CN112963137B - 一种倾角大于70°煤厚小于5m的急倾斜煤层地下气化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对于煤层倾角大于70°煤层厚度小于5m的煤层原位地下气化方法；该发明包括了确定气化工作面及点火位置、地下煤层气化的钻孔掘进、地下气化管线的与点火装置的布置、地下气化作业等步骤。本发明通过地下气化的方法，对地下煤层进行钻孔掘进，将待采采区改造成多个煤炭气化炉，减少了传统的机械化采煤中煤层巨大的倾角带来的一系列繁杂的工序、作业的风险以及煤炭资源的浪费，并通过钻探技术最大化减少人员下井的工序，做到自动化采煤；同时通过合理的管线布置，最大程度的改善了过往地下气化对煤层倾角的局限性，为未来的倾角大于70°的急倾斜煤层的开采方法提供了新的选择。
Description
技术领域
本发明涉及急倾斜厚煤层开采技术领域，尤其涉及一种倾角大于70°煤厚小于5m的急倾斜煤层地下气化方法。
背景技术
急倾斜煤层的开采一直都是采矿技术中的难题，急倾斜煤层储量占我国煤炭总储量的4％，占比我国煤炭能源开采的很大一部分比重，虽然近年来随着机械化采煤的不断进步，设备的不断发展，现有的回采方式已经逐渐可以适应大倾角的严苛开采条件，但无论是伪俯斜长壁开采或是柔性掩护支架开采，在面对如此大的煤层倾角时，都会不可避免的造成支架压架、倒塌滑移、大型采掘设备的移动困难以及大量煤柱留设的浪费等一系列相关问题，对整个矿井的生产带来巨大的经济浪费，同时，此类工艺仍需采矿工人进入井下进行支护、瓦斯抽采等工作，由于此类矿井高瓦斯高矿压显现的特点，对工人的人身安全也会带来巨大的威胁。
地下气化技术作为近年来发展迅速的煤炭开采手段，俨然是一种高效、节约且安全的开采方式，国内外很多矿区已经开始探索煤炭地下原位气化开采，通过地面、地下钻孔贯通后形成气化炉，即可以用于回收人工不能开采以及开采不经济的煤炭资源，减小机械化开采的浪费，又可以用于整块煤田的气化开采，实现了地下无人操作、保证生产过程的安全性，然而由于其气化条件的严苛性，应对不同的煤层倾角也都要有相应的钻孔管线布置，在目前的研究中，地下气化多适用于近水平煤层，主要适用的煤层倾角也在0°与70°之间，其主要原因为，煤层倾角过大时，会具有很大的钻孔难度，由于其气井与气体通道间的夹角过小，极易发生钻孔事故。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种倾角大于70°煤厚小于5m的煤炭气化开采方法，该方法能够通过对于管线的布置，充分利用地下空间，在避免人员下井的情况下，实现煤炭的原位地下气化工作，做到最大化的节约煤炭资源，减少浪费。
为实现上述目的，本开采方法具体包括以下步骤:
(a)确定煤炭地下气化工作面及点火位置：利用勘探技术，确定急倾斜煤层赋存状态、地质条件、水文参数等条件后，沿煤层倾向划分多个开采水平，每个开采水平中，沿煤层走向将对应水平划分为多个采区，通过对煤田周围地质条件的分析，计算好每个采区的倾向长度与走向长度，并在每个采区之间留设隔离煤柱，确保每个采区在气化采空后不会立刻垮落，每个采区的前端即为一个的气化工作面；而后通过地面钻孔分析工作面温度以及相关煤层气组分，从而判断出最优的点火位置；
(b)地下煤层气化的钻孔掘进：利用预裂技术，将煤田按划分好的采区进行预裂，并对裂隙中注入胶质耐热材料，以确保每个独立的气化炉的密闭性；
在预先布置好的位置，利用定向钻孔技术，从地表向下分别钻进气孔与产气孔，每个井田布置独立的进气孔，进气孔延伸至煤层形成进气通道，进气通道延伸至点火位置直至产气通道，产气通道也沿每层走向掘进，所有的产气通道最终延伸至同一个总产气通道，并连接至地表的产气孔，之后在每个采区的进气孔处安排一到两台地面绞车用于提升牵引管线设备，并在下方工作面的煤层中央钻取牵引钻孔，分别依据气化工作面三带布置到对应带的端头部；
在钻孔完成后，利用钻探技术，对所钻出气体通道周围的小裂隙进行排查，并再一次对排查出的裂隙注入胶质耐热材料，以防止气化炉气体泄露影响气化反应效率；
(c)地下气化管线的与点火装置的布置：首先在需要气化的采区进行钻孔，对煤层中的可燃气体(主要为瓦斯)进行抽采，抽采至不会影响气化工作效率时结束，封闭抽采钻孔；
随后安装注气装置与点火装置，注气装置主要由地面的绞车、注气管线以及牵引链构成，点火装置则由点火器、红外线测距设备以及测温设备构成；
利用绞车将注气管线与点火装置一并送至井下，点火装置置于注气管线前方送至点火位置，注气管线送至进气通道，之后将牵引链与点火装置连接；
(d)地下气化作业：采区布置完成后，在保证气化炉的密闭性的前提下，向工作面注入氧化剂，并开始点火，控制适宜的条件进行氧化，产生的CO气体与H2通过压入式通风的方式送至地面的产气孔；
通过点火装置上的测温设备检测工作面的氧化带、还原带与干馏干燥带的不同实时温度，确保不同反应的温度进行，过高或过低时都及时停止灭火，同时在氧化剂中参杂一部分惰性气体，分析出气孔气体组分，即分析反应生成物以判断地下反应的进行程度，适当调整反应物供给，同时随时监测气化炉的气密性；
随着气化工作的进行，利用红外线测距装置，跟踪点火装置与煤体之间的距离，距离较远即用牵引链将点火装置牵引至煤体处，同时回收多余长度的注气管线，当工作面推进至保护煤柱位置时停止注入氧化剂进行灭火，停止反应，回收装置后将采空区自行垮落，完成该采区的地下气化作业过程。
作为本发明的进一步改进方案，步骤a)中每一个开采水平的垂直标高为30-50m，每个采区的走向长度为50-100m，隔离煤柱长度约为15-20m，具体垂直标高与隔离煤柱长度、走向长度在综合考虑火焰蔓延速度与垮落状况的基础上决定，利用合理的长度布置，尽量确保每一个采区在气化过程中不受围岩垮落的影响。
作为本发明的进一步改进方案，步骤b)中每个采区的进气孔间距为70-120m，产气通道与总产气间的水平距离为10-20m。
作为本发明的进一步改进方案，步骤b)中所述的胶质耐热材料使用高分子耐高温性胶质材料，材料中加入阻燃剂，轻便实用且耐高温，一方面可以阻止气体泄露，另一方面也可以阻止气化反应波及保护煤柱。
作为本发明的进一步改进方案，步骤c)中所述的瓦斯抽采结束标准为瓦斯浓度低于1％。
作为本发明的进一步改进方案，步骤c)中所述的点火装置上的点火器、测距设备与测温设备由柔性耐热金属管线连接，在牵引过程中可以更好的适应由燃烧导致的不规则的煤体表面，为再次点火提供便利。
作为本发明的进一步改进方案，步骤d)中的红外线测距设备测得的牵引点火装置的距离为0.5m，以便随时二次点火进行气化。
作为本发明的进一步改进方案，步骤d)中的氧化剂中掺杂一定组分的惰性气体，在气化工作开始前与气化过程中，分析出气孔处惰性气体的含量，即可确认气化炉的密闭性。
作为本发明的进一步改进方案，步骤c)中所述的适宜的反应条件为氧化带温度大于1200℃、还原带温度约为1200℃、干馏带温度约为600℃。
作为本发明的进一步改进方案，在实际的走向长度足够长的情况下，同时进行两端的两个采区的气化工作不会相互影响时，可通过对地面设备运作的调整，将两个采区的气化工作同时进行，以提高整个煤田的开采效率。
与现有技术相比，本急倾斜煤层地下气化方法改变了传统的机械化采煤工艺的思路与传统气化工艺中沿倾向向布置气体通道沿走向布置点火设备的思路，利用煤层近直立的分布特点，将煤层水平分层后依次开采，合理的留设保护煤柱，在避免了钻孔事故的同时也避免了围岩垮落的隐患，即弥补了地下气化现有技术对过大倾角开采的缺失，也将利用气化技术的优势，对70°以上急倾斜煤层实现了经济效益最大化开采。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。
图1为本发明中煤层划分与管线布置示意图；
图2为本发明中工作面布置示意图、
图中：1.进气孔，2.绞车，3.产气孔，4.地表，5.进气通道，6.气化工作面，7.产气通道，8.总产气通道，9.开采水平，10.采区煤层，11.保护煤柱，12.点火位置，13.点火装置，14.牵引链，15.注气管线，16.待采水平。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。
结合图1和图2所示，一种倾角大于70°煤厚小于5m的急倾斜煤层的地下气化方法，具体包括以下步骤：
(a)确定煤炭地下气化工作面及点火位置：利用勘探技术，确定急倾斜煤层赋存状态、地质条件、水文参数等条件后，沿煤层倾向划分多个开采水平，每个开采水平中，沿煤层走向将对应水平划分为多个采区，通过对煤田周围地质条件的分析，计算好每个采区的倾向长度与走向长度，并在每个采区之间留设隔离用的保护煤柱11，确保每个采区在气化采空后不会立刻垮落，每个采区的前端即为一个的气化工作面6；而后通过地面钻孔分析工作面温度以及相关煤层气组分，从而判断出最优的点火位置12；
(b)地下煤层气化的钻孔掘进：利用预裂技术，将煤田按划分好的采区进行预裂，并对裂隙中注入胶质耐热材料，以确保每个独立的气化炉的密闭性；
在预先布置好的位置，利用定向钻孔技术，从地表向下分别钻进气孔1与产气孔2，每个井田布置独立的进气孔1，进气孔1延伸至煤层形成进气通道5，进气通道5延伸至气化工作面6直至产气通道7，产气通道7也沿每层走向掘进，所有的产气通道7最终延伸至同一个总产气通道8，并连接至地表4的产气孔3，之后在每个采区的进气孔1处安排一到两台地面绞车2用于提升牵引管线设备，并在下方工作面的煤层中央钻取牵引钻孔，分别依据气化工作面三带布置到对应带的端头部；
在钻孔完成后，利用钻探技术，对所钻出气体通道周围的小裂隙进行排查，并再一次对排查出的裂隙注入胶质耐热材料，以防止气化炉气体泄露影响气化反应效率；
(c)地下气化管线的与点火装置的布置：首先在需要气化的采区进行钻孔，对煤层中的可燃气体(主要为瓦斯)进行抽采，抽采至不会影响气化工作效率时结束，封闭抽采钻孔；
随后安装注气装置与点火装置，注气装置主要由地面的绞车2、注气管线15以及牵引链14构成，点火装置13则由点火器、红外线测距设备以及测温设备构成；
利用绞车2将注气管线15与点火装置13一并送至井下，点火装置13置于注气管线15前方送至点火位置12，注气管线15送至进气通道5，之后将牵引链14与点火装置13连接；
(d)地下气化作业：采区布置完成后，在保证气化炉的密闭性的前提下，向工作面注入氧化剂，并开始点火，控制适宜的条件进行氧化，产生的CO气体与H2通过压入式通风的方式送至地面的产气孔3；
通过点火装置上的测温设备检测工作面的氧化带、还原带与干馏干燥带的不同实时温度，确保不同反应的温度进行，过高或过低时都及时停止灭火，同时在氧化剂中参杂一部分惰性气体，分析出气孔气体组分，即分析反应生成物以判断地下反应的进行程度，适当调整反应物供给，同时随时监测气化炉的气密性；
随着气化工作的进行，利用红外线测距装置，跟踪点火装置12与煤体之间的距离，距离较远即用牵引链14将点火装置13牵引至煤体处，同时回收多余长度的注气管线15，当工作面推进至保护煤柱位置时停止注入氧化剂进行灭火，停止反应，回收装置后将采空区自行垮落，完成该采区的地下气化作业过程。
优选地，步骤a)中每个开采水平的垂直标高为30-50m，每个采区的走向长度为50-100m，保护煤柱11长度约为15-20m，具体垂直标高与保护煤柱11长度在综合考虑地质条件的基础上决定，走向长度在综合考虑火焰蔓延速度与垮落状况的基础上决定。
优选地，步骤b)中每个采区的进气孔1间距为70-120m，产气通道7与总产气通道8间的水平距离为10-20m。
优选地，步骤b)中所述的胶质耐热材料使用高分子耐高温性胶质材料，材料中加入阻燃剂，轻便实用且耐高温。
优选地，步骤c)中所述的瓦斯抽采结束标准为瓦斯浓度低于1％。
优选地，其特征在于，步骤c)中所述的点火装置13上的点火器、测距设备与测温设备由柔性耐热金属管线连接，在牵引过程中可以更好的适应由燃烧导致的不规则的煤体表面，为再次点火提供便利。
优选地，步骤d)中所述的红外线测距设备测得的牵引点火装置13的距离为0.5m，以便随时二次点火进行气化。
优选地，步骤c)中所述的适宜的反应条件为氧化带温度大于1200℃、还原带温度约为1200℃、干馏带温度约为600℃。
优选地，步骤d)中所述的氧化剂中掺杂一定组分的惰性气体，在气化工作开始前与气化过程中，分析出气孔处惰性气体的含量，即可确认气化炉的密闭性。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (9)
1.一种倾角大于70°煤厚小于5m的急倾斜煤层地下气化方法，其特征在于，包括：
a)确定煤炭地下气化工作面及点火位置：利用勘探技术，确定急倾斜煤层赋存状态、地质条件、水文参数后，沿煤层倾向划分多个开采水平，每个开采水平中，沿煤层走向将对应水平划分为多个采区，通过对煤田周围地质条件的分析，计算好每个采区的倾向长度与走向长度，并在每个采区之间留设隔离用的保护煤柱(11)；每个采区的前端即为一个的气化工作面(6)；而后通过地面钻孔分析工作面温度以及相关煤层气组分，从而判断出最优的点火位置(12)；
b)地下煤层气化的钻孔掘进：利用预裂技术，将煤田按划分好的采区进行预裂，并对裂隙中注入胶质耐热材料；
在预先布置好的位置，利用定向钻孔技术，从地表向下分别钻进气孔(1)与产气孔(3)，每个井田布置独立的进气孔(1)，进气孔(1)延伸至煤层形成进气通道(5)，进气通道(5)延伸至气化工作面(6)直至产气通道(7)，产气通道(7)也沿每层走向掘进，所有的产气通道(7)最终延伸至同一个总产气通道(8)，并连接至地表(4)的产气孔(3)，之后在每个采区的进气孔(1)处安排一到两台地面的绞车(2)用于提升牵引管线设备，并在下方工作面的煤层中央钻取牵引钻孔，分别依据气化工作面三带布置到对应带的端头部；
在钻孔完成后，利用钻探技术，对所钻出气体通道周围的小裂隙进行排查，并再一次对排查出的裂隙注入胶质耐热材料；
c)地下气化管线与点火装置的布置：首先在需要气化的采区进行钻孔，对煤层中的可燃气体进行抽采，抽采至不会影响气化工作效率时结束，封闭抽采钻孔；
随后安装注气装置与点火装置，注气装置主要由地面的绞车(2)、注气管线(15)以及牵引链(14)构成，点火装置(13)则由点火器、红外线测距设备以及测温设备构成；
利用绞车(2)将注气管线(15)与点火装置(13)一并送至井下，点火装置(13)置于注气管线(15)前方送至点火位置(12)，注气管线(15)送至进气通道(5)，之后将牵引链(14)与点火装置(13)连接；
d)地下气化作业：采区布置完成后，在保证气化炉的密闭性的前提下，向工作面注入氧化剂，并开始点火，控制适宜的条件进行氧化，产生的CO气体与H2通过压入式通风的方式送至地面的产气孔(3)；
随着气化工作的进行，利用红外线测距装置，跟踪点火装置(12)与煤体之间的距离，距离较远即用牵引链(14)将点火装置(13)牵引至煤体处，同时回收多余长度的注气管线(15)，当工作面推进至保护煤柱位置时停止注入氧化剂进行灭火，停止反应，回收装置后将采空区自行垮落，完成该采区的地下气化作业过程。
2.根据权利要求1所述的急倾斜煤层地下气化方法，其特征在于，步骤a)中每个开采水平的垂直标高为30-50m，每个采区的走向长度为50-100m，保护煤柱(11)长度为15-20m，具体垂直标高与保护煤柱(11)长度在综合考虑地质条件的基础上决定，走向长度在综合考虑火焰蔓延速度与垮落状况的基础上决定。
3.根据权利要求1所述的急倾斜煤层地下气化方法，其特征在于，步骤b)中每个采区的进气孔(1)间距为70-120m，产气通道(7)与总产气通道(8)间的水平距离为10-20m。
4.根据权利要求1所述的急倾斜煤层地下气化方法，其特征在于，步骤b)中所述的胶质耐热材料使用高分子耐高温性胶质材料，材料中加入阻燃剂。
5.根据权利要求1所述的急倾斜煤层地下气化方法，其特征在于，步骤c)中所述的可燃气体抽采结束标准为可燃气体浓度低于1％。
6.根据权利要求1所述的急倾斜煤层地下气化方法，其特征在于，步骤c)中所述的点火装置(13)上的点火器、测距设备与测温设备由柔性耐热金属管线连接。
7.根据权利要求1或5所述的急倾斜煤层地下气化方法，其特征在于，步骤d)中所述的红外线测距设备测得的牵引点火装置(13)的距离为0.5m。
8.根据权利要求1所述的急倾斜煤层地下气化方法，其特征在于，步骤c)中所述的适宜的反应条件为氧化带温度大于1200℃、还原带温度为1200℃、干馏带温度为600℃。
9.根据权利要求1所述的急倾斜煤层地下气化方法，其特征在于，步骤d)中所述的氧化剂中掺杂一定组分的惰性气体，在气化工作开始前与气化过程中，分析出气孔处惰性气体的含量，即可确认气化炉的密闭性。
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