Подземное сжигание полезных ископаемых

Идея подземного сжигания угля (ПСУ) с целью использования тепла в хозяйственных целях известна с древних времен. После создания технологии подземной газификации угля и получения положительных результатов ее промышленной эксплуатации к этой идее вернулись снова, уже на новом технологическом уровне. Ещё в 1956 г. при проведении конкурса на научную и проектную разработку предложений по подземной газификации углей было подано несколько предложений по подземному сжиганию, которые, однако, не допустили к участию в конкурсе из-за непроработанности технологии.

В дальнейшем были выполнены исследования по использованию физического тепла газов, получаемых при подземной газификации углей. Температура отходящих газов при подземной газификации углей составляет 400-600°C. В котле-утилизаторе пар вырабатывается за счёт охлаждения до 150°C. При этом химический к.п.д. с учётом использования физического тепла отходящих газов может быть увеличен с 50 до 62,5 %.

Только после длительного перерыва, в 1980-х годах при резком возрастании цен на нефть, к идее использования тепла газов подземного сжигания угля вернулись вновь. Решая задачу комплексного использования энергоресурсов угольного месторождения, академиком BB. Ржевским была предложена идея многостадийной отработки шахтных полей, которая заключается в последовательном чередовании стадий: добыча метана, частичное извлечение угля, подземное сжигание или газификация оставшихся в недрах запасов с утилизацией выделяющегося при этом тепла.

Отработаны два экспериментальных участка технологии ПСУ «Углегаз». В отличие от ПГУ, при ПСУ используется всасывающая схема подачи дутья, что существенно расширяет область применения данной технологии. Ей могут отрабатываться участки, подработанные ранее горными работами, а также участки, расположенные вблизи с действующими шахтами.

Именно на таких участках и функционировали две экспериментальные установки ПСУ: на шахте №1 «Острый» шахтоуправления «Кураховское» производственного объединения «Селидовуголь» и на участке шахты «Киреевская» производственного объединения «Тулауголь». В ходе испытаний отрабатывались параметры технологии, способы розжига, сбойки, управления очагом горения, системы очистки дымовых газов. Была доказана принципиальная возможность осуществления данной технологии в промышленных условиях, в первую очередь, для целей местного теплоснабжения.

На шахте №1 «Острый» были сожжены два блока. При сжигании первого блока он вскрывался двумя воздухоподающими и двумя воздухоотводящими скважинами. Диаметр скважин составлял 550 мм, а диаметр обсадных труб — 425 мм. Депрессия воздушной сети составляла 0,7-3,6 кПа. Максимальная температура горения достигала 800-1000°C. На сжигание 1 м³ углеродного вещества расходовалось 8-10 м³ воздуха. Скорость перемещения зоны горения составляла 1 м/сут., а максимальная — 5-5,3 м/сут., при расходе воздуха 1,3-1,7 м³/с. Потери тепла на нагрев пород составляли 37 %, а на испарение влаги — 20 %. Коэффициент получения физического тепла достигал 14 %. Состав газов, получающихся при подземном сжигании: O₂ — 4-13 %; CO₂— 5,3-11,2 %; CO — 0,2-2,3 %; H₂ —0,2-3,2 %; CН₄ — 0-0,7 %; SO₂ — 0,004-0,2 %; H₂S₃ — 0,02-0,7 %. Остановка дымососов при сжигании запасов блока показала возможность работы за счёт тепловой депрессии без расхода электроэнергии.

Аналогичные результаты были получены и на шахте «Киреевская», где на первом этапе был сожжён блок площадью 970 м².

Тем не менее, ряд технических вопросов не нашёл технического решения. Важнейшим из них является опасность загрязнения подземных водоносных горизонтов фенолами, образующимися при низкотемпературном горении угля в пласте. Единственный метод, позволяющий хотя бы как-то решить эту проблему — промывка выгазованного пространства с последующей биологической очисткой откачиваемой воды. Однако этот процесс протекает очень медленно, и постоянно будет ограничивать мощность станции ПСУ.

В ряде работ предлагается кардинально решить эту проблему переходом на высокотемпературное сжигание, при котором фенолы сами сгорают в пласте, а дутьё осуществляется обогащенным кислородом воздухом.

Второй трудноразрешимой проблемой является управление очагом горения. Как показал опыт эксплуатации подземных газогенераторов, огневой забой не перемещается последовательно, чаще всего в массиве прогорают каналы в местах с повышенной проницаемостью. В предложении учёных для управления очагом горения предлагается организовать завесу из газов, не поддерживающих горение, на участке массива между подводящей и отводящей выработкой огневого забоя. Принципиальная схема способа представлена на рис. 21. В качестве газов, не поддерживающих горение, может использоваться азот, углекислый газ, дымовые газы.

Рис. 21. Принципиальная схема управления процессом подземного горения угля с помощью завесы газов, не поддерживающих горение

Третьей трудноразрешимой проблемой является последовательное включение в работу новых участков угольного пласта. При шахтном способе подготовки пластов к подземному сжиганию возможно использование как пластовых, так и полевых выработок. При пластовой и полевой подготовке свежая струя подаётся в режиме фильтрации по контуру выработанное пространство — целик, а отводится, соответственно по поддерживаемой пластовой или полевой выработке. При этом необходимо при полевой подготовке обеспечивать периодическую сбойку полевой выработки с пластом.

Известно предложение, где включение новых участков в работу осуществляется автоматически путем выплавления предварительно заложенных легкоплавкими материалами каналов по мере приближения очага горения.

В концептуальном плане для организации подземного сжигания необходимо решить вопрос о том, будут отводиться газы через стационарную одну выработку блока, или через большое количество скважин большого диаметра. Очевидно, что второй способ вызывает противоречие в стремлении обеспечить экологическую чистоту производства и может рекомендоваться только для отдельных изолированных участков.

По ряду причин объективного и субъективного характера к 90-м годам все работы по подземному сжиганию углей были прекращены, хотя в ходе крупномасштабных научно-исследовательских работ были получены обнадеживающие результаты.

Контрольные вопросы

1. Область применения ПСУ

2. Указать три основных проблемы ПСУ.

3. Как возможно управлять очагом горения?

4. Как возможно устранить опасность загрязнения подземных водоносных горизонтов фенолами, образующимися при низкотемпературном горении угля в пласте?