CC BY
43
ЗЕМНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЯ :
■
! ' ' ' ,^А.В. Шестопалов, 2000 ■
УДК 622.272:622.831.325.3
А.В. Шестопалов
СКВАЖИННЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ЕГО МЕХАНОДИНАМИКЕ
Н
а предыдущем научном симпозиуме "Неделя горняка-99" [1] автором был представлен доклад "Концепция геотехнологии промысловой добычи метана и угля исключительно за счет энергии природных сил", в котором предполагалось, что геореактор может быть использован как предприятие по выработке электроэнергии. То есть, представлялось возможным объединить в одном технологическом цикле процесс самодобычи и транспортировки на дневную поверхность смеси метана и водоугольной суспензии (ВУС), глубокого обогащения ВУС и сжигания смеси в котлоагрегатах тепловой электростанции. При этом, в случае необходимости, высококонцентрированная, практически 100процентная смесь метана и его гомологов может быть утилизирована отдельно. Эта же, как нам казалось исключительно наша, идея высказывалась нами и ранее, о чем будет сказано ниже, а так же была повторена в более поздних наших публикациях, например [2, 3].
Как оказалось, мы не одиноки. После прочтения статьи [4] профессора Московского государственного горного университета (МГГУ) Ю.Ф. Васючкова мы поняли, что можем уступить первенство, если не перенесем акцент в названии своей геотехнологии на получение электроэнергии непосредственно над шахтным полем из угля, залегающего под землей, путем совмещения добычной скважины (скважин) и тепловой
электростанции. Доказательством того, что мы работаем в этом направлении давно, может служить переписка с Комиссией Европейского Совета (EC, programm INCO-COPERNICUS: sector 5, sub-sector 1, #reference 5006; sector 8, subsector 1, #reference 8004; sector 10, sub-sector 1, #reference 0001) по нашей заявке на грант "Экологически безопасный способ получения практически бесплатно, по сравнению с традиционными технологиями, электроэнергии и заменителя природного газа из угольных месторождений" с датой регистрации в Брюсселе 17.09.1997г.
До появления статьи [4] у нас были проблемы в плане терминологии. Многие оппоненты указывали на неверное, по их мнению, сочетание слов "получение электроэнергии из угольного пласта". Благодаря проф. Ю.Ф. Васючкову, мы теперь говорим и пишем, что "одной из разновидностей нетрадиционных технологий разработки угольных месторождений является, по терминологии МГГУ [4], скважинный способ получения электроэнергии".
В общем случае, суть скважинного способа заключается в том, что энергоноситель, залегающий в недрах, переводят в подвижное состояние, затем по скважине поднимают на дневную поверхность и после этого из добытого энергоносителя получают электроэнергию. Аналогами нашей геотехнологи могут быть признаны нижеследующие технологии, но, по сути, это далеко не одно и тоже.
Широко известна технология МГГУ добычи метана [4] с применением направленного гидрорасчленения пластов (НГРП). Однако дебит скважин при этой технологии слишком низок для промысловой добычи метана. Он, например, на порядок меньше дебита, реально получаемого, при геотехнологии "кавернообразования" США [5]. Мы производим сравнение с геотехнологией США, а не со своей в связи с тем, что наша геотехнология не проходила опытно промышленных испытаний и поэтому является гипотетической. Из прошедших промышленные испытания, наиболее близким аналогом технологии США является, по совокупности признаков, геотехнология Института геотехнической механики НАН Украины (ИГТМ НАНУ) [6].
Известен скважинный способ МГГУ добычи угля [4], при котором перевод каменного угля в подвижное состояние осуществляется путем применения, для диспергирования (дезинтеграции) угольного массива, биосуспензий и растворов химически- или поверхностноактивных веществ. Если исходить из названия, то прототипом нашей геотехнологии является геотехнология МГГУ [4] получения электроэнергии непосредственно на шахтном поле путем подземного сжигания угольного пласта, получения горячих генераторных газов, извлечения метана через поверхностные скважины на этом же шахтном поле, смешения генераторных газов с метаном, получения тепловой энергии от утилизации их тепла и тепла от их сжигания и получения электроэнергии в генераторах комбинированного цикла, используя энергию пара и горючих газов. Однако масштабы такого производства, по нашему мнению, не могут быть интенсивными (значительными) из-за того, что они основаны на воздействии из выработки в направлении угольного пласта.
Предложенная нами геотехнология [1], так же как и геотехнология "кавернообразования" США, основана на саморазрушении
угольного пласта, то есть, как бы на обратном воздействии. Не из скважины на угольный пласт, как
все отечественные а, наоборот, -из угольного пласта в выработку. При этом процесс саморазложения угольного вещества на газообразную и твердую составляющие - управляемый и может переводиться из режима обострения в квазистационарный режим и наоборот. Наша концепция геоэлектростанции базируется на технологии "Вулкан" - скважинной одновременной добыче метана и сильно измельченного угольного вещества, а после истощения геореактора, только угольного метана. Мощность такой геоэлектростанции лимитируется только производительностью котлоагрегатов и другими параметрами непосредственно тепловой электростанции.
При угрозе перепроизводства угольного вещества, геореактор специальным образом переводится в "квазистацио-нарный режим",
ципа - это создание (появление) в системе обратной связи: положительной для "режима с обострением" и отрицательной для возвращения в "квазистацио-нарный режим". Из наших публикаций, приведенных в списке литературы в упомянутом докладе [1], известны другие наши основные теоретические предпосылки. Из-за лимита на объем настоящей публикации, находим возможным повторить только некоторые из них.
Горный массив может находиться, аналогично твердому, жидкому и газообразному (рис. 1), в трех псевдоагрегатных состояниях: 1) «техно-генно ненарушенный массив»; 2) «разу-прочненный массив»; 3) «газоугольный (газо-пород-ный) поток». Фазовые переходы «разупрочнение» и «разрушение» одновременно протекают (происходят) в краевой
благодаря тому, что система «геоматериал-выработка» является открытой. В зависимости от плотности механической энергии на острие трещин, и элементного состава геовещества могут генерироваться углекислый газ, метан, водород, вода, нефть, другие химические соединения, и не зависимо от выше указанных условий, второй компонент - супермилони-ты.
По нашему мнению, великим заблуждением уходящего столетия является предположение, что угольные пласты на больших глубинах так же газопроницаемы как и на малых глубинах характерных для зоны выветривания. Так же заблуждением является предположение, что в газоносных и выбросоопасных угольных пластах содержится метан в количествах достаточных для практически на-
при котором добывается только метан. При необходимости возобновления добычи "бешенной муки", геореактор тем же специальным образом переводится в "режим обострения". Названия режимов нами повзаимствованы из синергетики, принципы которых были известны задолго до появления синергетики, например в теории автоуправления, в физике (регулятор Уайта), теории автоволно-вых процессов (АВП). Суть прин-
части горной выработки (скважины) и краевой части трещины, растущей из этой выработки.
Метан в угольных пластах генерируется растущими техногенными трещинами в результате твердофазной реакции разложения твердого углеводородного, то есть атомарного, раствора (ТУВ-Ра) под действием потока механической энергии критической плотности. Эволюция геомеханических процессов становится возможной
блюдаемых газопроявлений. Расчет, который нами не выполнялся ввиду общеизвестности, основанный на размерах полости выброса и количествах выброшенного метана, показывает, что метанонос-ность угольных пластов примерно на порядок меньше метанообиль-ности тех же пластов при выбросе угля, породы и газа. При газоносности 20 м3/т - при выбросе выделяется 200-500 м3/т. При традиционном подходе дефицит метана в
Рис. 1
угольном веществе нельзя объяснить (компенсировать) иначе как фильтрацией газа из окрестности полости выброса.
С.В. Кузнецов и В.А. Трофимов (ИПКОН РАН) [7] оказали нам огромную услугу, избавив от рутинной работы по поиску и обработке необходимых для доказательства шахтных экспериментов. Это первая не наша публикация, которую мы ждали почти 20 лет, о том, что угольные пласты не проницаемы для газа. И вот, наконец-то читаем. "На основании проведенного анализа порядка 600 замеров давления газа в 50 газоносных угольных пластах на глубинах 400900 м от дневной поверхности доказано, что газоносные угольные пласты в нетронутом состоянии непроницаемы всюду ниже зоны выветривания, несмотря на множество разных по своей природе трещин и пор".
В работе [8] ими сформулирован альтернативный механизм -концептуальная модель фильтрации газа в газонепроницаемых угольных пластах на основе свойства усадки углей при десорбции газа, заключающаяся в том, что в результате усадки происходит раскрытие микротрещин и образование микрозазоров между отдельностями в угольном пласте. Они пишут, что проведен анализ, теоретическое обобщение и "выявлено" свойство усадки углей при десорбции газа. По нашему мнению, это свойство (механизм) давно известно в горной науке. Оно не рассматривалось горняками в виду очевидности его несущественного влияния на газопроницаемость за время наблюдения (продолжительность эксперимента), если, конечно, ограничиваться, как это делают авторы цитируемой публикации, только раскрытием природных трещин.
В 80-х годах, например, В.М. Зотовым (ИПКОН РАН) была предложена "концепция влияния неоднородности угля по коэффициенту усадки на трещинообразо-вание при его дегазации", заключающейся в том, что из-за неоднородности коэффициента усадки или различий в размерах отдельностей, уменьшение объема последних в процессе газоистоще-
ния может приводить к появлению механических напряжений, достаточных для прорастания новых трещин не природного, а техногенного характера. В нашей публикации [9] это нашло отражение в виде, так названного нами, "примесного" спускового механизма ГДЯ. Этот механизм потребовался нам для объяснения механизма запоздалых выбросов, т.е. выбросов, происходящих в ремонтные смены и другое время, когда очистные или подготовительные работы не велись, не было никакого воздействия на забой и т.п.
Авторы публикации [8] пишут, что абсолютно новыми положениями теории являются: распространение газопроницаемой зоны, существование скачка сорбированного газа на ее границе, а также граничные условия, которые связывают между собой изменяющиеся в процессе фильтрации давление и градиент давления газа, скачок сорбированного газа, проницаемость и скорость распространения газопроницаемой зоны. Последняя, по нашему мнению, имеет важное значение - делает предложенный механизм неадекватным натуре. Все это хорошо для "чистой" теории фильтрации, для которой, как утверждают авторы, впервые описан механизм распространения газопроницаемых зон. При таком подходе, естественно, можно рассматривать движущуюся границу газопроницаемой зоны как фронт волны фильтрации, на котором существует скачок сорбированного газа.
По нашему мнению, математика в очередной раз нанесла вред горной науке, вводя нас в заблуждение на уровне феноменологии и вынуждая тратить время на опровержение ее результатов. Скорость распространения газопроницаемой зоны слишком мала для того чтобы при помощи этого механизма можно было хоть что-нибудь объяснить при нулевой природной проницаемости.
Например, почему газовыделе-ние в скважину из неразгруженной зоны начинается сразу после окончания бурения, а не через некоторое время, как это следует из их механизма. То же самое каса-
ется увеличения газовыделения в скважину после образования полости (каверны) в ее стенках. Известно, что при перебуривании давно работающих дегазационных скважин, гидровымыве, гидрорезании и тому подобном газовыде-ление возрастает сразу же после или даже в процессе выполнения операции. Происходит это, если объяснять согласно нашего механизма [1], за счет приращения зоны разупрочнения, т.е. увеличения газового коллектора вокруг горной выработки (скважины) техногенными наведенными трещинами, генерирующими дополнительные количества газа.
Таким образом, как нам кажется, мы можем праздновать победу на идейном фронте.
1. Если нет проницаемости, то и нет фильтрации. Теперь с позиций традиционного подхода, согласуясь только с теорией сорбции, не возможно объяснить факт, что при выбросах выделяется метана больше, чем может содержаться в объеме угольного вещества равном объему полости после выброса.
2. Если до выброса метан находился в свободном состоянии локализованный в некоторой пустоте, то не возможно объяснить грушевидную форму полости -всегда будет получаться воронка. Грушевидная форма полости может образоваться только в результате образования древовидной системы трещин.
3. Древовидная система техногенных трещин может, конечно, образоваться исключительно под действием сил горного давления, и даже в абсолютно не газоносном геоматериале. Продукты разупрочнения могут быть вынесены в горную выработку свободным газом, но тогда геоматериал (уголь, песчаник и др.) должен содержать эти необходимые количества свободного газа. А где они могут содержаться? Уголь или песчаник не есть пористые материалы как, например, пемза и не состоят (не имеют) из необходимого количества равномерно распределенных замкнутых макропор.
Наш механизм, основанный на создаваемой нами неравновесной механодинамике [1] остается
единственным известным на сего- честв рудничного газа, флюидов и ный механизм не оказываются со-
дняшний день механизмом появ- пыли в горных выработках. По- стоятельными, например, меха-
ления аномально больших коли- пытки обнаружить альтернатив- низм [3].
1. Шестопалов А.В. Концепция геотехнологии промысловой добычи метана и угля исключительно за счет энергии природных сил. / Доклад на научном симпозиуме "Неделя горняка - 99". Семинар N 20 "Физико-химическая геотехнология" (25-29 января 1999г., МГГУ, г.Москва). - Горный информационноаналитический бюллетень, 1999, N 2. - с.154-159.
2. Шестопалов А.В. О технологии добычи метана из угольных пластов. - Сб. Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины №5. Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - с.18-21.
3. Шестопалов А.В. Механизм образования рудничной пыли с точки зрения синергетики. - Сб. Материалы международной конференции "Безопасность жизнедеятельности на пороге XXI века" (г.Алушта, 20-24.09.1999г.) - Алчевск: ДГМИ, 1999. - с.116-119.
4. Васючков Ю.Ф. Развитие нетрадиционных технологий разработки угольных месторождений. - Уголь, 1999, N1. - с.16-19.
5. Coalbed Methane Open-Hole Cavity Completion Workshop. -Radisson Hotel Denver, Colorado April 25, 1993. - 244pp.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Софийский К.К., Барадулин Е.Г., Александров В.Г., Воробьев Е.А. Способ добычи метана из угольных пластов. - Сб. Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины №5. Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий. -Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - с.128-131.
7. Кузнецов С.В., Трофимов В.А. Газодинамика угольных пластов. - Сб. Проблемы безопасности и совершенствования горных работ (Мельниковские чтения). / Тезисы докладов Международной конференции, Москва - Санкт-Петербург 11-17 сентября 1999г. - Пермь: ГИ УрО РАН, 1999. - с. 131-132.
8. Кузнецов С.В., Трофимов В.А. Основы теории фильтрации газа в угольных пластах. - Сб. Проблемы безопасности и совершенствования горных работ (Мельниковские чтения). / Тезисы докладов Международной конференции, Москва - Санкт-Петербург 11-17 сентября 1999г. - Пермь: ГИ УрО РАН, 1999. -с.134-135.
9. Шестопалов А.В., Шамаев В.В. Использование метода аналогий для развития теории газодинамических явлений. / Сб. Прогноз и предотвращение опасных газопроявлений при разработке угольных месторождений. - М.: ротапринт ИПКОН АН СССР, 1990. - с.46-59.
Шестопалов А.В. - инженер, научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
