Основы применения методов геотехнологии и применяемые способы - Добыча угля через подземную газификацию

Подземное растворение полезных ископаемых

Подземное растворение - способ добычи полезных ископаемых через скважины путем перевода в водный раствор одного или нескольких компонентов в недрах. В настоящее время подземному растворению подвергают каменную и калийную соли, а также бишофит и боросолевые руды. Сущность способа подземного растворения заключается в следующем. Толщу пород пересекают скважиной, которую обсаживают колонной труб. По водоподающей колонне в скважину поступает пресная вода, которая растворяет соль. Под давлением растворяющей жидкости образовавшийся рассол поднимают на поверхность по рассолоподъемной колонне труб. Горнодобывающие предприятия, осуществляющие добычу соли способом подземного растворения, называются рассолопромыслами.

В состав рассолопромысла входит комплекс наземных и подземных производственных объектов, обеспечивающих непрерывную добычу и подачу рассола потребителю. Отработка залежи ведется камерами через добычные скважины. Подача воды в камеры и откачка рассола осуществляется насосной станцией с контрольно-распределительным пунктом. Подача электроэнергии потребителям осуществляется линией электропередачи через трансформаторную подстанцию. На поверхности рассолопромысла располагаются завод-потребитель, административное здание, хранилище слабых рассолов, резервуар воды и рассола, насосная станция нерастворителя, резервуары нерастворителя.

Нерастворитель - газовая или жидкая среда, размещаемая в верхней части выработки и предназначенная для управления форммобразованием выработки путем предохранения части ее поверхности от растворения. В качестве жидкого нерастворителя обычно используется дизельное топливо, газообразного - воздух, природный газ, азот. Основными технологическими сооружениями рассолопромысла являются добычные скважины подземного растворения. Конструкция скважины определяется исходя из особенностей геологического строения залежи, гидрогеологических условий, физико-механических характеристик пород и других условий.

Скважины подземного растворения оборудуются направляющим устройством, кондуктором, промежуточными обсадными, эксплуатационными и технологическими свободновисящими колоннами. Диаметр эксплуатационной колонны составляет до 325 мм, а диаметр технологической водоподающей - до 219 мм, рассолоподъемной - до 146мм. На устье скважины монтируется специальный оголовок, обеспечивающий герметизацию устья, герметичное разобщение технологических колонн и возможность их подъема и спуска.

Схемы вскрытия при подземном растворении могут быть вертикальными, наклонными и наклонно-горизонтальными скважинами. Рассол обычно поднимают по вертикальной скважине. При использовании наклонных скважин извлечение может превышать 50 %. Методы подземного растворения. Методы ПРС подразделяются на неуправляемые и управляемые. К первым относятся методы прямотока и противотока (рис. 1, а, б). Растворение соли ведется по всей вскрытой мощности соляной залежи, а скважины оборудуют одной рабочей колонной труб.

При прямотоке воду подают к забою скважины, а рассол выдается между обсадной и водоподающей колоннами. При противотоке направление движения жидкостей - противоположное. Недостатки этих методов: растворяются стенки скважин, а, следовательно, камера приобретает форму опрокинутого конуса. Эксплуатация скважин прекращается при угле наклона стенки камеры 35-40°, что резко сокращает срок службы скважин и увеличивает потери соли. Кроме того, из-за больших площадей обнажения надсолевых пород часто происходят обрушения кровли, которые вызывают аварии скважин и выход их из строя.

Ко вторым относятся методы гидровруба и послойного растворения.

Рис. 1 Технологические схемы добычи рассола: а -- прямоток; б -- противоток; в -- гидровруб; г -- управляемое послойное растворение; д -- заглубленная водоподача; е -- сплошная система разработки: 1, 2, 3 ... -- ступени отработки

Гидровруб - это специальная выработка, имеющая форму горизонтального кольцевого вруба вокруг забоя скважины. Сущность технологии основана на работе двух соосно расположенных колонн, по промежуткам между которыми движется нерастворитель, вода и рассол (рис. 1, в). Обычно высота гидровруба 2-5 м. Подача воды в камеру, а также выдача рассола происходят непрерывно. Нерастворитель удерживается в верхней части камеры и предохраняет ее кровлю от растворения, т. е. камера развивается только в горизонтальном направлении. После образования гидровруба заданных размеров нерастворитель поднимается, вода получает доступ к кровле камеры и начинается процесс интенсивного растворения, направленный снизу вверх. Метод позволяет извлекать до 15% соли.

Недостатки метода - значительная продолжительность подготовительного периода (до 500 сут) и неуправляемость процесса в эксплуатационный период. При методе послойной выемки (рис. 1, г) после размыва гидровруба отработка камер снизу вверх ведется отдельными горизонтальными слоями (ступенями) высотой 5-15 м при изоляции потолка каждого слоя нерастворителем, уровень которого контролируется. Это дозволяет извлекать из каждого слоя заданное количество соли и управлять формообразованием камеры. Для перехода на выемку нового слой осуществляется подъем нерастворителя на уровень потолочины нового слоя.

Опыт промышленного применения метода послойной выемки показал следующие преимущества этого способа перед другими способами: наибольшее извлечение, заранее заданная форма, высокая производительность скважины, эффективная отработка с высоким (до 30 %) содержанием нерастворимых примесей. В зависимости от порядка отработки соляных месторождений и способа управления горным давлением различают системы камерного, батарейного и сплошного растворения. При системе камерного растворения отработка залежи ведется камерами через индивидуальные или взаимодействующие скважины, между которыми оставляются целики, исключающие возможные деформации поверхности.

При камерной разработке залежи индивидуальными скважинами возможны три варианта размещения камер, приведенные на рис. 2. При разработке пластов простого строения используется система с размещением камер в пределах всей разрабатываемой толщи полезного ископаемого (рис. 2, а). При разработке пластов сложного строения или сближенных пластов используется камерно-этажная система с соосным размещением камер в пределах мощности каждой пачки или кондиционного пласта (рис. 2, б).

При разработке мощных соляных залежей, куполов и месторождений сложной формы залегания используются камерно-этажная система с несоосным размещением камер по мощности залежи (рис. 2, в).

Добыча рассолов может осуществляться сдвоенными (взаимодействующими) скважинами, которые позволяют увеличить рабочее сечение ствола каждой скважины за счет ликвидации одной колонны труб. Сплошная система разработки предусматривает работу серии взаимодействующих скважин, а также обрушение кровли.

Рис. 2. Варианты размещения камер при подземном растворении солей: а) размещением в пределах всей разрабатываемой толщи; б) с соосным размещением в пределах каждой пачки залежи; в) с несоосным размещением по мощности залежи

Камеры подземного растворения отличаются высокой устойчивостью, поэтому их используют для подземного хранения нефтепродуктов и сжиженных газов, а также захоронения токсичных отходов производства.

Подземная выплавка полезных ископаемых

Основным объектом промышленного освоения способа подземной выплавки полезных ископаемых являются месторождения самородной серы.

Процесс добычи основан на теплообмене между теплоносителем (горячая вода), подаваемым через скважины с поверхности, и рудным массивом. При этом используется свойство серы плавиться при температуре 112,8 - 1190C.

Принципиальная схема добычной скважины при способе ПВС представлена на рис. 3.

Рис. 3

Скважина пробуривается до залежи, после чего спускается обсадная колонна 1. Для обеспечения герметичности скважины осуществляется затрубная цементация 2. После этого скважина пробуривается на всю мощность залежи. В пробуренную скважину опускают три концентрически расположенные колонны труб: водоподающую 5, серную 4, воздушную 3.

Диаметры колонн труб равны соответственно 6", 3", 1". Устье скважины оборудуют оголовком, обеспечивающим подачу горячей воды в зазоре между шести - и трехдюймовыми трубами. В нижней части водоподающей колонны имеется перфорация, которая с помощью разделительного пакера 6 делится на верхнюю - водяную 7 и нижнюю - серную 8. Горячая вода поступает через верхнюю перфорацию в сероносную залежь, разогревает ее и расплавляет серу. Расплавленная сера, как более тяжелая, чем вода, стекает к скважине и скапливается в нижней части скважины, проникая через нижнюю перфорацию в серную колонну.

Высота подъема расплавленной серы по скважине определяется гидростатическим давлением у почвы залежи. Воздушная колонна опущена ниже верхнего уровня серы в серной колонне. Подачей по однодюймовой трубе сжатого воздуха расплавленная сера эмульгируется и выдается на поверхность в промежутке между трех - и однодюймовой трубами. Так как степень прогрева отдельных колонн различная, для компенсации температурных колебаний в устье скважины между отдельными трубопроводами установлены сальниковые компенсаторы 9. Расплавленная сера, выходящая из скважины, направляется через отстойные резервуары (сепараторы) в фильтры для очистки и далее на склад готовой продукции. Для предотвращения остывания серы все трубопроводы и бассейны постоянно обогреваются.

Подземная газификация горючих полезных ископаемых

Подземная газификация углей (ПГУ) - способ разработки угольных месторождений, основанный на физико-химических превращениях полезного ископаемого в горючие газы с помощью свободного или связанного кислорода в недрах на месте залегания.

Идея подземной газификации угля принадлежит Д. И Менделееву и сформулирована им в 1888 г.

Современный вид метода ПГУ, приведен на рис. 4.

Рис. 4. Принципиальная схема подземной газификации крутых угольных пластов бесшахтным методом

При разработке крутых пластов поточным методом (рис. 4.) бурятся три вида скважин. Вертикальные дутьевые скважины 1 располагаются в ряд, ограничивая подземный газогенератор по падению пласта (в качестве дутья-окислителя используется воздух; воздух, обогащенный кислородом; технический кислород). Наклонные газоотводящие скважины 2 бурятся по падению пласта по середине мощности, а крайние из них ограничивают отрабатываемый участок по простиранию. Наклонные дутьевые скважины 3 бурятся в почве пласта до нижней границы отрабатываемого участка. Наклонные дутьевые скважины располагаются между наклонными газоотводящими. Дутье в подземный газогенератор подается по вертикальным и наклонным дутьевым скважинам, а газы подземной газификации отводятся по наклонным газоотводящим скважинам.

Теплота сгорания и состав получаемого газа зависят от вида дутья, качества угля, а также от геологических условий залегания угольного пласта. Минимальная мощность пластов, ниже которой тепловые потери возрастают на столько, что подземная газификации становится нерентабельной, - 1,5-2,0 м. По химическому составу получаемый при подземной газификации газ пригоден для синтеза аммиака и углеводородов.

Основными достоинствами подземной газификации угля являются: относительно небольшой объем подземных работ; отсутствие необходимости дополнительной подготовки топлива у потребителя; сохранность плодородного слоя почвы в пределах горного отвода, т. к. отсутствуют породные отвалы и др.; чистота воздушного бассейна; более низкая, при прочих равных условиях, по сравнению с традиционными способами добычи стоимость топлива.

Основными недостатками подземной газификации является: относительно невысокая теплота сжигания газа; трудность контроля распространения фронта газификации.

Подземное сжигание полезных ископаемых

Около 90 % производимой в мире серы в настоящее время сжигается до сернистого ангидрида (SO2), который используется затем в различных отраслях химического производства. В частности свыше 70 % серы сжигается на сернокислотных заводах.

Сущность метода заключается в создании в серном пласте управляемого очага горения серы, параметры, которого поддерживаются на уровне, достаточном для получения кондиционного для производства серной кислоты сернистого газа.

Технология подземного сжигания серы включает в себя следующие операции:

Вскрытие пласта скважинами с обсадкой их металлическими колоннами труб до кровли пласта. Бурение по пласту производится колонковым способом с отбором керна.

Проведение опытных нагнетаний воздуха в скважины с измерением его давления и расхода во времени для определения фильтрационных характеристик пласта и его подсушивания. Для выявления возможных мест утечек газа производится подача в пласт стойких дымов.

Розжиг пласта с использованием забойных газовых горелок или путем спуска в забой горящего кокса. Розжиг прекращается при появлении в газах сжигания сернистого ангидрида с концентрацией более 3-4%.

Управление составом газов сжигания путем изменения расхода воздуха, точки подачи дутья и точки отвода газов.

Сбор газов сжигания.

Обеспыливание и осушку газов сжигания.

Каталитическое доокисление сернистого ангидрида до серного ангидрида, например, в аппаратах двойного контактирования.

Получение серной кислоты в олеумном абсорбере.

Нейтрализация и утилизация кислых стоков и шламов.

Рис. 5. Принципиальная схема разработки необводненных серных залежей методом ПСС с производством серной кислоты на базе газов сжигания

Основы применения методов геотехнологии и применяемые способы - Добыча угля через подземную газификацию

Похожие статьи