DE3140027A1

DE3140027A1 - Verfahren zur ausbeutung eines kohlevorkommens durch unterirdische kohlevergasung

Info

Publication number: DE3140027A1
Application number: DE19813140027
Authority: DE
Inventors: Pierre 4040 Tilff Ledent
Original assignee: Individual
Current assignee: Institution Pour Le Developpement de la Gazeificat
Priority date: 1980-10-13
Filing date: 1981-10-08
Publication date: 1982-04-29
Also published as: BE885681A; NL8104625A; FR2491993A1; DE3140027C2; GB2086930B; GB2086930A; FR2491993B1

Description

Verfahren zur Ausbeutung eines KohleVorkommens durch unterirdische Kohlevergasung ; '

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ausbeutung eines Kohlevorkommens, insbesondere einer Steinkohle- oder Lignit-Lagerstätte, durch unterirdische Kohlevergasung, bei dem zur Vorbereitung des Abbaus ein Netz von Stollen mittels konventioneller Bergbautechniken unterhalb des Niveaus der auszubeutenden Schicht in das jungfräuliche Gebirge vorangetrieben wird.

Bs sind verschiedene Verfahren zur Ausbeutung mittels unterirdischer Vergasung von Steinkohle- oder Lignit-Lagerstätten bekannt. Diese lassen sich in drei Kategorien einteilen:

1. Die bergbaulichen Verfahren, bei denen zur Vorbereitung eines unterirdischen Gaserzeugers ein Schacht und Stollen mittels herkömmlicher Bergbautechniken vorangetrieben wird. Hierzu kann man als Beispiel die in Marokko, in der Abbaustätte von Djerada durchgeführten Erprobungen nennen.

2. Gibt es Verfahren, bei denen Bohrungen ausgehend von der Oberfläche vorangetrieben werden, diese Verfahren werden in der UdSSR in den Abbaugebieten von Angren und Yuzhno-Abinsk entwickelt.

3. Die gemischten Verfahren, bei denen die vorbereitenden Arbeiten mittels bergmäßiger Techniken und von der Oberfläche vorangetriebenen Bohrungen erfolgt. Hierzu kann man als Beispiel die in Großbritannien in der Lagerstätte von Newman Spinney durchgeführten Versuche nennen.

Keines der bekannten und bis heute entwickelten Verfahren ist jedoch für den Abbau von tiefen Kohlevorkommen geeignet. Bei den mittels von der Oberfläche ausgehenden Bohrungen arbeiten-

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den Verfahren sind die hohen Kosten für die Bohrungen großer Tiefe nachteilig. Eine Rentabilität stellt sich nur ein, wenn ausgehend von jeder Bohrung ein sehr großer Bereich abgebaut werden kann. Bei den bergbaulichen Verfahren und den gemischten Verfahren stellen sich Probleme für die Sicherheit des Personals, das den Abbau vorbereitet, ein. Der Übergang in große Tiefen ermöglicht eine beträchtliche Steigerung des Drucks der Vergasung, da der Einsatz eines hohen Drucks bei der Vergasung von vordringlichem Interesse hinsichtlich des Wirkungsgrades ist, der entwickelten Leistung und des Preises des produzierten Gases. Es muß jedoch ausgeschlossen werden, daß das unter Druck stehende Gas, das einen hohen Anteil an Kohlenoxid enthält, in die für die Bergleute zugänglichen Stollen gelangt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden und ein sicheres und wirtschaftliches Abbauverfahren von tiefen Kohlevorkommen mittels des gemischten Verfahrens zu schaffen, bei dem eine kleine Anzahl von ausgehend von der Oberfläche vorangetriebenen Bohrungen als Auslaß für das in einer kleinen Anzahl von Abbaufeldern mit großer Reichweite erzeugten Gases dient.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs

Während der gesamten Vergasung sind die einzigen Verbindungen zwischen den Stollen und den im Abbau befindlichen Schichten durch eine Reihe von Bohrungen gebildet, die einen geringen Durchmesser haben, vor Beginn des Abbaus vorangetrieben wurden und die durch in das Gebirge einzementierte Rohre ausgekleidet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in zwei Varianten durchgeführt werden:

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In der ersten Ausführung erfolgt der Vortrieb des Abbaus für die Vergasung in Form von Stollen oder Flözbohrungen, diein konventioneller Weise ausgehend von einem Innenschacht ausgeführt werden, der durch den Wehrstoß, der im jungfräulichen Gebirge die Schicht von den Stollen trennt, welche unterhalb der auszubeutenden Schicht abgeteuft sind, vorangetrieben ist. Vor dem Beginn des Abbaus wird dieser Innenschacht mittels eines massiven Betonpfropfens großer Dicke verstopft. Dieser bildet einen Schachtstopfen, über den eine Wassersäule von mehreren Metern Höhe angefüllt wird, so daß eine schützende Wasserbarriere zwischen dem Vergasungsort und den Stollen im jungfräulichen Gebirge geschaffen wird.

In der zweiten Ausführung erfolgt die Vorbereitung des Abbaus durch Vergasung über eine Reihe von Flözkanälen, die durch ein Rückbrennverfahren hergestellt sind. Dabei wird der notwendige Brennstoff über Bohrungen kleinen Durchmessers eingeleitet, diese Bohrungen sind durch den Wehrstoß vorangetrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden beispielhaft unter Berücksichtigung der Figuren beschrieben und naher erläutert. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Vertikaldchnitt durch eine Steinkohlenlagerstätte,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen mittels Vergasung erfolgenden Abbau entlang der Ebene X-Y, und

Fig. 3

und 4 zwei Darstellungen entsprechend Fig. 2 für unterschiedliche Ausführungen.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Steinkohlen-Lagerstätte hat zwei Schichten 1 und 2, auch Flözschichten genannt, die nacheinander mit der oberen Schicht 1 beginnend abgebaut werden sollen. In der Lagerstätte sind zwei, gepaart ausge-

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führte Schächte 3 und 4 vorgetrieben, die jeweils als Eintrittsschacht und als Luftaustritt verwendet werden. Unterhalb des Niveaus der abzubauenden Sehichten I, 2 ist ein Querstollen 5 abgeteuft. Ausgehend von der Oberfläche bis zum Ende dieses Querstollens 5 ist eine Bohrung 6 vorgetrieben, die unabhängig von den beiden Hauptschächten 3, 4 der Zeche einen Auslaß für Luft bildet.

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die Vorbereitung für den Abbau durch Vergasung im Bereich der Schicht durch das Vorantreiben eines Innenschachts 7 und das Abteufen einer Abbaustrecke oder einer Flözbohrung 8, die sich über mehrere loo Meter Länge erstrecken kann und im rechten Winkel zur Schnittebene verläuft.

Diese Verbindung in der Flözschicht 1 dient als Auslaß für das Gas zwischen der Front des Abbaus durch Vergasung und dem Fuß einer Bohrung 9, die ausgehend von der Oberflache vorgetrieben ist. Sie bildet während des gesamten Abbaus die Auslaßbohrung für das Gas.

Druckluft und Vergasende Medien, die für die unterirdische Vergasung benötigt werden, werden über ein Leitungsnetz, das in den Schächten 3 und 4 und entlang des Querstollens 5 verlegt ist, bis hin zu einem Querstollen Io geleitet, der rechtwinklig zur Schnittebene ausgeführt ist. Die Vergasenden Medien werden durch eine Reihe von Vertikalbohrungen, wie die Bohrung 11, in die Schicht 1 eingeleitet. Diese Bohrung ist ausgehend vom Querstollen Io nach oben ausgeführt und mittels eines Metallrohres umkleidet, das in das Gestein einzementiert ist. Die Vorbereitung des Abbaus kann ggf. ergänzt werden durch die Bohrung von einigen Schrägbohrungen, wie beispielsweise die Bohrungen 12 und 13, die zur Erzielung erster Verbindungen innerhalb der Schicht 1 mittels des Rückbrennverfahrens benötigt werden.

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Vor dem Beginn des Abbaus wird ein Pfropfen 14 aus Beton großer Dicke in die Innenbohrung 7 eingebracht. Dadurch wird das Vergaeungsgebiet vollständig vom Querstollen 5 isoliert. Um jegliche Gefahr eines Durchtrittes von Gas zu vermeiden, ist eine Wassersäule von mehreren Metern Höhe oberhalb dieses Pfropfens 14 angefüllt, es dient als hydraulische und schützende Sperre zwischen dem Gaserzeuger und dem für Personal zugänglichen Querstollen 5.

In den Fig. 2 bis 4, die einen Schnitt durch den über Vergasung erfolgenden Abbau zeigen, befindet sich die Ebene X - Y an der Decke der Schicht 1.

In der in Figo 2 gezeigten Anordnung wird der durch Vergasung erfolgende Abbau in seinem unteren Bereich durch eine Abbaustrecke 8 begrenzt, die mittels konventioneller Bergbautechniken abgeteuft ist. Die Ausgangsposition für die Vergasungsfront wird durch eine Verbindung 15 gegeben, die als Bohrung in der Schicht 1 oder in Form einer Schwebenden ausgeführt ist, die ausgehend von der Abbaustrecke 8 abgeteuft ist.

In der in Fig. 3 gezeigten Ausführung wird das Vergasungsfeld in seinem unteren Bereich durch eine Bohrung großer Länge begrenzt, die durch die Dicke der Schicht 1 gebohrt ist. Die Ausgangsposition für die Front der Vergasung wird durch die Ausführung von Kanälen für Rückbrennen gegeben, die zwischen dem Ende dieser Bohrung, wo der Beginn des Vergasungsabbaues erfolgt, und dem Ende der Schrägbohrungen 13, 12 und 11a, ausgeführt sind. Durch letztere wird Druckluft mit hohem Druck eingeleitet.

In einer in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführung erfolgt die Vorbereitung für den Abbau ohne das Abteufen eines Innenschachts wie den Innenschacht 7, Das Abbaufeld der Vergasung wird in seinem unteren Bereich durch eine Reihe von Flöz-

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kanälen oder Abbaustrecken 8 begrenzt, die einen Auslaß für das Gas zwischen der Front der Vergasung und dem Fuß der Bohrung 9, welche ausgehend von der Oberfläche vorgetrieben ist, bilden.

Diese Flözkanäle sind im Rückbrennverfahren hergestellt. Dabei wird der Abbau am Fuß der Bohrung 9 begonnen, es wird Luft unter hohem Druck nacheinander durch die Bohrungen 17a,.17b, 17c und 17d eingegeben. Diese Bohrungen sind von unten nach oben ausgehend vom Querstollen Io oder von einem anderen, ähnlichen Stollen im Niveau des QuerStollens 5 ausgeführt.

Dieselbe Technik des Rückverbrennens wird zwischen den Bohrungen 17d, 13, 12 und 11a genutzt, um Kanäle zu bilden, die die Startlinie für die Vergasungsfront bilden.

In den verschiedenen Ausführungen wird der Abbau in seinem oberen Bereich durch eine Reihe von Bohrungen wie die Bohrungen 11a, 11b, llc,itld und He begrenzt, die ausgehend von einem Querstollen Io ausgeführt sind.

In der ersten Phase des Abbaus werden vergasende Medien durch die Bohrung Ha gegeben. Der Beginn des Abbaus erfolgt am äußeren Ende dieser Bohrung. Die Gase des Gasabbaus, die sich entlang einer Front bilden, welche durch die Verbindung 15 oder durch die Rückbrennkanäle zwischen den Enden der Bohrungen 11a, 12, 13 und den Endbereichen der Abbaustrecke begrenzt ist, werden durch diese Abbaustrecke 8 bis zum Fuß der Bohrung 9 geführt, die als Auslaßbohrung für den Vergasungsabbau dient.

Mit Fortschreiten des Abbaus verschiebt sich die Vergasungsfront. Diese Verschiebung kann in einem gewissen Maß kontrolliert werden, indem das Einleiten der vergasenden Medien von der Bohrung Ha hin zur Bohrung Hb verschoben wird.

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Die Ausbeutung des Feldes wird im Umschaltverfahren weitergeführt, dabei werden nacheinander die Bohrungen 11b, lic, lld und He als Einlaßbohrungen für die Vergasenden Medien benutzt.

Nachdem der Abbau der Schicht 1 abgeschlossen ist, werden dieselben Vorkehrungen für den Abbau der Schicht 2 getroffen. Die Bohrungen 11a bis He können wieder für den Abbau dieser zweiten Schicht verwendet werden. Dabei wird ein Betonpfropfen in den Bereich dieser Bohrungen 11a bis lie zwischen den beiden Schichten 1, 2 vorgesehen. Weiterhin wird die Rohrauskleidung in dem Bereich abgeschnitten, wo die Bohrungen 11a bis He die Schicht 2 schneiden.

Hervorzuheben ist, daß bei dem erfindungsgemäßen Abbauverfahren die Ausdehnung der mittels einer einzigen und ausgehend von der Oberfläche ausgeführten Bohrung abbaubaren Lagerstätte fünf Hektar bis zehn Hektar betragen kann. Hieraus folgt, daß der Einfluß der Bohrkosten auf den Preis für das erzeugte Gas praktisch vernachlässigt werden kann.

Eine derartige Einschränkung in der Zahl der Bohrungen hat zugleich die Folge, daß die auf der Oberfläche vorzunehmenden Vorbereitungsarbeiten gering sind. Dieser Vorteil ist insbesondere dann von großer Bedeutung, wenn in Regionen mit großer Bevölkerungsdichte gearbeitet werden muß oder wenn ein Abbau von Steinkohlenlagern, die sich unterhalb des Meeresbodens befinden, vorgenommen werden soll.

Die wirtschaftlichen Vorteile, die sich aus der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben, werden im folgenden in einer kurzen Berechnung dargelegt.

Auf der Basis der aus der Literatur erhältlichen Werte kann man annehmen, daß bei Abbau nach herkömmlichen Bergbautechniken der Preis für Kohle sich zu einem Drittel aus den

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vorbereitenden Arbeiten und zu zwei Drittel aus den Kosten für den Abbau, den Transport an die Oberfläche und die Aufbereitung zusammensetzt.

Unter den in Westeuropa vorliegenden Abbaubedingungen sind die für die Umwandlung von Kohle in Gas für Synthesezwecke anfallenden Kosten etwa in der Größenordnung der Hälfte der Kosten für die geförderte Kohle. Der energetische Wirkungsgrad der Umwandlung liegt etwa bei zwei Drittel. Der Preis für eine in Form von Gas erzeugte Energieeinheit kann daher in Abhängigkeit vom Preis für eine Energieeinheit in Form von Kohle wie folgt dargestellt werden: ^PGas - 2 * U + o, 5) P _Kohle = 2,25 P ^^

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit unterirdischer Kohlevergasung können die Kosten für die bergmäßigen Arbeiten dadurch angenähert werden, daß nur die vorbereitenden Arbeiten berücksichtigt werden. Die Kosten für die oberflächlich vorzunehmenden Arbeiten können dadurch auf die Hälfte reduziert werden, daß dort Gaserzeuger und Aufbereitungssixuf en (Waschstufen) eingespart werden. Wenn man mit ρ den energetischen Wirkungsgrad für den Vergasungsprozeß ansetzt, so folgt:
^P Gas =?^X (0.33+0,25) P _Rohle

Wenn der energetische Wirkungsgrad der unterirdischen Vergasung in der Größenordnung von 5o % liegt, beträgt der Preis für das Synthesegas etwa die Hälfte des Preises, für den nach herkömmlichen, bergmäßigen Abbauverfahren Kohle gefördert und anschließend die geförderte Kohle vergast werden kann.

Wenn der energetische Wirkungsgrad 6o % erreicht, so unterschreitet der Preis für eine Energieeinheit an Synthesegas den Preis für eine Energieeinheit an nach den konventionellen Verfahren geförderter Kohle.

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Zudem ist anzumerken, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Gefahr für die beim Abbau tätigen Bergleute, die unterirdisch arbeiten, sehr gering ist.

Die Arbeiten für die Vorbereitung des Abbaus, die vor dem Beginn des unterirdischen Vergasungsabbaus durchgeführt werden müssen, unterscheiden sich nicht von den klassischen Vorbereitungsmaßnahmen.

Wenn man die Zugangswege, also die Querstollen 5, in einer ausreichenden Tiefe unterhalt der auszubeutenden Schichten 1, 2 abteuft, vermeidet man, daß die durch das Nachlassen des Gebirgsdrucks folgenden Bewegungen während des Abbaus beeinflußt werden. Wenn diese Zugangswege durchlüftet werden, indem ein direkter Auslaß für die Luft zur Oberfläche mittels einer Bohrung 6 geschaffen wird, vermeidet man, daß für den Fall einer Durchlässigkeit oder Leckstelle das toxische Gas zu den Schächten 3, 4 gelangen kann, in denen sich Bergleute befinden können.

Claims

*.'-■"«* ·:.'- "-. :. PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. ALEX STEN G E R Kaiser-Friedrich-Ring 70 DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE D-4000 DÜSSELDORF 11 DIPL.-ING. H E I N Z J. RING Unser Zeidien: 22 5θ9 Datum: Jm Oktober 1981 Pierre Ledent Pare de Sainval, 5 B-4o4o TiIff Ansprüche

1. Verfahren zur Ausbeutung eines Kohlevorkommens, insbesondere einer Steinkohle- oder Lignit-Lagerstätte, durch unterirdische Kohlevergasung, bei dem zur Vorbereitung des Abbaus ein Netz von Stollen mittels konventioneller Bergbautechniken unterhalb des Niveaus der auszubeutenden Schicht in das jungfräuliche Gebirge vorangetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen den Stollen im jungfräulichen Gebirge und den auszubeutenden Schichten freigelassener Wehrstoß eine Mindeststärke von vierzig bis fünfzig Metern hat und daß während der gesamten Vergasung die einzigen Verbindungen zwischen den Stollen und den in Ausbeutung befindlichen Schichten eine Anzahl von Bohrungen mit geringem Durchmesser sind, die vor dem Abbaubeginn gebohrt wurden und mit in das Gebirge einzementierten Rohren ausgekleidet sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vortrieb des Abbaus in Form von Stollen oder Flözbohrungen erfolgt, die in konventioneller Weise ausgehend von einem Innenschacht ausgeführt werden, der durch den Wehrstoß, der im jungfräulichen Gebirge die Schicht von den Stollen trennt, welche unterhalb der auszubeutenden Schichten abgeteuft sind, vorangetrieben ist, dadurch gekennzeichnet,

Telefon (0211) 57 2131 · Telex: 85 88 429 · Telegrammadresse: Rheinpatent · Postsdiedckonto Köln (BLZ 370100 50)227610-503

daß dieser Innenschacht vor dem Beginn des Abbaus mittels eines massiven Beton-Pfropfens großer Dicke versperrt wird, der die Rolle eines Schachtstopfens übernimmt und über den eine Wassersäule von mehreren Metern Höhe angefüllt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbereitung des Abbaus für die Vergasung durch eine Reihe von Flözkanälen erfolgt, die mittels eines Rückbrennverfahrens vorangetrieben werden, und daß der Brennstoff durch Bohrungen eingegeben wird, die durch den Wehrstoß ausgeführt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Netz der unterhalb der abzubauenden Schichten abgeteuften Stollen im jungfräulichen Gebirge ein Frischluftstrom geblasen wird, der von den Lufteintritten der Zeche kommt und daß die Ableitung dieser Luft in einem dem Abbau durch Vergasung naheliegenden Bereich durch mindestens eine Bohrung erfolgt, die die Stollen direkt mit der Oberfläche verbindet.

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