Спосіб підземної газифікації корисних копалин та пристрій для його здійснення

1. Способ подземной газификации полезных ископаемых, включающий бурение вертикальногоризонтальной скважины, размещение в ней продувочного трубопровода для нагнетания сжатого воздуха в зону горения, розжиг, газификацию угольного пласта, отвод образующегося газа на поверхность, отличающийся тем, что бурят другие вертикально-горизонтальные скважины, по одним из которых нагнетают сжатый воздух, по другим одновременно выдают образующийся газ, в процессе газификации периодически эти нагнетательные и газоотводящие скважины взаимно реверсируют, а зону горения формируют путем дискретного перемещения гибких трубопроводов к устьям соответствующих скважин, при этом одно временно со сжатым воздухом по межтрубному кольцевому пространству нагнетательной скважины подают активизирующие реагенты в огневой забой методом эжекции. 2. Устройство для подземной газификации полезных ископаемых, включающее барабан для намотки-размотки гибкого длинномерного трубопровода с пустотелым валом, расположенным на стойках платформы, механизм укладки витков трубопропровода, механизм перемещения трубопровода в скважине, содержащий два венца тяговых цепей с фрикционными колодками, размещенный на стойках и снабженный приспособлением прижатия цепей с фрикционными колодками к длинномерному трубопроводу, привод устройства, отличающееся тем, что барабан выполнен разъемным, состоящим из отдельных унифицированных секций, жестко связанных между собой и с валом, а стойки барабана и механизма перемещения установлены на стационарных опорах, механизм перемещения выполнен в виде копра с самотормозящимся червячным редуктором у основания копра и приспособлением для аварийного прижатия тяговых цепей, который соединен с одной из фрикционных колодок, а по центру верхней площадки копра установлено подвижно над образуемым венцами зазором приспособление для приема гибкого длинномерного трубопровода. Наиболее близким техническим решением является способ подземной газификации углей, включающий бурение вертикально-горизонтальных и вертикальных скважин, причем обсадную колонну труб вертикально-горизонтальных скважин на горизонтальном участке перфорируют и внутри нее располагают продувочный трубопровод с термостойким соплом на конце; через сопло осуществляют розжиг угольного пласта у дальней вертикальной скважины, после этого сопло с трубопроводом отводят к устью скважины Воздух в зону газификации подают по скважине через перфорацию. После выгорания участка угольного пласта между вертикальными скважинами производят новый розжиг угля, предварительно опять опустив продувочный трубопровод, у ближней вертикальной скважины. В обоих случаях обра зующийся газ отводят вначале через дальнюю, а затем через ближнюю вертикальные скважины [1]. Недостатками известного способа подземной газификации угля являются наличие капитальных затрат и трудоемкости работ на бурение вертикальных газоотводящих скважин, а периодический розжиг угольного пласта у каждой вертикальной скважины предопределяет отсутствие условий для создания стабильного поддержания зоны горения и интенсификации процесса газификации, а также имеет место неуправляемость технологическим процессом подземной газификации угля что ведет к получению газа с невысокими потребительскими свойствами (теплотой сгорания). Наиболее близким к изобретению является устройство для спуска и подъема непрерывной штанги, содержащее передвижную платформу, м О СМ см О) 22162 барабан для намотки-размотки трубопровода, вал на подшипниках, механизмов укладки витков и перемещения трубопровода в скважине, механизма прижатия цепей с фрикционными колодками, кабины оператора с пультом управления [2]. Недостатком устройства является возможность использования трубопровода лишь для однократного розжига угля под каждой вертикальной скважиной, что не может обеспечить стабильность поддержания зоны горения, управляемость технологическим процессом подземной газификации угля. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа подземной газификации полезных ископаемых путем проведения вертикально-горизонтальных скважин, одновременного их взаимного реверсирования и возможности подачи активизирующих реагентов интенсификации методом эжекции, при этом обеспечивается стабильное поддержание зоны горения, интенсификация процесса газификации и за счет этого улучшаются потребительские свойства (теплотворная способность) образующегося газа, повышается степень управляемости процессом газификации и удешевляется сам процесс. А также поставлена задача усовершенствования устройства по добыче полезных ископаемых, в котором устройство расположено на стационарной фундаментальной основе и имеет иное выполнение конструкции барабана, механизма подачи, обеспечивается возможность многократного использования гибкого трубопровода, формирование зоны горения, реверсирование нагнетательных и газоотводящих скважин, а также возможности стабильного поддержания зоны горения и интенсификации процесса газификации, и за счет этого улучшаются потребительские свойства отходящего газа повышается степень управления технологическим процессом. Поставленная задача решается тем, что в способе подземной газификации полезных ископаемых, содержащем бурение вертикальногоризонтальной скважины, размещение в ней гибкого трубопровода для нагнетания сжатого воздуха в зону горения, розжиг, газификацию угольного пласта и отвод образующегося газа, согласно изобретению бурят другие вертикально-горизонтальные скважины, по одним из которых нагнетают сжатый воздух, по другим одновременно выдают образующийся газ, в процессе газификации периодически эти нагнетательные и газоотводящие скважины взаимно реверсируют, а зону горения формируют путем дискретного перемещения гибких трубопроводов к устьям соответствующих скважин, при этом одновременно со сжатым воздухом по межтрубному кольцевому пространству нагнетательной скважины подают активизирующие реагенты в огневой забой методом эжекции. Совокупность существенных признаков способа обеспечивает получение технического результата путем стабильного поддержания зоны горения в огневом забое, интенсификации технологического процесса газификации нагнетанием активизирущих реагентов, снижения трудоемкости и капитальных затрат на бурение скважин, осущест вление постоянного нагнетания дутья в процессе газификации. Поставленная задача также решается тем, что в устройстве для реализации способа добычи полезных ископаемых, содержащем размещенные на передвижной платформе цельного барабана для намотки - размотки гибкого продувного трубопровода с пустотелым валом, расположенным в подшипниках на стойках платформы, механизма укладки витков трубопровода, механизма перемещения трубопровода в скважине, содержащего два венца тяговых цепей с фрикционными колодками, установленных на ведомых и ведущих звездочках, размещенных настойках и снабженных приспособлением прижатия цепей с фрикционными колодками к гибкому продувочному трубопроводу, механизм привода звездочек и кабины оператора с пультом управления, гидроприводом устройства, согласно изобретению, предлагаемое устройство размещено на стационарной фундаментной основе, барабан выполнен разъемным и состоящим из отдельных унифицированных секций, связанных между собой жесткими соединениями и одновременно с валом, а стойки барабана и его рама установлены на бетонных опорах; механизм подачи гибкого трубопровода выполнен в виде конического копра с самотормозящимся червячным редуктором у основания копра и приспособлением для аварийного прижатия тяговых цепей, который свободно закреплен на одной из фрикционных колодок, связанных с пневматическим приводом, а в центральной части верхней площадки копра установлено подвижно и соосно гибкому трубопроводу приспособление для его приема. Все механизмы установлены стационарно на бетонных опорах, при этом, в качестве источника привода устройства применяется сжатый воздух. Существенные признаки устройства позволяют получить технический результат за счет стабильного поддержания зоны горения в огневом забое, обеспечения реверсирования нагнетательных и газоотводящих скважин, повышения степени управления технологическим процессом, создание условий для формирования зоны горения и осуществления непрерывного эжектирования активизирующих реагентов в огневой забой. Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором обозначены: барабан 1, механизм подачи 2, кабина оператора 3, гибкий трубопровод 4, обечайка барабана 5, реборда 6, секция барабана 7, ступица барабана 8, полый вал 9, спицы барабана 10, устройство для подачи сжатого воздуха 11. подшипники 12, стойки 13, рама 14, бетонные опоры барабана 15, пневмодвигатель 16, планетарный редуктор 17, цепная передача 18, цевочная передача 19, механизм укладки витков трубопровода 20, венцы цепи подачи 21, фрикционные колодки цепи подачи 22, ведущие звездочки 23, ведомые звездочки 24, стойки механизма подачи 25, самотормозящий редуктор 26, планетарный редуктор 27, пневмодвигатель планетарного редуктора 28, винты для натяжения венцов цепи 29. эластичные пневмобаллоны 30, устройство аварийного прижатия фрикционных колодок 31, рама 32, четырехгранный пирамидный копер 33, бетонные опоры механизма подачи 34, верхняя пло 22162 щадка копра 35, подшипники копра 36, приемное устройство копра 37, вертикально-горизонтальная скважина 38, обсадная колонка труб 39, межтрубное кольцевое пространство 40, подвод реагентов газификации 41. Изобретение осуществляется следующим образом. Угольный пласт вскрывают с поверхности земли несколькими (три и более) вертикальногоризонтальными скважинами 38. Вертикальную часть скважин оборудуют обсадными трубами 39 вплоть до угольного пласта, а стенки горизонтальной части скважин укрепляют методом глинизации. В подготовленные таким образом скважины вводят гибкие трубопроводы 4 с жаростойкими насадками на концах. Гибкий трубопровод 4 представляет собой сплошную трубу длиной 1200 м, которая наматывается на барабан 1 диаметром 3,2 м. Наружный диаметр трубопровода 33 мм, внутренний - 28 мм. Этот трубопровод - цельнокатанный, без сварных швов. Жаростойкая насадка стыкуется с торцом гибкого трубопровода на сварке. Вертикально-горизонтальная скважина имеет внутренний диаметр 210 мм. При введении в эту скважину длинномерного трубопровода диаметром 33 мм образуется межтрубное кольцевое пространство 40 величиной 177 мм=210-33. По этому пространству нагнетаются активизирующие реагенты интенсификации. Процесс подземной газификации угольного пласта начинается из известных способов сбойки скважин и розжига пласта. В результате подачи дутья через нагнетательную скважину 38 в зоне газификации образуется газ, который выдают на поверхность через газоотводящие скважины. Подачу дутья в реакционную зону огневого забоя и отвод из зоны образовавшегося газа осуществляют комбинированным способом. В нагнетательную скважину вводят гибкий трубопровод 4 с насадкой на конце прямо в зону горения пласта. Через этот трубопровод подают дутье (сжатый воздух) повышенного давления, а по межтрубному кольцевому пространству 40-реагенты интенсификации процесса ПГУ с невысоким давлением, которые подаются в скважину через подвод 41. Дутье через отверстия в насадке выдувается с высокой скоростью, образуя вокруг насадкм разрежение, и за счет эжекции активизирующие реагенты газификации из межтрубного кольцевого пространства 40 втягиваются дутьем из насадки в реакционную зону огневого забоя. Далее процесс подземной газификации и зона распространения горения пласта развиваются не стихийно, а управляются гибкими трубопроводами 4, которые вместе с насадками, перемещаясь, формируют зону горения огневого забоя Выполнение этого требования обеспечивает постоянное поступление дутья и реагентов интенсификации в реакционную зону огневого забоя. В этом случае процесс ПГУ будет проходить эффективно с получением газа высокой температурной способности. Процесс ПГУ будет развиваться путем включения новых слоев угольного пласта при принудительном перемещении трубопроводов с помощью спуско-подьемного устройства. Для того, чтобы угольный пласт выгорал равномерно по всей линии огневого забоя, необходимо производить реверсирование дутьегазовых потоков, с таким расчетом, чтобы нагнетательная скважина выполняла функции газоотводящей, а газоотводящая, наоборот, функции нагнетательной. Если два подземных газогенератора вскрыты тремя вертикально-горизонтальными скважинами, то одна, например, средняя скважина, является нагнетательной и гибкий трубопровод вместе с насадкой вводят в реакционную зону и по ней подают дутье, а реагенты интенсификации - по межтрубному кольцевому пространству 40. В это же время образующийся в подземных газогенераторах газ выдается по двум крайним газоотводящим скважинам Для уменьшения сопротивления выхода газа из газоотводящих скважин удаляют гибкие трубопроводы 4, наматывая их на барабаны 1 спуско-подъемного устройства. Через определенный промежуток времени дутье и активизирующие реагенты интенсификации после реверсирования нагнетают по двум бывшим газоотводящим скважинам, а образующийся газ выдают в бывшую нагнетательную скважину. Для осуществления этого процесса в две газоотводящие (теперь они выполняют функции нагнетательных) вводят гибкие трубопроводы 4, а из нагнетательной (теперь она газоотводящая) гибкий трубопровод сматывают на барабан 1. Затем функции скважин вернутся к первоначальному положению. Такая цикличность функций скважин изменяется до полной отработки участков газификации. Потребительские свойства (теплота сгорания) образующегося газа увеличивают за счет интенсификации процесса ПГУ активизирующими реагентами, состоящими из смеси воздуха и кислорода, воздуха и пара, воздуха и углекислого газа. В качестве реагентов газификации можно также подавать смесь кислорода, пара и углекислого газа. Устройство работает следующим образом. Барабан 1 предназначен для намотки - размотки гибкого трубопровода 4 и состоит из обечайки 5, реборд 6 и выполнен разъемным из отдельных составных унифицированных секций 7, связанных жестко между собой и со ступицами 8 полого вала 9, образующих спицы 10. Полый вал 9 снабжен устройством 11 для подачи сжатого воздуха в гибкие трубопроводы 4 и размещен в подшипниках 12 на стойках 13 рамы 14, которая установлена жестко и закреплена на бетонных опорах 15. Привод барабана 1 состоит из пневмодвигателя 16 и планетарного редуктора 17, цепной 18 и цевочной 19 передач. Барабан 1 снабжен механизмом 20 для укладки витков трубопровода 4 Механизм подачи 2 предназначен для перемещения гибкого трубопровода 4 в скважине и состоит из диаметрально расположенных двух венцов цепи 21 с фрикционными колодками 22. Венцы цепи 21 установлены на ведущих 23 и ведомых 24 звездочках, которые закреплены в подшипниках стоек 25 и кинематически связанных червячным самотормозящим редуктором 26 и планетарным редуктором 27 с пневмодвигателем 22162 28 На стойках 25 установлены винты 29 для натяжения венцов цепи 21 и эластичные пневмобаллоны 30 для прижатия венцов цепи 21 фрикционными колодками 22 к гибкому трубопроводу 4 и механическое устройство 31 их аварийного прижатия. Стойки 25 жестко закреплены на раме 32 копра 33, установленного и жестко закрепленного на бетонных опорах 34. В центральной части верхней площадки 35 копра 33 установлено в подшипнике 36 соосно трубопроводу 4 приемное устройство 37. Кабина оператора 3 содержит пульт управления спуско-подъемной установкой. В качестве привода устройства применяется пневматическая энергия. Вначале концевую часть гибкого трубопровода 4 заводят с помощью приемного устройства 37 в зону обхвата его фрикционными колодками 22 В пневмобаллоны 30 подают сжатый воздух с помощью пульта управления 3, и на этой основе, обеспечивают необходимое усилие прижатия к трубопроводу. Включают лневмодвигатель 16 барабана 1 и с помощью механизма для укладки витков 20 производят медленное вращение барабана и размотку витков длинномерного трубопровода 4 до образования "свободной дуги" между барабаном 1 и механизмом подачи 2. После этого включают пневмодвигатель 18 механизма подачи 2 и с соблюдением необходимой "свободной дуги" производят подачу длинномерного трубопровода 4 на спуск его в скважину 39. При засорении скважины производят ее продувку посредством устройства 11, через которое подают сжатый воздух в длинномерный трубопровод 4 и через насадку он поступает в полость скважины. Перемещение трубопровода 4 по скважине в обратном направлении осуществляют реверсированием работы пневмодвигателей и барабана, на который наматывают гибкий трубопровод Таким образом, основное назначение спускоподьемного устройства состоит в следующем. Как указано выше, в прототипе дутье подается по длинномерному трубопроводу только для периодического розжига пласта в определенных точках участка угольного пласта, а точнее в районе каждой вертикальной скважины. Таких скважин бурится 3-5 для сопряжения с горизонтальной частью вертикально-горизонтальной скважины. После розжига пласта у крайней вертикальной скважины гибкий трубопровод убирается и дутье, подаваемое в скважину через перфорацию (отверстия) обсадной трубы на горизонтальном участке вертикально-горизонтальной скважины, проникает в зону газификации. Образовавшийся газ выдается на поверхность через эту вертикальную скважину. После выгорания угля на участке опять вводят в вертикально-горизонтальную скважину гибкий трубопровод и вновь розжигают угольный пласт у ближней вертикальной скважины. Гибкий трубопровод убирается и процесс газификации продолжается так же, как и на предыдущем участке. Процесс газификации длится до тех пор, пока не будут выгазованы все участки между вертикальными скважинами. Из описанной технологии следует, что гибкий трубопровод служит (в прототипе) только для розжига пласта, а процесс газификации осуществляется без его участия. В предлагаемом же техническом решении наоборот, гибкий трубопровод с жаростойкой насадкой на конце участвует постоянно в процессе газификации, т.е. часть дутья все время подается через гибкий трубопровод под более высоким давлением, которое с помощью эффекта эжекции втягивает из межтрубного кольцевого пространства реагенты интенсификации в зону газификации (в огневой забой). По мере выгазования (выгорания) угольного пласта гибкий трубопровод с насадкой перемещается и формирует зону горения огневого забоя с одновременным наматыванием трубопровода на барабан 1. Такой процесс газификации длится порядка 15-30 дней. Это связано с тем, что угольный пласт интенсивно выгорает у той скважины, по которой подается дутье, а у противоположной скважины - гозоотводящей угольный пласт газифицируется хуже, поскольку там уже практически отсутствует окислитель (кислород), который вступил в реакцию окисления с углеродом угольного пласта у нагнетательной скважины. Таким образом, линия огневого забоя у газоотводящей скважины отстает от линии горения у нагнетательной скважины и со временем это отставание в пространстве превратится в достаточно большую величину. Чтобы выровнять линию огневого забоя между нагнетательной и газоотводящей скважинами, производится реверсирование дутья. Воздушное дутье и активизирующие реагенты интенсификации подают в забой через газоотводящую скважину, а образовавшийся в огневом забое газ выдают через нагнетательную скважину. Процесс такой газификации длится 30-70 дней и после того, как линия огневого забоя у бывшей нагнетательной скважины значительно отстанет от линии горения у бывшей газоотводящей скважины (а она пока является нагнетательной), производится реверс, нагнетательная скважина опять приобретает свои функции, а газоотводящая свои. Такой процесс газификации с реверсированием дутья будет продолжаться до полной отработки участка угольного пласта. Из выше приведенного видно, что главную роль в этом процессе "играют спуско-подьемное устройства. В определенный момент времени одно из них служит для наматывания трубопровода 4 на барабан 1 с целью освобождения поперечного сечения вертикально-горизонтальной скважины 40 для выхода образовавшегося газа. Другое устройство, наоборот, разматывает длинномерный трубопровод и подает его по вертикальногоризонтальной скважине в зону газификации и за счет этих операций обеспечивается непрерывное эжектирование активизирующих реагентов, формирование зоны горения и стабильное поддержание этой зоны в огневом забое. Чтобы жаростойкая насадка при перемещении не заклинивалась в скважине (особенно на криволинейном участке), одновременно с движением трубопровода по нему подается воздух, под 22162 высоким давлением. Выходя из отверстий насадки, воздух создает воздушную подушку и насадка движется в зону газификации, не касаясь стенок скважины. Преимущества данного изобретения по сравнению с прототипом очевидны Применение стационарного устройства для реализации способа подземной газификации полезных ископаемых позволит осуществить спуск и подъем длинномерных гибких трубопроводов в наклонно-горизонтальных скважинах, постоянно производить нагнетание дутья по длинномерному трубопроводу и одновременно подавать по межтрубному кольцевому пространству реагенты интенсификации и управлять процессом газификации путем перемещения трубопровода, формируя этим самым зону горения огневого забоя. При этом данное устройство обеспечивает периодическое реверсирование гибких трубопро водов в нагнетательных и газоотводящих скважинах. Таким образом, вышеприведенные признаки способа подземной газификации полезных ископаемых и устройства для его реализации обеспечивают стабильное поддержание зоны горения в огневом забое, интенсификацию технологического процесса подземной газификации, снижение трудоемкости и капитальных затрат на бурение скважин, постоянное нагнетание дутья в процессе газификации При этом создаются условия для многократного использования гибкого трубопровода, эжектирования активизирующих реагентов и формирования зоны горения, а также реверсирования нагнетательных и газоотводящих скважин, повышения степени управляемости процессом газификации. В результате вышеперечисленных мероприятий улучшаются потребительские свойства (теплота сгорания) образующегося газа. 22162 22162 ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 Підписано до друку S.tft/. 2001 p. Формат 60x84 1/8. Обсяг < ? ХРобл.-вид.арк. Тираж 50 прим. Зам. C £ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22