СПОСОБ ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И КОМПЛЕКС ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1994 года по МПК E21C41/18 E21B43/295 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной и открытой разработке угольных месторождений.

Цель изобретения - снижение эксплуатационных затрат и повышение экологической чистоты производства путем уменьшения выбросов инертного углекислого газа и других вредных составляющих в атмосферу.

На фиг. 1 показана предлагаемая технология отработки угольных пластов столбами, где изображены: 1,2 - подготовительные горные выработки (штреки или разрезные траншеи); 3 - капитальная горная выработка (уклон, квершлаг, выездная траншея и т.п.); 4 - скважины по пласту; 5 - скважинные перфорированные трубопроводы; 6 - герметизирующие (изолирующие) стенки; 7, 8 - газодутьевой и газоотводящий трубопроводы; 9 - паропровод; 10 - устройство дымосос-коммутатор; 11 - дутьевой вентилятор; 12 - устройство предварительной очистки и подготовки топливной смеси; 13 - батарея топливных элементов; 14 - котел-утилизатор; на фиг. 2 - предлагаемая технология отработки угольных пластов заходками, т.е. при подготовке пласта одной горной выработкой (штреком, штольней или разрезной траншеей), где изображены те же объекты, что и на фиг. 1, обозначенные теми же цифровыми позициями. Позицией 15 на фиг. 2 дополнительно обозначена вспомогательная скважина по пласту, проводимая на некотором (заданном) расстоянии от подоготовительной выработки 2 вкрест скважинам 4.

Предлагаемый способ отработки угольных пластов реализуют следующим образом.

П р и м е р 1. Пусть отработке подлежит угольный пласт подготовленный двумя участковыми горными выработками 1, 2 и одной капитальной горной выработкой 3. Между подготовительными выработками 1 и 2 на заданном расстоянии друг от друга (примерно через 10-15 м) проводят по пласту скважины 4, в которые устанавливают перфорированные трубопроводы 5. При этом краевые части угольного пласта, выходящие на штреки 1 и 2 вынимают и возводят герметизирующие перемычки 6, изолирующие угольный пласт (фиг. 1).

Перфорированные скважинные трубопроводы 5 пропускают через герметизирующие перемычки (стенки) 6 на штреки 1 и 2, где подсоединяют к газодутьевому и газоотводящему трубопроводам 7 и 8 и паропроводу 9 соответственно. При этом перфорированные скважинные трубпроводы 5 к трубопроводам 7 и 8 на штреке 2 подключают к последним попеременно, например: трубопроводы 4 четных скважин подключают к трубопроводу 7, а нечетных скважин - к трубопроводу 8. На штреке 1 все трубопроводы 4 подключают к паропроводу 9.

На капитальной горной выработке 3 устанавливают устройство дымосос-коммутатор 10, дутьевой вентилятор 11, устройство предварительной очистки и подготовки топливной смеси 12, батарею топливных элементов 13 и котел-утилизатор 14. К устройству дымосос-коммутатор 10 подсоединяют газодутьевой и газоотводящий трубопроводы 7 и 8, дутьевой вентилятор 11 и устройство предварительной очистки и подготовки топливной смеси 12, выход которого соединяют со входом топливной батареи 13. К выходам топливной батареи 13 подключают топку и вход парогенератора котла-утилизатора 14, а к последнему подключают паропровод 9 и один из входов устройства дымосос-коммутатор 10. После монтажа всего основного оборудования на заданной длине столба со стороны штрека 1 производят тем или иным способом розжиг угольного пласта и вентилятором 11 подают по трубопроводу 7 в четные скважины 4 дутье на горение и газификацию угля, а по нечетным скважинам дымососом устройства 10 ведут отвод (отсос) продуктов газификации угля в пласте, содержащих в качестве основных горючих компонентов окись углерода (СО) и водород (Н₂), а также определенное количество балластных соединений (углекислый газ, азот и т.д.).

Эту топливную смесь подают на устройство предварительной очистки и подготовки 12 и далее на батарею топливных элементов 13, осуществляющую переработку электрохимическим путем водорода и окиси углерода в электрическую энергию, выдаваемую потребителям. Из топливной батареи 13 недоиспользуемую топливную смесь и воду подают соответственно в топку и в парогенератор котла-утилизатора 14, осуществляющего дожиг топливной смеси и выработку за счет этого водяного пара. Далее, выходные газообразные продукты из топки котла-утилизатора 14, содержащие главным образом инертный углекислый газ (СО₂) и водяной пар из парогенератора, а также углекислый газ, получаемый в самой топливной батарее путем окисления окиси углерода, подают снова в активную (высокотемпературную) зону газификации угля в пласте, где осуществляется реакция восстановления углем инертного углекислого газа до горючей окиси углерода и реакция эндотермического разложения водяного пара на водород и кислород. В данном случае пар из парогенератора поступает в паропровод 9 и далее к зоне окисления (горения) угля по перфорированным трубопроводам 5 тех скважин, которые в данный момент времени являются дутьевыми. Поскольку выход топки котла-утилизатора 14 соединен с одним из входов устройства дымосос-коммутатор 10 вместе с дутьевым вентилятором 11, то инертный углекислый газ не выбрасывается, как это имеет место обычно, в атмосферу, а вместе с воздухом (дутьем) снова подается в зону газификации угля в пласте.

Таким образом, по мере отработки угольного пласта и одновременного производства электрической энергии электрохимическим путем с помощью батареи топливных элементов 13 в зоне газификации угля осуществляется и непрерывная регенерация элементов топливной смеси (окиси углерода и водорода). Это наряду с повышением эффективности использования угля, как первичного энергоносителя, обеспечивает решение еще более важной задачи, а именно повышение экологической чистоты выработки электроэнергии, поскольку выбросы инертного углекислого газа в атмосферу при этом практически исключаются. Для обеспечения эффективной отработки пласта путем собственно газификации угля в межскважинных целиках с одновременной регенерацией элементов топливной смеси по мере необходимости с помощью устройства дымосос-коммутатор 10 осуществляют переключение подачи дутья и отвода продуктов газификации угля и регенерации компонентов топливной смеси с одной части скважин на другую. При этом после отработки одних скважин их отключают от трубопроводов 7, 8 и паропровода 9, а новые скважины вводят в работу. Общее число скважин, находящихся в процессе работы, определяют исходя из возможностей используемого оборудования, требуемой выходной электрической мощности и т.д.

П р и м е р 2. Пусть отработке подлежит угольный пласт, подготовленный только одной участковой подготовительной горной выработкой 2 (штреком, штольней или разрезной траншеей). Как и в предыдущем случае, из выработки 2 по пласту на заданное расстояние проводят скважины и отстоящие друг от друга на определенном расстоянии. В скважины 4 устанавливают перфорированные трубопроводы 5, а краевую часть угольного пласта, выходящего на штрек 2, вынимают и изолируют с помощью герметизирующей перемычки (стенки) 6. По штреку 2 прокладывают газодутьевой и газоотводящий трубопроводы 7, 8, а на капитальной горной выработке 3 устанавливают то же самое оборудование, что и в предыдущем случае. Отличительным здесь является то, чтои выход топки котла-утилизатора 14 и выход его парогенератора подаются на входы устройства дымосос-коммутатор 10.

Кроме того, из горной выработки 3 на расстоянии от штрека 2, равном длине скважин 4 бурят (проводят) вспомогательную скважину или выработку. Скважинные перфорированные трубопроводы 5 к трубопроводам 7 и 8 также подключают поочередно. Затем производят розжиг угольного пласта на конце скважин 4, используя для этой цели и вспомогательную скважину 15. По трубопроводу 7 подают дутье на газификацию угля в межскважинных целиках, а по трубопроводу 8 отводят топливную смесь, которая через дымосос-коммутатор 10 поступает на устройство предварительной очистки и подготовки топлива 12 и далее на батарею топливных элементов 13, осуществляющих электрохимическое преобразование водорода и окиси углерода в электроэнергию, выдаваемую потребителям.

Недоиспользуемое в топливной батарее топливо и продукты окисления окиси углерода и водорода направляют соответственно в топку и в парогенератор котла-утилизатора 14, где осуществляются дожигание топливной смеси и выработка водяного пара. Продукты сгорания из топки котла-утилизатора 14, содержащие главным образом инертный углекислый газ (СО₂) и пар с парогенератора подают на вход устройства дымосос-коммутатор 10, куда подается дутье (воздух, кислород и т.п.) вентилятором 11. Поэтому отработанные компоненты топливной смеси снова поступают в высокотемпературную зону окисления (горения и газификации) угля в пласте, где за счет имеющегося тепла производится эндотермическое разложение воды (водяного пара) на водород и кислород, а углекислый газ восстанавливается углем пласта до окиси углерода, т.е. и осуществляется регенерация (восстановление) отработанных компонентов топливной смеси. Регенерированные продукты топливной смеси вместе с продуктами собственно процесса газификации угля в пласте снова в описанном ранее порядке поступают на батарею топливных элементов 13, а процесс отработки пласта в остальном остается таким же, как и в предыдущем случае.

Предлагаемый комплекс оборудования для реализации описанного способа отработки угольных пластов включает в себя скважинные перфорированные трубопроводы 5, выведенные на подготовительные горные выработки через герметизирующие (изолирующие) стенки 6 с необходимым уплотнением, а также газодутьевой и газоотводящий трубопроводы 7, 8 и паропровод 9, прокладываемые по горным выработкам 1-3. В состав предлагаемого комплекса входят устройство дымосос-коммутатор 10, дутьевой вентилятор 11, устройство предварительной очистки и подготовки топливной смеси 12, батарея топливных элементов 13 и котел-утилизатор 14.

Скважинные перфорированные трубопроводы 5 поочередно подключены к трубопроводам 7 и 8, а последние соединены с устройством дымосос-коммутатор 10. К последнему подсоединены также дутьевой вентилятор 11 и устройство предварительной очистки и подготовки 12, выход которого подается на вход батареи топливных элементов 13. К выходам батареи топливных элементов 13 подключена топка и вход парогенератора котла-утилизатора 14, выходы которого, в свою очередь подаются соответственно на скважинные трубопроводы 5 и вход устройства дымосос-коммутатор 10 (фиг. 1) либо одновременно на входы последнего (фиг. 2).

Работа предлагаемого комплекса оборудования для отработки угольных пластов детально описана выше при изложении примеров реализации способа (примеры 1, 2) и дополнительных пояснений не требует.

В целом предлагаемые способ отработки угольных пластов и комплекс оборудования для его осуществления обеспечивают эффективную, безлюдную и экологически чистую технологию, коренным образом отличающуюся от существующих и основанную на электрохимическом преобразовании продуктов газификации угля и непрерывной регенерации отработанных компонентов топливной смеси в водород и окись углерода непосредственно на месте залегания угля, т.е. непосредственно в пласте.

Использование: изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной и открытой разработке угольных месторождений. Сущность изобретения: отработку угольных пластов осуществляют столбами или заходками путем сжигания и газификации угля в пласте, а продукты газификации после соответствующей очистки и подготовки электрохимическим путем преобразуют в электроэнергию с помощью батареи топливных элементов, причем продукты окисления водорода - одного из основных компонентов топливной смеси (продуктов газификации угля), а именно воду за счет дожига остатков недоиспользуемого топлива в батарее топливных элементов, преобразуют в котле-утилизаторе в водяной пар, который вместе с инертным углекислым газом, получаемым за счет окисления окиси углерода топливной смеси, подают в зону горения угля в пласте, а регенерируемые в ней водород и окись углерода подают снова в батарею топливных элементов. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ отработки угольных пластов, включающий вскрытие и подготовку пластов горными капитальными или участковыми подземными, или открытыми выработками, бурение из подготовительных горных выработок скважин по пласту, розжиг угольного пласта, подачу дутья на горение угля и его газификацию в присутствии водяного пара и отвод продуктов газификации угля по трубопроводам, устанавливаемым в скважинах по пласту, отличающийся тем, что, с целью снижения эксплуатационных затрат и повышения экологической чистоты производства путем уменьшения выбросов инертного углекислого газа и других вредных составляющих в атмосферу, продукты газификации угля в пласте очищают, подготавливают топливную смесь и подают ее на батарею топливных элементов, затем преобразуют указанную смесь электрохимическим путем в электроэнергию, при этом остатки недоиспользуемого в батарее топлива и углекислого газа, которые получают окислением окиси углерода, и воду, которую получают окислением водорода топливной смеси, подают соответственно в топку для дожига и в парогенератор котла-утилизатора, затем водяной пар и газообразные продукты дожига отстатков топлива, содержащие инертный углекислый газ, из котла-утилизатора по трубопроводам подают в скважины по пласту в зону горения угля и регенерируют в ней водород и окись углерода, после чего регенерированные водород и окись углерода вместе с продуктами газификации угля снова подают в батарею топливных элементов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразные продукты из топки котла-утилизатора подают вместе с дутьем на горение и газификацию угля со стороны отрабатываемых межскважинных целиков. 3. Способ по п.1 и 2, отличающийся тем, что при отработке пластов столбами водяной пар с парогенератора котла-утилизатора в зону горения угля подают со стороны выгоревшего и выгазованного пространства, а при отработке пластов заходками водяной пар подают вместе с дутьем со стороны отрабатываемых межскважинных угольных целиков. 4. Комплекс оборудования для отработки угольных пластов, включающий газодутьевой, газоотводящий и скважинные трубопроводы и котел-утилизатор с топкой и парогенератором, отличающийся тем, что, с целью снижения эксплуатационных затрат и повышения экологической чистоты производства путем уменьшения выбросов инертного углекислого газа и других вредных составляющих в атмосферу, комплекс снабжен батареей топливных элементов, устройством предварительной очистки и подготовки топливной смеси и дымососом - коммутатором, при этом батареи топливных элементов подключены через устройство предварительной очистки и подготовки топливной смеси и дымосос - коммутатор к газодутьевому и газоотводящему трубопроводам, а выход батареи топливных элементов соединены с топкой и парогенератором котла - утилизатора, выходы которых подаются соответственно раздельно на вход устройства дымосос - коммутатор и на скважинные перфорированные трубопроводы или одновременно на входы устройства дымосос - коммутатор, причем к одному из входов устройства дымосос - коммутатор подключен дутьевой вентилятор.