CN109162676A - 一种采空区内煤层气及积水同时抽采利用的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于采空区积水处理及瓦斯利用技术领域，具体涉及一种采空区内煤层气及积水同时抽采利用的方法，解决了现有采空区内积水及煤层气同步抽采利用缺乏有效工艺的问题，本发明基于大多数采空区积水与煤层气共存的现象，采取先向下施工一段较短竖直钻井，再在钻井中搭建钻机平台施工抽采及抽水钻孔的方式，同时对采空区内的煤层气及积水进行抽采利用。随着采空区内积水水位的降低，大量煤层气可从破碎带的遗煤中逸出，通过采空区裂隙带的抽采钻孔进行抽采利用，不仅有效开发利用了采空区内遗留资源，而且将采空区内的积水进行资源化利用，杜绝了由于采空区积水造成的下一煤层开采透水事故隐患，是一项既创造经济效益又消除矿井生产隐患的有益措施。
Description
技术领域
本发明属于采空区积水处理及瓦斯利用技术领域，具体涉及一种采空区内煤层气及积水同时抽采利用的方法。
背景技术
由于我国煤矿生产利用较早，长期地工业化开采后我国遗留了数量巨大的采空区。以山西省为例截止2013年底，采空区面积已达5000平方公里，这些采空区由于曾经采用的生产技术装备落后，煤炭采出率较低，因此在采空区内存在着大量可利用的煤层气资源，据有关数据，仅山西省采空区内煤层气资源量约30亿立方米。煤层气作为一种清洁能源，对其资源化利用可有效缓解我国天然气供应不足的局面，创造可观的经济效益。同时由于煤层气的温室效应是CO2的21倍，对其抽采利用具有良好的环境效益。
目前针对采空区内煤层气的抽采利用，通常只涉及到施工地面抽气钻孔进行抽采利用，而被采空区内积水淹没的遗煤内吸附的煤层气未能高效抽采利用，在抽采煤层气时通常不会对采空区积水进行同步处理。而事实上，绝大部分采空区在形成后均会形成不同程度地积水情况，这些积水淹没采空区内遗煤后，会造成其吸附的煤层气难以逸出，并且大量的积水会对下部煤层开采造成安全隐患，如果只对采空区内的积水进行探放处理，采空区内遗存煤层气会在积水探放的过程中遗失，且由于采空区积水多呈强酸性，探访后若不进行二次处理，还会对周边环境造成污染。
可见，对采空区内积水及煤层气进行同步统筹处理，对合理利用资源，减少安全隐患具有积极的意义。
发明内容
本发明为了解决现有采空区内积水及煤层气同步抽采利用中缺乏有效工艺手段的问题，提供了一种采空区内煤层气及积水同时抽采利用的方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种采空区内煤层气及积水同时抽采利用的方法，包括如下步骤：
S1.确定煤层气抽采钻孔的终孔位置、抽水井钻孔的终孔位置和立井的钻井施工起始点位置；根据采空区所处区域原工作面的设计说明书、采掘工程平面图，对采空区井进行上下对照后确定采空区边界，根据煤系地层综合柱状图、煤层底板等高线图、矿井地质剖面图判断采空区破碎带、裂隙带、弯屈下沉带的高度及范围，将煤层气抽采钻孔的终孔位置选定在采空区内部距边界30～50 米的垮落带上方10～20 米位置的裂隙带内；根据采空区煤层底板等高线图、矿井地质剖面图、原工作面设计图，将抽水井钻孔的终孔位置选定在采空区内的最低点；通过现场实地勘察，在采空区边界外选择地表起伏相对平缓且距煤层气抽采终孔、抽水井终孔位置及采空区边界位置最近的点作为钻井施工起始点；
S2.自钻井施工起始点位置垂直向下施工立井，立井深度为H3，H3的取值范围为40～50米，立井直径为5～6米，立井施工时同步进行地面废水处理厂和煤层气储存罐的建设施工，废水处理厂和煤层气储存罐分别设置在立井两端且距立井30～40 米地势平坦的位置；
S3.立井施工完毕后，在立井内距地表10～20 米的H1处采用钢架搭设钻机施工平台，进一步在钻机施工平台上固定钻机，并进行煤层气抽采钻孔孔道的施工作业；煤层气抽采钻孔孔道共两处且二者位于H1处的初始钻孔位置的中心水平间距为2 米，煤层气抽采钻孔孔道均倾斜向下钻至步骤S1确定的煤层气抽采钻孔的终孔位置，每处煤层气抽采钻孔孔道与竖直平面的夹角范围为80°～85°，且两根煤层气抽采钻孔孔道所形成的夹角为60°，孔道直径为100 毫米,钻孔施工完成后在孔道内铺设直径为90毫米的钢管防止孔道坍塌，并将靠近立井一侧的孔道及钢管口进行密封；
S4. 将钻机施工平台连同钻机下移10～15 米至H2处并固定，进行抽水井的钻孔施工，共施工两处抽水井孔道，两处抽水井孔道的初始井孔中心水平间距为2 米，抽水井孔道钻孔作业均倾斜向下钻至步骤S1确定的抽水井钻孔终孔位置，所形成的抽水井孔道与竖直平面夹角范围为60°～65°，且两处抽水井孔道间的夹角为60°，孔道的直径为100 毫米,钻孔施工完成后在孔道内分别铺设直径为90毫米的钢制抽水管防止孔道坍塌，钢制抽水管端头设置有不锈钢多孔吸水头，防止吸入块状砾石阻塞管路；
S5.待抽水井孔道施工结束后将钻机设备移出立井，仅保留钻机施工平台并进行管路的连接，用三通阀将两抽水孔道内的钢制抽水管接入抽水总管，抽水总管与废水处理厂连接，采空区积水经钢制抽水管和抽水总管抽至废水处理厂进行处理；在抽水井孔道中敷设投入式水位监测传感器，在孔道与立井接口处设置数据无线远程发射端，以便于监测数据能传输至地面控制机房内查看；在距地表下部4～5 米位置的抽水总管上连接有水气分离装置，抽水总管在地表上部高于地表1.5米的位置设置有阀门A和水量监测表；
S6.打开步骤S3中的煤层气抽采钻孔孔道的钢管密封，用三通阀将两根煤层气抽采钻孔孔道钢管接入抽气总管，抽气总管的直径为100 毫米且与煤层气储存罐连通，抽出的煤层气能够储存至煤层气储存罐内，在抽气总管与水气分离装置间连接有短管且短管水平设置，抽气总管上部高于地表1.7米的位置设置有阀门B和煤层气监测表，短管的直径为80毫米，管路连接完毕后将立井井口用铁皮井盖封闭用以保护井内管路；
S7. 打开抽水总管上的阀门A对采空区的积水进行抽取，观察水位传感器数据，待水位下降0.5m后停止抽水，利用水量检测表记录此时流量计读数；待水位重新恢复原有高度后，记录水位恢复时间，并计算单位时间段内的补给量，,其中为总的水量变化值，单位m3，为间隔时间，单位为天；以5天的补给量作为水量抽采上限，避免因地下水过量开采引起地表沉降；若水位在5天后仍没有恢复迹象，则开采此类积水不会引起地下水量变化，也不会造成地表沉陷，此时可连续抽水12 小时后，开启抽气总管上的阀门B对采空区内的煤层气进行抽取，通过煤层气监测表对抽采的煤层气进行浓度判定，当煤层气浓度低于30%，暂时关闭阀门B停止煤层气的抽采，同步继续抽水5～7 天后再开启阀门B；通过煤层气监测表实时监测煤层气浓度，若煤层气浓度超过30%，则可继续进行煤层气的抽采工作；若煤层气浓度不足30%，则暂时关闭阀门B停止煤层气的抽采，并重复上述工作达到反复抽采的目的。
本发明相比现有技术具有的优势及产生的有益效果是：
本发明基于大多数采空区通常积水与煤层气共存的现实情况，采取先向下施工一段较短竖直钻井，再在钻井中搭建钻机平台施工抽采及抽水钻孔的方式，同时对采空区内的煤层气及积水进行抽采利用。随着采空区内积水水位的降低，大量煤层气可从破碎带的遗煤中逸出，通过采空区裂隙带的抽采钻孔进行抽采利用，不仅有效开发利用了采空区内遗留资源，而且将采空区内的积水进行资源化利用，杜绝了由于采空区积水造成的下一煤层开采透水事故隐患，是一项既创造经济效益又消除矿井生产隐患的有益措施。
附图说明
图1是本发明的抽采流程示意图；
图2是图1中部分结构的放大示意图。
图中：1-废水处理厂，2-煤层气储存罐，3-水量监测表，4-阀门A，5-阀门B，6-煤层气监测表，7-抽水总管，8-抽气总管，9-水气分离装置，10-短管，11-铁皮井盖，12-煤层气抽采钻孔孔道，13-采空区，14-抽水井孔道，15-立井，16-水位数据远程发射端。
具体实施方式
参照图1和图2可知，一种采空区内煤层气及积水同时抽采利用的方法包括如下步骤：S1.确定煤层气抽采钻孔的终孔位置、抽水井钻孔的终孔位置和立井的钻井施工起始点位置；根据采空区所处区域原工作面的设计说明书、采掘工程平面图，对采空区井进行上下对照后确定采空区边界，根据煤系地层综合柱状图、煤层底板等高线图、矿井地质剖面图判断采空区破碎带、裂隙带、弯屈下沉带的高度及范围，将煤层气抽采钻孔的终孔位置选定在采空区内部距边界30～50 米的垮落带上方10～20 米位置的裂隙带内；根据采空区煤层底板等高线图、矿井地质剖面图、原工作面设计图，将抽水井钻孔的终孔位置选定在采空区内的最低点；通过现场实地勘察，在采空区边界外选择地表起伏相对平缓且距煤层气抽采终孔、抽水井终孔位置及采空区边界位置最近的点作为钻井施工起始点；S2.自钻井施工起始点位置垂直向下施工立井15，立井15深度为H3，H3的取值范围为40～50 米，立井15直径为5～6米，立井15施工时同步进行地面废水处理厂1和煤层气储存罐2的建设施工，废水处理厂1和煤层气储存罐2分别设置在立井15两端且距立井15 30～40 米地势平坦的位置；S3.立井15施工完毕后，在立井内距地表10～20 米的H1处采用钢架搭设钻机施工平台，进一步在钻机施工平台上固定钻机，并进行煤层气抽采钻孔孔道12的施工作业；煤层气抽采钻孔孔道12共两处且二者位于H1处的初始钻孔位置的中心水平间距为2 米，煤层气抽采钻孔孔道12均倾斜向下钻至步骤S1确定的煤层气抽采钻孔的终孔位置，每处煤层气抽采钻孔孔道12与竖直平面的夹角范围为80°～85°，且两根煤层气抽采钻孔孔道12所形成的夹角为60°，孔道直径为100 毫米,钻孔施工完成后在孔道内铺设直径为90毫米的钢管防止孔道坍塌，并将靠近立井15一侧的孔道及钢管口进行密封；S4.将钻机施工平台连同钻机下移10～15 米至H2处并固定，进行抽水井的钻孔施工，共施工两处抽水井孔道14，两处抽水井孔道14的初始井孔中心水平间距为2 米，抽水井孔道14钻孔作业均倾斜向下钻至步骤S1确定的抽水井钻孔终孔位置，所形成的抽水井孔道14与竖直平面夹角范围为60°～65°，且两处抽水井孔道14间的夹角为60°，孔道的直径为100 毫米,钻孔施工完成后在孔道内分别铺设直径为90毫米的钢制抽水管防止孔道坍塌，钢制抽水管端头设置有不锈钢多孔吸水头，防止吸入块状砾石阻塞管路；S5.待抽水井孔道14施工结束后将钻机设备移出立井15，仅保留钻机施工平台并进行管路的连接，用三通阀将两抽水孔道14内的钢制抽水管接入抽水总管，抽水总管与废水处理厂连接，采空区积水经钢制抽水管和抽水总管7抽至废水处理厂1进行处理；在抽水井孔道14中敷设投入式水位监测传感器，在孔道14与立井15接口处设置数据无线远程发射端16，以便于监测数据能传输至地面控制机房内查看；在距地表下部4～5 米位置的抽水总管7上连接有水气分离装置9，抽水总管7在地表上部高于地表1.5米的位置设置有阀门A4和水量监测表3；S6.打开步骤S3中的煤层气抽采钻孔孔道12的钢管密封，用三通阀将两根煤层气抽采钻孔孔道钢管接入抽气总管7，抽气总管7的直径为100 毫米且与煤层气储存罐2连通，抽出的煤层气能够储存至煤层气储存罐2内，在抽气总管7与水气分离装置9间连接有短管10且短管10水平设置，抽气总管7上部高于地表1.7米的位置设置有阀门B5和煤层气监测表6，短管10的直径为80毫米，管路连接完毕后将立井15井口用铁皮井盖11封闭用以保护井内管路；S7.打开抽水总管7上的阀门A4对采空区的积水进行抽取，连续抽水12 小时后，开启抽气总管7上的阀门B5对采空区内的煤层气进行抽取，通过煤层气监测表6对抽采的煤层气进行浓度判定，当煤层气浓度低于30%，暂时关闭阀门B5停止煤层气的抽采，同步继续抽水5～7 天后再开启阀门B5；通过煤层气监测表6实时监测煤层气浓度，若煤层气浓度超过30%，则可继续进行煤层气的抽采工作；若煤层气浓度不足30%，则暂时关闭阀门B5停止煤层气的抽采，并重复上述工作达到反复抽采的目的。
下面结合实施例对本发明进行详细阐述。
以某矿已回采的某工作面为例，该工作面煤层平均厚度约3.2 米，该工作面是2002年7月结束回采，采煤方法为高档普采，回采率约为87%，表土层厚度约为300 米，回采后由于地表降水及附近河流的渗入，预计采空区内已经存有大量积水，根据已有回采资料显示采空区尺寸为180×1500 米，所采煤层多数为优质无烟煤，预计煤中所吸附的煤层气含量巨大，可采性较强。但因遗煤被采空区内积水淹没，遗煤中的煤层气难以解吸，会影响抽采工作的进行。且采空区内的大量积水成为开采下部煤层的巨大安全隐患，为充分利用采空区内煤层气资源，并消除下部煤层开采的隐患，本发明提供的发明方法具体为：
根据采空区所处区域原工作面某设计说明书、采掘工程平面图，采空区井上下对照图圈定某采空区边界。根据煤系地层综合柱状图、煤层底板等高线图、矿井地质剖面图判断采空区内破碎带高度为8～10 米、裂隙带高度10～30米，将煤层气抽采钻孔终孔位置选定在采空区内部距边界35 米处垮落带上方15米处的裂隙带内。根据采空区煤层底板等高线图、矿井地质剖面图、原工作面设计，将抽水井钻孔的终孔位置选定在采空区内的最低点；现场实地勘察，在采空区边界外选择地表起伏较为平缓并且距抽采及抽水终孔位置、采空区边界位置最近位置作为立井15钻井施工起始点。
自起始点垂直向下施工立井15，立井15深度H3为40米，立井15直径为5 米。立井15施工的同时展开地面废水处理厂1及煤层气储存罐2的建设施工。废水处理厂1及煤层气储存罐2对称布置在距立井30米地势平坦处。
立井15施工完毕后，在井壁距地表15 m的H1处采用钢架搭设3×3米的钻机施工平台，将钻机固定在平台上并开始施工煤层气抽采钻孔，共施工两处煤层气抽采钻孔孔道12，两钻孔的上部初始孔口水平间距为2米，煤层气抽采钻孔孔道12与竖直平面夹角为80°，孔身呈扇形向预先确定的煤层气抽采钻孔的终孔位置辐射，夹角为60°，钻孔直径为100 毫米。钻孔施工完成后敷设直径为90毫米的钢管防止钻孔塌孔，并将孔口处密封。
将钻机施工平台连同钻机下移10 米至H2处，施工抽水井孔道14。共施工两处抽水井孔道14，两钻孔孔口水平间距2m，抽水井孔道14与竖直平面的夹角为60°，抽水井孔道14的孔身向确定的抽水井钻孔的终孔位置呈扇形辐射，夹角为60°，抽水井孔道14的直径为100毫米。钻孔施工完毕后向抽水井孔道14内敷设一根直径为90 毫米的钢制抽水管，并在钢制抽水管的端头安装不锈钢多孔吸水头，防止吸入块状砾石阻塞管路。
抽水井孔道14施工结束后撤出钻机设备，保留施工平台，开始连接管路。用三通阀将两抽水钻孔内的钢制抽水管接入抽水总管7，抽水总管7的直径为200 毫米，抽出的采空区积水经由抽水总管7输送至地面的废水处理厂1。在抽水总管7井下部分，距地表5米处的井身上安装一部水气分离装置9，在抽水总管7井上部分，高于地表1.5m处的井身上安装阀门A4及水量监测表3。
打开煤层气抽采钢管的密封，用三通阀将两抽气钻孔接入抽气总管8，抽气总管8的直径为100毫米，抽出的煤层气经由抽气总管8输送至地面煤层气储存罐2内。在抽气总管8的井上部分，高于地表1.7m处的井身上安装阀门B5及煤层气监测表6。在抽气总管8的井下部分，距地表5 米处的井身上外接一根短管10与抽水总管7上的水气分离装置出气端相连，抽气总管8的直径为80毫米。在抽采过程中，抽水总管7中含有少量的煤层气可经水气分离装置9进入抽气总管8。管路连接完毕后将井口用铁皮井盖11封闭，用于保护井下管路。
打开抽水总管7上的阀门A4对采空区的积水进行抽取，连续抽水12 小时后，开启抽气总管7上的阀门B5对采空区内的煤层气进行抽取，通过煤层气监测表6对抽采的煤层气进行浓度判定，当煤层气浓度低于30%，暂时关闭阀门B5停止煤层气的抽采，同步继续抽水5～7 天后再开启阀门B5；通过煤层气监测表6实时监测煤层气浓度，若煤层气浓度超过30%，则可继续进行煤层气的抽采工作；若煤层气浓度不足30%，则暂时关闭阀门B5停止煤层气的抽采，并重复上述工作达到反复抽采的目的。
Claims (1)
1.一种采空区内煤层气及积水同时抽采利用的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.确定煤层气抽采钻孔的终孔位置、抽水井钻孔的终孔位置和立井的钻井施工起始点位置；根据采空区所处区域原工作面的设计说明书、采掘工程平面图，对采空区井进行上下对照后确定采空区边界，根据煤系地层综合柱状图、煤层底板等高线图、矿井地质剖面图判断采空区破碎带、裂隙带、弯屈下沉带的高度及范围，将煤层气抽采钻孔的终孔位置选定在采空区内部距边界30～50 米的垮落带上方10～20 米位置的裂隙带内；根据采空区煤层底板等高线图、矿井地质剖面图、原工作面设计图，将抽水井钻孔的终孔位置选定在采空区内的最低点；通过现场实地勘察，在采空区边界外选择地表起伏相对平缓且距煤层气抽采终孔、抽水井终孔位置及采空区边界位置最近的点作为钻井施工起始点；
S2.自钻井施工起始点位置垂直向下施工立井（15），立井（15）深度为H3，H3的取值范围为40～50 米，立井（15）直径为5～6米，立井（15）施工时同步进行地面废水处理厂（1）和煤层气储存罐（2）的建设施工，废水处理厂（1）和煤层气储存罐（2）分别设置在立井（15）两端且距立井（15） 30～40 米地势平坦的位置；
S3.立井（15）施工完毕后，在立井内距地表10～20 米的H1处采用钢架搭设钻机施工平台，进一步在钻机施工平台上固定钻机，并进行煤层气抽采钻孔孔道（12）的施工作业；煤层气抽采钻孔孔道（12）共两处且二者位于H1处的初始钻孔位置的中心水平间距为2 米，煤层气抽采钻孔孔道（12）均倾斜向下钻至步骤S1确定的煤层气抽采钻孔的终孔位置，每处煤层气抽采钻孔孔道（12）与竖直平面的夹角范围为80°～85°，且两根煤层气抽采钻孔孔道（12）所形成的夹角为60°，孔道直径为100 毫米,钻孔施工完成后在孔道内铺设直径为90毫米的钢管防止孔道坍塌，并将靠近立井（15）一侧的孔道及钢管口进行密封；
S4.将钻机施工平台连同钻机下移10～15 米至H2处并固定，进行抽水井的钻孔施工，共施工两处抽水井孔道（14），两处抽水井孔道（14）的初始井孔中心水平间距为2 米，抽水井孔道（14）钻孔作业均倾斜向下钻至步骤S1确定的抽水井钻孔终孔位置，所形成的抽水井孔道（14）与竖直平面夹角范围为60°～65°，且两处抽水井孔道（14）间的夹角为60°，孔道的直径为100 毫米,钻孔施工完成后在孔道内分别铺设直径为90毫米的钢制抽水管防止孔道坍塌，钢制抽水管端头设置有不锈钢多孔吸水头，防止吸入块状砾石阻塞管路；
S5.待抽水井孔道（14）施工结束后将钻机设备移出立井（15），仅保留钻机施工平台并进行管路的连接，用三通阀将两抽水孔道（14）内的钢制抽水管接入抽水总管，抽水总管与废水处理厂连接，采空区积水经钢制抽水管和抽水总管（7）抽至废水处理厂（1）进行处理；在抽水井孔道（14）中敷设投入式水位监测传感器，在孔道（14）与立井（15）接口处设置数据无线远程发射端（16），以便于监测数据能传输至地面控制机房内查看；在距地表下部4～5米位置的抽水总管（7）上连接有水气分离装置（9），抽水总管（7）在地表上部高于地表1.5米的位置设置有阀门A（4）和水量监测表（3）；
S6.打开步骤S3中的煤层气抽采钻孔孔道（12）的钢管密封，用三通阀将两根煤层气抽采钻孔孔道钢管接入抽气总管（7），抽气总管（7）的直径为100 毫米且与煤层气储存罐（2）连通，抽出的煤层气能够储存至煤层气储存罐（2）内，在抽气总管（7）与水气分离装置（9）间连接有短管（10）且短管（10）水平设置，抽气总管（7）上部高于地表1.7米的位置设置有阀门B（5）和煤层气监测表（6），短管（10）的直径为80毫米，管路连接完毕后将立井（15）井口用铁皮井盖（11）封闭用以保护井内管路；
S7.打开抽水总管（7）上的阀门A（4）对采空区的积水进行抽取，观察水位传感器数据，待水位下降0.5m后停止抽水，利用水量检测表（3）记录此时流量计读数；待水位重新恢复原有高度后，记录水位恢复时间，并计算单位时间段内的补给量，,其中为总的水量变化值，单位m3，为间隔时间，单位为天；以5天的补给量作为水量抽采上限，避免因地下水过量开采引起地表沉降；若水位在5天后仍没有恢复迹象，则开采此类积水不会引起地下水量变化，也不会造成地表沉陷，此时可连续抽水12 小时后，开启抽气总管（7）上的阀门B（5）对采空区内的煤层气进行抽取，通过煤层气监测表（6）对抽采的煤层气进行浓度判定，当煤层气浓度低于30%，暂时关闭阀门B（5）停止煤层气的抽采，同步继续抽水5～7天后再开启阀门B（5）；通过煤层气监测表（6）实时监测煤层气浓度，若煤层气浓度超过30%，则可继续进行煤层气的抽采工作；若煤层气浓度不足30%，则暂时关闭阀门B（5）停止煤层气的抽采，并重复上述工作达到反复抽采的目的。
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