CN113432322B - 采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用方法及试验设备 - Google Patents
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Abstract
一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用方法及试验设备,涉及采矿工程技术领域。该方法包括:确定地热水汇集区,在大巷内布置热能交换设备,设置地热水抽采系统,地热水抽采系统包括地热井、抽采管道和尾水回注管道,抽采管道连接热能交换设备,尾水回注管连接热能交换设备的出水口;在地表布置水渠,并在地表移动盆地设置排水系统,引导地表水流入地下;通过地面开采形成的采煤塌陷区控制地表水的定向有序流动,实现地下水的可持续开采。利用试验设备综合模拟该方法,该试验设备包括地下水系统、地质模拟系统和储热模拟系统。该方法解决了地热利用的水源问题,重构了地下水系,还利用地质构造直接向储热层注水,井下换热缩短了提升距离。
Description
技术领域
本发明涉及采矿工程技术领域,尤其是一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用的方法,以及模拟该方法的试验设备。
背景技术
煤层地下开采面积达到一定范围以后,地表产生下沉、倾斜、水平移动等一系列运动,随着地下开采面积的增大,地表形成大面积塌陷区,改变了矿区原有的地形、地貌,同时也会对地表原有水系以及潜在储水空间产生较大影响,引发矿区水环境变化,继而影响农业地质环境、储水灌溉、交通等一系列问题。受水体下采煤的影响,储水堤坝、河流等重要水利设施原有高程信息可能会发生改变,在地表运动过程中可能会产生裂缝、坝体的整体沉降,以及河流部分区段积水量增加等不利因素。同时,煤层的开采也会严重破坏及污染地下水系,影响地下水资源的开发与利用,因此,运用地表变形预计方法以及数值模拟方法,从采空区地表变形机理上揭示煤层开采过程对水系演变的影响过程,分析地表产生积水的原因,对矿区生态系统的治理与恢复至关重要。从地表变形动态发展角度,基于地表已有的部分已损坏排水设施,提出改造修复方案,并通过人工构建排水设施重建地表排水系统,对改善受影响地表的排水状况具有重要作用。结合数值模拟分析软件对重建后的水系特征进行分析,以求达到积水快速、安全排出的目的,改善已采取地表生态环境。
煤炭开采后破坏了地下水系的完整结构,因此对地质环境具有重要影响。地下水向采空区域聚集这是主要的聚水区域。地下水经过一定的岩体结构便会形成新水,这是地下的自清洁作用,完全实现地下水系的恢复已无可能。煤炭的大量开采和使用带来两大突出问题:一是煤炭开采带来的生态损害,核心是地下水破坏和生态环境损伤问题;二是煤炭消费带来的环境破坏,主要是煤炭燃烧污染物排放问题。煤炭产业必须推动能源技术革命,带动产业升级。
发明内容
为了解决地热利用的水源问题,重构地下水系,利用地质构造直接向储热层注水,本发明提供了一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用方法及试验设备;具体的技术方案如下。
一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用方法,其特征在于,步骤包括:
S1.确定地热水汇集区;
S2.在大巷内布置热能交换设备;
S3.布置地热水抽采系统,所述地热水抽采系统包括地热井、抽采管道和尾水回注管道,抽采管道连接热能交换设备的进水口,尾水回注管连接热能交换设备的出水口;
S4.在地表布置水渠,并在地表移动盆地设置排水系统,引导地表水流入地下;
S5.通过地面开采形成的采煤塌陷区控制地表水的定向有序流动,实现地下水的可持续开采,结合地面管路和岩层裂隙带、弯曲带等空间结构,实现地下水系的完整空间恢复,构建采煤塌陷区地表水-地热资源联合体系,将实现采煤塌陷地的综合利用。
优选的是,地热水汇集区包括断层和地热储层的交界区域。
优选的是,大巷内还布置有钻井硐室,从钻井硐室分别向地热水汇集区和地热储层开挖地热井,沿地热井向地热水汇集区布置抽采管道。
还优选的是,抽采管道和尾水回注管道的端部间隔设定的安全距离。
还优选的是,采煤塌陷区的导水裂隙发育情况根据地质探测确定,根据导水裂隙发育情况和塌陷区地形调整地下水的流动。
还优选的是,水渠连通地表水系和地表移动盆地。
一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用模拟试验设备,根据上述的一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用方法,包括地下水系统、地质模拟系统和储热模拟系统,地质模拟系统包括底板岩层、煤层、顶板岩层、垮落带和断层;地下水系统包括注水钻孔、瓦斯抽采钻孔、导水通道和导水裂隙;储热系统包括模拟地热储层;所述地质模拟系统还原实际地质条件,地下水系统模拟地表水和地下水之间的水力联系,储热模拟系统在地质模拟系统中提供热源。
进一步优选的是,底板岩层、煤层、顶板岩层利用相似材料依次铺设,垮落带通过模拟煤层开挖制作。
进一步优选的是,地质模拟系统中埋设管道模拟注水钻孔和瓦斯抽采钻孔。
本发明提供了一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用方法及试验设备有益效果是:该方法利用采煤塌陷区进行水流的疏导,重构地表水系,从而为地热运用提供充足的水源;水源经过采煤塌陷区垮落空间的过滤作用,保证了地热水源的纯净;在地下通过钻孔、注浆等方式重构地下水系,并建立地表水和地下水之间的水力联系;在大巷直接设置钻井硐室,钻井抽取地下热水,并利用大巷内的接热能交换设备进行换热,减少了提升距离。结合该方法可以构建模拟试验设备,从而对采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用的过程及布置方式进行模拟,实现了采煤塌陷区治理、地热利用的综合模拟,从而为地热利用的理论研究提供依据。
附图说明
图1是采煤塌陷区综合利用的方法流程图;
图2是采煤塌陷区综合利用方法的原理示意图;
图3是综合利用模拟试验设备的模型示意图;
图中:1-导水通道;2-超前压剪裂隙;3-注水钻孔;4-断层;5-地热储层,6-钻井硐室;7-地表水渠。
具体实施方式
结合图1至图3所示,对本发明提供的一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用方法及试验设备的具体实施方式进行说明。
一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用方法,该方法利用采空区中易于流动、采空区储水性能好、地表水入渗散补充地下水的特点,进行地表水-采空区储水-地热资源综合利用。具体的步骤包括:
S1.确定地热水汇集区,根据地热水汇集区的位置确定巷道布置和地表水渠的布置;地热水汇集区包括断层和地热储层的交界区域,在断层区域和地热储层区域容易积聚大量热水,方便热交换。
S2.在大巷内布置热能交换设备,地热水经地热水抽管道被抽采至热能交换站的热能交换设备,将热能提取后输送至地面继续利用。
其中在矿井服务到期,矿井封井之前,在大巷内的钻井硐室内打设地热井,分别向地热水汇集区布置地热水抽采管道。
S3.布置地热水抽采系统,地热水抽采系统包括地热井、抽采管道和尾水回注管道,抽采管道连接热能交换设备的进水口,尾水回注管连接热能交换设备的出水口。采用“围”、“排”、“堵”的方式实现地下水系的定向流动,实现人工可控的地下水系。充分利用断层等地质构造,结合不同钻孔方式吗,增强其导水性,用于向储层注水;在井下进行热能交换,减少热能提升距离和起到保温作用。
如某一层采空区存在积水,可以采用定向引导的方法向下渗透,获得自清洁后的地下水,再结合地面管路和岩层裂隙带、弯曲带等空间结构,实现地下水系的完整空间重构,实现农田复垦、浅水恢复等目标。
S4.在地表布置水渠,并在地表移动盆地设置排水系统,引导地表水流入地下。其通过地面开采形成的采煤塌陷区,通过构建地表水利设施控制地表水的定向有序流动,实现地下水的可持续开采。
通过地面开采形成的采煤塌陷区控制地表水的定向有序流动,实现地下水的可持续开采,结合地面管路和岩层裂隙带、弯曲带等空间结构,实现地下水系的完整空间恢复,构建采煤塌陷区地表水-地热资源联合体系,将实现采煤塌陷地的综合利用。
该方法还具有资源利用率高、地热水开采利用成本低、把断层导水裂隙带、地表塌陷区变害为利,结合地面管路和岩层裂隙带、弯曲带等空间结构,实现地下水系的完整空间构建和利用,从而可以实现采煤塌陷地的综合利用。
大巷内还布置有钻井硐室,从钻井硐室分别向地热水汇集区和地热储层开挖地热井,沿地热井向地热水汇集区布置抽采管道。抽采管道和尾水回注管道的端部间隔设定的安全距离。
采煤塌陷区的导水裂隙发育情况根据地质探测确定,根据导水裂隙发育情况和塌陷区地形调整地下水的流动。水渠连通地表水系和地表移动盆地。
一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用模拟试验设备,根据上述的一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用方法,包括地下水系统、地质模拟系统和储热模拟系统,地质模拟系统包括底板岩层、煤层、顶板岩层、垮落带和断层,如图2所示,该试验设备通过模型构建还原了真实的地质条件和环境条件;地下水系统包括注水钻孔、瓦斯抽采钻孔、导水通道和导水裂隙,注水钻孔可以通过埋设的铜管模拟,瓦斯抽采钻孔和导水通道等通过预埋水管设置,导水裂隙带的构建通过模拟开挖制作。储热系统包括模拟地热储层,可以采用电加热装置模拟地热储层,并设置温度传感器监测温度。地质模拟系统还原实际地质条件,地下水系统模拟地表水和地下水之间的水力联系,储热模拟系统在地质模拟系统中提供热源。其中底板岩层、煤层、顶板岩层可以利用相似材料依次铺设,垮落带通过模拟煤层开挖制作。另外地质模拟系统中埋设管道模拟注水钻孔和瓦斯抽采钻孔。
该模型能够用于模拟综合治理的方法,其中利用采煤塌陷区进行水流的疏导,重构地表水系,从而为地热运用提供充足的水源;水源经过采煤塌陷区垮落空间的过滤作用,保证了地热水源的纯净;在地下通过钻孔、注浆等方式重构地下水系,并建立地表水和地下水之间的水力联系;在大巷直接设置钻井硐室,钻井抽取地下热水,并利用大巷内的接热能交换设备进行换热,减少了提升距离。该装置的使用为采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合治理的研究提供了方便。
当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用方法,其特征在于,步骤包括:
S1.确定地热水汇集区;
S2.在大巷内布置热能交换设备;
S3.布置地热水抽采系统,所述地热水抽采系统包括地热井、抽采管道和尾水回注管道,抽采管道连接热能交换设备的进水口,尾水回注管连接热能交换设备的出水口;
S4.在地表布置水渠,并在地表移动盆地设置排水系统,引导地表水流入地下;
S5.通过地面开采形成的采煤塌陷区控制地表水的定向有序流动,实现地下水的可持续开采,结合地面管路和岩层裂隙带、弯曲带的空间结构,构建采煤塌陷区地表水-地热资源联合体系,综合利用采煤塌陷地;
所述地热水汇集区包括断层和地热储层的交界区域;
所述大巷内还布置有钻井硐室,从钻井硐室分别向地热水汇集区和地热储层开挖地热井,沿地热井向地热水汇集区布置抽采管道;
所述抽采管道和尾水回注管道的端部间隔设定的安全距离;
所述采煤塌陷区的导水裂隙发育情况根据地质探测确定,根据导水裂隙发育情况和塌陷区地形调整地下水的流动;
所述水渠连通地表水系和地表移动盆地。
2.一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用模拟试验设备,根据权利要求1所述的一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用方法,其特征在于,包括地下水系统、地质模拟系统和储热模拟系统,地质模拟系统包括底板岩层、煤层、顶板岩层、垮落带和断层;地下水系统包括注水钻孔、瓦斯抽采钻孔、导水通道和导水裂隙;储热系统包括模拟地热储层;所述地质模拟系统还原实际地质条件,地下水系统模拟地表水和地下水之间的水力联系,储热模拟系统在地质模拟系统中提供热源。
3.根据权利要求2所述的一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用模拟试验设备,其特征在于,所述底板岩层、煤层、顶板岩层利用相似材料依次铺设,垮落带通过模拟煤层开挖制作。
4.根据权利要求2所述的一种采煤塌陷区地表水、采空区、地热综合利用模拟试验设备,其特征在于,所述地质模拟系统中埋设管道模拟注水钻孔和瓦斯抽采钻孔。
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