Вскрытие угольного пласта для подземной газификации

1. Цель и способы вскрытия угольного пласта

Вскрытие угольного пласта для газификации производится соответствующими каналами, проходимыми в пласт с поверхности земли. Каналы вскрытия служат для организации в пласте реакционной зоны, для подачи в нее дутья и вывода из нее продуктов газификации [101].

Если вскрытие угольного пласта или создание каналов газификации производится с применением горных выработок, требующих работы людей под землей, то его называют шахтным.

Если при вскрытии угольного пласта и при проходке каналов газификации не применяется подземный труд, то такое вскрытие пласта называют бесшахтным.

Вскрытие угольного пласта с применением горных выработок и буровых скважин, пробуриваемых с поверхности земли, называют комбинированным способом вскрытия.

Вскрытие угольного пласта при помощи горных выработок в принципе мало чем отличается от вскрытия угольного пласта для обычной шахтной разработки.

Для подземной газификации углей вскрытие угольного пласта буровыми скважинами является специфичным.

При вскрытии угольного пласта бурением применяются три типа скважин — вертикальные, наклонные и криволинейные.

2 Скважины вскрытия

В скважинах, применяющихся для вскрытия угольного пласта при подземной газификации углей, различаются устье, ствол и забой. Ствол скважины состоит из двух частей: закрепленной трубами и не закрепленной (рис. 3.1).

Важным в скважине является тампонажный слой из цемента или другого вещества, придающий скважине герметичность, т. е. препятствующий проникновению к забою скважины подземных вод из горных пород, перебуренных скважиной, и выходу в затрубное пространство скважины дутья и газа. Тампонажный слой создается, в кольцевом пространстве между стенкой скважины и обсадной трубой закачкой цементного раствора.

Бурение скважин производится специальными агрегатами — буровыми станками различной конструкции.

Крепление ствола скважины в принципе может производиться не только трубами из различных материалов, но и путем обработки его стенок специальными веществами, которые, затвердевая, создают прочный слой (кольцо) у стенок ствола скважины.

Рис. 3.1. Главнейшие элементы скважины вскрытия: 1 – устье скважины; 2 – ствол скважины; 3 – забой скважины; 4 – кольцо из тампонажного материала; 5 – обсадная труба; АВ – обсаженная часть ствола скважины; БВ - необсаженная часть ствола скважины.

Для обсадки скважин на станциях Подземгаз могут применяться стальные обсадные трубы, изготовляемые для нефтедобывающей промышлености. Но в дальнейшем целесообразно применять специальные обсаднае трубы с более тонкой стенкой, что значительно сократит расход металла. Уменьшение толщины стенок обсадных труб для подземной газификации углей по сравнению с обсадными трубами, применяющимися в нефтедобыче, возможно потому, что глубина бурения и давления в стволе скважин при подземной газификации углей значительно меньше, чем при нефтедобыче.

В качестве тампонажного материала применяется в основном цемент. Подача тампонажного раствора осуществляется насосами, подающими глинистый раствор при бурении, или при помощи специального цементировочного агрегата. Цементировочный агрегат «ЦА-Подземгаз» смонтирован на металлической раме и позволяет приготовить механизированным способом цементный раствор с удельным весом 1,5—1,9 в количестве около 5,4 м³/час и накачать его в скважины под давлением до 40 атм.

3 Вертикальные скважины вскрытия

Вертикальными скважинами вскрывают угольный пласт со стороны кровли (рис. 3.2), и их применяют в тех случаях, когда выгазованное пространство, образующееся под этими скважинами, вызывает такие обрушения горных пород, которые не могут разрушить скважину либо разрушают ее после того, как она уже отработана.

Чаще всего вертикальные скважины применяются при газификации угольных пластов малой и средней мощности, а также для кратковременной службы при газификации мощных угольных пластов, например для создания в подземном газогенераторе первоначальной линии огневого забоя и для, дренажа подземных вод при расположении скважины вне зоны обрушения пород.

Бурение вертикальных скважин производится буровыми агрегатами УИТ-40, смонтированными на колесно-гусеничном прицепе. Установка имеет вертикальную телескопическую двухсекционную вышку. Поднимают и укладывают вышку гидродомкратами, а верхнюю секцию выдвигают и спускают талевой системой.

Стоимость погонного метра вертикальных скважин вскрытия при прочих равных условиях сильно зависит от свойств перебуриваемых пород и увеличивается с ростом глубины и диаметра скважин.

Рис. 3.2. Вскрытие угольного пласта вертикальной скважиной: а — при пологом залегании пласта, б — при крутом залегании пласта; С — ствол скважины.

4 Наклонные скважины вскрытия

Наклонные скважины применяются для вскрытия угольного пласта при подземной газификации углей как со стороны кровли, так и со стороны почвы, а также для вскрытия пласта по линии его падения (рис. 3.3).

Рис.3.3. Вскрытие угольного пласта наклонной скважиной: а – при пологом залегании со стороны кровли; б – при крутом залегании со стороны кровли; в – вскрытие угольного пласта наклонной скважиной со стороны почвы пласта; г – вскрытие угольного пласта наклонной скважиной под углом падения пласта; α – угол наклона или заложения скважины; β – угол падения пласта; γ – угол встречи пласта скважиной.

Если обозначить угол наклона к горизонту скважины α, угол падения пласта β, а угол встречи скважины с пластом γ, то при вскрытии угольного пласта со стороны кровли

α > β (3.1)

и при вскрытии угольного пласта со стороны почвы

α < β. (3.2)

Уголь встречи пласта со скважиной при вскрытии угольного пласта со стороны кровли равен

γ=α – β, (3.3)

а при вскрытии пласта скважиной со стороны почвы

γ=β – α, (3.4)

Если при вскрытии угольного пласта скважиной угол наклона к горизонту равен углу падения пласта, то угол встречи пласта скважиной будет равен 0°.

Вскрытие угольного пласта наклонными скважинами требует выполнения большего объема бурения, чем при вскрытии угольного пласта на такой же глубине вертикальными скважинами. Кроме того, бурение наклонных скважин более затруднительно, чем бурение вертикальных скважин, из-за специфических трудностей в спускоподъемных операциях при бурении и громоздкости буровых агрегатов, приспособленных для бурения наклонных скважин. Стоимость 1 м наклонной скважины на 25—35% выше, чем стоимость 1 м вертикальной скважины той же конструкции. Поэтому наклонные скважины при подземной газификации углей для вскрытия пласта применяются в тех случаях, когда по тем или иным причинам невозможно применить вертикальные скважины.

Цикловая скорость бурения наклонных скважин вскрытия около 160 м/станок-месяц.

Бурение наклонных скважин для вскрытия угольного пласта при подземной газификации углей чаще всего вызывается:

1) уменьшением или исключением влияния обрушения пород кровли пласта на целостность ствола скважины;

2) облегчением проходки канала газификации из наклонной скважины по сравнению с проходкой такого канала из вертикальной скважины;

3) непригодностью соответствующего участка земной поверхности для бурения вертикальной скважины (застройка, трудный рельеф и т. п.).

Выгазовывание угольного пласта приводит к оседанию земной поверхности. Величина и характер этого оседания в основном зависят от мощности выгазованного пласта, глубины его залегания, угла падения и свойств покрывающих пласт пород. Причем обрушение пород распространяется под некоторым углом от выгазованного пространства.

Следовательно, каждая вертикальная скважина, забой которой находится даже на границе выгазованного пространства, подвержена воздействию обрушающихся пород, покрывающих пласт, и может быть разрушена (рис. 3.4).

До обрушения пород над выгазованным пространством земная поверхность располагалась по линии ВСБ, а после оседания пород над выгазованным пространством она уже располагается по линии В₁С₁Б. При этом величина оседания земной поверхности характеризуется вертикальным размером – m.

Но если в угольном пласте выгазованное пространство оканчивается, например, в точке А, то на поверхности земли окончание распространения оседания отстоит на некотором расстоянии (L_р) от вертикальной проекции точки А на земную поверхность (точка С) и находится в точке Б.

Линия АБ, соединяющая точки проявления обрушения пород в угольном пласте Л и на поверхности земли Б, называется линией обрушения пород, она располагается под некоторым углом к горизонту (Δ — угол обрушения) и является условной границей между зоной нарушенных или обрушенных пород и зоной ненарушенных пород.

Рис. 3.4. Схема оседания и нарушения пород над выгазованным пространством подземного газогенератора и условия работы скважин вскрытия:
1, 2 — вертикальные скважины вскрытия, 3 — наклонная скважина вскрытия, Δ — угол обрушения пород, φ — угол устойчивости ствола скважины, ЗНП — зона нарушения пород, ЗУП — зона устойчивых пород.

Поэтому, если на границу выгазованного пространства А, заложена вертикальная скважина 1, то при подходе выгазованного пространства к забою скважины весь ее ствол будет находиться в зоне нарушения пород.

Если вертикальная скважина закладывается в границах зоны обрушения на земной поверхности, т. е. между точками С и Б, например в точке Е, то часть ее ствола, МД будет находиться также в зоне обрушения.

И только при закладке вертикальной скважины за пределами границы зоны обрушения на земной поверхности вправо от точки Б весь ствол будет находиться в зоне ненарушенных пород.

Но при этом забой скважины будет отстоять от выгазованного пространства на расстоянии не менее СБ. Это расстояние L_р при прочих равных условиях будет тем больше, чем глубже залегает пласт Н и чем меньше угол обрушения Δ:

Lp = H/tg Δ (3.5)

На практике это расстояние не всегда бывает приемлемым для осуществления сбоечных работ, т. е. для соединения забоя скважины с выгазованным пространством.

Кроме того, из рис. 3.4 видно, что стволы вертикальных скважин 1, 2 всегда будут находиться в зоне обрушения при приближении границы выгазованного пространства к забою скважины.

Из этого рисунка также видно, что при определенных услониях весь ствол наклонной скважины 3 будет находиться вне зоны обрушения даже при распространении выгазованного пространства до забоя такой скважины.

Для того чтобы ствол наклонной скважины находился в зоне ненарушенных пород до подхода выгазованного пространства к ее забою, необходимо, чтобы угол заложения скважины был меньше угла обрушения, т. е. чтобы соблюдалось условие

Δ > α. (3.6)

Угол, составляющий разницу между углом обрушения пород и углом заложения скважины φ, характеризует степень устойчивости ствола скважины:

φ = Δ – α . (3.7)

При вскрытии угольных пластов крутого падения и небольшой мощности для сохранения ствола скважины от разрушения под действием пород, оседающих над выгазованным пространством, угол заложения скважины должен максимально приближаться к углу падения пласта, а при большой мощности угольного пласта угол заложения скважины должен быть меньше угла падения пласта, т. е. вскрытие пласта должно осуществляться со стороны его почвы по схеме, приведенной на рис. 3.4 в.

Основы бурения наклонных скважин [10, 53] заключаются в том, что скважины бурятся под нужным углом с поверхности земли и в процессе их бурения по мере углубления производятся систематические замеры угла ствола скважины.

В тех случаях, когда ствол скважины выполаживается, т. е. начинает идти с углом меньшим, чем нужный угол наклона, применяют специальные средства, ускоряющие при бурении отклонение ствола скважины вниз.

В тех случаях, когда измерением устанавливается, что ствол скважины идет под углом большим, чем угол наклона скважины, применяют специальные средства, ускоряющие отклонение ствола скважины при бурении вверх.

Чаще всего при роторном способе бурения наклонной скважины в качестве средства для проводки ее ствола вниз применяются специально заправленные долота шарошечного типа и для проходки ствола скважин вверх — долота колонкового типа.

Наклонные и наклонно-горизонтальные скважины бурят установкой УНБ-ЗИФ-1200 AM. Установка размещена на металлическом рамном основании в виде саней, на котором смонтированы наклонная вышка и буровой станок с вращателем шпиндельного типа. Угол наклона вышки может изменяться от 37 до 60°. В нашей стране разработан способ бурения наклонно-горизонтальных скважин на сравнительно небольшую глубину (до 300 м).

Можно считать вполне испытанным бурение этим агрегатом наклонных скважин вскрытия с конечным диаметром долота 300 мм, протяженностью скважины до 300— 350 м. Такую скважину можно обсаживать колонной труб диаметром 200 мм.

Ликвидация участков ствола скважины. При бурении наклонной скважины вскрытия по строго заданной трассе довольно часто возникает необходимость ликвидировать соответствующий участок ствола скважины и перебурить его по новой трассе. Это вызывается тем, что иногда меры, принятые по изменению трассы участка ствола, не дают ожидаемого результата и поэтому требуется ликвидировать соответствующий участок ствола скважины, чтобы начать проходку его с новой точки.

Кроме того, из-за непредвиденных геологических особенностей в залегании угольного пласта, выявленных в процессе бурения скважины, также может возникнуть необходимость в ликвидации части ее ствола с тем, чтобы пройти его в дальнейшем по новой трассе.

Для ликвидации части ствола скважины применяется заливка его цементным раствором.

Одним из существенных недостатков управления бурением наклонных скважин является отсутствие надежных способов определения азимута отдельных точек трассы скважины и способов управления отклонением ее ствола по азимуту (по простиранию пласта) при бурении без забойных двигателей.

5 Криволинейные скважины вскрытия

Криволинейные скважины целесообразно применять при вскрытии угольного пласта главным образом в целях создания условий, облегчающих бурение горизонтальных или приближающихся к ним скважин по угольному пласту (рис. 3.5), а также при вскрытии свиты пластов.

Рис. 3.5. Схема криволинейной скважины вскрытия: участки ствола: АВ и СD – прямолинейные, ВС – криволинейный; R – радиус кривизны.

Чаще всего криволинейная скважина забуривается с поверхности земли как наклонная под углом α и по мере приближения забоя скважины к угольному пласту угол наклона скважины уменьшается, т. е. скважина проводится по выполаживающей кривой.

Задачей такой криволинейной скважины является встреча угольного пласта под углом, приближающимся к 0° либо равным углу падения пласта.

То обстоятельство, что ствол криволинейной скважины входит в угольный пласт горизонтально, облегчает дальнейшее бурение горизонтальной скважины по пласту угля из этого ствола.

ЛЕКЦИЯ 4

Проходка каналов газификации

1 Шахтные и безшахтные способы проходки каналов газификации

При шахтных способах проходки каналов газификации применяется подземный труд, а при бесшахтных способах их проходки подземный труд не применяется.

Кшахтным способам проходки каналов газификации относятся способы проходки горных выработок по угольному пласту и бурение скважин по угольному пласту из горных выработок.

К бесшахтным способам проходки каналов газификации относятся такие способы, при которых проходка каналов осуществляется через скважины, пробуренные с поверхности земли на угольный пласт.

Способы бесшахтной проходки каналов газификации базируются на использовании химических, электрических и механических сил как таковых либо в различной комбинации друг с другом.

Поскольку при бесшахтных способах подземной газификации углей пласт вскрывается скважинами и каналы газификации проходятся от забоя одной скважины к забою другой или к огневому забою подземного газогенератора, то термин бесшахтная проходка канала часто заменяется термином бесшахтная сбойка скважин.

Для создания реакционных каналов используются следующие четыре способа: огневая фильтрационная сбойка скважин; гидравлический разрыв угольного пласта водой или воздухом; огневая проработка каналов, пробуренных по угольному пласту; сбойка скважин с применением электрического тока.

2 Проходка каналов газификации прожигом

Огневая фильтрационная сбойка скважин представляет процесс прожига в угольном пласте канала путем перемещения очага горения по угольному пласту.

Известны два вида фильтрационной сбойки. Первый — прямой, или прямоточный, при котором очаг горения (кислородная зона) перемещается в одном направлении с движением дутьевых потоков. Второй — обратный, или противоточный, при котором очаг горения перемещается в направлении, обратном течению дутья, т. е. навстречу ему (рис. 4.1, 4.2).

Рис. 4.1. Схема сбойки скважин прямым способом - прямая сбойка:1 – скважины вскрытия

Рис. 4.2. Схема сбойки скважин обращенным способом — обратная сбойка

Возможность осуществления фильтрационной сбойки скважин определяют по газопроницаемости угля и вмещающих его пород, которая должна быть меньше газопроницаемости угля. Газопроницаемость угля, как и других сцементированных горных пород, обусловливается наличием в них трещин и пор, по которым происходит фильтрация воздуха или газа.

Схема прямоточной сбойки заключается в перемещении огневого забоя в направлении, одинаковом направлению дутья — от нагнетательной скважины к газоотводящей скважине. Совершенно очевидно, что для такого перемещения очага необходимо, чтобы в продуктах сгорания содержался свободный кислород, что зависит от расхода дутья и от условий теплопередачи от огневого забоя к угольному пласту.

Схема противоточной сбойки заключается в следующем. В одну из нагнетательных скважин газогенератора подается воздух, который движется (фильтруется) по трещинам и порам угольного пласта. Часть воздуха достигает огневого забоя (воспламененной зоны), удаленного на определенное расстояние от нагнетательной (сбоечной) скважины. Кислород воздуха реагирует с воспламененным углем. Выделяющееся тепло излучением и теплопроводностью нагревает уголь перед огневым забоем до температуры его воспламенения. Уголь реагирует с кислородом воздуха, и очаг горения постепенно перемещается навстречу дутью по направлению к нагнетательной скважине. Момент достижения очагом горения забоя нагнетательной скважины называется сбойкой и характеризуется резким падением давления нагнетаемого дутья.

3 Распространение огневого забоя в канале газификации

3.1 Три направления распространения огневого забоя

Представим, что в угле имеется канал круглого сечения в который с одного конца подается дутье, а с другого выводится газ. На некотором расстоянии от одного из концов канал произведено зажигание угля, т. е. создан огневой забой по линии АА (рис. 4.3). После этого дутье, поступающее в канал, вступает в химическое реагирование с углем вначале по линии АА, а по истечении ОЗ распространится от своего начального положения в различных направлениях.

Рис. 4.3. Схема распространения огневого забоя в трех направлениях по отношению к направлению движения дутья: а – канал газификации с линией розжига АА – начальное положение ОЗ; б – канал газификации и расположение в нем ОЗ по истечении единицы времени работы канала.

При этом различают три направления перемещения границ ОЗ:

п р я м о е — от линии АА по направлению движения дутья до конечной границы огневого забоя — линии А'А';

об р а т н о е — от линии АА против направления движения дутья до линии А"А";

радиальное — в направлении, перпендикулярном движению дутья по линиям АА'".

Если принять период времени, за который произошло это распространение границ огневого забоя, за единицу, то векторы v_о, v_n v_p, будут соответствовать обратной, прямой и радиальной скорости распространения огневого забоя. Все три направления движения огневого забоя — прямое, обратное и радиальное — взаимно связаны друг с другом и играют определенную роль в процессе бесшахтной проходки канала газификации по угольному пласту химическим прожигом.

Образование огневого забоя вокруг места зажигания угольного пласта обычно проходит через стадию формирования, когда от места зажигания угля огневой забой распространяется одновременно во всех трех направлениях. Но после того, как образование огненного забоя пройдет стадию формирования, начинается процесс его развития в данных конкретных условиях газификации в канале. На стадии развития огневой забой распространяется в основном в двух направлениях: прямом и радиальном или обратном и радиальном [99].

3.2 Распространение огневого забоя в направлении, обратном движению дутья

С химико-технологической точки зрения распространение огневого забоя в обратном направлении является перемещением начальной границы кислородной зоны (начальная граница кислородной зоны—граница кислородной зоны со стороны подвода в нее дутья) навстречу движению дутья, и происходит оно вследствие нагрева угольной поверхности канала до температуры воспламенения за счет теплопередачи из очага горения в направлении, противоположном направлению движения дутья. При этом уголь вступает в химическое взаимодействие с дутьем, и в месте этого взаимодействия образуется огневой забой.

Поскольку теплопередача протекает в сторону температур более низких, чем в очаге горения, а подвод дутья к очагу горения происходит со стороны канала, имеющего температуру более низкую, чем в очаге горения, то это и вызывает распространение огневого забоя в направлении, обратном движению дутья.

К главнейшим факторам, влияющим на скорость распространения огневого забоя в обратном направлении, относятся свойства угля: его температуропроводность, влажность, зольность, содержание летучих веществ, температура воспламенения и др., а также характеристика дутья: его состав, температура, скорость и, наконец, форма канала.

При прочих равных условиях распространение огневого забоя в обратном направлении протекает с тем большей скоростью, чем выше температуропроводность угля.

Скорость перемещения огневого забоя в обратном направлении снижается с ростом влажности угля.

Чем ниже температура воспламенения угля, тем выше скорость распространения огневого забоя в обратном направлении.

Сгорание летучих может обеспечить такой тепловой поток к угольной поверхности, который может быть достаточным для интенсивного выделения летучих веществ без сгорания коксового остатка угля. Теплопередача от горящих газов к угольной поверхности канала при этом в основном происходит лучеиспусканием.

Летучие вещества, выделяющиеся по трещинам, имеют высокую температуру, поэтому они загораются в потоке дутья и способствуют нагреванию угольной поверхности вокруг трещин до температуры воспламенения как лучеиспусканием, так и конвекцией. В результате происходит образование отдельных очагов огневого забоя, в первое время даже на участках, оторванных от основного огневого забоя, но в дальнейшем постепенно с ним сливающихся.

Зольность угля также влияет на скорость распространения огневого забоя в обратном направлении, так как свойства угольного скелета или шлаков, образующихся при газификации угля, в разной степени влияют на подвод кислорода к поверхности огневого забоя и в конечном итоге на температуру огневого забоя, роль которой в рассматриваемом явлении уже известна.

Если бы в процессе газификации угля в канале протекало только явление теплопередачи от очага горения к углю, то после сформирования очага горения огневой забой распространился бы только в обратном и радиальном направлениях.

Но в канале газификации происходит и охлаждение поверхности угольного пласта дутьем.

Поэтому скорость распространения огневого забоя в обратном направлении с ростом скорости дутья увеличивается до определенного предела, а затем, при дальнейшем увеличении скорости дутья, она уменьшается (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Характер зависимости обратной скорости очага горения (v_о) от скорости дутья (v_д) для каменного угля

Скорость дутья, соответствующую максимальному значению обратной скорости огневого забоя, называют критической скоростью дутья, величина которой зависит от состава дутья, свойств угля и особенностей канала газификации.

С ростом содержания кислорода в дутье при прочих равных условиях скорость распространения огневого забоя в обратном направлении возрастает.

Увеличение содержания в дутье двуокиси углерода и водяного пара снижает скорость распространения огневого забоя в обратном направлении, так как эти вещества, реагируя с углеродной поверхностью огневого забоя, снижают ее температуру.

Такое же влияние на распространение огневого забоя оказывают и подземные воды, попадая в канал газификации.

3.3 Распространение огневого забоя в прямом направлении

Распространение огневого забоя в направлении движения дутья с химико-технологической точки зрения является перемещением по направлению движения дутья конечной границы кислородной зоны и соответственно конечной границы зоны восстановления.

Если в какой-то момент ведения процесса газификации в канале конечной границей кислородной зоны будет, например, точка В (рис. 4.5), то, следовательно, по сечению ВВ' канала газификации проходят газы, не содержащие в своем составе таких количеств кислорода, которые способны в данных условиях реагировать с углеродом на огневом забое.

Следовательно, для того чтобы конечная граница кислородной зоны переместилась в направлении движения дутья, т. е. право от точки В, необходимо, чтобы в газовой фазе канала газификации по сечению ВВ' появился свободный кислород.

Рис. 4.5. Схема распространения огневого забоя в радиальном направлении: l_зк – длина кислородной зоны; l_зв – длина зоны восстановления; l_оз – длина огневого забоя.

Появление же свободного кислорода за пределами его границы распространения ВВ' возможно при ухудшении условий реагирования кислорода в пределах кислородной зоны, в результате которых кислород, поступающий в эту зону канала газификации, не может полностью прореагировать. При прочих равных условиях такое положение наступает по мере распространения огневого забоя в радиальном направлении, так как при этом уменьшится величина удельной реакционной поверхности в прежних границах кислородной зоны.

Распространение огневого забоя в прямом направлении при этом будет различно в зависимости от того, в какой области (кинетической или диффузионной) протекает процесс газификации.

Рост скорости дутья до критической величины сказывается на увеличении скорости огневого забоя в обратном направлении, но по мере повышения скорости дутья за ее критическим значением обратная скорость огневого забоя снижается, и в этот момент появляется движение огневого забоя в прямом направлении (рис. 4.6)

Дальнейшее повышение скорости дутья выше предельного значения приводит к прекращению распространения огневого забоя в обратном направлении и влияет только на рост прямой скорости огневого забоя.

Рис. 4.6. Влияние скорости дутья (v_д) на скорость движения огневого забоя в прямом и обратном направлениях

3.4 Распространение огневого забоя в радиальном направлении

Распространение огневого забоя в радиальном направлении является характерным для процесса газификации в канале. Перемещение границ огневого забоя в пространстве связано с расходованием при газификации горючего вещества коксового остатка угля.

Если мы примем, что при сбойке прожигом образуется канал круглого сечения и распространение огневого забоя в глубинном направлении при этом носит радиальный характер, то величина его удаления от оси канала газификации будет находиться в прямой зависимости от скорости гетерогенного реагирования соответствующих компонентов дутья с веществом коксового остатка угля.

Следовательно, чем большее количество дутья прореагирует с единицей углеродной поверхности периметра огневого забоя, тем дальше от оси канала газификации распространится огневой забой в радиальном направлении.

Таким образом, с химико-технологической стороны скорость распространения огневого забоя в радиальном направлении характеризуется интенсивностью гетерогенного процесса газификации угля в данном канале. Поэтому общеизвестные факторы, влияющие на скорость реагирования углерода с кислородом, двуокисью углерода и водяным паром при газификации, соответственно определяют и величину радиальной скорости огневого забоя.

3.5 Общая закономерность в распространении огневого забоя

Распространение огневого забоя в канале газификации независимо от направления является следствием гетерогенного процесса газификации коксового остатка угля. Причем из всего комплекса химических реакций решающее значение для газификации угля имеет реагирование его коксового остатка с кислородом.

Поэтому распространение огневого забоя с химической точки зрения представляет собой как бы перемещение процесса реагирования кислорода с коксовым остатком угля по каналу газификации.

Процесс химического реагирования кислорода с углем в канале газификации приводит к образованию огневого забоя, который перемещается в направлениях, благоприятствующих протеканию этого реагирования — газификации.

При прочих равных условиях благоприятными для процесса реагирования кислорода дутья с коксовым остатком угля являются участки канала газификации с относительно большим значением удельной реакционной поверхности и с максимальной концентрацией кислорода.

Такими направлениями перемещения огневого забоя в канале газификации могут быть только направления против движения дутья и по направлению движения дутья. С химической стороны газификации направление перемещения огневого забоя против дутья предпочтительно, так как при равном значении удельной реакционной поверхности участков канала газификации у начальной и конечной границ огневого забоя на участке канала со сороны начальной границы огневого забоя имеет место наибольшая концентрация кислорода.

Но для интенсивного химического реагирования кислорода с углем еще необходимы определенные температурные условия, и в зависимости от того, создаются или не создаются такие температурные условия на начальной границе огневого забоя, процесс газификации распространяется или не распространяется в этом направлении.

В результате последнее слово для распространения огневого забоя в обратном направлении принадлежит теплопередаче.

Иные условия складываются для развития процесса реагирования кислорода с углем по направлению движения дутья. В этом направлении создаются прекрасные температурные условия для возникновения и поддержания химического реагирования кислорода с коксовым остатком угля вследствие передачи тепла, экзотермических реакций к угольной поверхности и кислороду всеми тремя видами теплопередачи — теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием.

Но если развитие огневого забоя в обратном направлении лимитируется температурой угольной поверхности, то развитие огневого забоя в прямом направлении определяется концентрацией кислорода.

Сущность этого влияния вытекает из следующего. Если пренебречь второстепенным для рассматриваемого примера участком огневого забоя, на котором расход углерода коксового остатка угля происходит в результате реагирования с ним двуокиси углерода и водяного пара, то можно считать, что конечная граница огневого забоя теоретически отмечает исчезновение кислорода в газовой фазе, а практически его содержание составляет небольшую величину.

Но расходование кислорода дутья происходит на всей площади кислородной зоны огневого забоя, а увеличение этой площади при прочих равных условиях может происходить за счет распространения огневого забоя в любом из трех направлений — прямом, обратном и радиальном.

Если исключить по известным причинам теплового характера распространение огневого забоя в обратном направлении, то увеличение площади огневого забоя станет возможным только за счет распространения огневого забоя в радиальном направлении. Но увеличение площади огневого забоя за счет его распространения в радиальном направлении приводит к уменьшению удельной реакционной поверхности и при прочих равных условиях приводит также к ухудшению подвода к ней кислорода, т. е. появляются условия, отрицательно сказывающиеся на развитии гетерогенного процесса химического реагирования кислорода с коксовым остатком угля. В результате на конечной границе огневого забоя появится некоторое избыточное количество кислорода, которое и позволит удлиняться кислородной зоне в сторону движения дутья за счет образования в этом направлении дополнительной площади огневого забоя.

Следовательно, при ведении процесса газификации в канале, если не применять специальных мероприятий, огневой забой всегда будет распространяться в прямом или обратном направлениях, что зависит от тепловых условий на начальной границе огневого забоя, а также и от соотношения удельных реакционных поверхностей на участке канала газификации с действующим огневым забоем и на участке канала газификации, лежащем на конечной границе огневого забоя.

Соответствующее распространение огневого забоя по каналу-газификации можно организовать также путем выбора надлежащего места зажигания угля в канале.

Например, при розжиге канала газификации со стороны подвода в него дутья огневой забой будет распространяться в прямом и радиальном направлениях.

При розжиге канала газификации со стороны вывода из него газа огневой забой будет распространяться в обратном и радиальном направлениях.

И, наконец, при зажигании угля в канале газификации на некотором расстоянии от ввода в него дутья огневой забой в зависимости от ряда условий может распространяться или в прямом и радиальном, или в обратном и радиальном направлениях.

Исходя из физико-химических основ гетерогенного процесса реагирования кислорода с углеродом, можно допустить, что при прочих равных условиях распространение огневого забоя в радиальном направлении имеет предел, который растет с ростом концентрации кислорода в дутье. По мере приближения огневого забоя к предельному распространению в радиальном направлении интенсивность подвода к нему кислорода снижается, а вместе с этим снижается и количество углерода коксового остатка угля, газифицируемое на единице поверхности огневого забоя, что вызывает также и уменьшение тепловыделения от химического реагирования на единицу поверхности огневого забоя.

Когда это тепловыделение станет меньше теплопотерь из огневого забоя, наступит снижение его температуры. Таким образом по аналогии с объяснениями препятствий на путях развития огневого забоя в обратном и прямом направлениях можно считать, что распространение огневого забоя в радиальном направлении определяется в основном диффузией кислорода к поверхности огневого забоя. Поэтому между тремя направлениями распространения огневого забоя существует зависимость, сводящаяся к тому, что задержка в развитии огневого забоя в обратном направлении усиливает развитие огневого забоя в радиальном направлении и вызывает прямое движение огневого забоя, и наоборот, быстрое развитие огневого забоя в обратном направлении затрудняет его распространение в радиальном, а следовательно, и в прямом направлении.

Подобно тому, как теплопередача осуществляется при наличии температурного градиента в сторону более низких температур, а диффузия вещества осуществляется при наличии градиента концентрации в сторону более низкой концентрации, так и гетерогенный процесс газификации в канале распространяется из области с худшими условиями для его протекания в области канала с лучшими условиями для газификации. По-этому огневой забой в канале, как месте протекания гетерогенных реакций процесса газификации, перемещается из области с худшими условиями для течения этого процесса в сторону нала газификации с условиями, лучшими для его протекания [95, 96].

4 Проходка каналов газификации с использованием газопроницаемости угольного пласта

Если на угольный пласт пробурить на некотором расстоянии друг от друга две скважины (рис. 4.7) и в одну из них (скважина истока) нагнетать под давлением воздух, то он в части скважины, не обсаженной трубами (забое) войдет в соприкосновение с пластом и вследствие газопроницаемости угольного пласта будет распространяться по его порам и трещинам, уходить частично в почву и кровлю пласта, а часть воздуха, достигнув забоя второй скважины (скважина стока), будет по ней выходить на поверхность.

Рис. 4.7. Схема потока дутья между забоями скважин вскрытия при его нагнетании в угольныйпласт: 1 – скважина истока; 2 – скважина стока; 3 – угольный забой скважины истока; 4 – уголный забой скважины стока; 5, 6 – обсадная колонна труб скважин; Д_и – дутье истока; Д_с – дутье стока.

Количество воздуха стока Д_с (выходящего из скважины стока) всегда меньше количества воздуха истока Д_и (нагнетаемого в скважину истока) и зависит главным образом от расстояния сбойки, коэффициента проницаемости угольного пласта (k_y) и вмещающих пород (k_n), а также от состояния угольной части забоя скважин. Отношение количества воздуха стока к количеству воздуха истока назовем коэффициентом связи (а):

Чем больше а, тем большая часть дутья достигает забоя стока.

Вследствие малого сечения природного канала для обеспечения прохода по нему воздуха или газа необходимо применять относительно высокое давление, что стоит дорого и, кроме того, применение дутья с высоким давлением в условиях газопроницаемых пород и пласта приводит к большим его потерям.

В большинстве геологических условий залегания угольных пластов невыгодно пользоваться природными каналами угольного пласта непосредственно как каналами газификации, а необходимо увеличить искусственно сечение этих каналов до величины, позволяющей применить низкое давление дутья с относительно небольшими его потерями во вмещающие породы.

При фильтрационной сбойке скважин эта задача решается газификацией угольных стенок природных каналов, в результате чего их сечение увеличивается.

При этом сечение природного канала увеличивается от распространения огневого забоя в радиальном направлении, а распространение сбоечного канала с увеличенным сечением по длине обеспечивается распространением огневого забоя в прямом или обратном направлениях.

Создание сбоечного канала увеличением сечения природных каналов в угольном пласте можно осуществить прямой и обратной сбойкой.

При прямой сбойке угольный пласт зажигается в забое скважины истока и в нее подается дутье (рис. 4.8). Дутье реагирует в огневом забое с углем, а образующиеся при этом газы распространяются по порам и трещинам угольного пласта, часть из них достигает забоя скважины стока и выходит по ней на поверхность.

Рис. 4.8. Реальная схема прямой сбойки (в плоскости угольного пласта): 1 – скважина истока; 2 – скважина стока; l – расстояние сбойки.

Если бы газопроницаемость и другие свойства угольного пласта были во всех его участках одинаковы, то выгазовывание угля вокруг скважины истока проходило бы концентрическими окружностями и момент сбойки скважины наступил бы при распространении огневого забоя к забою скважины стока.

Но газопроницаемость угольного пласта неравномерна во всех направлениях, наличие дренирующего забоя скважины стока создает предпочтительное направление в движении потока дутья и газов к этому забою.

В таких условиях выгазовывание угля между скважинами происходит по грушевидной форме, причем степень вытянутости этой фигуры в направлении скважины стока будет тем большая, чем больше газопроницаемость угольного пласта в направлении к этой скважине по сравнению с газопроницаемостью в других направлениях.

При обратной сбойке в угольный пласт через забой скважины истока подается под давлением дутье. Это дутье распространяется по порам и трещинам в пласте, и часть его выходит из пласта через скважину стока.

В забое скважины стока зажигается угольный пласт, горение которого поддерживается за счет дутья стока. При этом огневой забой от скважины стока распространяется по порам и трещинам пласта в направлении скважины истока, т. е. в направлении, противоположном движению дутья. В результате там, где прошел огневой забой, выгазовывается некоторое количество угля, отчего увеличивается сечение соответствующих природных каналов в угольном пласте.

Процесс сбойки скважин наступает тогда, когда огневой забой переместится отскважины стока к скважине истока (рис. 4.9).

Распространение воздуха в угольном пласте в начальный период сбойки происходит главным образом по плоскостям напластования и кливажа. Причем проход дутья по природным щелям и трещинам неравномерен, на каждом участке площади пласта есть места с относительно большей и меньшей проницаемостью.

Рис.4.9. Схема обратной сбойки (в плоскости угольного пласта): а – начало сбойки; б – завершение сбойки.

Развитие начального огневого забоя и прожиг канала газификации, как правило, происходят более интенсивно вокруг угля, где выходит наибольшее количество дутья. По этой причине огневой забой развивается не по всем путям прохода дутья в пласте, а по пути, по которому проходит основное количество дутья.

При обратной сбойке сбоечный канал имеет форму, напоминающую скважину с неправильным сечением.

Прямая сбойка применяется в редких случаях при решении специальных задач, обратная сбойка получила наибольшее распространение потому, что:

1) при прямой сбойке по порам и трещинам пласта проходит горячий газ и водяные пары. Объем этих продуктов больше, чем воздуха, израсходованного для их получения. В результате этого и равных условиях при прямой сбойке в пласт проходит меньше дутья, чем при обратной;

2) при прямой сбойке в начальный ее период уголь выгазовывается в районе забоя скважины истока, при этом обнажаются породы кровли и почвы. Происходит обрушение пород кровли, а в результате этого сильно возрастают потери дутья, т.е. его проникновение не впласт, а в породы;

3) при прямой сбойке выгазовывание угля протекает на большой площади, а не узкой полосой, как при обратной сбойке, в результате чего на единицу длины сбоечного канала расходуется значительно больше дутья и скорость сбойки меньше.

5 Электросбойка

При этом способе сбойки скважин используют электротермическое воздействие на угольный пласт.

Если к электродам, опущенным в две соседние скважины (рис.4.10), подвести электрический ток напряжением несколько тысяч вольт, то начнется постепенный прогрев угля. Чем меньше потери этого тепла в окружающие породы и на испарение приточной воды и влаги угля, тем интенсивнее прогревается угольный пласт.

Рис. 4.10. Схема электросбойки: 1, 2 — скважины вскрытия, 3, 4 — электроды, 5 — трансформатор; А, В — концы электродов, соединенные с пластом; I — расстояние сбойки, U — напряжение между электродами, КК — направление распространения коксового канала.

При термическом разложении прогретого таким образом угля образуется коксовый "канал", газопроницаемость которого во много раз выше газопроницаемости угольного пласта в естественных условиях. В дальнейшем такой коксовый "канал" прорабатывается, как правило, воздушным дутьем.

Наиболее часто электрическую сбойку скважин применяют на буро-угольных пластах. Суммарные затраты на нее на 20—25 % ниже, чем затраты на огневую фильтрационную сбойку скважин. На каменноугольных пластах электрическая сбойка скважин не нашла широкого применения.

Электрическая сбойка скважин требует не только достаточно сложного оборудования, но и соблюдения соответствующих требований техники безопасности. Кроме того, в процессе электротермического воздействия на угольный пласт допустимо только ограниченное участие подземных вод, в противном случае к.пд. суммарного процесса крайне низок. С увеличением глубины скважин увеличиваются и трудности изоляции электродов. По этим причинам применение электрической сбойки скважин для создания первоначальных каналов газификации ограничено. Этот способ сбойки скважин целесообразно применять на малообводненных угольных пластах.

6 Гидравлический разрыв угольного пласта

Способ гидравлического разрыва угольного пласта для создания в них щелей большой газопроницаемости стали применять в подземной газифи-кации в 1955 г. За основу был взят широко известный уже в то время гидравлический разрыв нефтеносных пластов, который в сочетании с закреплением щелей кварцевым песком существенно увеличивал приток нефти к скважине.

В отличие от огневой фильтрационной сбойки скважин, при которой первоначальные каналы газификации в угольном пласте создаются путем прожига, гидравлический разрыв угольного пласта основан на механическом воздействии жидкости на угольный пласт с образованием щели определенного сечения. В дальнейшем щель разрыва прорабатывается (расширяется) также путем прожига, но с применением дутья при гораздо меньшем давлении, чем давление при огневой фильтрационной сбойке.

Расширять щель гидроразрыва можно двумя способами. Во-первых, протягивать очаг горения в направлении, противоположном воздушному дутью. Во-вторых, разжигать угольный пласт в забое нагнетательной скважины и отводить газ по щели гидроразрыва, т. е. осуществлять прямой процесс. Первый способ не нашел широкого применения. В основном пользуются способом проработки щели горячими газами с розжигом в забое нагнетательной скважины.

7 Проходка каналом газификаци буреннием

Проходка каналов газификации бурением получила широкое распространение на угольных пластах крутого падения.

Бурение скважин в угольном пласте проходит значительно легче, чем в ряде других горных пород.

Поэтому главной задачей в проходке каналов газификации бурением является не процесс разрушения угольного пласта, а управление движением ствола скважины по угольному пласту без выхода его во вмещающие породы.

Для решения этой задачи необходимо:

а) контролировать местонахождение забоя скважины относительно ее проектной трассы в угольном пласте;

б) обеспечить способы удержания ствола скважины на заданной трассе при бурении по угольному пласту, а в случае отклонения скважины от проектной трассы нужно обеспечить способы ее возвращения на эту трассу.

7.1 Типы скважин-каналов газификации

Каналами газификации являются скважины, пройденные в пласте угля. Эти скважины разделяются на наклонные, диагональные, горизонтальные и криволинейные.

Наклонные скважины — трасса которых примерно совпадает с направлением падения пласта.

Диагональные скважины — трасса которых проходит под значительным углом к линии падения пласта.

Горизонтальные скважины — трасса которых примерно совпадает с направлением простирания угольного пласта.

Криволинейные скважины — трасса которых состоит из участков, характерных для наклонной, диагональной и горизонтальной скважин в той или иной комбинации.

Кроме того, скважины-каналы газификации различаются еще также по расположению их ствола относительно мощности угольного пласта на осевые, надпочвенные, подкровельные и контактные (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Различные виды расположения скважин-каналов газификации относительно мощности угольного пласта: а — осевая скважина, б — надпочвенная скважина, в — подкровельная скважина, г — контактная кровельная скважина, д — контактная почвенная скважина, 1 — скважина, К — кровля пласта, П — почва пласта.

Осевые скважины — ствол которых располагается примерно посредине мощности пласта.

Надпочвенные скважины — ствол которых располагается у почвы угольного пласта.

Подкровельные скважины — ствол - которых располагается у кровли угольного пласта.

Контактные скважины — ствол которых проходит по контакту угольного пласта с почвой (контактная почвенная) илис кровлей (контактная кровельная). Для контактной скважины характерно то, что часть ее сечения располагается в угольном пласте, а часть — во вмещающих породах.

Применение каналов газификации в виде скважин соответствующего типа определяется главным образом конструкцией подземного газогенератора.

Расположение же скважин в угольном пласте относительно его мощности в основном определяется мощностью угольного пласта, а также свойствами пласта и вмещающих пород. Например, расположение скважин у почвы пласта желательно при его большой мощности и не имеет существенного значения для угольных пластов малой мощности.

Выгазовывание угольного пласта большой мощности со стороны почвы приводит к лучшему развитию удельной реакционнной поверхности в канале газификации за счет обрушения угля.

Расположение скважины у почвы пласта при его малой мощности может быть принято при хорошей буримости нижней пачки пласта.

Осевое расположение скважины по отношению к мощности пласта может быть принято при большой протяженности рейса бурения без извлечения инструмента для проверки положения скважины в пласте.

Бурение контактных скважин в отдельных случаях может быть оправдано технологическими факторами, так как оно может обеспечить лучший подвод дутья к огневому забою и вывод из него газа.

7.2 Основы технологии бурения скважин по угольному пласту

Бурение каналов газификации по угольному пласту осуществляется из забоев соответствующих скважин вскрытия. Причем имеющееся буровое оборудование приспособлено к бурению скважин по угольному пласту только из таких скважин вскрытия, значительный участок трассы которых на подходе к пласту и угол встречи пласта максимально приближаются к начальному участку проектной трассы канала газификации.

Поэтому для бурения наклонных скважин применяются скважины вскрытия тоже наклонные, а бурение горизонтальных каналов газификации производится из криволинейных скважин вскрытия (рис. 4.12).

Технология проводки скважин по угольному пласту сводится в основном к следующему:

- по данным геологической разведки угольный пласт вскрывают такой скважиной, чтобы соответствующий ее отрезок на подходе к угольному пласту максимально приближался к проектной трассе скважины;

- при бурении скважины по угольному пласту периодически берут керн с тем, чтобы проверить, что скважина находится в пласте;

- если угольный пласт имеет ярко выраженное напластование и кливаж, то по расположению напластований и кливажных трещин в керне судят о том, идет ли ствол скважины параллельно напластованию или пересекает его в направлении кровли или почвы пласта.

Выбор способа бесшахтной подготовки подземных газогенераторов к газификации зависит от конкретных условий залегания угольных пластов. В последнее время предпочтение отдают бурению наклонных и наклонно-горизонтальных скважин по угольному пласту. При этом важное значение имеет последующая огневая проработка буровых каналов.

Огневая фильтрационная сбойка скважин и гидроразрыв угольного пласта, как правило, дополняют бурение при создании единой гидравлически связанной системы каналов подземного газогенератора. После этого можно переходить к газификации угольного пласта.

Рис. 4.12. Схема бурения каналов газификации: а – из наклонной скважины вскрытия; б – из криволинейной скважины вскрытия; 1 – поверхность земли; 2 – наносные породы; 3 – кровля; 4 – почва; 5 – угольный пласт; 6 – ствол скважины вскрытия; 7 – ствол скважины канала газификации; АВ - протяженность ствола скважины вскрытия.

ЛЕКЦИЯ 5

Подземные газогенераторы

1 Общие сведения

Подземный газогенератор является главным сооружением станции Подземгаз (станция Подземгаз — предприятие, вырабатывающее газ газификацией углей или другого вида топлива непосредственно в пластах на месте их залегания) и представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих выгазовывание определенного участка угольного пласта.

В подземном газогенераторе различают две части — наземную и подземную.

Наземная часть подземного газогенератора включает в себя устройства, которые располагаются на поверхности земли либо заглубляются в нее на глубину, определяющуюся конструктивными и климатическими особенностями.

К наземной части подземного газогенератора относятся: головки скважин вскрытия пласта, трубопроводы, аппараты очистки и охлаждения газа, обслуживающие данный газогенератор, а также приборы контроля и управления работой отдельных скважин и газогенератора.

Наземная часть подземного газогенератора соединяет в единый технологический процесс главные цехи станции Подземгаз с подземной частью газогенератора (рис. 5.1).

Рис. 5. Внешний вид наземной части подземного газогенератора: 1 – воздухопровод; 2 – газопровод; 3 – головка скважин вскрытия; 4 – соединительный трубопровод; 5 – свеча для продувки скважин в атмосферу; 6 – задвижки, соединяющие скважины с воздухопроводом или газопроводом; 7 – обратный клапан.

Подземная часть газогенератора включает в себя ту часть, которая располагается под землей на значительных глубинах, определяющихся условиями залегания угольного пласта или границами его разработки (выгазовывание).

В зависимости от гидрогеологических особенностей угольного участка в подземную часть газогенератора могут входить дренажные каналы, служащие для откачки подземных вод.

Как видно из рис.5.2а, при простейшей конструкции подземного газогенератора вскрытие наклонно залегающего угольного пласта произведено двумя наклонными скважинами 5 и 6; забои скважины вошли в угольный пласт на линии А'Б'С', которая отстоит на некотором расстоянии а от линии АБС, представляющей собой выход пласта под наносами. Таким образом, вскрытие угольного пласта по падению произведено на расстоянии h_в от земной поверхности 3П.

Величины вскрытия угольного пласта по падению и по глубине выбираются, исходя главным образом из газопроницаемости наносных пород, пограничной части пласта и давлений дутья, применяющегося при газификации.

На земной поверхности скважины вскрытия 5 и 6 соединены с воздухопроводом 3 и газопроводом 4 при помощи устройств, называемых головками 1 и 2. Из забоя скважин вскрытия по падению пласта проведены каналы газификации КГ_н (канал газификации начальный, т. е. до ведения в нем процесса фикации) длиной по h_п. Концы этих каналов газификации соединены тоже каналом газификации, расположенным по простиранию пласта длиной l.

На рис. 5.2а граница отработки пласта по падению пока за линией А"Б"С". Кроме того, на этом рисунке показано вскрытие канала газификации на горизонте разработки пласта скважиной 7, которая является в данном случае каналом дренажа подземных вод (КДВ). Направление откачки подземных вод по скважине 7 показано стрелками и буквой В.

Рис. 5.2. Принципиальная схема подземной части подземного газогенератора: а – подземный газогенератор до розжига; б – подземный газогенератор в работе.

Скважина для дренажа подземных вод может буриться в различных плоскостях и вскрывать канал газификации эта скважина может также в различных его участках.

При ведении процесса газификации в канале огневой забой распространяется вправо и влево по простиранию от канала газфикации. Поэтому каналы газификации, пройденные по падению пласта, сгазифицирует несколько большую площадь угольного пласта, чем та, которая оконтурена каналами газификации и линией вскрытия E'N'P'M'.

Распространение выгазовывания пласта по его простиранию за пределы осей каналов газификации, пройденных по падению пласта, характеризуется размером n.

Существенного распространения огневого забоя вниз по падению пласта от оси канала газификации, пройденного по простиранию пласта, не наблюдается вследствие воздействия на него подземных вод и шлаков, поэтому выгазовывание угля в этом направлении не распространяется сколько-нибудь существенно по падению за пределы линии N'P'. Границей выгазовывания угля по восстанию пласта принимается линия его вскрытия Е'М'.

Таким образом, запасы угля, предназначенные к отработке (газификации) данным газогенератором (У_о, т), определяются по формуле:

У_о= h_п( l+2 n)hγ , (5.1)

где γ – объемный вес угля пласта, т/м³; h – мощность пласта,м.

Для ввода в работу газогенератора (рис. 5.2б) производится его розжиг — создание огневого забоя 03 на соответствующем участке канала газификации и через один канал вскрытия, например через скважину 5, подается дутье Д. Дутье, попадая в канал газификации с огневым забоем, вступает в химическое взаимодействие с углем, вследствие чего образуется газ Г, который выводится в газопровод 4 по скважине вскрытия 6.

В результате розжига участка угольного пласта канал газификации из начальной стадии КГн перешел в стадию работы.

По мере подачи дутья в работающий канал газификации все большие и большие количества угля превращаются в газ и вместо угля остается так называемое выгазованное пространство ВП, которое частично заполняется золой угля и непрореагировавшим углем. Но по мере увеличения выгазованного пространства растет площадь обнажения пород кровли и почвы пласта, и эти породы под действием горного давления и термических факторов в той или иной степени заполняют выгазованное пространство.

Поскольку процесс газификации в подземном газогенераторе ведется под некоторым давлением, то в канале дренажа подземных вод КДВ уровень воды h_ж устанавливается с учетом влияния этого давления. Горячие газы, проходя по каналу газификации, нагревают окружающий его уголь и породы. На рис. 5.2б границы этого нагрева показаны буквами ТТ'.

Канал газификации подземного газогенератора может находиться в следующих состояниях:

- начальном — начальный канал газификации, т. е. когда в нем еще не ведется процесс газификации;

- рабочем — рабочий канал газификации, когда в нем ведется процесс газификации;

- консервированном — когда в нем процесс газификации временно прекращен и канал находится под дутьем не с целью получения газа, а с целью поддержания в нем огневого забоя;

- в использованном состоянии — когда процесс газификации в канале прекращается по причине использования запасов угля или по причине невозможности ведения в нем нужного процесса.

Выгазованное пространство является весьма важным элементом газогенератора. Характер заполнения этого пространства вмещающими породами в процессе газификации и характер движения в нем дутья и газа определяют в конечном итоге самый главный вопрос подземной газификации углей — какую Площадь угольного пласта можно сгазифицировать на единицу длины канала газификации.

2 Розжиг подземного газогенератора

Под розжигом подземного газогенератора понимается процесс создания огневого забоя в его одном или нескольких каналах газификации.

При этом следует различать очаг горения от огневого забоя. Очаг горения — это место в газогенераторе, где происходит горение любого горючего вещества, даже искусственно внесенного человеком.

Огневой забой — это участок канала газификации, в котором происходит в основном газификация коксового остатка угля, так как именно газификация коксового остатка угля обусловливает продвижение огневого забоя и выгазовывание угольного пласта.

Процесс розжига газогенератора в принципе сводится к следующему:

- в участок канала газификации, предназначенный для розжига, вносятся легковоспламеняющиеся вещества и зажигательный патрон;

- из места розжига удаляется вода;

- к месту розжига по каналу газификации подается дутье;

- в токе дутья включается в работу зажигательный патрон.

В результате от зажигательного патрона загораются легковоспламеняющиеся вещества, а от них загорается уголь пласта, и дутье, поступающее к очагу горения, вступает в химическое реагирование с углем и образуется огневой забой.

На практике очередность операций, связанных с розжигом подземного газогенератора, может меняться, например в канал газификации вместе с током дутья могут вноситься уже горящие зажигательные вещества.

Удаление воды из места розжига канала газификации в зависимости от ее притока и гидрогеологических особенностей производятся откачкой или вдавливанием в пласт дутьем, применяя при этом давление дутья (воздуха) большее, чем гидростатическое давление подземных вод. Зажигательные патроны приводятся в действие от электрического запального устройств, или в результате механического воздействия на запальное устройство.

Исходя из конструктивных особенностей, розжиг подземного газогенератора не всегда может быть произведен в таком месте, которое наиболее благоприятно для ведения процесса газификации. В таких случаях огневой забой от места, удобного для розжига, перемещают по каналу газификации к тому его участку, с которого запланировано выгазовывание угольного участка газогенератора. Для перемещения огневого забоя по каналу газификации используют способность огневого забоя распространяться в канале газификации к месту входа в него дутья.

В отдельных случаях перемещение огневого забоя от места розжига канала газификации по его длине производится также с целью увеличения начального сечения канала.

В тех случаях, когда необходимо зажечь угольный пласт непосредственно на забое скважины вскрытия, часто применяется забрасывание в скважину раскаленного кокса в токе дутья.

В связи с оснащением станций Подземгаз электросбоечными установками зажигание угольного пласта на забое скважин вскрытия производится также при помощи электродов, опускаемых в ствол скважины.

Каждый из описанных способов зажигания угольного пласта может производиться под соответствующим давлением, чтобы препятствовать проникновению подземных вод к месту розжига.

3 Вигазованный пространство подземного газогенератора

3.1 Выгазованное пространство и его влияние на процесс газификации пласта

Выгазованное пространство — это один из важнейших неотъемлемых элементов действующего или прекратившего работу подземного газогенератора.

Вначале выгазованное пространство заполняется только остатками от газификации угля, а затем, по мере развития площади этого пространства, его в той или иной степени заполняют деформированные и обрушившиеся породы.

Характер заполнения выгазованного пространства остатками от газификации угольного пласта и вмещающими породами имеет большое влияние на процесс газификации, а именно:

- от характера заполнения выгазованного пространства у огневого забоя зависит гидравлическое сопротивление канала газификации;

- от характера заполнения выгазованного пространства его гидравлическое сопротивление может значительно превосходить гидравлическое сопротивление канала газификации и этим способствововать желательному распределению потока дутья и газа, т. е. увеличивать долю дутья и газа, проходящую по каналу газификации, и уменьшать долю дутья и газа, проходящую через выгазованное пространство;

- характер заполнения выгазованного пространства может привести к образованию обходных каналов по отношению к каналу газификации. Потоки дутья и газа, проходя по таким обходным каналам, не соприкасаются с огневым забоем и могут не участвовать в главном гетерогенном процессе газификации угля;

- в отдельных случаях обрушение вмещающих пород над выгазованным пространством может вызвать сообщение с этим пространством пластов пород с высокой проницаемостью или водоносных. А это, в свою очередь, может привести к значительному росту потерь дутья и газа из выгазованного пространства подземного газогенератора или к увеличению притока в него подземных вод.

3.2 Основные разновидности деформации и обрушения вмещающих пород при газификации угольного пласта в канале

Для осуществления процесса подземной газификации углей в канале при прочих равных условиях чрезвычайно большое значение имеет обрушение кровли, вспучивание почвы, отжим угольного пласта и его измельчение под действием температур и горного давления.

В зависимости от геологических условий, свойств и мощности угольного пласта степень влияния этих факторов на процесс газификации различна. Но из всех приведенных факторов для подземной газификации углей наибольшее значение имеет характер обрушения кровли.

Различают три вида изменений состояния пород кроили.

Первый вид — прогиб, при котором породы кровли прогибаются без существенного разрыва сплошности и заполняют выгазованное пространство и тем самым поддерживают примерно постоянное значение удельной реакционной поверхности угля в канале газификации, что содействует некоторому постоянству характера движения дутья и газа (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Характер заполнения выгазованного пространства в результате прогиба пород кровли

Второй вид — обрушение пород кровли с частичным заполнением выгазованного пространства, которое происходит вследствие дробления пород кровли при обрушении и приводит к тому, что часть выгазованного пространства заполняется обрушением этих пород, и тем самым создается значительное сопротивление для прохода дутья и газа. В конечном итоге это может способствовать развитию факторов, положительно влияющих на течение процесса газификации в канале, как и при прогибе кровли (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Характер заполнения выгазованного пространства при обрушении пород кровли: ОП – обрушившиеся породы.

Третий вид — обрушение пород кровли, не приводящее к поддержанию примерно на постоянном уровне значения удельной реакционной поверхности угля в канале газификации и вызывающее появление обходных каналов для прохода дутья и газа (рис. 5.5).

В природных условиях один вид обрушения кровли может развиваться в другой вид и на разных участках длины канала могут иметь место различные виды деформации и обрушения вмещающих пород.

Рис. 5.5. Схема обрушения пород кровли в выгазованное пространство без их существенного разрыхления

Вздутие пород почвы

По характеру воздействия на процесс газификации угля в канале этот вид деформации вмещающих пород следует приравнивать к прогибу пород кровли.

Таким образом, заполнение выгазованного пространства подземного газогенератора происходит в результате различных видов деформации и обрушения вмещающих пород, остатками от газификации угольного пласта, шлаками и подземными водами. Удельный вес приведенных факторов в заполнении ими выгазованного пространства различен и зависит не только от геологических условий и свойств вмещающих пород и угольного пласта, но также от системы огневых работ и особенностей ведения процесса газификации.

3.4 Развитие выгазованного пространства и обрушения пород

В развитии выгазованного пространства подземного газогенератора различают две стадии:

- первая стадия — развитие выгазованного пространства без обрушения вмещающих пород;

вторая стадия — развитие выгазованного пространства в условиях обрушения вмещающих пород.

В первой стадии выгазовывания угольного пласта ширина выгазованного пространства относительно невелика, а породы кровли и почвы пласта опираются с двух противоположных сторон на угольный пласт. Но по мере выгазовывания угольного пласта растет ширина выгазованного пространства, а с ним растет и расстояние между точками опоры пород.

Породы, лишенные поддержки со стороны угольного пласта, на площади выгазованного пространства выходят из стадии существовавшего ранее равновесия и под действием горного давления вначале прогибаются, а затем в них появляются трещины и, наконец, они разламываются и обрушаются, заполняя при этом выгазованное пространство.

Окончание первой стадии развития выгазованного пространства для различных геологических условий наступает при разной ширине выгазованного пространства, т. е. при разном значении начального шага обрушения пород.

Во второй стадии развития выгазованного пространства породы кровли нависают на них не в виде «балки» с точками опоры по ее концам, а в виде «консоли», закрепленной одним концом у огневого забоя.

По мере выгазовывания угольного пласта огневой забой перемещается, канал газификации расширяется и увеличивается длина консоли из пород кровли. По достижении некоторой величины этой консоли породы обрушаются. При этом шаг обрушения пород меньше, чем в первой стадии развития выгазованного пространства.

Вследствие неодинаковости свойств горных пород и неравномерности в продвижении огневого забоя обрушение консоли из пород происходит не сразу по всей длине канала газификации, а по отдельным участкам его длины.

В результате этого при канале газификации значительной длины его ширина по длине канала различна и колеблется пределах от величины шага обрушения пород при консольной опоре до минимального значения консоли после ее обрушения.

В сфере действия выгазованного пространства можно выделить ряд областей земной коры, которые отличаются друг от друга степенью влияния на их природную структуру.

Обрушение кровли в большей мере зависит от структуры слоев, составляющих породы кровли, т. е. от их мощности и кливажа.

Способность пород к обрушению возрастает с уменьшением мощности составляющих слоев. Обрушение пород кровли происходит в основном по кливажным трещинам, если линия пересечения плоскости кливажа с плоскостью напластования примерно совпадает с направлением огневого забоя.

Обрушению пород кровли при выгазовывании угольного пласта способствует также термический фактор, под действием которого породы могут расслаиваться, растрескиваться, вспучиваться и оплавляться.

Характер обрушения пород кровли по мере выгазовывания угольного пласта несколько отличен от характера их обрушения при выемке угольного пласта — шахтная разработка.

При подземной газификации происходит постепенное выгазовывание угольного пласта по его мощности, а при шахтной разработке выемка пласта происходит по всей его мощности. В связи с этим при подземной газификации развитие процесса деформации пород кровли происходит постепенно, увеличиваясь по мере выгазовывания угольного пласта по мощности.

На отдельных участках канала газификации, где господствуют высокие температуры, нижние слои кровли могут оплавляться, и тогда кровля свисает над огневым забоем в виде пластической оболочки. Оболочка из размягченной породы кровли по длине канала газификации в отдельных местах разрывается обрушившимися кусками породы, которые в разные стадии работы канала газификации по-разному заполняют его сечение.

Не все пустоты среди пород, обрушившихся в выгазованное пространство, взаимосвязаны между собой. Формы и размеры пустот разнообразны. В районе дутьевых скважин объем отдельных пустот колеблется от 0,5 до 1 м³, достигая иногда 3—5 м.

В районе газоотводящих скважин объем отдельных пустот не превышает 0,5 м³, достигая иногда 1 м³. Часть поверхности пород, ограничивающих пустоты, оплавлена.

Степень заполнения выгазованного пространства твердой фазой составляет для района дутьевых скважин 80- 85%, для района газоотводящих скважин 60 - 65%.

Кроме обрушившихся пород, часть объема выгазованного пространства заполняется шлаками.

Шлаки в выгазованном пространстве образуются в результате сплавления пород кровли с золой и коксовым остатком угольного пласта.

В структурном отношении шлаки представляются разновидностями от монолитных стекловидных до пористых. Цвет шлаков разнообразен: темно-серый, темно-синий, коричневый, черный и т. п., в основном он зависит от включения соответствущих окрашивающих компонентов.

4 Поведение земной поверхности над выгазованным пространством

На земной поверхности в районе подземного газогенератора располагается сеть трубопроводов для дутья и газа и ряд других наземных сооружений, которые обслуживаются производственным персоналом.

Это заставляет рассматривать поведение земной поверхности в районе выгазовывания угольного пласта как один из важных факторов, могущий соответственно влиять на показатели процесса подземной газификации углей и на условия его производственного обслуживания.

В сфере действия выгазованного пространства можно выделить ряд областей земной коры, которые отличаются друг от друга степенью влияния на их природную структуру. Их число во вмещающих породах вокруг выгазованного пространства определяется главным образом геологическими факторами и глубиной залегания пласта (зона подстилающих пород в природном состоянии; зона прогретых подстилающих пород; зона трещиноватых пород;зона разрушенных пород; зона шлаков и т.д.)

Те из зон разрушения пород, которые достигают в данных условиях земной поверхности, будут характеризовать также и степень нарушения земной поверхности. С точки зрения подземной газификации углей в поведении земной поверхности в районе выгазовывания угольного пласта можно различать четыре вида:

I вид — земная поверхность практически не меняет своего положения при выгазовывании угольного пласта;

II вид — земная поверхность по мере выгазовывания угольного пласта плавно прогибается над выгазованным простран ством без видимых нарушений сплошности почвы;

III вид — опускание земной поверхности над выгазованным пространством вызывает появление трещин;

IV вид — над выгазованным пространством происходит опускание поверхности земли с появлением не только трещин, но и кратеров. Кратером в данном случае называют воронку, образующуюся в земной поверхности, которая соединена с выгазованным пространством через слой беспорядочно обрушившихся пород.

Проявление того или другого вида разрушения земной поверхности над выгазованным пространством обусловливается главным образом соотношением толщи покрывающих пород и мощности, на которую выгазовывается угольный пласт, а также свойствами покрывающих пород и условиями залегания.

В геологических условиях Лисичанской станции Подземгаз при малой мощности газифицируемых угольных пластов и значительной толще покрывающих пород над выгазованным пространством на земной поверхности наблюдаются первые два вида нарушения. Нарушения в покрывающих пласт породах распространяются при этом на расстояние, равное десятикратной мощности пласта.

В геологических условиях Подмосковного бассейна, где со отношение между покрывающими породами и мощностью газифицируемого угольного пласта составляют 10—15, проявляются не только прогиб земной поверхности над выгазованным пространством, но также и трещины в почве. Но трещиноватость почвы не приводит к газовыделениям через трещины (рис. 5.6).

Одной из характерных особенностей опускания земной поверхности над выгазованным пространством в условиях Подмосковного угольного бассейна является медленное и плавное проявление этого процесса по сравнению с оседанием земной поверхности над участками пласта при его шахтной разработке.

Например, при шахтной выемке пласта происходит бурное оседание пород кровли, а земная поверхность оседает почти на величину, равную мощности пласта, со скоростью до 300 мм/сутки. При выгазовывании угольного пласта величина оседания земной поверхности достигает 30—40% мощности пласта и протекает со скоростью 40—80 мм/сутки.

В геологических условиях Южно-Абинской станции Подземгаз (газогенератор № 1) земная поверхность над выгазованным пространством проявляет все четыре вида деформаций.

Скорость оседания земной поверхности в рассматриваемом случае составляла не более 25 мм/сутки.

Образованию кратеров на поверхности земли предшествовало за 5—10 суток возрастание скоростей оседания земной поверхности.

Появление на поверхности земли кратеров вызывало резкое увеличение подземных потерь газа, которые снижались до первоначальных после засыпки кратеров породой и глиной и заполнения глинистым раствором.

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 782; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!