CN102606205B - 地下采空区的原位处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地下采空区的原位处理方法，包括如下步骤：将吸水剂和固化剂注入采空区固化包括污水在内的污物，其中固化形成的固化体支撑采空区的顶部地层。以降低地下采空区中污水对储层和地下水的危害，并且防止采空区塌陷。

Description

地下采空区的原位处理方法

技术领域

本发明涉及一种地下采空区的原位处理方法。

背景技术

煤炭地下气化技术在减少采煤设备、煤炭运输、地面气化炉等大量设施的同时，增加了地下储层塌陷、地下水受污染的风险，煤层大量的煤炭被气化以后留下较大的空间，在没有支撑的情况下，空间顶部有垮落的可能，会造成地层下移，地表下陷，危及地面构筑物；而在采空区中残留的灰渣，包含的代表性有毒金属如砷、铅、汞、镉、铯、铬，以及残余的碳氢化合物包括煤焦油、多环芳烃、和杂环成分，长期滞留在采空区中，经过地下水的浸润、冲洗，会随之迁移扩散至周围水体，造成地下水的污染。

现有技术如下：

现有技术一：

专利US11361325公开了一种地下污染原位处理方法，特别是铬铁矿开采造成的地下水污染。具体是通过钻孔向地下受污染水体注入还原性化合物包括：硫酸亚铁、硫化钠、氯化亚铁、硫化亚铁、亚硫酸钠等的一种或多种，将高价态的污染物（主要是六价铬）转化为低价态，从而降低对地下水的污染程度，在此过程中含氯有机污染物也能得到无害化处理。

现有技术二：

2009年第6期的《内蒙古水利》上发表了一篇名为“受污染地下水源的防控技术研究”，文章系统的分析了地下水水源污染的主要途径，探讨了地下水源污染防治技术与方法，主要有物理法（包括将受污水体圈闭起来的屏蔽法、在地下水流下游挖沟布置收集系统的被动收集法、通过钻孔将污染物抽提至地面处理的抽提法）、化学法（加药法、设置渗滤墙法、土壤改性法、空气吹脱法、电动力学修复）以及生物修复法等。

现有技术三：

专利US7645097公开了一种通过向地下空间充填复原地层连续性的方法，具体是至少有一步是向地下空间半充满一种物质，然后再向所述空间充填一种合成物流体，发生化学反应后膨胀充满整个地下空间。

现有技术四：

专利200910217811公开了一种泥炭作为添加介质用于石油烃污染地下水的原位修复方法，具体是功能菌和泥炭经过处理后，前者固化在后者上，再将负载功能菌的泥炭和粗砂按照一定的体积比均匀混合制备成反应墙体支撑介质，然后将反应墙体支撑介质装入可渗透性反应墙中，有效吸附地下水中的石油烃、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、萘系物，尤其对多环芳烃类的吸附效果尤为明显。

以上现有技术在某些情况下特别适用，而在煤炭地下气化采空区的污染物处理方面均有不足之处。

现有技术一能够处理的污染物相对来说比较单一，主要是通过化学氧化还原的方法将有毒的高价态铬离子还原至低价态，消除毒性，同时能够消除含氯有机物的毒性，但是，对于燃煤灰中的多种有毒金属离子以及焦油、多环/杂环芳烃等污染物的处理不起作用，还需要采用其它方法消除有毒金属离子以及焦油、多环/杂环芳烃等的污染，而且，没有关注到采空区塌陷的治理。

现有技术二涉及到很多地下污染水源的处理方法，总体上说是处理已经渗透到地层/含水层的污染物，与本发明所述储存于采空区的污染物在所处位置上略有不同，现有技术二所述的方法在处理煤炭地下气化产生的地下污水是可行的，但是需要多种方法联用，或者经济性不佳，与本发明相比一个显著的不同是它没有兼顾消除采空区塌陷带来的风险。

而现有技术三的目的在于恢复地层的连续性或者承重能力，通过充填将地下空间充实，实现能够承重。用此方法处理煤炭地下气化的采空区时，没有考虑污染物的处理。如果之前先处理污染物再充填，会导致操作复杂，成本上升，如果不处理污染物即充填，随着时间的推移，污染物会迁移扩散污染周围水体。

现有技术四从属现有技术二，采用泥炭负载功能菌添加到渗滤反应墙中，更有针对性地吸附脱除油气田地下水中的有机物。缺点在于不能实现对污染物的立体全封闭或吸附，也就是说在较大的地下范围内，污水的迁移不是在同一水平位上，可能会从反应墙的上方或下方迁移出控制区；另外，如果采用技术三不能有效兼顾避免地下采空区塌陷的风险。

已知：煤炭地下气化后留下的采空区中有大量的煤热解、气化产生的污染性组分，而且采空区中存有积水，如果不对采空区进行处理，经过较长的时间，可能会出现两大危险：1）、在地层重力作用下，采空区上部地层下沉，引起地表下陷，危及地面构筑物；2）、采空区中的污水随地下水迁移至周围水体，造成更大面积的地下水污染，进而污染饮用水体系。

为了避免地层塌陷，最好的方法是对采空区进行充填，土、砂、混凝土等是常用的充填料，但是难以控制采空区中的污水；采用超强吸水剂将采空区中的污水吸收后形成的物质，它的机械强度稍弱，在保存污水、支撑采空区上部地层方面略显能力不足。

发明内容

针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种地下采空区的原位处理方法，以降低地下采空区中污水对储层和地下水的危害，并且防止采空区塌陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种地下采空区的原位处理方法，其特征在于，包括如下步骤：将吸水剂和固化剂注入采空区中固化包括污水在内的污物，其中固化形成的固化体支撑采空区的顶部地层。

优选地，按照如下步骤将吸水剂和固化剂注入采空区中：（1）利用载气从料仓中运载吸水剂和固化剂，其中吸水剂和固化剂为粉状；（2）将运载有吸水剂和固化剂的载气注入采空区中，并且载气在脱离吸水剂和固化剂后沿既定通道排出地面；（3）在载气将预定量的吸水剂和固化剂注入采空区后，继续地鼓入脱离了吸水剂和固化剂的载气直到封闭采空区为止。

优选地，在封闭采空区后，将采空区静置一段时间促进吸水剂和固化剂对采空区中包括污水在内的污物的固化进程。

优选地，当所述的继续地鼓入脱离了吸水剂和固化剂的载气满20分钟时，才封闭采空区。

优选地，地下采空区为含水煤层气化后形成的采空区。

优选地，当地下采空区为不含水煤层气化后形成的采空区时，该方法还包括在注入吸水剂和固化剂之前向采空区中注水降温的步骤。

优选地，在所述的注水降温步骤中，当采空区中温度下降至100℃时就停止注水，其中在进行注水降温的同时将采空区中的水蒸汽从其顶部地层排出。

优选地，吸水剂和固化剂在混合后注入采空区中，或者先注入吸水剂后注入固化剂。

优选地，所述的固化包括：吸水剂吸收采空区内的污水变成含水颗粒；固化剂将含水颗粒以及采空区中残留污物固化在一起形成固化体。

优选地，吸水剂，是吸水倍率为自身质量的100倍以上且在吸水后变成固体的粉状制剂；固化剂，是将所述的由吸水剂变成的固体固化成支撑所述的用以支撑采空区的固化体的粉状制剂。

优选地，固化剂为含有粘土或普通水泥或膨润土成分的粉状制剂，吸水剂为含有亲水基团和胶联结构的淀粉系或纤维素系或合成聚合物系大分子树脂，固化剂与吸水剂的质量比是1:5～1:20。

优选地，合成聚合物系大分子树脂为聚酰胺或聚丙烯酸盐。

优选地，合成聚合物系大分子树脂为吸水倍率为250g/g（即每1克吸水剂可吸收250克水）的聚酰胺，固化剂与吸水剂的质量比为1:8；或合成聚合物系大分子树脂为吸水倍率为200g/g（即每1克吸水剂可吸收200克水）的聚丙烯酸盐，固化剂与吸水剂的质量比为1:10。

优选地，通过软管向所述采空区中注入所述固化剂和吸水剂，在注入过程中在地面上拖拽软管改变注入位置使吸水剂和固化剂在污水中均匀分散。

优选地，采空区的周围是煤层，采空区的底部是煤层底板，采空区的上部依次是煤层顶部地层、含水层、砂岩层、表土层，所述的煤层顶部地层、含水层、砂岩层、表土层一起构成顶部地层。

本发明的有益技术效果在于：本发明不仅能够将采空区中的污水隔离、控制在固化体中，无法迁移出去，而且，形成的具有一定机械强度的固化体还可以起到支撑采空区顶部地层的作用，避免采空区塌陷危及地表构筑物。

附图说明

图1示出了吸水剂和固化剂混合注入系统的一个实施例；

图2示出了充有污水的废弃的采空区；

图3示出了吸水剂和固化剂的软管注入模式；

图4示出了被固化体充填的采空区。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

煤炭地下气化是将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧，产生可燃性气体，采出地面并加以利用的技术。当气化完成以后，原煤层就变成了一个地下空间——采空区，随着采空区的变大，煤层顶板会冒落，引起地层下沉，裂隙导通上部地层。同时，在采空区中残留着大量气化过程中产生的污染性副产物——含有大量砷、硒、铅、汞、铯、铬等有毒金属离子的煤灰，包括煤焦油、多环芳烃、杂环成分等碳氢化合物，以及硫化物和氨气等。如果不进行采空区顶板支护、以及污染物处理控制的话，随着时间的推移，地下水会渗入并充满整个采空区，污染物会随地下水迁移扩散，造成邻近地层或饮用水地下水源的污染。

本发明提出向废弃的地下气化采空区中注入吸水剂和固化剂，吸水剂吸收采空区中被污染的水并使之保持在吸水剂颗粒中，固化剂将吸水剂颗粒、连同采空区中残留物（包括煤灰、渣等）一起固化形成固化体；其中，可以先注入吸水剂再注入固化剂，或者同时注入吸水剂和固化剂，吸水的同时固结成固化体。固化体具有良好的密封性，即使经过地下水的冲刷、浸润，固化体中的污染物也不会被浸出，起到封存污染物的功能，同时，这种固化体具有一定机械强度，保存在采空区中起到支撑煤层顶板的作用。

【具体实施方案一】

在不抽采地下污水、不向地下注入化学药剂的情况下，阻止地下环境污染风险的扩大化。通过软管向含水煤层气化后的采空区中注入吸水剂和固化剂，将污水吸收并储存在固体颗粒中，固化剂将吸水剂颗粒、煤灰渣等粘结或固结在一起形成固化体，实现对污染物的隔离储存，以及对采空区顶部地层的支撑。

含水煤层地下气化后采空区的特点是：在气化结束泄压后，煤层水通过渗流或通道导通等方式很快涌入采空区，煤层干馏、气化、燃烧产生的废弃物和污染性碳氢化合物，溶解或混合在采空区的地下水中。随着时间的推移，污染成分会随地下水迁移至邻近水体或饮用水地下水源。为了防止污染成分随地下水迁移，本发明的具体实施步骤如下：

第一步，根据煤层水的流动速率、停炉时间以及采空区的表面积粗略估算采空区中的水量，根据聚酰胺吸水剂的吸水倍率为250g/g估算吸水剂（粉状）的用量m1，根据固化剂与吸水剂的质量比为1:8估算固化剂（粉状）的用量m2；

第二步，开通气体压缩机1将载气(在此选用二氧化碳)增压并储存在储气罐2中，打开各阀门使载气通过混合器7下部的耐磨蚀绕性软管最终进入钻孔8注入地下采空区（图1中未画出）。该软管上端连接混合器7的出口，下端穿过采空区置于靠近采空区末端的污水中，在注入吸收剂和固化剂粉末的过程中，通过在地面上拖拽软管改变注入位置，来实现吸水剂和固化剂在污水中的均匀分散。

在该第二步中，图1中的注入系统通过载气运载吸水剂和固化剂，并将其运载到采空区中，其中料仓3和4中可以分别加入1.2m1的吸水剂和1.2m2的固化剂，开启喂料机5和6，将吸水剂和固化剂送入混合器7中，然后注入废弃采空区对应的一组钻孔中的一个或多个钻孔8，其它钻孔保持敞开状态或回收载气模式。载气流速10m/s,载气输送的固气比在15kg/kg，在注入过程中向后拖拽软管改变注入点位置。

如图2和3示出的，钻孔8的底部是废弃的采空区9，其中有含有各种污染组分的地下污水10，还有例如煤灰渣等其余残留物（图2中未画出），采空区9的周围是煤层11，其下是煤层底板12，其上依次是煤层顶板13、含水层14、砂岩层15、表土层16，该煤层顶板13、含水层14、砂岩层15、表土层16构成顶部地层。当吸水剂注入采空区之后会吸收地下污水10，并形成含水颗粒，固化剂将含水颗粒、残留物（例如煤灰渣等）胶结/固化在一起，形成固化体10’。

第三步，料仓中的吸水剂和固化剂下料完毕后，再持续鼓入载气（此时载气没有携带吸水剂和固化剂）约二十分钟，然后关闭采空区对应的所有钻孔以封闭采空区，保持静置以促进采空区内固体的凝结、固化。图4示出的是在采空区中最终形成的支撑采空区顶部地层的固化体。

通过钻孔取样监测采空区外围地下水水质，其中的酚类、金属离子等污染性组分的含量不再上升或趋于下降，则说明采空区污染物原位无害固化处置成功。

【具体实施方案二】

在不抽采地下污水、不向地下注入化学药剂的情况下，阻止地下环境污染风险的扩大化。向不(非)含水煤层气化后的采空区中注入吸水剂和固化剂，将污物吸收并储存在固体颗粒中，固化剂将吸水剂颗粒、包括煤灰渣在内的残留物等粘结或固结在一起形成固化体，实现对污染物的隔离储存，以及对采空区顶板的支撑。

不(非)含水煤层地下气化后采空区的特点是：在气化结束泄压后，采空区储存的大量热能在地层的圈闭下难以消除，而且，煤层干馏、气化、燃烧产生的废弃物和污染性碳氢化合物，多附着在采空区四周的煤壁上，存在大量热能和污染物泄漏的风险。为了消除这种风险，本发明的具体实施步骤如下：

第一步，通过一组钻孔中的至少一个向采空区注入水，水吸收采空区储存的热能后变成水蒸气，通过另外几个钻孔回收水蒸汽，将采空区内的温度降至100℃以下；

第二步，根据第一步中注入水量以及产出的水蒸汽量，粗略估算滞留在采空区中的水量，根据聚丙烯酸盐的吸水倍率为200g/g估算吸水剂的用量m1，根据固化剂与吸水剂的质量比为1:10估算固化剂（粉状）的用量m2；

第三步，开通气体压缩机1将载气增压并储存在储气罐2中，开通各阀门使载气通过，最终进入钻孔8向地下采空区（图1中未画出）注入；

在该第三步骤中，料仓3和4中有1.2m1的吸水剂和1.2m2的固化剂，开启喂料机5和6，利用载气(在此选用氮气)将吸水剂和固化剂送入混合器7中，然后注入采空区对应的一组钻孔中的一个或多个钻孔8，其它钻孔保持敞开状态或回收载气模式。在本步骤中，选用载气流速15m/s,载气输送的固气比在20kg/kg；

继续参见图2和图3所示，钻孔8的底部是采空区9，其中有含有各种污染组分的地下污水10，还有煤灰渣等（图2中未画出），采空区9的在周围是煤层11，其下是煤层底板12，其上依次是煤层顶板13、含水层14、砂岩层15、表土层16。当吸水剂注入采空区之后会吸收地下污水10，并形成含水颗粒，固化剂将含水颗粒、煤灰渣等胶结/固化在一起，形成固化体10’。

第四步，待料仓5和6中的吸水剂和固化剂下料完毕后，再持续鼓入载气（此时载气没有携带吸水剂和固化剂）约二十分钟，然后关闭采空区对应的所有钻孔，保持静置，促进采空区内固体的凝结、固化。

通过钻孔取水样监测采空区外围地下水的水质，其中的酚类、金属离子等污染性组分的含量不再上升或趋于下降，表明采空区污染物原位无害固化处置成功。

根据以上实施例1和2，可以理解，本发明的实质在于：用吸水剂吸收采空区中的污水，因为该吸水剂的吸水倍率很高，可吸收达到自身质量的一百倍至几千倍的水分，吸水后变成类似雪或冰一样的含水颗粒的固体物质，为了提高吸水后固体物质的机械强度（必要时可以支撑顶板，避免塌陷）以及降低其渗透性（进一步确保污物被固化，不随地下水迁移），在吸水剂中混入一定比例的固化剂。如此，最终形成的固化体能够起到隔离、封存污物和支撑采空区顶板的作用。

上述的实施例1和2实现了对煤炭地下气化废弃采空区的原位无害化处置，在吸水剂吸收采空区中的积水后形成固体物质，被固化剂与灰渣之类的采空区残余物固结在一起形成固化体，这种固化体具有较好的机械强度，在保存污水的同时，支撑采空区顶部地层，避免塌陷。与现有的地下污水处理技术相比，可以不再抽提地下污水至地面处理或者向地下污水中注入化学药剂就能控制污染扩散，同时，消除采空区上部地层的塌陷风险。

应该理解，尽管以含水煤层和不含含水煤层分别气化形成的采空区为例，但实际上，采空区不局限于此，本发明提及的采空区：狭义的采空区是指煤炭经过地下气化或井工开采而在原煤层留下的空间；广义上采空区等同于任意的地下空间，即，只要是存在本发明上述的容易造成临近区域水污染并且容易塌陷的采空区域，本发明就适用。

另外，本发明中所述的吸水剂（强吸水剂）是一类含有亲水基团和交联结构的大分子树脂，其特点在于具有高吸水性能，能够吸收自身一百倍甚至几千倍质量的水量。按原料划分，吸水剂主要有淀粉系（接枝物、羧甲基化等）、纤维素系（羧甲基化、接枝物等）、合成聚合物系（聚丙烯酸系、聚丙烯醇系、聚氧乙烯系等）几大类，优选为合成聚合物系大分子树脂，如聚酰胺、聚丙烯酸盐；所述的固化剂遇水能够凝固成具有一定机械强度的固体，主要成分为粘土、普通水泥、膨润土等；所述的强吸水剂和固化剂为粉状，通过载气携带至采空区；所述的载气为空气、二氧化碳、氮气等。在荷载强吸水剂和固化剂之前需要提升载气的压力或流速，而且载气在经过采空区排出地面后可以回收循环利用；强吸水剂和固化剂的用量计算，首先，估算采空区中的污水量，污水量除以100～1000得到强吸水剂的用量范围；然后，根据固化剂与强吸水剂的比例（质量比）约为1:5～1:20（优选为1:5～1:10）计算固化剂的用量。本发明提及的原位：指在原来的、正常的、自然的部位或位置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种地下采空区的原位处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

将吸水剂和固化剂注入采空区固化包括污水在内的污物，其中固化形成的固化体支撑采空区的顶部地层，

其中，所述的固化包括：吸水剂吸收采空区内的污水变成含水颗粒；固化剂将含水颗粒以及采空区中残留污物固化在一起形成固化体，

其中，按照如下步骤将吸水剂和固化剂注入采空区中：

(1)利用载气从料仓中运载吸水剂和固化剂，其中所述吸水剂和固化剂为粉状；

(2)将运载有吸水剂和固化剂的载气注入采空区中，并且载气在脱离吸水剂和固化剂后沿既定通道排出地面；

(3)在载气将预定量的吸水剂和固化剂注入采空区后，继续地鼓入脱离了吸水剂和固化剂的载气直到封闭采空区为止。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在封闭采空区后，将采空区静置一段时间促进吸水剂和固化剂对采空区中包括污水在内的污物的固化进程。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

当所述的继续地鼓入脱离了吸水剂和固化剂的载气满20分钟时，才封闭所述采空区。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，

所述地下采空区为含水煤层气化后形成的采空区。

5.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，

当所述地下采空区为不含水煤层气化后形成的采空区时，该方法还包括在注入吸水剂和固化剂之前向采空区中注水降温的步骤。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

在所述的注水降温步骤中，当采空区中温度下降至100℃时就停止注水，其中在进行注水降温的同时将采空区中的水蒸汽从其顶部地层排出。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸水剂和固化剂在混合后注入所述采空区中，或者先注入吸水剂后注入固化剂。

8.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，

所述吸水剂，是吸水倍率为自身质量的100倍以上且在吸水后变成固体的粉状制剂；

所述固化剂，是将所述的由吸水剂变成的固体固化成用以支撑所述采空区的固化体的粉状制剂。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述固化剂为含有粘土或普通水泥或膨润土成分的粉状制剂，所述吸水剂为含有亲水基团和胶联结构的淀粉系或纤维素系或合成聚合物系大分子树脂，其中，所述固化剂与吸水剂的质量比是1:5～1:20。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述合成聚合物系大分子树脂为聚酰胺或聚丙烯酸盐。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述合成聚合物系大分子树脂为吸水倍率为250g/g的聚酰胺，所述固化剂与所述吸水剂的质量比为1:8；或

所述合成聚合物系大分子树脂为吸水倍率为200g/g的聚丙烯酸盐，所述固化剂与所述吸水剂的质量比为1:10。

12.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，

通过软管向所述采空区中注入所述固化剂和吸水剂，在注入过程中在地面上拖拽软管改变注入位置使吸水剂和固化剂在污水中均匀分散。

13.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，

所述采空区的周围是煤层，所述采空区的底部是煤层底板，所述采空区的上部依次是煤层顶部地层、含水层、砂岩层、表土层，所述的煤层顶部地层、含水层、砂岩层、表土层一起构成所述顶部地层。