Обґрунтування технологічних параметрів тепловідвідних свердловин при підземній газифікації вугільних пластів

Abstract

У дисертаційній роботі на основі виявлених закономірностей розподілу температурного поля у виробленому просторі підземного газогенератора розв’язано актуальну науково-технічну задачу обґрунтування технологічних параметрів тепловідвідних свердловин для утилізації втрат теплової енергії за підземної газифікації вугільних пластів. Температура у виробленому просторі підземного газогенератора експоненціально знижується по мірі віддалення від вогневого вибою, а високотемпературна зона (Т ≥ 300 °С) має розміри до 8,4 м, що дозволяє визначити фактичний розмір ділянки продуктивного теплообміну та розрахувати раціональні параметри подавання теплоносія. Досліджено вплив товщини зольного шару на перерозподіл навантаження від обрушених порід покрівлі та доведено можливість захисту трубних ставів від гірського тиску. Розроблено нові способи та обґрунтовано технологічні параметри утилізації теплової енергії ПГВ за допомогою тепловідвідних свердловин, що використовують рідинний теплоносій (перегріту воду) і генерацію електроенергії на гідропарових турбінах.

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача обоснования технологических параметров теплоотводящих скважин при подземной газификации угольных пластов для утилизации тепловой энергии подземного газогенератора и повышение общей эффективности технологии подземной газификации угля на основе выявленных закономерностей распределения температурного поля в выработанном пространстве подземного газогенератора. В результате анализа, современного состояния технологий извлечения тепловой энергии при подземной газификации угля установлено, что они имеют ограниченные возможности и не исключают значительных потерь тепла идущих на бесполезный разогрев вмещающих пород. Для определения закономерностей распределения высокотемпературной зоны проведены экспериментальные исследования высокотемпературного поля (Т ≥ 300 °C) в выработанном (выгазованном) пространстве подземного газогенератора методом ЭГДА и методом конечных элементов с учетом влияния основных горно-технических факторов: мощности угольного пласта; температуры огневого забоя; начальной и установившейся стадии работы подземного газогенератора; ширины выработанного пространства подземного газогенератора. Установлено, что температура в выработанном пространстве подземного газогенератора экспоненциально снижается по мере удаления от огневого забоя (фронта горения), а высокотемпературная зона имеет размеры до 8,4 м, что позволяет определить фактический размер участка продуктивного теплообмена и рассчитать рациональные параметры подачи жидкого теплоносителя. Исследовано влияние толщины зольного слоя на перераспределение нагрузки от обрушенных пород кровли и установлено, что несущая способность трубного става многократно возрастает уже при наличии слоя золы, который на 3 ... 5 см превышает его диаметр, а увеличение толщины слоя еще на 10 см удваивает несущую способность трубной конструкции, находящейся в золе. Аналитическими исследованиями обоснованы основные технологические параметры теплоотводящих скважин: размер участка продуктивного теплообмена; диаметры трубного става и нагнетательного рукава; расстояния между теплоотводящими скважинами; объем подачи теплоносителя; тепловая мощность скважин. Установлен гиперболический характер зависимости между температурой выгазованного пространства подземного газогенератора и расстоянием между теплоотводящими скважинами. Рациональное расстояние между теплоотводящими скважинами вдоль огневого забоя зависит от температуры выработанного пространства подземного газогенератора и изменяется для диапазона температур 200 – 800 °С по гиперболическому закону и составляет соответственно от 5 до 20 м, что позволяет определить количество теплоотводящих скважин в угольном блоке заданного размера и обосновать их экономические показатели при ПГУ. Разработаны новые способы утилизации тепловой энергии ПГУ с помощью теплоотводящих скважин использующих перегретую воду и генерацию электроэнергии на гидропаровых турбинах для пологих и наклонных пластов, которые эффективно сочетаются с традиционной технологией подземной газификации угля и повышают ее рентабельность за счет продуктивного использования тепловой энергии подземного газогенератора. Основные положения работы использованы при разработке проекта подземной газификации угля для ЭТК «КазСланец» (месторождение «Белокаменское», Восточный Казахстан), а также в «Рекомендациях по использованию тепловой энергии подземной термохимической переработки угольных пластов», принятых для использования ПАО «Луганскгипрошахт». Ожидаемый экономический эффект при условии отработки одного энергетического блока составит 8 млн. грн. или 364 тыс. грн. по каждой скважине. Срок окупаемости составит 7 месяцев.

The thesis has solved a critical scientific and technical challenge of substantiation of process parameters of heat-removing wells for reusing of heat losses during underground gasification of coal seams based on identified patterns of temperature field distribution in underground space of gas generator. The temperature in the underground gas generator zone decreases exponentially as far as the distance from the fire face, and a high temperature zone (T ≥ 300 °C) is 8.4 m, that allows to determine the actual dimensions of the area of productive rational heat transfer and calculate the rational parameters of coolant supply. The significance of the ash layer thickness for load redistribution in crashed roof rocks has been studied and possibility to protect pipes from mining pipe pressure is proved. The new methods and technological parameters of PGV thermal energy utilization have been substantiated using heat-removing wells which use liquid coolant (overheated water) and power production at hydro-steam turbines.