Brevet FR2491993A1 — publié le 19820416

Différentes méthodes ont été proposées en vue de réali- ser l'exploitation par gazéification souterraine d'un gisement de houille ou de lignite. Ces méthodes peuvent se classer en trois grandes catégories: Les méthodes minières dans lesquelles la préparation du gazogène souterrain est réalisée au moyen de puits et de ga- leries creusés par les techniques minières conventionnelles; on peut citer, à titre d'exemple, l'expérience réalisée au Maroc, sur le site de Djerada. Les méthodes par sondages forés à partir de la surface qui se sont développées en U.R.S.S., sur les sites d'Angren et de Yuzhno-Abinsk. Les méthodes mixtes, qui comportent des travaux prépa- ratoires réalisés par les techniques minières et des sondages forés à partir de la surface; on peut citer, à titre d'exemple, l'expérience réalisée en Grande-Bretagne, sur le site de Newman Spinney. Aucune des méthodes qui se sont développées jusqu'à présent n'est bien adaptée à l'exploitation des gisements pro- fonds. Les méthodes par forages réalisés à partir de la sur- face sont handicapées par le coût élevé des sondages de grande profondeur et leur rentabilité ne peut être assurée que par une large extension de la zone exploitée à partir de chaque sondage. Les méthodes minières et les méthodes mixtes posent le problème de la sécurité du personnel occupé à la préparation des chantiers. En effet, le passage à grande profondeur permet une forte augmentation de la pression de gazéification et l'utilisa- tion d'une haute pression de gazéification est d'un intérêt ma- jeur sur le plan du rendement, de la puissance développée et du prix de revient du gaz produit; mais il faut éviter que ce gaz sous pression, qui contient une importante quantité d'oxyde de carbone, puisse s'infiltrer dans les galeries accessibles au per- sonnel. Le procédé conforme à l'invention a pour objet de re- médier à ces difficultés et de permettre l'exploitation sCre et économique des gisements profonds, par une méthode mixte dans laquelle un petit nombre de sondages forés à partir de la surface servent d'exutoire au gaz produit dans un petit nombre de chan- tiers de grande étendue. La préparation de ces chantiers est réalisée à partir d'un réseau de galeries en site vierge, creusées par les tech- niques minières conventionnelles, en dessous du niveau des couches à exploiter et séparées de celles-ci par un stot de pro- tection d'une épaisseur minimale de 40 m à 50 m, afin que ces galeries restent en dehors de la zone d'influence du gazogène souterrain. Pendant toute la période de gazéification, lesseules liaisons entre ces galeries et les couches en cours d'exploita- tion consistent en une série de sondages de petit diamètre forés avant la mise à feu du chantier et revêtus de tubes scellés à la roche par cimentation. Le procédé conforme à l'invention est susceptible de se développer suivant deux variantes: Dans une première variante, le traçage des chantiers de gazéification est réalisé sous la forme de galeries ou de son- dages en veine, creusés par les techniques minières convention- nelles, à partir d'un puits intérieur foré à travers le stot de protection qui sépare la veine, des galeries en site vierge creusées en dessous des couches à exploiter. Avant la mise à feu du chantier, ce puits intérieur est barré par un massif de béton de forte épaisseur, qui joue le rôle d'une plate-cuve et au-dessus duquel on injecte un volume d'eau de quelques mètres de hauteur, pour servir de garde hydrau- lique entre le gazogène et les galeries en site vierge. Dans une seconde variante, le traçage des chantiers de gazéification est constitué par une suite de chenaux en veine, réalisés par la technique de rétrocombustion, le comburant étant injecté par des sondages de petit diamètre, forés à travers le stot de protection qui sépare la veine des galeries en site vierge creusées en dessous des couches à exploiter. Le procédé conforme à l'invention est illustré, à titre d'exemples seulement, par les schémas annexés, dans lesquels: Figure 1 représente une coupe verticale à travers un gisement de houille; - Figure 2 représente une coupe du chantier de gazéifi- cation suivant le plan X - Y; Figures 3 et 4 représentent deux variantes de figure 2. Le gisement de houille représenté en figure 1, comporte deux couches 1 et 2, que l'on se propose d'e'rn+oiter s,^core- mernt dans l'ordre descendant. Le gisement est recoupé par deux puits jumelés 3 et 4 utilisés respectivement comme puits d'entrée et de retour d'air. Une galerie en travers-bancs 5 est creusée en Aessous du niveau des couches à exploiter et un sondage 6 est foré _e partir de la surface jusqu'à l'extrémité de cette galerie, pour lui assurer un retour d'air indépendant des puits principaux de la mine. Dans une première variante, la préparation du chantier de gazéification situé en veine 1 comporte le creusement d'un puits intérieur 7 et le traçage d'une voie ou d'un forage en veine 8, qui peuvent s'étendre sur une longueur de plusieurs centaines de mètres, suivant une direction perpendiculaire au plan de la coupe. Cette communication en veine est destinée à servir de voie d'évacuation du gaz entre le front de gazéification et le pied du sondage 9 foré à partir de la surface, pour servir d'exutoire au gaz, pendant toute la durée d'exploitation du chantier. L'air comprimé et les agents gazéifiants destinés à l'alimentation du gazogène souterrain sont acheminés par un réseau de conduites, établi le long des puits 3 et 4 et le long de la galerie en travers-bancs 5 jusqu'à une voie 10 creusée perpendiculairement au plan de coupe. Les agents gazéifiants sont injectés dans la veine 1 à travers une série de sondages verticaux tels que 11, forés en montant à partir de la voie 10 et revêtus de tubes métalliques scellés à la roche par cimentation. La préparation du chantier peut, éventuellement, être complétée par le forage de quelques sondages obliques, tels que 12 et 13, utilisés pour établir les premières liaisons en veine, par la technique de rétrocombustion. Avant la mise à feu du chantier, un barrage en béton, de forte épaisseur 14, est établi dans le puits intérieur 7, afin que le chantier de gazéification soit complètement isolé de la galerie 5. Pour éviter tout risque d'infiltration de gaz, un volume d'eau de quelques mètres de hauteur est injecté au- dessus de ce barrage pour servir de garde hydraulique entre le gazogène et la galerie d'accès. Dans les figures 2 à 4, représentant une coupe du chantier de gazéification, le plan X - Y est situé au toit de la couche 1o Dans la disposition illustrée à la figure 2, le chan- tier de gazéification est délimité, à sa partie inférieure, par une voie en veine 8, creusée par la technique minière convention- nelle, et la position initiale du front de gazéification est déterminée par la communication 15 qui peut être réalisée sous la forme d'un forage en veine ou sous la forme d'un montage creusé à partir de la voie de base 8. Dans la disposition illustrée à la figure 3, le chantier de gazéification est délimité, à sa partie inférieure, par un sondage de grande longueur, foré dans l'épaisseur de la veine, et la position initiale du front de gazéification est déter- minée par la réalisation de chenaux de rétrocombustion entre l'extrémité de ce sondage, o l'on réalise une opération de mise à feu, et l'extrémité des sondages obliques 13, 12 et 11a, par lesquels on injecte de l'air comprimé sous haute pression. Dans une seconde variante illustrée à la figure 4, la préparation du chantier est réalisée sans recourir au creusement d'aucun mpuits intérieur tel que 7. Le chantier de gazéifica- tion est délimité, à sa partie inférieure, par une suite de chenaux en veine 8 destinés à servir de voie d'évacuation du gaz entre le front de gazéification et le pied du sondage 9 foré à partir de la surface. Ces chenaux sont réalisés par la technique de rétro- combustion en effectuant une mise à feu au pied du sondage 9 et en injectant de l'air à haute pression successivement par les sondages 17a, 17b, 17c et 17d, forés de bas en haut à par- tir de la galerie 10 ou à partir d'une autre galerie semblable creusée au niveau de la galerie en travers-bancs 5. La même technique de rétrocombustion est utilisée entre les sondages 17d, 13, 12 et 11a, pour réaliser les chenaux qui constitueront 'a ligne de départ du front de gazéification. Dans ces différentes variantes le chantier est limité a sa partie supérieure, par une ligne de sondages tels que 11a, 11b, 11c, 11d et!1e, forés à partir de la voie de base 10. Dans une première phase d'exploitation, les agents gazéifiants sont injectés par le sondage 11a; la mise à feu est réalisée à l'extrémité de ce sondage et les gaz de gazéifi- cation qui se forment le long du front défini par la communica- tion 15 ou par les chenaux de rétrocombustion réalisés entre l'extrémité des sondages 11a, 12, 13 et l'extrémité du sondage de base 8 sont évacués à travers ce sondage 8 jusqu'au pied du sondage 9, qui sert d'exutoire au chantier. La progression du feu entraîne un déplacement progres- sif du front de gazéification et ce déplacement peut être con- tr8lé, dans une certaine mesure, en déplaçant progressivement l'injection des agents gazéifiants du sondage 11a vers le son- dage 11b. L'exploitation du panneau se poursuit suivant la méthode rabattante, en utilisant successivement les sondages 11b, 11c, 11d et 11e comme sondages d'injection des agents ga- zéifiants. Après achèvement de l'exploitation de la couche 1, les mêmes dispositions seront adoptées pour l'exploitation de la couche 2. Les sondages 11a, 11b, 11c, 11d et 11e peuvent être réutilisés pour l'exploitation de cette seconde couche, moyennant l'injection d'un bouchon de ciment dans la partie des sondages située entre les deux couches et moyennant la découpe du revêtement à l'endroit o les sondages recoupent la couche 2. On peut souligner que, dans le procédé conforme à l'invention, l'étendue du gisement exploité à partir d'un seul sondage, réalisé à partir de la surface, peut atteindre 5 hectares à 10 hectares. Il en résulte que l'incidence du coat de ces sondages sur le prix de revient du gaz produitest pra- tiquement négligeable. Cette limitation du nombre de sondages a également pour effet de réduire au minimum l'emprise de l'exploitation au ni- veau de la surface du sol et cet avantage peut devenir parti- culièrement important dans les régions à forte densité de po- pulation, ainsi que dans le cas de l'exploitation des gisements charbonniers qui s'étendent sous la mer. Les avantages économiques, que l'on peut tirer de l'utilisation du procédé conforme à l'invention, peuvent faire l'objet d'une évaluation rapide. Sur la base des données disponibles dans la littéra- ture, on peut estimer que, dans une exploitation minière con- ventionnelle, le prix de revient du charbon est constitué pour 1/3 par l'intervention du coat des travaux préparatoires et 2491993- pour 2/3 par l'intervention du coat des chantiers d'exploitation, des transports souterrains et de l'extraction. -Dans les conditions d'exploitation de l'Europe occiden- tale, les frais entraînés par la conversion du charbon en gaz de synthèse représentent une dépense complémentaire de l'ordre de 50 d du coat du charbon extrait; le rendement énergétique de la conversion étant de l'ordre de 2/3, le prix de revient de l'unité énergétique produite sous forme de gaz peut s'exprimer en fonction du prix de revient de l'unité énergétique sous forme de charbon par la relation: Pgaz= 3 x ( 1 + 0,5) P charbon = 2,25 P charbon Dans le cas du procédé de gazéification souterraine conforme à l'invention, le co-ut des travaux miniers peut être ramené à celui des seuls travaux préparatoires et le coût des traitements en surface peut être réduit de moitié du fait de la suppression des gazogènes et des triages-lavoirs. Si on désigne par ip le rendement énergétique de l'opération de gazéi- fication, il vient: 1 pgz _ x (0,33 + 0,25) P charbon Si le rendement énergétique du gazogène souterrain est de l'ordre de 50 %, le prix du gaz de synthèse peut être moitié moins cher que le prix obtenu par les techniques classiques d'exploitation minière suivies de gazéification du charbon extrait. Si le rendement énergétique atteint 60 %, le prix de l'unité énergétique de gaz de synthèse peut devenir inférieur au prix de l'unité énergétique du charbon extrait par les mé- thodes conventionnelles. Il faut encore noter que la méthode conforme à l'inven- tion n'entraîne que très peu de risques pour le personnel occupé dans les travaux souterrains. 315 Les travaux de préparation des chantiers, exécutés avant tôute mise à feu du gazogène souterrain, ne diffèrent en rien des travaux préparatoires classiques. En situant les voies d'accès à une profondeur suffi- sante en dessous des couches à exploiter, on évite qu'elles puissent être affectées par les mouvements de détente des roches consécutifs au développement de l'exploitation et, en dotant ces voies d'un aérage diagonal, avec retour d'air direct vers la surface, on évite qu'en cas d'incidenrt une fuCite de gaz to- xique puisse refluer vers les puits d'accès du personnel. REVENDICATIONS 1. Procédé d'exploitation par gazéification souterraine d'un gisement de houille ou de lignite, dans Revuel la répara- tion des chantiers est réalisée à partir d'un réseau de galeries en site vierge, creusées par les techniques minières convention- nelles en dessous du niveau des couches à exploiter, caractérisé en ce que le stot de protection, maintenu entre les galertes enr. site vierge et les couches à exploiter, a une épaisseur minimale de 40 m à 50 m et en ce que, pendant toute la période de gazéifi- cation, les seules liaisons entre ces galeries et les couches en cours d'exploitation consistent en une série de sondages de petit diamètre forés avant la mise à feu du chantier et revêtus de tubes scellés à la roche par cimentation. 2. Procédé d'exploitation suivant revendication 1, dans lequel le traçage des chantiers est réalisé sous la forme de ga- leries ou de sondages en veine, creusés par les techniques mi- nières conventionnelles, à partir d'un puits intérieur foré à travers le stot de protection qui sépare la veine des galeries en site vierge creusées en dessous des couches à exploiter, caracté- risé en ce que, avant la mise à feu du chantier, ce puits inté- rieurest barré par un massif en béton de forte épaisseur, qui joue le role de plate-cuve et au-dessus duquel on injecte un vo- lume d'eau de quelques mètres de hauteur 3o Procédé d'exploitation suivant revendication 1, caracté- risé en ce que le traçage des chantiers de gazéification est cons- titué par une suite de chenaux en veine, réalisés par la technique de rétrocombustin, le comburant étant inject par des sondages forés à travers le stot de protecticn qui sépare la veine des galeries en site vierge creusées en dessous des couches à exploi- ter. 4o Procédé d'exploitation suivant revendication 1, caracté- risé en ce que le réseau de galeries en site vierge creusé en dessous des e oucss ex:ploiter est ventilé par un courant d'air fras provenant du puits d'ehtre d'air de la mine, et en ce que l'évacuation de cet air, dans la zone proche des chantiers de gaé5ifination, est assurée car un ou plusieurs sondages reliant directement le réseau de galeries à la surface.