбросы из вентиляционного ствола;

- Формированию необходимых климатических условий, при которых может наблюдаться повышенное загрязнение окружающей среды;

- Разработке мероприятий по урегулированию выбросов в атмосферу по трем на-правлении:

l) снижение выбросов, 2) снижение концентрации загрязняющих веществ;3) снижение концентрации загрязняющих веществ при временном сокращении производительности предприятия.

5. ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЕДЕНИИ РАБОТ

Прием в эксплуатацию дегазационных систем проводит комиссия, которую назначает технический руководитель шахты с участием представителя местных органов Госнадзорохрантруда.

Концентрация метана в дегазационных газопроводах должна быть не менее 25%. В отдельных случаях разрешено транспортировать метановоздушную смесь с содержанием метана менее 25% при условии выполнения мер по обеспечению взрывобезопасности, согласованных с МакНИИ и местными органами Госнадзорохрантруда.

Для дегазации шахт применяют газоотсасываюшие машины, вакуум-насосы, центробежные вентиляторы, пневматические эжекторы, которые исключают возможность воспламенения в них извлекаемой метановоздушной смеси или эксплуатируются в условиях режимах, которые обеспечивают их взрывобезопасность.

Запрещено использовать добываемую дегазацией смесь путем прямого сжигания с содержанием метана ниже 25% как топливо для промышленных установок (котельных) и с содержанием метана ниже 50% - для бытовых нужд.

Вакуум-насосные станции (стационарные и передвижные) располагают на поверхности. Временные подземные дегазационные установки применяют по разрешению технического руководителя шахты. Срок эксплуатации ПДУ определяют проектом.

Руководить работами по дегазации шахт имеют право лица со стажем работы в газовых шахтах не менее одного года, прошедшие обучение по специальной программе.

Работа дегазационной системы на шахте в аварийной ситуации должна осуществляться соответственно плану ликвидации аварий.

Дегазацию шахты, выемочного участка или отдельной горной выработки можно прекратить, если фактическая газообильность меньше проектной и средства вентиляции обеспечивают разбавление выделяющегося метана до безопасного ее содержания в соответствии с ДНАОП 1.1.30-1.01.

Это условие не распространяется на случаи применения дегазации для расширения зоны зашиты выбросоопасных пластов, для предотвращения прорывов или суфлярных выделений метана.

Решение относительно прекращения дегазации (в форм протокола) принимает технический руководитель шахты (главный инженер) на основании заключения МакНИИ и согласования с местными органами Госнадзорохрантруда.

6. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НАСЛЕДСТВИЯ ВНЕДРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТАНА В УСЛОВИЯХ ШАХТЫ

Расчет себестоимости произведенной КГЭС электрической энергии и срока окупаемости инвестиций в строительство

Рассчитываем необходимое количество газопоршневых установок :

(6.1)

где - QСН4 - расход метано-воздушной смеси, извлекаемой на поверхность из одного участка ;

- QС расход смеси = 622,5 м2 /ч;

Суммарная электрическая мощность КГЭС, кВт.эл:

Рсум.эл.= Nуст·Руст= 3·3035 = 9105 кВт.эл ; (6.2)

Стоимость монтажа КГЭС «под ключ», у.е.:

Смонт= Рсум.эл ·Суд.монт; (6.3)

где Суд.монт - удельная стоимость монтажа, у.е./кВт.эл.

Смонт= 9105 *920 = 8376600 (у.е);

Суммарная тепловая мощность КГЭС, гккал/ч:

Pcyм.теп = Nуст·Руст.теп= 3* 2630 = 7890 гккал/ч ; (6.4)

Часовой расход шахтного газа КГЭС, м:

Пгаз.ч = Qc · Nyст = 622,5*12 = 1867,5 м; (6.5)

Годовое количество выработанной электроэнергии, мВт·ч/год:

Qэл.год = Рсум.эл· 350д. · 24ч = 102009600 мВт·ч/год; (6.6)

Годовое количество выработанной тепловой энергии, Гкал/год:

Qтеп.год =Рсум.теп·350·24= 7890*350 *24 =66276000 Гкал/год; (6.7)

Годовое количество потреблённого газа, тыс. м3/год:

Пгаз.год = Пгаз.ч ·350 ·24 = 1867,5*24*350= 15687000 тыс. м3/год; (6.8)

Годовые расходы на эксплуатацию КГЭС:

- покупка газа, грн/год:

Пгаз.дег= Пгаз.год·Цгаз = 15687000*6= 94122000 грн/год; (6.9)

где Цгаз - цена газа с НДС, грн/м3;

- расходы на моторное масло, грн/год:

Пмот.м= Qэл.год·Gм.кВт·Цм = 76482000*0,3*18/1000=413002,8грн/год;

где Gм.кВт - расход масла на 1 кВт·ч (кг/кВт·ч); (6.10)

Цм - стоимость масла с НДС (грн/кг);

- среднегодовые расходы на сервисное обслуживание, грн/год:

Зср.год. = ЦКГЭС·Nycт·Ссерв.обс/10·Цевр = 1440000*3*0,7/10*10,5=28800 грн/год; (6.11)

где Цкгес - стоимость одной энергоустановки, EURO;

Ссерв.обс - стоимость сервисного обслуживания (в % от стоимости установки за 10 лет);

Цевр - курс евро;

- заработная плата обслуживающего персонала, грн/год:

Зперс = Зср.мес·Nчел·N = 1500*4*12 = 18000 грн/год; (6.12)

где Зср.мес - среднемесячная зарплата персонала, грн/мес;

Nчел - количество персонала, чел;

Годовые затраты на эксплуатацию КГЭС: (6.13)

Уэкспл= Пгаз.дег + Пмот.м + Зср.год + Зперс =

= 94122000 + 413002 + 28800+ +18000 = 94581802,8 грн/год);

Годовые расходы на приобретение эквивалентного количества:

1) электрической энергии:

Зэл.эн = Qэл.год ·Цэл.эн·1000 = 76482000*0,78*1000 = 59655960000 грн/год; (6.14)

2) тепловой энергии:Зтеп.эн = Qтеп.год·Цтеп.эн = 66276000* 200=13255200000 грн/год; (6.15)

где Цэл.эн - тариф на электроэнергию (с НДС);

Цтеп.эн - тариф на тепловую энергию (с НДС);

Узатр = Зэл.эн + Зтеп.эн =59655960000+13255200000=72911160000 грн/год; (6.16)

Структура себестоимости электроэнергии, произведенной на КГЭС:

- удельная стоимость газа дегазации, грн/кВт·ч:

УСГ = Пгаз.дег / Qэл.год = 94122000/76482000= 1,23 грн/кВт·ч; (6.17)

- удельная стоимость масла, грн/кВт·ч;

УСМ = Пмот.м / Qэл.год = 41300,8/76482000 = 0,005 грн/кВт·ч; (6.18)

- удельная стоимость сервисного обслуживания, грн/кВт·ч:

УСС = Зср.год/ Qэл.год = 28800/76482000=0,0004 грн/кВт·ч; (6.19)

- удельная зарплата персонала, грн/кВт·ч:

УЗП = Зперс / Qэл.год = 18000/76482000=0,0002 грн/кВт·ч;. (6.20)

Таким образом, себестоимость электроэнергии:

Sэл.эн = УСГ + УСМ + УСС + УЗП =1,23+0,005+0,0004+0,0002=1,235 грн/кВт·ч; (6.21)

Годовая экономия при эксплуатации КГЭС:

Ээл.эн = Зэл.эн - Уэкспл = 13851759601-94581802=13757177799 грн/год; (6.22)

ВЫВОД

Выполнение курсового проекта по дисциплине «Технологии КВН - ч. 3 - технологии использования метана” на тему «Выбор технологий и оборудования для комплексного использования шахтного метана» позволяет поволнить свои знания, привычки и усовершенствоваться как будущий специалист.

В ходе работы был сделан анализ ситуации на предприятии, обоснование входных данных, проведен выбор и обоснование технологии извлечения метана из недр, транспорт его на поверхность, подготовку к использованию и использованию для хозяйственных нужд.

Все материалы при работе курсового проекта в будущем будут использованы и полезны мне при подготовки работ специалистов и магистров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Закон України «Про охорону НПС» від 25.06.1991 р., №1264-XII із змінами і доповненнями.

Кодекс України про надра від 27.07.1994 р., №257/94-ВР.

Закон України «Про газ (метан) вугільних родовищ» №1392-VI від 21.05.2009.

Закон України «Про комбіноване виробництво теплової та електричної енергії (когенерацію) та використання скидного потенціалу»

№ 2509-15 від 5.04.2005.

Геомеханические и технологические проблемы закрытия шахт Донбасса: Уч. пособие/ под ред. С.С. Гребенкина. - Донецьк: ДонНТУ; 2002. - 266 с.

Сохранение ОПС на горных предприятиях: монография / Гребенкин С.С., Костенко В.К., Матлак Е.С. - Д.: «Вик», 2009. - 505 с.

Технологические схемы комплексного использования недр при подземной разработке угольных месторождений. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского; 1991. - 392 с.

Руководство по дегазации угольных шахт. - М.: Недра, 1990. - 192 с.

Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. - К.; 1994. - 311 с.

Шахтная атмосфера: уч. пособие / В.А. Стукало. - К.: УМК ВО; 1989. - 104 с.

Аэрология горных предприятий: Учебник для вузов / [Ушаков К.З. и др.] - М.: Недра; 1987. - 421 с.

Малашкина В.А. Дегазационные установки: Уч. пособие. - М.: Изд-во МГГУ; 2000. - 190 с.

Кауфман Л.Л., Лысиков Б.А., Кулдыкаев М.И. Добыча горючих газов угольных месторождений: [уч. пособие] / Л.Л. Кауфман. - Донецьк: ДонНТУ; 2007. - 233 с.

Губарев А.В., Васильченко Ю.В. Теплогенерирующие установки. [уч. пособие] ч.1, ч.2 / Ю.В. Васильченко - Белгород: БГТУ им. В.Г. Жукова.

А.В. Пешко, Н.Г. Белопольский, Д.К. Курченко. Концепция программы «Повышение эффективности использования энергоресурсов Украины». - К.: СПП «Аверс»; 2005. - 56 с.

Размещено на Allbest.ru