CN111561297B - 基于断层导水裂隙带的煤-地热水协同开采方法 - Google Patents

基于断层导水裂隙带的煤-地热水协同开采方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于断层导水裂隙带的煤‑地热水协同开采方法，充分利地热水汇集区进行煤‑地热水协同开采。在工作面开采后沿空留巷形成的巷道和硐室内建立热能交换站，通过钻井硐室开挖地热井，分别向地热水汇集区布置地热水抽采管道，向地热储层布置尾水回注管道，且二者的末端相距一定的距离。地热水经地热水抽管道被抽采至热能交换站，将热能提取后输送至地面利用；取热后经尾水回注管道回注至地热储层，以控制岩层稳定，并实现地热水的可持续开采。同时，煤炭开采可在下一工作面同时进行，实现煤‑地热水的协同开采。本发明的开采方法具有资源利用率高、地热水开采利用成本低、把断层导水裂隙带变害为利等优点。

Description

基于断层导水裂隙带的煤-地热水协同开采方法
技术领域
本发明涉及一种煤炭与地热开采方法，具体是涉及一种基于断层导水裂隙带的煤-地热水协同开采方法，属于地下资源开采领域。
背景技术
地下矿产资源的高效开发利用一直是我国能源战略发展的重大命题，煤炭资源是我国第一大资源，开采技术和理念已十分成熟。近些年来，随着煤炭资源的开采不断向深部推进，引起了一系列的技术难题，比如高地温问题。为了解决高地温所引发的开采难题，本着资源高效利用的理念，地热开采成为热点研究课题，其开采技术与理念不断完善与发展。因此，学者提出煤-地热水协同开采方法实现资源的高效多重利用。
在地下煤-热资源开发时，在软弱岩层中往往存在断层等地质构造。断层是一种松散的不稳定岩体结构，存在天然的导水裂隙网络，再加之深部高地应力、开采扰动的影响，将加速地下水通过断层向采矿作业空间的渗流，进而引发矿井突水灾害，造成人员伤亡和财产损失。因此，现有地热开采方法一般选择避开此区域。
深部岩体中储藏大量的地热能，含水层水温可达60～80℃，地热能是一种清洁、储量丰富的能源。为了高效开发地热资源，同时减小突水灾害的风险，本发明充分利用断层裂隙带的导水特性，提出一种基于断层导水裂隙带的煤-地热水协同开采方法，可循环开采地下热能资源，降低工程基建成本，减小断层带诱发突水灾害的风险，实现资源高效开发利用。
发明内容
本发明的目的是要克服现有的技术存在的缺陷，提供一种基于断层导水裂隙带的煤-地热水协同开采方法。利用断层天然导水裂隙网络的便利条件，导通地热储层中的地热水进行抽采地热，同时对含水层进行卸压，减小工作面的突水风险，完成煤-地热水协同开采，实现资源的多重高效利用。
为实现上述目的，本发明基于断层导水裂隙带的煤-地热水协同开采方法，其步骤是：
步骤1. 确定地热水汇集区。由于断层是一种天然的导水裂隙带，容易与地热储层之间形成渗流通道，加速地热储层中的水向断层流动，使地热水不断地向断层处汇集，在断层与地热储层交界的位置形成地热水汇集区。
步骤2. 建立煤炭开采系统并开采煤炭：根据煤层赋存特征，布置主井、副井和风井；在开采水平内开掘运输大巷、轨道大巷和回风大巷，布置采区，在采取内布置采煤工作面；采煤工作面回采中，利用沿空留巷的方式保留区段巷道；煤炭开采后经运输大巷、主井运输至地面。由于煤系地层内断层的存在，在开采水平内留设防水煤柱。
步骤3. 设置热能交换站：在当前开采工作面的上一工作面开采后沿空留巷形成的巷道内设置热能交换站，热能交换站内设置热能交换设备，用于将地热水中的热能转存到其他储热介质中，随后传输至地面。
步骤4. 建立地热水抽采系统并抽采地热水：在当前开采工作面的上一工作面的巷道或硐室内布置钻井硐室，分别向地热水汇集区和地热储层开挖地热井。通过地热井向地热水汇集区布置地热水抽采管道，向地热储层布置尾水回注管道。地热水抽采管道与尾水回注管道的尽头相距设定的距离。地热水抽采管道与热能交换站的热能交换设备的供热侧进水管相连，将地热储层中的地热水抽采至热能交换设备；尾水回注管道与热能交换设备供热侧的出水管相连，地热水热交换后（尾水）重新注入地热储层；从地面向热能交换站钻孔，在钻孔中布置热能传输管道和回水管道，回水管道连接热能交换设备的热交换侧进水管，热能交换设备的热交换侧出水管连接热能传输管道，地热能从热能交换站经热能交换设备热交换后经热能传输管道传输至地面。同时，工作面的采煤作业继续进行，煤炭经运输大巷运输，再经主井提升至地面，实现煤-地热水的协同开采。
所述地热水抽采系统还包括地热储层检测系统，该系统包括地热水水位监测装置、地热水水温监测装置、地热水水压监测装置以及地热储层位移监测装置。实时监测地热储层的水位、水压以及水温，并将数据同步反馈至热能交换站和地面调度系统，实时调控地热水抽采强度和尾水回注量；地热储层位移监测装置监测地热储层的位移变化，保证煤炭开采安全。
所述地热水汇集区是利用断层的导水裂隙带和地热储层的水压使地热水源源不断的汇集，保证地热能采集的热源连续存在；由于断层导水裂隙带的天然水流通道的存在，便于地热水的流动和存储，提高地热水抽采效率；同时，地热水的抽采可对地热储层进行卸压。
从热能交换站向地热水汇集区布置的地热水抽采管道经过了断层周围的裂隙岩体，而裂隙岩体属于软弱松散岩体，可降低钻孔布置的施工难度；且地热水抽采管道不用延伸至地热储层内部，减少了管道距离，可节约钻孔和管道布置的成本。
所述地热水抽采系统，地热水从地热水汇集区的热源抽采，经地热水抽采管道运输至热能交换站；地热水中的热能在热能交换站转存后，经热能传输管道直接输送至地面以供利用；热能交换站输出的尾水经尾水回注管道回注至地热储层，以保证地热储层的稳定；重新注入的尾水再次经地热储层的加热流向热能汇集区，补充热源，实现地热水的循环开采利用。
本发明针对含有断层地质构造的煤-热资源开发利用所面临的技术难题，提供了一种基于断层导水裂隙带的煤-地热水协同开采方法。由于断层周围形成大范围的裂隙带岩体，促进地热储层与断层之间形成地热水汇集区。采用了上述技术方案，本发明可充分利用地热水汇集区的高渗性和裂隙带岩体的软弱性，在上一工作面巷道内建立热交换站，通过地热水抽采管道和尾水回注管道抽采地热，实现煤-热协同高效开采利用的同时，可对地热储层进行持续的卸压，减小断层带诱发突水的风险，变害为利。
本发明有如下优点：
1.充分利用地热资源，同时可实现煤-地热水的协同开采，完成资源的高效多重开发利用；
2.利用断层的天然导水裂隙带与地热储层之间的渗流通道形成的地热水汇集区作为地热水开采的热源，便于地热水的流动和存储，提高抽采效率。
3. 克服了断层地质构造的危险性，地热储层中高温水的抽采，对地热储层有一定的卸压作用，降低断层带突水灾害的风险，把断层导水裂隙带变害为利。
4.在工作面巷道建立热交换站，极大的缩短了地热水的传输距离，减小管道布置的工程量，节约成本，降低热能损耗。
附图说明
图1为本发明基于断层导水裂隙带的煤-地热水协同开采方法的开采系统示意图；
图中：1-地热水汇集区、2-主井、3-副井、4-风井、5运输大巷、6-轨道大巷、7-回风大巷、8-防水煤柱、9上一工作面、10-热能交换站、11-尾水回注管道、12-地热水抽采管道、13-地热储层、14-热能传输管道、15-下一工作面、16-断层、17-回水管道。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示的是本发明基于断层导水裂隙带的煤-地热水协同开采方法的开采系统。
断层16是一种天然的导水裂隙带，容易与地热储层13之间形成渗流通道，加速地热储层中的水向断层流动，使地热水不断地向断层处汇集，在断层与地热储层交界的位置形成地热水汇集区1。
步骤1.首先，根据地质资料确定断层16与地热储层13之间的天然裂隙带所形成的地热水汇集区1。
步骤2. 建立煤炭开采系统并开采煤炭：根据煤层赋存特征，布置主井2、副井3和风井4；在开采水平内开掘运输大巷5、轨道大巷6和回风大巷7，布置采区并在采取内布置采煤工作面；采煤工作面回采利用沿空留巷的方式保留区段巷道；煤炭开采后经运输大巷5、主井2运输至地面。由于煤系地层内断层的存在，在开采水平内留设防水煤柱8。
步骤3. 设置热能交换站：在当前开采工作面的上一工作面9开采后沿空留巷形成的巷道内建立热能交换站10，热能交换站内设置热能交换设备，用于将地热水中的热能转存到其他储热介质中，随后传输至地面。
步骤4. 建立地热水抽采系统并抽采地热水：在当前开采工作面15的上一工作面9的巷道或硐室内布置钻井硐室，分别向地热水汇集区1和地热储层13开挖地热井。通过地热井向地热水汇集区布置地热水抽采管道12，向地热储层布置尾水回注管道11。地热水抽采管道与尾水回注管道的尽头相距设定的距离。地热水抽采管道与热能交换站的热能交换设备的供热侧进水管相连，将地热储层中的地热水抽采至热能交换设备。尾水回注管道11与热能交换设备供热侧的出水管相连，地热水热交换后（尾水）重新注入地热储层13或用于工作面降尘。从地面向热能交换站钻孔，在钻孔中布置热能传输管道14和回水管道17，回水管道连接热能交换设备的热交换侧进水管，热能交换设备的热交换侧出水管连接热能传输管道，地热能从热能交换站经热能交换设备热交换后经热能传输管道传输至地面。同时，工作面15的采煤作业可继续进行，煤炭经运输大巷运输5，再经主井2提升至地面，可实现煤-地热水的协同开采。
地热水汇集区1充分利用断层破碎带的导水性和多孔性，可作为地热水的暂时存储空间，提供热源，提高地热水开采效率。其具体位置和范围可根据前期的地质勘探工作确定。
所述热能交换站10，选址于距离地热水汇集区1较近的采煤工作面9。待工作面开采完成后，利用沿空留巷保留的巷道和硐室，建立热能交换站10。如此设计，地热水抽采管道12经过了断层周围的裂隙岩体，而裂隙岩体属于软弱松散岩体，可降低钻孔布置的施工难度；同时极大的缩短地热井开挖长度，降低地热水抽采能耗，节约成本。
尾水回注至地热储层13，既能控制地热储层的稳定，保证煤-地热水的安全开采，又可为地热储层13补充水源，实现地热水的可持续循环利用。
进一步的，所述地热水抽采系统还包括地热储层13检测系统，该系统包括地热水水位监测装置、地热水水温监测装置、地热水水压监测装置以及地热储层位移监测装置。该系统可实时监测地热储层的水位、水压以及水温，并将数据同步反馈至热能交换站10和地面调度系统，可方便调控地热水抽采强度和尾水回注量；地热储层位移监测装置可监测地热储层13的位移变化，保证资源安全开采的同时，还可提高生产效率。

Claims (2)

1.一种基于断层导水裂隙带的煤-地热水协同开采方法，其步骤是：
步骤1. 确定地热水汇集区；所述地热水汇集区是断层与地热储层交界的位置；
步骤2. 建立煤炭开采系统并开采煤炭：根据煤层赋存特征，布置主井、副井和风井；在开采水平内开掘运输大巷、轨道大巷和回风大巷，布置采区，在采区内布置采煤工作面；采煤工作面回采中，利用沿空留巷的方式保留区段巷道；煤炭开采后经运输大巷、主井运输至地面；
步骤3. 设置热能交换站：在当前开采工作面的上一工作面开采后沿空留巷形成的巷道内设置热能交换站，热能交换站内设置热能交换设备；
步骤4. 建立地热水抽采系统并抽采地热水：在当前开采工作面的上一工作面的巷道或硐室内布置钻井硐室，分别向地热水汇集区和地热储层开挖地热井；通过地热井向地热水汇集区布置地热水抽采管道，向地热储层布置尾水回注管道；地热水抽采管道与尾水回注管道的尽头相距设定的距离；地热水抽采管道与热能交换站的热能交换设备的供热侧进水管相连，将地热储层中的地热水抽采至热能交换设备；尾水回注管道与热能交换设备供热侧的出水管相连，地热水热交换后重新注入地热储层；从地面向热能交换站钻孔，在钻孔中布置回水管道和热能传输管道，回水管道连接热能交换设备的热交换侧进水管，热能交换设备的热交换侧出水管连接热能传输管道，地热能从热能交换站经热能交换设备热交换后经热能传输管道传输至地面；同时，工作面的采煤作业继续进行，煤炭经运输大巷运输，再经主井提升至地面，实现煤-地热水的协同开采。
2.根据权利要求1所述的基于断层导水裂隙带的煤-地热水协同开采方法，其特征是：所述地热储层中设置地热水水位监测装置、地热水水温监测装置、地热水水压监测装置以及地热储层位移监测装置；实时监测地热储层的水位、水压以及水温，并将数据同步反馈至热能交换站和地面调度系统，实时调控地热水抽采强度和尾水回注量；地热储层位移监测装置监测地热储层的位移变化，保证煤炭开采安全。
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