Способ получения тепловой энергии при подземном сжигании наклонных и крутопадающих угольных пластов в отработанных шахтах

 

Изобретение относится к горной промышленности, предназначено для подземного сжигания угольных запасов на отработанных шахтах и позволяет повысить КПД процесса получения тепловой энергии. Во время сжигания блока угля путем подачи воздуха в нижнюю часть и отвода продуктов сгорания в режиме отсоса из верхней части, в верхнюю часть сжигаемого блока подают воду для орошения обрушенных нагретых вмещающих пород. Подачу воды начинают после выгорания угольного пласта на расстояние, равное шагу обрушения кровли. Неиспарившуюся воду собирают в водосборнике нижней части угольного блока, которую затем снова подают на орошение в верхнюю часть угольного блока. 3 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для подземного сжигания угольных запасов на отработанных шахтах и получения высокотемпературного газа. Цель изобретения повышение КПД процесса получения тепловой энергии. На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 нижняя часть устройства. Устройство включает воздухоподводящий и газоотводящий штреки 1 и 2, пройденные в угольном пласте 3 и расположенные в нижней и верхней частях блока сжигания соответственно. Конечные участки штреков 1 и 2 соединены наклонными выработками 4 и 5. Под выработкой 5 расположен водораспределительный узел 6, а над выработкой 4 водосборник 7, соединенный водяной магистралью 8 с водораспределительным узлом 6. В газоотводящем штреке 2 размещена водяная магистраль 9, снабженная форсунками 10, оборудованными регулируемыми дросселями 11, дросселями 12, установленными между форсунками 10, датчиками температуры 13, расположенными между форсунками 10 и предназначенными для контроля температуры продуктов сгорания, проходящих по газоотводящему штреку 2. Водораспределительный узел 6 снабжен датчиками уровней 14 и 15, контролирующими верхний и нижний уровни воды в нем, и соединен посредством магистрали 16 с общешахтной системой водоснабжения. Магистраль 16 оборудована дросселем 17, управляемым датчиками уровня 14 и 15. Подача воды из водораспределительного узла 6 в водяную магистраль 9 производится насосом 18, оборудованным дросселем 19. Водосборник 7 снабжен фильтром 20, предназначенным для очистки поступающей в него воды от твердых примесей и датчиком температуры 21, установленным на входе в магистраль 8 и обеспечивающим контроль температуры воды, покидающей водосборник 7. Теплообменник 22 и дымосос 23 установлены на выходе из газоотводящей сети. Для защиты водяной магистрали 9 от действия высоких температур продуктов сгорания она размещена в нише, выполненной в породной стенке газоотводного штрека 2 (на чертеже не показано). В нише также размещены электрокабели управления дросселями 11 и 12 и электрокабель температурных датчиков. Все коммуникации, расположенные в нише, теплоизолированы, например, жаропрочным бетоном. Способ осуществляется следующим образом. В наклонной выработке 4 формируют, например, посредством костра из горючего материала, первоначальный очаг горения. Выбирают режим отсоса продуктов сгорания из газоотводящего штрека 2, соединенного посредством горных выработок с поверхностью, которая может обеспечить поступление воздуха в выработку 4 из воздухоподводящего штрека 1, соединенного с поверхностью с таким расчетом, чтобы процесс горения угля распространился на всю длину выработки 4. После формирования стабильного фронта горения он начинает с постоянной линейной скоростью перемещаться в сторону наклонной выработки 5. После выгорания угольного пласта на расстояние, равное шагу обрушения кровли L l_к + l, где l_к ширина канала горения; l ширина слоя обрушения пород, что определяют по показаниям датчиков температуры 13, начинают орошение водой первого слоя обрушенных пород и соответственно, пород почвы под этим слоем. Для этого в водораспределительный узел 6, расположенный под выработкой 5 по магистрали 16, подают воду из общешахтной системы водоснабжения, а из него насосом 18 ее перекачивают в магистраль 9, расположенную в газоотводящем штреке 2. Для орошения слоя обрушенных пород шириной l в работу включается последняя в магистрали 9 форсунка 10, которая будет ближайшей к выработке 4. Ширина орошаемого слоя обрушенных пород l должна быть увязана с высотой установки форсунки h в штреке 2 и углом ϕ конуса распыления воды форсункой согласно выражению l 2htg Массовые расходы воды в узел 6, а из него в магистраль 9 устанавливают с помощью дросселей 17 и 19, управляемых с поверхности, причем оптимальный массовый расход воды М_В на орошение слоя обрушенных пород должен быть таким, чтобы обеспечить извлечение всего аккумулированного в этом слое и в породах почвы угольного пласта физического тепла за время, в течение которого фронт горения перемещается на расстояние l. Величина М_В для любых конкретных условий определяется из выражения M_в= где δ_гор линейная скорость перемещения фронта горения, м/с; l ширина орошаемого слоя, м; Q_э количество энергии, аккумулированное в слое обрушенных в пород и в породах почвы угольного пласта шириной l, кДж; Q_ис количество энергии, необходимое для нагрева и испарения 1 кг воды, подаваемой на орошение слоя обрушенных пород шириной l_о, Q_ис≈2462 кДж/кг воды. Вода, поданная в распыленном виде в обрушенные породы, обладающие запасом физического тепла, нагревается ими и породами почвы пласта и испаряется. Образовавшийся от контакта с породами обрушенного слоя и почвы пар, просачивается через слой обрушенных пород в канал горения, так как в последнем в связи с тем, что продукты сгорания из него отсасываются, имеется определенная зона разрежения. Пары воды смешиваются в канале горения с продуктами сгорания и вместе с ними выдаются на поверхность, где направляются в теплообменник 22 для извлечения из них полезной тепловой энергии. По мере отбора тепла из орошаемого слоя пород их температура будет снижаться и наступит момент, когда испарение воды прекратится. Оставшийся запас физического тепла в породах орошаемого слоя и в породах почвы пласта будет способен только нагревать подаваемую в него воду. Сначала вода будет нагреваться до температуры, близкой к 100^оС, а затем по мере остывания пород температура воды будет приближаться к температуре окружающих пород до начала процесса сжигания. Неиспарившаяся вода, пройдя весь слой обрушенных пород, достигает почвы штрека 1, и затем стекает в водосборник 7. Здесь она с помощью фильтра 20 очищается от твердых примесей и по магистрали 8 подается самотеком в узел 6, откуда опять в магистраль 9. Такой замкнутый цикл позволяет извлечь ту низкопотенциальную (низкотемпературную) часть энергии физического тепла обрушенных горных пород, которую не способна испарять вода. В начальный период орошения водой слоя обрушенных пород ее основное количество будет испаряться и в водораспределительный узел 6 в основном будет поступать вода из общешахтной водяной сети. По мере уменьшения испарения воды в орошаемом слое обрушенных пород количество воды, поступающее в узел 6 из магистрали 8, будет возрастать. Следовательно, расход воды из магистрали 16 в узел 6 должен будет уменьшаться. Регулирование расхода воды в узел 6 из магистрали 16 осуществляют специальные датчики уровней 14 и 15, которые посредством своих сигналов открывают или закрывают дроссель 17. Если уровень воды в узле 6 превысит максимально допустимый, то датчик 14 закроет дроссель 17, и вода в узел 6 будет поступать только из магистрали 8. Если уровень воды в узел 6 станет ниже максимального, то датчик 15 откроет дроссель 17, и в узел 6 будет дополнительно поступать вода из общешахтной системы водоснабжения. Соотношение расходов воды из водосборника 7 и соответственно магистрали 8 и общешахтной системы водоснабжения зависит от количества воды, испаряемой в орошаемом слое пород, и величины М_В. Орошение слоя обрушенных пород происходит до тех пор, пока датчик температуры 21 не зафиксирует температуру воды на входе в магистраль 8, равную температуре пород до начала процесса сжигания. Это свидетельствует о том, что все физическое тепло из орошаемого слоя обрушенных пород и пород почвы угольного пласта под этим слоем изъято и необходимо переходить на орошение следующего слоя обрушенных пород. По мере продвижения фронта горения к выработке 5 последовательно включают в работу последовательно установленные в магистрали 9 форсунки при соответствующем отключении предыдущих. Дроссели 12, установленные в магистрали 9 между форсунками 10, осуществляют аварийное отключение концевых участков магистрали 9, если они будут разрушены обрушаемыми породами кровли.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ ПОДЗЕМНОМ СЖИГАНИИ НАКЛОННЫХ И КРУТОПАДАЮЩИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В ОТРАБОТАННЫХ ШАХТАХ, включающий подачу воздуха в нижнюю часть сжигаемого блока угля и отвод продуктов сгорания в режиме отсоса из верхней части блока угля на поверхность с последующим извлечением из них тепловой энергии, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД процесса получения тепловой энергии, после выгорания угольного пласта на расстояние, равное шагу обрушения кровли, в верхнюю часть блока подают воду, неиспарившуюся воду собирают в водосборнике нижней части угольного блока, которую затем снова подают на орошение в верхнюю часть угольного блока, подачу воды прекращают при достижении температуры в водосборнике, равной температуре вмещающих пород угольного блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3