Химическое ингибирование

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Дайте определение термина “добывающая промышленность” и раскройте его сущность.

2. Что представляют собой конкреции?

3. Раскройте сущность непроизводительных потерь ископаемых в недрах при их добыче.

4. Промышленная классификация минерального сырья.

5. Охарактеризуйте нефтегазоносные провинции Украины.

6. Перечислите бассейны Украины по добыче угля.

7. Перечислите железорудные районы Украины.

8. Перечислите месторождения Украины каменной соли, самородной серы, графита, флюсов и огнеупорных глин.

9. Дайте определение терминам: шахта, рудник, карьер.

10. Что представляют собой горные работы?

11. Чем отличаются подземные горные выработки от поверхностных?

12. Раскройте сущность терминов “поиск” и “ разведка” месторождений полезных ископаемых.

13. Перечислите особенности добывающих предприятий.

14. Чем отличается технологический цикл от жизненного?

15. Что означает термин “срок службы предприятия”?

16. Перечислите горно-геологические условия разработки полезных ископаемых и охарактеризуйте каждый их них.

ГЛАВА 5. ДОБЫЧА УГЛЯ

5.1. Ископаемые угли, их марки и свойства

Ископаемые угли – бурые, каменные и антрациты – являются продуктом метаморфизации растительной массы, в огромных количествах накапливавшейся в благоприятных местах в прошлые геологические эпохи.

Ископаемые угли отличаются друг от друга прежде всего степенью метаморфизации или степенью зрелости. Наиболее метаморфизованы антрациты. Наименее зрелыми является бурые угли. Каменные угли занимают в этом отношении промежуточное место.

Отдельные виды ископаемых углей отличаются друг от друга и по внешним признакам и по теплотворной способности, зависящей от содержания в них углерода. Так, бурые угли содержат углерода до 75, каменные – до 90, а антрациты – до 96%.

Бурые угли представляют собой плотную или рыхлую землистую массу бурого, реже почти черного цвета, как правило, без блеска. Бурые угли имеют малую твердость. Они характеризуются сравнительно низкой теплотворной способностью. К недостаткам этих углей также относится высокое содержание в них золы (иногда до 40%),большая влажность (до 60%) и наличие серы (1-2 %).При длительном хранении в штабелях бурые угли окисляются, рассыпаясь при этом в порошок, и выделяя тепло, что ведет к самовозгоранию угля; это свойство затрудняет их хранение. Не выдерживает также бурый уголь и дальней транспортировки, которая к тому же экономически маловыгодна из-за низкой его теплотворной способности (6-15 МДж/кг).

Бурый уголь, подобно другим многозольным и малоценным видам топлива (худшие сорта каменного угля, сланцы, торф, отходы древесины), выгодно перерабатывать в газообразное топливо.

Каменные углибывают черного, реже буровато-черного цвета, с блеском или матовые. Они отличаются хрупкостью.

Известно много различных марок каменных углей, отличающихся друг от друга различными свойствами. Одни угли при нагревании без доступа воздуха (до 950-1100оС) спекаются в полный, твердый и пористый кокс – это коксовые угли.Другие угли слабо спекаются и их называют слабококсовыми. Так называемые тощие угли или полуантрациты, совсем не спекаются и вместо кокса дают порошок. Одни угли способны выделять большое количество светильного газа – это газовые угли. Другие тощие угли (короткопламенные) выделяют газа очень мало. Близкие к газовым угли горят ярким длинным пламенем, а поэтому их называют длиннопламенными. Тощие угли горят коротким пламенем, но дают больше тепла.

Одним из важнейших свойств многих сортов каменного угля является спекаемость, т.е. способность при соответствующих условиях превращаться в прочный кокс, применяемый в металлургическом производстве для выплавки из железной руды чугуна. Следует, однако, указать, что спекаемость не во всех случаях является положительным свойством угля. Спекающиеся угли не могут применяться, например, в газогенераторах и малопригодны для сжигания в топках, где топливо располагается слоями. Выделяющиеся при горении спекающегося угля жидкие продукты прекращают действие газогенераторной печи и затрудняют процесс горения в топке.

Различные сорта каменных углей отличаются различной степенью метаморфизации. Наиболее высокой степени метаморфизации достигли тощие, неспекающиеся угли, близкие к антрацитам. Длиннопламенные угли представляют собой наиболее низкую степень метаморфизации и в этом отношении близки к бурым углям.

От степени метаморфизации зависит другое очень важное свойство каменных углей – выход так называемых летучих веществ. Чем выше метаморфизация, тем меньше выход летучих веществ. И наоборот. Выход летучих веществ у каменных углей находится в пределах 6-50% от массы угля.

По степени метаморфизма, с учетом выхода летучих и других свойств, ископаемые угли разделяются на марки и группы. Бурые угли (условное обозначение Б) делятся на три группы (1Б, 2Б, 3Б) в зависимости от метаморфизма, влажности и других особенностей. Количество марок каменных углей, их наименование, показатели качества в отдельных угольных бассейнах различны. В Донбассе выделяется 12 марок, основные из них следующие: длиннопламенные (Д), газовые (Г), газовые жирные (ГЖ), жирные (Ж), коксовые (К), отощенные спекающиеся (ОС), тощие (Т) и антрациты (А). Выход летучих в них снижается от 35% в марке Д до 8% в марке А. Антирацит не подвержен самовозгоранию и может поэтому длительное время храниться в штабелях. Благодаря высокой механической прочности антрацит при перевозке не образует мелочи. Содержание летучих веществ в антраците составляет менее 6%. Для коксования поставляются наиболее дефицитные и качественные угли марок К, КО, КС, КСН и Ж, частично Г, ГЖ, ГЖО и ОС. Угли не пригодные для коксования используют главным образом как котельное топливо преимущественно на электростанциях, теплоэнергетикам поставляют до 90% необогащенных углей со средней зольностью свыше 30%, предельной до 45-53%. Низкое качество угля приводит к снижению выработки и удорожанию электроэнергии. Энергетические угли делятся на классы в зависимости от размеров кусков, мм: плитный (П)-100-200 (300); крупный (К)-50-100; орех (О)-25-50; мелкий (М)-13-25; семечко (С)-6-13. После выделения этих сортов остается штыб (Ш) крупностью 0-6 мм. Нерассортированный уголь крупностью 0-200(300) называется рядовым. Угли марки Д могут применятся также и для производства жидкого топлива.

Большое разнообразие каменных углей позволяет в каждом случае употреблять наиболее подходящие сорта, лучше отвечающие требованиям производства.

5.2. Способы добычи угля

Уголь, как и другие твердые полезные ископаемые, добывают двумя способами: открытым и подземным.

Добычу угля открытым способом производят при помощи глубоких траншей (глубиной до 150м и более), прорезающих пласты породы, покрывающие угольный пласт. Образующийся в результате карьер называют разрезом. Угольным карьером называют также и самостоятельное предприятие, разрабатывающее угольное месторождение открытым способом.

При подготовке карьера, прежде всего, снимают и удаляют породы, покрывающие угольный пласт. Для этой цели применяют новейшие землеройные и транспортирующие машины – экскаваторы, в том числе крупнейшие роторные экскаваторы непрерывного действия, транспортно-отвальные мосты и др. Затем прямо по углю прокладывают рельсовые пути, по которым передвигают опоры транспортно-отвального моста и движутся составы, вывозящие уголь из карьера.

Экономическая эффективность открытой разработки угля тем выше, чем ниже коэффициент вскрышных работ, т.е. чем меньше объем удаляемой покрывающей породы на единицу добываемого угля.

Наиболее благоприятными условиями для открытой добычи отличаются восточные угольные бассейны России, на долю которых приходится свыше 90% добычи угля открытым способом.

Открытая добыча дает почти половину угля, добываемого в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке, более половины – на Урале. Большое количество угля дают карьеры Карагандинского бассейна и Экибастуза в Казахстане. Крупные открытые разработки ведут в Канско-Ачинском (Назаровский, Ирша-Бородинский разрезы) и Иркутском бассейнах. Крупнейшие карьеры дают в год десятки миллионов тонн угля. В Экибастузе работает угольный карьер мощностью 50 млн.т.

Возможности для развития добычи угля открытым способом в Украине (г. Александрия) не велики и удельный вес открытой добычи в дальнейшем будет незначительным.

Добыча угля открытым способом имеет большие преимущества. На открытых разработках гигиенические условия для рабочих лучше, чем в шахтах (чистый воздух, меньше вредных газов, естественное освещение в дневное время и т.д.), производительность труда на открытых разработках, благодаря применению сверхмощных машин, в шесть-семь раз выше, чем в шахтах, а себестоимость тонны угля соответственно ниже.

Строительство угольных карьеров выполняют в два-три раза быстрее, чем строительство шахт, и оно обходится примерно в полтора раза дешевле. Наконец, потери угля в недрах, неизбежные при подземной добыче, на открытых разработках почти исключаются.

Подземный способ добычи угля, требующий строительства шахты, более трудоемок, чем открытый способ.

Угольное месторождение, если оно достаточно велико, делят на несколько участков – шахтных полей. Запасы угля каждого шахтного поля, предназначенного для строительства отдельной шахты, должны быть достаточны для эксплуатации в течение 40-50 лет.

Строительство шахты (рис. 5.1.) начинают с закладки стволов, что улучшает ее вентиляцию.

Ствол шахты – это обычно вертикальная, а иногда и наклонная выработка, проходящая через толщину горных пород. В отдельных случаях (в горных районах) вместо стволов проходят штольни – горизонтальные или близкие к горизонтальным выработки, выполняющие функции обычных стволов (вскрытие угольного пласта, связь подземных выработок с поверхностью, вентиляцией шахты и т.д.).

Проходка стволов глубиной в десятки и сотни метров в настоящее время механизирована. Созданы буровые машины, позволяющие проходить (пробуривать) стволы диаметром 5-6 м.

Главный, или подъемный, ствол современной крупной шахты имеет круглое, реже эллиптическое сечение. Его диаметр зависит от мощности (производительности) шахты. Ствол является капитальным сооружением, срок службы которого равен сроку эксплуатации шахты. Поэтому его прочно закрепляют бетоном и железобетоном, что обеспечивает длительность и безаварийность службы ствола.

Шахтный ствол обычно делят по вертикали на четыре отделения. В одном отделении устанавливают две подъемные клети для спуска и подъема отдельно людей и материалов; в другом отделении монтируют подъемники для грузов – угля и пустой породы; третье отделение оборудовано лестницами с площадками, оно служит запасным выходом на случай какой-либо аварии подъемного механизма; в четвертом отделении размещают трубы для откачки воды из шахты и для подачи сжатого воздуха, электрические и телефонные кабели.

Внизу около ствола, в том месте, где от него начинаются горизонтальные выработки, сооружают большой околоствольный двор 3. Здесь перегружают добытый уголь из вагонеток или с транспортеров в загрузочные бункера подъемных машин и размещают группу выработок – подземных камер, имеющих различное назначение. В них устанавливают насосы, откачивающие воду, располагают ремонтные мастерские, депо для электровозов, электрическую подстанцию, подземный медпункт и т.п.

От околоствольного двора начинают проходку капитальных горизонтальных выработок; при этом возможны разные варианты в зависимости от того, как залегают угольные пласты, где расположены стволы шахты.

Если угольные пласты лежат горизонтально или с небольшим уклоном (пологопадающие пласты), то стволы могут быть пройдены до глубины, находящейся между верхним и нижним пластами. В этом случае для вскрытия пластов проходят капитальные горизонтальные откаточные квершлаги 4 (рис.5.1). Это горизонтальная горная выработка, пройденная вкрест простирания пласта. По простиранию угольного пласта проходит главный 5 или откаточный штрек, связывающий околоствольный двор с местами добычи угля. Вниз по падению пласта от штрека проходят наклонные выработки, которые называют уклонами; вверх по пласту от штрека идут бремсберги 7. По уклонам и бремсбергам добытый уголь соответсвенно поднимают или опускают к главному штреку, паралельно бремсбергам и уклонам проходят грузовые (для доставки грузов) и вентиляционные ходки 6,8.

1, 2 – главные стволы; 3 и 4 – соответственно откаточный и вентиляционный квершлаги; 5 и 6 – соответственно откаточные и вентиляционные штреки; 7 – разрезная печь; 8 – гезенк

Рис. 5.2. Схема многогоризонтального вскрытия свиты крутых пластов вертикальными стволами и этажными квершлагами

Если шахту строят для разработки наклонных и крутопадающих пластов, то капитальные горизонтальные выработки проходят иначе (рис.5.2). В данном случае ствол шахты может дойти до одного из угольных пластов, либо его закладывают в стороне от них. От ствола до угольных пластов по пустой породе прокладывают одну или на определенном расстоянии одну над другой несколько горизонтальных выработок – квершлаги. Такая система квершлагов позволяет из одного ствола открыть доступ к двум, трем и большему числу наклонных или крутопадающих пластов угля и исключает необходимость проходки отдельного ствола к каждому пласту. После вскрытия угольного пологого или наклонного пласта при помощи квершлага (рис.5.1) по нему прокладывают штрек 2, а от него – уклоны и бремсберги.

Ствол, окоствольный двор, главный откаточный штрек, квершлаги, уклоны и бремсберги являются основными капитальными сооружениями шахты и должны служить десятки лет. Они требуют прочного крепления бетоном и железобетоном, металлическими арками. Иногда для крепления капитальных выработок применяют и наиболее прочные чугунные тюбинги.

По завершению основных капитальных выработок начинают проводить ряд транспортных 9 и вентиляционных штреков 11, между которыми по пласту нарезают разрезные печи 10 для монтажа оборудования для выемки угля, работы по разделению угольного пласта на отдельные участки, с тем чтобы добычу угля можно производить одновременно с различных сторон.После этого, если одновременно завершен монтаж всех механизмов и оборудования, начинают нормальную эксплуатацию участков шахты. Уголь выбирают начисто, и поэтому такие работы называют очистными, а место, где их производят, – очистным забоем или лавой.

5.3. Технология очистных работ

*

Наибольшее распространение имеет механический способ отбойки, при котором исполнительные органы горных машин разрушают пласт посредством резцов, шарошек, коронок и др. При этом различают комбайновую и струговую выемку.

Выемочный комбайн (рис. 5.3) представляет собой машину, которая посредством резания отделяет уголь от массива и грузит его на забойный конвейер (на пологих и наклонных пластах). На крутых пластах отсутствует необходимость в погрузке угля, так как он скатывается по лаве под действием собственного веса.

Рис. 5.3. Угольный комбайн 1КУ-10:

1 – механизм подачи; 2 – левый шнек; 3, 5, 7, 9 – редукторы;
4, 10 – гидродомкраты; 6 – электродвигатели; 8 – правый шнек;
11 – погрузочный щит; 12 – электроблок; 13 – опорные лыжи

В зависимости от ширины захвата исполнительного органа выемочные комбайны делятся на узкозахватные и широкозахватные. При ширине захвата до 1м комбайны называются узкозахватными, более 1м – широкозахватными.

В отличие от выемочных комбайнов угольные струги отделяют уголь от массива не резанием, а скалыванием стружками толщиной до 0,4 м. Перемещение струга вдоль лавы обеспечиваются цепным тяговым органом. Струговая выемка позволяет улучшить сортность угля, снизить пылеобразование, механизировать выемку тонких пластов и пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа.

Гидравлический способ добычи угля позволяет перейти от многооперационных процессов добычи угля к малооперационным, выполненным без присутствия людей в забоях. Гидродобыча угля широко распространена на шахтах Кузбасса (Россия).

Сущность этого способа заключается в отбойке угля сильной струей воды, подаваемой под большим давлением гидромонитором и транспортированием его вместе с водой по желобам в специальный колодец (зумпф). Оттуда эту смесь откачивают углесосами на поверхность шахты и подают на обогатительную фабрику.

К механизированным способам отделения угля от массивов относится также отбойка отбойными молотками. Отбойный молоток – ручная пневматическая машина ударного действия. Отбойный молоток применяется в очистных забоях на крутонаклонных и крутых пластах, где применение электроэнергии практически невозможно из-за исключительно опасных условий эксплуатации. Отбитый уголь транспортируется вдоль лавы самотеком.

Транспортирование отбитого угля по лаве от места отбойки до места погрузки в транспортные средства на пологих и наклонных пластах осуществляется с помощью скребковых конвейеров, на крутонаклонных (α = 36-55о) и крутых пластах (α = 56-90о) доставка под действием собственного веса по металлическим желобам, эмалированным решеткам или почве пласта.

Скребковые конвейеры разделяются на разборные и изгибающиеся (безразборные).

Разборные конвейеры имеют сравнительно легкий рештачный став и переносятся вручную. Они применяются крайне редко, преимущественно при широкозахватных выемочных машинах, а также для транспортирования горной массы по просекам, печам, подготовительным выработкам.

Изгибающиеся конвейеры используются в основном при узкозахватных выемочных машинах (комбайнах, стругах). Они передвигаются без разборки с помощью механических или гидравлических устройств.

Крепление очистных выработок выполняется с целью предотвращения обрушения кровли, поскольку в результате очистной выемки угля она теряет устойчивость. Крепи очистных выработок разделяют на индивидуальные и механизированные.

Индивидуальная крепь состоит обычно из отдельных строек и верхняков, установленных совместно и разбираемых полностью или частично при переноске.

Верхняк и стойки образуют раму, располагаемую параллельно или перпендикулярно забою. Расстояние между соседними рамами изменяется обычно от 0,8 до 1,2 м и определяется паспортом крепления очистной выработки.

Индивидуальная призабойная крепь может быть деревянной и металлической. В настоящее время индивидуальную деревянную крепь в очистных выработках применяют в ограниченном объеме.

Металлические стойки призабойной крепи выпускают двух типов: стойки трения и гидравлические.

Стойка трения – стойка, у которой фиксация ее выдвижной части в рабочем положении и создание сопротивления обеспечиваются с помощью клинового замка.

Гидравлическая стойка – стойка, выполненная в виде цилиндра и трубчатой выдвижной части, являющейся плунжером. В качестве рабочей жидкости в ней применяется минеральное масло или водомасляная эмульсия. Различают гидравлические стойки с внутренней гидросистемой и с внешним питанием.

По мере подвигания очистного забоя увеличивается площадь обнажения вмещающих пород, а следовательно, и их давление на призабойную крепь и угольный массив. Совокупность мероприятий по регулированию горного давления в рабочем пространстве очистного забоя в целях обеспечения безопасности и необходимых производственных условий называют управлением горным давлением.

Основные способы управления горным давлением:

а) полное обрушение;

б) частичная закладка;

в) полная закладка выработанного пространства;

г) плавное опускание кровли.

Управление горным давлением полным обрушением заключается в том, что по мере подвигания очистного забоя на границе между рабочим и выработанным пространством кровлю обрушают на специальную обрезную крепь. Расстояние, через которое осуществляют посадку кровли, называют шагом посадки (обрушения) кровли. При установившемся режиме работы лавы, закрепленной индивидуальной крепью, шаг посадки кровли кратен ширине захвата комбайна. При использовании механизированных крепей он равен шагу передвижки крепи.

В качестве специальной крепи, создающей режущую опору и предотвращающей распространение обрушения на рабочее пространство лавы, применяют металлические посадочные стойки, металлические или деревянные костры, одно – или двухрядную крепь из деревянных стоек.

Сущность способа плавного опускания кровли заключается в опускании на почву кровли за счет ее прогиба. При этом используют специальную крепь – деревянные костры треугольной или прямоугольной формы. Костры располагают в один или два ряда и переносят по мере подвигания забоя. Плавное опускание применяют при недробящихся породах кровли.

При удержании кровли на кострах, которое практикуется наряду с плавным опусканием, применяют также специальную крепь из костров, которые, однако, не переносятся. Эти костры выкладываются через каждые 4-6 м по падению и 1,8-2,7 м по простиранию.

При управлении горным давлением частичной закладкой выработанного пространства для поддержания кровли в выработанном пространстве возводят бутовые полосы, располагаемые на определенном расстоянии друг от друга. Породу для возведения бутовых полос получают в специально проводимых бутовых штреках.

Управление горным давлением полной закладкой выработанного пространства предусматривает заполнение его закладочным материалом (горной породой).

Из лавы уголь поступает на транспортерный 9 (откаточный) штрек (рис.5.1), по которому его доставляют к грузовому стволу для подъема на поверхность. Подъем угля производят в скипах, куда уголь поступает из загрузочных бункеров. В бункера уголь поступает из конвейерных линий или опрокидывателей вагонеток.

Все описанные операции – выемка угля, транспортирование, крепление, управление горным давлением составляют один цикл работы. По завершении его механизмы перемещают, и очередной цикл вновь начинают с выемки угля. Таким образом, рабочее место в шахте не является постоянным, а постепенно перемещается, что, естественно, усложняет производственный процесс и затрудняет полную его механизацию.

На каждой шахте ежегодно проходят многие километры подземных выработок различного поперечного сечения: трапециевидного, арочного, прямоугольного, круглого. А на всех шахтах Украины протяженность ежегодно проходимых подземных выработок достигает нескольких тысяч километров.

Скорость проведения подготовительных выработок достигает 300-400 м в месяц при применении проходческих комбайнов и до 50м при применении буровзрывных работ и машинной погрузке породы.

5.4. Комплексная механизация добычи угля

На основе передвижных механизированных крепей созданы и широко применяются в очистных забоях механизированные комплексы оборудования и агрегаты, в которые помимо крепей входят узкозахватные комбайны или струговые установки, безразборные передвижные конвейеры, крепи сопряжения лавы с выемочными выработками и другие машины, и механизмы, обеспечивающие механизацию всех процессов и операций по выемке полезного ископаемого. Очистные забои, оборудованные такими комплексами, называются комплексно-механизированными, и их нагрузка достигает от 500 до 3000 т в сутки.

Типичная технологическая схема выемки угля очистным механизированным комплексом на пластах пологого и наклонного падения заключается в следующем (рис.5.4). Вдоль очистного забоя на всем его протяжении устанавливается механизированная передвижная крепь 1, которая, как указывалось, предохраняет призабойное пространство от завала породой. Под крепью вдоль забоя располагается изгибающийся скребковый конвейер 2. На раме конвейера устанавливается узкозахватный угольный комбайн 3, который на опорных лыжах может перемещаться по раме конвейера туда и обратно вдоль забоя. Перемещение комбайна достигается с помощью специальной цепи, связанной с механизмом подачи комбайна или бесцепной системы подачи. Цепь растянута по лаве и прикреплена концами к натяжному устройству и натяжному домкрату, установленным на концевых частях забойного конвейера. Каждая секция механизированной крепи с помощью гидродомкрата связана с конвейером.

Рис.5.4. Технологическая схема выемки угля очистным механизированным

комплексом: 1 – механизированная подвижная крепь; 2 – скребковый конвейр; 3 – угольный комбайн; 4–исполнительные органы; 5 – конвейер

Комбайн перемещается по конвейеру и своими рабочими (исполнительными) органами 4 (шнеками) разрыхляет полоску угля шириной до 1 м. Погрузочное устройство комбайна выполнено в виде щитков, шарнирно закрепленных по обе стороны рабочего органа. С его помощью уголь оказывается на конвейере, который скребками перемещает его к конвейеру штрека 5 (просек, углеспускные печи, целики угля на схеме не показаны).

По мере движения комбайна конвейер 2 с помощью гидродомкратов механизированной крепи вслед за комбайном (с отставанием на 12-15 м) передвигается к призабойному пространству, при этом он плавно изгибается.

Затем поочередно к конвейеру подтягиваются секции крепи. Одновременно происходит обрушение пород в выработанном пространстве (т.е. осуществляется управление кровлей).

Комбайн работает по выемке в обоих направлениях, без холостых перемещений.

Комплексы позволяют полностью устранить ручной труд в забое, резко повысить производительность труда шахтеров.

Примерная расстановка рабочих в добычную смену, когда занято 13-15 чел.: машинист комбайна и его помощник управляют комбайном, двое или четверо рабочих в (зависимости от состояния кровли) зачищают основания секций крепи впереди комбайна; двое передвигают секции крепи за комбайном; двое передвигают конвейер с отставанием от комбайна на 12-15 м, один занят на расштыбовке нижней приводной головки конвейера, двое или трое подготавливают верхнее сопряжение и задвигают конвейерную головку. Трое или четверо выполняют аналогичные работы на противоположном сопряжении лавы с подготовительной выработкой.

Производительность труда рабочего очистного забоя на маломощном пласте свыше 44 т/смену, что в 5-6 раз выше, чем при широкозахватной выемке угля комбайном “Кировец-2К”.

5.5. Вспомогательные технологические процессы

При строительстве и эксплуатации шахты приходится откачивать воду, проникшую в подземные выработки. Мощные насосы за сутки откачивают из шахты тысячи кубических метров воды. Из отдельных выработок вода по отдельным канавкам стекает в центральный водосборник, расположенный вблизи околоствольного двора, откуда насосами откачивается на поверхность.

Для нормальной работы шахты требуется наличие в ней хорошо действующего подземного транспорта, бесперебойной вентиляции и хорошего освещения.

Кроме сложного подземного оборудования, каждая шахта имеет также многочисленные сооружения и механизмы на поверхности. К ним относится надшахтное здание с высокой металлической вышкой –копром, подъемные машины, компрессоры, вентиляторы, электроподстанции, электромеханические мастерские, склады готовой продукции и др., без которых невозможна нормальная работа шахты.

Во многих случаях при шахте работает и обогатительная фабрика, на которой с помощью воды (отсадкой, промывкой) уголь освобождают от примеси пустой породы (обогащают). Обогащение угля имеет большое экономическое значение: оно улучшает его качество и удешевляет перевозку. Обогащение угля приобретает особенно большое значение в связи с механизацией угледобычи, приводящей к некоторому повышению засоренности угля породой (из-за породных прослоек, а также вследствие попадания породы из пластов, подстилающих и покрывающих разрабатываемый угольный пласт) и, следовательно, повышению его зольности. При современных масштабах добычи угля повышение его засоренности даже на 1% приводит к увеличению транспортировки балласта (породы) почти на 0,7 млн.т в год. Обогащение повышает качество угля, улучшает также технико-экономические показатели его использования.

5.6. Использование угля

Ископаемый уголь является, прежде всего важнейшим энергетическим топливом. Огромные количества его (в Украине – более 25 миллионов тонн) ежедневно сжигают в топках электростанций, отопительных установок и т.д. Но уголь – не только энергетическое топливо. Получаемый из соответствующих марок каменного угля кокс служит технологическим топливом для металлургии и некоторых других отраслей промышленности. Уголь – ценное сырье для химической переработки, для производства сотен самых разнообразных продуктов, применяемых во всех отраслях народного хозяйства, в повседневном быту и для обороны страны.

Существует несколько основных направлений технологического использования ископаемого угля: коксование, полукоксование, газификация и гидрогенизация.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Марки угля

Главный ствол

Вспомогательный ствол

Околоствольный двор

Квершлаг

Угольный комбайн

Разрезная печь

Скребковый конвейер

Обходная выработка

Механизированная крепь

Ходок

Гидродобыча

Бремсберг

Закладка

Уклон

Полное обрушение

Штрек

Посадочные стойки

Лава

Мощность пласта

Очистной забой

Угол падения пласта

Крутой пласт

Гидравлическая стойка

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Чем отличаются друг от друга ископаемые угли?

2. Перечислите марки добываемых углей.

3. Дайте краткую характеристику антрациту.

4. Укажите преимущества добычи угля открытым способом.

5. Изложите суть технологии угля открытым способом.

6. Какие горные работы выполняются при строительстве угольных шахт?

7. Перечислите основные технологические процессы при добыче угля подземным способом, изложите их сущность.

8. Назначение угольного комбайна и технология выполняемых им работ.

9. Какие преимущества имеет струговая выемка угля, ее сущность?

10. Область применения технологии выемки угля отбойными молотками и гидравлическими способом.

11. Перечислите применяемые крепи в очистных забоях и охарактеризуйте каждую из них.

12. Перечислите основные способы управления горным давлением и изложите суть каждого из них.

13. Что включает в себя механизированный комплекс для выемки угля на пологих пластах?

14. Изложите суть технологии выемки угля механизированным комплексом.

15. Как изменяются технико-экономические показатели в комплексно-механизированных лавах по сравнению с комбайновой технологией?

16. Вспомогательные процессы на угольных шахтах.

17. Использование угля.

ГЛАВА 6. ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА

6.1. Особенности нефти и ее использование

Нефть – это природная смесь углеводородов с примесью сернистых, азотных и кислородных соединений и представляет собой маслянистую жидкость обычно черного или темно-коричневого, иногда красноватого, желтого цвета (редко–бесцветная). При солнечном освещении цвет нефти изменяется (нефть флюоресцирует) и приобретает то синеватый, то зеленоватый отлив. Нефти свойствен характерный запах. Удельный вес нефти 0,83–0,97. Очень редко встречается нефть, имеющая меньший удельный вес (до 0,7) и удельный вес, больший единицы.

Одним из важнейших физических свойств нефти является ее вязкость, влияющая на качество получаемых из нефти продуктов, особенно смазочных масел.

Температура кипения и застывания у различных сортов нефти и нефтепродуктов различна и колеблется от +30 ...35 ºдо -11...-19 º , а некоторые сорта не застывают при самых сильных морозах (Сахалинская).
Легко застывающая нефть очень затрудняет ее перекачку и транспортировку по трубам, а застывающие нефтепродукты (топливо, масла) затрудняют эксплуатацию двигателей в условиях низких температур.

Нефть и топливные нефтепродукты занимают первое место среди других видов топлива по теплотворной способности. Нефтяное топливо очень удобно в использовании; подачу его в топки и двигатели легко механизировать; оно сгорает полностью и не образует золы.

Экономическая эффективность использования нефтяного топлива обусловлена не только его свойствами, но и относительной дешевизной, что объясняется сравнительно малой трудоемкостью процесса добычи нефти, которая в несколько раз ниже трудоемкости добычи угля.

Наиболее ценными видами топлива являются некоторые продукты переработки нефти – бензин, керосин, газойль, соляровое масло, причем все они используются в двигателях внутреннего сгорания, имеющих относительно высокий коэффициент полезного использования топлива. Получаемый при перегонке нефти мазут является высокоценным котельным топливом. Нефть известна людям с древнейших времен, но ее применение очень долгое время было крайне ограничено. Расцвет нефтяной промышленности начался со времени появления и широкого применения двигателей внутреннего сгорания, работающих на жидком топливе. Постоянно растущий спрос на нефтепродукты вызывал усиленные поиски нефти, совершенствование способов ее добычи, переработки и транспортировки. В результате изучения ее физических и химических свойств открылись широчайшие возможности использования нефти и продуктов ее переработки не только как .топлива, но и как ценнейшего сырья для химической промышленности, для производства сотен и тысяч веществ с самыми различными свойствами.

Из нефти и ее продуктов в настоящее время кроме топливной группы (бензина, керосина и др.) и смазочных масел получают также парафин, нафталин, вазелин, вещества для пропитки древесины от гниения, дезинфицирующие вещества, сажу для резиновой промышленности и для изготовления типографской краски, красители для текстильной промышленности, взрывчатые вещества, фармацевтические препараты, душистые вещества, смолы, которые в свою очередь служат исходным материалом для производства различных пластмасс, фотопленок, синтетического волокна и т. д. Из нефтепродуктов получают жирные кислоты, которые в производстве мыла заменяют натуральные жиры, получают также спирты, синтетический каучук, асфальт и др.

Нефть представляет собой сложную смесь различных химических соединений. Она состоит из 84-85% углерода и 12-15% водорода. Углерод и водород образуют в нефти многочисленные соединения–углеводороды. В незначительном количестве нефть содержит и другие элементы, например, кислород, азот, серу, образующие ряд сложных соединений.

6.2. Условия залегания нефти и бурение скважин

В благоприятных условиях нефть скапливается в соответствующих горных породах (коллекторах), отличающихся трещиноватостью или пористостью и способных вмещать огромные ее количества. Единичное скопление нефти в коллекторе называют залежью нефти, а их совокупность в каком-либо участке земной коры образует нефтяное месторождение. По трещинам и порам горных пород нефть может перемещаться, что создает возможность ее притока к местам добычи.

Нефть добывают из скважин – узких отверстий, пробуренных в горных породах до нефтеносного пласта.

Для прохождения скважины вращательным (роторным) бурением, строят специальные буровые вышки (рис. 6.1). На вышке устанавливают двигатель, сообщающий вращательное движение ротору – тяжелому стальному диску с квадратным отверстием в центре.

Рис. 6.1. Схема установки для вращательного бурения

1 – стальные обсадные трубы: 2 – лебедка: 3 – двигатель лебедки; 4 – вертлюг: 5 – талевый канат; 6 – талевый блок; 7 – крюк; 8 – гибкий шланг; 9 – ведущая труба (квадрат); 10 – ротор; 11 – вышка; 12 – буровой насос; 13 – двигатель насоса; 14 – приемный чан; 15 – бурильные замки (соединения бурильных труб); 16 – бурильные трубы; 17 – цементная оболочка вокруг обсадных труб; 18 – турбобур (при роторном бурении он не устанавливается); 19 – шарошка.

Ротор вращает пропущенную через квадратное отверстие такого же сечения трубу, подвешенную одним концом на вертлюге. Вертлюг висит на крюке, прикрепленном к стальному канату, пропущенному через талевую систему блоков (подъемный механизм). Ротор вращает подвешенную бурильную трубу, на нижнем конце которой укреплен буровой инструмент – долото, шарошка, коронка (рис. 6.2) – диаметром, несколько превышающим диаметр бурильной трубы. Буровой инструмент изготовляют из особо твердых сталей и сплавов. Для бурения очень твердых пород используют также алмазные насадки.

Рис. 6.2. Бурильные инструменты

1 – коронка; 2 – долото; 3 – шарошка

По мере прохождения скважины ее укрепляют, опуская в неё обсадные трубы, которые тоже постепенно наращивают.

Разрушаемую в процессе бурения породу извлекают на поверхность нагнетанием в скважину через колонну бурильных труб под давлением специального глинистого раствора. Омывая буровой инструмент, глинистый раствор поднимается на поверхность, проходя между колонной бурильных труб и стенками скважины. Постоянно циркулируя, глинистый раствор охлаждает буровой инструмент, который при работе (особенно в твердых породах) сильно нагревается, и одновременно смачивает дно скважины и размягчает породы, облегчая тем самым бурение. Затем, поднимаясь вверх, глинистый раствор увлекает с собой со дна скважины частицы разрушенной породы и выносит их на поверхность. Соприкасаясь со стенками скважины и проникая в ее поры, он отлагает на них слой глины, покрывает их как бы слоем штукатурки, что способствует их укреплению.

При бурении в твердых породах вместо глинистого раствора можно применять чистую воду. Техника роторного бурения позволила проходить скважины глубиной в сотни и даже тысячи метров. Однако с нарастанием глубины скважин все более проявляется весьма существенный недостаток этого способа – вращающаяся колонна бурильных труб с углублением скважины становится все тяжелее и требует больших усилий для ее вращения. При этом значительная часть мощности двигателя расходуется не на вращение собственно бурового инструмента, а на вращение тяжелой колонны труб. Чтобы трубы не обрывались, необходимо их выполнять из очень прочного металла.

Широко применяется относительно новый метод бурения скважин, состоящий в том, что двигатель непосредственно соединен с буровым инструментом и опущен в скважину. В качестве двигателя применена малогабаритная многоступенчатая турбина, приводимая в движение глинистым раствором. Новая буровая машина получила название турбобура. При этом способе бурения колонна бурильных труб, опускаемая в скважину, не вращается, она только поддерживает турбобур и осуществляет поступательные движения его вниз и вверх по скважине. Следовательно, бурильные трубы могут быть менее прочными и более легкими.

Применяется также электробур, в котором вместо турбины с буровым инструментом непосредственно опускается в скважину особой конструкции электромотор. Электроэнергия к нему подается по проводникам, вмонтированным в разборную колонну бурильных труб.

Способы бурения при помощи турбобура и электробура, позволяющие проходить скважины глубиной до 5 тыс. м и более, уже широко применяются в нефтяной промышленности. Они высоко оценены и применяются также в зарубежных странах.

В настоящее время большую актуальность приобретает задача сверхглубокого бурения, так как, по новейшим представлениям нефтяной геологии, на глубинах от 5 до 10 тыс. м концентрируются наиболее значительные запасы нефти.

Благодаря совершенствованию техники скорость бурения скважин чрезвычайно выросла. Роторное бурение позволило увеличить скорость бурения до 4000 м и более в год. Применяя новейшие способы бурения, буровые мастера-скоростники проходят скважину в 2000 м менее чем за месяц

После того как скважину доведут до нефтяного пласта и вскроют его, ее окончательно закрепляют цементацией: все промежутки между обсадными трубами и стенками скважины заполняют цементным раствором.

Современная техника бурения позволяет бурить не только вертикальные и прямые скважины, но также наклонные и кривые. Это имеет очень важное значение в тех случаях, когда непосредственно над местом залегания нефти невозможно заложить скважину. В результате проходки наклонных или кривых скважин создается возможность для извлечения нефти, расположенной под важными постройками, удаление которых нецелесообразно, и даже под морским дном..

Применение наклонных скважин позволяет из одной буровой вышки проходить до 10-12 скважин (кустовое бурение), что удешевляет буровые работы.

Для получения нефти, залегающей под морским дном, бурение скважин производят и в открытом море с искусственно сооружаемых на сваях островков. На них располагают не только буровые вышки, но и благоустроенные поселки нефтяников. Такие островки созданы, например, на Каспийском море в районе Баку (Азербайджан).

На бурение скважин расходуется значительная часть капиталовложений в нефтяную промышленность. Снижение себестоимости нефти требует прежде всего снижения затрат на проходку скважин. Главным путем удешевления буровых работ является уменьшение диаметра скважин. До последнего времени диаметр буровых скважин обычно достигал 25-35 см, а сейчас бурят и скважины диаметром 15-18 см. Бурение скважин уменьшенного диаметра дает большой экономический эффект; мощность буровой установки снижается примерно в 1,5 раза; сокращается расход труб, цемента, глинистого порошка, реагентов и др. Вдвое уменьшается вес буровой установки, что дает экономию металла и облегчает транспортировку этих установок. Все это способствует ускорению как разведочного, так и эксплуатационного бурения, ускоренному развитию добычи нефти и снижению ее себестоимости.

6.3. Извлечение нефти на поверхность

При наличии в нефтяном пласте достаточного давления, создаваемого нефтяными газами и пластовой водой, нефть поднимается по скважине и изливается на поверхность. При сильном давлении скважина фонтанирует, причем фонтаны нефти иногда отличаются огромной силой и выбрасывают в сутки тысячи тонн нефти. Если фонтан укротить и направить нефть по трубам в резервуары, то эксплуатация такой фонтанирующей скважины оказывается наиболее дешевой, так как в этом случае необходимо только регулировать поступление нефти из скважины. Такая технология добычи наиболее широко применяется в странах Ближнего Востока.

1 – усмоктувальний клапан;

2 – нагнітальний клапан;

3 – насосні штанги;

4 – тройник; 5 – сальник; 6 – балансир;

7, 8 – кривошипно-шатунний механізм;

9 – двигун.

Рис. 3.7. Схема установки для видобування нафти з використанням штангових глибинних насосів.

Когда давление в пласте падает, и скважина перестает выбрасывать нефть, то в таких случаях используют глубинонасосный способ. В скважину опускают поршневой или электрический насос до погружения его в нефть (рис. 6.3).

Приводимый в вертикально-поступательное движение поршень (плунжер) при помощи системы всасывающих 1 и нагнетательных клапанов 2 засасывает нефть в цилиндр насоса и выталкивает ее вверх в насосную трубу, по которой она поступает на поверхность. Движение поршня осуществляется при помощи насосной штанги3, которая соединена с балансиром6 станка-качалки. Когда станок-качалка работает, его балансир совершает движения вверх-вниз; вместе с балансиром такие же движения совершает и насосная штанга, двигающая поршень насоса. Станок-качалка и насос работают автоматически, качая нефть круглосуточно в течение нескольких месяцев, до очередного ремонта. Таким способом добывается наибольшее количество нефти в странах СНГ.

Для принудительного подъема нефти из скважины применяют наименее распространенный компрессорный или эрлифтный метод. Сущность его заключается в том, что в скважину опускают две трубы (одну в другую), через одну из которых в скважину нагнетают нефтяной газ. Устремляясь вверх по другой трубе, нагнетаемый газ создает дополнительную подъемную силу, под действием которой нефть изливается из скважины и направляется к резервуарам (рис. 6.4).

Как уже отмечалось, приток нефти к скважине и ее фонтанирование являются результатом существующего пластового давления.

Когда нефтяной пласт частично выработан, пластовое давление падает, и нефть перестает притекать к скважине, применяют так называемые вторичные методы добычи – методы оживления скважин. Сущность их заключается в искусственном повышении пластового давления, в сообщении нефтяному пласту дополнительной энергии, под действием которой вновь начинается приток нефти к скважине и даже ее фонтанирование. Для этой цели по старым скважинам или по скважинам, специально заложенным, в нефтяной пласт под большим давлением закачивают воду. Если воду закачивают в пласт через скважины, расположенные по внешним границам нефтяной залежи, то метод называют законтурным заводнением. В этом случае создаваемое давление (12-13 МПа) направлено к центру залежи и оживляет скважины, расположенные в ее центральной части. Если же закачку воды ведут через скважины центральной части нефтяной залежи, т. е. методом внутриконтурного заводнения, вода разделяет залежь на части и создает ряд изолированных очагов высокого пластового давления, обеспечивающих приток нефти к расположенным на них скважинам. Такой метод применяют на месторождениях, занимающих большие площади.

Применение вторичных методов добычи нефти экономически чрезвычайно эффективно. Они резко повышают производительность (дебит) скважин, а также степень извлечения нефти из залежи и, следовательно, использования нефтяных ресурсов. При естественном фонтанировании скважин можно использовать не свыше одной трети содержащейся в залежи нефти. Применение насосного и компрессорного методов повышает отбор нефти из пласта. Применение же новейших, наиболее прогрессивных методов законтурного и внутриконтурного заводнения позволяет извлекать до 70% содержащейся в залежи нефти. При этом во много раз сокращается продолжительность эксплуатации залежи.

Искусственное поддержание пластового давления, обеспечивающее фонтанирование скважин, не только повышает отбор нефти из пласта, но и требует для этого значительно меньшего числа скважин. Там, где вторичные методы добычи не применяют, эксплуатационные скважины располагают очень часто на расстоянии 100-150 м одна от другой; при этом на одну скважину приходится только 2-3 га нефтяной площади. При искусственном поддержании пластового давления скважины располагают на расстоянии в несколько сотен метров одна от другой, а эксплуатируемая одной скважиной нефтеносная площадь возрастает в десять раз. При высокой стоимости и длительности буровых работ сокращение числа скважин дает огромную экономию средств и ускоряет разработку месторождений нефти.

На законтурное и внутриконтурное заводнение расходуется огромное количество воды. Таким образом, большую актуальность приобрела проблема водоснабжения нефтяных промыслов. Искусственное поддержание пластового давления путем закачки в пласт воды практически может широко применяться лишь в районах, хорошо обеспеченных водой. Там, где местные источники водоснабжения недостаточны, приходится использовать водные ресурсы других районов, что усложняет и удорожает водоснабжение.

В отдельных случаях, когда нефть залегает сравнительно неглубоко и отличается большой вязкостью, препятствующей подъему ее по трубам, добычу производят при помощи шахт, вскрывающих нефтеносный пласт. При этом нефть скапливается в шахте и оттуда ее извлекают на поверхность. В подобных случаях практикуется также комбинированная добыча при помощи шахты и скважин: из заложенной шахты в разные стороны проходят скважины, облегчающие приток нефти в шахту. Условия, требующие шахтной добычи нефти, часто встречаются в районах вечной мерзлоты (способствующей увеличению вязкости нефти), например в Ухтинском нефтепромысловом районе (Россия).

6.4. Хранение и транспортировка нефти и нефтепродуктов

Техника хранения и транспортировки нефти и нефтепродуктов имеет большое значение в экономике и географии нефтяной промышленности.

Для хранения нефти и жидких нефтепродуктов в настоящее время применяют резервуары емкостью до 10 тыс. т, изготовленные из листовой стали. Такие резервуары различных размеров применяют на нефтепромыслах и нефтеперерабатывающих заводах, на нефтебазах у железнодорожных станций и пристаней, в крупных автомобильных хозяйствах, совхозах.

Крупные резервуары – это не простые сооружения. Они оборудованы клапанами, поддерживающими в них нормальное давление, оросителями холодной водой для охлаждения в летнее время, снабжены противопожарным оборудованием и различными контрольно-измерительными приборами. Особые требования предъявляются к резервуарам для хранения бензина; они должны выдерживать внутреннее давление до 0,6 МПа, так как бензин во избежание испарения хранят под давлением.

Нефть и жидкие нефтепродукты транспортируют различными средствами. Наиболее дешевый способ транспортировки нефти – в наливных судах – танкерах, которые составляют уже более 36% тоннажа мирового морского флота. Тоннаж отдельных танкеров достигает сотен тысяч тонн. По рекам нефть перевозят в самоходных и буксируемых наливных баржах.

Второе место по дешевизне транспортировки нефти и ее жидких продуктов занимают трубопроводы (нефтепроводы и продуктопроводы), имеющие протяженность в десятки, сотни и тысячи километров. Транспортировку нефти по магистральным трубопроводам осуществляют непрерывным перекачиванием ее от одной насосной станции к другой. Насосные станции располагают через каждые 50-100 км. Диаметр магистральных трубопроводов свыше 1000 мм, а давление при перекачке – до 5 МПа и более. Скорость движения нефти в трубопроводе обычно 1-1,5 м/с; она зависит от технического состояния трубопровода, вязкости и удельного веса перекачиваемой нефти. По продуктопроводу возможна последовательная перекачка различных нефтепродуктов.

Немалое количество жидких нефтепродуктов перевозят и по железным дорогам в специальных цистернах. Такая перевозка обходится значительно дороже из-за сравнительно небольшой емкости цистерн и, кроме того, из-за того, что в обратном направлении цистерны всегда следуют порожняком.

Для снабжения нефтепродуктами мелких потребителей используют специальные автомобильные цистерны.

6.5. ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ ГАЗА

Виды горючих газов. В Украине создана и развивается новая крупная отрасль промышленности – газовая, использующая огромные запасы природных горючих газов Прикарпатья и Юго-востока Украины (Шебелинка), а также искусственные (промышленные) горючие газы. К искусственным относят газы, получаемые переработкой (газификацией) твердого топлива, а также коксовые газы, крекинг-газы, доменные газы и др. Хотя производство искусственных газов имеет довольно значительные объемы, удельный вес их в общей добыче и потреблении газов в стране невелик.

К природным газам относят, прежде всего газы, своим происхождением связанные с нефтью. Вместе с нефтью всегда добывают нефтяные или попутные газы. Во многих случаях насыщенность нефти газом очень высока: на одну тонну нефти попутно добывают 100-150 м2газа. Месторождения, в которых нефть отличается высоким содержанием газов, называют нефтегазовыми.

Наибольшее значение имеют чисто газовые и газоконденсатные месторождения, своим происхождением также связанные с нефтью. Будучи очень подвижными, газы легко перемещаются по пористым и трещиноватым породам и в удобных для этого местах часто скапливаются в огромных количествах. Такие свободные (в отличие от нефтяных) газы составляют подавляющую часть ресурсов природного газа.

Практическое значение имеют и шахтные или рудничные газы. Они выделяются из угольных пластов и скапливаются в шахтах. Дегазация шахт, т.е. удаление из них газа, является одним из важнейших условий нормальной их эксплуатации (рудничные газы, содержащие метан, вредны для здоровья людей и опасны в отношении взрывов и пожаров). Из угольных шахт ежегодно удаляют десятки миллионов кубометров газа. Использование этого горючего газа приобретает большое промышленное и коммунально-бытовое значение, особенно в таких крупнейших угольных бассейнах, как Донецкий, Приднепровский и Львовско-Волынский.

Однако основу современной газовой промышленности составляет добыча и транспортировка свободных природных газов. Природные газы являются самым дешевым и вместе с тем высокотеплотворным топливом. На 1 т условного топлива в виде природного газа затрачивается в 20 раз меньше труда, чем на добычу такого же количества топлива в виде угля, и в 5 раз меньше, чем на добычу 1 т условного топлива в виде нефти. Экономически очень эффективна и транспортировка газа по газопроводам, себестоимость которой во много раз ниже себестоимости перевозки любого другого вида топлива (особенно твердого).

Состав природных газов и их использование. Природные газы – это смесь различных газообразных углеводородов, из которых до 98% составляет метан СН4. В попутных нефтяных газах содержание метана ниже (50–90%) и соответственно выше содержание других углеводородов – этана, пропана и бутана.

Кроме углеводородов, в природном газе содержится некоторое количество азота, кислорода, водорода, окиси углерода, углекислого газа, сероводорода и других веществ в газообразном состоянии.

Природные газы, будучи дешевым и удобным в использовании топливом, в настоящее время уже широко используют как коммунально-бытовые потребители, так и главным образом промышленность.

Наибольшее значение имеет использование газа в качестве топлива на электростанциях и в промышленной энергетике, где сейчас потребляется много добываемого в стране газа. С каждым годом расширяется применение газа в металлургии, цементной промышленности, машиностроении и других отраслях. Замена газом других видов топлива на тепловых электростанциях и в технологических процессах многих производств дает экономию топлива и труда, упрощает и интенсифицирует производственные процессы, уменьшает загрязненность атмосферы продуктами горения и т.д.

Большие перспективы имеет использование природных газов в качестве сырья для химической промышленности. Содержащиеся в газе углеводороды можно переработать в важнейшие химические продукты (аммиак, ацетилен, метанол, сажу и др.). На основе природного газа производят наиболее дешевые азотные удобрения.

Добыча, транспортировка и хранение природного газа.Простота передачи газов на большие расстояния позволяет значительную часть их использовать вдали от мест добычи. Для этой цели сооружают магистральные газопроводы протяженностью в сотни и тысячи километров.

Первые магистральные газопроводы прокладывали из труб малого диаметра (300-500 мм). Новые газопроводы сооружают – из труб диаметром 1000-1400 мм и более. Увеличение диаметра газопровода резко повышает его пропускную способность и сокращает относительный расход металла и капиталовложений на единицу мощности (пропускной способности) газопровода, снижает себестоимость транспортировки газа.

Технический прогресс значительно ускорил строительство газопроводов, которые сооружают теперь в несколько раз быстрее, чем 20-30 лет назад. Специальные машины (роторные экскаваторы) роют траншеи; другие машины подвозят трубы, сваривают их, очищают от ржавчины, покрывают особым антикоррозионным раствором и слоем изоляции (битумом, синтетической пленкой, специальной бумагой), укладывают подготовленные трубы в траншею и засыпают её.

Добычу, транспортировку и хранение природного газа осуществляют следующим образом. Для вскрытия газоносного пласта пробуривают скважины, через которые благодаря пластовому давлению (иногда достигающему 20-24 МПа и более) газ устремляется на поверхность. Если на газовом месторождении есть несколько скважин, то их связывают специальным газосборным кольцом, к которому подключены отдельные газовые скважины. Газ из всех скважин поступает на головную компрессорную станцию. Здесь его сушат и очищают от сероводорода.

В течение первых 2-5 лет происходит опытно-промышленная эксплуатация газовой залежи, в ходе которой уточняют свойства пласта, запасы газа, продуктивность скважины, степень подвижности пластовых вод. В это время бурят скважины и ведут освоение газового промысла. Для извлечения газа из недр, его сбора, учета, транспортировки готовят к эксплуатации скважины и наземное оборудование. Одновременно добывают 10-20% от общих запасов газа.

В процессе второго периода длительностью до 10 лет идет промышленная разработка, при которой добывают около 60% запаса газа. Для поддержания объема добычи на определенном уровне бурят новые эксплуатационные скважины, т.к. отбор газа из ранее пробуренных постепенно снижается. При снижении давления в скважине вводят в действие дополнительную компрессорную станцию, повышающую давление газа, отбираемого из залежи.

Третий период разработки месторождений не ограничен во времени и длится до исчерпания запасов. В этот период проводят мероприятия по увеличению добычи газа из скважин: расширяют каналы скважин с помощью обработки соляной кислотой или гидропескоструйным методом; производят обратную закачку газа, из которого удалены тяжелые углеводороды, в залежи по нагнетательным скважинам закачивают воду (обводнение).

Общая разработка газовой залежи длится 15-20 лет. В отличие от твердого и жидкого топлива природный газ должен сразу направляться непосредственно к потребителю. Поэтому добыча газа представляет собой комплексный процесс, состоящий из его добычи и транспортировки.

Очищенный газ под давлением в 5,5–7,5 МПа, сообщаемым компрессорами головной станции (если пластовое давление недостаточно велико), направляют в магистральный газопровод. Компрессорные станции располагают на газопроводе через каждые 100–150 км. Пройдя это расстояние, газ имеет давление уже только в 3-4 МПа. Очередная компрессорная станция вновь поднимает давление газа в магистрали. Так, от одной компрессорной станции к другой газ передают на тысячи километров.

На подходе к большому городу газопровод обычно разветвляется на два полукольца, что улучшает распределение газа по городским газовым сетям и способствует поддержанию в них равномерного давления. Перед поступлением в городскую газовую сеть не имеющий запаха природный газ проходит через специальную одорирующую установку, в которой он получает определенный запах. Это необходимо для быстрого обнаружения случаев утечки газа из сети, что делает безопасным пользование им. Иногда одорирование производят на промышленной газораспределительной станции.

Для хранения горючего газа иногда сооружают огромные резервуары, называемые газгольдерами. Однако удобнее хранить газы в сжиженном виде. При температуре –160° С и большом давлении природный газ переходит в жидкое состояние и занимает при этом объем в 600 раз меньший, чем в газообразном состоянии. Значительно легче (при обычной температуре и сравнительно невысоком давлении) сжижаются пропан и бутан, выделяемые из нефтяных газов.

Перевозится сжиженный газ в специальных цистернах и баллонах. Применение сжиженного газа позволяет газифицировать города, к которым газопроводы еще не проложены, и снабжать газом небольших потребителей, к которым из-за небольшого объема потребления газа прокладка газопровода невыгодна.

Самыми емкими и удобными являются подземные хранилища газа. Хранение газа в них обходится в 250 раз дешевле, чем в газгольдерах. В качестве таких хранилищ можно использовать различные подземные выработки, в которые под большим давлением закачивают газ, герметически изолируемый от атмосферы.

Более экономичными газохранилищами являются истощенные (выработанные) газовые и нефтяные месторождения, в пористые пласты которых можно закачивать огромное количество сжатого газа. Находясь под большим давлением, этот газ легко выделяется и по скважине поступает в газопроводную сеть.

Для хранения газа используют также и водоносные пласты, в которые закачивают газ, оттесняющий из пласта воду. Газохранилища в водоносных пластах наиболее распространены в странах СНГ. Они созданы около крупнейших городов.

Крупные газохранилища имеют большое значение в регулировании добычи и потреблении газа: при снижении потребления газа его излишки направляют в хранилище, откуда он поступает в газопроводную сеть, когда расход газа значительно возрастает.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Углеводороды

Топливные нефтепродукты

Газойль

Мазут

Коллектор

Залежь нефти

Вращательное бурение

Ротор

Шарошка

Турбобур

Электробур

Цементация

Пластовая вода

Эрлифтный метод

Штанговый насос

Законтурное заводнение

Танкер

Природный газ

Газоконденсатное месторождение

Магистральные газопроводы

Газгольдер

Сжиженный газ

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Физические и химические свойства нефти.

2. Продукция из нефти.

3. Особенности пород, вмещающих нефть.

4. Раскройте сущность бурения нефтяных скважин.

5. С какой целью выполняют цементацию нефтяных скважин?

6. Изложите сущность способов извлечения нефти на поверхность.

7. Раскройте необходимость и сущность вторичных методов добычи нефти.

8. Хранение нефти перед транспортировкой.

9. Транспортирование нефтепродуктов к потребителям.

10. Виды горючих газов.

11. Классификация газовых месторождений

12. Использование шахтных газов.

13. Состав природных газов и их использование

14. Добыча, транспортировка и хранение природного газа.

Глава 7. Система ТЕХНОЛОГИй МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

7.1. Понятие о металлургическом заводе и комбинате

Металлургия – это область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающая процессы получения металлов из руд и других материалов, а также процессы, связанные с изменением химического состава, структуры и свойств металлических сплавов. К металлургии относятся: добыча руд из недр Земли; предварительная подготовка и обработка этих руд; процессы получения и рафинирования металлов и металлических сплавов; придание им определенной формы путем получения слитков, заготовок при отливке, обработки металлов давлением; термическая, термомеханическая, химико-термическая и другие виды обработки металлов и сплавов для придания им соответствующих свойств.

Черная металлургия – это отрасль тяжелой промышленности, состоящая из ряда взаимосвязанных подотраслей: добыча, подготовка железорудного сырья, собственно металлургическое производство (доменное, сталеплавильное, прокатное, ферросплавное), трубное, метизное, коксохимическое производст