Спосіб управління станом гірського масиву при газифікації твердого палива в шахтних умовах

Реферат: Спосіб управління станом гірського масиву при газифікації твердого палива в шахтних умовах включає буріння з поверхні землі закладної похило-горизонтальної свердловини, запалювання пласта, отримання штучного газу й закладку деформованих порід покрівлі та вигазованого простору. Буріння, монтаж і експлуатацію закладної свердловини і закладного трубопроводу ведуть з виробки, яка прилягає до пласта, в породах покрівлі шахтного газогенератора. Подачу закладного матеріалу здійснюють закладним трубопроводом, прокладеним по виробках від закладного комплексу. Перфорована частина трубопроводу знаходиться в закладній свердловині. Формують закладний масив над газогенератором та у вигазованому просторі по мірі посування вогневого вибою, деформації порід покрівлі, зростання вигазованого простору. Температурне поле утворюють шляхом подачі під тиском ін'єкційно-закладного матеріалу у порожнини і вертикальні тріщини породного масиву над шахтним газогенератором. UA 98285 C2 (12) UA 98285 C2 UA 98285 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до гірничої галузі, а саме до підземної розробки родовищ корисних копалин шляхом підземної газифікації вугільних та сланцевих пластів, та може бути застосований для шахтної газифікації вугільних пластів з підвищеною природною та техногенною тріщинуватістю і при вигазовуванні свити вугільних пластів. Відомий спосіб підземної газифікації твердого палива, що включає буріння вертикальногоризонтальних свердловин, збійку їх між собою, запалювання пласта, подачу дуття, газифікацію твердого палива, отримання штучного газу й закладку виробленого простору, при цьому, попередньо задають склад горючих компонентів штучного газу, визначають проектну зону обвалення безпосередньої покрівлі пласта, бурять закладну свердловину в прикордонній зоні між безпосередньою та основною покрівлею над ділянкою, що обробляється, а у процесі газифікації в зону обрушення, що формують, під час досягнення заданого складу горючих компонентів, нагнітають інжекційний розчин закладною свердловиною до моменту зниження концентрації горючих компонентів [патент на винахід України № 21863, кл. Е21В 43/295, опублікований 17.09.2001]. До недоліків відомого способу належать великі витрати на виконання бурових робіт, відчуження землі під поверхневий комплекс переробки та очищення продуктів газифікації, витрати на рекультиваційні роботи на поверхні землі. Найбільш близьким, за технічною суттю, до способу, що заявляється, є спосіб управління станом гірських порід над підземним газогенератором, що включає буріння з поверхні землі закладної вертикально-горизонтальної свердловини з горизонтальною частиною по породах покрівлі, запалювання пласта, отримання штучного газу й закладку деформованих порід покрівлі та вигазованого простору за допомогою пиловидної або мокрої закладки, при подачі закладного матеріалу експлуатаційними свердловинами або додатковими, пробуреними у вугільному пласті, свердловинами [Теория и практика термохимической технологии добычи и переработки угля. Монография / Под общ. редакцией О.В. Колоколова. – Днепропетровск: НГА Украины, 2000.- 281 стор.]. Недоліками відомого способу є неможливість видобутку пластів твердого палива з підвищеною інтерферентністю породного масиву безпосередньо в шахтних умовах, забезпечення достатньої герметизації підземного газогенератора в шахтних умовах, недостатні продуктивність, якість, різноманітність продуктів газифікації, значна собівартість. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу управління станом гірського масиву при газифікації твердого палива в шахтних умовах, в якому проведення буріння, монтажу і експлуатації закладної свердловини, виконаної похило-горизонтальною, та закладного трубопроводу з виробки, яка прилягає до пласта, в породах покрівлі шахтного газогенератора, подача закладного матеріалу закладним трубопроводом, прокладеним по виробках від закладного комплексу, знаходження перфорованої частини трубопроводу в закладній свердловині, формування закладного масиву над газогенератором та у вигазовaному просторі у міру посування вогневого вибою, деформації порід покрівлі, зростанні вигазованого простору, утворення температурного поля шляхом подачі ін'єкційного матеріалу під тиском у порожнини і вертикальні тріщини породного масиву над шахтним газогенератором, забезпечують можливість видобутку пластів твердого палива з підвищеною інтерферентністю породного масиву безпосередньо у шахтних умовах, достатню герметизацію підземного газогенератора, цим забезпечується керованість процесом, екологічна та технологічна збалансованість й безпека під час експлуатації підземного газогенератора в шахтних умовах, підвищення продуктивності та якості й різноманітності продуктів газифікації, зниження собівартості. Поставлена задача вирішується тим, що у способі управління станом гірського масиву при газифікації твердого палива в шахтних умовах, що включає буріння з поверхні землі закладної свердловини з горизонтальною частиною по породах покрівлі, запалювання пласта, отримання штучного газу й закладку деформованих порід покрівлі та вигазованого простору, згідно з винаходом передбачені наступні технологічні відмінності: - закладну свердловину виконують похило-горизонтальною; - буріння, монтаж і експлуатацію закладної похило-горизонтальної свердловини та закладного трубопроводу ведуть з виробки, яка прилягає до пласта, в породах покрівлі шахтного газогенератора; - подачу закладного матеріалу виконують закладним трубопроводом; - закладний трубопровід прокладають виробками від закладного комплексу; - перфорована частина трубопроводу розташована у закладній свердловині; 1 UA 98285 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - формування закладного масиву над газогенератором та у вигазованому просторі здійснюють у міру посування вогневого вибою, деформації порід покрівлі, зростання вигазованого простору; - температурне поле формують шляхом подачі інжекційного матеріалу під тиском у порожнини й вертикальні тріщини породного масиву над шахтним газогенератором. Крім того, місце закладання закладної свердловини в породах покрівлі шахтного газогенератора розраховують згідно з параметрами розповсюдження температурного поля та геомеханічних показників розшарування породної товщі у міру вигазовування вугільного пласта; буріння, монтаж та експлуатацію похило-горизонтальної свердловини в породах покрівлі шахтного газогенератора здійснюють з виробки, що прилягає до вугільного пласта; спосіб виконують в шахтних умовах, при газифікації вугільних пластів з підвищеною природною та техногенною порушеністю порід, які вміщують шахтний газогенератор; доставку закладного матеріалу та формування ін'єкційно-закладного масиву в породах покрівлі й вигазованого простору газогенератора здійснюють за рахунок тиску, деформації порід та впливу температур; як закладний матеріал застосовують розчини з глин (каолінових, бетонітових), золоуносів та хвостовищ ТЕЦ, які здатні не втрачати свої транспортабельні властивості при впливі температур до 224 °C. Суть способу пояснюється кресленням, де на: фіг. 1 зображена технологічна схема підготовки газогенератора в шахтних умовах з інжекційною закладкою порід покрівлі та вигазованого простору; фіг. 2 - технологічна схема розташування закладної свердловини та формування ін'єкційнозакладного масиву шахтного газогенератора. Технологічна схема виконання способу управління станом гірського масиву при газифікації твердого палива в шахтних умовах містить вугільний пласт 1, експлуатаційні свердловини 2, закладну свердловину 3, що виконана похило-горизонтальною, реакційний канал 4, газовідвідну берму 5, герметичну перемичку 6, вигазований простір 7, межу 8 температурного поля в породах покрівлі, закладний масив 9, камеру 10 монтажу закладної свердловини 3, трубчатий рекуператор 11 з паром, трубчатий рекуператор 12 з водою, бортовий штрек 13, відкотний штрек 14, пристрій 15 для посування гнучкого трубопроводу 16, напрям 17 посування дуттьової суміші, напрям 18 посування продуктів газифікації, вертикальну газовідвідну свердловину 19, трубопровід 20 для транспортування закладного матеріалу, перфорований закладний трубопровід 21, вогневий вибій 22. Спосіб виконують наступним чином. При здійсненні способу перевага надається вугільним запасам шахт, які мають підвищену природну або техногенну порушеність та вичерпали термін експлуатації і мають некондиційні запаси твердого палива. Розкриття та підготовку порушених пластів здійснюють з виробки бурінням по пласту твердого палива горизонтальних експлуатаційних свердловин, з формуванням реакційного каналу між ними бермою, а також бурінням закладної похило-горизонтальної свердловини з виробки та покрівлі пласта за усією довжиною вигазованого стовпа. Довжина реакційного каналу приймається, виходячи з показників матеріального та теплового балансів процесу й геомеханічних параметрів породної товщі, що вміщує газогенератор. Система розробки - стовпами по підняттю та простяганню вугільного пласта. Довжина стовпа приймається згідно з показниками обладнання, аеродинамічними, гідравлічними та геомеханічними параметрами системи "шахтний газогенератор - породний масив". Спосіб управляння станом гірського масиву при газифікації твердого палива в шахтних умовах включає буріння похило-горизонтальної свердловини 3 в породах покрівлі, подачу закладного матеріалу у деформовані породи та вигазований простір 7 газогенератора з формуванням ін'єкційно-закладного масиву 9 в покрівлі та вигазованому просторі 7 під дією тиску та температур у міру посування вогневого вибою 22 шахтного газогенератора, при цьому, попередньо, з відкотного штреку 14 у стовпі вугільного пласта 1, що вигазовується, бурять експлуатаційні свердловини 2 в породах покрівлі над пластом 1, з камери 10 монтажу закладної свердловини 3 формують закладну свердловину 3, яка обладнується трубопроводом 21 з перфорацією в горизонтальній частині свердловини 3, у відкотному штреку 14 трубопровід 21 з'єднують з магістральним трубопроводом 20 транспортування закладного матеріалу, яким подається від закладного комплексу, під тиском, закладний розчин у трубопровід 21 й далі у порожнини деформованих порід покрівлі та вигазований простір 7, де під дією тиску і температур формують закладний масив 9, а подачу закладної суміші виконують у міру посування вогневого вибою 22 і об'єму деформованих порід та вигазованого простору 7. 2 UA 98285 C2 5 10 15 20 25 30 Як закладний матеріал застосовують розчини з глин (каолінових, бетонітових), золоуносів і хвостовищ ТЕЦ, які мають здатність під час впливу температур до 224 °C не втрачати свої транспортабельні властивості завдяки зв'язуванню з водою на мікроскопічному рівні, що дає можливість плавного випарювання води з розчину та вступу інших інгредієнтів розчину у цементуючий зв'язок з породами покрівлі, при цьому глинисті інгредієнти закладного розчину випирають, заповнюючи собою тріщини у породах покрівлі. Місце закладання свердловини 3 розраховують згідно з параметрами розповсюдження температурного поля й геомеханічних параметрів розшарування надвугільної товщі, з урахуванням геологічних умов і технологічних параметрів технології газифікації пластів твердого палива. Аналітичні та стендові дослідження по впровадженню ін'єкційної закладки при газифікації малопотужних кам'яно-вугільних пластів дозволили обґрунтувати динаміку й параметри формування порожнин розшарування шаруватого масиву, що вміщує газогенератор, встановити наявність порожнини розшарування й зміни їхніх розмірів залежно від природних факторів і технологічних параметрів. У міру вигазовування вугільного пласта 1 над вигазованим простором 7 на відстані 7,5-13,2 м формують порожнини розшарування. Зміни об'єму порожнин розшарування з урахуванням зміни технологічних параметрів (довжини вогневого каналу підземного газогенератора й швидкості вигазовування вугільного пласта 1), відбуваються за лінійною залежністю. Об'єм 3 3 порожнини змінюється з 610 м до 924 м , висота розшарування коливається у межах 181-326 мм. Проведені експерименти та розрахунки формування температурного поля навколо газогенератора дають можливість констатувати, що розповсюдження температур в породах навколо газогенератора пов'язано, в основному, з конвекційним теплообміном. На відстані 6 м від вугільного пласта 1 породи покрівлі піддаються інтенсивному прогріванню газообмінними продуктами за рахунок їхньої міграції тріщинами та розшаруванню. У надвугільному масиві з 6 м до 9,2 м інтенсивність прогріву падає від 50 °C до 20 °C за рахунок теплоємності породного масиву й зменшення розмірів порушень у товщі порід. Подача інжекційного розчину, залежно від швидкості посування та довжини вогневого каналу підземного газогенератора, становить 95,8-478,3 т/добу. На підставі проведення досліджень геомеханічних параметрів поводження гірського масиву та температурного фактора при вигазовуванні тонких вугільних пластів, обґрунтовані параметри області ін'єктування порід покрівлі та вигазованого простору з урахуванням часу й простору, що зафіксовані в таблиці. Таблиця № 1 2 3 4 35 40 45 50 Час ін'єкції, год. Тч Ту 0,5 0,5 1,0 1,0 1,5 1,5 2,0 2,0 Середня проникність, Середній просвіт тріщин, Д м -3 4,86·10 894  Rx Ry 2,48 2,97 3,38 3,44 Радіус нагнітання, м Rx Ry 7,2 2,9 13,4 4,5 18,3 5,4 22,7 6,6 Параметри закладки свердловини і область ін'єктування породної товщі, що вміщує газогенератор, залежать від тріщинуватості порід, часу ін'єктування, тиску, розмірів порожнини розшарування та прогріву порід покрівлі. Запропонований спосіб ін'єкційної закладки деформованих порід покрівлі і вигазованого простору шахтного газогенератора дозволить забезпечити ефективність процесу газифікації пластів твердого палива на місці його залягання у замкнутому, екологічно безпечному циклі, з отриманням електричної, теплової енергії та хімічних речовин, за рахунок підвищення герметичності деформованих порід покрівлі і вигазованого простору газогенератора, що сприяє рівновазі термохімічних реакцій і фізичних швидкостей у реакційному каналі, зменшенню втрат дуття, вугілля та продуктів газифікації, деформації денної поверхні над газогенератором, а також можливості застосування циклічної технології обеззаражування (промивки) газогенератора для подальшої експлуатації. Спосіб є ефективним під час відпрацьовування балансових та забалансових порушених запасів вугільних шахт, забезпечуючи надійність, екологічність та селективність процесу газифікації пластів твердого палива за рахунок керованості станом гірських порід навколо шахтного газогенератора, що забезпечує зменшення втрат дуття і продуктів газифікації у підземній частині газогенератора, підвищення ступеню збалансованості процесу, що зменшить втрати вугілля, вихід баластних газів, витрати на утилізацію канцерогенів, збільшить частку 3 UA 98285 C2 5 10 продуктивних газів у продуктах газифікації й термін експлуатації газогенератора в якості теплогенератора, що дасть можливість знизити витрати на затухання робіт з газифікації твердого палива. Теоретичні розрахунки показують, що застосування способу управління станом гірських порід шляхом ін'єкційної закладки деформованих порід покрівлі та вигазованого простору в шахтних умовах газифікації некондиційних пластів твердого палива у порушеному масиві забезпечить вихід з продуктів шахтної газифікації 36-77 % продуктивних газів, що забезпечить 3 температуру згоряння газів 5,4-12,7 МДж/м , потужність газогенератора - 7,2-19,4 МВт, а його ККД дорівнює 55-74 %, вихід хімічних речовин з конденсату - 3,7-8,8 % на тону газифікованого вугілля, зниження втрат дуття і продуктів газифікації у підземній частині газогенератора становить 12-25 %, розширення області застосування технології підземної газифікації у шахтних умовах. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 40 45 1. Спосіб управління станом гірського масиву при газифікації твердого палива в шахтних умовах, що включає буріння з поверхні землі закладної свердловини з горизонтальною частиною по породах покрівлі, запалювання пласта, отримання штучного газу й закладку деформованих порід покрівлі та вигазованого простору, який відрізняється тим, що буріння, монтаж і експлуатацію закладної свердловини, що виконана похило-горизонтальною, й закладного трубопроводу ведуть з виробки, яка прилягає до пласта, в породах покрівлі шахтного газогенератора, подачу закладного матеріалу здійснюють закладним трубопроводом, прокладеним по виробках від закладного комплексу, при цьому перфорована частина трубопроводу знаходиться в закладній свердловині, при цьому формують закладний масив над газогенератором та у вигазованому просторі у міру посування вогневого вибою, деформації порід покрівлі, зростання вигазованого простору та утворюють температурне поле шляхом подачі під тиском ін'єкційно-закладного матеріалу у порожнини і вертикальні тріщини породного масиву над шахтним газогенератором. 2. Спосіб управління станом гірського масиву за п. 1, який відрізняється тим, що місце закладання закладної свердловини у породах покрівлі шахтного газогенератора розраховують згідно з параметрами розповсюдження температурного поля та геомеханічних показників розшарування породної товщі у міру вигазовування вугільного пласта. 3. Спосіб управління станом гірського масиву за п. 1, який відрізняється тим, що буріння, монтаж та експлуатацію похило-горизонтальної свердловини в породах покрівлі шахтного газогенератора ведуть з виробки, що прилягає до пласта. 4. Спосіб управління станом гірського масиву за п. 1, який відрізняється тим, що його виконують в шахтних умовах, при газифікації вугільних пластів з підвищеною природною та техногенною порушеністю порід, які вміщують шахтний газогенератор. 5. Спосіб управління станом гірського масиву за п. 1, який відрізняється тим, що доставку закладного матеріалу й формування ін'єкційно-закладного масиву в породах покрівлі та вигазованому просторі газогенератора здійснюють за рахунок тиску, деформації порід і впливу температур. 6. Спосіб управління станом гірського масиву за п. 1, який відрізняється тим, що як закладний матеріал застосовують розчини з глин (каолінових, бетонітових), золоуносів і хвостовищ ТЕЦ, які мають здатність не втрачати транспортабельні властивості при впливі температур до 224 °С. 4 UA 98285 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5