Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние изученности вопроса. Цель и задачи исследования.
1.1. Скважинная добыча полезных ископаемых 9
1.2. Устойчивость кровель выемочных камер 21
1.3. Гидравлическое разрушение угля 25
1.4. Прочность угольного пласта 34
1.5. Анализ методов направленного изменения прочности угля 39
Выводы.
ГЛАВА II. Аналитические исследования возможности примения биообработки в целях снижения прочности угольного массива .
2.1. Использование микроорганизмов в горном деле 46
2.2. Анализ минеральной структуры угля 53
2.3. Анализ культур бактерий, пригодных для био деструкции минералов из угля 59
2.4. Анализ связи прочности угля с изменением его пористо - трещинного объема 79
2.5. Исследование кинетических характеристик бактериального выщелачивания минеральной среды в угле 86
Выводы.
ГЛАВА III. Методика проведения экспериментально-аналитических исследований по биодеструкции угля .
3.1. Методика экспериментального исследования процесса биорастворения минералов угля 92
3.2. Методика измерения параметров биорастворения 95
3.3. Оборудование и методы измерения параметров процесса биовыщелачивания 98
3.4. Показатели эффенктивности биовыщелачивания минералов угля 104
Выводы.
ГЛАВА IV. Экспериментально-аналитические исследования влияния бактериального воздейтствия на прочность угля .
4.1. Минералогический анализ угля шахты «Большевик» 113
4.2. Экспериментальные исследования деструкции минеральной составляющей угля 122
4.3. Анализ параметров контроля диструкции минеральных соединений угля 124
4.4. Анализ результатов экпериментального исследования диструкции минеральных соединений угля шахты «Большевик» 128
Выводы.
ГЛАВА V. Технологические решения по применению биотехнологии в целях повышения эффективности СГД угля .
5.1. Технология биообработки угольного пласта через поверхностные скважины для его дезинтеграции 135
5.2. Разработка схем скважинной гидродобычи угля на основе его биодезинтеграции 142
5.3. Особенности скважинной гидродобычи угля на основе биодезинтеграции пласта 150
5.4. Концептуальный проект скважинной гидродобычи угля с применением предварительной биодезинтеграции угольного массива на поле шахты «Большевик» 159
5.5. Эффективность предварительной биообработки угольных пластов №31 и 32 168
Выводы.
Заключение 177
Список литературы 176
Приложение №1 188
- Анализ культур бактерий, пригодных для био деструкции минералов из угля
- Оборудование и методы измерения параметров процесса биовыщелачивания
- Анализ результатов экпериментального исследования диструкции минеральных соединений угля шахты «Большевик»
- Концептуальный проект скважинной гидродобычи угля с применением предварительной биодезинтеграции угольного массива на поле шахты «Большевик»
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время в российских месторождениях сосредоточено около 19% всех существующих в мире запасов бурого и каменного угля, при этом порядка 13,5% признаны непригодными к разработке существующими технологиями. Значительное количество этих запасов находится в нарушенных или тонких пластах действующих шахт, где их отработка по традиционной технологии была признана экономически или технически невозможной. В то же время прогнозные топливно-энергетические балансы России на период до 2030 года предусматривают повышение доли угля в структуре потребления до 19%.
Перспективной технологией разработки нарушенных и тонких угольных пластов является скважинная гидравлическая добыча (СГД), которая позволяет дистанционно извлекать полезные ископаемые из недр, исключить из технологии множество дорогостоящих недобычных операций и в короткие сроки организовать добычу на угольных месторождениях.
Формирование и развитие технологии СГД нашли отражение в трудах научных коллективов ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского, ВНИИгидроугля, МГГУ, ИПКОН, ВНИМИ, ИГД СО РАН, ПНИУИ, УкрНИИгидроугля, ДонНИИ, ДонГТУ, ТулГУ, КузГТУ, СибГГМА, ГИГХС, МГРИ и других научных и учебных организаций. Результаты проведенных исследований показывают высокую эффективность технологии СГД при отработке солей, песков и рыхлых горных пород, содержащих драгоценные металлы. Разработка угольных месторождений методом СГД пока не нашла широкого применения, поскольку высокая прочность угольных пластов при коэффициенте крепости угля f = 1,2-1,5 ограничивает радиус гидравлического разрушения массива и требует создания высоких давлений в гидромониторах, поддержание которых на расстоянии более 3,0 м связано с высокими затратами.
Одним из направлений повышения эффективности метода СГД является предварительное разупрочнение угольных пластов на основе их бактериальной обработки.
Анализ влияния минеральной структуры на прочностные свойства угля, определение и выявление закономерностей изменения прочности угля при контакте с кислыми растворами силикатных или сульфидокисляющих бактерий, анализ оптимальных параметров биообработки угля и разработка принципиальной схемы биогеотехнологии разупрочнения угольных пластов позволят осуществлять эффективную скважинную гидродобычу угля.
В связи с изложенным научные исследования по обоснованию параметров предварительной биообработки угольных пластов при скважинной гидродобыче, обеспечивающей вовлечение в отработку запасов угольных пластов, разработка которых по традиционной технологии была признана экономически или технически невозможной, являются актуальными.
Цель диссертации состоит в обосновании параметров предварительной биообработки угольных пластов для их скважинной гидравлической разработки на базе установленных зависимостей снижения прочности угля от прироста пористости и скорости растворения минералов, позволяющих увеличить производительность гидравлического разрушения угольного массива.
Идея работы заключается в снижении сопротивляемости угля гидравлическому разрушению на основании рекомендуемых параметров его предварительной биообработки, учитывающих скорость биовыщелачивания минералов и позволяющих осуществлять эффективную выемку запасов нерабочих угольных пластов с использованием технологии СГД.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Установлено, что после биообработки угольных пластов их прочность при гидравлическом разрушении снижается на 30-60% вследствие биовыщелачивания минеральной массы из угля и повышения его пористости на 3-7%.
Доказано, что снижение зольности угля на 40-60% достигается в процессе его биообработки за счет извлечения сульфидных и силикатных соединений из минеральной структуры угля.
Установлено, что производительность гидравлического разрушения после биообработки угольного пласта возрастает в 1,4 раза, при этом
радиус гидравлического разрушения угля увеличивается в 1,7 раза.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:
-
теоретическим анализом большого объема фундаментальных знаний о геомеханическом состоянии угольного массива и циклом экспериментальных исследований по биовыщелачиванию минералов из угля;
-
сходимостью на 75-82% результатов лабораторных экспериментов и теоретических расчетов по деструкции минеральной структуры угля в процессе его биообработки;
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
установлена закономерность снижения кинетической константы скорости биовыщелачивания минералов из угля от времени выщелачивания для исследованных культуральных жидкостей, что позволяет прогнозировать необходимость катализации процесса;
-
определены радиусы разрушения угля гидромонитором в зонах биообработки пласта, что позволяет осуществить проектирование параметров выемочных камер СГД;
-
установлено предельное допустимое значение размера выемочной камеры СГД после биообработки, при котором сохраняется устойчивость её кровли;
-
установлено, что снижение зольности угля после биообработки угля силикатными бактериями в 1,4 раза выше, чем при кислотной обработке, и в 1,2 раза выше, чем при обработке угля железоокисляющими бактериями.
Научное значение работы заключается в выявлении физико- химического механизма влияния бактериальных культур на прочностные характеристики угля и разработке методики расчета параметров предварительной биообработки угольных пластов для скважинной гидродобычи угля, что позволяет повысить производительность работы гидромониторов и использовать способ СГД угля в более широком спектре горно-геологических условий.
Практическое значение диссертации заключается в разработке технологической схемы СГД с использованием предварительной биообработки угольного пласта и обосновании возможности эффективной скважинной гидравлической добычи угля из неразрабатываемых по традиционным технологиям пластов.
Реализация выводов и рекомендаций. Научные результаты и практические рекомендации использованы: для составления проекта скважинной гидравлической добычи угля с использованием предварительной биообработки нерабочих пластов № 31 и 32 шахты «Большевик» ЗАО «Сибуглемет»; при выполнении в Московском государственном горном университете научно-исследовательской работы по теме «Исследование закономерности жизнедеятельности бактерий в ископаемых углях для определения максимума их активности в технологических процессах горного дела»; при выполнении фундаментальных исследований по теме «Теоретические исследования физико-химического механизма и закономерностей перехода угольного вещества в подвижное состояние».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на XII Международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновации и высокие технологии XXI века» в 2008 г., а также на заседаниях научного симпозиума «Неделя горняка» в Московском государственном горном университете в 2009, 2010 и 2011 гг.
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 6 научных публикациях, две из которых - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений; содержит 66 рисунков, 30 таблиц и список литературы, состоящий из 146 наименований.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.т.н., проф. Васючкову Ю.Ф. за бесценные советы, консультации в изучении теоретических основ биогеотехнологии и методическую помощь в проведении исследований; д.т.н., проф. Мельнику В.В. за ценные замечания и полезные советы, а также коллективу кафедры ПРПМ МГГУ и коллективу кафедры «Обогащение руд цветных и редких металлов» МИТУ «МИСИС» за помощь в исследовательской работе.
Анализ культур бактерий, пригодных для био деструкции минералов из угля
В основу классификации бактерий положены условия их существования и жизнедеятельности. Между собой бактерии могут отличаться по типу источника энергии, донору электронов, источнику углерода, кислотности среды обитания, температуре роста и размножения, по отношению к кислороду, давлению и другим параметрам, обеспечивающим их активную жизнедеятельность. В этой связи стоит отметить, что фактор приспособленности определенных типов бактерий к различным уровням давления и температуры, а так же их возможность развиваться без присутствия кислорода крайне важен при подземном биовыщелачивании. Основу биовыщелачивания угля составляет процесс воздействия различных микроорганизмов на протекающие в угольном массиве химические реакции, в результате которых происходит деструкция целевых минеральных соединений. Согласно имеющимся данным большая часть минерального состава угля в основном представлена соединениями силикатных, алюмосиликатных и сульфидных минералов. В связи с этим проведем анализ существующих на сегодняшний день культур грибов и бактерий, способных интенсифицировать процесс деструкции вышеуказанных минеральных соединений, а так же методов и фактов их использования в промышленности. Силикаты (СК) составляют 85% массы земной коры и являются солями метакремниевой и ортокремниевой кислот, в которых иногда кремний замещается алюминием, бором, титаном. Силикаты являются породообразующими различных горных пород (фанаты, пироксены и др.), при этом они являются нерудным сырьем и рудами для добычи редких элементов. К алюмосиликатам (АС) относятся глины, слюды, полевой шпат, хлорит. Большинство металлосодержащих силикатов в руде относится к слоистому типу, строение которого обусловлено шестью различными комбинациями тетраэдрического Si-O и октаэдрического Ме-О слоев. В случае блокирования в минералах связей Ме-О связями Si-O для извлечения металла из руды требуется разрушить тетраэдрический слой Si-O. Известно, что силоксановые связи могут разрушаться в присутствии некоторых микроорганизмов, за счет действия вырабатываемых ими карбоновых кислот. Поэтому для выщелачивания силикатных руд вместо неорганических кислот можно использовать более слабые органические кислоты, которые образуются при жизнедеятельности микроорганизмов - грибов, дрожжей и бактерий.
Процесс бактериального разрушения силикатов большинством исследователей рассматривается как совершающийся под воздействием активных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов-энзимов (ферментов), органических и неорганических кислот, а также формирующихся при этом кислых или щелочных растворов. Большое место отводится совместному воздействию на минералы биогенных и чисто химических факторов, совокупность которых существенно интенсифицирует деструкцию минерального субстрата. Существует также представление о непосредственном контакте микроорганизмов (в частности, силикатных бактерий) с частицами минералов, которые захватываются слизистой капсулой бактериальных клеток и разрушаются энзиматически [82, 83].
При выщелачивании силикатных минералов можно использовать гетеротрофные грибы и бактерии, которые в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают органические кислоты и аминокислоты. Образуемые микроорганизмами лимонная и щавелевая кислоты способны разрушать решетку силикатов по кислотно-основной реакции с образованием хелатных комплексов с металлами. На примере никелевых латеритов с содержанием NiO (5,42%), СоО (0,036%), Fe (8,18%), Si02 (52,23%), MgO (16,87%) зарубежными учеными были проведены сравнительные исследования эффективности применения серной и органических кислот, которые показали, что при концентрации 49 г/л извлечение никеля в раствор за 20 дней составило серной кислотой - 30 %, лимонной - 20,2 %, щавелевой - 18,5 %, винной - 16,3 % [84].
Большая работа по исследованию процесса биовыщелачивания была проведена с целью извлечения никеля из селикатно-никелевых руд, при этом в основном использовались грибы Aspergillus niger и Penicillium (Рис.2.6). В имеющихся публикациях рассматривается влияние различных параметров на рост Aspergillus niger и производство ими лимонной кислоты [85, 86]. Грибы в состоянии расти в широком диапазоне значений рН 2,0 - 7,0, температуре (30 - 60 С) и высоких концентрациях никеля и кобальта (до 600 ррт) [87].
Грибы Penicillium способны получать энергию путем аэробного дыхания. Оптимальная температура их роста 28-30 С. Кинетика образования лимонной кислоты у Penicillium меньше, чем у Aspergillus niger, зато селективность при их использовании выше. Кислотность и температура по-разному влияют на рост биомассы и на выделение кислоты и соответственно извлечение металлов. Самый низкий рост биомассы Aspergillus niger наблюдается при начальном значении рН 2,5, максимальный рост достигается при рН 6,5 и 7,0 [89]. Биовыщелачивание латеритовых руд месторождения Punta Gorda (Моа) показали, что при температуре 30С и рН 6,5 достигается максимальная концентрация кислоты 28,87 г/л и наибольшее извлечение никеля [84].
Действие Aspergillus niger так же исследовалось при выщелачивании силикатных минералов [110-113], в частности в Канаде, Индии, Германии, Кубе. По результатам исследований выщелачивания латеритовых руд месторождения Sukinda Mines (Индия) за 20 дней при участии грибов Aspergillus niger максимальное выщелачивание никеля составило - 92% [93, 94]. Так же было установлено, что присутствие магния ускоряет протекание ферментативных процессов [119] и увеличивает количество образуемых белков.
Одним из преимуществ применения гетеротрофных микроорганизмов является то, что их биорастворы, очищенные от никеля и кобальта, содержат в активной форме кремнезем, аминокислоты, органические кислоты и другие продукты деятельности микроорганизмов, и могут быть использованы в сельском хозяйстве в качестве удобрений [106].
С другой стороны известно, что грибы оказывают негативное влияние на организм человека, являясь сильными аллергенами, заселяясь в организм человека, они способны поглощать элементы, необходимые для усвоения питательных веществ. В связи с чем, их применение на территории РФ ограниченно, поэтому необходимо рассматривать микроорганизмы, обладающие способностью с такой же скоростью производить кислоты из Сахаров или спиртов концентрацией, достаточной для выщелачивания металлов из руд. Одними из наиболее изученных микроорганизмов этого типа являются дрожжи Jarrowia lipolytica (Рис.2.7).
Оборудование и методы измерения параметров процесса биовыщелачивания
После каждого отбора проб из опытных растворов определяется концентрация железа. При этом используется трилонометрический метод. При данном методе используются следующие реактивы: соляная кислота (НС1) 20 % концентрации; сульфосалициловая кислота (НбОб8-2Н20) 20 % концентрации; трилон Б (CioHi408N2Na2-2H20) 0,036 н; надсернокислый аммоний ((NH4)2S208), сухой или раствор. Согласно тринолометрическому методу в колбу с 30 мл индикаторной смеси состоящей из 50 мл дистиллированной воды, 1мл 20% раствора соляной кислоты и 1 мл 20% раствора сульфосалицилловой кислоты добавляется 1 мл исследуемого раствора, раствор приобретает при наличии в растворе трехвалентного железа фиолетовую окраску.
Колба нагревается до 50-60 С на плитке . Затем титруется приготовленным раствором трилона Б ионы трехвалентного железа до обесцвечивания раствора или, при высоких концентрациях, до светло-желтого цвета.
Переводят ионы двухвалентного железа в трехвалентное добавляя в колбу надсернокислый аммоний. При наличии в растворе ионов двухвалентного железа происходит окрашивание в фиолетовый цвет. Титруют трилоном Б до соломенно-желтого цвета. Объем в мл раствора трилона Б использованного для титрования соответствует концентрации ионов железа в граммах на литр. Погрешность измерения при данном методе составляет 5 %.
Концентартция кремния в растворе при проведении лабораторного бактериального выщелачивания определяется при помощи фотоколориметра ФЭК-60 (рис.3.7) с использованием реактивов: стандартный раствор, содержащий 0.1 мг/мл кремния; молибдат аммония, 5% раствор; соляная кислота, 1:1 и 0.5% раствор; соль Мора, 5% раствор (свежеприготовленный); аскорбиновая кислота, 5% раствор (свежеприготовленный); смесь восстановителей (перед употреблением смешивают равные объемы растворов аскорбиновой кислоты и соли Мора).
Для получения стандартного раствора кремния в платиновом тигле сплавляют 0.214 г прокаленного оксида кремния с 2 г карбоната натрия. Сплав растворяют в воде, количественно переносят в мерную колбу вместимостью 1 л, добавляют до 900 мл воду, подкисляют 2 н серной кислотой до рН =1,5, доводят раствор до метки водой. Стандартный раствор кремния перед началом работы разбавляют водой в 50 раз до концентрации 0.002 мг/мл.
Содержание кремния в растворе определяют согласно методике. В пять мерных колб вместимостью 50.0 мл вносят по 2,0, 4,0, 6.0, 8,0, 10,0 мкг кремния. В каждую колбу добавляют по 5 мл 0.5% раствора соляной кислоты; 2 мл раствора молибдата аммония. Растворы перемешивают и через 15 мин приливают по 10 мл соляной кислоты 1:1; по 2 мл раствора восстановителя; разбавляют раствор до метки водой, и перемешивают. Через 40 мин измеряют оптическую плотность на ФЭК-60 при Л = 670 - 750 нм (светофильтр номер 6). Рабочая длина кюветы Ъ = 5 см. В качестве раствора сравнения используют раствор, приготовленный в мерной колбе вместимостью 100 мл и содержащий все компоненты, кроме кремния. По полученным данным строят градуировочный график, по которому вычисляют концентрацию кремния в растворе методом сравнения аликвоты со стандартным образцом, проведенным через все стадии анализа.
Для идентификации микроорганизмов в растворе при помощи ренгеновского микроанализа определяется состав их клеток. Рентгеновский микроанализ элементного состава магнитных включений, а также изолированной фракции магнитных частиц проводится с помощью электронного микроскопа JEM-100CXII (JEOL, Япония), снабженного сканирующей приставкой EM-ASID4D и рентгеновским микроанализатором LINK-860 с детектором Е5423 (Link-System, Англия), при увеличении х20000 и напряжении 60 кэВ. Препараты для просмотра представляют собой ультратонкие срезы клеток, содержащих магнитные включения, а также изолированные магнитные частицы. Суспензия магнитных частиц наносится на медные сетки с карбонизированной формваровой пленкой и напыляется углеродом под углом 90. Спектры обрабатываются с помощью компьютерной программы LAF/PB.
Концентрация клеток микроорганизмов в растворе определяется методом электронной микроскопии с использованием препаратов с интактными клетками. При помощи электронного микроскопа JEM-2100 (рис.3.8) при напряжении 80 кВ получают изображения бактериальных клеток и внутриклеточных магнитных структур.
Для приготовления тотальных препаратов капли суспензии клеток помещают на 30-40 секунд на медную сеточку (300 меш), при этом поддерживающей основой служит формваровая пленка с углеродным напылением.
Результат экспериментального исследования по диструкции минеральной части угля посредством кислотного и биологического выщелачивания оценивается по величине снижения зольности и содержания кремния в опытных пробах угля. Для этого перед проведением лабораторных опытов отобранные пробы исходного угля подвергаются минералогическому анализу на программно-аппаратном комплексе автоматического минералогического анализа MLA System Quanta 650 (рис.3.9).
Программно-аппаратный комплекс Mineral Liberation Analyzer MLA System Quanta 650 (производитель FEI Compan) позволяет анализировать пробы продуктов переработки минерального сырья с возможностью качественного и количественного определения минералов, металлов и примесей. Комплекс состоит из электронного сканирующего микроскопа (SEM Quanta 650), двух энергодисперсионных детекторов EDAX Silicon Drift Detectors, управляемых программным обеспечением Genesis, интегрированного программного обеспечения MLA Suite. Программное обеспечение служит для установки параметров измерения, обработки и анализа изображений, создания отчетов.
Осуществляется количественное определение таких параметров, как относительное содержание минералов, гранулометрический состав, степень раскрытия сростков, морфометрические особенности минералов.
Анализ угля производится из образцов, подготовленных в виде аншлифов-брикетов. Исходным материалом для подготовки образцов для исследований могут быть измельченные (порошковые) пробы угля или угольная зола. С использованием комплекса возможен микрозондовый анализ отдельных зерен минералов.
С помощью системы ML А можно получить результаты по: минералогическому и химическому составу образцов; распределению по размерам частиц и зерен; минеральным ассоциациям, раскрытым и в сростках; средним плотностям частиц и факторам формы.
Анализ результатов экпериментального исследования диструкции минеральных соединений угля шахты «Большевик»
В соответствии с экспериментальными определениями снижения содержания минеральной составляющей угольного пласта и соответствующей его крепости требуется произвести биообработку угольного пласта с целью подачи культуральной жидкости (КЖ) в его поро-трещинную структуру.
Минимизация расходов на подачу КЖ в пласт требует производить биообработку пласта через возможно меньшее число скважин. Такое требование может быть выполнено, если использовать поверхностную скважину на один или несколько блоков, радиус гидравлического влияния которой будет охватывать большую площадь пласта. Это достигается использованием способа гидро- или пневмо-расчленения угольного пласта.
Многолетний опыт гидрорасчленения угольных пластов (ГРМ) в Крарагандинском и Донецком бассейнах показал [138], что в этом случае эффективный гидравлический радиус влияния скважины может достигать 140-150 м, а иногда и до 170м.
Скважинная технология проведения биообработки угольного пласта в режиме гидрорасчленения в соответствии с требованиями производства по дезагации угольных пластов [137]. Для этого возле скважины на поверхности монтируется емкость для накопления биомассы. Подача биосуспензии в пласт через скважину осуществляется подкачным насосом на давление до ЗОМПа или уплотненным агрегатом.
Гидрорасчленение угольных пластов через скважины, пробуренные с поверхности, применяется для: заблаговременной дегазации угольных пластов или предварительной дегазации угольных пластов в сочетании с пластовыми скважинами. В данной работе способ используется как средство увлажнения пласта биосуспезией для последующей его дезинтеграции. Гидрорасчленение угольных пластов в этом случае может применяться при любом газовом давлении и газоносности пласта. Расчленение подвергаются угольные пласты, залегающие в сухих водонепроницаемых породах, не ниже средней устойчивости. Перед биообработкой пласта определяется влажность угля в массиве для корректировки концентрации биокультуры в культуральной жидкости.
Сущность технологии гидрорасчленения заключается в закачке рабочей жидкости в пласт с темпом, превышающим естественную приемистость пласта, что сопровождается раскрытием или расширением естественных пластовых трещин и объединением их в единую гидропроводную систему, ориентированную к скважине.
К параметрам способа относятся: место расположения скважин на шахтном поле, глубина и диаметр скважин, объемы и в темп закачки рабочей жидкости, ее состав, давление жидкости на устье и забое скважины, количество циклов закачки. Расчёт зоны увлажнения пласта биосуспензией осуществляется с учётом направления вектора направления главной (наиболее проницаемой) системы трещин угольного пласта. Именно по этому направлению строится большая ось эллипса охвата зоны увлажнения и по этой оси откладывают расстояние возможного радиуса обработки пласта (рис.5.1). Следует отметить, что эти радиусы вычисляются в соответствие со скалярными значениями проницаемостеи систем трещин, направленных по направлению их векторов. Для гидрорасчленения свиты пластов бурятся скважины с конечным диаметром не менее 100 мм на 30 м ниже почвы последнего в свите пласта. При использовании геологоразведочных скважин для гидрорасчленения их переоборудуют в соответствии с требованиями метода гидрорасчленения. Расстояние между скважинами определяется для пластов тонких и средней мощности не более 300 м, для мощных пластов - не более 250 м. Темп закачки воды для дегазации составляет для пластов тонких и средней мощности до 60, для мощных пластов до 100 л/с. Для ускорения проникновения жидкости в мелкие поры после выхода на режим закачки при темпе 30-36 л/с подается водная порция с неионогенным поверхностно-активным веществом (ПАВ) с концентрацией 0,01%. В качестве ПАВ используется смачиватель неионогенные растворы ДБ или синтанол ДС-10. Областью преимущественного применения растворов ПАВ являются угли марок Ж, К, П, А.
Для нагнетания рабочей жидкости в режиме расчленения используются плунжерные насосы УН1-630-700А, смонтированные на агрегатах 4АН-70. В качестве смесителей поверхностно-активных и вяжущих веществ используются цементировочные агрегаты ЗЦА-450, ЦА-320м и песко-смесители УПС-50, для закачки биосуспензии - агрегаты типа Азинмаш-ЗОА. В целях повышения мобильности насосный агрегат Азинмаш ЗОА может быть смонтирован на базе шасси КрАЗ-257. Агрегат снабжен основным трехплунжерным горизонтальным насосом высокого давления 4НК500 одинарного действия для закачки кислоты в скважину. Насос имеет привод через специальную коробку от основного двигателя автомобиля мощностью 132 кВт. Конструкция силового насоса предусматривает сменные плунжеры диаметром ПО и 90 мм. Насосы обеспечивают подачу от 1,03 до 12,2 л/с и давление от 7,6 до 50 МПа в зависимости от частоты вращения вала.
Основными параметрами биообработки пласта через поверхностные скважины являются: расход рабочей жидкости, объём её подачи в пласт и давление нагнетания.
Расход при подаче биосуспензии в угольный пласт через поверхностную скважину q6c (м /ч) в режиме пропитки пласта по опытным показателям не должен превышать 30 л/с или 108 м3/ч. Для более точного расчёта может служить формула (2.2), приведенная в главе 2 диссертации. Для пользования формулой необходимо знать реальные проницаемость и пористость угля в массиве.
Концептуальный проект скважинной гидродобычи угля с применением предварительной биодезинтеграции угольного массива на поле шахты «Большевик»
Технология гидродобычи угля с использованием биодезинтеграции угольного пласта состоит из следующих последовательных операций: обуривание угольного блока поверхностными и/или подземными скважинами, их герметизация, биообработка угольного пласта через эти скважины, гидроотбойка угля в массиве, доставка водоугольной пульпы на поверхность, сепарация угля.
Особенность такой технологии заключается, во первых, в предварительном разупрочнении (ослаблении) угля в массиве с использованием его бактериальной или химической (растворы ПАВ) обработки. Возможен и комбинированный вариант обработки угольного массива, т.е. бактериально-химической. Во-вторых, отбойка угля от массива осуществляется гидромонитором, струями воды высокого давления. Известно из практики гидродобычи угля, что давление воды на выходе из насадки гидромонитора 8,0 - 14,0 МПа режет любой угольный пласт «как по маслу». В-третьих, скважинная технология добычи угля может применяться на угольных пластах любой мощности и без непосредственного контакта человека (или механизма, управляемого человеком) с угольным массивом, что делает некондиционные пласты доступными для вовлечения их в хозяйственный цикл.
Биообработку угольного массива с целью его дезинтеграции можно проводить через поверхностные или/и подземные скважины. Гидроотбойку угля через скважины можно осуществлять или с поверхности, или из горных выработок. Проблема здесь заключается в том, чтобы эффективно отводить из угольного пласта водоугольную пульпу.
В настоящее время в практике добычи нефти и осушения массива пород известны следующие способы принудительного подъема вязкой жидкости из недр на земную поверхность: свабирование, эрлифт и погружные насосы. Однако, для целей подъема водоугольной пульпы эти способы не эффективны. Современный уровень развития геотехнологии не позволяет поднимать из недр раздробленный уголь до крупных кусков с больших глубин, да еще и в промышленных масштабах (тысячи тонн в сутки).
Поэтому рациональной схемой гидродобычи угля на основе биодезинтеграции угольного массива может служить лишь биобработка пласта через поверхностные или подземные скважины, а гидродобыча угля -через скважины, пробуренные из горных выработок. Выбор типа скважины для биообработки пласта определяется экономическим сравнением этих двух вариантов: где ЗІ - сумма затрат в і-ом варианте схем, руб.; S6yp.i - удельные затраты на бурение 1 п.м. скважины, руб/т; L6yp - общая длина бурения скважин в блоке, п.м.; Z6n, - запасы угля в блоке, т; STp.j, SMaT.i , 8ЗЛ.І , SaM.i - удельные затраты соответственно труда, материалов, электроэнергии и амортизационных отчислений на 1 тонну угля, руб/т.
К проектированию скважинной схемы угледобычи (ССУ) принимается вариант с наименьшими затратами. Схемы заложения подземных скважин для добычи угля могут быть с восходящими скважинами на обрабатываемый пласт и с низходящими. Так как современные технологии не позволяют осуществить транспорт отбиваемого кускового угля по скважине снизу вверх, то этот вариант в работе не рассматривается. На рис.5.8 приведены типовые схемы скважинной добычи угля (СДУ) через восстающие скважины, пробуренные из пластовой и полевой выработок. Вариант бурения скважин из пластовых выработок-штреков, уклонов, бремсбергов, щелей - имеет место при пологом и наклонном падении пластов. В этом случае камера для установки бурового и нагнетательного оборудования располагается на расстоянии 0,6-0,8м от выработки, а скважины бурятся из камеры на пласт, подверженный СГД. В рабочей камере должно так же размещаться пульпоприемное оборудование. Камера имеет размеры, определяемые проектом, но не менее 6x6x3 м. Скважина для СГД буриться диаметром 270 мм до кровли пласта, разрабатываемого по технологии СГД (далее пласта СГД). Скважина 149 обсаживается обсадными трубами условного диаметра 245 мм (ГОСТ 632-80), имеющими внутренний диаметр 228,7 мм. Обсадные трубы должны быть длинной, позволяющей наращивать их став из рабочей камеры, т.е. не более 2 м. Обсадные трубы в камере соединяются резьбовыми соединениями. Длина обсадки - от устья скважины до почвы пласта СГД. Бурение скважин СГД осуществляется станками типа УФБ-8 конструкции ВИОГЕМ или установкой типа RINO 1200 J/DC компании "Sandvick Mining and Construction Finland". Эта установка позволяет бурить восстающие скважины диаметром до 286 мм. Устье скважины герметизируется на глубину до 8 м. Таким образом, угольный пласт СГД оказывается вскрываемым скважиной СГД, которая обсажена до почвы пласта. После монтажа оборудования в скважину на конце НКТ посылают гибкий гидромонитор (рис.5.9) с вращающимся в плоскости пласта стволом, насадкой и вращающим устройством, длина которого составляет не более 1-1,2 м. Гидромонитор соединяется с насосом компрессорными бесшовными трубами (НКТ), условным диаметром 61 мм (ГОСТ 633-80), рассчитанными на давление воды до 12МПа. Редуктор гидромонитора состоит из вращающегося вокруг вертикальной оси турели, к которой крепится карданный механизм для горизонтального вращения гидромонитора.
Сам гидромонитор представляет конструкцию, аналогичную пожарному брандспойту, который состоит из ствола и конической насадки. Гидромонитор для осуществления процесса СГД должен иметь вращающее устройство перед стволом, которое позволяет перемещаться стволу в горизонтальной плоскости, т.е. в двух измерениях. Вращающее устройство представляет конструкцию, подобную карданному соединению на валу автомобиля.
