Перспективы подземной газификации угольных пластов в Карагандинском угольном бассейне Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 10

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

^ © К.Н. Адилов, М.И. Байкенов^ С.Т. Исагулов, 2001

ч

УДК 622.74

К.Н. Адилов, М.И. Байкенов, С.Т. Исагулов

ПЕРСПЕКТИВЫ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В КАРАГАНДИНСКОМ УГОЛЬНОМ БАССЕЙНЕ

Наличие огромных забалансовых запасов угля, наряду с компактностью бассейна и значительной углеплотностью являются основой для подземной газификации карагандинских углей (ПГУ).

Подземной газификации благоприятствует ряд горно-геологических условий, среди которых важнейшими являются следующие: высокое содержание фюзинита (до 35 % и выше), что обуславливает сравнительно высокую склонность этих углей к самовозгоранию; крайне высокая метаноносность карагандинских пластов, которая может быть использована для повышения энергетического КПД процесса газификации в целом; оптимальная мощность пластов продуктивных свит; плотные породы почвы и кровли угольных пластов всех свит, проницаемость которых в десятки раз меньше, чем проницаемость угольного пласта; низкая влажность углей, низкая водоносность продуктивных отложений и малая обводненность бассейна в целом, исключающие необходимость предварительного осушения газифицируемого участка. Надо отметить, что низкая теплотворная способность газа ПГУ, по сравнению с природным, явилась в свое время одной из основных причин закрытия станций «Подземгаз». А между тем, если во главу угла поставить вопрос о теплотворной способности получаемого газа, то с учетом высокой ме-таноносности Карагандинского угольного бассейна, необходимо отметить следующее:

• для получения «обычного» генераторного газа ПГУ (800-1200 ккал/м3) в Карагандинском бассейне имеются «бесконечные» сырьевые запасы;

• крайне высокая метано-носность угольных пластов Карагандинского бассейна является основой разработки технологии утилизации метана - основного компонента природного газа;

• обычное сжигание высококалорийного утилизированного метана крайне расточительно (тем более, что его запасы не безграничны и динамичны в пространстве). Гораздо выгоднее запасать его и добавлять в определенных количествах в «безграничный» генераторный газ ПГУ с целью

повышения теплотворной способности последнего до промышленно значимой.

Учитывая вышеизложенное, можно предложить при разработке забалансовых запасов угля на бросовых участках месторождений создание подземных теплогазоколлекторов (ТГК), в основе функционирования которых лежат следующие процессы:

1. Традиционная ПГУ, с целью получения стабильного низкокалорийного комплекса продуктов газификации (СН4, СО, Н2);

2. Создание за счет тепловых потерь от процессов окисления угля искусственных геотермальных систем с последующим использованием накопленного тепла. Потери физического тепла во вмещающие породы, получаемого при горении угольных пластов, могут достигать 40 %. Но, учитывая низкие теплопроводные свойства вмещающих пород Карагандинского угольного бассейна, можно утверждать, что потери физического тепла в массив аккумулируются в нем, создавая тем самым тепловой коллектор. Он образуется при подземной газификации забалансовых запасов угля на бросовых участках месторождений в зоне обрушения вмещающих пород за очагом горения. Коллектор можно значительно увеличить, вовлекая в процесс горения одновременно несколько пластов, свиту. Объем теплового коллектора определяется в зависимости от прогрева вмещающих пород, для оценки которого необходимо определение температурного поля.

Рис. 1. Прогрев вмещающих пород во времени вокруг очага газификации при одном и двух газифицируемых пластах

Применение известного в теории теплопроводности метода точечных источников совместно с принципом элементарной суперпозиции, состоящего в том, что действие отдельных источников теплоты, не зависящих друг от друга, может рассматриваться как действие каждого источника отдельно, а конечный тепловой эффект определяется алгебраическим сложением действий всех источников, позволяет определить интересующее нас температурное поле Т(Х^) :

- в период развития очага газификации Т (X, У, т ) =

h

+кУ

dт"

X 2 + (X - у )2

4ат"

V 2Т"

У п 1

4а

+ Qn ехр(- -(Х +1)) | dy[ ^ ехр(-2а т

4а т"

)+

V 2т"

У п 1

4а

___к

(1)

- а їабеіа 6п6аиаёа0аату їбіоайпа аа^ёбёёаоёё

-+кХі

Т(X, ^) = Оу ехр(- -гХ) 1 К

7/7

У^Х2 + ^ - у)2

2а

2а

¥у +

+ Оп ЄХр( - ^)

2а

к 2

“ / ------кп

У)2

К о (-^-----------------------У-^-^у

2а

X - теплопроводность вмещающих пород, Вт/мК; а - температуропроводность вмещающих пород, м2/с; К0 - функция Мак-Дональда (бесселева функция 4-го рода нулевого порядка); Х^ - координаты точки массива, в которой рассчитывается температура Т(Х,У); у - переменная интегрирования по мощности газифицируемого пласта; ф - переменная интегрирования по времени газификации.

На рис. 1 приведены изотермы устанавливающегося во времени температурного поля, полученного при следующих исходных условиях: а = 1,2610-6 м2/с; X = 2,4 Вт/мК; V = 0,5 м/сут; у = 1,4 т/м3; О=30 106 Дж/кг; Кр = 0,15.

Полученное выражение (2) для построения температурного поля позволяет обоснованно подойти к расчету количества теплоты, аккумулируемому при горении свиты пластов.

(2)

где = 2Ь-

2%А 2%А

Ч(уп)= Q -у-Ъ • кр (3)

Q — теплота сгорания угля, Дж/кг; у — плотность угля в массиве, кг/м3; V\ — скорость перемещения очага горения, м/с; кр — доля теплоты, рассеивающаяся в массив (определяется аналитически);

2

Т

)

2

2

Квазистационарное поле, устанавливаемое при достаточно длительном процессе газификации угольных пластов, представлено на рис. 2

Скважины, первоначально, использовавшиеся для утилизации физического тепла и углеводородных ресурсов вмещающего массива пород, затем могут быть использованы для извлечения тепла нагретых пород с использованием элементов геотермальной технологии;

3. Создание метанового коллектора в своде обрушенных пород, учитывая высокую метано-носность угольных пластов Карагандинского бассейна и ускоренное выделение метана из пластов-спутников при нагреве и термодеформационных процессах в массиве. В качестве объекта испытаний при проведении физико-химических исследований продуктов газификации угля были выбраны выработанные пространства ранее отработанных лав 46 К12 1,2-зап в условиях ш. им. Костенко УД АО «Испат-

Рис. 3. Зависимость метана от кислорода на исходящей струе

Рис. 2. Прогрев горных пород при газификации одного и двух пластов

Кармет», как наиболее типичные для Карагандинского бассейна теплогазовые техногенные коллекторы (ТГТК) В качестве исходных данных для изучения были взяты результаты контроля состава газовой смеси, полученные в январе-мае 2000 г. через контрольные скважины №№ 3, 18, 19, пробуренные в изолированное выработанное пространство ранее отработанных выемочных участков лавы 46 К12-1,2-зап.

Исследования проводились по 5 основным газовым компонентам (СН4, С02, СО, Н2, 02). В качестве объекта испытаний были выбраны, прилегающие к лаве 47 К12-1,2-зап, выработанные пространства ранее отработанных лав (1991-94гг) 46 К12-1,2-зап и 45 К12-1,2-зап. По результатам проведенных наблюдений выявлена обратно пропорциональная зависимость между содержанием кислорода на исходящей струе и метана (при снижении концентрации кислорода до 3-4 %, концентрация метана увеличивается до 55-80 % (рис. 3)). При протекании окислительно-восстанови-тельных реакций в очагах самовозгорания в выработанных пространствах. из органической массы углей преимущественно образуются СО, Н2 и СН4. Окислительные процессы, в свою очередь, активизируют тепломассообменные, в результате которых десорбируется СН4 из газоугольного массива.

Рис. 4. График зависимости теплотворной способности газа ПГУ от количества добавляемого метана

но повысить, если использовать утилизированный при дегазации метан (рис. 4.): где Q - расчетная теплотворная способность газа ПГУ по опытным данным, кДж/моль; V - количество добавляемого метана (л) к 1 м 3 обычного газа ПГУ.

Таким образом комплексное освоение бросовых участков газоугольных месторождений позволит получить экологически чистое топливо и более полно использовать энергетический потенциал угля.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =

/-------------------------------------------------------------------------------------7

Адилов Каиржан Наукебаевич - член-корр. НАН РК, профессор, доктор технических наук, зав. лабораторией Института проблем комплексного освоения недр Министерства образования и науки Республики Казахстан

(МОН РК).

Байкенов Мурзабек Испулович - профессор, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем комплексного освоения недр МОН РК.

Исагулов Саят Тулеуович - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник Института проблем комплексного освоения недр МОН РК.

Теплотехнические расчеты показывают, что теплотворную способность продуктов ПГУ мож-

z

/