CN109057796A - 一种基于高地温矿井的煤-热共采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高地温矿井的煤‑热共采方法，本方法将煤炭开采后形成的采空区作为水库；同时在巷道内向热储层开挖地热井，通过地热开采井将热水抽出，通过地热回灌井将冷水回灌；同时在地表修筑水源热泵换热站及风源热泵站，回收热水及热风中的热能。通过本方法，煤炭的开采可有效改变地下岩层结构，对热储层起到一定的卸压及增透的作用，提高了地热井的热提取效率；通过本发明，也可以重新利用废弃的高地温矿井，实现再生产；开采出的地热资源节能减排；且在矿井内开挖地热井，大大缩短地热井的开采深度，降低了钻井难度，缩短了钻井周期，降低了开采成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤炭与热能共采方法，具体涉及一种基于高地温矿井的煤-热共采方法，属于煤炭开采及热能开采领域。
背景技术
近年来，随着煤炭资源高强度大规模的开发，我国中东部矿区浅部的煤炭资源渐趋枯竭，煤矿开采向地下深部移进。截止到2016年，我国采深超过1000m的矿井已有50多座，分布在如兖州矿区、淮南矿区、平顶山矿区、徐州矿区等地区，这些矿区矿井大多是高地温梯度条件下的高地温热害矿井，对在矿井而言，矿井高地温热害问题严重影响生产效率及生产安全。
我国20世纪九十年代末至2014年期间，全国累计关闭煤矿约7万处，关于废弃矿井的转型与利用发展较慢，目前国外关于废弃矿山利用模式主要是建设矿山公园、开发井下空间、开采伴生资源等，但是矿井的高温地热却一直被视为热害，而作为一种能源，却一直不被重视。对于中东部高地温千米矿井，矿区开发较早，周边人口较稠密，有地热利用需求，利用高地温废弃矿井地下空间结构进行矿山地热开发利用，也是建设绿色矿山的思路之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于高地温矿井的煤-热共采方法，通过对高地温煤矿采掘系统进行改造利用，进行地热开采，节约资源，充分利用自然能源，提高经济效益。
为实现上述目的，本发明采用的一种基于高地温矿井的煤-热共采方法，包括以下步骤：
(1)煤炭开采：根据煤层赋存条件，布置主井、副井、通风井，确定开采水平，在该开采水平内开掘巷道、硐室、开采工作面，进行煤炭开采工作，相邻开采工作面开采过程中沿空留巷并预留煤柱；所述巷道包括与主井连通的运输巷道、与副井连通的轨道巷道、与通风井连通的回风巷道；
(2)地热勘探：待一个水平的煤炭开采工作面结束后，自该水平的巷道或硐室向下打探测钻孔，确定矿井的热储层范围以及品位情况；
(3)建立抽采模型，确定开采参数：建立井下地热水抽采模型，模拟抽水降压对井下岩层活动的影响，确定合理开采规模、采灌井距；
(4)修建地热采掘系统：该地热采掘系统包括本水平地热采掘系统及本水平下地热采掘系统；
所述本水平地热采掘系统修建方式包括以下步骤：
a、在本水平采空区四周预留的所述煤柱基础上构筑混凝土坝体，封堵顺槽使采空区形成水库；
b、修建连通地面及水库的第一冷水管及第一热水管；
所述本水平下地热采掘系统修建方式包括以下步骤：
A、在所述热储层上方的巷道或硐室处选址，修建钻井硐室，向下开挖地热井至热储层；地热井包括用于抽采热水的地热开采井、用于回灌冷水的地热回灌井；
B、修建连通地热开采井及地面的第二热水管，修建连通地热回灌井及地面的第二冷水管；
(5)修建地面换热站进行开采热能：
在地面修建水源热泵换热站，以回收所述第一热水管及第二热水管中的热能，热水经换热后形成冷水；冷水通过第一冷水管注入所述水库中，在水库中吸收矿井内的热能并逐渐升温形成热水，再次通过第一热水管进入水源热泵换热站换热，从而完成水循环；冷水通过第二冷水管注入所述地热回灌井中，在所述热储层内吸收热能逐渐升温形成热水，再次通过第二热水管进入水源热泵换热站换热，从而完成水循环；
在地面通风井处修建风源热泵站，以回收所述通风井出来的热风中的热能。
进一步的，所述步骤(4)中的步骤A中，根据热储层的分布，开挖多组地热井，采用轮歇制度，并控制抽采量且及时通过第二冷水管回灌冷水以保证岩层的稳定。
进一步的，所述第一冷水管及第一热水管依次沿运输巷道及主井或轨道巷道及副井布置；所述第二热水管依次沿所述地热开采井、运输巷道、主井或地热开采井、轨道巷道、副井布置，所述第二冷水管依次沿所述地热回灌井、运输巷道、主井或地热回灌井、轨道巷道、副井布置。
进一步的，所述步骤(4)中还包括：建设井下监测系统、与井下监测系统连接的地面调控系统，该井下监测系统包括热储层水位监测器、热储层水压监测器、岩层位移监测装置。
进一步的，所述第一热水管及第二热水管外设于保温层。
通过本方法，煤炭的开采可有效改变地下岩层结构，对热储层起到一定的卸压及增透的作用，提高了地热井的热提取效率，从而达到在高地温矿井中，煤-热协同开采，将地热资源变害为宝、取热于民；通过本发明，也可以重新利用废弃的高地温矿井，实现再生产；开采出的地热资源节能减排；且在矿井内开挖地热井，大大速断地热井的开采深度，降低了钻井难度，缩短了钻井周期，降低了开采成本。
附图说明
图1是本发明的示意图；
图中：
1.地面，11.岩层，121.主井，122.副井，131.运输巷道，132.轨道巷道，133.回风巷道，14.条带工作面，15.通风井，16.风源热泵站；
21.第一热水管，211.第二热水管，22.第一冷水管，221.第二冷水管；
31.水源热泵换热站；32.煤-热共采智能监测和调控中心；
41.地热开采井，42.地热回灌井；
5.探测钻孔；
6.热储层；
7.钻井硐室；
8.水库。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于高地温矿井的煤-热共采方法，主要针对高地温矿井，或矿井煤层下方具有地热资源的矿井，本方法包括以下步骤：
(1)煤炭开采：根据煤层赋存条件，布置主井121、副井122、通风井15，确定开采水平，在该开采水平内开掘巷道、硐室、开采工作面，进行煤炭开采工作，相邻开采工作面开采过程中沿空留巷并预留煤柱；目前国内煤炭开采技术较为成熟，以图1为例说明，自地面1在岩层11中开掘主井121、副井122、通风井15，开掘运输巷道131与主井121连通，开掘轨道巷道132与副井122连通，开掘回风巷道133与通风井15连通；巷道两侧划分出条带工作面14；相邻的条带工作面14开采时，采用沿空留巷并预留出煤柱，即条带工作面14的煤炭采出后，形成采空区，相邻的采空区之间由煤柱隔离开；
(2)地热勘探：待一个水平的煤炭开采工作面结束后，自该水平的巷道或硐室向下打探测钻孔5，确定矿井的热储层6范围以及品位情况；
(3)建立抽采模型，确定开采参数：在掌握热储层6范围以及品味等情况后，通过有限元或离散元软件建立地下岩层11及热储层6的模型，在此基础上建立地热水的抽采模型，模拟抽水降压对井下岩层11活动的影响；在地下工程中，常用的有限元软件有ANSYS公司的ANSYS、达索SIMULIA公司的Abaqus、ITASCA公司的FLAC软件等，常用的离散元软件有PFC2D/PFC3D、UEDC软件等，均可以模拟地下岩层11变化情况；
由于岩层11活动对井下巷道支护、地面1沉降等具有重要影响，而地热水抽走后，会引起含水岩层11内的水压下降，进而影响岩层11稳定性；为了控制岩层11活动的影响，需要通过有限元或离散元软件建立模型，改变地热井位置、采灌井距即地热开采井41与地热回灌井42的距离、开采规模等因素，从而了解何种情况下，对岩层11活动影响最小，然后确定合理开采规模、采灌井距；
(4)修建地热采掘系统：该地热采掘系统包括本水平地热采掘系统及本水平下地热采掘系统；本水平地热采掘系统用于开采矿井本水平内的热能，本水平下地热采掘系统用于开采矿井本水平下，已确定的热储层6内的热能；
本水平地热采掘系统修建方式包括以下步骤：
a、在本水平采空区四周预留的煤柱基础上构筑混凝土坝体，即可以以煤柱为基础，在外层构筑混凝土层，形成水坝，同时封堵顺槽使采空区形成水库8；由于矿井属于高地温矿井，矿井内温度过高，水库8即可作为换热器，冷水进入水库8中，即可被周围的岩层11加热；
b、修建连通地面1及水库的第一冷水管22及第一热水管21；
本水平下地热采掘系统修建方式包括以下步骤：
A、在热储层6上方的巷道或硐室处选址，修建钻井硐室7，向下开挖地热井至热储层6；地热井包括用于抽采热水的地热开采井41、用于回灌冷水的地热回灌井42；
B、修建连通地热开采井41及地面1的第二热水管211，修建连通地热回灌井42及地面1的第二冷水管221；即第二热水管211其中一段沿着地热开采井41布置，第二冷水管221其中一段沿着地热回灌井42布置；
(5)修建地面换热站进行开采热能：
在地面1修建水源热泵换热站31，以回收第一热水管21及第二热水管211中的热能，热水经换热后形成冷水；冷水通过第一冷水管22注入水库8中，在水库8中吸收矿井内的热能并逐渐升温形成热水，再次通过第一热水管21进入水源热泵换热站31换热，从而完成水循环；冷水通过第二冷水管221注入地热回灌井41中，在热储层6内吸收热能逐渐升温形成热水，再次通过第二热水管211进入水源热泵换热站31换热，从而完成水循环；
在地面1通风井15处修建风源热泵站16，以回收通风井15出来的热风中的热能。
通过本方法，煤炭的开采可有效改变地下岩层11结构，对热储层6起到一定的卸压及增透的作用，提高了地热井的热提取效率，从而达到在高地温矿井中，煤-热协同开采，将地热资源变害为宝、取热于民；通过本发明，也可以重新利用废弃的高地温矿井，实现再生产；开采出的地热资源节能减排；且在矿井内开挖地热井，大大速断地热井的开采深度，降低了钻井难度，缩短了钻井周期，降低了开采成本。
为了保证生产作业安全及可持续性，进一步的，步骤(4)中的步骤A中，根据热储层6的分布，开挖多组地热井，采用轮歇制度，并控制抽采量且及时通过第二冷水管221回灌冷水以保证岩层11的稳定。每组地热井包括地热开采井41及地热回灌井42，采用轮歇制度，比如设置两组地热井，当第一组中的地热开采井41抽取热水时，第二组中地热回灌井42进行回灌后并暂停一段时间使冷水在热储层6中充分被加热，之后第二组中的地热开采井41抽采，第一组中的，地热回灌井42进行回灌后并休息。
冷水管及热水管可以通过打钻井并沿着钻井连通至地面1，而为了节约成本，进一步的，第一冷水管22及第一热水管21依次沿运输巷道131及主井121或轨道巷道132及副井122布置；第二热水管211依次沿地热开采井41、运输巷道131、主井121或地热开采井41、轨道巷道132、副井122布置，第二冷水管221依次沿地热回灌井42、运输巷道131、主井121或地热回灌井42、轨道巷道132、副井122布置。如此设计，不需要再另外单独为冷水管及热水管打钻孔，极大的节约了成本。
为了监测热储层6，进一步的，步骤(4)中还包括：建设井下监测系统、与井下监测系统连接的地面1调控系统，该井下监测系统包括热储层水位监测器、热储层水压监测器、岩层位移监测装置。安置热储层水位监测器及热储层水压监测器以监测热储层6内水位及水压，方便安排回灌及抽采，安置岩层位移监测装置以监测岩层11位移变化情况，在保证矿井生产安全的前提下，提高生产效率，达到利益最大化。
同时也可以在地面1修建煤-热共采智能监测和调控中心32，以掌握井下各项数据，指挥井下生产。
为了防止热量流失，进一步的，第一热水管21及第二热水管211外设于保温层。
以淄博矿务局唐口煤矿为例，该煤矿属于高低温煤矿，其开采水平位于1000米左右，经探明，其水平以下300米有品味较好的热储层6，若自地面1开挖地热井，需要向下钻1300米，而在井下只需钻300米即可到达热储层6，极大缩短了施工周期，省去大量的钻井费、管材费等，由于钻井施工在井下进行，也可免去设备占地和噪声污染等。
Claims (5)
1.一种基于高地温矿井的煤-热共采方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)煤炭开采：根据煤层赋存条件，布置主井(121)、副井(122)、通风井(15)，确定开采水平，在该开采水平内开掘巷道、硐室、开采工作面，进行煤炭开采工作，相邻开采工作面开采过程中沿空留巷并预留煤柱；所述巷道包括与主井(121)连通的运输巷道(131)、与副井(122)连通的轨道巷道(132)、与通风井(15)连通的回风巷道(133)；
(2)地热勘探：待一个水平的煤炭开采工作面结束后，自该水平的巷道或硐室向下打探测钻孔(5)，确定矿井的热储层(6)范围以及品位情况；
(3)建立抽采模型，确定开采参数：建立井下地热水抽采模型，模拟抽水降压对井下岩层(11)活动的影响，确定合理开采规模、采灌井距；
(4)修建地热采掘系统：该地热采掘系统包括本水平地热采掘系统及本水平下地热采掘系统；
所述本水平地热采掘系统修建方式包括以下步骤：
a、在本水平采空区四周预留的所述煤柱基础上构筑混凝土坝体，封堵顺槽使采空区形成水库(8)；
b、修建连通地面(1)及水库(8)的第一冷水管(22)及第一热水管(21)；
所述本水平下地热采掘系统修建方式包括以下步骤：
A、在所述热储层(6)上方的巷道或硐室处选址，修建钻井硐室(7)，向下开挖地热井至热储层(6)；地热井包括用于抽采热水的地热开采井(41)、用于回灌冷水的地热回灌井(42)；
B、修建连通地热开采井(41)及地面(1)的第二热水管(211)，修建连通地热回灌井(42)及地面(1)的第二冷水管(221)；
(5)修建地面(1)换热站进行开采热能：
在地面(1)修建水源热泵换热站(31)，以回收所述第一热水管(21)及第二热水管(211)中的热能，热水经换热后形成冷水；冷水通过第一冷水管(22)注入所述水库(8)中，在水库(8)中吸收矿井内的热能并逐渐升温形成热水，再次通过第一热水管(21)进入水源热泵换热站(31)换热，从而完成水循环；冷水通过第二冷水管(221)注入所述地热回灌井(42)中，在所述热储层(6)内吸收热能逐渐升温形成热水，再次通过第二热水管(211)进入水源热泵换热站(31)换热，从而完成水循环；
在地面(1)通风井(15)处修建风源热泵站(16)，以回收所述通风井(15)出来的热风中的热能。
2.根据权利要求1所述的一种基于高地温矿井的煤-热共采方法，其特征在于，所述步骤(4)中的步骤A中，根据所述热储层(6)的分布，开挖多组地热井，采用轮歇制度，并控制抽采量且及时通过第二冷水管(221)回灌冷水以保证岩层(11)的稳定。
3.根据权利要求1所述的一种基于高地温矿井的煤-热共采方法，其特征在于，所述第一冷水管(22)及第一热水管(21)依次沿运输巷道(131)及主井(121)或轨道巷道(132)及副井(122)布置；所述第二热水管(211)依次沿所述地热开采井(41)、运输巷道(131)、主井(121)或地热开采井(41)、轨道巷道(132)、副井(122)布置，所述第二冷水管(221)依次沿所述地热回灌井(42)、运输巷道(131)、主井(121)或地热回灌井(42)、轨道巷道(132)、副井(122)布置。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种基于高地温矿井的煤-热共采方法，其特征在于，所述步骤(4)中还包括：建设井下监测系统、与井下监测系统连接的地面(1)调控系统，该井下监测系统包括热储层水位监测器、热储层水压监测器、岩层位移监测装置。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的一种基于高地温矿井的煤-热共采方法，其特征在于，所述第一热水管(21)及第二热水管(211)外设于保温层。
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