СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ДРУГИХ ВИДОВ ЭНЕРГИЙ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ МАССИВА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
METHOD FOR GENERATION OF ELECTRIC AND OTHER TYPES OF ENERGIES FOR UNDERGROUND DEVELOPMENT OF MINERAL RESOURCES MASSIF

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке месторождений полезных ископаемых, доработке остаточных запасов в пределах горного отвода и др.
Известен способ получения электроэнергии при бесшахтной углегазификации и/или подземном сжигании угля в пластах (Крейнин Е.В. и др. Подземная газификация угольных пластов. - М.: Недра, 1982, с.110-111), включающий проведение и крепление в недрах горных выработок и осуществление различных техногенных (физических, химических и других) воздействий на массив горных пород, отвод энергоносителя на устройство, генерирующее энергию.
Недостатком указанного способа является низкая полнота комплексного извлечения энергоресурсов массива полезного ископаемого, не позволяющая использовать в качестве энергоносителя энергию деформаций массива полезных ископаемых, вызванных гравитационно-тектоническими и техногенными напряжениями. Кроме того, процесс подземной газификации неуправляемый и может привести к нерациональному использованию недр и снижению экологической безопасности в районе ведения горных работ.
Наиболее близким техническим решением является способ получения электроэнергии при бесшахтной углегазификации и/или подземном сжигании угля (патент RU №2100588, Е21В 43/295, от 1997.12.10), включающий проведение и крепление в недрах горных выработок и осуществление из них различных техногенных воздействий на массив горных пород, отвод энергоносителя на генерирующее энергию устройство. Достоинство указанного способа заключается в том, что повышение эффективности получения электро- и/или тепловой энергии осуществляется путем совместного использования теплосодержания метана и генераторного газа за счет попутной добычи газа из угленосной толщи.
Недостатком указанного способа является низкая полнота комплексного извлечения энергоресурсов массива полезных ископаемых, не позволяющая использовать в качестве энергоносителя энергию деформаций пород в горном массиве, вызванных гравитационно-тектоническими и техногенными напряжениями.
Единый технический результат изобретения - повышение полноты комплексного извлечения энергоресурсов полезных ископаемых за счет использования в качестве энергоносителя энергии деформаций пород в горном массиве, вызванных гравитационно-тектоническими и техногенными механическими напряжениями.
Указанный единый технический результат достигается тем, что в известном способе получения электроэнергии при подземной разработке массива полезных ископаемых, включающем проведение и крепление в недрах горных выработок и осуществление из них различных техногенных воздействий на массив горных пород, отвод энергоносителя на генерирующее энергию устройство, в качестве энергоносителя используют энергию деформаций массива горных пород, вызванных гравитационно-тектоническими и техногенными напряжениями, а техногенные воздействия осуществляют динамическими нагрузками, при этом генерирующее энергию устройство располагают в горной выработке отрабатываемого массива, причем рабочие поверхности генерирующего энергию устройства ориентируют перпендикулярно максимальным сжимающим напряжениям.
Использование в качестве энергоносителя энергии деформаций массива полезных ископаемых, вызванных гравитационно-тектоническими и техногенными напряжениями, вызвано тем, что в определенных горно-геологических условиях массив полезных ископаемых находится под большим давлением и обладает значительной потенциальной энергией упругого сжатия, обусловливаемой наличием в массиве высоких гравитационно-тектонических, техногенных напряжений, а также наличием давления газа (Квапил Р. Новые взгляды в теорию горного давления и горных ударов. - М.: Углетехиздат, с.9-13; Петухов И.М., Егоров П.В., Винокур Б.Ш. Предотвращение горных ударов на рудниках. - М.: Недра, 1984, с.114-123; Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. - М.: КДУ, 2005, с.517-523). В этих работах сформулированы научные основы формирования геотектонических полей напряжений и возможности их использования при проведении технологических операций для добычи полезного ископаемого. Однако использование энергии деформаций массива полезных ископаемых, вызванных гравитационно-тектоническими и техногенными напряжениями, для получения электрической и других видов энергии не рассматривается.
9
Осуществление техногенных воздействий на элементы массива динамическими нагрузками обусловлено проведением вскрывающих, подготовительных и технологических выработок, которые нарушают его равновесное состояние. В районах с высокой естественной сейсмической активностью массива горных пород техногенные воздействия могут быть обусловлены лишь проведением указанных горных выработок, т.к. при перераспределении исходного поля гравитационно-тектонических напряжений массив будет подвержен постоянным высоким динамическим нагрузкам на протяжении всего срока отработки месторождения. Указанные импульсные воздействия на массив знакопеременных деформаций горных пород возникают при землетрясениях, горных ударах, толчках и др. с сейсмической энергией до 10 Дж, чем характеризуются геомеханические условия разработки месторождений в сейсмоактивных зонах (Курленя М.В., Еременко А.А., Шрепп Б.В. Геомеханические проблемы разработки железорудных месторождений Сибири. - Новосибирск: Наука, 2001, - с.18-26).
Использование предлагаемого технического решения в комплексе с технологическими, противоударными и др. с мероприятиями позволит повысить его эффективность.
Осуществление техногенных воздействий на элементы массива динамическими нагрузками обусловлено и тем, что массив горных пород, включающий залежи полезных ископаемых, обладает собственной частотой колебаний. При осуществлении техногенного воздействия на горный массив, например при осуществлении региональной разгрузки удароопасного массива, режим динамических (импульсных) нагрузок выбирают таким, при котором разгрузка массива и воздействие энергоносителя на генерирующее электроэнергию устройство было бы максимальным. Например, при аккумуляции механической энергии внешнего воздействия на упругую систему энергоносителя и при совпадении их собственных частот возможен резонансный эффект, который выражается в виде значительного возрастания амплитуд колебания упругой системы энергоносителя при сравнительно небольшой возмущающей силе внешнего воздействия. В качестве источника внешних воздействий используют, например, шахтный вибратор ВШГ - 1 (Петухов И.М., Егоров П.В., Винокур Б.Ш. Предотвращение горных ударов на рудниках. - М.: Недра, 1984, с.121).
Аналогичные техногенные воздействия на массив получают при работе вибрационных доставочно-погрузочных установок (ВДПУ, ВВДР и др.), при взрывных работах, ультразвуковых, электромагнитных воздействиях и др. Преобразование знакопеременных деформаций горных пород при взрывном импульсе пьезоэлектрическими датчиками в электрический импульс применяется во взрывном деле при лабораторных исследованиях параметров взрывных волн напряжений (Латышев О.Г. Разрушение горных пород. - М.: Теплотехник, 2007, - с.327; Ханукаев А.Н. Энергия волн напряжений при разрушении пород взрывом. - М.: Госгортехиздат, - 1962, с.72), что указывает на работоспособность предлагаемого технического решения.
При динамическом циклическом знакопеременном воздействии горного массива на генерирующее электроэнергию устройство, например на пьезоэлектрический преобразователь (см., например, патенты RU 2154888 С2, 20.08.2000; RU 1119564 Al, 20.03.1997; RU 1533612 A2, 27.05.2002; RU 2313891 С2, 27.12.2007; Шарапов В.М. Пьезоэлектрические датчики. - М.: Техносфера, - 2006, - 628 с.) при некотором техническом усовершенствовании этих устройств позволит получить электроэнергию из альтернативного источника.
Расположение генерирующего энергию устройства в горной выработке отрабатываемой залежи обусловливается наличием в ней энергоносителя - энергии знакопеременных деформаций горного массива, вызванных гравитационно-тектоническими и техногенными напряжениями, а также изменением давления мигрирующих флюидов. Оптимальные места расположения генерирующих устройств в горных выработках обусловливаются их технологичностью, значениями энергетических показателей энергоносителя в данном районе и безопасностью ведения работ по установке генерирующего устройства. С целью максимального воздействия энергоносителя на генерирующее энергию устройство в предлагаемом способе рабочие поверхности генерирующего устройства ориентируют перпендикулярно максимальным сжимающим напряжениям. Ориентацию действия максимальных сжимающих напряжений определяют заранее известными способами (Латышев О.Г. Разрушение горных пород. - М.: Теплотехник, 2007, - с.312).
В качестве генерирующего электроэнергию устройства можно использовать, например, пьезоэлектрические преобразователи, выполненные, по крайней мере из одной пьезопластины с электродами на двух противоположных поверхностях. В качестве пьезоэлементов используют кристаллы кварца, керамику титаната бария, титаната свинца, их сочетание и др. Устройство устанавливают в заранее определенное место в горной выработке (скважине) и создают жесткий контакт устройства со стенками выработки, например, закрепив цементным раствором. С целью снижения потерь волновой энергии на границе сред компоненты цементного раствора выбирают такими, чтобы акустический импеданс затвердевшего раствора был близким к акустическому импедансу вмещающих горных пород. С целью увеличения объемов получения электрической энергии генерирующее устройство компонуют, например, из протяженных и многоуровневых (многослойных) модулей пьезоэлектрических преобразователей.
Данный способ позволит, кроме электроэнергии, получать тепловую и пневмоэнергию при применении в качестве генерирующего устройства, например установки с жидким или газообразным рабочим телом, нагревающимся под действием адиабатического сжатия при воздействии на поршень природных и техногенных деформаций пород.
Предлагаемый способ получения электрической и других видов энергии при подземной разработке массива полезных ископаемых с указанной совокупностью признаков обеспечивает достижение результата, заключающегося в повышении полноты комплексного извлечения энергоресурсов горного массива за счет использования в качестве энергоносителя энергии вызванных гравитационно-тектоническими и техногенными напряжениями деформаций вмещающих залежь пород. Указанные признаки изобретения являются существенными, т.е. влияющими непосредственно на результат, который может быть получен при осуществлении изобретения.
Испытание способа проводилось в лаборатории геомеханики Сибирского государственного индустриального университета, г.Новокузнецк.
Пример осуществления предлагаемого способа получения электрической и других видов энергии при подземной разработке полезных ископаемых представляет собой частный случай при добыче газоносных каменных углей подземным способом в комплексе с предварительной разгрузкой и дегазацией массива.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен разрез, на котором в качестве примера представлена схема горных выработок, подготовленного к выемке участка угольного месторождения, и места расположения устройства создания механических техногенных воздействий, для региональной разгрузки и дегазации массива, а также генерирующего электроэнергию устройства. На фиг.2 изображена схема генерирования электроэнергии пьезоэлектрическим генератором при импульсном воздействии на него горного давления.
Способ осуществляется следующим образом. В массиве полезного ископаемого 1 проходят и крепят вскрывающие 2 и технологические выработки 3, например дегазационные скважины. Оптимальное месторасположение источника внешних технологических воздействий 4 для разгрузки и дегазации угольного массива, например шахтного вибратора ВШГ - 1, в горных выработках обусловливается технологичностью, значениями энергетических показателей энергоносителя в данном районе и безопасностью ведения работ по его установке и эксплуатации, например, в технологической нише 5. Генерирующее энергию устройство 6, например, пьезоэлектрический генератор, устанавливают также в технологической нише 5, где динамическое воздействие упругих волн, создаваемых шахтным вибратором ВШГ - 1, максимальное.
С целью максимального воздействия энергоносителя на генерирующее энергию устройство 6, в предлагаемом способе рабочие поверхности генерирующего устройства ориентируют перпендикулярно максимальным сжимающим напряжениям
мах
мах
мах
мах
σ. Ориентацию действия максимальных сжимающих напряжений определяют заранее известными способами (Латышев О.Г. Разрушение горных пород. - М.: Теплотехник, 2007, - с.312). В качестве примера на фиг.1, 2 изображено вертикальное действие максимальных сжимающих напряжений σ, вектор действия которых направлен вертикально. После определения направления действия σ генератор устанавливают с ориентацией рабочих поверхностей пьезопластин горизонтально, т.е. перпендикулярно действию σ, и создают жесткий контакт устройства со стенками выработки, например, закрепив цементным раствором. При этом с целью снижения потерь волновой энергии на границе сред компоненты цементного раствора выбирают такими, чтобы акустический импеданс затвердевшего раствора был близким к акустическому импедансу вмещающих залежь горных пород. С целью увеличения объемов получения электрической энергии генерирующее устройство компонуют, например, из протяженных и многоуровневых модулей пьезоэлектрических преобразователей. После установки оборудования 4, 6 начинают работы по разгрузке и дегазации угольного массива. При работе шахтного вибратора ВШГ - 1 массив полезного ископаемого подвергается вибрационному воздействию, под действием которого происходит более эффективно процесс разгрузки и дегазации массива по скважинам 3 (см. патент RU 2015341 B21F 5/00. Способ дегазации угольных пластов и породных массивов).
3
2
На заданной глубине у кровли технологической ниши 5 будет действовать давление, определяемое по известной формуле Р=γHk, где γ - объемный вес пород слагающей толщи, например, для углепородного массива 2500 кг/м; Н - глубина, 100 м; k - коэффициент концентрации вертикальных напряжений, при Н=100 м, k=2. Откуда давление Р для указанных величин составит 500000 кг/м= 5 МПа.
II
II
II
При технологическом воздействии шахтного вибратора ВШГ - 1 на массив горных пород в диапазоне частот 1-48 Гц и максимальным давлением до 18,5 МПа пьезоэлектрический генератор способен воспринимать эти воздействия, т.к. пьезоэлементы способны воспринимать колебания давления от десятков Гц до десятков МГц. За счет этого возникает деформация кристаллов пьезоэлементов, и на поверхностях пьезопластин возникают разнополюсные заряды «+» и «-» 7, которые стекают по электродам 8 (токосъемные слои) в различного рода накопительные устройства, например конденсаторы и др. В дальнейшем полученную электроэнергию используют, например, для снабжения работающих в шахте механизмов, освещения и др., создавая замкнутый энергетический цикл. Величина заряда, возникающего при пьезоэлектрическом эффекте, определяется соотношением q=d P, где d -постоянный для данного кристалла коэффициент, называемый пьезоэлектрическим модулем, К/Н; Р - величина силы, вызвавшей деформацию кристалла, Н. Для сегнетовой соли d=2,1 K/H (см. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, - 1976, с.122-124). В данном примере при величине силы Р=5000000 Н величина электрического заряда при пьезоэффекте на кристалле составит q=10500000 К. Разность потенциала, возникающего в пьезоэлектрике при деформации, достигнет нескольких тысяч Вольт (см. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение. - М.: Техносфера, - 2006, с.119-125). При использовании генерирующего устройства, например, из протяженных и многоуровневых (многослойных) модулей пьезоэлектрических преобразователей значение разности потенциала на электродах составит длительное (по времени) суммарное значение, которое возможно аккумулировать в накопительных устройствах, с последующим использованием, что характеризует предлагаемый способ как эффективный.
Осуществление предлагаемого способа получения электрической и других видов энергии при подземной разработке массива полезных ископаемых позволит повысить полноту комплексного извлечения энергоресурсов горного массива, включающего залежь. Наряду с добычей твердого полезного ископаемого и содержащегося в нем газа способ позволит получить электрическую или другую энергию, а также создать условия безопасной выемки угольного массива за счет его разгрузки и дегазации.
Осуществление предлагаемого технического решения в условиях разработки месторождений в сейсмоактивных зонах позволит генерирующему устройству 6 генерировать электрическую энергию без применения источника механических техногенных воздействий 4. Динамические нагрузки на массив будут осуществляться после техногенного воздействия на массив - проведения горных выработок, за счет чего произойдет нарушение первоначального равновесного напряженного состояния данного участка литосферы. Энергетика и частота общего фона сейсмических, динамических и технологических (ведение взрывных работ) событий (Курленя М.В., Еременко А.А., Шрепп Б.В. Геомеханические проблемы разработки железорудных месторождений Сибири. - Новосибирск: Наука, 2001, - с.18-26) соответствует условиям для получения электроэнергии, например, пьезоэлектрическими генераторами.
Предлагаемое техническое решение в некоторых условиях (в районах тектонических разломов и других сейсмоактивных зонах) имеет перспективу для строительства подземных энергостанций, работающих на вышеуказанных принципах.