CN113605892A - 一种共伴生废弃矿井多能互补系统及应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种共伴生废弃矿井多能互补系统及应用方法。所述共伴生废弃矿井多能互补系统，包括开采机构、注浆机构、能源化机构。本发明通过开采机构实现煤铀资源开采，通过注浆机构实现地层减沉降渗，通过能源化机构，实现废弃资源有效利用，最终在三大机构的高效配合下，实现共伴生资源全生命周期安全高效开发利用，达到绿色高效开采煤铀资源并二次开发煤层采空区的目的，助力双碳目标实现与低碳绿色能源发展。

Description

一种共伴生废弃矿井多能互补系统及应用方法
技术领域
本发明涉及一种共伴生废弃矿井多能互补系统以及应用所述系统的方法。
背景技术
煤、铀等矿产资源是推动国家经济发展的重要能源。在鄂尔多斯盆地，煤、铀、油等丰富的矿产资源协同共存，这些矿产资源精准高效的开采对推动我国能源行业发展具有重大意义。然而，目前很多资源开发仍以单一开采为主，对于资源重叠区域并不能有效、精准利用。煤炭，作为我国的主要化石能源，其资源开采是必不可少的，可是在煤炭开采过程中，煤层开采导致上覆岩层运动和破坏，会对开采重叠区域的集输管道产生变形和破坏，从而影响其他矿产资源的开采利用。因此急需一种多资源协调开采的方法来解决单一开采的问题。此外，废弃煤矿，具有丰富的空间、能源资源，因此如何回收利用也具有重大意义。基于上述情况，迫切需要一种共伴生废弃矿井多能互补系统，以达到安全、高效、绿色、协调开发共伴生资源，同时实现煤层采空区的二次开发利用，助力双碳目标实现与低碳绿色能源发展。
发明内容
本发明基于绿色开采通过开采机构实现煤、铀协调开采，本发明通过开采机构实现煤铀资源开采，通过注浆机构实现地层减沉降渗，通过能源化机构，实现废弃资源有效利用，最终在三大机构的高效配合下，实现共伴生资源全生命周期安全高效开发利用，达到绿色高效开采煤铀资源并二次开发煤层采空区的目的，助力双碳目标实现与低碳绿色能源发展。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种共伴生废弃矿井多能互补系统，包括：
开采机构，包括综合储贮站、输铀管、输液管、抽注泵、抽注井、抽注管、回风顺槽、运输顺槽、地表层、含矿含水层、煤层；注浆机构，包括固废料浆、综合泵房、综合处理站、混合浆液管、注浆管、关键层、离层区；能源化机构，包括太阳能板、地上蓄水池、抽水管、地下水库、压缩储能室、地下光伏电解池、电缆线、I中央控制室、II中央控制室、III中央控制室、集气管、导输管、H2、H2O、空气、CH4、筑型板、传输管道、采充工作面、智能电网、采空区，所述含矿含水层位于所述地表层下，所述关键层位于所述含矿含水层与所述煤层之间，所述离层区位于所述关键层下部，所述采空区、所述采充工作面置于所述煤层中，所述回风顺槽和所述运输顺槽位于所述煤层且置于所述采充工作面两侧，所述地表层从左到右依次置有所述综合储贮站、所述抽注泵、所述综合泵房、所述综合处理站、所述地上蓄水池，所述智能电网置于所述地表层且位于所述综合储贮站前方，所述抽注管下端置于所述含矿含水层内，上端连接所述抽注井，所述输铀管和所述输液管从左到右依次连接所述综合储贮站、抽注泵和抽注井，所述注浆管置于所述离层区，所述混合浆液管两端分别连接所述综合处理站和所述注浆管，所述综合泵房与所述混合浆液管、所述综合处理站相连，所述固废料浆置于所述综合处理站中，所述抽水管下端置于所述地下水库内，上端置于所述地上蓄水池内，所述太阳能板置于所述地上蓄水池上，所述压缩储能室置于所述采空区中部，与所述地下水库、所述地下光伏电解池相邻，所述I、II、III中央控制室分别置于所述地下光伏电解池、所述压缩储能室和所述地下水库内，所述电缆线连接所述I、II、III中央控制室，所述采充工作面通过所述传输管道与所述筑型板连接，所述集气管连接所述压缩储能室和所述综合储贮站，所述地下光伏电解池通过所述导输管与所述压缩储能室连接。
优选地，所述固废料浆通过所述注浆管、所述传输管分别置于所述离层区、所述筑型板内。
优选地，所述采空区分别设置所述地下水库、所述压缩储能室和所述地下光伏电解池。
优选地，所述地下水库通过所述抽水管与所述地上蓄水池连接，并与III中央控制室相连。
优选地，所述压缩储能室有所述H2、所述CH4、所述空气，并与所述II中央控制室连接，同时通过所述集气管与所述综合储贮站连接。
优选地，所述地下光伏电解池通过所述I中央控制室与所述太阳能板连接，同时通过所述导输管与所述压缩储能室连接。
优选地，所述智能电网与所述太阳能板、所述I、II、III中央控制室相连。
本发明还提出了一种共伴生废弃矿井多能互补系统应用方法，应用上述系统，其包括如下工作步骤：
a、基于工程地质勘探，获取所述含矿含水层、所述煤层地质赋存状况，并依次布局所述抽注井、所述回风顺槽、所述运输顺槽等；
b、根据工程地质条件与开采机构布局情况，合理布局所述综合储贮站、所述抽注管、所述综合处理站、所述综合泵房、所述混合浆液管、所述地上蓄水池、所述太阳能板；
c、所述煤层内布置所述运输顺槽、所述回风顺槽及所述采充工作面，所述采空区内布置所述地下水库、所述压缩储能室、所述地下光伏电解池；
d、基于注浆层面的确定情况，合理设置所述注浆管并把控注浆压力；
e、所述混合物浆液通过所述注浆管注入到所述离层区内，浆液沉淀后水去灰留，形成饱和压实体，对上部关键层起到支撑作用，形成“离层区填充体(压实区)+煤柱+关键层”的承载体，支撑煤层上覆岩层；
f、所述煤层开采之后的矿井水引流至所述采空区中的所述地下水库或地下光伏电解池，将所述煤层开采产生的气体储存到所述采空区中的所述压缩储能室中，通过所述II中央控制室产生电能，然后利用该电能将所述地下水库中的水通过所述抽水管抽存至所述地上蓄水池，需要电能时，通过所述抽水管将水排放至所述地下水库，将产生的势能差转化为电能，构成循环发电系统，并将富余电能输送至所述智能电网，同时所述压缩储能室中的废气通过所述集气管输送至所述综合储贮站，用于铀矿开采；
g、所述地下光伏电解池通过所述太阳能板产生的电能电解水产生所述H2，通过所述导输管输送至所述压缩储能室，并将富余电能输送至所述智能电网；
h、煤、铀同时开采，所述抽注泵、注浆机构同步运行工作，抽水蓄能、空气压缩储能、光伏电解水制氢气同时运作，铀矿溶液通过所述抽注井被输送至所述综合储贮站，注浆机构同步进行离层注浆工作，所述H2通过所述导输管输送至所述压缩储能室，所述压缩储能室中的废气通过所述集气管运至所述综合储贮站，用于铀矿开采，同时富余电能输送至所述智能电网。
本发明具有如下优点：
本发明述及的共伴生废弃矿井多能互补系统，具有开采机构、注浆机构、能源化机构，其中根据共伴生资源地质赋存条件合理布置煤、铀开采机构并将煤、铀输运至综合储贮站。煤层开采后在覆岩层形成的离层空间，通过综合处理站加工混合物浆液，通过注浆管注入到关键层下的离层内，浆液沉淀后水去灰留，形成饱和压实体，从而对上部关键层起到支撑作用，形成“离层区充填体(压实区)+煤柱+关键层”的承载体，可以有效保护上部地层和含水层，保证上部岩层及地面不发生破坏与变形。并将煤层开采后的采空区充分利用起来，分区域划分储水、储气空间，通过抽水蓄能技术和空气压缩储能技术，将煤层开采后的矿井水和气体转化为电能，并构成稳定的供电系统，结合光伏发电技术，将一部分水电解制氢，用于补给压缩储能室的气体，压缩储能室的废气通过集气管输运至综合储贮站，用于铀矿开采，同时将富余电能输送至智能电网，形成一种共伴生废弃矿井多能互补系统及应用系统。
附图说明
图1为本发明实施例中整体状态图。
图中：1-地表层；2-含矿含水层；3-关键层；4-离层区；5-煤层；6-采空区；1-1-综合储贮站；1-2-输铀管；1-3-输液管；1-4-抽注泵；1-5-抽注井；1-6-抽注管；1-7-回风顺槽；1-8-运输顺槽；2-1-综合泵房；2-2-综合处理站；2-3-固废料浆；2-4-混合浆液管；2-5-注浆管；3-1-太阳能板；3-2-地上蓄水池；3-3-抽水管；3-4-地下水库；3-5-压缩储能室；3-6-地下光伏电解池；3-7-电缆线；3-8-I中央控制室；3-9-II中央控制室；3-10-III中央控制室；3-11-集气管；3-12-导输管；3-13-H2；3-14-H2O；3-15-空气；3-16-CH4；3-17-筑型板；3-18-传输管道；3-19-采充工作面；3-20-智能电网。
具体实施方式
结合图1所示，一种共伴生废弃矿井多能互补系统，包括开采机构、注浆机构、能源化机构。通过注浆机构实现地层减沉降渗，通过能源化机构，实现废弃资源有效利用，最终在三大机构的高效配合下，实现共伴生资源全生命周期安全高效开发利用，达到绿色高效开采煤铀资源并二次开发煤层采空区的目的，助力双碳目标实现与低碳绿色能源发展。
开采机构中，所述含矿含水层2置于所述地表层1之下，所述综合储贮站1-1、所述抽注泵1-4置于所述地表层1，所述回风顺槽1-7和所述运输顺槽1-8位于所述煤层5且置于所述采充工作面3-19两侧，所述抽注管1-6下端置于所述含矿含水层2内，上端连接所述抽注井1-5，所述输铀管1-2和所述输液管1-3依次连接所述综合储贮站1-1、抽注泵1-4和抽注井1-5；
注浆机构中，所述关键层3位于所述含矿含水层2、所述煤层5之间，所述离层区4位于所述关键层3下部，所述综合泵房2-1、所述综合处理站2-2置于所述地表层1，所述混合浆液管2-4两端分别连接所述综合处理站2-2和所述注浆管2-5，所述综合泵房2-1与所述混合浆液管2-4、所述综合处理站2-2相连，所述固废料浆2-3置于所述综合处理站2-2中；
能源化机构中，所述采空区6置于所述煤层5中，所述采充工作面3-19置于所述煤层5中，所述智能电网3-20置于所述地表层1且位于所述综合储贮站1-1前方，所述抽水管3-3下端置于所述地下水库3-4内，上端置于所述地上蓄水池3-2内，所述地上蓄水池3-2置于所述地表层1，所述太阳能板3-1置于所述地上蓄水池3-2上，所述压缩储能室3-5置于所述采空区6中部，与所述地下水库3-4和所述地下光伏电解池3-6相邻，所述I、II、III中央控制室3-8、3-9、3-10分别置于所述地下光伏电解池3-6、所述压缩储能室3-5和所述地下水库3-4内，所述电缆线3-7连接所述I、II、III中央控制室3-8、3-9、3-10，所述采充工作面3-19通过所述传输管道3-18与所述筑型板3-17连接，所述集气管3-11连接所述压缩储能室3-5和所述综合储贮站1-1，所述地下光伏电解池3-6通过所述导输管3-12与所述压缩储能室3-5连接。
其具体步骤大致如下：
a、基于工程地质勘探，获取所述含矿含水层2、所述煤层5地质赋存状况，并依次布局所述抽注井1-5，所述回风顺槽1-7、所述运输顺槽1-8等；
b、根据工程地质条件与开采机构布局情况，合理布局所述综合储贮站1-1、所述抽注管1-6、所述综合处理站2-2、所述综合泵房2-1、所述混合浆液管2-4、所述地上蓄水池3-2、所述太阳能板3-1；
c、所述煤层5内布置所述运输顺槽1-8、所述回风顺槽1-7及所述采充工作面3-19，所述采空区6内布置所述地下水库3-4、所述压缩储能室3-5、所述地下光伏电解池3-6；
d、基于注浆层面的确定情况，合理设置所述注浆管2-5并把控注浆压力；
e、所述混合物浆液2-4通过所述注浆管2-5注入到所述离层区4内，浆液沉淀后水去灰留，形成饱和压实体，对上部关键层起到支撑作用，形成“离层区填充体(压实区)+煤柱+关键层”的承载体，支撑所述煤层5上覆岩层；
f、所述煤层5开采之后的矿井水引流至所述采空区6中的所述地下水库3-4或地下光伏电解池3-6，将所述煤层5开采产生的气体储存到所述采空区6中的所述压缩储能室中3-5，通过所述II中央控制室3-9产生电能，然后利用该电能将所述地下水库3-4中的水通过所述抽水管3-3抽存至所述地上蓄水池3-2，需要电能时，通过所述抽水管3-3将水排放至所述地下水库3-4，将产生的势能差转化为电能，构成循环发电系统，并将富余电能输送至所述智能电网3-20，同时所述压缩储能室3-5中的废气通过所述集气管3-11输送至所述综合储贮站1-1，用于铀矿开采；
g、所述地下光伏电解池3-6通过所述太阳能板3-1产生的电能电解水产生所述H23-13，通过所述导输管3-12输送至所述压缩储能室3-5，并将富余电能输送至所述智能电网3-20；
h、煤、铀同时开采，所述抽注泵1-4、注浆机构同步运行工作，抽水蓄能、空气压缩储能、光伏电解水制氢气同时运作，铀矿溶液通过所述抽注井1-5被输送至所述综合储贮站1-1，注浆机构同步进行离层注浆工作，所述H2 3-13通过所述导输管3-12输送至所述压缩储能室3-5，所述压缩储能室3-5中的废气通过所述集气管3-11运至所述综合储贮站1-1，用于铀矿开采，同时富余电能输送至所述智能电网3-20。
以上的各实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种共伴生废弃矿井多能互补系统，其特征在于：所述共伴生废弃矿井多能互补系统包括：
开采机构，包括综合储贮站、输铀管、输液管、抽注泵、抽注井、抽注管、回风顺槽、运输顺槽、地表层、含矿含水层、煤层；注浆机构，包括固废料浆、综合泵房、综合处理站、混合浆液管、注浆管、关键层、离层区；能源化机构，包括太阳能板、地上蓄水池、抽水管、地下水库、压缩储能室、地下光伏电解池、电缆线、I中央控制室、II中央控制室、III中央控制室、集气管、导输管、H2、H2O、空气、CH4、筑型板、传输管道、采充工作面、智能电网、采空区，所述含矿含水层位于所述地表层下，所述关键层位于所述含矿含水层与所述煤层之间，所述离层区位于所述关键层下部，所述采空区、所述采充工作面置于所述煤层中，所述回风顺槽和所述运输顺槽位于所述煤层且置于所述采充工作面两侧，所述地表层从左到右依次置有所述综合储贮站、所述抽注泵、所述综合泵房、所述综合处理站、所述地上蓄水池，所述智能电网置于所述地表层且位于所述综合储贮站前方，所述抽注管下端置于所述含矿含水层内，上端连接所述抽注井，所述输铀管和所述输液管从左到右依次连接所述综合储贮站、抽注泵和抽注井，所述注浆管置于所述离层区，所述混合浆液管两端分别连接所述综合处理站和所述注浆管，所述综合泵房与所述混合浆液管、所述综合处理站相连，所述固废料浆置于所述综合处理站中，所述抽水管下端置于所述地下水库内，上端置于所述地上蓄水池内，所述太阳能板置于所述地上蓄水池上，所述压缩储能室置于所述采空区中部，与所述地下水库、所述地下光伏电解池相邻，所述I、II、III中央控制室分别置于所述地下光伏电解池、所述压缩储能室和所述地下水库内，所述电缆线连接所述I、II、III中央控制室，所述采充工作面通过所述传输管道与所述筑型板连接，所述集气管连接所述压缩储能室和所述综合储贮站，所述地下光伏电解池通过所述导输管与所述压缩储能室连接。
2.根据权利要求1所述的共伴生废弃矿井多能互补系统，其特征在于：所述固废料浆通过所述注浆管、所述传输管分别置于所述离层区、所述筑型板内。
3.根据权利要求1所述的共伴生废弃矿井多能互补系统，其特征在于：所述采空区分别设置所述地下水库、所述压缩储能室和所述地下光伏电解池。
4.根据权利要求1所述的共伴生废弃矿井多能互补系统，其特征在于：所述地下水库通过所述抽水管与所述地上蓄水池连接，并与III中央控制室相连。
5.根据权利要求1所述的共伴生废弃矿井多能互补系统，其特征在于：所述压缩储能室有所述H2、所述CH4、所述空气，并与所述II中央控制室连接，同时通过所述集气管与所述综合储贮站连接。
6.根据权利要求1所述的共伴生废弃矿井多能互补系统，其特征在于：所述地下光伏电解池通过所述I中央控制室与所述太阳能板连接，同时通过所述导输管与所述压缩储能室连接。
7.根据权利要求1所述的共伴生废弃矿井多能互补系统，其特征在于：所述智能电网与所述太阳能板、所述I、II、III中央控制室相连。
8.一种共伴生废弃矿井多能互补系统应用方法，其特征在于，采用如权利要求1至7任一项所述的共伴生废弃矿井多能互补系统，包括如下步骤：
a、基于工程地质勘探，获取所述含矿含水层、所述煤层地质赋存状况，并依次布局所述抽注井、所述回风顺槽、所述运输顺槽等；
b、根据工程地质条件与开采机构布局情况，合理布局所述综合储贮站、所述抽注管、所述综合处理站、所述综合泵房、所述混合浆液管、所述地上蓄水池、所述太阳能板；
c、所述煤层内布置所述运输顺槽、所述回风顺槽及所述采充工作面，所述采空区内布置所述地下水库、所述压缩储能室、所述地下光伏电解池；
d、基于注浆层面的确定情况，合理设置所述注浆管并把控注浆压力；
e、所述混合物浆液通过所述注浆管注入到所述离层区内，浆液沉淀后水去灰留，形成饱和压实体，对上部关键层起到支撑作用，形成“离层区填充体(压实区)+煤柱+关键层”的承载体，支撑煤层上覆岩层；
f、所述煤层开采之后的矿井水引流至所述采空区中的所述地下水库或地下光伏电解池，将所述煤层开采产生的气体储存到所述采空区中的所述压缩储能室中，通过所述II中央控制室产生电能，然后利用该电能将所述地下水库中的水通过所述抽水管抽存至所述地上蓄水池，需要电能时，通过所述抽水管将水排放至所述地下水库，将产生的势能差转化为电能，构成循环发电系统，并将富余电能输送至所述智能电网，同时所述压缩储能室中的废气通过所述集气管输送至所述综合储贮站，用于铀矿开采；
g、所述地下光伏电解池通过所述太阳能板产生的电能电解水产生所述H2，通过所述导输管输送至所述压缩储能室，并将富余电能输送至所述智能电网；
h、煤、铀同时开采，所述抽注泵、注浆机构同步运行工作，抽水蓄能、空气压缩储能、光伏电解水制氢气同时运作，铀矿溶液通过所述抽注井被输送至所述综合储贮站，注浆机构同步进行离层注浆工作，所述H2通过所述导输管输送至所述压缩储能室，所述压缩储能室中的废气通过所述集气管运至所述综合储贮站，用于铀矿开采，同时富余电能输送至所述智能电网。
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