Innovative aspects of underground coal gasification technology in mine conditions

Purpose. Development of innovative approaches in technological and technical solutions improvement for coal seam gasification. Methods. Carrying-out of native and world experience in the coal reserves development by underground gasification technology analysis, analytical studies on the heat and mass balance gasification process parameters determining and determination of the rock massif stress-deformed state around the gas gasifiers, and its technical and economic indicators operation. Findings. The analytical calculations of the rocks stress-deformed state for the Western Donbas mines conditions have revealed that the maximum length of the gasification pillar should not be more than 580 m. The innovative technological schemes of gas gasifiers sites preparation work are proposed in two constructions: with roses and drill injected blast activators. The energy indicators of the gas gasifiers work, the period of release into the gasification mode during reverse operations and fuel gases discharge during different combustion face advance and the injected blast composition are determined. Introduction of gas gasifiers’ constructions with drill injected blast activators are recommended for the numerous advantages. Originality. The dependence of the gasification pillar length change on the technical and economic parameters of the gasification station operation was established; the dependence of the gasification operation on the gasification mode and exhaust gases discharge, depending on the injected blast composition and the rate of the combustion face advance. Practical implications. The rational parameters of bed preparation at mine gasification, as well as energy and technological parameters of this process are substantiated. New technological schemes for coal reserves working out with gasification have been developed, which will allow additionally to use non-commercial and abandoned mine reserves and extend the mining enterprises duration.Мета. Розробка інноваційних підходів до удосконалення технологічних та технічних рішень при шахтній газифікації вугілля. Методика. Проведення аналізу вітчизняного та світового досвіду з розробки вугільних запасів технологією підземної газифікації, аналітичні дослідження з визначення параметрів матеріально-теплового балансу процесу газифікації, напружено-деформованого стану гірського масиву навколо шахтних газогенераторів та визначення техніко-економічних показників їх роботи. Результати. Аналітичними розрахунками напружено-деформованого стану порід для умов шахт Західного Донбасу встановлено, що максимальна довжина стовпа газифікації повинна складати не більше 580 м. Запропоновані інноваційні технологічні схеми підготовки ділянки пласта шахтних газогенераторів у двох конструкціях: з перфорованими насадками та з перфорованим активатором дуття. Визначені енергетичні показники роботи шахтних газогенераторів, термін виходу у режим газифікації при здійснені реверсних робіт та виходу паливних газів при різному посуванні вогневого вибою та складу дуття. Рекомендовано за численними перевагами впровадження конструкцій шахтних газогенераторів з перфорованим активатором. Наукова новизна. Встановлено залежність зміни довжини стовпа шахтного газогенератора від техніко-економічних показників роботи станції газифікації; залежності виходу шахтного газогенератора у режим газифікації та виходу генераторних газів залежно від складу дуття та швидкості посування вогневого вибою. Практична значимість. Обґрунтовано раціональні параметри підготовки вугільного пласта при шахтній газифікації, а також енергетичні та технологічні показники цього процесу. Розроблено нові технологічні схеми відпрацювання запасів вугілля шахтною газифікацією, що дозволить додатково залучити забалансові та залишені у межах шахтних полів запаси вугілля та подовжити термін існування гірничих підприємств.Цель. Разработка инновационных подходов к совершенствованию технологических и технических решений при шахтной газификации угля. Методика. Проведение анализа отечественного и мирового опыта по разработке угольных запасов технологией подземной газификации, аналитические исследования по определению параметров материально-теплового баланса процесса газификации, напряженно-деформированного состояния горного массива вокруг шахтных газогенераторов и определение технико-экономических показателей их работы. Результаты. Аналитическими расчетами напряженно-деформированного состояния пород для условий шахт Западного Донбасса установлено, что максимальная длина столба газификации должна составлять не более 580 м. Предложенные инновационные технологические схемы подготовки участка пласта шахтных газогенераторов в двух конструкциях: с перфорированными насадками и с перфорированным активатором дутья. Определены энергетические показатели работы шахтных газогенераторов, срок выхода в режим газификации при осуществлении реверсных работ и выхода топливных газов при различном подвигании огневого забоя и состава дутья. Рекомендовано по многочисленным преимуществам внедрение конструкций шахтных газогенераторов с перфорированным активатором. Научная новизна. Установлена зависимость изменения длины столба шахтного газогенератора от технико-экономических показателей работы станции газификации; зависимости выхода шахтного газогенератора в режим газификации и выхода генераторных газов в зависимости от состава дутья и скорости подвигания огневого забоя. Практическая значимость. Обоснованы рациональные параметры подготовки угольного пласта при шахтной газификации, а также энергетические и технологические показатели данного процесса. Разработаны новые технологические схемы отработки запасов угля шахтной газификацией, что позволит дополнительно вовлечь забалансовые и оставленные в пределах шахтных полей запасы угля и продлить срок существования горных предприятий.This work was supported by the Ministry of Education and Science of Ukraine, grants No.0116U008041 and No.0117U001127

Обоснование параметров формирования полостей расслоения в породах кровли при газификации угольного пласта

Purpose. Underground coal gasification, as a complex and technically difficult process, should be supported in many aspects by computer simulations or analytical calculations of rock mass behavior. However, little is known about the formation of stratification cavities in the roof rocks during coal seam gasification. To research the formation of stratification cavities and rocks deformations by mine pressure with the methods of calculation based on hypotheses or statistical information, a number of hypotheses are used. The main purpose is to examine the rock mass behavior and formation of stratification cavities during gasification of a thick coal seam. Methods. Analytical calculations were used as the research method for the work presented. The mathematical model of the stress-strain state of rock mass based on the theory of elasticity, resiliency, and maximum equilibrium, was developed and used in this paper. Findings. Critical analysis of geomechanical models of coal gasification together with their mathematical formulation was the result of considerations presented in this paper. Equations were derived for substantiating parameters of stratification cavities above the goaf of the underground gasifier. Subsequently, the volumes of stratification cavities depending on the length of gasification channel were calculated. The results have significant influence on gasifiers development and the final efficiency of gasification process. Originality. The research results were obtained from analytical calculations of rock mass behavior during thick coal seams gasification. The authors implemented a mathematical model based on the method suggested by professor A. Savostianov which was used in carrying out the calculations. Practical implications. The present study provides a starting point for further research and analytical calculations of rock mass behavior. The data and conclusions outlined in this paper may be useful in preliminary optimization and analysis of coal seams gasification. They can also be a point of reference for more advanced geomechanical simulations.Мета. Підземна газифікація вугілля, як комплексний і технічно складний процес, у багатьох аспектах вимагає підтримки, яка надається за допомогою комп'ютерного моделювання або аналітичних розрахунків поведінки гірського масиву. Проте, дуже мало відомо про формування порожнин розшарування в породах покрівлі при підземної газифікації вугілля. У дослідженні формування порожнин розшарування і деформацій гірських порід гірським тиском, де методи розрахунку базуються на гіпотезах або статистичній інформації, використовується ряд гіпотез. Основна мета полягає у вивченні поведінки гірського масиву і формування порожнин розшаруван- ня при підземній газифікації вугілля потужного вугільного пласта. Методика. В якості методики дослідження для представленої роботи були використані аналітичні розрахунки. В статті на основі теорії пружності, стійкості і максимальної рівноваги розроблена і використана математична модель напружено-деформованого стану гірського масиву. Результати. Аналіз геомеханічних моделей газифікації вугілля разом з їх математичним формулюванням є основним результатом, що представлений в даній статті. Представлені рівняння для обґрунтування параметрів порожнин розшарування над виробленим простором підземного газогенератора. Відповідно, розраховані об’єми порожнин розшарування в залежності від довжини реакційного каналу. Результати мають значний вплив на підготовку газогенераторів і кінцеву ефективність процесу газифікації. Наукова новизна. У роботі представлені результати, що були отримані з аналітичних розрахунків поведінки гірського масиву в процесі газифікації потужних вугільних пластів. Авторами реалізована математична модель, на основі методу, запропонованого проф. О. Савостяновим, що був представлений для проведення розрахунків. Практична значимість. Отримані дані служать відправною точкою для подальших досліджень і аналітичних розрахунків поведінки гірського масиву. Результати, наведені в статті, можуть бути корисні при проведенні попередньої оптимізації та аналізі газифікації вугільних пластів, а також бути базисом для обґрунтування більш просунутих геомеханічних моделей.Цель. Подземная газификация угля, как комплексный и технически сложный процесс, во многих аспектах требует поддержки, оказываемой с помощью компьютерного моделирования или аналитических расчетов поведения горного массива. Однако, чрезвычайно мало известно о формировании полостей расслоения в породах кровли при подземной газификации угля. В исследовании формирования полостей расслоения и деформаций горных пород горным давлением, где методы расчета базируются на гипотезах или статистической информации, используется ряд гипотез. Основная цель заключается в изучении поведения горного массива и формировании полостей расслоения при подземной газификации угля мощного угольного пласта. Методика. В качестве методики исследования в настоящей работе были использованы аналитические расчеты. В статье на основе теории упругости, устойчивости и максимального равновесия разработана и использована математическая модель напряженно-деформированного состояния горного массива. Результаты. Анализ геомеханических моделей газификации угля вместе с их математическим формулированием является основным результатом, описанным в данной статье. Приведены уравнения для обоснования параметров полостей расслоения над выработанным пространством подземного газогенератора. Соответственно, рассчитаны объемы полостей расслоения в зависимости от длины реакционного канала. Результаты оказывают значительное влияние на подготовку газогенераторов и конечную эффективность процесса газификации. Научная новизна. В работе представлены результаты, полученные путем аналитических расчетов поведения горного массива в процессе газификации мощных угольных пластов. Авторами реализована математическая модель на основе метода, предложенного проф. А. Савостяновым, который был использован при проведении расчетов. Практическая значимость. Полученные данные служат отправной точкой для дальнейших исследований и аналитических расчетов поведения горного массива. Результаты, приведенные в статье, могут быть полезны при проведении предварительной оптимизации и анализе газификации угольных пластов, а также являться базисом для обоснования более продвинутых геомеханических моделей.Работа выполнена в рамках реализации проекта: “Development the technical parameters and technologies of borehole underground coal seams gasification at shallow depths” No 0109U004382, по обоснованию целесообразности технологии СПГУ для условий буроугольного месторождения Западной Польши

Features of setting up a complex, combined and zero-waste gasifier plant

Purpose. Setting up and implementation of complex, combined and non-waste power-chemical plant based on underground coal gasification with regard to analysis of its technical and economic efficiency. Methods. Research into the reliability of the gasifier plant components was performed by determining the sequence of processes and operations during underground coal gasification technology at all levels of the process. Findings. It was established that high reliability of coal gasification is ensured by stability of all constituents of the technological elements of the process. The basic steps of combining power and chemical plant specializing in synthetic hydrocarbons production are described. During gasifier plant operation, upgrading of equipment at the general level of mechanization between 0.5 – 0.7 will not lead to a serious increase in productivity. Therefore, it is necessary to allocate means and efforts to completion of mechanization of all production processes. Originality. The efficiency of mechanization and automation of processes at a gasifier plant is expressed through the formula of automatic control. We have identified dependencies describing changes in the mechanization efficiency of all technological units of the gasifier plant and productivity growth due to reducing the number of manufacturing operations. Practical implications. Analytical research testifies that effective functioning of the gasifier plant is ensured by automation of all technological processes. Computer system conversion requires additional investments which exceed the costs of mechanization by 1.25 – 1.4 times.Мета. Формування та впровадження комплексного, комбінованого та безвідходного енергохімічного підприємства на базі підземної газифікації вугілля з урахуванням аналізу рівня його техніко-економічної ефективності. Методика. Дослідження надійності роботи складових елементів газогенераторного підприємства виконувалося шляхом визначення послідовності процесів та операцій при підземній газифікації вугілля на усіх технологічних ланках даного процесу. Результати. Встановлено, що висока надійність процесу газифікації вугілля забезпечується стійкістю всіх складових технологічних елементів даного процесу. Описано основні етапи комбінування енергохімічного підприємства з орієнтацією на отримання синтетичних вуглеводнів. При роботі газогенераторного підприємства модернізація обладнання при загальному рівні механізації 0.5 – 0.7 не призведе до серйозного збільшення продуктивності праці. Тому варто направляти засоби і зусилля на закінчення стадій механізації усіх виробничих процесів. Наукова новизна. Встановлено, що ефективність механізації та автоматизації процесів роботи газогенераторного підприємства виражається формулою автоматичного керування. Визначено залежності зміни ефективності механізації всіх технологічних ланок газогенераторного підприємства та росту продуктивності праці від скорочення числа технологічних операцій. Практична значимість. Ефективне функціонування газогенераторного підприємства, як показують проведені аналітичні дослідження, забезпечується автоматизацією усіх технологічних процесів на даному підприємстві. Для освоєння систем автоматизації необхідні додаткові капіталовкладення, що перевищують витрати на механізацію у 1.25 – 1.4 рази.Цель. Формирование и внедрение комплексного, комбинированного и безотходного энергохимического предприятия на базе газификации угля на основе анализа уровня его технико-экономической эффективности. Методика. Исследование надежности работы составных элементов газогенераторного предприятия выполнялось путем определения последовательности процессов и операций при подземной газификации угля на всех технологических звеньях данного процесса. Результаты. Установлено, что высокая надежность процесса газификации угля обеспечивается надежностью и устойчивостью всех составляющих технологических элементов данного процесса. Описаны основные этапы комбинирования энергохимического предприятия с ориентацией на получение синтетичных углеводородов. При работе газогенераторного предприятия модернизация оборудования при общем уровне механизации 0.5 – 0.7 не приведет к серьезному увеличению производительности труда. Поэтому следует направлять средства и усилия на окончание стадий механизации всех производственных процессов. Научная новизна. Установлено, что эффективность механизации и автоматизации процессов работы газогенераторного предприятия выражается формулой автоматического управления. Определены зависимости изменения эффективности механизации всех технологических звеньев газогенераторного предприятия и роста производительности труда от сокращения числа технологических операций. Практическая значимость. Эффективное функционирование газогенераторного предприятия, как показывают проведенные аналитические исследования, обеспечивается автоматизацией всех технологических процессов на данном предприятии. Для освоения систем автоматизации необходимы дополнительные капиталовложения, превышающие расходы на механизацию в 1.25 – 1.4 раза.Дана робота виконана в рамках проведення комплексного наукового проекту між Державним ВНЗ “Національний гірничий університет” та ТНПУ ім. В. Гнатюка “Наукові засади переробки органічних палив комплексними енергетичними підприємствами” при підтримці Міністерства освіти і науки України, № держреєстрації 0115U002293

Using the methods to calculate parameters of drilling and blasting operations for emulsion explosives

Mathematical modelling of rock mass breaking using blasting has been applied to obtain formulas for the calculation of crush zone radii, intensive fragmentation, and crack formation around the charging cavity in the structure, diameter of the charging cavity, diameter of the charge itself, detonation characteristics of an explosive, boundaries of the rock strength, rock mass jointing, and mineral compression under the effect of rock pressure. The methods have been developed to calculate parameters of drilling and blasting operations (DBOs) while driving the mine workings based upon the idea of the arrangement of blastholes in terms of areas they occupy in a fore-breast as well as upon their location relative to break-off outline. Stage one of the methods involves calculating and designing burn cuts where a distance between blastholes is determined with the help of a fragmentation zone radius. Stage two means calculation of both specific and total explosion consumption per borehole bottom, line of least resistance (LLR) for a borehole in terms of intensive fragmentation, areas of borehole groups, borehole number, analytical and actual distance between boreholes, actual charge amount per borehole, and actual specific and the total explosive (E) consumption per borehole bottom. The methods have been tested in the operating ore mine while driving a mine working. Emulsion explosive (EE) Ukrayinit-PP-2 (Україніт-ПП-2) has been applied. The developed methods have been used to calculate DBOs parameters for the explosive. Trial blasts demonstrated the good firing of a borehole bottom and uniform ore fragmentation; a high coefficient of borehole use has been supported

Geo energy: retrospective and perspective

Розглянуто недалеке минуле, сучасний стан та перспективи розвитку енергетики в Україні в рамках загальносвітових тенденцій формування енергопостачання на основі традиційних та альтернативних джерел. Авторами запропоновано напрямки зміни вуглевидобування та вуглевикористання на основі традиційних та радикальних технологій. Розглянуто можливості застосування систем когенерації від різних енергетичних джерел. Основним напрямом енергетичного удосконалення має стати формування нових принципів створення енергетичних джерел причому це має відбуватися із урахуванням екологічної компоненти та економічної доцільності. Кожне рішення пов’язане із вуглевидобутком та його переробкою має бути комплексним і максимально поєднаним із іншими джерелами.Рассмотрены недалекое прошлое, современное состояние и перспективы развития энергетики в Украине в рамках общемировых тенденций формирования энергоснабжения на основе традиционных и альтернативных источников. Авторами предложены направления изменения угледобычи и углеиспользования на основе традиционных и радикальных технологий. Рассмотрено возможности применения систем когенерации от различных энергетических источников. Основным направлением энергетического совершенствования должно стать формирование новых принципов создания энергетических источников причем это должно происходить с учетом экологической компоненты и экономической целесообразности. Каждое решение связано с угледобычей и его переработкой должно быть комплексным и максимально совмещенным с другими источниками.To carry out an analysis of the energy supply repository to predict its future status

Обґрунтування впливу швидкості посування очисного вибою на напружено-деформований стан гірського масиву

Мета. Дослідження впливу швидкості посування очисного вибою на геомеханічну ситуацію навколо видобувної дільниці на основі встановлення зміни нормальних та критичних опускань порід безпосередньої покрівлі. Методика. Для дослідження геомеханічної ситуації навколо видобувної дільниці авторами роботи застосовано програмний продукт “GeoDenamics Lite”, розроблений у НТУ “Дніпровська політехніка”. В основу даного програмного продукту покладено метод розрахунку напружено-деформованого стану порід професора О.В. Савостьянова. Доцільність вибору програмного продукту ґрунтується на забезпеченні керованістю та адаптацією технологічного процесу видобутку вугілля до змін геодинамічних полів напружень у анізотропному породо-вугільному середовищі, що впливає на зміну технологічних параметрів у просторі та часі. Результати. Виділено основні проблеми пов’язані зі зміною швидкості посування очисного вибою. Вперше для гірничо- геологічних умов шахти “Лісова” ДП “Львіввугілля” побудована розрахункова схема дотичних напружень у шарі порід безпосере- дньої покрівлі в умовах виїмки вугільного пласта спареними лавами, що дозволяє встановити фізичні та геометричні параметри нормальних навантажень у товщі порід. Наукова новизна. Встановлено залежності зміни опускань та горизонтальних переміщень у просторі й часі породних шарів основної покрівлі (верхньої породної пачки hвп = 5.2 м, нижньої пачки hнп = 3.9 м при змінній швидкості посування вибою лави від 1.9 до 4.8 м/добу. Визначено фізичні та геометричні параметри опорної зони тиску та при опусканні нижньої пачки пісковику осно- вної покрівлі. Досліджено вплив додаткових сил тиску на породи безпосередньої покрівлі у момент критичних опускань шару порід безпосередньої покрівлі. При цьому нормальне привантаження з боку вищележачої породної товщі та дотичні напруження у шарі покрівлі є причиною руйнування порід вертикальними тріщинами над очисним вибоєм. Практична значимість. Розроблена інженерна методика, що дозволяє визначити параметри впливу швидкості посування очисно- го вибою на геомеханічну ситуацію навколо видобувної дільниці. Це дозволяє в подальшому прогнозувати зміну параметрів зони опорного тиску навколо очисного вибою та уникнути критичних ситуацій щодо посадки механізованого кріплення на “жорстко”

Energy of the geotechnological system:problems, prospects for development

Проведено аналіз сучасного стану, наявних проблем та напрямів розвитку енергетики геотехнологічної системи на основі традиційних та альтернативних джерел. Запропоновано техніко-технологічне обґрунтування можливості комплексного отримання енергії та її використання в єдиному замкненому циклі. Застосування когенерації енергії, використання похідних продуктів гірничого виробництва разом із геотермальною енергетикою породного масиву дають можливість сформувати цілісну економічно доцільну систему, яка вирішує питання комплексного використання підземного геосередовища з мінімальним впливом на гірничодобувні терени. Проведена економічна та екологічна оцінки запропонованих заходів дають можливість стверджувати, що дані рішення можуть бути впроваджені у виробництво уже найближчим часом.Проведен анализ современного состояния, проблем и направлений развития энергетики геотехнологической системы на основе традиционных и альтернативных источников. Предложено технико-технологическое обоснование возможности комплексного получения энергии и ее использования в едином замкнутом цикле. Применение когенерации энергии, использование сопутствующих продуктов горного производства вместе с геотермальной энергетикой породного массива дают возможность сформировать целостную экономически целесообразную систему, которая решает вопросы комплексного использования подземного геопространства с минимальным воздействием на горнодобывающие территории. Проведенные экономическая и экологическая оценки предложенных мероприятий дают возможность утверждать, что данные решения могут быть внедрены в производство уже в ближайшее время.To substantiate the effect of using different energy sources for the supplying customers depending necessary electrical, mechanical and heating capacity