способ комплексного освоения участка угольного месторождения

Формула изобретения

Способ комплексного освоения участка угольного месторождения, включающий предварительную дегазацию пластов, вскрытие и подготовку шахтного поля путем проведения сети вскрывающих и подготавливающих горных выработок с общим уклоном в сторону главных стволов для организации самотечного водоотведения, подачу необходимого количества воздуха для их принудительного проветривания в одном направлении, выемку угля и транспорт отбитого угля на поверхность по тем же горным выработкам, отличающийся тем, что по мере развития работ по выемке угля, часть горных выработок в отработанной части шахтного поля продолжают поддерживать до конца его отработки, после окончания выемки угля в шахтном поле осуществляют подземное сжигание охранных целиков, эксплуатационных потерь и некондиционных запасов угля, при этом подачу воздуха в зону горения осуществляют в другом направлении по одной части выработок, оставшихся после выемки угля, а удаление продуктов подземного сжигания - по другой, после выгорания угля в шахтном поле остатки газообразных продуктов подземного сжигания концентрируют на верхнем горизонте шахтного поля путем заполнения всего выработанного пространства водным раствором реагентов, газообразные продукты подземного сжигания улавливают на верхнем горизонте шахтного поля и после тушения очага подземного сжигания осуществляют откачивание продуктивного раствора из зумпфа шахтного ствола и направляют его на извлечение ценных и (или) токсичных элементов, причем заполнение выработанного пространства водными растворами реагентов и их откачивание производят многократно при необходимости смены реагента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, в частности к комплексному освоению угольного месторождения с применением подземного сжигания угля, и может быть использовано при добыче угля подземным способом, получении теплоносителя с заданными параметрами и добыче ценных химических элементов, содержащихся в угле и вмещающих породах.

Известен способ добычи полезного ископаемого подземным выщелачиванием, при котором полезное ископаемое избирательно растворяют на месте залегания, а образовавшиеся в зоне реакции химические соединения извлекают на поверхность. Подземное выщелачивание может производиться путем традиционной шахтной технологии (когда в подготовленных горными выработками очистных блоках полезное ископаемое или породы подвергают орошению соответствующими растворами). Интенсифицировать процесс выщелачивания можно с помощью специальных бактерий или наложением на область извлечения полезных ископаемых различных физических воздействий, например, подогревом растворителя, предварительным обжигом полезного ископаемого под землей, пропусканием электрического тока и др. [1]. Недостатком такого способа является низкая эффективность разработки угольных месторождений.

Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа, является способ комплексного освоения участка угольного месторождения, включающий предварительную дегазацию запасов, вскрытие и подготовку шахтного поля проведением вскрывающих и подготавливающих горных выработок, выемку угля и его транспорт на поверхность, подземное сжигание оставшихся запасов и получение на поверхности различных видов теплоносителей - горячей воды или пара [2]. Недостатками прототипа являются:

- потери ценных химических элементов в золошлаковых остатках и термально метаморфизованных породах по окончании подземного сжигания угля;

- загрязнение подземных вод и пород в результате активизации геохимической подвижности токсичных соединений, сконцентрированных в области горения.

Эти недостатки снижают эффективность комплексного освоения угольного месторождения и повышают экологическую нагрузку на природную среду.

Угольные золошлаки Кузбасса потенциальны на извлечение глинозема (Аl₂O₃) и магнетита (Fe₃O₄) в качестве рудных концентратов соответствующих металлов. Установлено, что в кузнецких углях с высокой степенью встречаемости присутствуют в повышенных концентрациях до 40 химических элементов (Li, Al, Sc, Ti, Mn, Fe, Ga, Ge, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Ag, Та, Au, Th, U и др.) [3]. Эти элементы образуют рудные горизонты в угольных пачках или в партингах пластов, вблизи почвы и кровли. Могут встречаться рудные концентрации элементов по всей мощности угольного пласта с образованием линз, прослоев, рассеянной вкрапленности и других форм залегания. Выявлены угольные пласты с содержанием золота свыше 3 г/т, после сжигания которых содержание золота в золе достигает 15-30 г/т (например, по пласту Бреевскому - 27 г/т).

Подземная газификация и сжигание углей - экологически опасный процесс по загрязнению подземных вод и пород фенолами, бензопиреном, другими органическими и неорганическими продуктами сгорания. Кроме того, он опасен активизацией геохимической подвижности токсичных кислородных и других соединений Be, Р, S, V, Со, Cd, Mn, As, Ni, Hg, Pb, Se, Sb, Tl, Zn, F, Cr, CI, Th, U, которые будут «выгорать» из угля и вмещающих пород. В области горения произойдет концентрирование элементов с последующим образованием растворимых органических, металлорганических, неорганических химических продуктов [4].

Цель изобретения - повышение эффективности и экологической безопасности освоения участка угольного месторождения за счет организации извлечения и рециклинга других ценных и/или токсичных минеральных компонентов после подземного сжигания угля.

Поставленная цель достигается тем, что в способе комплексного освоения участка угольного месторождения, включающем предварительную дегазацию пластов, вскрытие и подготовку шахтного поля путем проведения сети вскрывающих и подготавливающих горных выработок с общим уклоном в сторону главных стволов для организации самотечного водоотведения, подачу необходимого количества воздуха для их принудительного проветривания в одном направлении, выемку угля и транспорт отбитого угля на поверхность по тем же горным выработкам, по мере развития работ по выемке угля, часть горных выработок в отработанной части шахтного поля продолжают поддерживать до конца его отработки, после окончания выемки угля в шахтном поле осуществляют подземное сжигание охранных целиков, эксплуатационных потерь и некондиционных запасов угля, при этом подачу воздуха в зону горения осуществляют в другом направлении по одной части выработок, оставшихся после выемки угля, а удаление продуктов сжигания - по другой; после выгорания угля в шахтном поле остатки газообразных продуктов подземного сжигания концентрируют на верхнем горизонте шахтного поля путем заполнения всего выработанного пространства водными растворами реагентов; на верхнем горизонте шахтного поля газообразные продукты подземного сжигания улавливают; после тушения очага подземного сжигания осуществляют откачивание продуктивного раствора из зумпфа шахтного ствола и направляют его на извлечение ценных и/или токсичных элементов, причем заполнение выработанного пространства водными растворами реагентов и их откачивание производят многократно при необходимости смены реагента.

Заявляемый способ может быть реализован следующим образом. При подготовке шахтного поля свиты угольных пластов осуществляют бурение скважин с поверхности, по которым производят предварительную дегазацию пластов. Одновременно с этим осуществляют вскрытие и подготовку шахтного поля проведением сети вскрывающих и подготавливающих выработок с общим уклоном в сторону главного ствола для организации самотечного водоотведения. Подачу необходимого количества воздуха осуществляют нагнетанием его по главному стволу и отсасыванием - по фланговым. Выемку угля осуществляют в очистных забоях по известной системе разработки с транспортом отбитого угля по той же сети выработок. По мере отработки запасов на первом горизонте очистные работы переводят на второй и т.д. При этом часть горных выработок, особенно те, по краям которых остались охранные целики, сохраняют до конца отработки запасов всего шахтного поля.

После отработки балансовых запасов в шахтном поле остались запасы угля, сосредоточенные в охранных целиках, эксплуатационных потерях, некондиционных пластах, в зонах тектонических разрывов нарушенных пластов (подобные геологические зоны часто содержат повышенное количество ценных и токсичных элементов). Эти запасы подвергают подземному сжиганию, организуя подачу воздуха по фланговым стволам, а отсос продуктов сжигания - по главному. При этом на выходе из шахты посредством теплообменных аппаратов получают горячую воду или пар, направляемые в дальнейшем на выработку электроэнергии или для целей теплоснабжения.

В результате выгорания остатков запасов угля в выработанном пространстве шахтного поля сосредоточиваются золошлаковые остатки и термально метаморфизованные породы, содержащие ценные и/или токсичные химические элементы. Для их извлечения шахтное поле заполняют водным раствором реагентов, взаимодействующих с химическими элементами, подлежащими извлечению, переводя их в растворенное, гелефицированное, взвешенное состояние. При этом по мере заполнения выработанного пространства водным раствором реагентов на верхнем горизонте шахты будут скапливаться газообразные продукты подземного сжигания угля (в основном это СO₂), являющиеся парниковыми газами. Эти газы по скважине (одной или нескольким) посредством дымососов отсасывают из шахты для утилизации.

После заполнения выработанного пространства шахты водным раствором реагентов их подачу прекращают и начинают процесс откачивания продуктивного раствора (результат взаимодействия реагентов с химическими элементами, подлежащими извлечению) с направлением его на переработку для извлечения ценных и/или токсичных химических элементов и соединений. При этом токсичные вещества направляют на рециклинг.

Заполнение выработанного пространства водным раствором реагентов и откачивание продуктивного раствора осуществляют многократно, а для более полного извлечения различных компонентов золошлакового остатка и термально метаморфизованных пород, оставшихся в зоне подземного сжигания угля, производят смену реагентов, в зависимости от компонентов, подлежащих извлечению.

За счет многократного заполнения выработанного пространства различными водными растворами реагентов и откачивания из шахты продуктивного раствора осуществляется извлечение ценных и/или токсичных компонентов золошлакового остатка и термально метаморфизованных пород. При этом извлечение ценных компонентов повышает эффективность освоения угольного месторождения, а токсичных компонентов - снижает отрицательное воздействие на природную среду. А это и есть цель изобретения.

Источники информации

1. Жигалов М.Л. Технология, механизация и организация подземных горных работ. / М.Л.Жигалов, С.А.Ярунин. - М.: Недра, 1999. - 423 с. (с. 214 - аналог);

2. Михеев О.В., Виткалов В.Г., Козовой Г.И., Атрушкевич В.А. Подземная разработка пластовых месторождений. Теоретические и и методические основы проведения практических занятий: Учеб. пособие - 2-е изд., перераб. и доп./ Под ред. Л.А.Пучкова - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2001. - 487 с. (с.419-420, рис. 8.10 - прототип);

3. Нифантов Б.Ф. Ценные и токсичные элементы в углях / Угольная база России. Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири (Кузнецкий, Горловский, Западно-Сибирский бассейны; месторождения Алтайского края и Республики Алтай). - М.: ООО «Геоинформцентр», 2003. - Т. П. - 604 с. (с. 77-91).

4. Нифантов Б.Ф. Геологические аспекты эффективного развития добывающей промышленности в Кузбассе. // Геомеханика и технологическое развитие подземной угледобычи в Кузбассе.-Кемерово: ИУУ СО РАН, 2004. - С. 58-82.