Peculiarities of geological and thermobaric conditions for the gas hydrate deposits occurence in the Black Sea and the prospects for their development

The actuality has been revealed of the necessity to attract the gas hydrate deposits of the Black Sea into industrial development as an alternative to traditional gas fields. This should be preceded by the identification and synthesis of geological and thermobaric peculiarities of their existence. It was noted that the gas hydrates formation occurs under certain thermobaric conditions, with the availability of a gas hydrate-forming agent, which is capable of hydrate formation, as well as a sufficient amount of water necessary to start the crystallization process. The gas hydrate accumulation typically does not occur in free space – in sea water, but in the massif of the sea bed rocks. The important role in the process of natural gas hydrates formation is assigned to thermobaric parameters, as well as to the properties and features of the geological environment, in which, actually, the process of hydrate formation and further hydrate accumulation occurs. It was noted that the source of formation and accumulation of the Black Sea gas hydrates is mainly catagenetic (deep) gas, but diagenetic gas also takes part in the process of gas hydrate deposits formation. The main component of natural gas hydrate deposits is methane and its homologs – ethane, propane, isobutane. The analysis has been made of geological and geophysical data and literature materials devoted to the study of the offshore area and the bottom of the Black Sea, as well as to the identification of gas hydrate deposits. It was established that in the offshore area the gas hydrate deposits with a heterogeneous structure dominate, that is, which comprises a certain proportion of aluminosilicate inclusions. It was noted that the Black Sea bottom sediments, beginning with the depths of 500 – 600 m, are gassy with methane, and a large sea part is favourable for hydrate formation at temperatures of +8...+9ºC and pressures from 7 to 20 MPa at different depths. The characteristics of gas hydrate deposits are provided, as well as requirements and aspects with regard to their industrialization and development. It is recommended to use the method of thermal influence on gas hydrate deposits, since, from an ecological point of view, it is the safest method which does not require additional water resources for its implementation, because water intake is carried out directly from the upper sea layers. A new classification of gas hydrate deposits with a heterogeneous structure has been developed, which is based on the content of rocks inclusions in gas hydrate, the classification feature of which is the amount of heat spent on the dissociation process

Влияние конфигурации очистных камер на формирование напряжений в разномодульном массиве

Purpose. Detecting unstable areas in the filling mass taking into account configuration of the adjacent mineable chambers to improve its formation. Methods. The research into stress state of multi-modulus mass consisting of ore, rocks and filling was conducted using SolidWorks 2011 software with the full compliance of their physical and mechanical properties. Findings. Computer simulation allowed to reveal unstable areas in the filling mass of the first stage chamber under the influence of the development of the second stage chamber. It was found that the vertical stress component forms an area of compressive stresses in the filling mass of the first stage chamber at the junction of its exposure to the roof of filling chamber with dimensions: depth of the mass – up to 50 m, vertical outcrop – 9.8 m, the maximum value of stress reaching 89 MPa. The horizontal stress component also forms an area of tensile stress, but with a lower value of 65 MPa. The horizontal stress component generates in the filling mass of the first stage chambers the area of tensile stresses on the substage level 775 – 810 m with dimensions: depth of the mass – up to 7 m, vertical exposure – 10 m, and the maximum stress value – up to 4 MPa. Originality. Analytical assessment of the filling mass stability allowed to conclude that: at the junction of its exposure to the roof of filling chamber, the compressive stress exceeds the strength of filling mass 1.8 times, in the center of filling mass on the outcrop, the tensile stress exceeds the strength of filling 1.3 times. Vertical stresses exceed horizontal stresses 1.35 times in the areas of filling destruction. Practical implications. The obtained findings related to the stress state of the filling mass can be used in issuing passports for stopes in choosing the filling mode and composition of the filling mixture.Цель. Установление неустойчивых областей закладочного массива при влиянии отработки запасов руд в смежной камере посредством компьютерного моделирования для разработки путей повышения его устойчивости. Методика. Исследования напряженного состояния разномодульного массива, состоящего из руды, пород и закладки выполнены при помощи программного обеспечения SolidWorks 2011 с полным соответствием их физико-механических свойств. Результаты. Посредством компьютерного моделирования выявлены неустойчивые области в закладочном массиве камеры первой очереди под влиянием отработки камеры второй очереди. Установлено, что вертикальная компонента напряжений формирует область сжимающих напряжений в массиве закладки камеры первой очереди отработки на сопряжении ее обнажения с кровлей отрабатываемой камеры со следующими размерами: вглубь массива – до 50 м, по вертикали обнажения – 9.8 м, а максимальная величина напряжений достигает 89 МПа. В этой же области горизонтальная компонента формирует также область сжимающих напряжений, но с меньшим значением в 65 МПа. Горизонтальная компонента напряжений формирует в закладочном массиве камер первой очереди область растягивающих напряжений на уровне подэтажа 775 – 810 м при размерах: вглубь массива – до 7 м, по вертикали обнажения – 10 м, а максимальная величина напряжения достигает 4 МПа. Научная новизна. Дана аналитическая оценка устойчивости закладочного массива: на сопряжении его обнажения с кровлей отрабатываемой камеры – превышение сжимающих напряжений над прочностью закладки в 1.8 раз, в центре закладочного массива на обнажении – превышение растягивающих напряжений над прочностью закладки в 1.3 раза. Установлено, что вертикальные напряжения превосходят горизонтальные напряжения в областях разрушения закладки в 1.35 раз. Практическая значимость. Полученные результаты исследования напряженного состояния закладочного массива могут использоваться при проектировании паспортов на закладку выемочных камер при выборе режима заполнения и состава закладочной смеси.Мета. Встановлення нестійких областей закладного масиву при впливі відпрацювання запасів руд у суміжній камері за допомогою комп’ютерного моделювання для розробки шляхів підвищення його стійкості. Методика. Дослідження напруженого стану різномодульного масиву, що складається з руди, порід та закладки виконані за допомогою програмного забезпечення SolidWorks 2011 з повною відповідністю їх фізико-механічних властивостей. Результати. За допомогою комп’ютерного моделювання виявлено нестійкі області у закладному масиві камери першої черги під впливом відпрацювання камери другої черги. Встановлено, що вертикальна компонента напружень формує область стискаючих напружень у масиві закладки камери першої черги відпрацювання на сполученні її відслонення з покрівлею камери, що відпрацьовується, з наступними розмірами: вглиб масиву – до 50 м, по вертикалі відслонення – 9.8 м, а максимальна величина напружень сягає 89 МПа. У цій же області горизонтальна компонента формує також область стискаючих напружень, , але з меншим значенням у 65 МПа. Горизонтальна компонента напружень формує у закладному масиві камер першої черги область розтягуючих напружень, на рівні підповерху 775 – 810 м при розмірах: вглиб масиву – до 7 м, по вертикалі відслонення – 10 м, а максимальна величина напруження сягає 4 МПа. Наукова новизна. Дана аналітична оцінка стійкості закладного масиву: на сполученні його відслонення з покрівлею камери, що відпрацьовується, – перевищення стискаючих напружень над міцністю закладки у 1.8 разів, в центрі закладного масиву на відслоненні – перевищення розтягуючих напружень над міцністю закладки у 1.3 рази. Встановлено, що вертикальні напруження перевищують горизонтальні в областях руйнування закладки у 1.35 разів. Практична значимість. Отримані результати дослідження напруженого стану закладного масиву можуть використовуватися при проектуванні паспортів на закладку виїмкових камер при виборі режиму заповнення та складу закладної суміші

KINETIC FEATURES OF THE DISSOCIATION PROCESS OF GAS HYDRATE DEPOSITS

The research is aimed at revealing the theoretical features of the kinetics of the process of dissociation of natural gas hydrates, the accounting of which is useful in designing technologies for their development. The process of decomposition of gas hydrates is considered as a heterogeneous process, proceeding at the interface of the phases and contains three consecutive stages. The mathematically grounded speed with which molecules fluctuate around fixed positions and the velocity of their translational motion in the system “gas – rock environment”. The mathematical expression of the constant coefficient of molecular diffusion is made. It has been established that when gas is extracted from gas hydrates, external and internal diffusion zones, as well as diffusion inhibition, are caused, which causes an increase in the decay time of gas hydrate to gas and water. The character of the dependence of the change in the rate of dissociation during its various periods is revealed. It was found that the speed of the dissociation process in these conditions varies with the temperature under the exponential la

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

Analytical modeling of the backfill massif deformations around the chamber with mining depth increase

Using thermodynamic analytical research method, the investigation of strains formation in the backfill massif around the chamber of second stage was performed. It was established that the horizontal and vertical dimensions of areas vary with increasing deformation depth of the development by logarithmic and exponential law with relevant empirical equations

Review of man-made mineral formations accumulation and prospects of their developing in mining industrial regions in Ukraine

Purpose. Analysis of the man-made mineral formations of ore mining and smelting, fuel and energy complexes development accumulation, location and prospects amount in the Dnipropetrovsk region. Methods. Comprehensive approach, including analysis of state statistics, waste handling sites (WHSs), regional environmental report, environmental passport of the region, as well as data from other information sources is used in the work. Aerial photographs of man-made formations were obtained using the Google Earth 7.1.8 satellite program. Findings. The analysis of the main man-made mineral formations of ore mining and smelting, fuel and energy complexes accumulation in Ukraine (coal and mining industry waste heaps, tailing dumps, ash dumps, smelter slag dumps) was conducted, their amount and occupied areas were estimated. According to the densest location of man-made formations, they are divided into 4 regions: the Prydniprovsk region, the Kryvyi Rih region, the Nikopol region, the Pavlohrad region. According to information sources, the content of some valuable components in man-made formations has been established. Based on the world market prices of technogenic deposits components research, it was proposed to grade them according to the cost of valuable components. The promising directions have been proposed for the use of mineral resources in various economic sectors. It is noted that from the perspective of development of mineral and raw materials potential, the bulk formations are of interest because of their large reserves in the minimum area. But from the perspective of environmental protection and the interests of the Ukrainian people, the bulk technogenic formations occupying significant areas of agricultural land and having smaller mineral reserves are of great interest. Originality. The conception of man-made raw material mineral fund for further industrial development as an alternative to natural deposits is extended and systematized. For the first time, an integrated and detailed analysis has been performed of technogenic waste of the largest waste storage region in Ukraine, as well as the grouping has been proposed of mining and energy sector waste by density of location and by the contained components value. Practical implications. A sketch-map of the man-made objects location was drawn up and their gradation was carried out according to the preliminary prospects of their development. This will provide a more objective approach to the concept of industrial waste development and planning the strategy for the development of mineral and raw materials potential both at the state and regional levels.утворень гірничо-металургійного й паливно-енергетичного комплексів Дніпропетровської області. Методика. У роботі використано комплексний підхід, що включає аналіз даних державної статистики, місць видалення відходів (МВВ), регіональної доповіді про стан навколишнього середовища, екологічного паспорта регіону, а також даних інших інформаційних джерел. Аерофотознімки техногенних утворень отримані за допомогою супутникової програми Google Earth 7.1.8. Результати. Проведено аналіз накопичення основних техногенних утворень гірничо-металургійного та паливно-енергетичного комплексів України (породні відвали вугільної й гірничорудної галузей, хвостосховища, золошлаковідвали, відвали металургійних шлаків), оцінені їх об’єми та займані площі. За найбільш щільним розташуванням техногенних утворень їх запропоновано розділити на 4 райони: Придніпровський, Криворізький, Нікопольський і Павлоградський. За даними інформаційних джерел встановлено вміст деяких цінних компонентів у різних техногенних відходах. На підставі вивчення світових ринкових цін компонентів техногенних родовищ запропоновано районувати їх за вартістю цінних компонентів у 1 т відходів. Запропоновано перспективні напрями використання мінерально-сировинних ресурсів у різних галузях економіки. Відзначено, що з позиції освоєння мінерально-сировинного потенціалу інтерес представляють насипні відходи в силу їх значних запасів на мінімальній площі, а з позиції охорони навколишнього середовища та інтересів українського народу – наливні техногенні відходи, що займають значні площі сільськогосподарських угідь і мають менші запаси мінеральної сировини. Наукова новизна. Розширено та систематизовано уявлення щодо мінерально-сировинного фонду техногенної сировини Дніпропетровської області для подальшого освоєння як альтернатива природним родовищам. Вперше здійснено комплексний та детальний аналіз техногенних відходів найбільшого регіону-накопичувача України і запропоновано групування відходів гірничодобувного та енергетичного сектору за щільністю розташування й вмістом цінних компонентів. Практична значимість. Складена схематична карта розташування техногенних відходів та проведена градація за попередньою перспективністю їх освоєння. Це дозволить більш об’єктивно підходити до концепції промислового освоєння техногенних відходів і планування стратегії розвитку мінерально-сировинного фонду на державному та регіональному рівнях.Цель. Анализ объемов накопления, мест расположения и перспектив промышленной разработки техногенных образований горно-металлургического и топливно-энергетического комплексов Днепропетровской области. Методика. В работе использован комплексный подход, включающий анализ данных государственной статистики, мест удаления отходов (МУО), регионального доклада о состоянии окружающей среды, экологического паспорта региона, а также данных других информационных источников. Аэрофотоснимки техногенных образований получены с помощью спутниковой программы Google Earth 7.1.8. Результаты. Проведен анализ накопления основный техногенных образований горно-металлургического и топливно-энергетического комплексов Украины (породные отвалы угольной и горнорудной отраслей, хвостохранилища, золошлакоотвалы, отвалы металлургических шлаков), оценены их объемы и занимаемые площади. По наиболее плотному расположению техногенных образований их предложено разделить на 4 района: Приднепровский, Криворожский, Никопольский и Павлоградский районы. По данным информационных источников установлено содержание некоторых ценных компонентов в разных техногенных отходах. На основании изучения мировых рыночных цен компонентов техногенных месторождений предложено районировать их по стоимости ценных компонентов в 1 т отходов. Предложены перспективные направления использования минерально-сырьевых ресурсов в различных отраслях экономики. Отмечено, что с позиции освоения минеральное-сырьевого потенциала интерес представляют насыпные отход по причине их больших запасов на минимальной площади, а с позиции охраны окружающей среды и интересов украинского народа – наливные техногенные образования, занимающие значительные площади сельскохозяйственных угодий и имеющие меньшие запасы минерального сырья. Научная новизна. Расширено и систематизировано представление о минерально-сырьевом фонде техногенного сырья Днепропетровской области для дальнейшего промышленного освоения как альтернатива природным месторождениям. Впервые осуществлен комплексный и детальный анализ техногенных отходов наиболее крупного региона-накопителя Украины и предложено группирование отходов горнодобывающего и энергетического сектора по плотности расположения и ценности содержащихся компонентов. Практическая значимость. Составлена схематическая карта размещения техногенных отходов и проведена градация по предварительной перспективности их освоения. Это позволит более объективно подходить к концепции промышленного освоения техногенных отходов и планирования стратегии развития минерально-сырьевого фонда на государственном и региональном уровнях.This work has been performed in the framework of tasks of a research project funded by the state budget by the Ministry of Education and Science of Ukraine (GP-500), and is also consistent with the “Dnipropetrovsk Regional Complex Program (Strategy) on Environmental Safety and Prevention of Climate Change for 2016 – 2025”

Preliminary assessment of the content of valuable components in coal mine waste dumps

Study of the mineralogical and chemical composition of waste rocks from the Western Donbass coal mines dumps to establish the presence of valuable components and their subsequent industrial development. The present work is a continuation of work [1-3]. This work expands the knowledge about the availability of valuable components in waste dumps for industrial development of their resources in the future [4-12]

Physicochemical mechanism of structure formation and strengthening in the backfill massif when filling underground cavities

The strength and microstructural properties of the backfill massif have been studied and assessed when filling underground cavities that pose a threat of mine rocks collapsing in the process of mining mineral deposits. It is suggested that due to a tendency to mechanical destruction by crushing Ca–O ionic bonds rather than Si–Î covalent ones, the backfill mixture composition is saturated with a large amount of Ca2+ ions. This leads to the formation of a highly-basic type of hydrated calcium silicates and a decrease in the massif strength properties. To study the mineral composition of the components of the mixture and solidified massif and to investigate the microstructure and chemical composition of new formations in the backfill massif, infrared spectroscopy and scanning electron microscopy were used. Laboratory studies of the strength properties of backfill massif were also conducted. The minerals of the mixture components, melilite and pseudowollastonite, have been revealed that perform the main function of the new formations occurrence. It was found that the strength of the backfill massif is by 16% less than the required standard value of 7.0 MPa at the age of 90 days. It was determined that highly-basic jellylike hydrated silicates of tobermorite type of the group CSH (II) with variable composition and a ratio of CaO/SiO2=2–3 are formed in the studied structure of the backfill massif after 90 days of hardening. There are no strong low-basic hydrated calcium silicate bonds that could have a reinforcing effect. Providing the conditions for occurrence of low-basic hydrated calcium silicates in the structure is one of the ways to create a hard backfill massif

Research into thermobaric processes of methane gas hydrates formation

Based on experimental studies, the paper deals with the dynamics of the methane gas hydrates formation, influenced by the organized media, such as surface-active agents (surfactants, SAA), namely, dibutylphenol treated with ethylene oxide, as well as ethoxylated alcohols. The stalagmometric method with automatic photoelectronic drops counting, a conductometric method, a Wheatstone bridge, potentiometer, as well as laboratory setup with varying thermobaric parameters of the hydrate formation process are used. The molecular dynamics method and the Monte Carlo method are applied to the process of methane gas hydrates formation. New experimental dependences of the gas hydrates formation have been determined on thermobaric conditions with and without of organized media. It has been set that under normal conditions of hydrate formation, the hydrate formation thermobaric curve consists of two identical dependences, which is caused by formation of the KS-II structure hydrates with different degrees of filling the crystal lattice cavities: from 275.0 to 279.2 K - small cavities, and above - larger ones. When applying a surfactant, water structuring with formation of immediately large cavities in the gas hydrate crystal lattice are observed, due to which the methane content in the hydrate increases. It has been revealed that the gas hydrates formation process occurs stepwise, by replacing old bondsb with new ones with a gradual change in the coordination number of reacting surface atoms. It has been found that surface clustering in the presence of organized media facilitates the gas hydrate formation process by means of micellar catalysis. The dependences have been determined of the gaseous methane amount contained in the cluster upon the temperature in the dissociation of obtained gas hydrate samples. The amount of methane in a unit volume of gas hydrate has been determined: without adding the surfactant at a maximum pressure of 18 MPa - 120 m3; by adding the surfactant with the same thermobaric parameters - 160 m3