CN109339788B - 一种控制地下煤自燃并开发利用的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地下资源开发利用技术领域，涉及一种控制地下煤自燃并开发利用的方法。在勘察清楚地下煤炭自燃及地质情况后，将该自燃区域分为若干区块；在每一区块向地下自燃区域打钻孔组成生产井；用引风机通过生产井抽采地下煤炭燃烧的高温烟气到地面，并在地下燃烧区域形成一定负压；将生产井附近一定范围的地面进行封堵，迫使空气从封堵区域外围进入地下参与燃烧，控制燃烧床的体积；抽到地面的高温烟气用换热器将热能换来发电或供热，并集中处理烟气。也可以人为向地下燃烧区域输送水及其他原料，调整高温烟气的碳氢比，生产合格的合成气抽到地面进行化工生产。本发明工艺简单、资源综合利用、治理污染、经济和社会效益好，可产业化开发。

Description

一种控制地下煤自燃并开发利用的方法

技术领域

本发明属于地下资源开发利用技术领域，具体涉及一种控制地下煤自燃并开发利用的方法。

背景技术

煤炭作为我国主要的一次能源，储量丰富，分布广，然而，暴露在空气中的煤，由于氧化放热导致温度逐渐升高，至70～80℃以后温度升高速度骤然加快，当达到煤的着火点时，引起燃烧，这种现象称为煤层自燃。有的煤层由于含硫量比较高，且上面覆盖层气密性又不好时，容易造成煤层自燃；特别是煤矿开采过程中排出的矸石堆积成山，比较松散，容易进入空气而使煤炭自燃。

长期以来，我国新疆的地下煤层和各地煤矿的矸石山常出现自燃现象(以下简称：地火)，几十年甚至上百年生生不息，地火不灭，既浪费资源，又造成空气污染。人们都是用地面复土隔氧加向地下注水注惰性气体的方法灭火，国家每年都要花很多资金组织专门的机构和人员进行灭火，但一直收效甚微，污染严重，大量浪费资源。地火利用一直没有合适的方法和技术，地火资源利用技术长期为空白。

因此，对于地火，应该改封堵为疏导利用，趋利避害，将收集到的火场高温烟气换热利用后，集中加以环保处理排放；也可以人为对燃烧床进行干预，加入水等其他辅助材料调节烟气的碳、氢组分的比例生产合成气，抽到地面进行化工生产。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足，提供一种控制地下煤自燃并开发利用的方法。

本发明提供的是一种区域性立体式的地火燃烧控制及高温烟气收集利用方法。

本发明所指区域性是指在水平投影层面上将火场进行规划让地火分区块进行可控燃烧。所指立体式则是在规划的地火燃烧区域垂直方向有序控制从地面深入到地下参与燃烧的空气，从而使地火在人为控制下有序燃烧，通过生产井抽取燃烧高温烟气到地面，用换热的方式将余热用来发电或供城市用热；或是直接将高温烟气作为合成气送到化工厂生产化工产品。

本发明的核心在于通过地质勘探和地温检测，解读清楚地火的分布和该区域的地质情况，根据地表地形、地质结构、地火状况等因素合理将地火区域进行区块划分(重点考虑地火位置以及深度、有无塌陷危险、无法灭火的区域、煤层结构等)；在每一区块合适地点往地火方向打一个或多个钻孔组成生产井，钻孔用前端为筛管的套管完井，以便高温烟气经筛管从中套管抽出；并以生产井为中心用封堵材料将地面进行封堵，封堵形状和面积根据实际情况决定，阻止空气从封堵区域深入地下，迫使空气从封堵区域外围的地表裂隙渗入地下。必要时可以人为打钻孔造缝，控制进气方位和进气量，御制远方地表的裂隙进气量，从而控制本区块燃烧速度和范围。由此，在引风机的抽吸作用(用高温闸阀配合调节抽采流量和压力)下将地火所产生的高温烟气经筛管从套管抽到地面，形成空气从远端地表进入地下参与地火燃烧，然后集中抽取高温烟气的稳定可控的地下燃烧床。高温烟气含有一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氢气、二氧化硫、碳氢化合物以及少量水蒸气等。抽采到地面的高温烟气主要有两种用途：一是抽采高温烟气直接换热，实现热能销售或是将高温烟气的热能用于余热发电并将烟气进行环保处理，实现污染治理的目的；二是对地火的燃烧床进行人为干预，向燃烧床注入水或水蒸气等辅助材料，调整高温烟气的组分达到化工合成气的要求，抽采到地面进行化工生产，可实现化工产业化。

具体步骤为：

一、对发生地火4的区域进行地质勘探和地温调查，根据地质结构和地火4分布情况、以及可能参与地火4燃烧的煤层情况、地面地形条件、地表土质的透气性及地表裂隙因素，将地火4区域划分为若干个区块。

二、在每一个区块合适的位置，向地火4方向打一个或多个钻孔，深度达到地火4燃烧中心附近或是深入到参烧煤层中，形成生产井1。

三、往生产井1的每个钻孔内放置筛管3，筛管3用外径小于生产井1内径的耐高温管材制作，管壁上设有均匀布置的透气孔，长度能够贯穿地火4燃烧床，为方便完井施工，采用多根组合的方式：第一节筛管朝向井底的一端封闭，朝向地面的一端做成螺纹连接或卡箍连接方式，其后连接的筛管为加长筛管，每节两头用螺纹或卡箍连接，形成组合筛管3。

四、再向生产井1的每个钻孔内放置套管2，套管2与筛管3用螺纹或卡箍连接，套管2直至并高出地面，在地面由井口装置7将套管2固定，并将井口装置7与套管2之间用密封材料进行密封，套管2用与筛管3外径一致的耐高温管材制作，为方便完井施工，采用多根组合的方式，每节两头用螺纹或卡箍连接，形成组合套管2。

五、以生产井1为中心用地面封堵材料6将地面进行封堵，封堵形状和面积根据地层的透气性、地形、燃烧床的大小实际情况决定，迫使空气从封堵区域外围的地表裂隙5渗入地下参与地火4燃烧，必要时可以人为打钻孔造缝，控制进气方位和进气量，从而控制本区块燃烧床范围。

六、套管2露出地面的一端加装一个三通8，三通8的直通段顶端装入一个压风管9，并封闭；压风管9深入到套管2内接近筛管3深处，用于向筛管3、套管2内输送氧气或空气，氧化高温烟气中的可燃物质，提高烟气的温度，减少有毒有害气体排放。

七、三通8的90度出口端连接高温闸阀10，用于与引风机12一起联合控制地火4燃烧床的进风量和压力，从而控制燃烧床的燃烧状态。

八、高温闸阀10的另一端连接热交换器11，地火4的高温烟气通过筛管3由套管2被抽到地面，在高温闸阀10的控制下，进入热交换器11中，将热能交换到余热利用装置14，实现热能销售或余热发电。

九、热交换器11出口端与引风机12连接，经热交换器11换热后的烟气温度已下降，通过引风机12抽出。

十、引风机12出口端与环保处理装置13连接，由引风机12抽出的烟气进入环保处理装置13进行环保处理，然后排入大气中。

十一、如果要将烟气作为化工生产的合成气使用，则需要在生产井1的附近适当位子向地火4燃烧床方向打一个或多个钻孔组成辅助井15，用于向地火4燃烧床添加水或水蒸气以及其他辅助材料，按化工的技术要求对地火4的高温烟气组分的碳、氢比进行调整使之成为合格的合成气，此时，忽略步骤六。

十二、如果要将烟气作为化工生产的合成气使用，在完成第一至十一步的过程中，将第十步中引风机12的出口端与化工厂16的合成气入口端相连，将合成气送入化工厂16进行化工生产。

本发明的有益效果：

1.变浪费资源为可利用资源，将无法扑灭的地下自燃的煤炭所释放的热能加以利用，变害为利，尽量减少资源浪费，向社会提供热能或电能。

2.使地火成为化工厂的原料生产基地，本发明提供一种人为调整地下煤炭燃烧烟气碳氢比的方法，使之能够产生大量合格的合成气抽到地面进行化工生产。

3.实现地火区域的环境污染治理，集中对地火产生的烟气进行集中处理，有效避免地火对大气的污染。

4.节约大量资金，国家不必投入大量的人力物力和资金来扑灭生生不息的地火。

5.减缓地火的蔓延，本发明改变了高温烟气的流动方向，由原来的漫流变为向生产井方向的回流，控制或减缓了地火的热能向周围未燃煤炭的扩散。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明一种控制地下煤自燃并开发利用的方法实施例1的工艺结构示意图；

图2为本发明一种控制地下煤自燃并开发利用的方法实施例2的工艺结构示意图。

图中：

1.生产井，2.套管，3.筛管，4.地火，5.地表裂隙，6.地面封堵材料，7.井口装置，8.三通，9.压风管，10.高温闸阀，11.热交换器，12.引风机，13.环保处理装置，14.余热利用装置，15.辅助井，16.化工厂。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明提出的一种控制地下煤自燃并开发利用的方法，具体步骤如下：

一、对发生地火4的区域进行地质勘探和地温调查，根据地质结构和地火4分布情况、以及可能参与地火4燃烧的煤层情况、地面地形条件、地表土质的透气性及地表裂隙因素，将地火4区域划分为若干个区块。

二、在每一个区块合适的位置，向地火4方向打一个或多个钻孔，深度达到地火4燃烧中心附近或是深入到参烧煤层中，形成生产井1。

三、往生产井1的每个钻孔内放置筛管3，筛管3用外径小于生产井1内径的耐高温管材制作，管壁上设有均匀布置的透气孔，长度能够贯穿地火4燃烧床，为方便完井施工，采用多根组合的方式：第一节筛管朝向井底的一端封闭，朝向地面的一端做成螺纹连接或卡箍连接方式，其后连接的筛管为加长筛管，每节两头用螺纹或卡箍连接，形成组合筛管3。

四、再向生产井1的每个钻孔内放置套管2，套管2与筛管3用螺纹或卡箍连接，套管2直至并高出地面，在地面由井口装置7将套管2固定，并将井口装置7与套管2之间用密封材料进行密封，套管2用与筛管3外径一致的耐高温管材制作，为方便完井施工，采用多根组合的方式，每节两头用螺纹或卡箍连接，形成组合套管2。

五、以生产井1为中心用地面封堵材料6将地面进行封堵，封堵形状和面积根据地层的透气性、地形、燃烧床的大小实际情况决定，迫使空气从封堵区域外围的地表裂隙5渗入地下参与地火4燃烧，必要时可以人为打钻孔造缝，控制进气方位和进气量，从而控制本区块燃烧床范围。

六、套管2露出地面的一端加装一个三通8，三通8的直通段顶端装入一个压风管9，并封闭；压风管9深入到套管2内接近筛管3深处，用于向筛管3、套管2内输送氧气或空气，氧化高温烟气中的可燃物质，提高烟气的温度，减少有毒有害气体排放。

七、三通8的90度出口端连接高温闸阀10，用于与引风机12一起联合控制地火4燃烧床的进风量和压力，从而控制燃烧床的燃烧状态。

八、高温闸阀10的另一端连接热交换器11，地火4的高温烟气通过筛管3由套管2被抽到地面，在高温闸阀10的控制下，进入热交换器11中，将热能交换到余热利用装置14，实现热能销售或余热发电。

九、热交换器11出口端与引风机12连接，经热交换器11换热后的烟气温度已下降，通过引风机12抽出。

十、引风机12出口端与环保处理装置13连接，由引风机12抽出的烟气进入环保处理装置13进行环保处理，然后排入大气中。

十一、如果要将烟气作为化工生产的合成气使用，则需要在生产井1的附近适当位子向地火4燃烧床方向打一个或多个钻孔组成辅助井15，用于向地火4燃烧床添加水或水蒸气以及其他辅助材料，按化工的技术要求对地火4的高温烟气组分的碳、氢比进行调整使之成为合格的合成气，此时，忽略步骤六。

十二、如果要将烟气作为化工生产的合成气使用，在完成第一至十一步的过程中，将第十步中引风机12的出口端与化工厂16的合成气入口端相连，将合成气送入化工厂16进行化工生产。

实施例1对地火进行控制并利用其热能的方法

原理：人为干预地火4的燃烧条件，控制空气进入地下参与地火4燃烧的通道，由引风机12在地火的高温区域形成一定的负压，从而，收集地火4的高温烟气，通过筛管3由套管2抽到地面，用热交换器11换热后将地火4的热能通过余热利用装置14加以利用，同时还能对地火4的烟气由环保处理装置13进行环保处理，实现污染治理。

实施方法：

一、对发生地火4的区域进行地质勘探和地温调查，根据地质结构和地火4分布情况、以及可能参与地火4燃烧的煤层情况、地面地形条件、地表土质的透气性及地表裂隙等因素，将地火4区域划分为若干个区块。

二、在每一个区块的可靠位置，向地火4方向打一个或多个钻孔，深度达到地火4燃烧中心附近或是深入到参烧煤层中，形成生产井1。

三、往生产井1的每个钻孔内放置筛管3，筛管3用外径小于生产井内径(以能够顺利放入井内为准)的管材(材质要求能耐900℃以上高温)制作，在管壁上均匀地钻透气孔(透气孔的孔径和密度可按实际的井深和通风量设计决定)。长度按能贯穿地火4燃烧床进行设计，实际放置深度和长度则按控制地火4燃烧床的高度的需要进行选择。为方便完井施工，可采用多根组合的方式：第一节筛管朝向井底的一端封闭，朝向地面的一端做成螺纹连接或卡箍连接方式，其后连接的筛管为加长筛管，每节两头用螺纹或卡箍连接(每节长度以工程设计规范长度圆整值为准进行设计)，形成组合筛管3。

四、向生产井1的每个钻孔内放置套管2，套管2与筛管3用螺纹或卡箍连接，套管2直至并高出地面，在地面由井口装置7将套管2固定，并将井口装置7与套管2之间用密封材料进行密封，防止空气从套管2与井口装置7之间漏空气进入地火4燃烧床。套管2用与筛管3外径一致的管材(材质要求能耐900℃以上高温；靠近地面部分能耐300℃)制作，为方便完井施工，可采用多根组合的方式。每节两头用螺纹或卡箍连接(每节长度以工程设计规范长度圆整值为准进行设计)，形成组合套管2。实际使用长度以满足筛管放置需要为准。

五、以生产井1为中心用地面封堵材料6将地面进行封堵，封堵形状和面积根据地层的透气性、地形、燃烧床的大小等实际情况决定，迫使空气从封堵区域外围的地表裂隙5渗入地下参与地火4燃烧。必要时可以人为打钻孔造缝，控制进气方位和进气量，从而控制本区块燃烧床燃烧速度和范围。

六、因为地火4的高温烟气中还含有氢气、一氧化碳、甲烷等可燃物质，可以用加氧气的方法使烟气中的可燃物质在高温下氧化增加烟气的温度，减少环保处理的压力。在套管2露出地面的一端加装一个三通8，三通8的直通段顶端装入一个压风管9，并封闭；压风管9深入到套管2内接近筛管3深处，用于向筛管3、套管2内输送氧气(可以是空气或纯氧气)，氧化高温烟气中可燃物质，提高烟气的温度。

七、三通8的90度出口端连接高温闸阀10，用于与引风机12一起联合控制地火4燃烧床的进风量和压力，从而控制燃烧床的燃烧状态。

八、高温闸阀10的另一端连接热交换器11。地火4的高温烟气通过筛管3由套管2被抽到地面，在高温闸阀10的控制下，进入热交换器11中，将热能交换到余热利用装置14，实现热能销售或余热发电。

九、热交换器11出口端与引风机12连接。当开启引风机12时，由于引风机的抽吸作用，会在筛管3周围的地火中产生一定的负压，地火4的高温烟气在这一负压的作用下通过筛管3由套管2抽到地面。经热交换器11换热后的烟气温度已下降。

十、经过第六步处理后的烟气还含有二氧化硫、二氧化碳、少量煤焦油、水蒸气、粉尘等杂质。引风机12出口端与环保处理装置13连接。由引风机12抽出的烟气进入环保处理装置13进行环保处理，除去其中的粉尘、二氧化硫、煤焦油等，然后达标排放。

通过以上步骤，即可实现对地火的控制和地火热能利用及环境污染治理。实施例2控制地火并调整烟气组分生产合成气的方法

原理：在勘察清楚地火4的燃烧状况后，人为干预其燃烧条件，控制空气进入地下参与地火4燃烧的通道，并向地火4燃烧床的适当位置打一个或多个钻孔组成辅助井15，通过辅助井15往地火4的燃烧床输送水或水蒸气以及其他调质气体参与燃烧，改变地火4烟气组分的碳氢比，生产符合化工生产需要的合成气，由引风机12通过筛管3、套管2抽到地面，用热交换器11换热后将热能通过余热利用装置14加以利用，然后将降温后的合成气输送到化工厂16进行化工生产。

实施方法：

一、对发生地火4的区域进行地质勘探和地温调查，根据地质结构和地火4分布情况、以及可能参与地火4燃烧的煤层情况、地面地形条件、地表土质的透气性及地表裂隙等因素，将地火4区域划分为若干个区块。

二、在每一个区块的可靠位置，向地火4方向打一个或多个钻孔，深度达到地火4燃烧中心附近或是深入到参烧煤层中，形成生产井1。

三、往生产井1的每个钻孔内放置筛管3，筛管3用外径小于生产井内径(以能够顺利放入井内为准)的管材(材质要求能耐900℃以上高温)制作，在管壁上均匀地钻透气孔(透气孔的孔径和密度可按实际的井深和通风量设计决定)。长度按能贯穿地火4燃烧床进行设计，实际放置深度和长度则按控制地火4燃烧床的高度的需要进行选择。为方便完井施工，可采用多根组合的方式：第一节筛管朝向井底的一端封闭，朝向地面的一端做成螺纹连接或卡箍连接方式，其后连接的筛管为加长筛管，每节两头用螺纹或卡箍连接(每节长度以工程设计规范长度圆整值为准进行设计)，形成组合筛管3。

四、向生产井1的每个钻孔内放置套管2，套管2与筛管3用螺纹或卡箍连接，套管2直至并高出地面，在地面由井口装置7将套管2固定，并将井口装置7与套管2之间用密封材料进行密封，防止空气从套管2与井口装置7之间漏空气进入地火4燃烧床。套管2用与筛管3外径一致的管材(材质要求能耐900℃以上高温；靠近地面部分能耐300℃)制作，为方便完井施工，可采用多根组合的方式。每节两头用螺纹或卡箍连接(每节长度以工程设计规范长度圆整值为准进行设计)，形成组合套管2。实际使用长度以满足筛管放置需要为准。

五、以生产井1为中心用地面封堵材料6将地面进行封堵，封堵形状和面积根据地层的透气性、地形、燃烧床的大小等实际情况决定，迫使空气从封堵区域外围的地表裂隙5渗入地下参与地火4燃烧。必要时可以人为打钻孔造缝，控制进气方位和进气量，从而控制本区块燃烧床燃烧速度和范围。

六、根据地火4的燃烧状况以及未来燃烧走势和范围等情况，在生产井1附近适当位置，并在用地面封堵材料封堵的区域，向地火4的燃烧床打一个或多个钻孔组成辅助井15。

七、辅助井15的每一个孔都按第三、第四步的方法用套管2、筛管3完井。

八、把从地火4抽上来的烟气进行组分化验分析，按合成气的技术要求，制定调整烟气碳氢比例的技术方案，并据此从辅助井15的套管2和筛管3向燃烧床输送水或水蒸气以及其他调质用的原料至地火4的燃烧床参与燃烧，对烟气进行调质，生产合格的合成气。

九、高出地面的套管2与高温闸阀10连接。由引风机12抽出来的高温合成气进入热交换器11进行热交换，将高温合成气的热能送至余热利用装置14中加以利用，同时使合成气降温。

十、降温后的合成气由引风机12送至化工厂16进行化工生产。送至化工厂16的合成气主要为一氧化碳、氢气，还含有二氧化碳、甲烷、二氧化硫、碳氢化合物以及少量水蒸气、粉尘等，统一进入化工厂16做相应的生产处理。

通过以上步骤，即可实现对地火的控制并人为改变烟气的组分使之成为合格的合成气供化工生产之用。

本发明工艺简单、资源综合利用、治理污染、经济和社会效益好，可产业化开发。

Claims (1)

1.一种控制地下煤自燃并开发利用的方法，其特征是，

一、对发生地火(4)的区域进行地质勘探和地温调查，根据地质结构和地火(4)分布情况、以及可能参与地火(4)燃烧的煤层情况、地面地形条件、地表土质的透气性及地表裂隙因素，将地火(4)区域划分为若干个区块；

二、在每一个区块合适的位置，向地火(4)方向打一个或多个钻孔，深度达到地火(4)燃烧中心附近或是深入到参烧煤层中，形成生产井(1)；

三、往生产井(1)的每个钻孔内放置筛管(3)，筛管(3)用外径小于生产井(1)内径的耐高温管材制作，管壁上设有均匀布置的透气孔，长度能够贯穿地火(4)燃烧床，为方便完井施工，采用多根组合的方式：第一节筛管朝向井底的一端封闭，朝向地面的一端做成螺纹连接或卡箍连接方式，其后连接的筛管为加长筛管，每节两头用螺纹或卡箍连接，形成组合筛管(3)；

四、再向生产井(1)的每个钻孔内放置套管(2)，套管(2)与筛管(3)用螺纹或卡箍连接，套管(2)直至并高出地面，在地面由井口装置(7)将套管(2)固定，并将井口装置(7)与套管(2)之间用密封材料进行密封，套管(2)用与筛管(3)外径一致的耐高温管材制作，为方便完井施工，采用多根组合的方式，每节两头用螺纹或卡箍连接，形成组合套管(2)；

五、以生产井(1)为中心用地面封堵材料(6)将地面进行封堵，封堵形状和面积根据地层的透气性、地形、燃烧床的大小实际情况决定，迫使空气从封堵区域外围的地表裂隙(5)渗入地下参与地火(4)燃烧，必要时可以人为打钻孔造缝，控制进气方位和进气量，从而控制本区块燃烧床范围；

六、套管(2)露出地面的一端加装一个三通(8)，三通(8)的直通段顶端装入一个压风管(9)，并封闭；压风管(9)深入到套管(2)内接近筛管(3)深处，用于向筛管(3)、套管(2)内输送氧气或空气，氧化高温烟气中的可燃物质，提高烟气的温度，减少有毒有害气体排放；

七、三通(8)的90度出口端连接高温闸阀(10)，用于与引风机(12)一起联合控制地火(4)燃烧床的进风量和压力，从而控制燃烧床的燃烧状态；

八、高温闸阀(10)的另一端连接热交换器(11)，地火(4)的高温烟气通过筛管(3)由套管(2)被抽到地面，在高温闸阀(10)的控制下，进入热交换器(11)中，将热能交换到余热利用装置(14)，实现热能销售或余热发电；

九、热交换器(11)出口端与引风机(12)连接，经热交换器(11)换热后的烟气温度已下降，通过引风机(12)抽出；

十、引风机(12)出口端与环保处理装置(13)连接，由引风机(12)抽出的烟气进入环保处理装置(13)进行环保处理，然后排入大气中；

十一、如果要将烟气作为化工生产的合成气使用，则需要在生产井(1)的附近适当位子向地火(4)燃烧床方向打一个或多个钻孔组成辅助井(15)，用于向地火(4)燃烧床添加水或水蒸气以及其他辅助材料，按化工的技术要求对地火(4)的高温烟气组分的碳、氢比进行调整使之成为合格的合成气，此时，忽略步骤六；

十二、如果要将烟气作为化工生产的合成气使用，在完成第一至十一步的过程中，将第十步中引风机(12)的出口端与化工厂(16)的合成气入口端相连，将合成气送入化工厂(16)进行化工生产。

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