CN108775240A

CN108775240A - 一种急倾斜煤层流态化开采的方法

Info

Publication number: CN108775240A
Application number: CN201810361930.8A
Authority: CN
Inventors: 王家臣; 杨胜利; 唐岳松
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2018-11-09
Anticipated expiration: 2038-04-20
Also published as: CN108775240B

Abstract

本发明提供的急倾斜煤层流态化开采的方法对煤层进行破碎，然后利用微生物对煤进行分解，制备高效可燃气体，并对其进行回收；本发明通过能够分解煤炭并产生大量氢气和烷烃气体的煤炭分解厌氧菌对破碎后的煤炭进行分解，由于煤炭分解阶段保证生成可燃气体不外散，反应空间密闭，无氧气流通，因此，制备的菌种能在厌氧环境下大量繁殖，大大提升了急倾斜煤层的采出率及煤炭就地转化率，可以实现煤炭不升井原位转化。实验结果表明，本发明提供的急倾斜煤层流态化开采的方法采出率可达80％，就地转化率接近100％。

Description

一种急倾斜煤层流态化开采的方法

技术领域

本发明涉及煤炭开采技术领域，特别涉及一种急倾斜煤层流态化开采的方法。

背景技术

急倾斜煤层是指地下开采时煤层倾角大于45°的煤层。急倾斜煤层储量占我国煤炭总储量的4％，而南方地区80％的矿区赋存有急倾斜煤层，因此，急倾斜煤层开采的产量在边远山区以及缺煤地区总产量中占有相当比重，对地区的发展起着重要的作用。

煤矿开采的核心是采煤方法，因此，恰当的采煤方法是煤矿安全高效开采的关键。急倾斜煤层开采方法主要为倒台阶法、伪斜长壁法和水平分段法等。在急倾斜开采的现有技术中，由于工作面采下的煤块可自动下滑，可能导致支护设备滑倒砸伤人员；并且由于煤层顶底板都容易盐倾斜方向滑动，支架稳定性差，增加采煤和支护的难度；此外，由于急倾斜煤层的地质构造复杂，采煤工作面推进速度较慢，导致开采效率低，煤层自燃情况严重。

综上所述，由于急倾斜煤层的构造的特殊性，难以机械化，导致急倾斜煤层的采出率和煤炭的就地转化率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种急倾斜煤层流态化开采的方法。本发明提供的方法煤层的采出率和煤炭的就地转化率高。

本发明提供了一种急倾斜煤层流态化开采的方法，包括以下步骤：

(1)布置煤炭开采工业广场后进行钻井，得到主井和副井；

将煤层开采区域沿垂直方向自上而下划分为多个开采工作层，每个开采工作层沿垂直方向自上而下依次包括破碎层和保留层；

在所述副井中铺设加压管，使所述加压管的一端与地面相连，另一端与所述破碎层连通；

在所述主井与破碎层之间设置抽采钻孔，使破碎层与主井连通；

(2)对所述破碎层的煤矿进行破碎，得到破碎煤炭；在所述破碎煤炭中施撒煤炭分解厌氧菌；

(3)封堵所述破碎层，在厌氧环境下对所述破碎煤炭进行分解，得到可燃气体；

(4)使加压液经加压管进入破碎层，将所述可燃气体经抽采钻孔排出后收集。

优选的，所述主井和副井分别位于煤层开采区域水平方向的两侧；所述主井和副井的深度与煤层开采区域的深度相同。

优选的，所述主井和副井的倾角与煤层倾角相同。

优选的，所述每个开采工作层的高度独立地为5±0.5m。

优选的，所述每个破碎层的高度独立地为4±0.25m；每个保留层的高度独立地为1±0.25m。

优选的，所述步骤(2)具体包括：将破碎设备经副井沿破碎层的煤体边缘开始进行破碎和施撒煤炭分解厌氧菌，所述破碎和施撒完成后，退出所述破碎层，进入下一破碎层。

优选的，所述破碎煤炭的粒径为20cm以下。

优选的，所述步骤(3)的厌氧环境通过如下方式得到：在破碎设备的出入口设置封堵墙，然后将加压液经加压管通入破碎层，得到厌氧环境。

优选的，所述破碎层安装气体监测装置，对可燃气体进行监测，待可燃气体的浓度稳定时完成分解。

优选的，完成所述开采工作层的开采后，按照相同的方式对相邻下一开采工作层进行开采，至全部开采工作层的开采结束。

本发明提供的急倾斜煤层流态化开采的方法包括以下步骤：布置煤炭开采工业广场后进行钻井，得到主井和副井；将煤层开采区域沿垂直方向自上而下划分为多个开采工作层，每个开采工作层沿垂直方向自上而下依次包括破碎层和保留层；在所述副井中铺设加压管，使所述加压管的一端与地面相连，另一端与所述破碎层连通；在所述主井与破碎层之间设置抽采钻孔，使破碎层与主井连通；对所述破碎层的煤矿进行破碎，得到破碎煤炭；在所述破碎煤炭中施撒煤炭分解厌氧菌；封堵所述破碎层，在厌氧环境下对所述破碎煤炭进行分解，得到可燃气体；使加压液经加压管进入破碎层，将所述可燃气体经抽采钻孔排出后收集。本发明对煤层进行破碎，然后利用微生物对煤进行分解，制备高效可燃气体，并对其进行回收；本发明通过能够分解煤炭并产生大量氢气和烷烃气体的煤炭分解厌氧菌对破碎后的煤炭进行分解，由于煤炭分解阶段保证生成可燃气体不外散，反应空间密闭，无氧气流通，因此，制备的菌种能在厌氧环境下大量繁殖，大大提升了急倾斜煤层的采出率及煤炭就地转化率，可以实现煤炭不升井原位转化。实验结果表明，本发明提供的急倾斜煤层流态化开采的方法采出率可达80％，就地转化率接近100％。

并且，本发明提供的急倾斜煤层流态化开采的方法提高了煤炭开采的安全性能；在经济效益上，有效降低了建矿成本、开采成本；在环境方面，解决了矸石占地堆积以及地面煤仓储煤对空气的污染问题；且分解反应后的残渣就地充填，缓解了地表沉陷现象。

附图说明

图1为急倾斜煤层流态化开采的方法巷道及工作层布置示意图；

图2为急倾斜煤层流态化开采的系统布置示意图；

其中，1-副井、2-加压管、3-主井、4-抽采钻孔、5-破碎层、6-保留层、7-未采层、8-超挖部分、9-储气罐、10-净化分离室。

具体实施方式

(1)布置煤炭开采工业广场后进行钻井，得到主井和副井；

本发明布置煤炭开采工业广场后进行钻井，得到主井和副井。本发明对所述布置煤炭开采工业广场和钻井的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的井工开采布置和钻井方法即可。

在本发明中，所述主井和副井优选分别位于煤层开采区域水平方向的两侧。在本发明中，所述主井和副井的深度优选与煤层开采区域的深度相同。本发明对所述主井和副井的宽度没有特殊的限定，根据待开采的煤层条件确定即可。

在本发明中，所述主井和副井的倾角优选与煤层倾角相同。

在本发明中，所述主井用于抽采和排出制备的可燃气体；所述副井用于运输物料、机械设备和铺设管线。

本发明将煤层开采区域沿垂直方向自上而下划分为多个开采工作层，每个开采工作层沿垂直方向自上而下依次包括破碎层和保留层。在本发明中，由于煤层开采区域的深度较大，将其沿纵向深度分多个水平的开采工作层，便于有限密闭空间可燃气体的转化和排出。本发明优选在上一工作层开采结束后，开始下一阶段工作。本发明对所述开采工作层的数量没有特殊的限定，根据煤层开采区域的高度确定即可。

在本发明中，所述每个开采工作层的高度独立地优选为5±0.5m。在本发明中，所述每个破碎层的高度独立地优选为4±0.25m；每个保留层的高度独立地优选为1±0.25m。

在本发明中，所述破碎层用于煤炭破碎和分解制气，所述保留层能够保持下一开采层的稳定。

得到主井和副井且确定开采工作层后，本发明在所述副井中铺设加压管，使所述加压管的一端与地面相连，另一端与所述破碎层连通。在本发明中，所述加压管与地面相连的一端优选连接有加压泵。

在本发明中，当所述破碎层有多个时，所述加压管的一端优选分别与多个破碎层连通。在本发明中，为防止加压液在管中发生沉积堵管现象，所述加压管与破碎层连通的末端向下倾斜30度。

在本发明中，所述加压管优选紧贴于副井的井壁设置。

本发明对所述加压管的尺寸和材质没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的加压管即可。

在本发明中，所述加压管用于输送加压液，将破碎层中的气体充分排出。

得到主井和副井且确定开采工作层后，本发明在所述主井与破碎层之间设置抽采钻孔，使破碎层与主井连通。在本发明中，所述抽采钻孔优选设置于破碎层的上部；所述抽采钻孔自破碎层向上倾斜至主井。在本发明中，为减小气体排出时的沿程阻力，所述抽采钻孔与主井夹角优选为120度。在本发明中，所述抽采钻孔可将破碎层中的气体排出。

井建工作完成后，本发明对所述破碎层的煤矿进行破碎，得到破碎煤炭；在所述破碎煤炭中施撒煤炭分解厌氧菌。本发明优选将破碎设备经副井沿破碎层的煤体边缘开始进行破碎和施撒煤炭分解厌氧菌，所述破碎和施撒完成后，退出所述破碎层，进入下一开采工作层的破碎层进行破碎。

在本发明中，所述破碎设备优选为掘进机，更优选为双头掘进机。在本发明中，所述掘进机的掘进头优选安装煤矸识别装置，破碎至矸石处自动停止。在本发明中，所述双头掘进机可前进后退进行双向破碎，进一步提高工作效率。

本发明优选采用超挖破碎原则，掘进机从煤矸分界面一侧开始破碎，顺序依次破碎。在本发明中，所述破碎煤炭的粒径优选为20cm以下。在本发明中，所述破碎能够使破碎煤炭与煤炭分解厌氧菌充分接触，提高分解速率。

在本发明中，所述煤炭分解厌氧菌优选为榄能公司的高效沼气发酵粉；所述高效沼气发酵粉的技术指标优选为：纤维素酶活[u/g(ml)]≥30.0，淀粉酶活[u/g(ml)]≥10.0，含炭率18～22％，含氨率18～31％，水分(％)≤20.0，pH值5.5～7.5，粉状。在本发明中，所述煤炭分解厌氧菌能够在厌氧环境下大量繁殖，并将煤炭分解并产生氢气、烷烃等可燃气体，实现煤炭资源的原位转化。

本发明优选在破碎的同时将煤炭分解厌氧菌施撒于破碎煤炭中。在本发明中，所述破碎设备优选安装有GPS控制系统，根据GPS定位位置施撒微生物菌种。在本发明中，以破碎煤炭的质量为基准，所述煤炭分解厌氧菌的施撒量优选为400～600g/t，更优选为450～550g/t，最优选为500g/t。本发明对所述煤炭分解厌氧菌的施撒位置没有特殊的限定，能够均匀分散于破碎煤炭中即可。

破碎和施撒完成后，本发明封堵所述破碎层，在厌氧环境下对所述破碎煤炭进行分解，得到可燃气体。在本发明中，所述厌氧环境优选通过如下方式得到：在破碎设备的出入口设置封堵墙，然后将加压液经加压管通入破碎层，得到厌氧环境。

本发明优选在破碎设备退出破碎层后在所述破碎设备的出入口设置封堵墙。在本发明中，所述加压管的管体优选埋入封堵墙中，保持加压管的一端与破碎层连通。

设置封堵墙后，本发明优选将加压液经加压管通入破碎层，得到厌氧环境。在本发明中，所述加压液的用量优选使加压液溢出抽采钻孔。本发明优选在加压液通入完成后封闭加压管和抽采钻孔，得到厌氧环境。

本发明对所述分解的时间没有特殊的限定；在本发明中，所述破碎层安装气体监测装置，对可燃气体进行监测，待可燃气体的浓度稳定时完成分解。本发明对所述气体监测装置的安装位置没有特殊的限定，能够实现对破碎层的气体的监测即可。

分解完成后，本发明使加压液经加压管进入破碎层，将所述可燃气体经抽采钻孔排出后收集。在本发明中，所述加压液用于排出无法靠压强差排出的部分可燃气体。

本发明对所述加压液的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的加压液即可。在本发明中，所述加压液中优选含有碎石，用于扩张煤块缝隙，将可燃气体充分排出。在本发明中，所述碎石的粒径优选为5～10cm。

本发明对所述收集的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的气体收集装置进行即可。在本发明中，所述主井的地面部分优选与净化分离装置和存储装置相连接，通过净化分离装置对可燃气体进行净化分离，然后通入存储装置分装储存。在本发明中，所述主井为可燃气体运输通道。

在本发明中，所述破碎煤炭分解后的残渣优选就地填充于破碎层。

本发明优选在完成所述开采工作层的开采后，按照相同的方式对相邻下一开采工作层进行开采，至全部开采工作层的开采结束。

本发明提供的急倾斜煤层流态化开采的方法巷道及工作层布置示意图如图1所示，包括设置于煤层开采区域两侧的主井3和副井1，所述煤层开采区域沿垂直方向自上而下包括多个开采工作层，每个开采工作层沿垂直方向自上而下包括破碎层5和保留层6；所述副井1中设置有连通地面和破碎层5的加压管2；所述主井3和破碎层5之间设置有抽采钻孔4；所述煤层开采区域外侧的矸石部分为超挖部分8。

本发明提供的急倾斜煤层流态化开采的系统布置示意图如图2所示，所述主井3的地上部分与净化分离室10和储气罐9连接。

本发明提供的急倾斜煤层流态化开采的方法解决了目前机械化开采急倾斜煤层过程中工作面难以布置的问题，资源利用更加清洁高效；通过设置保留层，实现多层同时开采，开采效率更高；并且该方法无人工作面，安全性好，高产高效；无需人工支护，利用煤层地质条件，上层保留层做支撑层，废石废料原位回填，支护操作简便；成本低，减少设备与矿建投入；可燃气体采用管道运输便捷廉价，可以用于围岩坚固，煤质条件好，赋存形态难以用机械化开采的煤田。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的急倾斜煤层流态化开采的方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1:

根据某矿地质条件，煤层倾角80°，平均厚度6.5m，煤层伪顶为黑色泥岩，一般厚0.3m。直接顶为灰色泥岩，一般厚1.5m，岩性比较稳定，底板为茅口灰岩。煤层呈灰黑色有光泽，夹镜煤条带，层状及鳞片状结构，性脆，易碎且湿润。

利用本技术方法，制定操作步骤如下：

(1)制备微生物菌种：榄能公司的高效沼气发酵粉；所述高效沼气发酵粉的技术指标为：纤维素酶活[u/g(ml)]≥30.0，淀粉酶活[u/g(ml)]≥10.0，含炭率18～22％，含氨率18～31％，水分(％)≤20.0，pH值5.5～7.5，粉状。

(2)依靠现有的工业广场布置情况，主井、副井设置于煤炭开采区域两侧，且深度相同，主井倾角80°，副井倾角80°，重复利用，主井用于抽采、排出制备的可燃气体，副井用于运输物料、机械设备和铺设管线。

(3)布置开采工作层：工作层按水平分层，每5m为一层，其中上部4m为破碎层，下部1m为保留层。

(4)铺设可燃气体抽采管线：主井侧预制抽采钻孔，与主井夹角120°；副井设置加压管，用于输送加压液，将煤体中的可燃气体充分排出，为防止加压液在管中发生沉积堵管现象，加压管末端向下调斜30°。

(5)设备下井，破碎开采层：新型掘进机采用GPS控制系统，以煤体边缘一侧开始顺序超挖破碎，掘进头安装煤矸识别装置，见矸自动调整，前进、后退双方向破碎；根据GPS定位位置播撒微生物菌种，掘进机破碎煤体后退出开采层至副井，转入下一开采层。

(6)设备进出口封堵：为防止反应生成的可燃气体逸散，掘进机退出后在煤岩交界处设置格挡墙，墙体埋设加压管，使反应区形成密闭厌氧环境，微生物大量繁殖并开始分解煤炭，产生可燃气体。

(7)气体监测、抽采：对反应区进行实时监测，当气体浓度稳定后，打开主井侧预制抽采钻孔，同时打开加压管注入加压液，可燃气体沿主井排出。

(8)重复步骤(3)至步骤(7)，完成其他分层开采。

(9)气体分离：将可燃气体分离并分装储存。

本实施例对煤炭的采出率为80％，就地转化率为93％。

实施例2:

某工作面主采煤层，赋存于太原组顶部，上距K3砂岩3～5m，下距L3石灰岩30～50m。煤层厚度6～8m，平均6.8m，厚度变异性较大；煤层倾角最大为62°，平均58°，直接顶为泥岩或砂质泥岩，厚度0.1～1.5m，浅灰～灰色，易与上部岩石离层，吸水后易变软；基本顶为粉砂岩，厚度8m，灰色，具一定水平层理，夹薄煤层，易离层，在层面上能见到较完整的钝肋芦木石；直接底板为泥岩粉砂岩，厚度1m，上部含植物根部化石，遇水易膨胀变软。

本实施例中主、斜井倾角设置为58°，其余与实施例1相同，对煤炭的采出率为77％，就地转化率95％。

实施例3:

某煤田地层形态为北西倾向，地层倾角平均53°，最大62°。煤层、顶板、底板硬度系数小。试验的工作面位于井田浅部，埋藏深度242.6～195.6m，煤层厚度6～8m，平均6.8m，煤层硬度系数0.3。直接顶为灰色、层理发育的粉砂岩，厚度8m，硬度系数f＝4～6.14。基本顶为中砂岩，以浅灰～灰白色中粒砂岩为主，局部为细砂岩，钙质或泥质胶结，厚度5m，硬度系数f＝6.31。直接底为粉砂岩、煤与炭质泥岩互层等。

本实施例中主、斜井倾角设置为53°，其余与实施例1相同，对煤炭的采出率为75％，就地转化率97％。

实施例4:

某工作面赋存特点是急倾斜特厚煤层，煤层厚度平均25m，平均倾角80°，煤层结构复杂，含有5～17层夹矸，普氏系数1.5。基本顶是坚硬的砾岩，厚度26m，胶结程度好；直接顶是致密不易垮落的砂岩，厚度2.4m；基本顶为致密不易垮落的高岭岩，厚度2.0m，基本底是坚硬含砾砂岩，厚度30m。

本实施例中主、斜井倾角设置为80°，其余与实施例1相同，对煤炭的采出率为85％，就地转化率95％。

从以上实施例可以看出，本发明提供的方法开采效率高，煤层的采出率和煤炭的就地转化率高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种急倾斜煤层流态化开采的方法，包括以下步骤：

(1)布置煤炭开采工业广场后进行钻井，得到主井和副井；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主井和副井分别位于煤层开采区域水平方向的两侧；所述主井和副井的深度与煤层开采区域的深度相同。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述主井和副井的倾角与煤层倾角相同。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每个开采工作层的高度独立地为5±0.5m。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述每个破碎层的高度独立地为4±0.25m；每个保留层的高度独立地为1±0.25m。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：将破碎设备经副井沿破碎层的煤体边缘开始进行破碎和施撒煤炭分解厌氧菌，所述破碎和施撒完成后，退出所述破碎层，进入下一破碎层。

7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述破碎煤炭的粒径为20cm以下。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)的厌氧环境通过如下方式得到：在破碎设备的出入口设置封堵墙，然后将加压液经加压管通入破碎层，得到厌氧环境。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述破碎层安装气体监测装置，对可燃气体进行监测，待可燃气体的浓度稳定时完成分解。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，完成所述开采工作层的开采后，按照相同的方式对相邻下一开采工作层进行开采，至全部开采工作层的开采结束。