CN102094670B - 二氧化碳置换矿井采空区瓦斯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤炭开采领域，涉及用二氧化碳置换矿井采空区瓦斯的方法。本发明的方法包括：(1)选择瓦斯浓度≥40％的已封闭的采空区作为置换采空区；(2)在置换采空区下部区域密闭上预留管道口与二氧化碳产生装置之间铺设二氧化碳进气管，将二氧化碳输送到置换采空区，二氧化碳输入速度为5～10m3/h；(3)在置换采空区上部区域密闭上预留管道口或瓦斯抽放口与瓦斯利用装置之间铺设瓦斯输出管，将瓦斯从置换采空区抽出，抽出速度为5～10m3/h；(4)至置换采空区中瓦斯浓度＜10％时，置换完成。本发明的方法有效地抽采置换采空区瓦斯并封存二氧化碳。
Description
技术领域
本发明属于煤炭开采领域，涉及用二氧化碳置换矿井采空区瓦斯的方法。
背景技术
在煤炭开采过程中，会形成大量的采空区，有的采空区空间可达百万立方米，多个相邻的采空区总体积可达千万立方米以上。采空区被冒落带顶板岩石等充填，由于采空区上方覆盖着厚厚的基岩及地表松散层，为防止采空区漏风发生采空区自然发火现象，还对所有通向采空区的巷道等出口施工防火密闭，采空内的气体由于没有向外泄出的通道，可在内部长期封存。其中煤层中赋存大量瓦斯涌到采掘空间，给煤矿安全生产带来严重危害。目前在煤层瓦斯在开采过程中涌出形式主要有以下几种：一是通过抽放管路被抽采出来，二是随矿井风流带到地面排到大气中，三是在采煤时瓦斯充填于工作面后方采空区。从总体来看，这三种瓦斯涌出形式中抽放与矿井风流携带的瓦斯约占总量的50％左右，采空区充填的瓦斯占总量近50％，不同的矿井由于煤层瓦斯赋存条件不同、开采方法及瓦斯流通量措施等差异，所占比例也有所不同，但采空区充填大量的瓦斯是共同要面对的课题。采空区存在大量瓦斯的原因是：工作面回采过程中，煤层中瓦斯释放出来后向上浮动到采空区冒落带和裂隙带贮存起来；采空区遗煤中的瓦斯解析出来充填于采空区；邻近煤层及岩层中瓦斯受采动影响，在瓦斯压力的作用下释放到采空区。在高瓦斯矿井中，一般来说采煤工作面采空区在工作面采煤结束并封闭完一段时间后，采空区中的瓦斯浓度很高，一般都在50％以上，甚至接近100％。
采空区虽然贮存了大量高浓度的瓦斯，但由于绝大部分采空区都存在较为严重的浮煤自燃发火隐患，为防止空气进入采空区，所以一般不会采取直接抽取采空区瓦斯的方法来应用这一部分瓦斯。采空区瓦斯贮存时间较长后，由于采空区瓦斯不断增加，采空区瓦斯压力有时会比较大，为防止采空区瓦斯在压力作用下涌进相邻采煤工作面而带来瓦斯隐患，会采取自然卸压的方法来降低采空区瓦斯压力，即利用采空区预留在采空区密闭上，伸向采空区内部的管道卸压采空区内部瓦斯压力，而采空区仍维持很高的瓦斯浓度，以防止采空区浮煤发生自燃。
但现有的已采完并封闭后的采空区瓦斯利用率很低，基本为0。由于从采空区直接抽取瓦斯易使采空区周围巷道及采场空间的空气等进入采空区，使采空区浮煤自燃发火危险加大，加上采空区内瓦斯浓度很可能在爆炸范围之内，极易发生采空区瓦斯爆炸事故，由于煤炭开采时，在矿山压力的作用下，大量采空区很可能都互相连通，且与正在开采的采煤工作面后方采空区连通，爆炸及火灾可能影响到正在开采的工作面，可能给矿井安全生产带来很大影响。
对采空区瓦斯进行处理的另一种方式是利用二氧化碳置换。
煤矿井口附近一般都有电厂等用煤大户，至少也有较大型的燃煤锅炉等耗煤量较大的设备。这些设备在燃煤过程中要释放大量的二氧化碳，并直接排放到大气中，对大气环境造成破坏。随着人类对二氧化碳温室效应的认识，近年来要求减少二氧化碳排放的呼声越来越高，也有少量的企业开始对产生的二氧化碳进行处理，目前主要的方法为通过向地下岩层打钻，向地下岩层裂隙中压注二氧化碳。
向地下岩层裂隙中压注二氧化碳的封存技术成本很高，难以被用户接受。主要有：首先要勘探地下岩层中裂隙情况，找到裂隙发育的区域，然后打压注钻孔，为压注创造条件；其次是燃煤设备等烟气中除了含有大量的二氧化碳，还有大量的氮气，由于地层裂隙空间毕竟有限，勘探及施工钻孔成本也很高，为提高二氧化碳压注量，要考虑采取高压压注手段，以提高二氧化碳在地下裂隙水体中的溶解度，甚至采取液态压注手段等。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用二氧化碳置换矿井采矿区瓦斯的方法。
对地面燃煤锅炉等燃烧过程中产生的二氧化碳，采用管道向井下输送到已封闭并富集大量高浓度瓦斯采空区的下部区域，经采空区密闭上预设的伸向采空区内的管道输送到采空区内。在此采空区的上部区域的密闭上设置伸向采空区内的瓦斯释放管道，收集从采空区释放出来的瓦斯，并输送到地面的变压吸附分离等瓦斯利用设备。由于瓦斯气体比二氧化碳轻得多且采空区气流基本上处于停滞状态，二氧化碳从采空区下方注入采空区后会自然在采空区下部区域贮存，并随二氧化碳注入量的不断增加而向采空区上部区域扩张，直至充满整个采空区。由于注入的二氧化碳挤压缩了原采空区瓦斯的贮存空间，瓦斯会自然上浮，并富集在采空区上部区域空间。通过上部区域的密闭或钻孔等手段收集这一区域富集的采空区瓦斯，从而实现在二氧化碳封存的同时，置换出原采空区中的瓦斯并加以利用。二氧化碳注入采空区后，由于二氧化碳属于惰性气体，可以很好地抑制采空区浮煤自燃，消除了采空区自燃发火隐患。
本发明的方法具体过程为：
1、选择瓦斯浓度≥40％的已封闭的采空区作为置换采空区。瓦斯浓度测定采用本领域已知的技术。
优选地，置换采空区空间体积一般在百万级立方米以上，可置换总空间应在千万级立方米以上，以保证项目经济效益。
优选地，置换采空区为采完后彻底封闭的采区或盘区，采区或盘区内断层、陷落柱等构造较少、置换采空区邻近层尚未开采或受邻近层开采影响较小，这样的置换采空区有较好的密闭性，以保证置换效果。如有断层等较明显的漏风通道可采取在其上方打钻抽取瓦斯等措施以保证置换效果。
2、在置换采空区下部区域密闭上预留管道口与二氧化碳产生装置之间铺设二氧化碳进气管，将二氧化碳输送到置换采空区，二氧化碳输入速度为5～10m3/h。
优选地，二氧化碳在置换采空区扩散后流速≤0.012m/s。
优选地，采用压注方式将二氧化碳输送到置换采空区，年压注量≤2000吨。
3、在置换采空区上部区域密闭上预留管道口或瓦斯抽放口与瓦斯利用装置之间铺设瓦斯输出管，将瓦斯从置换采空区抽出，抽出速度为5～10m3/h。
4、至置换采空区中瓦斯浓度＜10％时，置换完成。
优选地，二氧化碳进气管位于置换采空区下部区域密闭的中上部，瓦斯输出管位于置换采空区上部区域密闭的中上部，以防止置换采空区内的积水淹没管道进出口。
优选地，置换采空区下部密闭底部设有U型排水管，U型排水管弯部内应灌满水；并设置阀门，在能够顺利实现排巷道内积水的同时防止瓦斯漏出。
本发明的有益之处在于通过置换解决瓦斯抽采利用与二氧化碳封存两个问题：1、在消除了采空区自燃发火、瓦斯爆炸隐患的同时，也防止了采空区瓦斯涌向采煤工作面等采场空间而给矿井带来的瓦斯安全隐患；2、通过瓦斯抽采利用，永久性解决采空区内瓦斯向大气层扩散而破坏大气层问题，二氧化碳也得到了封存。
附图说明
图1为置换采空区侧视图，其中1为置换采空区，2为上部区域密闭，3为瓦斯输出管，4为下部区域密闭，5为二氧化碳进气管，6为U型排水管，7为阀门。
具体实施方式
结合附图和具体实施方式说明本发明，但本发明不限于以下具体实施方式。
选择瓦斯浓度为40％的采空区作为置换采空区1，将置换采空区1所有对外出口巷道全部封闭。如图1所示，分别在下部区域密闭4预留管道口与二氧化碳产生装置之间铺设二氧化碳进气管5，在上部区域密闭2预留管道口与瓦斯利用装置之间铺设瓦斯输出管3，并在下部区域密闭4的底部设置U型排水管6，U型排水管6上设置有阀门7。U型排水管6用于排出置换采空区1内的积水，并防止瓦斯漏出。
二氧化碳进气管5设置在下部区域密闭4的中上部，管径为100mm。瓦斯输出管3设置在上部区域密闭2的中上部，管径为200mm。
二氧化碳进气管5和瓦斯输出管3分别与穿过相应区域密闭的内管通过法兰连接，内管进入置换采空区0～200mm。为防止内管损坏，可将内管在采空区内的伸出密闭部分堆积矸石或打木垛，防止顶板冒落砸坏管道口；密闭内的管道应设套管，防止密闭受压变形时损坏压内管。
由于二氧化碳产生地点一般位于井口附近，管道从矿井回风系统(管路末端部分区域视矿井巷道条件不同可铺设在进风巷内)铺设至注入地点，并在铺设二氧化碳管路的矿井主要回风巷、采区回风巷(采区尚未采完情况下)等巷道中设置二氧化碳传感器，以防止泄漏造成巷道中二氧化碳气体超限(超限值为进风巷内不大于0.5％，回风巷内不大于1.5％)。
二氧化碳输送速度和瓦斯抽出速度相同，均为5m3/h，且二氧化碳在采空区扩散后流速以不大于0.012m/s为宜，以保证二氧化碳气体在置换采空区1内向上扩散时处于层流状态，提高置换效果。采用压注方式将二氧化碳输送至置换采空区内，压注正压力可达提高到1Mpa以上，年压注量一般不大于2000吨。
通过设置在地面的二氧化碳压注泵及瓦斯抽采泵向置换采空区1内压注二氧化碳并抽采瓦斯，通过地表瓦斯抽采泵管路及二氧化碳压注泵管路上的流量计观察气体流量，并用泵上的管路阀门将二氧化碳压注流量与瓦斯抽采流量调节至基本一致。
二氧化碳输送速度和瓦斯抽出速度控制在设计时将两系统设计成一个流量并用阀门进行微调。随着置换时间推移，随置换采空区1空间大小及瓦斯抽放速率不同，在置换0.5～2年时瓦斯浓度会开始下降，到瓦斯浓度低于10％时可确认置换完成。
Claims (8)
1.一种二氧化碳置换矿井采空区瓦斯的方法，包括步骤：
（1）选择瓦斯浓度≥40%的已封闭的采空区作为置换采空区；
（2）在置换采空区下部区域密闭上预留管道口与二氧化碳产生装置之间铺设二氧化碳进气管，将二氧化碳输送到置换采空区，二氧化碳输入速度为5～10m3/h；
（3）在置换采空区上部区域密闭上预留管道口或瓦斯抽放口与瓦斯利用装置之间铺设瓦斯输出管，将瓦斯从置换采空区抽出，抽出速度为5～10m3/h；
（4）至置换采空区中瓦斯浓度<10%时，置换完成；
其中，二氧化碳压注流量与瓦斯抽采流量基本一致。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，二氧化碳在置换采空区扩散后流速≤0.012m/s。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，采用压注方式将二氧化碳输送到置换采空区，年压注量≤2000吨。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述置换采空区空间体积在百万级立方米以上，可置换总空间在千万级立方米以上。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述置换采空区为采完后彻底封闭的采区或盘区。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳进气管位于置换采空区下部区域密闭的中上部，所述瓦斯输出管位于置换采空区上部区域密闭的中上部。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述置换采空区下部密闭底部设有U型排水管，排水管上设置有阀门。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳进气管管径为100mm，所述瓦斯输出管管径为200mm。
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| GR01 | Patent grant |