Подземная газификация

Наиболее изучен процесс подземной газификации угля (ПГУ). Условия его применения и влияние природных факторов на этот процесс охарактеризованы в работах.

Одна из основных особенностей процесса ПГУ заключается в том, что он протекает одновременно по обнаженной поверхности канала газификации и в пористой среде прилегающего к каналу ненарушенного массива. Поэтому он занимает промежуточное положение между чисто фильтрационными процессами и процессами, происходящими на поверхности обнажения, и является одним из наиболее многофакторных процессов.

Основным геотехнологическим свойством угля является его состав (содержание летучих веществ, кокса, влаги, золы и т. д.).

С увеличением зольности угля снижается теплота сгорания газа. Так, с повышением зольности от 40 до 50% теплота сгорания уменьшается на 20%- Уменьшается также выход газа с единицы массы газифицируемого массива. Влажность угля играет как положительную, так и отрицательную роль. Влияние ее на выход газа аналогично влиянию золы. Однако наличие влаги способствует повышению теплотворной способности получаемого газа. Добавка пара к воздуху вызывает повышение концентрации водорода в газе от 10 до 15—20%.

Большое влияние на условия газификации оказывают такие свойства углей, как выход летучих веществ, кокса и т. п. Однако в принципе для газификации пригодны практически любые угли, в том числе окисленные, непригодные для использования в других технологических процессах.

Среди факторов, определяющих условия ПГУ, следует особо выделить те, от которых зависит способ создания каналов в угольном пласте. Возможность фильтрационной сбойки определяется гидропроводностью угольного пласта и соотношением последней с гидропроводностью вмещающих пород. Если последние более проницаемы, чем угли, фильтрационная сбойка неосуществима. На скорость сбойки и удельный расход дутья влияют зольность угля, пористость, проницаемость и гидрогеологические условия.

При низкой проницаемости угольного пласта применяют сбойку гидроразрывом с последующей огневой проработкой щелей гидроразрыва. В крутопадающих пластах сбойка осуществляется бурением наклонных и наклонно-горизонтальных скважин.

Одним из наиболее прогрессивных методов сбойки является электротепловой пробой угольного пласта. Характеристикой, отражающей условия электросбойки, служит критическое напряжение, при котором происходит пробой. Оно изменяется в широких пределах (1100—6000 В) в зависимости от типа угля, его зольности и влажности.

Выбор системы разработки (конструкции подземного генератора) определяется формой и элементами залегания угольных пластов, а также гидрогеологическими условиями. Мощность угольного пласта непосредственно влияет на теплоту сгорания получаемого газа. Наиболее существенно это влияние в интервале изменения мощности от 0 до 2 м; при дальнейшем ее увеличении качество газа повышается незначительно.

Влияние гидрогеологических условий рассматривается в ряде работ. При слабой обводненности вода в количестве до 0,5 м3/ч выпаривается в процессе газификации. При водопритоке до 1 м3/ч водоотлив ведется из выгазованного пространства через скважины. Высокие водопритоки резко усложняют процесс газификации и нередко вызывают полное его расстройство, что требует сооружения специальных дренажных устройств. Способ осушения выбирается в зависимости от гидрогеологических характеристик над- и подугольных отложений.

Влияние свойств надугольных пород на процессы сдвижения пород над выгазованным пространством рассматривается в книге. Отмечается, что практическое значение здесь приобретает характер сдвижения пород с точки зрения обеспечения герметичности системы. В отличие от сдвижения над обычными горными выработками, при ПГУ этот процесс протекает плавно, в течение длительного времени. В Подмосковном бассейне, где покрывающая толща представлена в основном песчано-глинистыми породами, сдвижение происходит без нарушения сплошности и сопровождается уплотнением зольного остатка. В Кузбассе, где покрывающие породы непластичны, происходили провалы с образованием воронок на поверхности. Для предотвращения утечек газа эти воронки приходилось заполнять глиной.

Много общего с процессом ПГУ имеет находящийся в стадии опытных работ процесс газификации серы. Проведенные на крупных моделях (длина 40 м, мощность слоя 1 м) опыты показали, что процесс достаточно легко управляем и позволяет получать промышленные концентрации сернистого газа.

В начальной стадии процесс ПГС является чисто фильтрационным. Очаг горения в направлении его продвижения состоит из следующих зон: 1) выгоревшей части пласта; 2) горения; 3) испарения серы в результате разогрева отходящими газами; 4) неизмененных пород. В этой стадии ход процесса определяется величиной серосодержания, структурно-текстурными характеристиками руды, начальной пористостью и проницаемостью. В дальнейшем, под влиянием выделения тепла происходит интенсивный прогрев залежи газами, распространяющимися по поровому пространству, что сопровождается плавлением серы и стеканием ее вниз. В результате поровое пространство заполняется жидкой серой, а процесс горения осуществляется в узкой щели вдоль кровли пласта, постепенно распространяясь вниз (рис. 11). В этой стадии процесс ПГС приобретает сходство с подземной выплавкой. Большое значение приобретает рельеф кровли пласта. Участки, расположенные ниже зоны горения, заливаются жидкой серой и становятся непроницаемыми для воздуха и газа. В то же время вышележащие части массива, освобождаясь от части серы вследствие выплавки, приобретают наиболее благоприятные для горения свойства: высокую проницаемость, наличие остаточной серы на стенках пор. Поэтому очаг горения распространяется в направлении восстания серной залежи.

Свойства выгоревшей зоны определяются содержанием серы в руде, составом рудного скелета, структурой и текстурой руды. Бедные руды с гнездовой и вкрапленной текстурами выгорают с сохранением целостного высокопроницаемого остатка, в то время как богатые гнездово-прожилковые и дисперсные руды полностью рассыпаются, образуя золу, покрывающую горящую жидкую пленку серы слабопроницаемым слоем, над которым образуется щель.

Увеличение мощности залежи при ПГС играет скорее отрицательную роль: снижается концентрация газа, так как большая часть воздуха проходит в верхней, выгоревшей части пласта, не участвуя в процессе горения. Увеличивается возможность обрушения рудного скелета и кровли пласта, создается опасность провалов и разгерметизации очага горения.

В настоящее время ПГС планируется для отработки остатков сухих запасов серных руд. Возможность отработки обводненных запасов зависит от условий предварительного осушения и определяется гидрогеологическими условиями месторождения.