CN111931264A - 一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面设计方法 - Google Patents
一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面设计方法，首先，在煤层开采工作面上加设地热能开采系统，形成热‑煤协同开采工作面；具体为：所述地热能开采系统包括在煤层开采工作面的沿空留巷内平行布置的钻孔排组及与之连接的提取存储装置，所述钻孔排组由提取钻孔排组与存储钻孔排组间隔组成，每一钻孔排组由数个钻孔间隔组成，由沿空巷道沿垂直方向实施钻孔到邻近含水层。本发明设计方法简单、实用，可为深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面及钻孔设计提供理论设计及工程技术应用指导，促进我国深部能源的多元协同清洁绿色开发，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于热煤共采技术领域，具体涉及一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开 采工作面设计方法，主要是根据矿井采矿地质条件、含(隔)水层水文地质赋存特征及矿井生产能力，给出地热能与煤层协同开采工作面采煤方法、尺寸参数、以及地热能提 取与存储钻孔布置方式、数量、间排距、孔径等基本参数设计。
背景技术
近年来，我国十分重视能源结构调整，鼓励清洁能源的开发与利用，提出把发展清洁低碳能源作为调整能源结构的主攻方向，坚持发展非化石能源与清洁高效利用化石能源并举。逐步降低煤炭消费比重，提高非化石能源消费比重，大幅降低二氧化碳排放强 度和污染物排放水平，而地热资源作为一种新型清洁能源，其储量大、分布广，具有清 洁环保、用途广泛、稳定性好、可循环利用等特点，应用市场非常广阔。
随着煤矿矿井向大采深方向发展，深部开采面临复杂的高地应力、高地温、高瓦斯、 高岩溶水压与强开采扰动的“四高一扰动”开采环境，潜在动力灾害加剧，矿井生产成本增加，严重制约了深部矿井的高效生产与矿区环境协同发展。综合考虑技术、经济、 安全等因素影响，进入深部开采后，仅开采煤炭资源已不利于深部矿井绿色矿山建设、 煤炭企业节能减排与多元经济型开采，但深部开采的同时也为开采地热资源提供了可 能。传统地热能开采主要采用地面钻井抽采的方式，其成本较高。深部煤炭资源开采的 过程中，以开采煤炭资源为基础，利用地下开采空间，通过在工作面、硐室、巷道等区 域实施开采钻孔，并布置提取与存储管路，就近开采深部井下地热资源，可节省大量的 人力、物力及财力，使得井下煤炭资源与地热资源综合开发，形成一种热-煤协同开采 模式，实现矿山地热能开采的目的。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种深部矿山水热型地热 能与煤层协同开采工作面设计方法，为深部矿山水热型地热能与煤层协同开采提供理论 设计及工程技术应用指导。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明的一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面设计方法，在煤层开采 工作面上加设地热能开采系统，形成热-煤协同开采工作面；具体为：所述地热能开采系统包括在煤层开采工作面的沿空留巷内平行布置的钻孔排组及与之连接的存提取管路，所述钻孔排组由提取钻孔排组与存储钻孔排组间隔组成，每一钻孔排组由数个钻孔 间隔组成，由沿空巷道沿垂直方向实施钻孔到邻近含水层；提取钻孔排组与存储钻孔排 组同存提取管路均连接至地面的热能处理站，形成地热能循环开采系统。
进一步的，所述的钻孔排组中，提取钻孔与存储钻孔的数量比例为1:1且一一对应， 所述的提取钻孔排组与相邻存储钻孔排组的间排距大于理论间排距L：
式中：
L—提取与存储对井井底距离，m；
Q—年总存储量，m3/h；
t—冷热水混和锋面到达开采井的时间，a；
π—取3.14；
h—热储层有效厚度，m；
n—热储层孔隙度，％。
进一步的，钻孔孔径为200～400mm。
进一步的，所述的提取钻孔排组，相邻的提取钻孔间距大于理论提取钻孔间距D：
式中：
D—提取钻孔间距，m；
QW—为热水井开采100年所排放的总热量，kcal；
Qr—地热井开采影响区内可采热储存量；
π—取3.14；
f—抽采不均衡系数，取值1.5～2；
T—采暖时间，d；
Q—矿井日提取地热水水量，m3/d；
CW—热储层水平均比热容，kcal/m3·℃；
tw—地热水平均温度，℃；
to—地层常温带温度，℃。
K—热储层地热采收率，％；
h—热储层有效厚度，m；
Cr—热储层平均比热容，kcal/m3·℃；
tr—热储层平均温度，℃。
本发明的另一目的在于提供一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面设 计方法，包括以下步骤：首先，根据矿井采矿地质条件、水文地质赋存特征及矿井生产能力，确定煤层开采工作面及相应的采煤方法，并确定工作面尺寸参数及控制围岩裂隙 发育程度；然后，确定提取钻孔排组与存储钻孔排组的布置方式，包括数量、间排距、 孔径在内的参数。
进一步的，采煤方法包括限厚开采、条带开采与充填开采；工作面尺寸参数包括采厚及工作面倾向长度；设计的工作面开采后，满足围岩裂隙发育控制要求。
有益效果：本发明提供的一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面参数设 计方法，与现有技术相比，具有以下优势：利用深部矿山井下工作面、巷道及硐室等已有空间，布置热-煤协同开采系统，既能节省大量的地面开采钻孔施工费用，又能就近 开采清洁型、可再生地热能资源。本发明设计方法简单、实用，可为深部矿山水热型地 热能与煤层协同开采工作面及钻孔设计提供理论设计及工程技术应用指导，促进我国深 部能源的多元协同清洁绿色开发，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面设计方法流程图。
图2为本发明一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面设计方法不同充实 率时底板导水裂隙带发育深度模拟曲线图。
图3为本发明一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面及钻孔设计方法平 面布置图。
图4为本发明一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面及钻孔设计方法剖 面图。
图中：1-含水层，2-沿空留巷巷道，3-采空区，4-提取存储装置，5-提取钻孔，6- 采煤工作面，7-存储钻孔，D-提取钻孔间距，L-提取与存储对井井底距离，L1、L2-工作 面长度，h-热储层厚度，m-煤层厚度，H-煤层与水热型含水层距离。
具体实施方式
本发明公开了一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面设计方法，首先， 根据矿井采矿地质条件、水文地质赋存特征及矿井生产能力，选择煤层开采工作面的采 煤方法、确定煤层开采工作面尺寸参数及控制围岩裂隙发育程度；然后，根据邻近含水层地热能储量、热传导规律、提取效率及恢复周期等给出地热能提取与存储钻孔布置方式、数量、间排距、孔径等基本参数设计，形成地热能开采系统，并与煤层开采工作面 共同形成热-煤协同开采工作面。本发明设计方法简单、实用，可为深部矿山水热型地 热能与煤层协同开采工作面及钻孔设计提供理论设计及工程技术应用指导，促进我国深 部能源的多元协同清洁绿色开发，具有广阔的应用前景。下面结合附图和实施例对本发 明作更进一步的说明。
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述 如下：
某矿现阶段主采煤层开采深度达到-1300m，矿井设计生产能力为150万t/a，煤层下部50～200m赋存有中强奥陶系灰岩水，煤层厚度为3m，煤层容重为1.4t/m3。根据矿 井采矿地质条件，结合矿井生产能力，设计采煤工作面长度150m，工作面推进长度为 2100m，“四六”制，一年生产330天。为保证工作面安全生产，采用综合机械化固体充 填采煤，充填材料选用井下煤矸分选及掘进矸石。
(1)根据水文地质赋存特征，采用FLAC3D数值模拟方法研究工作面开采过程中 不同充实率条件下隔水关键层裂隙发育程度，设计工作面采空区充实率为80％。
(2)根据热储水层提取钻孔提取量为100m3/h，按照提取存储1:1比例，其存储量为100m3/h，矿井采暖季为11、12、1月三个月。井下热储水层有效厚度为150m，热储 层孔隙度为30％。矿井日提取地热水水量为2400m3/d，热储层水平均比热容为 800kcal/m3·℃，地热水平均温度50℃，地层常温带温度17℃，热储层平均比热容 600kcal/m3·℃，热储层平均温度97℃。
提取存储对井井距按下式计算：
式中：
L—提取存储对井井底距离，m；
Q—年总存储量，存储量取100m3/h，每采暖季90天，则Q＝216000(m3/a)；
t—冷热水混和锋面到达开采井的时间，按50a计；
π—取3.14；
h—热储层有效厚度，取150m；
n—热储层孔隙度，取30％。
由计算知，L＝478.85m，为避免相互干扰或过早出现热突破现象，提取钻孔、存储钻孔的合理井底距离应大于478.85m，结合协同开采工作面宽度为150m，及区段煤柱 宽度50～60m，设计提取钻孔存储钻孔合理间距为三个采煤工作面。
热能提取钻孔间距按下式计算：
式中：
D—提取钻孔间距，m；
π—取3.14；
f—抽采不均衡系数，取值范围1～2，本次取1.33；
T—采暖时间，90d；
Q—矿井日提取地热水水量，2400m3/d；
CW—热储层水平均比热容，800kcal/m3·℃；
tw—地热水平均温度，50℃；
to—地层常温带温度，17℃。
K—热储层地热采收率，30％；
h—热储层有效厚度，150m；
Cr—热储层平均比热容，600kcal/m3·℃。
tr—热储层平均温度，97℃；
由计算知，D＝376.95m，即提取钻孔间距为376.95m时，钻孔之间不会产生干扰。因此提取钻孔间距合理距离应大于376.95m，再考虑到间距越小提取效率越高的因素， 所以该矿井设计提取钻孔间距为400m，结合推进距离为2100m，最终设计提取钻孔数 量为5个。
(3)地热能提取与存储钻孔平行布置在采煤工作面沿空留巷内，由沿空巷道实施钻孔到邻近含水层，数量比例为1:1，钻孔孔径设计为250mm。
(4)最后，完成地热能与煤层协同开采工作面及钻孔设计，连接存提取运输管路至地面的热能处理站，并形成完整开采系统，实现工作面采煤与地热能协同开采。
地热能提取的工艺如下：
首先，地热能通过沿空巷道中的提取钻孔排组得以提取，经存提取运输管路提升至 地面的热能处理站，经过循环利用变成冷水等待下次系统循环；
然后，热能处理站排出的冷水又经存提取运输管路输送，通过沿空巷道中的存储钻 孔排组注入含水层，等待高温岩体热传导后进行下次循环开采。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面设计方法，其特征在于：在煤层开采工作面上加设地热能开采系统，形成热-煤协同开采工作面；具体为：所述地热能开采系统包括在煤层开采工作面的沿空留巷内平行布置的钻孔排组及与之连接的存提取运输管路，所述钻孔排组由提取钻孔排组与存储钻孔排组间隔组成，每一钻孔排组由数个钻孔间隔组成，由沿空巷道沿垂直方向实施钻孔到邻近含水层；提取钻孔排组与存储钻孔排组同存提取管路均连接至地面的热能处理站，形成地热能循环开采系统。
2.根据权利要求1所述的一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面设计方法，其特征在于：所述的钻孔排组中，提取钻孔与存储钻孔的数量比例为1:1且一一对应，所述的提取钻孔排组与相邻存储钻孔排组的间排距大于理论间排距L：
式中：
L—提取与存储对井井底距离，m；
Q—年总存储量，m3/h；
t—冷热水混和锋面到达开采井的时间，a；
π—取3.14；
h—热储层有效厚度，m；
n—热储层孔隙度，％。
3.根据权利要求1所述的一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面设计方法，其特征在于：钻孔孔径为200～400mm。
4.根据权利要求1所述的一种深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面参数设计方法，其特征在于：所述的提取钻孔排组，相邻的提取钻孔间距大于理论提取钻孔间距D：
式中：
D—提取钻孔间距，m；
QW—为热水井开采100年所排放的总热量，kcal；
Qr—地热井开采影响区内可采热储存量；
π—取3.14；
f—抽采不均衡系数，取值1.5～2；
T—采暖时间，d；
Q—矿井日提取地热水水量，m3/d；
CW—热储层水平均比热容，kcal/m3·℃；
tw—地热水平均温度，℃；
to—地层常温带温度，℃。
K—热储层地热采收率，％；
h—热储层有效厚度，m；
Cr—热储层平均比热容，kcal/m3·℃；
tr—热储层平均温度，℃。
5.根据权利要求1-4任一项所述的深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面设计方法，其特征在于：包括以下步骤：首先，根据矿井采矿地质条件、水文地质赋存特征及矿井生产能力，确定煤层开采工作面及相应的采煤方法，选择热-煤协同开采工作面采煤方法，并确定煤层开采工作面尺寸参数及控制围岩裂隙发育程度；然后，设计提取钻孔排组与存储钻孔排组的布置方式，包括数量、间排距、孔径在内的参数。
6.根据权利要求5所述的深部矿山水热型地热能与煤层协同开采工作面设计方法，其特征在于：采煤方法包括限厚开采、条带开采与充填开采；煤层开采工作面尺寸参数包括采厚及工作面倾向长度；设计的煤层开采工作面开采后，满足围岩裂隙发育控制要求。
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