СПОСОБ РАЗРАБОТКИ ВЫБРОСООПАСНЫХ И ГАЗОНОСНЫХ ПЛАСТОВ УГЛЯ Российский патент 2003 года по МПК E21F7/00 E21F5/00 E21C41/18 E21B43/295 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке выбросоопасных и газоносных угольных пластов выемочными комплексами высокой производительности.

Известен способ опережающей отработки защитного угольного пласта для развития трещинообразования и деформирования породной толщи, отделяющей его от выбросоопасного пласта, обеспечивающий снижение в последнем концентрации горного и газового давления, исключающее опасность внезапного выброса угля и газа. Недостатком способа является ограничение условий его применения небольшим расстоянием между этими пластами, гарантирующим необходимый защитный эффект, а также достаточной мощностью и качеством защитного пласта, обеспечивающими возможность его рентабельной отработки (Петухов И.М. и др. Механика горных ударов и выбросов, М., Недра, 1983, 280 с.).

Известен также способ отработки защитных пластов некондиционного угля (нерабочая мощность, низкое качество и др.) путем полного сжигания в потоке водовоздушной смеси, нагнетаемой с поверхности по скважинам и трещинам гидроразрыва пласта в огневой забой, для получения из высокотемпературных продуктов горения в расположенном на поверхности теплообменнике энергетического пара высоких параметров, пригодного для производства электроэнергии. Недостатками этого способа, быстро возрастающими с увеличением глубины залегания месторождения, являются высокая стоимость и сложность бурения с поверхности на пласт скважин по достаточно густой сетке, обеспечивающей возможность их фильтрационно-огневой сбойки. (А.С. N 941587, М.Кл. Е 21 С 43/00, публ. 1982 г., "Способ подземной газификации угля".)
Известен принятый за прототип cпособ разработки газоносных угольных месторождений по а.с. 111212, М.Кл. Е 21 F 5/00, публ. 1984 г., включающий бурение попарно сбиваемых между собой скважин на защитный пласт до ведения горных работ, образование между ними огневых забоев путем сжигания угля с использованием дутья кислородной смеси, отсос через скважины продуктов горения на поверхность, при этом работы по сжиганию угля из защитных пластов ведут снизу вверх одновременно на всех защитных пластах без сохранения целиков в выработанном пространстве, а размер защищенной зоны воздействия двух отрабатываемых защитных пластов устанавливают из заданной зависимости.

Недостатком данного способа является невысокий уровень безопасности, т. к. не обеспечивается отвод метана, также не полностью используется энергетический потенциал.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении безопасности и высокой интенсивности подземной разработки выбросоопасных и газоносных пластов и повышение полноты комплексного использования энергоресурсов угленосной толщи, а также полученного при ее дегазации метана.

Технический результат достигается тем, что в способе разработки выбросоопасных и газоносных пластов угля, включающем бурение вертикальных скважин до почвы защитного пласта, сжигание угля защитного пласта и отвод полученных продуктов горения на поверхность, согласно изобретению, предварительно проходят штреки для отработки газоносного и выбросоопасного пласта длинными столбами, лавой с выемочным комплексом, из вертикальных скважин осуществляют гидроразрыв и между штреками бурят дренажные скважины, а из штреков бурят межпластовые скважины, между забоями которых проводят фильтрационные каналы, причем из пары таких каналов создают огневой забой, длину которого l_o определяют из выражения
l₀ = C_тM₁ΔTL_Bk2λ

/q_тM₂η_c,
где Ст - теплоемкость угля, кДж/кг^oС;
M₁ - мощность газоносного и выбросоопасного пласта, м;
М₂ - мощность защитного пласта, м;
L_В - длина выемочного столба газоносного и выбросоопасного пласта, м;
ΔТ - величина нагрева газоносного и выбросоопасного пласта, ^oС;
k_λ - коэффициент, учитывающий кондуктивные потери тепла в окружающий породный массив, д.е.;
η_c - коэффициент, учитывающий неполное выгорание защитного пласта по мощности и по площади, д.е.,
q_т - теплотворная способность защитного пласта, кДж/кг,
при этом осуществляют прогрев на 100^oС и термодегазацию газоносного и выбросоопасного пласта паром, полученным при сжигании некондиционного угля защитного пласта в одной панели шириной l_o.

Способ характеризуется также тем, что радиус гидроразрыва R выбирают из условия R = 0,7Lc , где L_c - длина выемочного блока.

Способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен продольный разрез отрабатываемых пластов, на фиг. 2 - горизонтальный разрез по А-А, на фиг. 3 - горизонтальный разрез В-В.

1 - выбросоопасный и газоносный пласт мощностью М₁;
2 - защитный пласт нерабочей мощности М₂;
3 - штреки, подготавливающие выемочный столб выбросоопасного и газоносного пласта 1 длиной L_в;
4 - вертикальные скважины, пробуренные с поверхности до почвы защитного пласта 2;
5 - выемочный комплекс для отработки выбросоопасного и газоносного пласта 1;
6 - зона обрушения кровли выбросоопасного и газоносного пласта 1;
7 - трещины гидроразрыва, образованные из скважин в пластах 1 и 2;
8 - дренажные скважины, пробуренные из штреков 3;
9 - потоки высокотемпературной газопародымовой смеси - продуктов сжигания пласта 2;
10 - электропарогенератор;
11 - теплоизолированные паропроводы;
12 - зона прогрева выбросоопасного и газоносного пласта 1;
13 - зона предварительной дегазации пласта 1;
14 - потоки водовоздушной смеси;
15 - теплообменник-парогенератор УПГ;
16 - междупластовые вентиляционные скважины, пробуренные из штреков 3 пласта 1 до почвы пласта 2;
17 - форсунки над скважинами 16 для впрыскивания воды в воздушный поток 14;
18 - поток энергетического пара закритических параметров;
19 - паровая турбина;
20 - электрогенератор;
21 - поток отработанного конденсата и других сжиженных газов;
22 - огневой забой защитного пласта 2;
23 - зона обрушения кровли защитного пласта 2;
24 - зона подземного захоронения отходов;
25 - фильтрационные каналы.

Отрабатывают выбросоопасный и газоносный пласт 1 мощностью M₁ с высокой газоносностью g₁, объемной теплоемкостью С_т и температурой Т и защитный пласт 2 с теплотворной способностью q_т, не пригодный для выемки из-за малой (нерабочей) мощности М₂. Пласт 1 отрабатывается длинными столбами (L_в) и подготавливается штреками 3 при длине лавы l_в, равной длине блока, оборудованной выемочным комплексом 5 с полным обрушением кровли 6. Из пробуренных с поверхности по оси штреков вертикальных скважин 4, разделяющих длинный столб на выемочные блоки длиной Lc в обоих пластах, осуществляют гидроразрыв радиусом R = 0,7Lc с системой трещин гидроразрыва 7, охватывающих всю площадь выемочного столба. Для повышения нагрузки на лаву до возможностей выемочного комплекса 5 (для устранения ограничения по допустимой скорости воздуха из условия разбавления до безопасной концентрации метана, выделяющегося из отбиваемого угля) предусмотрена предварительная дегазация участков пластов по мере приближения к ним очистного забоя. Для этого из штрека 3 (или из обоих штреков навстречу друг другу) бурятся дренажные скважины 8, подключенные через дегазационный трубопровод к вакуум-насосной установке (не показана).

Нагрев выбросоопасного и газоносного пласта 1 до 100^oС в зависимости от конкретных условий можно получить различными путями:
1). Использованием электропарогенератора 10, который по теплоизолированному паропроводу 11 подключен к скважинам 8 в зоне прогрева 12, переходящей в зону дегазации 13,
2). Сжиганием в шахтной котельной части метана (при g₁ >20 м³/т не более 30% каптированного при глубокой дегазации пласта) с прокладкой по скважине 4 и штреку 3 теплоизолированного паропровода 11,
3). Получением пара высоких параметров (например, 550^oС и 25 МПа) из теплообменника-парогенератора 15 типа УПГ, за счет рекуперативного теплообмена с газо-паро-дымовыми продуктами сжигания 9 защитного пласта 2 в огневом забое 22 длиной l_o.

В отличие от известных способов подземной газификации угля в этом процессе химическая энергия полного окисления угля превращается в основном в скрытую теплоту парообразования, поскольку горение развивается в водовоздушной среде (в эксперименте горения угля под паровым прослойком и столбом воды измеренная температура достигала 1300^oС. Водовоздушный поток 14 формируется в форсунках 17 над вертикальными вентиляционными межпластовыми скважинами 16 длиной ΔН, пробуренными из штрека 3 выбросоопасного и газоносного пласта 1 с интервалом l_с до пересечения с трещинами гидроразрыва 7 пласта 2.

Для подготовки защитного пласта 2 к сжиганию после его вскрытия скважинами 4 и 16 между скважин 16 проводят фильтрационные каналы 25, причем из пары таких каналов создают огневой забой, длину которого l_o определяют по предложенной формуле. В режиме противотока осуществляется фильтрационно-огневая сбойка, при использовании сжатого воздуха от шахтной компрессорной установки образуются фильтрационо-вентиляционные каналы длиной l_с и l_в для потоков водовоздушной смеси 14.

Поскольку для прогрева и термодегазации выбросоопасного и газоносного пласта 1 достаточно пара от сжигания небольшой доли ресурсов пласта 2 с образованием газо-паро-дымовой смеси 9, основной поток энергетического пара закритических параметров направляется от УПГ по паропроводу 18 в турбину 19 электрогенератора 20, а поток 21 отработанного грязного конденсата из УПГ (при необходимости вместе с другими сжиженными отходами) направляются по трубопроводу и отработанной скважине 4 на подземное захоронение 24 в зону обрушения 23 в выгоревшей части пласта 2. Предшествовавшие и последующие деформации и трещинообразование в породах междупластья гарантируют необходимый защитный эффект для безопасной отработки выбросоопасного и газоносного пласта 1, исключая возможность внезапного выброса угля и газа.

После выгорания угля защитного пласта 2 в пределах столба (в каждом блоке длиной L_c может одновременно действовать по одному огневому забою 22), а также в любых аварийных случаях включаются расположенные в штреке на каждом блоке установки порошково-пенного пламягашения типа ППУ, около самораздувающихся перемычек. При заполнении инертными газами всего объема межпластовых скважин 16, межскважинных сбоек l_c и l_в выгоревшего пространства вдоль огневых забоев 22 горение прекращается в течение нескольких минут.

При снижении газоносности пласта 1 примерно до 2-5 м³/т за счет интенсивной термовакуумной дегазации обеспечивается главная задача: нагрузка на лаву может быть увеличена до 5000 т/сут. Закритические параметры пара, полученного за счет сжигания защитного пласта, обеспечивают высокий уровень КПД турбогенератора, а резкое сокращение объема горных работ и исключение транспорта и складирования угля, сооружения и обслуживания топки котельной, золоотвалов, шлакоотвалов, систем предотвращения газовых и тепловых выбросов, по предварительным оценкам, могут сократить общие издержки на 1 кВт•ч электропродукции более, чем на порядок при обычном расходе топлива около 320 г/т.

Поток 9 движется по штрекам 3, межпластовым вентиляционным скважинам 16 и вентиляционным сбойкам l_c и l_в пласта М₂ за счет общешахтной тепловой депрессии, которая при повышении температуры в огневом забое до 1200-1300^oС может быть чрезмерной и потребовать вентиляционных сопротивлений, устанавливаемых в скважинах 16.

Длина огневого забоя l_o, обеспечивающая потребность прогрева выемочного поля площадью L_в•l_в на выбросоопасном и газоносном пласте 1 на ΔТ^oC за счет сжигания на пласте 2 или ширина одной панели при длине l_в, может быть определена по формуле
l₀ = C_тΔTM₁L_Bk2λ

/(q_тM₂η_c),
где С_т - теплоемкость угля, кДж/кг^oС;
M₁ - мощность выбросоопасного и газоносного пласта, м;
М₂ - мощность защитного пласта, м;
L_в - длина выемочного столба выбросоопасного газоносного пласта, м;
ΔТ - величина нагрева выбросоопасного газоносного 1 пласта, ^oС;
q_т - теплотворная способность защитного пласта, кДж/кг;
k_λ - коэффициент, учитывающий кондуктивные потери тепла в окружающий породный массив, д.е.;
η_c - коэффициент, учитывающий неполное выгорание защитного пласта по мощности и по площади, д.е.

Например, для Ст = 1,7 МДж/кг^oС; q_т = 26,4 МДж/кг; L_B = 3000 м; L_c = 500 м; l_c = 50 м; l_в = 200 м; M₁ = 2,0 м; M₂ = 0,5 м; к_λ = 1,25; Т = 100^oС и η_c = 0,85, получим l_o = 100 м.

Таким образом, для прогрева выемочного столба выбросоопасного и газоносного пласта 1 с запасами около 1,5 млн т на 100^oС достаточно использовать объем пара, полученный при сжигании некондиционного угля защитного пласта 2 в одной панели шириной l_o = 100 м, то есть 1/30 части запасов этого пласта в выемочном поле, оставляя основную массу полученного пара закритических параметров (550^oС, 25 МПа) для производства электроэнергии. Приближенный расчет показывает, что при одновременной отработке в каждом из шести блоков выемочного поля (L_c = 500 м) по одной такой панели примерно за 2,5 года (время подготовки и отработки одной панели для принятых на основании опыта подземной газификации угля составляет 4800 ч). Общее количество электроэнергии составит около 1 млрд кВт•ч при расчетной средней электрической мощности такой энергосистемы примерно N_E = 60 МВт, что намного превосходит суммарную мощность задалживаемых буровых, насосных, парогенераторных и компрессорных установок и подтверждает ожидаемую энергетическую эффективность предлагаемой технологии.

Принимая в данном случае повышение интенсивности десорбции метана при повышении температуры угля по экспериментальным данным для ΔТ = 100^oС, можно ожидать снижения газоносности пласта от 22 до 2 м²/т. Это позволит пропустить через рабочее сечение очистной выработки около 4 м² со скоростью 4 м/с 15-16 м³/с воздуха, то есть обеспечить необходимое разбавление метана, выделяющегося при суточной нагрузке на лаву до 5000 т/сут.

Помимо этого главного эффекта, каптаж метана около 20 м³/т для дегазированных запасов выемочного поля выбросоопасного и газоносного пласта 1, составляющих около 1,5 млн т, можно оценить примерно в 30 млн м³. При утилизации такого объема метана в газовой котельной может быть получен при КПД = 0,6 объем пара с общим теплосодержанием в 720 млн. МДж, что почти в три раза превосходит необходимый для прогрева пласта на ΔТ = 100^oС расход тепловой энергии (244,8 млн МДж).

При использовании электропарогенератора 10 паропродукция от сжигания защитного пласта 2, необходимая для опережающей подработки и разгрузки выбросоопасного газоносного пласта 1, может полностью использоваться для выработки электроэнергии. Прогрев пласта 1 перед его глубокой дегазацией может быть реализован только за счет утилизации каптированного метана.

Тем не менее хотя бы периодическое нагнетание полученного в теплообменнике пара через глубокие скважины в трещины гидроразрыва обоих пластов представляется явно целесообразным: при давлении этого пара несколько выше геостатического (например, 25 МПа против полного горного давления на глубине угленосной толщи Н=1 км, не превышающей 22-23 МПа).

Экологическая эффективность предлагаемой технологии определяется комплексным использованием как угольных, так и метановых энергоресурсов выбросоопасного и газоносного пласта 1, вовлечением в эксплуатацию и использованием для производства электроэнергии забалансовых запасов некондиционного угля защитного пласта 2 нерабочей мощности, а также захоронением грязного конденсата и других возможных отходов путем спуска через отработанные глубокие скважины 4 в отработанное пространство защитного пласта 2.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке выбросоопасных и газоносных угольных пластов выемочными комплексами высокой производительности. Технический результат - безопасность и высокая интенсивность подземной разработки выбросоопасных и газоносных пластов, повышение полноты комплексного использования энергоресурсов угленосной толщи, а также полученного при ее дегазации метана. Способ разработки включает бурение вертикальных скважин до почвы защитного пласта, сжигание угля защитного пласта и отвод полученных продуктов горения на поверхность. Предварительно проходят штреки для отработки опасного пласта длинными столбами лавой с выемочным комплексом. Из вертикальных скважин осуществляют гидроразрыв, между штреками бурят дренажные скважины и из штреков бурят межпластовые скважины, между забоями которых проводят фильтрационные каналы. Из пары таких каналов создают огневой забой, длину которого l₀ определяют из выражения l₀ = C_тM₁ΔTL_Bk2λ

/q_тM₂η_c, где С_т - теплоемкость угля, Кдж/кг^oС; М₁ - мощность опасного пласта, м; М₂ - мощность защитного пласта, м; L_В - длина выемочного столба опасного пласта, м; ΔТ - величина нагрева опасного пласта, ^oС; k_λ - коэффициент, учитывающий кондуктивные потери тепла в окружающий породный массив, д.е.; η_c - коэффициент, учитывающий неполное выгорание защитного пласта по мощности и по площади, д.е.; q_т - теплотворная способность защитного пласта, кДж/кг. Осуществляют нагрев на 100^oС и термодегазацию выбросоопасного и газоносного пласта паром, полученным при сжигании некондиционного угля защитного пласта в одной панели шириной l₀. Радиус гидроразрыва R выбирают из условия R=0,7L_c, где L_c - длина выемочного блока. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ разработки выбросоопасных и газоносных пластов угля, включающий бурение вертикальных скважин до почвы защитного пласта, сжигание угля защитного пласта и отвод полученных продуктов горения на поверхность, отличающийся тем, что предварительно проходят штреки для отработки выбросоопасного и газоносного пласта длинными столбами лавой с выемочным комплексом, из вертикальных скважин осуществляют гидроразрыв, между штреками бурят дренажные скважины и из штреков бурят межпластовые скважины, между забоями которых проводят фильтрационные каналы, причем из пары таких каналов создают огневой забой, длину которого l₀ определяют из выражения
l₀ = C_тM₁ΔTL_Bk2λ

/q_тM₂η_c,
где C_т - теплоемкость угля, Кдж/кг^oC;
M₁ - мощность газоносного и выбросоопасного пласта, м;
M₂ - мощность защитного пласта, м;
L_В - длина выемочного столба газоносного и выбросоопасного пласта, м;
ΔT - величина нагрева газоносного и выбросоопасного пласта, ^oC;
k_λ - коэффициент, учитывающий кондуктивные потери тепла в окружающий породный массив, д.е.;
η_c - коэффициент, учитывающий неполное выгорание защитного пласта по мощности и по площади, д.е.;
q_т - теплотворная способность защитного пласта, кДж/кг,
при этом осуществляют прогрев на 100^oC и термодегазацию выбросоопасного и газоносного пласта паром, полученным при сжигании некондиционного угля защитного пласта в одной панели шириной l₀. 2. Способ разработки по п.1, отличающийся тем, что радиус гидроразрыва R выбирают из условия R=0,7L_c, где L_c - длина выемочного блока.