Способ отработки угольных пластов и комплекс оборудования для его осуществления

 

(19) Щ (11) (51) 5 Е21В43 295

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4866834/03 (22) 1?.09.90 (46) 30.11.93 Бюп Йа 43-44 (71) Институт горного дела им. ААСкочинского (72) Ильюша AB„Глазов Дд; Малышев Ю.Н„Мультанов С.И„Разумняк НЛ„Серов В.И. (73) Смешанное научно-техническое товарищество

rio разработке техники и технологии для подземной электроэнергетики "Техноподземэнерго" (54) СПОСОБ ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И КОМПЛЕКС ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение предназначено для отработки угля подземной газификацией. Целью изобретения является снижение трудозатрат на добычу и переработку угля при одновременном повышении экологической частоты Добычу угля совмещают во времени с производством электроэнергии и ведут непосредственно на горном предприятии. Переработку угля ведут газификацией его в целиках между скважинами по пласту с активным отбором тепла.

При этом выработку электроэнергии осуществляют с помощью газовой турбины. Отходящее тепло используют для выработки водяного пара, подаваемого в зону газификации. Комплекс снабжен перфорированными трубопроводами дпя размещения в о(важинак имеет парогенератор. соединенный через дымосос-коммутатор с газодутьевым и газоот— водящим трубопроводами. Перфорированные трубопроводы нижними концами соединены с паропроводом, сообщенным с парогенератором 2 сп.флы и 1 зл.ф-лы, 2 ил.

2003790

10

45

55

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для отработки угольных пластов, Наиболее близким к предлагаемому способу является способ газификации угля непосредственно на месте его залегания, включающий подготовку угольного пласта двумя горными (подготовительными) выработками, бурение (проведение) по пласту между подготовительными выработками скважин, розжиг-угольного пласта„подачу в скважины дутья на горение угля и его газификацию, отвод из этих скважин продуктов газификации, а также интенсификацию процесса поочередной подачей дутья на интенсивное горение {сжигание) угля и его газификацию в присутствии водяного пара (и рототи и).

Подачу дутья на горение угля и его газификацию, подвод в зону газификации водяного пара в этом способе осуществляют с помощью трубопроводов, устанавливаемых и перемещаемых по скважинам в пласте, которые подключают к соответствующим трубопроводам, размещаемым на подготовительных горных выработках.

Однако этот способ отработки угольных пластов не обеспечивает одновременно с газификацией угля получения электроэнергии как конечного продукта добычи и переработки угля, являющейся универсальным и экологически наиболее чистым видом энергии, Кроме того, необходимость перемещения трубопроводов по скважинам в пласте существенно усложняет всю технологию работ, управление процессом затрудняется из-за необходимости достаточно строгого согласования положения подвижных трубопроводов в скважинах и огневого фронта в пласте. 8се это снижает эффективность отработки угольных пла стов по этому способу.

Известно устройство для преобразования энергии продуктов газификации угля в подземных условиях шахты, содержащее газовую турбину с камерой сгорания продуктов газификации угля, соединенную с устройством газоподготовки, сообщенным с газоотводящим трубопроовдом и электрическим генератором, парогенератор, соединенный с выходом газовой турбины и паропроводом, турбину с электрическим генератором, холодильник (конденсатор) с питающим насосом, а также коаксиальный теплопередающий контур, связанный с предыдущим теплопередающим контуром с помощью циркуляционного насоса (прототип), Однако это устройство не имеет какойлибо связи собственно с процессом газификации угля в пласте и не обеспечивает повышения эффективности этого процесса как первичного процесса отработки угольного пласта (месторождения). Кроме того, КПД производства электроэнергии с использованиемм паротурбин ного оборудования, как известно, является сравнительно низким (не более 35 — 40%), что совместно с низким КПД самой подземной газификации угля обуславливает низкую эффективность отработки угольных пластов в целом, Целью изобретения является повышение эффективности отработки месторождения за счет снижения затрат на добычу и переработкуугля при одновременном повышении экологической чистоты производства, Поставленная цель достигается тем, что в способе отработки угольных пластов, включающем вскрытие и подготовку угольных пластов стволами, капитальными и подготовительными горными выработками или же выездной и разрезной траншеями, отработку пластов столбами или заходками, бурение {проведение) из подготовительных выработок скважин по пласту и переработку угля непосредственно на месте его залегания путем газификации, в пробуренные в плоскости пласта скважины устанавливают перфорированные трубопроводы, подачу дутья и отвод продуктов газификации угля ведут поочередно в попарно соседних скважинах со стороны межскважинных угольных целиков по перфорированным скважинным трубопроводам, подвод водяного пара в зону газификации угля осуществляют по ним не со стороны выработанного(выгоревшего) пространства либо вместе с подачей дутья, а выработку электроэнергии непосредственно на горном предприятии ведут с помощью газовой турбины с электрическим генератором. причем для выработки водяного пара, подаваемого взонуогневойотработки угольного пласта, используют отходящее тепло после газовой турбины, причем требуемую эффективность собственно газификации угля в межскважинных угольных целиках поддерживают на заданном уровне периодическим изменением во времени интенсивности дутья, подаваемого в скважины. При отработке пласта заходками на некотором расстоянии от подготовительной горной выработки (разрезной траншеи) дополнительно проводят вспомогательную скважину по пласту вкрест скважинам, .проводимым со стороны подготовительной выработки.

2003790

Поставленная цель достигается также тем, что комплекс оборудования для отработки угольных пластов, включающий турбину с электрическим генератором, теплообменный контур, а также газоотводящий трубопровод, дополнительно снабжен скважинными перфорированными трубопроводами, подключенными к дутьевому и отводящему трубопроводам, а также парогенератором, соединенным с выходом газовой . турбины, и паропроводом, соединяющим выход парогенератора со скважинными перфорированными трубопроводами напрямую или же через устройство дымосос-коммутатор.

Сравнение предлагаемого изобретения с прототипом позволяет утверждать о соответствии его критерию "новизна". При изучении других аналогичных технических решений признаки, отличающие их от прототипа, также не были выявлены. Поэтому данное изобретение соответствует и критерию "существенные отличия".

Изобретение поясняется фиг,1 и 2.

На фиг.1 показана технология отработки угольных пластов столбами: подготовительные горные выработки (штреки или разрезные траншеи) 1 и 2, капитальная горная выработка (уклон, квершлаг, выездная траншея и т.п,) 3. скважины 4 по пласту, скважинные перфорированные трубопроводы 5, герметизирующие (изолирующие) стенки 6, газодутьевой и отводящий трубопроводы 7 и 8, паропровод 9, блок (устройство) дымосос-коммутатор 10, дутьевой вентилятор 11, устройство 12 газоподготовки, газовая турбина 13, и электрический генератор 14 и парогенератор 15.

На фиг,2 представленатехнология отработки угольных пластов заходками, т.е. технология отработки угольных пластов или тех случаев (условий), когда подготовка пласта возможна или просто целесообразна с помощью одной подготовительной горной выработки (штрека или разрезной траншеи).

На фиг.2 дополнительно обозначена вспомогательная скважина 16 по пласту, проводимая на некотором (заданном) расстоянии от подготовительной выработки 2 вкрест скважинам 4.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Пример 1, Пусть отработке подлежит угольный пласт при подземной или открытой разработке угольного месторождения, подготовленный двумя горными выработками 1, 2 и 3 (штреками или траншеями), как это показано на фиг.1, пройденными по пласту.

Между горными выработками (между участковыми подготовительными выработками) 1 и 2 проводят (бурят) по пласту с заданным расстоянием относительно друг друга скважины 4, в которые устанавливают перфорированные трубопроводы 5. Причем на выходах угольного пласта на штреки уголь вынимают и возводят герметизирующую (изолирующую) стенку 6 из твердеющей закладки или же с помощью какого-либо строительного материала, так что выходы перфорированных трубопроводов 5 на скважины 4 оказываются уплотненными в изолирующей стенке 6. Затем на одной из участковых подготовительных выработок, например на выработке 2, устанавливают газодутьевой и отводящий трубопроводы 7 и 8, к которым в той или иной последовательности (например, нечетные к одному, а четные к другому) подключают перфорированные трубопроводы 5, установленные в скважинах 4. На противоположной горной выработке, в данном случае на выработке 1, также устанавливают паропровод 9, к которому подсоединяют другие концы перфорированных трубопроводов 5 всех скважин 4 (всех скважин, задействованных в данных момент времени или же готовящихся к включению в работу).

На подготовительной горной выработке 3 (это может быть капитальная горная выработка — уклон или бремсберг, квершлаг, выездная траншея и т.д,) устанавливают устройство (блок) дымосос-дымосос-коммутатор 10, дутьевой вентилятор 11, устройство 12 газоподготовки, газовую турбину 13 с электрическим генератором 14 и парогенератором 15.

После соединения соответствующим образом всех машин и оборудования между скважинами 4 со стороны выработки (штрека) 1 производят розжиг целиков угольного пласта. Одновременна по трубопроводу 7 во все четные(справа налево по фиг.1), например, перфорированные трубопроводы 5 подают дутье из скважины, горение и газификацию угля осуществляют с помощью дутьевого вентилятора 11 через блок дымосос-коммутатор 10, а из перфорированных трубопроводов 5 нечетных (в данном случае) скважин 4 дымососом-коммутатором ведут отсос (отвод) продуктов горения и газификации угля, который после минимальной подготовки в устройстве 12 (обезвоживание, очистка от крупных механических примесей и т.д.) направляют в камеру сгорания газовой турбины 13, приводящей во вращение электрический генератор 14. Вырабатываемая последним электроэнергия направляется потребителем, а высокотемпературный 7

2003790 выход ("выхлоп") газовой турбины подается в парогенератор 15, в который поступает вода на парообразование. Водяной пар с парогенератора 15 подают по паропроводу

9 к перфорированным трубопроводам 5 во все задействованные в данный момент вре мени скважины 4.

Для обеспечения управляемого (равномерного) сжигания и газификации целиков угля между скважинами с помощью блока дымосос-коммутатор 10 осуществляют попеременную подачу дутья и отвод продуктов газификации через четные и нечетные скважины 4 соответственно, Таким образом, отработку угольного пласта в целиках между скважинами ведут в интенсивном управляемом режиме путем газификации угля с парогазовым дутьем, причем подачу дутья и отвод продуктОв газификации ведут по скважинам в пласте со стороны угольных целиков, а подачу водяного пара в зону газификации осуществляют со стороны выгоревшего пространства, Поскольку водяной пар пересекает по перфорированным трубопроводам 5 всю выгоревшую. зону пласта, то реакция эндотермического разложения воды с образованием водорода осуществляется не только за счет тепла, выделяющегося в зоне горения газификации угля, но и за счет тепла, аккумулировавшегося ранее в боковых горных породах в выгоревшей зоне пласта. В результате этого существенно повышается эффективность отработки пласта за счет повышения теплотворной способности получаемого из пласта газа, так как газификация угля ведется на паровоздушном дутье, а для получения водяного пара используется вторичное (как бы бросовое) тепло с выхода газовой турбины.

Кроме того, отвод продуктов газификации угля по перфорированным трубопроводам, установленным в скважинах по пласту между подготовительными выработками 1 и

2, путем задания соответствующей величины депрессии, создаваемой блоком дымосос-коммутатор 10 на газоотводящих в данный момент времени скважинах 4, позволяет осуществлять также и отвод газа метана из всей отработанной зоны пласта, содержащегося, как известно, в больших количествах в окружающих горных породах.

Это является существенным источником повышения эффективности отработки угольного месторождения в целом, Пример 2. Пусть отработке подлежит угольный пласт, подготовленный только одной участковой подготовительной горной выработкой 2 (фиг.2).

Как и в предыдущем случае, по пласту со стороны штрека (или разрезной траншеи) проводятся скважины 4, в которые устанавливают перфорированные трубопроводы 5, частично или полностью закрытые на противоположном по отношению к выработке 2 конце, Краевую часть пласта, выходящую на штрек, вынимают и изолируют с помощью герметизирующей стенки 6, а на штреке размещают газодутьевой и отводящий трубопроводы 7 и 8. На капитальной горной выработке 3 устанавливают дымосос-коммутатор 10, дутьевой вентилятор 11, устройство 12 газоподготовки. газовую турбину.13

10 с электрическим генератором 14, а также парогенератор 15, причем выход последнего паропроводом соединяют с блоком дымосос-коммутатор 10, Входы парогенератора 15 соединяют с одной стотурбины 13 и с водопроводом (не показан), а выходы — с другой стороны паропроводам

9 с блоком дымосос-коммутатор 10 и атмосферой или каналом (трубопроводом) для

25 удаления продуктов сгорания из камеры газавой турбины.

Для обеспечения надежного первоначального розжига пласта в целиках между скважинами 4 на заданном расстоянии от штрека (выработки) 2 проводят также вспо30 магательную скважину 16 параллельно выработке.2.

Скважинные трубопроводы 5, как и в предыдущем случае, соединяют поочередно

35 с газодутьевым и отводящим трубопроводами 7 и 8 и на штреке. Затем производят розжиг одного или нескольких угольных целиков между скважинами 4 со стороны скважины 16 и включают в работу все

40 технологическое оборудование. Поочередной подачей дутья то в одну часть скважин

4, та в другую их часть путем отсоса продуктов горения и газификации угля через другую часть соседних скважин ведут отработку пласта. Продукты газификации из дымососа-коммутатора 10 поступают в устройство

12 газоподготавки и далее в камеру сгорания турбины 13 с генератором 14. Выход ("выхлоп") газовой турбины поступает на па50

55 рогенератор 15, где отработавшая струя газавой турбины отдает свое тепло воде, которую подают одновременно в парогенератор. Полученный водяной пар по парапроводу 9 поступает в блок дымосос-коммутатор 10, где он отводится в струю воздуха; формируемую дутьевым вентилятором 11. Получаемая паровоздушная смесь по трубопроводам 7 и 8 поочередно подается далее в скважины 4 в зону горения и газификации угля, а также в выгоревшее

20 роны с выходом камеры сгорания газовой

2003790

10 пространство пласта. Таким образом, в данном случае за счет паровоздушного дутья, которое подается как в зону непосредственного горения — газификации угля, так и в зону. отработанную ранее, в которой аккумулируется большое количество тепла, . обеспечивается повышение степени использования количества тепла (энергии), выделяющегося при горении угля в процессе его газификации.

Кроме того, как в первом, так и во втором случае отвод высокотемпературных продуктов горения — газификации осуществляются по скважинам, пробуренным по пласту, Поэтому угольный целик между соседними скважинами, по одной из которых подается дутье, а по другой отводятся продукту горения - газификации, подогревается теплом отводимых газов, что также способствует эффективности газификации угля в пласте.

Повышение эффективности отработки угольного пласта достигается в обоих случаях также и тем, что процесс отработки разных целиков угля между соседними скважинами ведут в разных режимах по изменению интенсивности подачи дутья (дав-. ление, расход и т.д,), чередуя не только подачу дутья или отвод продуктов газификации для каждой скважины, но и изменение во времени указанным образом режима работы каждой иэ них.

Предлагаемый комплекс оборудования для реализации предлагаемого способа отработки угольных пластов включает (фиг.1 и

2) скважинные перфорированные трубопроводы 5, которые установлены в скважинах 4, пройденных по пласту между подготовительными выработками 1 и 2 в случае отработки пласта столбами (фиг.1) или же пройденных иэ одной из них при отработке пластов заходками (фиг.2). Перфорированные трубопроводы 5 из скважин с соответствующим уплотнением выведены на подготовительные выработки через изолирующие стенки 6, возведенные на выходах пласта на подготовительные выработки. В состав предлагаемого комплекса оборудования входят газодутьевой и отводящий трубопроводы 7 и 8, паропровод 9, блок (устройство) дымосос-коммутатор 10, дутьевой вентилятор 11, устройство 12 газоподготовки, газовая турбина 13 с электрическим генератором 14. а также парогенератор 15.

Трубопроводы 7 и 8 расположены на одной иэ подготовительных горных выработок, а паропровод 9 соединяет выход парогенератора 15 со скважинными перфорированными трубопроводами 5 не20

25 т.д.

Работа предлагаемого комплекса обо30 рудования для отработки угольных пластова

45

5

15 посредственно (фиг.1) или же через блок ды мосос-ко м мутатор 10 (фи г.2), Ск важинные перфорированные трубопроводы 5 соединены с газодутьевым и отводящим трубопроводами 7 и 8 поочередно (через одну скважину по схеме "чет-нечет"), а с другой стороны выполнены частично закрытыми иди же соединены непосредственно с . паропроводом 9. К входам-выходам устройства дымосос-коммутатор 10 подключены газодутьевой и отводящий трубопровод 7 и

8, а также выход дутьевого вентилятора 11 и вход устройства 12 газоподготовки. Выход последнего соединен с камерой сгорания (с входом) газовой турбины 13, приводящей во вращение электрический генератор 14, а выход ("выхлоп") газовой турбины 13 подается на вход парогенератора 15, в который подается одновременно и вода из водопровода или какого-то накопительного резервуара (не показаны).

Большая часть оборудования комплекса, как это показано на фиг.1 и 2, размещается на капитальной горной выработке 3, но может располагаться и в любом другом подходящем месте — на поверхности шахты, дневкой поверхности угольного разреза и детально описана раньше (примеры 1,2) и дополнительных пояснений не требует.

Предлагаемый способ отработки угольных пластов и комплекс оборудования для его осуществления обеспечивают эффективную безлюдную и экологически чистую технологию разработки угольных месторождений, при которой достигается совмещение процессов добычи и переработки угля с целью получения электроэнергии как конечного продукта, являющейся наиболее универсальным и экологически чистым видом энергии, минуя множество существующих технологических процессов и операций добычи и переработки угля, таких, в частности, как разрушение, выдача и транспортировка угля. При этом технология отработки угольных пластов и основное технологическое оборудование остаются практически одними и теми же, т,е, унифицированными как при подземной, так и при открытой разработке угольных месторождений, Это предопределяет большое технико-экономическое значение предлагаемого изобретения. (56) Патент США N. 4087130. кл, 299/2. 1978.

Авторское свидетельство СССР

N. 54408, кл. Е 21 8 43/295, 1937.

2003790

Фо рмула изобретения

1. Способ отработки угольных пластов, включающий вскрытие и подготовку пластов горными выработками, бурение иэ подготовительных выработок скважин по пласту, розжиг угольного пласта, подачу дутья Ro газодутьевому трубопроводу и водяного пара по паропроводу на горение угля и его газификацию и отвод продуктов газификации угля, отличающийся тем, что, с целью снижения трудозатрат на отработку при одновременном повышении экологической чистоты производства, в пробуренные в плоскости пласта скважины устанавливают перфорированные во всем интервале пласта трубопроводы, подачу дутья, отвод продуктов и подачу пара осуществляют по одним и тем же скважинам, при этом подачу дутья и отвод продуктов газификации ведут поочередно в попарно соседних скважинах со стороны межскважинных угольных целиков, э подвод пара осуществляют со стороны выработанного пространства, при этом с помощью газовой- турбины с электрическим генератором осуществляют выработку электроэнергии непосредственно на горном предприятии, а для выработки водяного пара, подаваемого в паропровод, используют отходящее тепло после газовой турбины.

2. Способ по п,1, отличающийся тем, что периодически изменяют назначение газодутьевых скважин на продуктовые с одновременным переводом продуктовых скважин в газодутьевые, 3, Способ по п.1, отличающийся тем, что требуемую эффективность газификации угля в межскважинных угольных целиках поддерживают на заданном уровне rieриодическим изменением во времени интенсивности дутья. подаваемого в скважины по пласту, 4, Способ по n.l. отличающийся тем, что при отработке пласта заходками на некотором расстоянии от подготовИтельной горной выработки дополнительно проводят вспомогательную скважину по пласту вкрест скважинам, проводимым со стороны подготовительной горной выработки.

5, Комплекс. оборудования для отрабог15 ки угольных пластов, включающий газовую турбину с камерой сгорания продуктов газификации угля, соединенную с устройством газоподготовки, сообщенным с газоотводящим трубопроводом и электрическим генератором, и парогенератор, соединенный с выходом газовой турбины и паропроводом для подачи пара на газификацию, отличающийся тем, что, с целью

25 снижения трудозатрат на отработку при одновременном повышении экологической чистоты производства, комплекс снабжен дымососом-коммутатором с соединенным с ним дутьевым вентилятором и перфорированными трубопроводами для размещения в скважинах, при этом дымосос-коммутатор соединен с газоотводящим и газодутьевым трубопроводами с возможностью поочередного подключения 5 к ним, а перфорированные трубопроводы соединены одними концами с газоотводя- . щим и газодутьевым трубопроводами, а . другими - с паропроводом.

2003790

2003790 иг.

Заказ 3314

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Составитель А. Ильюша

Редактор М. Стрельникова Техред М.Моргентал Корректор Л. Милюкова