СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ БУРОГО УГЛЯ НА МЕСТЕ ЕГО ЗАЛЕГАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК E21C45/00 E21B43/28 

Изобретение относится к горному делу, к области скважинной гидродобычи твердого полезного ископаемого и может быть использовано для первичного обогащения минерального сырья в условиях добычного полигона.

Во второй половине двадцатого века активизировались разработки новых геотехнологических методов добычи твердых полезных ископаемых посредством скважин, пробуренных с дневной поверхности к залежи. Основной технической идеей, движущей развитие этих методов, является разработка залежи в трудных горно-геологических условиях не открытым или шахтным способами, неэффективными в данном случае, а безлюдным подземным методом с осуществлением добычных манипуляций с поверхности земли посредством перевода твердого полезного ископаемого или его полезного компонента в подвижное состояние с последующей выдачей полученного продукта в виде пульпы, жидкости, газа на дневную поверхность и оставлением минеральных отходов в отработанном объеме залежи.

Известен метод подземного выщелачивания (ПВ), ориентированный пока, в большей степени, на добычу урана, золота, меди (см., например, Калабин А.И. Добыча полезных ископаемых подземным выщелачиванием и другими геотехнологическими методами. - М.: Атомиздат, 1981; RU 2185507 и др.).

Известен метод подземной газификации угля (ПГУ) с дневной поверхности, в том числе с использованием шахт (см., например, Скафа П.В. Подземная газификация углей. - М.: Госгортехиздат, 1960; Крейнин Е.В., Федоров Н.А., Звягинцев К.Н. Подземная газификация угольных пластов. - М.: Недра, 1982; Получение различных видов энергии при подземном сжигании угля по технологии «Углегаз». - Сб. научн. трудов / Под ред. акад. АН СССР В.В. Ржевского. - М.: МГИ, 1983; RU 2354820 и др.).

Известен метод скважинной гидродобычи (СГД) твердых полезных ископаемых (см., например, Аренс В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых. - М.: Недра, 1984 и др.). Только по этому направлению ретроспективный поиск запатентованных отечественных технических решений выявил более полутора тысяч изобретений, посвященных различным аспектам развития метода СГД - от конструкций скважинных гидродобычных снарядов до схем и режимов отработки выемочных камер и залежи. Зарубежный патентный фонд характеризуется более широким спектром применения метода СГД, например, в технологических целях.

Общим недостатком упомянутых геотехнологий - аналогов можно обозначить отсутствие их взаимокомплексирования в целях достижения большей эффективности отработки залежи твердого полезного ископаемого (например, СГД+ПВ).

Наиболее близки к предложенному техническому решению работы Бурчаков А.С., Гринько Н.К., Ковальчук А.Б. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1978; АС СССР №1346799; Ткаченко Н.Ф. Направление развития нетрадиционных технологий добычи угля и переработки его на месте залегания. - М.: Горный вестник, 1993, №1. - С. 12-17; Михеев О.В., Мельник В.В., Дмитриев В.А. Технология разработки угольного месторождения через скважины с поверхности. // Научн.-техн. разработки МГГУ, АО УК «Кузнецкуголь» и «ВНИИгидроуголь». - М.: МГГУ, 1994. - С. 100-106, обобщенные и развитые в докторской диссертации Мельника В.В. «Разработка технологических решений скважинной гидравлической добычи угля». - М., 2005, выбранной за прототип.

В прототипе создается комплекс технологических решений по добыче, первичной переработке и транспортированию угля потребителю на базе интегрирования геотехнологий и комбинирования различных способ реализации потенциала гидроэнергии, прежде всего, на основе метода СГД.

В качестве основного недостатка прототипа можно отметить тот факт, что данное известное техническое решение раскрывает технические возможности потенциала гидроэнергии только с одной, физической (механической), стороны, в то время как другие стороны этого потенциала, например химическая, не менее продуктивны.

Поставленная задача - расширить возможности потенциала гидроэнергии в процессе переработки твердого полезного ископаемого, в частности бурого угля, на месте его залегания, в том числе используя химические свойства воды, водных растворов, суспензий, эмульсий и т.п.

Поставленная задача реализована следующим образом. Переработка бурого угля на месте его залегания осуществляется путем воздействия на горную породу залежи с дневной поверхности через пробуренные скважины сначала гидромониторными струями высокого давления, разрушающими горную породу на куски, дробящими куски горной породы и измельчающими их на грубодисперсные частицы в составе гидросмеси. Затем механическому агенту воздействия потенциала гидроэнергии - воде - придают свойство определенного физического, химического или физико-химического агента воздействия и в процессе динамической диспергации бурого угля получают суспензию с дисперсной средой в виде жидкого целевого продукта, который выдают на дневную поверхность. После этого при необходимости оказывают последовательно другие виды направленного воздействия на твердую дисперсную фазу, получая другие суспензии с другими дисперсными средами в виде других целевых продуктов.

Рассмотрим более подробно действие предложенного способа на примере переработки бурого угля в глубокозалегающем (160-180 м) пласте мощностью 5,6 м Таловского месторождения Томской области РФ. Таловские бурые угли, рассматриваемые специалистами как химико-энергетическое сырье, характеризуются как химическое сырье высоким содержанием гуминовых кислот, монтан-воска, смол, битумов, тяжелых редких металлов, как энергетическое сырье - возможностью слоевого сжигания, сжигания в циркулирующем кипящем слое, пылевого форсуночного сжигания, а также в виде полукоксовых брикетов. Для реализации поименованных возможностей предложены различные способы наземной переработки таловских бурых углей, добытых открытым способом. Однако глубокозалегающие пласты угля в этих способах не перерабатываются, т.к. считаются брошенными/забалансовыми и не подлежащими по экономическим соображениям отработке карьерным и/или шахтным способами.

Для реализации изобретения оборудуется добычной полигон СГД - технологическая схема обвязки этого наземного комплекса включает буровую установку типа УКБ-500 или УРБ-ЗАМ, цемагрегат ЦА-320, насос М-9Т, компрессор ПКС-8/101; подземная часть полигона включает обсаженную скважину ⌀ 168 мм, насосно-компрессорные трубы и скважинный гидродобычной снаряд типа СГС или СЭС. На полигоне имеются оборудованные места складирования целевых продуктов и оборотной воды: карты намыва, емкости и пруд-отстойник с источником воды (скважина, озеро, река).

Гидравлическое разрушение угля в глубозалегающем пласте производят аксиальной и радиальными струями воды под напором 20÷40 атм из гидромониторных насадок диаметром 8÷12 мм.

Манипулируя скважинным гидродобычным снарядом в объеме образовавшейся затопленной выемочной камеры диаметром 8÷14 м и высотой 5,6 м, реализуют эффект струйной мельницы или «стиральной машины активаторного типа», организуя процесс диспергации таловских бурых углей по схеме «куски-кусочки-частицы» с последующим отмучиванием угля и неорганической компоненты от водорастворимой части такой органической компоненты как гуминовая кислота, которая через фильтр засасывается СГС/СЭС и выдаются на дневную поверхность.

После осушения выемочной камеры в нее по оборотной схеме подается подщелаченная вода - 10%-й водный раствор щелочи KOH/NaOH, который интенсивно перемешивается с твердой фракцией, и в результате химической реакции оставшиеся гуминовые кислоты преобразуются в соли - гуматы калия/натрия, которые в жидком виде засасываются через фильтр СГС/СЭС и выдаются на дневную поверхность.

После повторного осушения выемочной камеры в нее по оборотной схеме подается эмульсия растворителя органических веществ, например водобензиновая или водоспиртобензиновая, которая интенсивно перемешивается с твердой фракцией и в результате битумы, смолы и воск экстрагируются в состав жидкой дисперсной среды, последняя засасывается через фильтр СГС/СЭС и выдается на дневную поверхность из верхней части заполненной выемочной камеры, затем из средней части заполненной камеры выдается на дневную поверхность твердый углеродсодержащий остаток и, в последнюю очередь, со дна выемочной камеры выдается на дневную поверхность минеральный осадок, содержащий тяжелые редкие металлы.

По другому варианту после осушения выемочной камеры в третий раз, энергетическую компоненту буроугольного сырья и минеральную компоненту доставляют последовательно на карты намыва посредством воды.

Из одной выемочной камеры из таловских бурых углей предлагаемым способом можно получить: гуминовых кислот - до 55 т; гуматов - до 25 т; суммы органических веществ (монтан-воска, смол, битумов) - до 25 т; обогащенного угля - до 185 т; гидрометаллургического сырья - до 10 т.

Таким образом, на примере использования изобретения показано, что применение потенциала гидроэнергии с модифицированными физико-химическими свойствами в комбинации геотехнологических методов СГД+ПВ позволяет: существенно повысить производимость ПВ - продуктивные растворы в выемочной камере объемом до 300 м³ нарабатываются в течение 1-2 часов; провести обогащение угля - энергетическое сырье освобождается от органической и минеральной компонент; получить в месте залегания угля другие ценные компоненты, служащие источниками сырья для получения ряда товарных продуктов; обеспечить экологическую безопасность недр и земной поверхности за счет быстрого протекания технологических процессов (затраты времени составляют 3-5 дней, включая обустройство полигона, бурение скважины, работу в выемочной камере и демонтаж оборудования).

Изобретение относится к горному делу. Способ переработки бурого угля на месте его залегания включает бурение вертикальных, наклонных или горизонтальных скважин с дневной поверхности до залежи, одновременное механическое воздействие аксиальной и радиальными гидромониторными струями из скважинного гидродобычного снаряда. Осуществляют физическое воздействие посредством вращения радиальных струй, раскручивая вокруг скважинного гидродобычного снаряда дробленую массу горной породы, реализуя эффект струйной мельницы. Получают суспензию с первой дисперсной средой в виде первого целевого продукта - жидкого концентрата водорастворимых гуминовых кислот, который после вращательного отмучивания бурого угля и неорганической компоненты через фильтр засасывается скважинным гидродобычным снарядом и выдается на дневную поверхность. После осушения выемочной камеры осуществляют физико-химическое воздействие на отмученный бурый уголь посредством подачи в выемочную камеру подщелоченной воды, которая в качестве второго целевого продукта через фильтр засасывается скважинным гидродобычным снарядом и выдается на дневную поверхность. Дальнейшее получение целевых продуктов. Технический результат заключается в существенном росте производительности и расширении спектра получаемых в процессе добычи целевых продуктов в виде полезных компонентов полезного ископаемого.

Способ переработки бурого угля на месте его залегания путем физического, химического или физико-химического воздействия на горную породу залежи через скважины, вертикальные, наклонные или горизонтальные, пробуренные с дневной поверхности до залежи, получения целевого продукта в жидком или газообразном виде и выдачи его на дневную поверхность, отличающийся тем, что воздействие на горную породу залежи осуществляют путем последовательного раскрытия технических возможностей потенциала гидроэнергии, а именно, сначала на выделенную часть горной породы залежи оказывают одновременное механическое воздействие аксиальной и радиальными гидромониторными струями из скважинного гидродобычного снаряда под давлением 20-40 атмосфер, разрушающее горную породу на куски, дробящее куски горной породы, образующее затопленную выемочную камеру диаметром 8-14 метров и высотой до 6 метров, затем оказывают физическое воздействие посредством вращения радиальных струй, раскручивая вокруг скважинного гидродобычного снаряда дробленную массу горной породы, реализуя эффект струйной мельницы, и в процессе циклической динамической диспергации бурого угля по схеме «куски - кусочки - частицы» получая суспензию с первой дисперсной средой в виде первого целевого продукта - жидкого концентрата водорастворимых гуминовых кислот, который после вращательного отмучивания бурого угля и неорганической компоненты через фильтр засасывается скважинным гидродобычным снарядом и выдается на дневную поверхность, после осушения выемочной камеры осуществляют физико-химическое воздействие на отмученный бурый уголь посредством подачи в выемочную камеру подщелоченной воды - 10%-го раствора щелочи KOH/NaOH - с последующим вращательным интенсивным перемешиванием с отмученным бурым углем, химическим преобразованием оставшихся в буром угле нерастворимых в воде гуминовых кислот в их соли - гуматы калия/натрия, представляющих вторую дисперсную среду, которая в качестве второго целевого продукта через фильтр засасывается скважинным гидродобычным снарядом и выдается на дневную поверхность, после повторного осушения выемочной камеры осуществляют химическое воздействие на бурый уголь, свободный от гуминовых кислот, посредством подачи в выемочную камеру водной эмульсии растворителя органических веществ - водобензиновой или водоспиртобензиновой - с последующим вращательным интенсивным перемешиванием с бурым углем, химическим экстрагированием в состав третьей дисперсной среды битумов, смол и восков, которая в качестве третьего целевого продукта через фильтр засасывается скважинным гидродобычным снарядом и выдается на дневную поверхность, после осушения выемочной камеры в третий раз осуществляют физическое воздействие на оставшуюся углеминеральную смесь посредством подачи в выемочную камеру закрученного потока воды с заполнением выемочной камеры и образованием в средней части выемочной камеры водной суспензии с твердой фазой в виде углеродосодержащего остатка и в нижней части выемочной камеры - водной суспензии с твердой фазой в виде минерального осадка, после этого суспензия из средней части выемочной камеры, содержащая четвертый целевой продукт в виде тонкодисперсного энергетического бурого угля, засасывается скважинным гидродобычным снарядом и выдается на дневную поверхность, а затем суспензия из нижней части выемочной камеры, содержащая пятый целевой продукт в виде соединений тяжелых редких металлов, пригодных для гидрометаллургического передела, засасывается скважинным гидродобычным снарядом и выдается на дневную поверхность.