CC BY
110
А.В. Федаш, Московский государственный горный университет
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ СКВАЖИННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Р скрывая суть геотехнологии, акад. Н.В. Мельников указал, что геотехнологические процессы повторяют процессы природы, но в обратном порядке. Действительно, для целого рода полезных ископаемых (золото, руды цветных и черных металлов, сера и др.) существует аналогия с природными процессами образования гидротермальных месторождений, происхождение угольных месторождений иное и для угля нет естественных химических агентов перевода в подвижное состояние на месте залегания. Это обуславливает трудности в создании эффективных геотехнологических методов добычи угля и является одной из существенных причин отставания разработок в области бес-шахтной добычи угля по сравнению с процессом в других отраслях горнодобывающей промышленности, например, в разработках горно-химического сырья. Известные геотехнологические методы добычи угля осуществляются с помощью искусственных агентов: в подземной газификации угля (ПГУ) - дутье определенного состава и давления; в подземном растворении угля (ПРУ) - растворитель определенного состава и температуры, которые в подземной гидрогенизации дополняют катализаторами и водородом под давлением; в скважинной гидродобычи угля (СГД) - гидромониторная или высоконапорная струя различного режима действия. Эти рабочие агенты не имеют аналогов в природе, и, в этой связи, их получение и воздействие на угольный пласт связано с решением комплекса нетрадиционных для угольной промышленности научно-технических проблем и, в первую очередь, проблемы управления искусственно вызванными процессами в недрах. Эта общая для всех геотехнологических методов добычи угля проблема име-
ет решающее значение для создания эффективной бесшахтной технологии отработки угольных пластов, залегающих в сложных горно-геологических условиях и имеющих породные включения, пропластки и замещения пластов породами, но подверженными воздействию рабочих и агентов, сложную гипсометрию и другие особенности, осложняющие непрерывное протекание производственных процессов в недрах.
Все предложенные способы и устройства для бесшахтной добычи угля, основанные на методах ПГУ, ПРУ, СГД, имеют общую схему управления, известную в кибернетике под названием «черный ящик», с той лишь разницей, что в классической задаче формирования передаточной функции «черного ящика» по реакции выходных параметров на изменение входных, процесс управления осуществляется при неизменном внутреннем содержании самого «ящика» (объекта управления). При управлении геотехнологиче-скими процессами, происходящими в недрах, объект постоянно изменяется в силу анизотропии самого полезного ископаемого и условий его залеганий. Это дает основание утверждать, что геотехнология добычи угля - слабоуправляемый процесс.
Для придания геотехнологии добычи угля свойств управляемости, необходимо, чтобы технологическая схема содержала систему, обеспечивающую достаточную для управления информацию о ходе протекания производственных процессов, происходящих в недрах, и систему позволяющую активно вмешиваться и изменять ход производственных процессов в соответствии с принятыми решениями, сформированными на основе полученной информации. Другими словами, необходимо наличие двух систем - информаци-
онной и исполнительной. Очевидно, что отсутствие одной из этих систем в геотехнологии добычи угля неизбежно приводит к ее неуправляемости.
Каковы же принципиальные возможности оснащения такими системами известных способов геотехнологии добычи угля ?
В ПГУ и ПРУ информационные системы в принципе могут быть созданы на основе установленных в скважинах приемников и передатчиков какого-либо вида энергии (ультразвук, гамма-излучение и др.), пронизывающей массив горных пород в зоне протекания производственных процессов. Средства информации будут работать в условиях высоких температур при ПГУ порядка 5001000° С и до 400° С при ПРУ.
Но создание необходимой для управления исполнительной системы при ПГУ принципиально невозможно, так как воздействие на разрабатываемую часть угольного пласта происходит не локально, а зонально, путем подачи рабочих агентов в область предполагаемого протекания процесса. Неуправляемость процесса ПГУ явилась одной из причин получения низкокалорийного газа и значительных потерь угля в недрах из-за неконтролируемых утечек искусственного газа и спонтанного перемещения фронта выгазовывания, связанного нарушения герметичности залегающих пород и подсоса воздуха через трещины.
Процесс подземного растворения угля имеет аналогичные с ПГУ недостатки. Бесспорно, перевод угля в жидкое состояние значительно облегчает его добычу и позволяет применять серийное оборудование нефтедобывающей промышленности. Более того, сама концепция, положенная в основу подземного растворения и гид-рогенезации угля, имеет конечной целью создание технологии, во
многом аналогичной технологии добычи нефти. Основной проблемой нефтедобычи, как известно, является существенное увеличение коэффициента нефтеотдачи, который составляет около 50% и обеспечивается за счет естественного внутрипластового давления, а также технологических процессов его поддержания и стимулирования нефтеотдачи. Проблема извлечения нефти после исчерпания естественного внутрипластового давления полностью аналогична проблеме, возникающей при извлечении растворенного угля и продуктов гидрогенезации. Это дает основание утверждать, что в случае полного перевода угля в жидкое состояние при известных технологических решениях, извлечение его на поверхность будет значительно ниже 50%. Кроме того, проблемой является полный перевод угля в жидкое состояние по схеме. Угольные пласты имеют достаточно густую «сетку» геологических нарушений, трудно прогнозируемых при геологоразведке. При подготовке пласта к растворению его необходимо предварительно обработать с целью повышения проницаемости растворителя (взрыв, гидровзрыв, гидрорасчленение и т.п.). Искусственное увеличение проницаемости угля процесс необходимый, но при нагнетании в подготовленный пласт весьма дорогостоящего растворителя нет гарантий, что раствор вступит контакт со всем массивом разрушенного угля, а не уйдет по трещинам из рабочей зоны.
Устранение влияния названных отрицательных фактов по схеме 1 практически невозможно из-за отсутствия в ней исполнительной системы в рабочей зоне.
СГД отличается от ПГУ и ПРУ наличием исполнительной системы скважинного гидромониторинга или другого устройства для гидроразрушения, которая в случае оснащения его информационной системой делает процесс управляемым. Однако, в предлагаемых технологических схемах СГД возможности исполнительной системы (скважинного гидромониторного агрегата) ограниче-
ны, также как и область их применения. Это связано с жесткой привязкой скважинного агрегата к добывающей скважине, из которой как из центра производят отработку выемочной камеры цилиндрической формы. При такой схеме объем добычи из одной скважины лимитируется устойчивостью обнаженной кровли и наличием твердых включений, не позволяющих осуществлять полную выемку камеры.
Для устранения этих недостатков необходимо перемещать исполнительную систему из добычной скважины и производить очистные работы на площадях, достаточных для извлечения необходимого объема угля, окупающего затраты на производство.
Исходя из этих соображений предлагается следующий вариант технологической схемы без шахтной добычи угля, основанной на СГД. Пласт угля вскрывают наклонной добычной и вертикальной подземной скважинами. В добычную скважину опускают самоходный скважинный гидромониторный агрегат, состоящий из механизма перемещения, выполненного в виде распорных секций, связанных гидроцилиндрами перемещения гидромонитора, и гибкой магистрали для подачи напорной воды, рабочей жидкости гидроцилиндров агрегата и канала телеуправления. С помощью агрегата проходят сбойку наклонной и вертикальной скважин, проходят восстающую вымоечную выработку по пласту и осуществляют выемку камер обратным ходом по технологии, отработанной на гидрошахтах. Транспорт отбитой горной массы осуществляется самотеком по вымоечной выработке и сбойке в зумпф подъемной скважины, откуда угольная пульпа выдается на поверхность гидроэлеватором или эрлифтом. Все наземные машины и механизмы на поверхности мобильны, так как срок отработки вымоечной полосы невелик и установка стационарного оборудования не целесообразна из-за частых перемещений. Все наземные машины имеют приемно-передающие устройства, посылающие сиг-
налы информации от датчиков, установленных на исполнительных механизмах, в том числе на самом агрегате, на пульт управления, где эту информацию обрабатывают на ЭВМ и команды управления поступают к рабочим машинам.
Создание технологии бесшахт-ной добычи угля, основанной на исполнительных механизмах, перемещаемых в недрах, возможно не только на базе метода СГД, но и других геотехнологических методах. Так известно, предложение американских исследователей по анализу угля в недрах лучом лазера. Если лазер или другой генератор лучистой энергии установить на механизм перемещения, то можно реализовать управляемый пиролиз угля при без шахтной добыче, который будет эффективнее подземной газификации за счет отсутствия горения угольного пласта, так как процесс реализуется в без кислородной среде. Очевидно, процесс подземного растворения угля так же может быть реализован на базе перемещаемых в недрах исполнительных механизмов, создающих локально оптимальные условия для протекания процесса растворения или гидрогенизации: циркуляцию растворов и катализаторов по замкнутому циклу с минимальными потерями; обеспечивать заданную температуру и давление в рабочей зоне и др. Прототипом такой системы может являться предложение по растворению пластовых месторождений полезных ископаемых. Следует также отметить, что исполнительный механизм в недрах не обязательно должен быть основан на механических принципах передвижения, более того, механические системы в условиях земных не будут менее надежны по сравнению с системами, в основу которых, например, может быть положен принцип передвижения по аналогии с живыми организмами, передвигающимися под землей. Следовательно, механизм передвижения - «носитель» органа разрушения или преобразования угля может быть реализован также и на биотехнических принципах.
Технологические операции СГД угля и задачи их реализации
Операции Решаемые задачи
Вскрытие угольного пласта Бурение и оборудование добычных, транспортных и вспомогательных скважин; монтаж в указанных скважинах специального оборудования.
Подготовительные работы Разупрочнение угольного пласта различными способами; формирование целиков вымоечных полос для управления горным давлением и транспортировки пульпы; формирование целиков между выемочными столбами.
Очистные работы Разрушение угольного пласта для перевода его в подвижное состояние; управление процессом образования конфигурации выемочной камеры; пульпоформиро-вание и транспортировка пульпы к всасывающего и выдающего устройства; выдача пульпы на поверхность; управление и согласование процессов разрушения, доставки и подъема (выдачи) угля на поверхность; гидротранспорт пульпы к обезвоживающим устройствам.
Управление горным давлением Контроль и управление сдвижением массива горных пород и земной поверхности для обеспечения безопасности и максимального извлечения угля.
Обезвоживание угля, осветление технологической воды и илоудаление Обезвоживание угля и отгрузка крупных классов потребителю; выделение из пульпы мелких классов (-0,5 мм) угля; осветление технологической воды .
Скважинная гидравлическая добыча угля, основные понятия и этапы развития.
СГД основана на разрушении угля гидравлическим способом и дальнейшей его транспортировкой в виде пульпы (гидросмеси).
Термин скважинная является отличительным для новой технологии от известной подземной гидротехнологии на гидрошахтах и на открытых работах.
Термин гидравлическая является вполне обоснованным, поскольку основным энергоносителем технологии СГД является технологическая вода, осуществляющая практически все основные операции: разрушение угольного массива, безнапорный гидротранспорт в пределах выемочной камеры, напорный гидротранспорт угля на поверхность, переработку угля.
Впервые метод скважинной гидродобычи был предложен в 1936 г. П.М. Тупицыным (СССР). В дальнейшем как в нашей стране, так и США, Польше, Японии и Чехословакии разработан целый ряд предложений по способам, технологии и технике СГД .
Основной вклад в разработку и исследования СГД слабосцемен-тированных и рыхлых пород внесли коллективы Государственного института горно-химического сырья,. МГРИ им. С. Орджоникид-
зе, ВНИИТалургии, МГИ и др.
Наиболее ценные идеи по разработке, исследованиям и внедрению СГД выдвинуты такими учеными как В.Ф. Аренс, Ю.С. Зуба-кин, Б.В. Исмаилов, Д.Н. Шпак, А.С. Хрунев, Г.Х. Хчеян, Д.П. Лобанов, Н.И. Бабицев, В.П. Небера, Э.И. Чернет, В.А. Дмитриев и др.
Технология СГД угля через скважины, пробуренные из подземных горных выработок, разрабатывалась коллективами УкрГИИГид-роугля, ДПИ, ВНИИгидроугля, ПО «Орджоникидзеуголь» и др.
Научные основы, способы, технологии и техника подземной гидравлической добычи (классические гидрошахты) разработаны и созданы впервые в мире в институте «ВНИИгидроуголь».
В настоящее время разработкой способа СГД угля занимаются многие коллективы ученых и специалистов горной промышленности.
Структура, достоинства и недостатки СГД угля.
В зависимости от направления бурения и предназначения добычных и транспортных скважин технологические схемы СГД угля следует разделить на три основные группы:
♦ с земной поверхности и техногенных выемок (разрез, траншея);
♦ из подземных горных выработок;
♦ комбинированные, предусматривающие сочетание двух вы-
ше указанных групп.
Несмотря на разделение СГД на три группы следует констатировать, что практически все группы предусматривают проведение следующих основных операций: вскрытие угольного пласта скважинами с поверхности или из подземных горных выработок; подготовка блока угольного пласта к гидравлической добыче; монтаж в скважинах гидродобычного и гидротранспортного оборудования; очистные работы в подготовленном блоке и гидротранспорт угольной пульпы к обезвоживающим аппаратам; управление горным давлением и сдвижением горных пород; обезвоживание угля, осветление технологической воды и пылеудаление с обеспечением оборотного цикла водоснабжения (табл. 1).
Кроме перечисленных в табл. 1 основных операций СГД угля в ней также представлены задачи, которые необходимо решить для реализации технологии.
Добыча угля с использованием СГД создает определенные преимущества в сравнении с традиционными способами добычи, а предпосылками для этого утверждения являются:
♦ малооперационность и поточность основного процесса добычи;
♦ высокая технологическая и экологическая безопасность;
♦ полное отсутствие людей в очистном забое и его ближайших окрестностях;
♦ управление кровлей без крепления очистного пространства;
♦ возможность совмещения операций отбойки, погрузки и транспорта угля;
♦ отсутствие жесткой необходимости вентиляции и обеспыливания очистного забоя и путей транспорта угля;
♦ возможность оперативно изменять геометрические параметры ведения очистных работ малоопе-рационность и поточность основного процесса добычи.
Кроме того, все эти преимущества скважинной технологии выдвигают ее в разряд перспективных для выемки угля в сложных условиях. Однако скважинная технология сегодняшнего
уровня имеет и ряд недостатков:
♦ необходимость тщательного дробления горной массы при погрузке и транспорте ее с помощью гидроэлеваторных установок;
♦ малый радиус зоны всасывания при использовании гидроэлеваторных установок;
♦ спорность управления горным давлением при отсутствии визуального контроля;
♦ сложность обеспечения строгой направленности бурения скважин.
Следовательно, эффективность СГД угля в первую очередь будет зависит от возможности избавиться полностью или частично от указанных недостатков.
МГГУ совместно с институтом ВНИИГидроуголь в течение последних десяти лет проводились исследования технологии гидрав-
лической добычи угля в целом и основных ее слагающих элементов.
Экспериментально установлены и аналитически подтвержденные попроцессорные резервы гидротехнологии. Значительной аналитической и промышленной базой по скважинной добыче угля обладает МГРА, являющийся соисполнителем по данному направлению.
Вышеизложенные факты явились основой и своего рода базой для проведения исследований по направлению нетрадиционных технологий угледобычи, а точнее бесшахтные и шахтные способы скважинной гидравлической добычи угля.
© А.В. Федаш
