CN111911224B - 深部煤层顶板钻孔煤热气共采方法 - Google Patents

深部煤层顶板钻孔煤热气共采方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深部煤层顶板钻孔煤热气共采方法，在地表建设瓦斯抽采泵站，由副井进入深部煤层开采区域，并在第一水平位置设置集中换热站，主取热管路结合集中换热站用于将冷水注入工作面并将热水运输至地面；沿副井向井下巷道布置瓦斯抽采管路用于将瓦斯抽采泵站连接至工作面；在工作面的顶板和底板上沿开采方向分别布设S型管路用于取热或瓦斯抽采，其中顶板上的S型管路布置在裂隙带；在采煤前，先将主取热管路与工作面顶板、底板上的S型管路相连，并结合集中换热站对工作面顶板、底板上的S型管路注水取热等。通过优化施工步序和结构布置，减少钻孔数量，简化结构，提高取热和施工效率。

Description

深部煤层顶板钻孔煤热气共采方法
技术领域
本发明属于深部煤层开采技术领域，具体涉及一种深部煤层顶板钻孔煤热气共采方法。
背景技术
面对世界发展大趋势，我国致力于研究环保又可持续利用的新能源，地热资源作为绿色的新型能源之一，具有开发利用过程成本低、可持续稳定利用和环保无污染等独特优点。我国地热资源储量丰富，利用前景广阔，现阶段浅层中低温的地热资源一般以直接利用为主，高温地热资源则多用来进行发电。
在我国中东部地区，煤矿浅层资源逐渐开采殆尽，进而需要转向深部煤层开采，随着向深部煤层的开采，地热现象愈发明显，井下热害愈加严重，而导致热害的地热资源又是宝贵的绿色新能源，在深部矿井中地热资源丰富，且在矿井的建设生产过程中，需要布设大量巷道、钻孔，沿布设的巷道钻孔安装管路可大大减少取热成本，提高钻孔的利用率。
发明内容
本发明旨在提供一种深部煤层顶板钻孔煤热气共采方法，通过优化施工步序和结构布置，减少钻孔数量，简化结构，提高取热和施工效率。
为此，本发明所采用的技术方案为：一种深部煤层顶板钻孔煤热气共采方法，包括以下步骤：
第一步，在深部煤层开采区域的第一水平位置设置集中换热站，由副井连接取热管路至地面，集中换热站通过主取热管路连接至深部煤层开采的工作面，主取热管路结合集中换热站用于将冷水注入工作面并将热水运输至地面；在地表建设瓦斯抽采泵站，沿副井向井下巷道布置瓦斯抽采管路用于将瓦斯抽采泵站连接至工作面；
第二步，在工作面的顶板和底板上沿开采方向分别布设S型管路用于取热或瓦斯抽采，其中顶板上的S型管路布置在裂隙带；
第三步，在采煤前，先将主取热管路与工作面顶板、底板上的S型管路相连，并结合集中换热站对工作面顶板、底板上的S型管路注水取热；
第四步，在工作面顶板、底板的S型管路出水管处安装水温探测装置用于监测水温，通过在集中换热站控制冷水进水速度来控制水温保持相对稳定；
第五步，在采煤时，工作面顶板上的S型管路停止注水取热，由工作面顶板向工作面煤层打竖向钻孔增加瓦斯抽采的自由面，工作面底板上的S型管路继续注水取热；将工作面顶板上的S型管路连接至瓦斯抽采管路进行当前工作面的瓦斯气体抽采，同时工作面底板上的S型管路继续注水取热，取热和瓦斯抽采不影响煤炭的采掘作业，达到工作面煤热气共采。
作为上述方案的优选，所述竖向钻孔的钻孔数量K由工作面长度S、回采长度L及瓦斯抽采半径R决定，其中：
1)根据矿井设计资料确定工作面长度S、回采长度L；
2)通过建立抽采模型，使用数值模拟软件分析某一半径的钻孔抽采瓦斯量的演化规律，得出一定负压下瓦斯抽采半径R；
3)由下列公式计算得出钻孔数量K；
令K＝KS×KL，KS＝[S/2R]，KL＝[L/2R]。
进一步优选为，对于多个工作面煤热气共采的情形，若所述集中换热站至其余水平取热场所距离较远，由集中换热站向各开采区打垂直和水平的钻孔，以减少主取热管路的布置长度。
进一步优选为，所述主取热管路所取热水送至地面发电厂减少发电所需燃煤量，或送至室内供暖。
进一步优选为，对所述主取热管路、S型管路的热水出管部分做隔热处理，避免热害区域的高温扩散至其它工作场所。
本发明的有益效果：(1)掘进巷道前，直接利用煤层开采已有的副井布置集中换热站、主取热管路和瓦斯抽采管路，主取热管路和瓦斯抽采管路的铺设方向与工作面的推进方向正好相反，不需要另外再单独钻孔铺管，减少了钻孔数量，减少了工作量，加快了施工进度；(2)该工作面煤热气共采的方法，通过开采前顶底板共同取热和开采后顶板瓦斯抽采达到工作面煤热气共采的目的，使得煤炭开采过程中的瓦斯危害和热害得到缓解，并对其加以利用，减少资源的浪费；(3)多个工作面同时进行取热工作，结合S型管路最大限度地增大取热面积，提高取热效率，可降低工作面热害程度，减少开采水平制冷设备冷量损耗；(4)利用顶板取热管路进行瓦斯抽采，提高了井下钻孔的利用率，减少施工工程量，具有实际的运用价值。
附图说明
图1为本发明含一个水平位置的结构示意图(煤炭开采前的状态)。
图2为本发明含三个水平位置的结构示意图(煤炭开采前的状态)。
图3为煤炭开采后煤热气共采的状态。
图4为S型管路布置的俯视状态。
图5为抽采瓦斯的竖向钻孔的布置俯视图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
结合图1—图5所示，一种深部煤层顶板钻孔煤热气共采方法，包括以下步骤：
第一步，在地表建设瓦斯抽采泵站4，由副井1进入深部煤层开采区域，并在深部煤层开采区域的第一水平位置设置集中换热站2。深部煤层开采区域通常涉及多个水平位置的煤层开采，其中位置最高的煤层开采区域称为“第一水平位置”。图2所示为上下三个水平位置。
集中换热站2通过主取热管路3连接至深部煤层开采的工作面7，主取热管路3结合集中换热站2用于将冷水注入工作面7并将热水运输至地面；沿副井1向井下巷道布置瓦斯抽采管路5用于将瓦斯抽采泵站4连接至工作面7。主取热管路3一根为冷水进管，另一根为热水出管。
第二步，在工作面7的顶板和底板上沿开采方向分别布设S型管路6用于取热或瓦斯抽采，其中顶板上的S型管路6布置在裂隙带，以防止开采后采空区顶板冒落露出管路。
第三步，在采煤前，先将主取热管路3与工作面顶板、底板上的S型管路6相连，并结合集中换热站2对工作面顶板、底板上的S型管路6注水取热，以降低围岩、工作面温度，减少工作面制冷设备能量损失。
第四步，在工作面顶板、底板的S型管路6出水管处安装水温探测装置用于监测水温，通过在集中换热站2控制冷水进水速度来控制水温保持相对稳定。
第五步，在采煤时，工作面顶板上的S型管路6停止注水取热，由工作面顶板向工作面煤层打竖向钻孔8，增加瓦斯抽采的自由面，工作面底板上的S型管路6继续注水取热。将工作面顶板上的S型管路6连接至瓦斯抽采管路5进行当前工作面的瓦斯气体抽采，同时工作面底板上的S型管路6继续注水取热，取热和瓦斯抽采不影响煤炭的采掘作业，达到工作面煤热气共采。
竖向钻孔8的钻孔数量K由工作面长度S、回采长度L及瓦斯抽采半径R决定，其中：
1)根据矿井设计资料确定工作面长度S、回采长度L；
2)通过建立抽采模型，使用数值模拟软件分析某一半径的钻孔抽采瓦斯量的演化规律，得出一定负压下瓦斯抽采半径R；
3)由下列公式计算得出钻孔数量K；
令K＝KS×KL，KS＝[S/2R]，KL＝[L/2R]。
最好是，对于多个工作面煤热气共采的情形，若集中换热站2至其余水平取热场所距离较远，由集中换热站2向各开采区打垂直和水平的钻孔，以减少主取热管路3的布置长度。
另外，主取热管路3所取热水送至地面发电厂减少发电所需燃煤量，或送至室内供暖。
对主取热管路3、S型管路6的热水出管部分做隔热处理，避免热害区域的高温扩散至其它工作场所。
S型管路6的两端与主取热管路3通过隔热软管相连，能防止地层运动使管路过度变形而损坏。

Claims (6)

1.一种深部煤层顶板钻孔煤热气共采方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，在深部煤层开采区域的第一水平位置设置集中换热站(2)，由副井(1)连接主取热管路(3)至地面，集中换热站(2)通过主取热管路(3)连接至深部煤层开采的工作面(7)，主取热管路(3)结合集中换热站(2)用于将冷水注入工作面(7)并将热水运输至地面；在地表建设瓦斯抽采泵站(4)，沿副井(1)向井下巷道布置瓦斯抽采管路(5)用于将瓦斯抽采泵站(4)连接至工作面(7)；
第二步，在工作面(7)的顶板和底板上沿开采方向分别布设S型管路(6)用于取热或瓦斯抽采，其中顶板上的S型管路(6)布置在裂隙带；
第三步，在采煤前，先将主取热管路(3)与工作面顶板、底板上的S型管路(6)相连，并结合集中换热站(2)对工作面顶板、底板上的S型管路(6)注水取热；
第四步，在工作面顶板、底板的S型管路(6)出水管处安装水温探测装置用于监测水温，通过在集中换热站(2)控制冷水进水速度来控制水温保持相对稳定；
第五步，在采煤时，工作面顶板上的S型管路(6)停止注水取热，由工作面顶板向工作面煤层打竖向钻孔(8)增加瓦斯抽采的自由面，工作面底板上的S型管路(6)继续注水取热，将工作面顶板上的S型管路(6)连接至瓦斯抽采管路(5)进行当前工作面的瓦斯气体抽采，同时工作面底板上的S型管路(6)继续注水取热，取热和瓦斯抽采不影响煤炭的采掘作业，达到工作面煤热气共采。
2.根据权利要求1所述的深部煤层顶板钻孔煤热气共采方法，其特征在于：所述竖向钻孔(8)的钻孔数量K由工作面长度S、回采长度L及瓦斯抽采半径R决定，其中：
1)根据矿井设计资料确定工作面长度S、回采长度L；
2)通过建立抽采模型，使用数值模拟软件分析某一半径的钻孔抽采瓦斯量的演化规律，得出一定负压下瓦斯抽采半径R；
3)由下列公式计算得出钻孔数量K；
令K＝KS×KL，KS＝[S/2R]，KL＝[L/2R]。
3.根据权利要求1或2所述的深部煤层顶板钻孔煤热气共采方法，其特征在于：对于多个工作面煤热气共采的情形，若所述集中换热站(2)至其余水平取热场所距离较远，由集中换热站(2)向各开采区打垂直和水平的钻孔，以减少主取热管路(3)的布置长度。
4.根据权利要求1所述的深部煤层顶板钻孔煤热气共采方法，其特征在于：所述主取热管路(3)所取热水送至地面发电厂减少发电所需燃煤量，或送至室内供暖。
5.根据权利要求1或2所述的深部煤层顶板钻孔煤热气共采方法，其特征在于：对所述主取热管路(3)、S型管路(6)的热水出管部分做隔热处理，避免热害区域的高温扩散至其它工作场所。
6.根据权利要求1或2所述的深部煤层顶板钻孔煤热气共采方法，其特征在于：所述S型管路(6)的两端与主取热管路(3)通过隔热软管相连。
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