CN104088619A - 增加煤层上方岩层强度的方法及地下气化建炉方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下煤炭气化领域，尤其涉及一种增加煤层上方岩层强度的方法以及一种地下气化建炉方法。增加煤层上方岩层强度的方法包括如下步骤：步骤1，在所述岩层中建立至少一个加固孔；步骤2，向所述至少一个加固孔中注入加固剂，所述加固剂在所述加固孔和其周围岩层中凝固。地下气化建炉方法包括：步骤a，按照上述方法增强煤层上方岩层强度；以及步骤b，建立依次连通的进气井、水平通道和出气井，其中，所述水平通道位于所述步骤1中已增加强度的岩层下方的煤层中。本发明的增加煤层上方岩层强度的方法可增强煤层上部岩层的强度以降低岩层的坍塌概率，本发明的地下气化建炉方法可提高该地下气化炉的使用寿命。

Description

增加煤层上方岩层强度的方法及地下气化建炉方法

技术领域

本发明涉及地下煤炭气化领域，尤其涉及一种增加煤层上方岩层强度的方法以及一种地下气化建炉方法。

背景技术

地下气化过程是一种全新的采煤方法，与传统的物理采煤法有着根本的区别，地下气化是一种化学采煤法，即将埋藏在地下的煤炭就地进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用与化学反应生产可燃气体输送出来。然而在气化过程中，随着燃空区的逐渐增大，煤层顶板承受的压力不断加大，一旦煤层顶板塌陷，弱含水层中的水就会进入到地下气化炉中，使得气化炉的温度降低，甚至会熄灭火焰，造成地下气化的失败。

专利CN101832137A中提到一种煤层顶板支撑柱预留的方法，主要是向煤层的一段中注入水泥浆等混凝材料，然后再气化，这种方法操作简单，但预留在煤层中的水泥浆柱会影响气化效果，使整个气化炉在气化过程中难以统一控制和调控。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增强煤层上部岩层的强度以降低岩层的坍塌概率的增加煤层上方岩层强度的方法以及一种地下气化建炉方法。

为实现上述目的，本发明一方面提供一种增加煤层上方岩层强度的方法，包括如下步骤：步骤1，在岩层中建立至少一个加固孔；步骤2，向至少一个加固孔中注入加固剂，加固剂在加固孔和其周围岩层中凝固。

根据本发明，步骤1执行为：步骤1.1，建立由地面通至岩层中的竖直钻孔；步骤1.2，由竖直钻孔的位于岩层中的内周壁，向岩层中延伸建立至少一个加固孔。

根据本发明，加固孔为至少两个，且围绕竖直钻孔的轴线间隔布置。

根据本发明，至少两个加固孔的轴线位于同一平面内，平面垂直于竖直钻孔的轴线。

根据本发明，在步骤2中：向竖直钻孔中注入加固剂，加固剂进入加固孔中，停止注入加固剂后封闭竖直钻孔的端口；其中，注入加固剂的压力为5-8MPa。

根据本发明，在步骤1.2中：通过射孔枪或水力冲孔钻建立加固孔。

根据本发明，加固剂为水泥浆或遇水膨胀材料。

另一方面提供一种地下气化建炉方法，包括：步骤a，按照上述任一项方法增强煤层上方岩层强度；以及步骤b，建立依次连通的进气井、水平通道和出气井，其中，水平通道位于步骤a中已增加强度的岩层下方的煤层中。

根据本发明，在步骤a中的步骤1按照步骤1.1和步骤1.2执行的情况下，步骤b执行为：对竖直钻孔继续钻孔直至其通入到煤层中形成竖直井，所述竖直井作为所述进气井或所述出气井。

根据本发明，在步骤a中的步骤1按照步骤1.1和步骤1.2执行的情况下，在步骤1.1中建立至少两个竖直钻孔，步骤b执行为：对至少两个竖直钻孔继续钻孔直至其通入到煤层中形成至少两个竖直井；将至少两个竖直井贯通以形成水平通道；其中，每个竖直井作为进气井或出气井。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的增加煤层上方岩层强度的方法，通过在岩层中建立至少一个加固孔并向至少一个加固孔中注入加固剂，使加固剂在加固孔和其周围岩层中的凝固后可以增加岩层的强度。从而降低包含岩层的煤层顶板的坍塌概率，提高在此岩层所在地层建立的地下气化炉的使用寿命。

本发明的地下气化建炉方法，具有与增加煤层上方岩层强度的方法相同的步骤，即通过在岩层中建立至少一个加固孔并向至少一个加固孔中注入加固剂，使加固剂在加固孔和其周围岩层中的凝固后可以增加岩层的强度。并建立依次连通的进气井、水平通道和出气井，且水平通道位于已增加强度的岩层下方的煤层中。由此，在增加强度后的岩层区域内建立地下气化炉，包含岩层的煤层顶板的坍塌概率较小，从而提高该地下气化炉的使用寿命。

附图说明

图1是使用本发明的地下气化建炉方法的第一个实施例的示意图；

图2是使用本发明的地下气化建炉方法的第二个实施例的示意图。

具体实施方式

如下参照附图描述本发明的实施例。

参照图1，本发明的地下气化建炉方法包括本发明的增加煤层上方岩层强度的方法的一个实施例，故首先参照图1描述本发明增加煤层上方岩层强度的方法的该实施例。其包括如下步骤：步骤1，在岩层1中建立至少一个加固孔2；步骤2，向至少一个加固孔2中注入加固剂，加固剂在加固孔2和其周围岩层中凝固。

具体地，构建地下气化炉的地层由下至上至少包括煤层4、岩层1和弱含水层8，其中，位于煤层4和弱含水层8之间的岩层是疏松岩层。作为煤层顶板的一部分的疏松岩层，在煤层气化形成燃空区时，由于岩层是疏松的，很容易造成煤层顶板的坍塌。而在煤层气化前，执行上述步骤1和步骤2，通过在岩层中的加固孔中注入加固剂，以使加固剂进入加固孔后，进一步进入加固孔的周围岩层中，由此，加固孔和岩层中的加固剂凝固后可以增加岩层的强度。进而降低煤层顶板的坍塌概率，提高在此岩层所在地层建立的地下气化炉的使用寿命。

继续参照图1，在本实施例中，步骤1执行为如下步骤。

步骤1.1，建立由地面通至岩层中的竖直钻孔3，即竖直钻孔3的底面位于岩层1中，换言之，竖直钻孔3不穿过岩层通入岩层下方的地层。

步骤1.2，将射孔枪或水力冲孔钻置于竖直钻孔3，并通过射孔枪或水力冲孔钻由竖直钻孔3的位于岩层1中的内周壁，向岩层1中延伸建立加固孔2，换言之，即通过射孔枪在岩层1中射出延伸孔，或通过水力冲孔钻通过高压水喷射建立延伸孔，该延伸孔构成加固孔2。图1中以标记“6”示意射孔枪或水力冲孔钻。

在本实施例中，在上述步骤1.2中，建立至少两个加固孔2，至少两个加固孔2围绕竖直钻孔3的轴线间隔布置，优选地，至少两个加固孔2围绕竖直钻孔3的轴线均匀布置，并且至少两个加固孔2的轴线位于同一平面内，该平面垂直于竖直钻孔3的轴线。可选地，通过选用具有多个喷头的射孔枪或水力冲孔钻同时设置多个加固孔2，或者可通过转动射孔枪或水力冲孔钻，先后设置多个加固孔2。优选的，共设置8个加固孔2，并且每相邻两个加固孔2的轴线之间的夹角为45°。当然，本发明不局限于此，本领域技术人员可根据实际岩层情况(例如，岩层的疏松程度)、地质勘探数据和现场操作共同计算确定加固孔2的轴线之间的夹角以及加固孔2的数量。

至此，完成在岩层1中建立加固孔2。

进一步参照图1，在本实施例中，步骤2执行为如下步骤。

向竖直钻孔3中注入加固剂(以5-8MPa的压力注入该加固剂)，加固剂随后注入到加固孔2中，并在停止注入加固剂后封闭竖直钻孔3的端口以防止加固剂喷出。可理解，向竖直钻孔3中注入加固剂后，加固剂会进入到加固孔2中，通过加固剂在加固孔2和其周围岩层中的凝固增加岩层1的强度。而由于加固剂为加固剂，更加促进加固剂进入到加固孔2中，并进一步促进加固剂进入到岩层1中，以使岩层1中含有更多的加固剂。优选地，将加固剂注入直至其填满整个竖直钻孔3。由此，竖直钻孔3的内壁周围的岩层和加固孔2周围的岩层都会有加固剂进入，以使岩层1强度的增加得以更大化。

至此，完成步骤2。

在本实施例中，加固剂为水泥浆或遇水膨胀材料。并且优选地，水泥浆至少包括早强水泥浆、快干水泥浆、高强水泥浆之一。即水泥浆可是早强水泥浆、快干水泥浆、高强水泥浆中的一种，或者可是其中的任意多种的组合。其中，早强水泥浆为在水泥浆中加入早强剂(例如亚硝酸盐、铬酸盐、三乙醇胺、甲酸钙、尿素等)的水泥浆，快干水泥浆为在水泥浆中加入快干剂(例如硅酸盐、硫铝酸盐等)的水泥浆，高强水泥浆为在水泥浆中加入高强剂的水泥浆。进一步优选地，水泥浆包括高级水泥、快硬硅酸盐水泥、特快硬硅酸盐水泥、高铝水泥、浇筑水泥、硫铝酸盐超早强水泥、磷酸锌胶凝材料。

而优选地，遇水膨胀材料可为膨胀水泥，该膨胀水泥为在水化和硬化过程中产生体积膨胀的水泥。进一步优选地，上述膨胀水泥有明矾石膨胀水泥、硅酸盐膨胀水泥和石膏矾土膨胀水泥。

当然，在其他可选的实施例中，加固剂可为混凝土，或其他与水泥浆具有类似特性的材料，即可注入到加固孔2中并渗入岩层中、且在一段时间后凝结即可。

再次参照图1，本发明的地下气化建炉方法的实施例，包括：步骤a，按照上述增加煤层上方岩层强度的方法增强煤层上方岩层强度；以及步骤b，建立依次连通的进气井、水平通道和出气井，其中，水平通道位于上述步骤a中已增加强度的岩层下方的煤层中。

上述地下气化建炉方法，在增加强度后的岩层所在地层中建立地下气化炉，煤层顶板的坍塌概率较小，从而提高该地下气化炉的使用寿命。

在本实施例中，步骤a按照上述步骤1和步骤2执行，其中在步骤1.1中，建立至少两个由地面通至岩层中的竖直钻孔3。在步骤1.2中，在每个竖直钻孔3的位于岩层1中的内周壁上建立上述加固孔2。在步骤2中，向每个竖直钻孔3中注入加固剂，并在停止注入加固剂后封闭每个竖直钻孔3的端口。

之后，待每个竖直钻孔3的端口封闭2周后，水泥浆的强度达到其设计强度的80％以后，执行步骤3。具体为，对上述至少两个竖直钻孔3中的每个继续钻孔直至每个竖直钻孔3通入到煤层4中，每个竖直钻孔3形成一个竖直井5。在上述将水泥浆注满竖直钻孔3的情形下，竖直钻孔3被凝固后的水泥浆填满。填满水泥浆后的竖直钻孔3进行钻孔，将竖直钻孔3重新打通，并且一直将其钻通至煤层4中。可选地，在每个竖直井5中放入套管，固井。

其中，水泥浆的设计强度是表示单位面积受力的大小，是指水泥浆加水拌和后，经凝结、硬化后的坚实程度，通过水泥浆的标号体现。而根据实际使用的水泥浆的种类、实际需求等，本领域技术人员依据建筑经验可调整端口的封闭时间，即只要可以达到对岩层增加强度的作用即可。

然后将至少两个竖直井5贯通以形成水平通道，而每个竖直井5作为进气井或出气井。其中，根据实际气化的需要，可选择将任意两个或多个竖直井5彼此贯通，只要使得贯通形成的水平通道位于已经增加强度的岩层下方的煤层中即可。在本实施例中，通过建立一个水平钻井将两个或多个竖直井5贯通。而水平钻井位于两个或多个竖直井5之间将其贯通的水平段为水平通道。在随后的地下煤炭气化过程中，该水平通道作为气化通道，即由进气井注入氧化剂，水平通道周围的煤层燃烧产生煤气，该煤气由出气井排出。可理解，由于本发明涉及在煤层中建立地下气化炉，故所提及的“水平”既包括严格意义上的平行于水平面的水平、也包括非严格意义上的大致水平，以本领域技术人员公知的方法设置即可，而所涉及的“竖直”既包括严格意义上的垂直于水平面的竖直、也包括非严格意义上的大致竖直，以本领域技术人员公知的方法设置即可。

参照图2，在本发明的地下气化建炉方法的第二个实施例中，建立辅助竖直井7，以用于火力贯通上述至少两个竖直井5中的任意两个或多个。其余步骤与图1示出的实施例相同，不再赘述。

当然，在其他可选地实施例中，步骤3可执行为：对竖直钻孔3继续钻孔直至其通入到煤层4中形成竖直井5，竖直井5作为进气井或出气井。在上述将水泥浆注满竖直钻孔3的情形下，竖直钻孔3被凝固后的水泥浆填满。填满水泥浆后的竖直钻孔3进行钻孔，将竖直钻孔3重新打通，并且一直将其打通至煤层4中。由此，形成了在煤炭地下气化中可作为进气井或出气井的竖直井5。而基于此竖直井5，可选地另外建立进气井或出气井与其贯通，并且该进气井或出气井并非应用了竖直钻孔。

以上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 (10)

1.一种增加煤层上方岩层强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在所述岩层(1)中建立至少一个加固孔(2)；

步骤2，向所述至少一个加固孔(2)中注入加固剂，所述加固剂在所述加固孔(2)和其周围岩层中凝固。

2.根据权利要求1所述的增加煤层上方岩层强度的方法，其特征在于，

所述步骤1执行为：

步骤1.1，建立由地面通至所述岩层中的竖直钻孔(3)；

步骤1.2，由所述竖直钻孔(3)的位于所述岩层(1)中的内周壁，向所述岩层(1)中延伸建立所述至少一个加固孔(2)。

3.根据权利要求2所述的增加煤层上方岩层强度方法，其特征在于，

所述加固孔(2)为至少两个，且围绕所述竖直钻孔(3)的轴线间隔布置。

4.根据权利要求3所述的增加煤层上方岩层强度方法，其特征在于，

所述至少两个加固孔(2)的轴线位于同一平面内，所述平面垂直于所述竖直钻孔(3)的轴线。

5.根据权利要求2所述的增加煤层上方岩层强度方法，其特征在于，

在所述步骤2中：向所述竖直钻孔(3)中注入所述加固剂，所述加固剂进入所述加固孔(2)中，停止注入所述加固剂后封闭所述竖直钻孔(3)的端口；

其中，注入所述加固剂的压力为5-8MPa。

6.根据权利要求2所述的增加煤层上方岩层强度方法，其特征在于，

在所述步骤1.2中：通过射孔枪或水力冲孔钻建立所述加固孔(2)。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的增加煤层上方岩层强度方法，其特征在于，

所述加固剂为水泥浆或遇水膨胀材料。

8.一种地下气化建炉方法，其特征在于，包括：

步骤a，按照权利要求1-7中任一项所述的方法增强煤层上方岩层强度；以及

步骤b，建立依次连通的进气井、水平通道和出气井，其中，所述水平通道位于所述步骤a中已增加强度的岩层下方的煤层(4)中。

9.根据权利要求8所述的地下气化建炉方法，其特征在于，

在所述步骤a按照权利要求2所述方法执行的情况下，所述步骤b执行为：

对所述竖直钻孔(3)继续钻孔直至其通入到煤层(4)中形成竖直井(5)，所述竖直井(5)作为所述进气井或所述出气井。

10.根据权利要求8所述的地下气化建炉方法，其特征在于，

在所述步骤a按照权利要求2所述方法执行的情况下，在所述步骤1.1中建立至少两个竖直钻孔(3)，

所述步骤b执行为：

对所述至少两个竖直钻孔(3)继续钻孔直至其通入到煤层(4)中形成至少两个竖直井(5)；

将所述至少两个竖直井(5)贯通以形成所述水平通道；

其中，每个所述竖直井(5)作为所述进气井或所述出气井。