Способ добычи горючих ископаемых Советский патент 1992 года по МПК E21B43/285 

Изобретение относится к добыче топливно-энергетических ресурсов и может быть использовано для полной выемки углей, горючего сланца, твердых и жидких углеводородов из недр земли подземным способам с утилизацией продуктов газификации с извлечением из них сопутствующих минералов.

Известны способы обработки угольных и нефтяных месторождений подземным способом путем газификации угольных пластов и нефтепродуктов в пористых коллекторах, включающие вскрытие продуктивной толщи скважинами, зажиганиеугля или нефти от специального запала, с подачей окислителя для окисления (газификации) угля или нефти, последующего отбора газов из газифицируемого пласта через скважины, пробуренные параллельно вскрывающей, сбора газа в сборные коллекторы-газопроводы и транспорта его потребителю

В известном способе газификации потери топлива достигают 30-60%, процесс зажигания топлива и ведение огневого забоя представляет, вследствие недостатка информации о процессах горения, существенные трудности Сопутствующие полезные ископаемые безвозвратно теряются в золе горелых пород, извлечение которых практически невозможно. Сама газификация, как правило,связана с экологическим загрязнением газами из огневого забоя, по трещинам достигая поверхности и поступая в атмосферу Газификация мощных месторождений приводит к обрушению поверхности, выводя из оборота большие участки плодородных земель.

Наиболее близким к заявляемому решению по своей технической сущности является способ подземной переработки углей и жидких углеводородов (в дальнейшем - горючие ископаемые), включающий вскрытие, подготовку и нарезку продуктивной толщи и газификацию запасов горючих ископаемых путем зажигания их, подвода окислителя к огневому забою, газификации горючих исСО

с

со

Ј

го

о

копаемых до состава генераторного газа, отвода газа от огневого забоя, сбор газа в магистральные газопроводы и выдачу его на поверхность с дальнейшим использованием в качестве топлива или химического сырья. Способ характеризуется селективным извлечением углеродсодержащих горючих полезных ископаемых с переводом их в газообразное состояние при подводе к огневому забою окислителя - кислорода воздуха.

Недостатки способа Заключаются в существенных потерях горючих ископаемых, достигающих 70%, особенно при газификации маломощных с пережимами угольных пластов или малопористых углеводородосо- держащих пород коллекторов, потери в которых достигают 30-50%. Потери готовой продукции - газа через тектонические разломы, сбросы, надвиги и другие, в том числе и техногенные, геологические нарушения земной коры трудно поддаются учету, ориентировочно они могут достигать тех же величин, что и потери в недогоревших забоях.

Недостатком способа-прототипа является необходимость ведения буровзрывных работ, применение комбайновой выемки, конвейерного и рельсового транспорта в процессе подготовки месторождения к выемке.

Крупный недостаток способа - заражение атмосферы выделяющимися по трещинам газами, обрушение поверхности земли, потеря попутных минералов и руд с золой и горелыми землями.

Получаемые продукты от подземной газификации горючих ископаемых имеют низкую теплоту сгорания, могут быть использованы в качестве энергетического топлива.

Целью изобретения является повышение эффективности добычи за счет сокращения потерь горючих ископаемых и использования попутных минералов и вмещающих пород. Поставленная цель достигается тем, что способ добычи горючих ископаемых, включающий вскрытие залежи полезного ископаемого, подготовку выемочных блоков, газификацию полезного ископаемого со сбором полученного горючего газа в сборный коллектор и последующую закладку выработанного пространства, отличающийся тем, что образовавшуюся при газификации золу и вмещающие горные породы отделяют от горючего газа и дополнительно нагревают до температуры диссоциации карбонатных пород, после чего подвергают гравитационному обогащению с последующим извлечением из полученного концентрата полезных элементов, при этом газификацию осуществляют плазмой с температурой 4000-5000 К. а хвосты обогащения направляют на изготовление бетона для закладки выработанного

пространства.

На фиг. 1 изображена схема вскрытия, подготовки и выемки горючих ископаемых для осуществления заявляемого способа; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг. 3 0 схема очистного механизированного комплекса, используемого для осуществления заявляемого способа.

Месторождение горючих ископаемых - угля 1, битуминозных песчаников 2 и нефте5 газовой залежи 3, вскрыто наклонными стволами 4 и 5, расположенных на расстоянии 3-5 км по простиранию. Через 500...1000 м стволы сбиты между собой горизонтальными выработками 6. 7, 8 и 9. Из

0 последней в фундаменте месторождения 10 пройдены капитальные квершлаги 11, сбитые между собой концентрационными штреками 12 и 13, штреком 14. где размещают ремонтные и энергетические подразде5 ления предприятия (не показаны). Квершлаги 11 сбиты между собой штреками 15, из которых пройдены развитые по йысо- те камеры для размещения химических перерабатывающих цехов (не показаны).

0 Из горизонтальных выработок 6, 7 и 8 пройдены подготовительные этажные квершлаги 16, 17 и 18 сбитые этажными штреками 19, 20, 21, 22, 23. Этажные выработки сбивают между собой восстающими 24, 25,

5 26,27,28, 29, из которых развертывают очистные работы слоями вкрест простирания 30, 31, 32, 33 очистными механизированными комплексами 34, получающими питание от энергоустановок (не показано), разме0 щенных в штреке 14 или от поверхностной тепловой электростанции 35, снабжаемой горючим газом по магистрали 36. Наклонные стволы 4 и 5 герметизируют вентиляционными перемычками 37.

5 Углеводородное сырье из залежи 3 по трубопроводам 38 компрессором 39 перекачивают в камеры 15, Очистные выработки герметизируют парусными вентиляционными перемычками 40.

0 Схема очистного механизированного комплекса (фиг. 3) включает в себя высокотемпературный рабочий орган 41, снабженный плазменными нагревателями 42 пород 3 груди забоя 43. Рабочий орган соединен с

5 термокамерой 41, совмещенный с камерой гравитационного обогащения 45, откуда концентрат передают на дальнейшую переработку, а легкую фракцию передают на бе- тонорастворный узел 46, соединенный с пневмонагнетателем 47, подающим бетонную массу или за опалубку 48, или в закладку 49,

Изобретение иллюстрируется следующим примером конкретного выполнения за- являемого способа добычи горючих ископаемых.

После вскрытия, подготовки и нарезки выемочных участков, монтажа очистного механизированного комплекса 34, оснащенного плазмотронами 42 (рис. 3) мощностью 30-60 Мвт, разработанными энергетическим институтом СО АН СССР. Из восстающих 24, 26. 28 (рис. 1) осуществляли обработку груди очистного забоя 43 (рис. 3) слоями 30, 31, 32, 33 снизу-вверх. Выемку запасов углей и угле- родсодержащего сырья вели высокотемпературной газификацией с получением горючего газа, для этого воздействовали высокотемпературной плазмой,плазмотронов 42, имеющих температуру плазмы 4000- 5000К на углеродсодержащие и углевхэдо- родсодержащие породы 3. Полученный горючий газ компрессорной установкой 39 через термокамеру 44 направляют в сборный коллектор - трубопроводы 30,33. Обра- зевавшиеся золу и вмещающие породы вместе с горючим газом также направляли в термокамеру 44. Причем золу и вмещающие породы в термокамере 44 дополнитель- но нагревали до температуры 1500К специально установленным там плазмотроном мощностью 30 МВт, где частично оплавляли и восстанавливали до чистых металлов.

Термокамера 44 7ермо лзоп лроъана каолиновой или минеральной ватой, термо- стойкость которой не ниже 1610К.

Термоо&работанную дегазированную массу из камеры 44 направляли в камеру гравитационного обогащения 45, где в установленных центробежных сепараторах-раз- дел,ителях производительностью 1 10 3м3/с. осуществляли разделение подогретой в камере 44 массы на тяжелую и легкую фракцию. Тяжелую фракцию направляли для получения чистых металлов мине- ралов в камеры штрека 15 и подвергали ее высокотемпературной обработке, например, в плазменных печах (не показаны). К плазменным печам доставку полученного концентрата осуществляли самоходным транспортом.

Остальную породу - хвосты (легкую фракцию)- передавали на бетонораствор- ный узел 46, оборудованный бетономешалками емкостью 100-150 л. В бетонорастворный узел 46 из цехов, размещенных в выработках 15,подавали связующие (полиуретановые, эпоксидные смолы и т.п.). Готовую смесь пневмонагнетателями 47 подавали на опалубку 48, образуя крепь

выработки или закладочный массив в очистном пространстве. Горючий газ из трубопроводов 30, 33 подавали или в качестве топлива по трубопроводу 36 для сжигания в котлах 35 теплоэлектростанции, куда из-за вентиляционной перемычки 37 забирают воздух для подачи в топки котлов (на черт. 1 не показано), или подавали по магистрали 38 по выработке и на переработку в подземные химические цехи 15 (фиг. 1).

Производительность комплекса 34, оснащенного плазмотронами мощностью 30...60 мВт, составляла до 50 м3 в 1 ч угольного, углеводородсодержащих пород и при- легаемых пустых пород. Часовая производительность комплекса по выработке горючего газа - до 10 тыс.м , выходу концентрата тяжелых металлов (тяжелая фракция) - до 10 т/ч, бетона - до 20 м3/ч для крепления и 30м3/ч - закладки выработанного пространства. То, что в предлагаемом решении выемку углей и углеродсодержа- щего сырья ведут высокотемпературной газификацией с получением горючего газа, который направляют в сборный коллектор исключает применение буровзрывных работ, комбайновой выемки, конверторного и рельсового транспорта с заменой последнего в заявляемом решении трубопроводным, что исключает распространение полученного горючего газа по трещинам и способствует сокращению потерь горючего газа, что сокращает расходы на добычу и исключает загрязнение окружающей среды.

Нагрев до температуры диссоциации карбонатных пород образовавшихся золы и вмещающих пород и гравитационное обогащение с последующим извлечением из полученного концентрата полезных элементов исключают потери попутных минералов и руд, из которых извлекают металлы и другие элементы, что также снижает расходы на добычу. То, что из оставшихся пустых пород приготавливают бетон для крепления выработок и закладки выработанного простран- „ства, ведет к сокращению расходов на добычу, исключает заражение атмосферы выделяющимися по трещинам газами, обрушение поверхности земли.

Положительный эффект от заявляемого способа складывается из полной газификации углерода - и углеводородсодержащих материалов из полезных ископаемых и за счет исключения потерь горючего газа, мигрирующего по тектоническим трещинам, выходящим на поверхность и заражающим атмосферу. Обработка прилегающих вмещающих пород и золы в термокамере при их дополнительном нагреве до температуры диссоциации карбонатных пород заменяет

измельчение их в мельницах. Гравитационное обогащение позволяет разделить тяжелую металлическую (или оксидную) фракцию, в виде порошка, поступающего на переработку для получения металлов или сплавов, позволяя извлекать сопутствующие металлы и минералы без строительства специальных обогатительных фабрик.

Положительный эффект от использования хвостов гравитационного обогащения заключается в исключении-подачи в шахту бетонных смесей. Состав хвостов удовлетворяет по качеству (активность-до 0.9, крупность -0,1) удовлетворяет требованиям. предъявляемым к бетонам на цементе марки 400, схватившаяся масса обладает прочностью до 2.5 МПа, водопроницаемостью 0,03, коэффициентомтёплЬпровбдности у 0,48...0,56 Вт/(м.к.). Расчетная Коррозионная стойкость 2...3 мм в год, а при добавках полиуретана- до 1,5 мм..

Дополнительный положительный эффект создается за счет сжигания выделяющихся в атмосферу шахты горючих газов в топках тепловой электростанции, куда газо- воздушная смесь, представляющая собой вентиляционный выбросной воздух из шахты, подают как воздушное дутьё.

Предлагаемый способ обеспечивает по сравнению С прототипом повышенный выход газа при подземной газификации углей, полное извлечение углеводородного сырья из месторождений нефти, газового конденсата, природных асфальтитов, битумов и т.н. У глё ббДорОДов с попутным извлечением со- дёр ащйхся в золе, -вмещающих породах металлов, в том числе щелочных, резкозе- мельных и тугоплавких.

Экономическая эффективность предлагаемого решения, рассчитанная для поел-, приятия, добывающего ЮОООО м3/сутки генераторного газа От газификации углей

или 100000 м3/сутки углеводородных газов с их химической переработкой, оценивается следующими цифрами (в расчете на год), приведенными в таблице.

Предлагаемый способ обеспечивает

кроме того устранение загрязнений окружающей среды газами, сопровождающими подземную газификацию углей и переработку углеводородного сырья на поверхностных химических заводах, что имеет место в

прототипе.

Формула из об рете нй я.. Способ добычи горючих ископаемых, включающий вскрытие залежи полезного ископаемого, подготовку выемочных блокОв, газификацию полезного ископаемого со сбором полученного горючего газа в сборный коллектор и.последующую закладку выработанного пространства, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что, с целью повышения

эффективности добычи за счет сокращения потерь горючих ископаемых и использова ния попутных минералов и вмещающих пород, образовавшуюся при газификации золу и вмещающие горное породы отделяют от

горючего газа и дополнительно нагревают до температуры диссоциаций карбонатных пород, после чего подвергают гравитационному обогащению с последующим извлечв - нйем из полученного концентрата полезных

элементов, при этом газификацию осуществляют плазмой с температурой 4000-5000К, а хвосты обогащения направляют на изготовление бетона для закладки выработанного пространства.V

- ..:: . l ., ;, ;

5N

ъ

in

0«

to

по А-А

Сущность1 образующиеся при газификации зону и вмещающие горные породы отделяют от горючего газа и дополнительно нагревают до температуры диссоциации карбонатных пород. После этого их подвергают гравитационному обогащению, после чего из полученного концентрата извлекают полезные элементы. Газификацию при этом осуществляют плазмой с температурой 4000-5000 К. 3 ил. 1 табл.

I

/ / / / / / /

/ / / / /// //

, t/ ,

Stmwo- №mW

HbltiftU

46

WMtPU

гмммяциСННОМ

clowww

45

ФМ.З

мера

W

.