Изобретение относится к области геотехнологических способов добычи и использования ископаемого угля. Традиционные способы основаны на механическом отделения полезного ископаемого от массива породы, погрузке и транспортировке добытой угольной массы. Эти методы энергоемки, всегда требуют присутствия людей на месте добычи, перемещения миллионов тонн пустой породы, переработки горной массы с помощью большого количества различных горных машин. Эта технология со временем изменилась лишь в том плане, что возрос уровень механизации работ и мощность горных машин. Но, как и раньше, применяется тяжёлая работа на больших глубинах, которая сопровождается гибелью людей.

Геотехнология предлагает немеханические способы переработки угля. Суть их заключается в переводе твердого полезного ископаемого в подвижное состояние. Относительно угля - это чаще всего подземная газификация и ожижение. В основе этих процессов лежит огневое действие на пласта, т.е. подведение под землей к угольному пласту воздуха с окислителем, поджог угля и превращение его в горючий газ с дальнейшей транспортировкой на поверхность.

Это условие положено в основу многих запатентованных решений, направленных на усовершенствование способов подземной газификации угля с помощью создания в зоне пласта высоких температур. Известный способ увеличения метаноотдачи угольного пласта. (Патент РФ N° 2209984). Способ предусматривает бурение с поверхности в пласт направленных и вертикальных буровых скважин, соединение их методом гидроразрыва, розжиг угля в одной из буровых скважин, противоточное перемещение ячейки горения по искусственному коллектору в пласте и добыча из термически отработанного коллектора, повышенных дебитов воды и метана. Противоточное перемещение ячейки горения по искусственному коллектору осуществляют на воздушном дутье. Бесспорным преимуществом способа является то, что, хотя и в экспериментальном порядке, авторы предложили контроль места расположения ячейки горения в ходе его перемещения вдоль искусственного коллектора по зависимости L=Wt, где L - длина, термически отработанной части коллектора, м; t - продолжительность термической обработки; W - скорость противоточного перемещение ячейки горения м/ч, определяемая по кривой зависимости скорости противоточного перемещение ячейки горения от затрат воздушного дутья.

Недостатком метода является сам принцип превращения угля в газ путем его сжигания в присутствии окислителя. Кроме того, в указанном ниже патенте, как недостаток, который относится к этому патенту, указано, что технологический регламент, обеспечивающий последовательную реализацию процессов дегазации и подземной газификации, в единой системе буровых скважин не предложен. Этот недостаток устраняется в патенте РФ N2 2251000 «Способ комплексной разработки угольного пласта». Его отличительный признак от предыдущего заключается в объединении процессов дегазации и газификации через систему одних и тех же буровых скважин. Но принцип газификации остается тот же самый.

Этот способ комплексной разработки угольного пласта, заключается в бурении системы гидравлически связанных буровых скважин, направленных по угольному пласту горизонтальных как обсаженных, так и не обсаженных. Через них осуществляют гидравлическое и огневое действие на пласт. Процессы дегазации и газификации угольного пласта осуществляют последовательно с помощью системы гидравлически связанных буровых скважин и розжига угольного пласта в одной из буровых скважин и термической проработки буровых каналов по углю противоточным перемещением ячейки горения, нагнетания нейтрального газа в систему гидравлически связанных буровых скважин и гашение золы. Потом изымают угольный метан из нескольких буровых скважин, оборудованных для дегазации. После окончания процесса дегазации осуществляют процесс газификации угольного пласта с помощью повторного розжига через специально пробуренную вертикальную буровую скважину и нагнетают дутьё в направленные обсаженные буровые скважины и отводят горючий газ, который появился через направленные не обсаженные буровые скважины.

Все известные способы газификации угля и дегазации угольного метана имеют такие общие признаки - бурение системы буровых скважин сложной пространственной конфигурации, огневое прорабатывание созданных искусственных коллекторов в угольном пласте, использование для противоточной ячейки горения воздуха, обогащенного кислородом. Не предложены методы диагностики и корректирования огневой обработки искусственных коллекторов в угольном пласте. Это говорит о том, что при добыче газа описанными и применяемыми способами, уголь необходимо выжигать до золообразованию, т.е. процесс горения имеет произвольный характер. Такой метод может использоваться для низкосортного, влажного, высокозольного угля рентабельного лишь при его газификации или в условиях мало удобных для традиционных способов добычи.

Процесс подземной газификации имеет много положительных сторон - отсутствие тяжелого физического труда шахтеров, легкость передачи газообразного топлива на расстояние и прочие. Но, учитывая многообразие ценных продуктов, которые возможно получать обычными углеперерабатывающими наземными технологиями, существующие способы подземной газификации угля, с учетом сказанного выше, не могут быть отнесены к числу прогрессивных технологий. Скорее - к устаревшим.

Поэтому, кроме подземной газификации в геотехнологии ведутся поиски других не механических методов добычи полезных ископаемых. Относительно угля - это, в частности, известное ожижение. Суть этого метода заключается в химико-физическом превращении угля в жидкое агрегатное состояние в недрах земли - так называемая, реакция суперкритического растворения. Схема такого процесса в угольном пласте была представлена таким образом. Между двумя буровыми скважинами делается (например, взрывным методом) сбойка, которая образует как бы естественный реактор. Потом через буровую скважину подается теплоноситель и растворитель (например, изопропиловий спирт), обеспечивается высокая температура ( 400-450°С и давление 10-20 Мпа,) при этом происходит ожижение угля. (И.А. Тарковская «Сто профессий угля.»— Киев: Наук. Мысль- 1990 с. 33). Эта идея имеет исключительно гипотетический характер. Ее автор соглашается, что «осуществление её далеко не такое простое», но в ней заложена ориентация на превращение угля в жидкое агрегатное состояние на месте его залегания.

Реализация этой технологии в сегодняшних реалиях предусматривает формирование на поверхности целых инфраструктур - сложных сооружений, для обслуживания которых необходимо большое количество персонала и специалистов.

Перспектива интенсивного разложения угля под действием тепловой энергии в местах его залегания есть пока единым путем к «одновременной добычи и переработки угля» (там же). Но конкретного решения этой задачи (кроме газификации) с того времени предложено не было.

Тем не менее, и нынешние наземные методы углепереработки перестают удовлетворять как экономическим, так и экологическим требованиям промышленности и общества. Обратим внимание, например, на переработку угля на кокс. Кокс, каменноугольные смолы, пек, вещества и материалы, которые из них получают, являются ценными и необходимыми в металлургической и химической промышленности продуктами переработки угля. Технология получения кокса не изменилась с того времени, когда была создана коксовая печь. Она является как бы частью сложного процесса добычи угля из шахт, транспортировки его непосредственно к печи, которая отапливается газом или нагревается электрическим током.

Получение| кокса как и раньше происходит в коксовых печах по следующей технологии:

- при нагревании к 200-250°С влажная угольная шихта сначала подсушивается, потом начинается выделение газа (преимущественно двуокись и оксид углерода).

- при температуре 300-450°С выделяются смолянистые вещества, сырье размягчается, происходит интенсивное разложение органического вещества с переходом угля в пластическое состояние, которое сопровождается выделением газа (в основном метане) и первичного дегтя.

- в пределах 500-550°С эта масса твердеет. Образуется пористый продукт - полукокс.

- в процессе дальнейшего нагревания к температуре 750°С полукокс уплотняется. Мало прочный полукокс теряет большую часть легких веществ, главным образом, водорода, происходит усадка, которая приводит к его растрескиванию.

- при температуре от 750 до 1 100°С и выше полукокс уплотняется и превращается в кокс.

В процессе коксования получают высокотемпературный каменноугольный деготь, каменноугольную смолу, бензол, коксовый газ и др. Указанные температуры могут колебаться в зависимости от состава и свойств исходного сырья и других причин. Время протекания процесса так же не однозначно, зависит от качества сырья и составляет 13-18 часов.(с. 166-167 Украинская советская энциклопедия. Т. 5. Киев. 1981)

Таким образом, процесс протекает практически без доступа окислителя при тепловом воздействии на уголь в довольно широком диапазоне температур. Анализируя идею «одновременой добычи и переработки угля» с целью получения в качестве конечного продукта кокса, авторы пришли к заключению, что описанные выше методы огневого действия при встречном обогащенном кислородом дутье не могут быть использованы для подземного коксования угли. В то же время, задача коксования угля под землей не может решаться с соблюдением технологических параметров процесса, который происходит в коксовой печи из-за условия его проведения, т.е. в местах залегания. Поэтому предлагаемый способ учитывает эту особенность.

Исходя из того, что общим с заявляемым способом признаком, является осуществление процесса под землей и наличие, в общем понятии, теплового действия на пласт, прототипом выбран упомянутый выше патент РФ Ν» 2251000 на «Способ комплексной разработки угольного пласта».

Этот способ, как и другие известные способы газификации угля и дегазации угольного метана имеют один общий признак и общий недостаток: бурение системы буровых скважин сложной конфигурации, огневое прорабатывание созданных искусственных коллекторов в угольном пласте, применение для противоточной ячейки горения воздуха, обогащенного кислородом. Для получения целевого продукта - газа - необходимо полное сжигание полезного пласта угля. Рентабельность и целесообразность этого способа можно оспорить, поскольку никто не ведет учет сожженного угля.

Поэтому проблема состоит в отсутствии источника тепла, которое могло бы заменить сжигание одной части угольного пласта для того, чтобы изменить одно агрегатное состояние на другое. Чтобы продуктом, который остался после переработки, не была зола. В основу изобретение поставлена задача усовершенствования способа комплексной разработки угольного пласта, за счет осуществления его агрегатного преобразования в местах естественного залегания под землей без доступа окислителя путем теплового (а не огневого) действия на него энергией источника, в котором энергия поглощенного излучения превращается в тепловую и способного создать диапазон температур, соответствующий технологическим фазам процесса коксования.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе комплексной разработки угольного пласта в местах его естественного залегания, который предусматривает предварительную геологическую разведку, бурение буровых скважин, направленных к угольному пласту, осуществление теплового действия на пласта в местах залегания до стадии его агрегатного превращения, создание транспортных связей с наземными сооружениями, согласно изобретению тепловое действие на пласта ведут без доступа воздуха или другого окислителя с соблюдением параметров процесса коксования угля и осуществляют его энергией источника ядерного излучения, заложенного в радионепроницаемый контейнер для преобразования энергии поглощенного излучения в тепловую и который размещают непосредственно в угольном пласте (или рядом с ним), а усиление и направление тепловой энергии в пласт осуществляют с помощью тепловода, например, медного, расположенного вокруг источника тепловой энергии, рассчитанный на температурные параметры процесса коксования в соответствии с классом угля от 200 до 1 100°С и выше.

На рис. представлена схема коксования угля, где:

1 - скважина с транспортно-монтажною системой ;

2 - продуктовыво-дящая система;

3 - контейнер - источник тепловой энергии;

4 - зона агрегатного превращения угля

5 - залежь угля 6 - пласт породы

7 - наземные сооружения

Для реализации способа используют результаты разведывательных работ, объединенных в комплекс геологических, химико-технологических и специальных видов исследований для промышленной оценки месторождений угля с целью установления объема залежи, к какому классу относится уголь в нем - длиннопламенный, газовый, жирный, коксующийся, тощий, спекающийся, антрацит. Отнесение залежи к тому или другому классу дает представление о химическом составе, выделении легких фракций при сгорании, теплопроводности, условиях залегания пласта.

Важным звеном в работах, входящих в предварительное исследование месторождения, является разведывательное бурение, которое проводится для составления по кернам геологических разрезов карт оконтуривания залежи, физических параметрах угля, т.е. объеме (массе) и рельефе пласта, глубине его залегания и толщине, давлении на глубине залегания. Кроме того, составление геологической и физической характеристики породы, которая окружает угольный пласт. Имея эти данные, формируют модель температурного поля и, зная удельную теплопроводность конкретного угольного пласта, определяют границы участка коксования и температурного поля, сформированного источником тепла. Бурят буровую скважину в направлении пласта, организовывают транспортно-монтажный канал 1 в зону разработки, монтируют продуктовыводящую систему 2. После этого в участок пласта 5, определенного для коксования, транспортируют источник тепловой энергии 3, применяя для его создания различные источники ядерных излучений. В качестве источника ядерных излучений используют, например, радиоактивные отходы атомной энергетики, которые подлежат захоронению: например, топливо, которое изъяли из Твелов. Его закладывают в закрытый радионепроницаемый контейнер, в котором энергия поглощенного излучения превращается в тепловую. Температура стенок защитного контейнера будет возрастать до тех пор, пока тепло, отведенное от источника вследствие теплопроводности или конвекции, не будет равняться теплопоглощению угольным пластом на стадии коксования. В данном случае фазовые переходы угля проходят в той же последовательности, которая и в коксовой печи. Протекание процесса может быть более быстрым, поскольку прибавляются два фактора: температура недр и давление со стороны окружающей породы 6, которая под влиянием температуры угля будет увеличиваться в объеме, выталкивая на поверхность к наземным сооружениям 7 образовавшиеся фракции.

Температура источника ядерных излучений - величина в каждом частном случае расчетная и может находиться в пределах от 0 (стартовая )до нескольких тысяч градусов С. Она зависит от параметров залежи, указанных геологами выше. Для проведения процесса подземного коксования угля мощность источника рассчитывают на температуру коксования угля предварительно установленного класса при ее постоянном росте от 0 (стартовой) до технологической в зависимости от частного случая. Транспортный канал, по которому контейнер опускают в зону залежи, используют для изъятия его на поверхность, заранее применяя любые средства охлаждения, известные при обычной транспортировке контейнеров с ядерными отходами на поверхности.

В зависимости от класса угля и свойств целевого продукта возможные варианты источника тепловой энергии с расчетной мощностью источника ядерных излучений.

Для проведения интенсивного разложения органических веществ и перехода угля в иное агрегатное состояние, используют источник ядерных излучений с соответствующим уровнем удельной радиоактивности и временем их действия, обеспечивающими температурные этапы агрегатного превращения угля в кокс 200- 1 100°С и выше, что не является проблемой для специалистов атомной промышленности. При этом на промежуточных этапах на поверхности собирают и сепарируют летучие фракции и откачивают смолы по продуктовыводящему каналу.

Предлагаемое изобретение имеет существенные преимущества перед известными, так как решает задачу в двух проблемных областях:

- видоизменяют способ захоронения радиоактивных отходов атомной энергетики;

- утилизируют тепло, которое выделяется самими отходами и используют его для осуществления агрегатных превращений угля под землей;

- решается проблема, которая была препятствием к одновременной добыче и переработке угля еще с того времени, когда Д.И Менделеев в 1888 г писал: «Настанет, вероятно, даже наверное, такая эпоха, когда уголь из земли винимать не будут....... Но эта идея реализована частично, а дальнейшее развитие ее тормозится отсутствием источника тепловой энергии необходимой мощности;

- создан автономный, мобильный, долговечный, экологически чистый источник тепловой энергии программированной мощности, который открывает новые возможности для всей добывающей! промышленности;

- обеспечена возможность добычи и переработки угля в подземных условиях без использования тяжёлой подземной работы людей;

- отпадает необходимость в коксовых печах и складировании кокса.

Сравнительной анализ решения, которое заявляется, с прототипом показывает, что предлагается принципиально новый способ агрегатного превращения угля под землей методом теплового, а не огневого действия, причем без использования окислителя. Для обеспечения параметров теплового действия в необходимом диапазоне температур создан принципиально новый источник тепловой энергии, в котором энергия поглощенного излучения превращается в тепловую. В местах естественного залегания угля созданны условия его агрегатного превращения с соблюдением температурных параметров этого превращения В известных информационных источниках авторами не выявлено ни одного признака, который характеризует заявляемое решение. Возможности современной атомной энергетики и геологических разработок позволяют обеспечить промышленную осуществимость заявляемого способа. Как показало время, оно не является очевидным для специалистов данной области.