Способ разработки угольных месторождений и комплекс оборудования для его осуществления

Способ разработки угольных месторождений и комплекс оборудования для его осуществления

Реферат

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой и подземной разработке угольных месторождений. Цель изобретения - повышение эффективности способа за счет снижения трудозатрат и энергопотерь путем сжигания угля на месте его залегания и одновременной выработки электроэнергии как наиболее экологически чистого вида энергии непосредственно на горном предприятии. Способ включает вскрытие, подготовку и отработку угольных месторождений с использованием сжигания угля на месте залегания месторождения. На подготовленном к отработке выемочном столбе (заходке) сооружают теплогазогенератор путем бурения скважин между подготовительными (из подготовительной) выработками. Скважины герметизируют и оборудуют теплообменными трубопроводами, по которым прокачивают теплоноситель. Производят розжиг пласта, по одной группе скважин осуществляют дутье в зону горения, через другую группу скважин - отвод продуктов горения. Перегретый пар (теплоноситель) и продукты горения поступают в котел-утилизатор и далее в паровые турбины для выработки электроэнергии, отработанный теплоноситель направляют в зону горения для повторного использования. Возможен вариант с использованием отработанного теплоносителя в гидравлических турбинах и последующим его направлением в высокотемпературную зону. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

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

Цель изобретения - повышение эффективности способа за счет снижения трудозатрат и энергопотерь путем сжигания угля на месте его залегания и одновременной выработки электроэнергии как наиболее экологически чистого вида энергии непосредственно на горном предприятии.

Сущность способа заключается во вскрытии месторождения капитальными выработками, подготовке месторождения, а также отработке пластов угля столбами или заходками. В плоскости угольного пласта между подготовительными горными выработками или из одной из них на заданную величину бурят систему скважин с определенным интервалом между ними, у одного из концов скважин производят розжиг пласта, по одной части скважин, например с нечетными номерами, подают дутье для горения и газификации угля в пласте, а по другой части скважин отводят газообразные продукты сжигания угля, через зону горения пласта каналы отвода газообразных продуктов по скважинам оборудуют теплообменниками-трубопроводами, по которым прокачивают теплоноситель (например, воду), газообразные продукты и теплоноситель из зоны горения и газификации пласта подают соответственно в топку и в парогенератор котла-утилизатора, который устанавливают на подготовительной горной выработке, получаемый перегретый пар подают на паровые турбины, а отработавший теплоноситель после конденсации снова подают в зону огневого забоя пласта, причем по мере отработки угольного столба или заходки вводят в действие новые скважины по пласту.

Краевые части пласта, выходящие на горные выработки, изолируют от последних с помощью герметизирующей перемычки, а подачу дутья и отвод газообразных продуктов горения и газификации угля ведут на напорно-отсасывающей схеме, причем канал отвода (отсоса) газообразных продуктов на подготовительных выработках размещают внутри канала подачи дутья, а сжигание газообразных продуктов в топке котла-утилизатора интенсифицируют подачей в нее обогащенного дутья.

На фиг. 1 представлена технология отработки угольных пластов столбами в соответствии с предлагаемым способом, где 1 - капитальная (полевая) горная выработка, 2 и 3 - участковые подготовительные горные выработки, 4 - технологические скважины, 5 - скважинные теплообменники, 6 - герметизаторы устьев скважин, 7 - газодутьевые патрубки, 8 - сборный трубопровод теплоносителя, 9 и 10 - газодутьевые трубопроводы, 11 - дутьевой вентилятор, 12 - блок дымососа-коммутатора, 13 - котел-утилизатор, 14 - паровая турбина с электрогенератором 15, 16 - конденсатор, 17 - питающий насос, 18 - распределительный питающий трубопровод теплоносителя, 19 - газоотводящий трубопровод, 20 - герметизирующие перемычки.

На фиг. 2 - показана технология отработки угольных пластов заходками при вскрытии и подготовке пласта одной горной выработки; на фиг. 3 - реализация предлагаемого способа отработки угольных месторождений с выдачей перегретого пара, как промежуточного энергоносителя на дневную поверхность горного предприятия, где 21 - термостатированный паропровод, 22 - накопительный бак, 23 - конденсационный насос, 25 - гидроагрегатная камера, 26 - гидравлическая турбина, 27 - электрический генератор, 28 - накопительный резервуар, 29 - трубопровод жидкого теплоносителя, 30 - поверхностный питающий насос, 31 - поверхностная установка тонкой очистки и нейтрализации газообразных продуктов, 32 - поверхностный дымосос, 33 - дымовая труба.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

С помощью капитальной (полевой) горной выработки 1 и участковых подготовительных выработок (штреков) 2, 3 подготавливают столб для отработки (фиг. 1). Затем с помощью тех или иных средств по пласту от одного штрека к другому бурят ряд технологических скважин 4, отстоящих друг от друга на заданном расстоянии, например на расстоянии 10-15 м. В скважины 4 устанавливают скважинные теплообменники-трубопроводы 5, которые на штреке 2 герметизируются с помощью герметизаторов 6, а на штреке 3 теплообменники 5 проходят через газодутьевые патрубки 7. Последние в устьях скважин 4 также устанавливаются с герметизаторами 6.

На штреке 3 скважинные теплообменники 4 соединяют со сборным трубопроводом 8 теплоносителя, газодутьевые патрубки одной группы скважин (например, нечетных скважин) подсоединяют к одному из газодутьевых трубопроводом 9, остальные (четные) скважины - к другому трубопроводу 10.

На капитальной горной выработке 1 устанавливают дутьевой вентилятор 11, блок дымососа-коммутатора 12, котел-утилизатор 13, паровую турбину 14 с электрическим генератором 15, а также конденсатор 16 и питающий насос 17. По выработке 1 прокладывают распределительный питающий трубопровод 18 и газовыводящий трубопровод 19. Из выработки 1 питающий трубопровод 18 прокладывают по штреку 2, и к нему подключают теплообменники 5 задействованных технологических скважин 4. Краевые части угольного пласта, выходящие на штреки 2, 3 в тот или иной момент времени, например одновременно с проведением самих штреков, изолируют от последних с помощью герметизирующих перемычек 20.

После подключения сборного трубопровода 8 к парогенератору и блока дымососа-коммутатора 12 к топке котла-утилизатора 13, а газодутьевых трубопроводов 9, 10 к напорному и всасывающему каналам дымососа-коммутатора 12 запускают в работу все указанное оборудование и у штрека 2 на определенной его длине производят розжиг угольного пласта. По нечетным скважинам 4 подается дутье на горение и газификацию пласта, которое нагнетается вентилятором 11, а по четным скважинам продукты горения и газификации угля отсасываются дымососом 12 и направляются в топку котла-утилизатора 13.

Одновременно теплоноситель (например, воду) пропускают по скважинным теплообменникам 5 всех задействованных в данный момент времени технологических скважин 4 и по сборному трубопроводу 8 нагретую воду подают в парогенератор котла-утилизатора 13. В котле-утилизаторе производят сжигание газообразных продуктов газификации угля и вырабатывается пар с заданными параметрами, который подается на паровую турбину 14 с электрогенератором 15. Отработанный теплоноситель после конденсации в конденсаторе 16 питающим насосом 17 по трубопроводу 18 снова транспортируется в скважинные теплообменники 5. Газообразные продукты из топки котла-утилизатора 13 по специальному газоотводящему трубопроводу 19 направляется на установку тонкой очистки и нейтрализации, которую располагают под землей или на поверхности шахты.

Таким образом, огневой забой на участке столба представляет собой подземный теплогазогенератор, в котором одновременно идет сжигание угля с выделением определенного количества тепла. Это тепло частично отбирается теплоносителем скважинных теплообменников 5, частично идет на газификацию угля и вместе с горючими газами выносится в виде высокотемпературных продуктов горения.

Интенсификацию процессов горения, газификации угля и получения пара как промежуточного энергоносителя с высокими параметрами осуществляют следующим образом. Прежде всего подачу дутья в скважину ведут под заданным напором, а отсос продуктов горения и газификации угля осуществляют по соседней скважине с уровнем депрессии, несколько превышающим величину напора дутья. Кроме того, периодически изменяя направление подачи дутья и отсоса газообразных продуктов в соседних скважинах, обеспечивают более равномерное и главное более управляемое перемещение огневого фронта от штрека 2 к штреку в целом. Далее, размещая газодутьевые трубопроводы 9 и 10 один внутри другого, обеспечивают в процессе подачи дутья его подогрев теплом высокотемпературных продуктов горения и газификации угля, что в свою очередь интенсифицирует сам процесс горения и газификации. В последнем случае (при размещении газодутьевых трубопроводов 9, 10 один внутри другого) обеспечивается также защита (термоизоляция) нагревающихся поверхностей газоотводящего трубопровода от прямого контакта с потоком воздуха и окружающей средой в подготовительной горной выработке 3. На фиг. 1 с целью упрощения газодутьевые трубопроводы 9, 10 показаны раздельными, причем этот упрощенный вариант может в ряде случаев приниматься для практической реализации.

Достижение высокой эффективности переработки угля согласно предлагаемому способу осуществляют и тем, что в случае необходимости (например, при отработке низкосортных углей) в топку котла-утилизатора 13 подают дутье, обогащенное окислителем (кислородом) или топливом, либо тем и другим одновременно. Подачу дополнительного кислорода могут осуществлять по специальному трубопроводу от кислородной станции, размещаемой на поверхности шахты (например), а в качестве дополнительного топлива может использоваться уголь, получаемый в процессе бурения технологических скважин 4. В состав дутья для нейтрализации сернистых соединений добавляют известь.

Повышение эффективности способа осуществляют также за счет использования отработанного пара для выработки электроэнергии в гидротурбинах.

После обустройства подземного теплогазогенератора по описанной выше технологии устанавливают под землей (фиг. 3) на выемочном участке (недалеко от подземного теплогазогенератора) дутьевой вентилятор 11, блок дымососа-коммутатора 12 и котел-утилизатор 13. Паровую турбину 14, электрогенератор 15 и конденсатор 16 размещают на поверхности шахты, а питающий насос 17 и распределительный трубопровод 18 размещают в подземных условиях. Выход из парогенератора котла-утилизатора 13 термостатированным паропроводом 21, выполненным, например, в виде двойного трубопровода (труба в трубе) с экранно-вакуумной термоизоляцией, который прокладывают по сети горных выработок и по стволу шахты до поверхности, соединяют с входом паровой турбины 14. На выходах паровой турбины 14 устанавливают конденсатор 16 и накопительный бак 22, которые соединяют между собой конденсационным насосом 23. Конденсатор 16 через циркуляционный насос 24 соединяют с прудом-охладителем либо с градирней.

В подземных условиях на глубине разработки угольных пластов сооружают подземную камеру 25, в которой устанавливают гидравлическую турбину 26 с электрическим генератором 27, а после гидроагрегатной камеры 25 устанавливают подземный накопительный резервуар 28, к которому через питающий насос 17 подключают распределительный питающий насос 18 теплоносителя. Гидроагрегатную камеру 25 соединяют трубопроводом 29, проложенными по стволу, через питающий поверхностный насос 30 со накопительным баком 22. Кроме того, на поверхности шахты устанавливают установку 31 тонкой очистки и нейтрализации газообразных продуктов, соединенную газоотводящим трубопроводом 19, проложенным по сети горных выработок и по стволу, с котлом-утилизатором 13. Выход установки 31 через поверхностный дымосос 32 соединяют с дымовой трубой 33.

Вырабатываемый в котле-утилизаторе 13 пар по термостатированному паропроводу 21 под собственным давлением поступает на поверхность и отдает часть тепла паровой турбине 14, которая вращает электрический генератор 15. Отработанный пар далее поступает в конденсатор 16, а сконденсировавшийся теплоноситель - в накопительный бак 22. Теплоноситель из конденсатора 16 перекачивается в бак 22 с помощью конденсационного насоса 23, а в сам конденсатор непрерывно подается охлаждающая вода из пруда-охладителя (градирни) циркуляционным насосом 24.

Из бака-накопителя 22 теплоноситель сбрасывается в подземную гидроагрегатную камеру 25 на гидравлическую турбину 26 с электрическим генератором 27 и далее в подземный накопительный резервуар 28. Проходя по стволовому трубопроводу 29, теплоноситель в жидком виде под действием гравитационных сил запасает определенную энергию, которая и преобразуется гидроагрегатом в электрическую энергию. Одновременно из резервуара 28 питающим насосом 17 теплоноситель подают в распределительный трубопровод 18 и далее в скважинные теплообменники подземных теплогазогенераторов. Для обеспечения практически полной нейтрализации вредных выбросов газообразные продукты из топки котла-утилизатора 13 по газоотводящему трубопроводу 19, проложенному по горным выработкам и по стволу, подают на установку 31 тонкой очистки и затем дымососом 32 выбрасывают через дымовую трубу 33 в атмосферу на заданной высоте.

Предлагаемый комплекс оборудования для разработки угольных месторождений включает в себя скважинные теплообменники 5, герметизаторы 6 устьев скважин и газодутьевые патрубки 7, сборный трубопровод 8, газодутьевые трубопроводы 9, 10, дутьевой вентилятор 11, блок дымососа-коммутатора 12, котел-утилизатор 13, паровую турбину 14 с электрогенератором 15, конденсатор 16, питающий насос 17, распределительный трубопровод 18, газоотводящий трубопровод 19 и герметизирующие перемычки 20, которые могут сооружаться с помощью тех или иных строительных материалов и иметь как бы стационарный характер либо быть выполненными в виде мобильных передвижных конструкций.

Дополнительно комплекс оборудования содержит термостатированный паропровод 21, накопительный бак 22, конденсационный и циркуляционный насосы 23 и 24, гидроагрегатную камеру 25, гидравлическую турбину 26 с электрогенератором 27, накопительный резервуар 28, трубопровод 29 жидкого теплоносителя, поверхностный питающий насос 30, установку 31 тонкой очистки и нейтрализации газообразных продуктов, поверхностный дымосос 32 и дымовую трубу 33.

Скважинные теплообменники 5 установлены в технологических скважинах, в устьях скважин проходят через герметизаторы 6 скважины и через газоотводящие патрубки 7, а также соединены выходами со сборным распределительным трубопроводом 8. Газоотводящие патрубки 7 по той или иной схеме (например, по схеме чет - нечет) подключены к газодутьевым трубопроводам 9, 10, которые, в свою очередь, подключаются к дутьевому вентилятору 11 через блок дымососа-коммутатора 12 и к топке котла-утилизатора 13. К входу парогенератора последнего подсоединен сборный трубопровод 8 скважинных теплообменников 5. Выход парогенератора непосредственно либо по термостатированному паропроводу подсоединен к входу паровой турбины 14 с электрогенератором 15. К выходам паровой турбины 14 подсоединен конденсатор 16, который непосредственно через питающий насос 17 и распределительный трубопровод 18 соединен с входами теплообменников 5 в технологических скважинах. Продукт топки котла-утилизатора 13 подается на газоотводящий трубопровод 19, а выход парогенератора подключен непосредственно или через термостатированный паропровод 21 к входу паровой турбины 14. Отработанный пар чрез конденсатор 16, накопительный бак 22 с конденсационным и циркуляционным насосами 23 и 24 при необходимости дополнительно подается к питающему насосу 17 через гидроагрегатную камеру 25, в которой размещены гидравлическая турбина 26 с электрогенератором 27 и накопительный резервуар 28. Выход накопительного бака 22 соединен с входом гидроагрегатной камеры 25 трубопроводом 29 с поверхностным питающим насосом 30. Выход топки котла-утилизатора 13 с помощью газоотводящего трубопровода 19 дополнительно соединен с входом установки 31 тонкой очистки и нейтрализации отходящих газов, а выход последней через поверхностный дымосос 32 соединен с дымовой трубой 33.

Формула изобретения

СПОСОБ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И КОМПЛЕКС ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ разработки угольных месторождений, включающий вскрытие и подготовку угольных пластов капитальными и подготовительными горными выработками, в том числе выездной и разрезной траншеями, отработку пластов выемочными столбами или заходками, подготовку газогенераторов путем проведения специальных горных выработок, розжиг пласта, подачу дутья через одну группу выработок для горения и газификации угля и отвод газообразных продуктов через другую группу выработок, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа за счет снижения трудозатрат и энергопотерь путем сжигания угля на месте его залегания и одновременной выработки электроэнергии как наиболее экологически чистого вида энергии, непосредственно на горном предприятии, на подготовленном к отработке столбе сооружают теплогазогенератор посредством бурения серии скважин между подготовительными горными выработками или из одной из них, оборудования указанных скважин теплообменными трубопроводами и их герметизации, у одного из концов скважин производят розжиг пласта, по одной группе скважин подают дутье для горения и газификации пласта, по другой группе скважин осуществляют отвод газообразных продуктов сжигания по теплообменным трубопроводам, проложенным через зону горения и каналы отвода газообразных продуктов, пропускают теплоноситель (например воду), газообразные продукты и теплоноситель из зоны горения и газификацию угля подают соответственно в топку и в парогенератор котла-утилизатора, который устанавливают в капитальных или подготовительных выработках, полученный перегретый пар из парогенератора подают на паровые турбины, а отработанный теплоноситель после конденсации снова направляют в огневую зону пласта, причем по мере отработки выемочного столба или заходки вводят в действие новые скважины по пласту и отключают скважины, выбывающие из активной (высокотемпературной) зоны теплогазогенератора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что краевую часть пласта на выходах его в подготовительные горные выработки изолируют от последних при помощи герметизирующей перемычки.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что подачу дутья и отвод газообразных продуктов горения и газификации угля ведут по нагнетательно-отсасывающей схеме путем периодического реверсирования направления подачи дутья и отвода с одной части скважин на другую соответственно, причем депрессию на отводе газообразных продуктов поддерживают на более высоком уровне по сравнению с депрессией воздуха в подготовительных горных выработках, а компрессию дутья, подаваемого в скважины, поддерживают на более низком уровне по сравнению с депрессией на отводе газообразных продуктов.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что канал отвода газообразных продуктов размещают внутри канала подачи дутья в скважины, а сжигание газообразных продуктов в топке котла-утилизатора интенсифицируют подачей обогащенного дутья с присадками для нейтрализации сернистых и других вредных примесей.

5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что пар из парогенератора по термостатированному паропроводу направляют на паровую турбину с электрогенератором, которые устанавливают на поверхности, а конденсат после паровой турбины подают на гидравлическую турбину с электрическим генератором, которые устанавливают в горных выработках на глубине ведения горных работ, причем после гидравлической турбины теплоноситель вновь направляют в теплогазогенераторы (высокотемпературные зоны).

6. Комплекс оборудования для разработки угольных пластов, включающий дутьевой вентилятор, блок устройств дымосос-коммутатора, котел-утилизатор, паровую турбину с электрическим генератором, конденсатор-питающий насос, распределительный и сборный трубопроводы теплоносителя, а также дутьевой и газоотводящий трубопроводы, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности отработки угольных пластов путем использования тепла, выделяющегося в зоне горения пласта, комплекс оборудования дополнительно снабжен скважинными теплообменниками, подключенными к распределительному питающему и сборному трубопроводам теплоносителя, которые соединены соответственно с питающим насосом и парогенератором котла-утилизатора, причем дутьевой и газоотводящий трубопроводы подключены с одной стороны к дутьевому вентилятору и топке котла-утилизатора, а с другой стороны - к скважинам через газодутьевые патрубки с герметизаторами.

7. Комплекс по п.6, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен термостатированным паропроводом, соединяющим парогенератор котла-утилизатора и паровую турбину, а также гидравлической турбиной с электрогенератором, вход которой соединен через трубопровод с выходом паровой турбины, а выход гидравлической турбины подключен через питающий насос к скважинным теплообменникам.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3