CN110344877B - 在多孔介质充填的采空区内存储二氧化碳气体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在多孔介质充填的采空区内储存二氧化碳气体的方法，该方法利用粉碎的矸石、粉煤灰和水泥制作方形的多孔介质；在井工煤矿采空区内紧随采煤工作面用上述方形的多孔介质砌筑充填条带，形成对采空区顶板的有效支撑，确保采空区顶板的长期稳定；待整个采煤工作面回采结束后，封闭采区顺槽，由多孔介质充填的采空区形成一个封闭的空间；最后将火电厂产生的二氧化碳气体注入该封闭空间，形成对二氧化碳气体的长久储存。该在多孔介质充填的采空区内储存二氧化碳气体的方法，利用煤矿固体废弃物对采空区进行充填，既避免了采空区垮塌造成的地表沉陷，又为二氧化碳气体的长久储存提供了理想空间，减小因二氧化碳气体排放而造成的温室效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳气体储存方法，尤其是一种在多孔介质充填的采空区内储存二氧化碳气体的方法。
背景技术
随着我国中东部矿区煤炭资源的逐渐枯竭，我国煤炭开采重心正逐渐向西部转移。但是，在对西部煤炭资源进行规模开发利用时，主要面临两个方面的问题：一是我国西部煤炭资源多分布于干旱、半干旱的沙漠或戈壁地带，煤层厚、埋藏浅，地表水资源匮乏，生态环境异常脆弱。传统的垮落法处理采空区时，极易造成水资源流失和地表植被破坏，严重危害当地脆弱的生态环境；二是西部地区本身经济欠发达，能源需求量小，当地所产煤炭主要用来满足我国东南部经济发达地区的能源需求。然而，我国东西部地区相距甚远，煤炭运输成本太高。为此，我国制定了西电东输的计划，将西部生产的煤炭就地发电，然后通过超高压电网输送到东南部地区。在对煤炭进行火力发电时，势必会产生大量的二氧化碳气体，造成温室效应，同样会对西部本来就脆弱的生态环境造成严重的危害。
已有的研究成果在处理上述问题时尚有不足：①已有的采空区充填方式主要是为控制覆岩移动而设计的，没有考虑后期存储二氧化碳气体的问题，导致采空区充填后，剩余空间不足，难以大量储存二氧化碳气体，如采空区全部充填法。即使是采空区部分(条带)充填法，由于充填条带均为实体，导致各条带间的空间相互隔离，二氧化碳气体无法在相互隔离的空间内流通，难以有效储存二氧化碳气体；②已有的采空区二氧化碳储存方法(封存二氧化碳的方法，2012104978620)利用垮落发处理采空区时形成的裂隙进行液态二氧化碳的储存，成本高、工艺复杂，依靠裂隙带以上的完整覆岩来实现二氧化碳的长处封存，适用于煤层埋藏较深的条件。我国西北部地区煤层埋藏浅、煤层厚、基岩薄，采动裂隙极易贯穿真个上覆岩层，上述封存二氧化碳的方法难以做到对二氧化碳的长期、有效封存。
为了消除我国西北部地区垮落法开采煤炭时造成的地表塌陷和煤炭火力发电时二氧化碳气体排放造成的温室效应，本发明提出了在多孔介质充填的采空区内储存二氧化碳气体的方法，该方法既可以充分利用煤矿固体废弃物对采空区进行有效充填，保证采空区上覆岩层的完整性和稳定性，避免地表塌陷的出现，又可以尽可能多地保留采空区空间，为煤炭火力发电厂产生的二氧化碳气体的储存提供理想的空间，减小因二氧化碳气体排放而造成的温室效应，实现我国西部煤炭资源的绿色开采和低碳利用，有效保护我国西部地区脆弱的生态环境。
发明内容
本发明提出的在多孔介质充填的采空区内储存二氧化碳气体的方法的技术方案如下。
①将粉碎的矸石、粉煤灰和水泥按一定比例混合，加水搅拌成膏状材料，然后将此膏状材料倒入特制模具中，制成方形的多孔介质，并使之晾干硬化，形成基本的充填单元。
②在井工煤矿煤层开采时，在采空区内紧随采煤工作面利用多孔介质砌筑充填条带，形成对新暴露采空区顶板岩层的有效支撑，确保顶板岩层的完整性和稳定性；以此同时，在采空区两侧预埋二氧化碳气体压注管。
③待本区段工作面回采结束后，构筑顺槽封闭墙，使采空区形成一个封闭的空间；在顺槽封闭墙构筑时，留设排气孔。
④收集地面火力发电厂产生的二氧化碳气体并通过二氧化碳气体输送管输送至顺槽封闭墙附近。
⑤将空气压缩泵一端连接二氧化碳气体输送管，另一端连接采空区内预埋的二氧化碳气体压注管，将二氧化碳气体注入由多孔介质充填的采空区内。
⑥压注到采空区内的二氧化碳气体从开切眼处开始逐渐由里向外充满采空区；与此同时，采空区内原有的空气被二氧化碳气体驱赶并通过顺槽封闭墙内留设的排气孔排出采空区。
⑦待排气孔排出的气体中二氧化碳浓度超过30％时，封闭排气孔并继续向采空区内压注二氧化碳气体，直到采空区内气体压力达到预定值；二氧化碳气体向采空区内压注结束后，封闭二氧化碳气体压注管。
所述①中粉碎矸石、粉煤灰和水泥的混合比例由顶板岩层岩性、顶板压力、煤层埋深等因素决定；多孔介质的长度a＝W/n1，其中W表示采煤工作面的倾向长度，n1为整数，a≤0.5m；多孔介质的宽度b＝M/n2，其中M表示多孔介质充填条带的宽度，n2为整数，b≤0.5m；多孔介质的高度c＝H/n3，其中H表示采煤工作面的回采高度，n3为整数，c≤0.5m；多孔介质中孔为圆柱形，圆柱形孔的半径
其中a和c分别为多孔介质的长度和高度，n4为多孔介质中圆柱形孔的个数，为整数，ε为多孔介质的孔隙率，ε≥30％。
所述②中充填条带的宽度和间距由顶板岩层的岩性、顶板压力、煤层埋深和多孔介质的强度而定；充填条带的轴向方向既可以沿采煤工作面走向布置，也可以沿采煤工作面倾向布置；多孔介质中圆柱形孔的轴向要垂直于充填条带的轴向方向，便于二氧化碳气体在各充填条带间流通；采空区内预埋的二氧化碳气体压注管为钢管材料，压注管内径为50-100mm，压注管管壁厚度为5-10mm，具体数值由采空区尺寸、压注时间和压注压力而定。
所述③中顺槽包括采区运输顺槽和采区轨道顺槽；顺槽封闭墙用普通红砖砌筑，封闭墙厚度由采空区内最终的气体压力而定；封闭墙内留设的排气孔为圆形，排气孔直径为100mm。
所述④中由火电厂收集的二氧化碳气体在向井下输送时为常温常压输送；二氧化碳气体输送管为钢管材料，二氧化碳气体输送管内径为100-300mm，二氧化碳气体输送管管壁厚度为4-8mm，具体数值由采空区尺寸和压注时间而定。
所述⑤中空气压缩泵的功率、压力、流量等参数由采空区尺寸、压注时间和压注压力而定。
所述⑦中采空区内气体压力预定值由煤层埋深、顶板岩层岩性及顶板压力而定。
本发明的有益效应是：①该方法利用煤矿固体废弃物制作方形的多孔介质，并充填采空区，既避免了因采空区覆岩垮塌而造成的地表沉陷，确保采空区覆岩的长期稳定，又尽可能多地保留了采空区空间，为地面火力发电产生的二氧化碳气体的储存提供了理想空间；②该方法中二氧化碳以气体的形式储存，不需要对其进行液化处理，大大节省了二氧化碳的制备和运输费用；③该方法可以利用矿井现有的井巷通道，不需要在地面另行钻孔，简化了二氧化碳储存工艺，实现了煤炭开采和二氧化碳气体储存的协同进行。该方法对于实现我国西部大型煤电基地的煤炭资源绿色开采和低碳利用具有很好的参考意义。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1为在多孔介质充填的采空区内储存二氧化碳气体的方法中的多孔介质充填单元。
图2为在多孔介质充填的采空区内储存二氧化碳气体的方法的施工俯视图(倾向条带充填)。
图3为在多孔介质充填的采空区内储存二氧化碳气体的方法的施工俯视图(走向条带充填)。
图中，1.多孔介质，2.圆柱形孔，3.煤层，4.采空区，5.采区顺槽，6.顺槽封闭墙，7.二氧化碳气体压注管，8.排气孔，9.空气压缩泵，10.二氧化碳气体输送管，11.开切眼，12.充填条带。
具体实施方式
在图中，该在多孔介质充填的采空区内存储二氧化碳气体的方法的操作步骤为。
①将粉碎的矸石、粉煤灰和水泥按一定比例混合，加水搅拌成膏状材料，然后将此膏状材料倒入特制模具中，制成方形的多孔介质1，并使之晾干硬化，形成基本的充填单元。
②在井工煤矿煤层3开采时，在采空区4内紧随采煤工作面利用多孔介质1砌筑充填条带12，形成对新暴露采空区顶板岩层的有效支撑，确保顶板岩层的完整性和稳定性；与此同时，采空区两侧预埋二氧化碳气体压注管7。
③待本区段工作面回采结束后，构筑顺槽封闭墙6，使采空区形成一个封闭的空间；在顺槽封闭墙6构筑时，留设排气孔8。
④收集地面火力发电厂产生的二氧化碳气体并通过二氧化碳气体输送管10输送至顺槽封闭墙6附近。
⑤将空气压缩泵9一端连接二氧化碳气体输送管10，另一端连接采空区4内预埋的二氧化碳气体压注管7，将二氧化碳气体注入由多孔介质1充填的采空区4内。
⑥压注到采空区4内的二氧化碳气体从开切眼11处开始逐渐由内向外充满采空区4；与此同时，采空区4内原有的空气被二氧化碳气体驱赶并通过顺槽封闭墙6内留设的排气孔8排出采空区4。
⑦待排气孔8排出的气体中二氧化碳浓度超过30％时，封闭排气孔8并继续向采空区4内压注二氧化碳气体，直到采空区4内气体压力达到预定值；二氧化碳气体向采空区4内压注结束后，封闭二氧化碳气体压注管7。
所述①中粉碎矸石、粉煤灰和水泥的混合比例由顶板岩层岩性、顶板压力、煤层埋深等因素决定；多孔介质1的长度a＝W/n1，其中W表示采煤工作面的倾向长度，n1为整数，a≤0.5m；多孔介质1的宽度b＝M/n2，其中M表示多孔介质充填条带12的宽度，n2为整数，b≤0.5m；多孔介质1的高度c＝H/n3，其中H表示采煤工作面的回采高度，n3为整数，c≤0.5m；多孔介质1中孔为圆柱形，圆柱形孔2的
半径，
其中a和c分别为多孔介质1的长度和高度，n4为多孔介质1中圆柱形孔2的个数，为整数，ε为多孔介质1的孔隙率，且ε≥30％。
所述②中充填条带12的宽度和间距由顶板岩层的岩性、顶板压力、煤层埋深和多孔介质1的强度而定；充填条带12既可以沿采煤工作面走向布置，也可以沿采煤工作面倾向布置；多孔介质1中圆柱形孔2的轴向要垂直于充填条带12的轴向方向，便于二氧化碳气体在各充填条带12间流通；采空区4内预埋的二氧化碳气体压注管7为钢管材料，压注管7内径为50-100mm，压注管7管壁厚度为5-10mm，具体数值由采空区尺寸、压注时间和压注压力而定。
所述③中顺槽5包括采区运输顺槽和采区轨道顺槽；顺槽封闭墙6用普通红砖砌筑，封闭墙6厚度由采空区4内最终的气体压力而定；封闭墙6内留设的排气孔8为圆形，排气孔直径为100mm。
所述④中由火电厂收集的二氧化碳气体在向井下输送时为常温常压输送；二氧化碳气体输送管10为钢管材料，二氧化碳气体输送管10内径为100-300mm，二氧化碳气体输送管10管壁厚度为4-8mm，具体数值由采空区尺寸和压注时间而定。
所述⑤中空气压缩泵的功率、压力、流量等参数由采空区4尺寸、压注时间和压注压力而定。
所述⑦中采空区4内气体压力预定值由煤层埋深、顶板岩层岩性及顶板压力而定。
Claims (7)
1.在多孔介质充填的采空区内存储二氧化碳气体的方法，其特征在于，首先将粉碎的矸石、粉煤灰和水泥按一定比例混合，加水搅拌成膏状材料，然后将此膏状材料倒入特制模具中，制成方形的多孔介质(1)，并使之晾干硬化，形成基本的充填单元；在井工煤矿煤层(3)开采时，在采空区(4)内紧随采煤工作面利用多孔介质(1)砌筑充填条带(12)，形成对新暴露采空区顶板岩层的有效支撑，确保顶板岩层的完整性和稳定性，所述充填条带(12)间隔设置；与此同时，在采空区两侧预埋二氧化碳气体压注管(7)；待本区段工作面回采结束后，构筑采区顺槽封闭墙(6)，使采空区形成一个封闭的空间；在采区顺槽封闭墙(6)构筑时，留设排气孔(8)；收集地面火力发电厂产生的二氧化碳气体并通过二氧化碳气体输送管(10)输送至采区顺槽封闭墙(6)附近；将空气压缩泵(9)一端连接二氧化碳气体输送管(10)，另一端连接采空区(4)内预埋的二氧化碳气体压注管(7)，将二氧化碳气体注入由多孔介质(1)充填的采空区(4)内；压注到采空区(4)内的二氧化碳气体从开切眼(11)处开始逐渐由内向外充满采空区(4)；于此同时，采空区(4)内原有的空气被二氧化碳气体驱赶并通过采区顺槽封闭墙(6)内留设的排气孔(8)排出采空区(4)；待排气孔(8)排出的气体中二氧化碳浓度超过30％时，封闭排气孔(8)并继续向采空区(4)内压注二氧化碳气体，直到采空区(4)内气体压力达到预定值；最后，二氧化碳气体向采空区(4)内压注结束后，封闭二氧化碳气体压注管(7)。
2.根据权利要求1所述在多孔介质充填的采空区内存储二氧化碳气体的方法；其特征是：所述粉碎矸石、粉煤灰和水泥的混合比例由顶板岩层岩性、顶板压力、煤层埋深因素决定；多孔介质(1)的长度a＝W/n1，其中W表示采煤工作面的倾向长度，n1为整数，a≤0.5m；多孔介质(1)的宽度b＝M/n2，其中M表示多孔介质充填条带(12)的宽度，n2为整数，b≤0.5m；多孔介质(1)的高度c＝H/n3，其中H表示采煤工作面的回采高度，n3为整数，c≤0.5m；多孔介质(1)中孔为圆柱形，圆柱形孔(2)的半径
，其中a和c分别为多孔介质(1)的长度和高度，n4为多孔介质(1)中圆柱形孔(2)的个数，为整数，ε为多孔介质(1)的孔隙率，且ε≥30％。
3.根据权利要求1所述在多孔介质充填的采空区内存储二氧化碳气体的方法；其特征是：所述充填条带(12)的宽度和间距由顶板岩层的岩性、顶板压力、煤层埋深和多孔介质(1)的强度而定；充填条带(12)既可以沿采煤工作面走向布置，也可以沿采煤工作面倾向布置；多孔介质(1)中圆柱形孔(2)的轴向要垂直于充填条带(12)的轴向方向，便于二氧化碳气体在各充填条带(12)间流通；采空区(4)内预埋的二氧化碳气体压注管(7)为钢管材料，二氧化碳气体压注管(7)内径为50-100mm，二氧化碳气体压注管(7)管壁厚度为5-10mm，具体数值由采空区(4)尺寸、压注时间和压注压力而定。
4.根据权利要求1所述在多孔介质充填的采空区内存储二氧化碳气体的方法；其特征是：所述顺槽(5)包括采区运输顺槽和采区轨道顺槽；顺槽封闭墙(6)用普通红砖砌筑，顺槽封闭墙(6)厚度由采空区(4)内最终的气体压力而定；顺槽封闭墙(6)内留设的排气孔(8)为圆形，排气孔(8)直径为100mm。
5.根据权利要求1所述在多孔介质充填的采空区内存储二氧化碳气体的方法；其特征是：由火电厂收集的二氧化碳气体在向井下输送时为常温常压输送；二氧化碳气体输送管(10)为钢管材料，二氧化碳气体输送管(10)内径为100-300mm，二氧化碳气体输送管(10)管壁厚度为4-8mm，具体数值由采空区(4)尺寸和压注时间而定。
6.根据权利要求1所述在多孔介质充填的采空区内存储二氧化碳气体的方法；其特征是：所述空气压缩泵的功率、压力、流量参数由采空区(4)尺寸、压注时间和压注压力而定。
7.根据权利要求1所述在多孔介质充填的采空区内存储二氧化碳气体的方法；其特征是：所述采空区(4)内气体压力预定值由煤层埋深、顶板岩层岩性及顶板压力而定。
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