CN113882895B - 一种带状充填煤炭地下气化开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带状充填煤炭地下气化开采方法，涉及煤炭开采领域，包括获取矿区地质参数，获取气化炉宽度的极大值Lgm和气化炉隔离煤柱的极小值Lgp，然后进行气化炉宽度、隔离煤柱宽度及充填率的精准设计，获取设计值后进行气化区域布置，划分气化工作面和隔离煤柱范围；通过确认单一气化工作面开采完毕所需时间，确定注浆材料配比，使充填材料凝固时间大于达到设计充填率所需工作时间并小于气化开采完毕单一工作面所需时间；然后对当前开采完毕的气化工作面充填，直至达到设计充填率；同时对下一气化开采工作面进行开采和充填，并满足下一气化开采工作面与当前开采完毕的气化开采工作面不相邻；本发明能够有效提高地下开采率。
Description
技术领域
本发明属于煤炭开采领域，涉及一种结合煤炭地下气化开采与燃空区注浆充填开采方法。
背景技术
煤炭地下气化技术是将煤炭在地下原位有控制的燃烧，以地质体为气化炉载体，在一系列化学反应的作用下产生可燃混合气体，是一种集建井、开采、气化于一体的化学开采方法，能够在开发利用过程中实现地面无矸、无渣、井下无人，帮助矿井遗煤及深部资源开发，大幅度减少资源开采对环境的影响。
自煤炭地下气化的构想被提出后，各国学者开发了多种气化工艺，但气化效率及安全性不尽如人意。我国在上世纪80年代由余力教授团队创立了“长通道，大断面，两段式”地下气化工艺，为煤炭地下气化规模化生产做出了巨大贡献。2014年我国研究研发了“条采-面采”气化炉构建工艺，取得了大量的创新性成果。随着煤炭地下气化技术的发展和炉型的改进，气化炉不断增大。随着燃空区的扩展，气化通道顶板岩层悬露面积不断增大，造成燃空区围岩移动破坏难以控制，导致上覆岩层在重力作用下发生破坏。当岩层破坏发育至含水层时，将会造成地下水体污染，同时造成气化炉内大量涌水，降低气化效率甚至造成气化炉的报废。当裂缝发育至地表时，将会造成气化气体涌出污染大气环境。给煤炭地下气化的发展带来了一定的困难。
利用煤系固体废弃物，制取充填浆体，通过地表注浆的方法将浆体注入地下气化燃空区，不但能够减少煤矿固体废弃物的排放，还能够控制顶板破坏，减少气化炉隔离煤柱宽度，以达到增加地下气化采出率，减少地下气化带来的环境污染问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种带状充填煤炭地下气化开采方法，以解决当前煤炭地下气化采出率低、气化污染物扩散等问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
为了实现以上目的，本发明提供了一种结合煤炭地下气化燃空区注浆充填开采方法，包括以下步骤：
步骤1、获取矿区的地质采矿条件，根据力学实验获取不同温度下煤岩的力学参数。
步骤2、基于常温下煤岩力学参数对气化采区气化炉宽度及隔离煤柱宽度进行初步设计。
步骤3、建立数值模型结合高温下煤岩物理力学参数的变化特性进行模拟计算，对气化炉宽度及隔离煤柱宽度进行精准设计。
步骤4、划定一个矩形的采区，沿煤层倾向方向布设气化工作面。
步骤5、获取单一气化工作面开采完毕所需时间。
步骤6、调配注浆充填材料。
步骤7、利用控制注气点后退的方法逐个开采及充填采区内的气化工作面直至气化工作面开采完毕。
具体步骤为：
步骤1：获取矿区地质参数，煤及岩石的力学参数、热学参数，获取矿区煤及岩石物理力学参数随温度的变化规律；具体为收集拟气化矿区的水文、地质采矿条件、钻孔数据、煤岩体及充填体力学实验成果等，要保证煤层顶板伪顶厚度小于0.5m，顶板涌水量小于10m3/h，含水层距离煤层30m，防止顶板垮落或水量过大造成气化面湮灭。开展煤岩高温物理力学实验，研究煤岩20-1000℃内的物理力学参数(弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度)的变化特征。
步骤2：气化炉宽度及隔离煤柱宽度进行初步设计。
主要设计内容如下：
1)气化炉宽度设计，煤炭地下气化炉宽度要小于直接顶的初次垮落步距。
初次垮落步距的计算方法为：
式中，Lo为直接顶初次垮落步距，hp为直接顶厚度，q为直接顶所承受的荷载，σT为直接顶的平均抗拉强度。
为了保障气化面顶板的稳定性，气化炉宽度应按照偏安全考虑，因此气化炉宽度的极大值应为：
Lgm＝k1Lo (1)
其中Lgm为气化炉宽度的极大值，k1为气化炉宽度安全系数，取值范围为0.7-0.9。
2)隔离煤柱宽度设计；注浆充填开采条件下，隔离煤柱仅会存在一侧采空的情况，因此隔离煤柱的宽度大于一侧采空区煤体塑性区的宽度即可。单侧采空时，煤体塑性区宽度的计算公式为：
其中Lp为塑性区宽度，m为煤柱高度，
为内摩擦角，C为粘聚力，γ为岩层的平均容重，H为平均采深，β为侧压力系数，k为应力集中程度。
为了保障隔离煤柱的稳定性，隔离煤柱宽度应按照偏安全考虑，因此气化炉隔离煤柱的极小值应为：
Lgp＝k2Lp (2)
其中Lgp为气化炉隔离煤柱的极小值，k2为气化炉隔离煤柱宽度安全系数，取值范围为1.5-2.0。
步骤3：气化炉宽度、隔离煤柱宽度及充填率的精准设计；
步骤3.1、以气化炉宽度的极大值Lgm、气化炉隔离煤柱的极小值Lgp和工作面煤层开采后注浆充填率qb进行三因素三水平的正交实验设计，通过正交实验的设计方法可知需进行9个实验，将9个实验记录至正交实验表中；其中，各因素的三个水平为：气化炉宽度选取0.9Lgm、Lgm和1.1Lgm，隔离煤柱宽度选取Lgp、0.85Lgp和0.7Lgp，充填率qb选取0.9、0.8和0.7；
步骤3.2、利用FLACD数值模拟软件构建数值模型，模拟煤炭地下气化过程中气化炉围岩温度场的变化特征，提取模型内各个网格所经历的最高温度；
步骤3.3、利用煤及岩石物理力学参数随温度的变化规律，计算气化炉围岩经历高温后的力学参数，并将参数赋值给每个网格；
步骤3.4、基于步骤3.1建立的正交实验表及步骤3.2、步骤3.3的实验方法建立9个数值模型，利用摩尔库伦模型进行模拟实验；
步骤3.5，选取顶板塑性区域未发展至基本顶上表面且隔离煤柱存在核区的模型，记录满足条件的第i个模型的气化炉宽度Lgm,i和隔离煤柱宽度Lgp,i，计算采留比ki＝Lgm,i/Lgp,i，选取采留比最大的实验方案，即为气化炉设计宽度、隔离煤柱设计宽度及设计充填率的精准设计结果；
步骤4、布置气化区域，在气化区域按照步骤3所得气化炉设计宽度和气化炉隔离煤柱设计宽度划定气化工作面及隔离煤柱范围，二者间隔分布且气化工作面沿煤层倾向方向划定；由地表向下建立连通对应设计工作面上山山脚边界处拟气化煤层的出气井及下山山顶边界处拟气化煤层的注气井，然后利用定向钻井的方法沟通注气井及生产出气井，在出气井和注气井间均匀建立监测井。
步骤5、获取单一气化工作面开采完毕所需时间；即任选一个气化工作面由下山至上山方向开采，记录开采完该气化工作面所需时间。
步骤6、调配注浆充填材料，充填材料由煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、水泥、速凝剂组成，通过实验对其比例进行调配，令充填材料凝固后强度不小于原煤强度的60％，通过调整浆体中速凝剂的含量调整浆体的凝固时间，充填材料凝固时间大于达到设计充填率所需工作时间并小于气化开采完毕单一工作面所需时间；
步骤7、从下山到上山依次利用出气井、监测井、出气井将配置好的浆体充填至已开采的气化工作面燃空区，直至达到设计充填率；同时对下一气化开采工作面进行开采和充填，并满足下一气化开采工作面与当前开采完毕的气化开采工作面不相邻，可避免某一煤柱面临两侧采空的情况，减少煤柱失稳的风险。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明提供了一种结合煤炭地下气化开采与燃空区注浆充填开采方法，与现有技术相比具有以下优势：由于采用了注浆充填开采的方法，可以利用充填体来承担覆岩压力，减小了隔离煤柱的宽度，提高了煤炭地下气化的采出率，还可以控制地表沉降，减小地表建构筑物损害，解放“三下”压煤，通过控制顶板变形破坏，还可减小导水裂隙带高度，控制气化过程中产生的有害物质向地下水迁移，并可以利用煤矸石、粉煤灰制作充填浆体，解决矿山固体废弃物排放问题。
附图说明
图1为本发明实施煤炭带状充填地下气化开采方法的设计流程图；
图2为本发明涉及煤炭带状充填地下气化开采方法的平面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和2所示，本实施例一种结合煤炭地下气化燃空区注浆充填开采方法，步骤为：
包括以下步骤：
步骤1、获取矿区的地质采矿条件，根据力学实验获取不同温度下煤岩的力学参数。
步骤2、基于常温下煤岩力学参数对气化采区气化炉宽度及隔离煤柱宽度进行初步设计。
步骤3、建立数值模型结合高温下煤岩物理力学参数的变化特性进行模拟计算，对气化炉宽度及隔离煤柱宽度进行精准设计。
步骤4、划定一个矩形的采区，沿煤层倾向方向布设气化工作面。
步骤5、获取单一气化工作面开采完毕所需时间。
步骤6、调配注浆充填材料。
步骤7、利用控制注气点后退的方法逐个开采及充填采区内的气化工作面直至气化工作面开采完毕。
具体步骤为：
步骤1：获取矿区地质参数，煤及岩石的力学参数、热学参数，获取矿区煤及岩石物理力学参数随温度的变化规律；具体为收集拟气化矿区的水文、地质采矿条件、钻孔数据、煤岩体及充填体力学实验成果等，要保证煤层顶板伪顶厚度小于0.5m，顶板涌水量小于10m3/h，含水层距离煤层30m，防止顶板垮落或水量过大造成气化面湮灭。开展煤岩高温物理力学实验，研究煤岩20-1000℃内的物理力学参数(弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度)的变化特征。
步骤2：气化炉宽度及隔离煤柱宽度进行初步设计。
主要设计内容如下：
1)气化炉宽度设计，煤炭地下气化炉宽度要小于直接顶的初次垮落步距。
初次垮落步距的计算方法为：
式中，Lo为直接顶初次垮落步距，hp为直接顶厚度，q为直接顶所承受的荷载，σT为直接顶的平均抗拉强度。
为了保障气化面顶板的稳定性，气化炉宽度应按照偏安全考虑，因此气化炉宽度的极大值应为：
Lgm＝k1Lo (1)
其中Lgm为气化炉宽度的极大值，k1为气化炉宽度安全系数，取值范围为0.7-0.9。
2)隔离煤柱宽度设计；注浆充填开采条件下，隔离煤柱仅会存在一侧采空的情况，因此隔离煤柱的宽度大于一侧采空区煤体塑性区的宽度即可。单侧采空时，煤体塑性区宽度的计算公式为：
其中Lp为塑性区宽度，m为煤柱高度，
为内摩擦角，C为粘聚力，γ为岩层的平均容重，H为平均采深，β为侧压力系数，k为应力集中程度。
为了保障隔离煤柱的稳定性，隔离煤柱宽度应按照偏安全考虑，因此气化炉隔离煤柱的极小值应为：
Lgp＝k2Lp (2)
其中Lgp为气化炉隔离煤柱的极小值，k2为气化炉隔离煤柱宽度安全系数，取值范围为1.5-2.0。
步骤3：气化炉宽度、隔离煤柱宽度及充填率的精准设计；
步骤3.1、以气化炉宽度的极大值Lgm、气化炉隔离煤柱的极小值Lgp和工作面煤层开采后注浆充填率qb进行三因素三水平的正交实验设计，通过正交实验的设计方法可知需进行9个实验，将9个实验记录至正交实验表中；其中，各因素的三个水平为：气化炉宽度选取0.9Lgm、Lgm和1.1Lgm，隔离煤柱宽度选取Lgp、0.85Lgp和0.7Lgp，充填率qb选取0.9、0.8和0.7；
步骤3.2、利用FLACD数值模拟软件构建数值模型，模拟煤炭地下气化过程中气化炉围岩温度场的变化特征，提取模型内各个网格所经历的最高温度；
步骤3.3、利用煤及岩石物理力学参数随温度的变化规律，计算气化炉围岩经历高温后的力学参数，并将参数赋值给每个网格；
步骤3.4、基于步骤3.1建立的正交实验表及步骤3.2、步骤3.3的实验方法建立9个数值模型，利用摩尔库伦模型进行模拟实验；
步骤3.5，选取顶板塑性区域未发展至基本顶上表面且隔离煤柱存在核区的模型，记录满足条件的第i个模型的气化炉宽度Lgm,i和隔离煤柱宽度Lgp,i，计算采留比ki＝Lgm,i/Lgp,i，选取采留比最大的实验方案，即为气化炉设计宽度、隔离煤柱设计宽度及设计充填率的精准设计结果；
步骤4、布置气化区域，在气化区域按照步骤3所得气化炉设计宽度和气化炉隔离煤柱设计宽度划定气化工作面及隔离煤柱范围，二者间隔分布且气化工作面沿煤层倾向方向划定；由地表向下建立连通对应设计工作面上山山脚边界处拟气化煤层的出气井及下山山顶边界处拟气化煤层的注气井，然后利用定向钻井的方法沟通注气井及生产出气井，在出气井和注气井间均匀建立监测井。
步骤5、获取单一气化工作面开采完毕所需时间；即任选一个气化工作面由下山至上山方向开采，记录开采完该气化工作面所需时间。
步骤6、调配注浆充填材料，充填材料由煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、水泥、速凝剂组成，通过实验对其比例进行调配，令充填材料凝固后强度不小于原煤强度的60％，通过调整浆体中速凝剂的含量调整浆体的凝固时间，充填材料凝固时间大于达到设计充填率所需工作时间并小于气化开采完毕单一工作面所需时间；
步骤7、从下山到上山依次利用出气井、监测井、出气井将配置好的浆体充填至已开采的气化工作面燃空区，直至达到设计充填率；同时对下一气化开采工作面进行开采和充填，并满足下一气化开采工作面与当前开采完毕的气化开采工作面不相邻，可避免某一煤柱面临两侧采空的情况，减少煤柱失稳的风险。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种带状充填煤炭地下气化开采方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤1、获取矿区地质参数，煤及岩石的力学参数、热学参数，获取矿区煤及岩石物理力学参数随温度的变化规律；
步骤2、获取气化炉宽度的极大值Lgm和气化炉隔离煤柱的极小值Lgp；
其中，Lgm＝k1Lo(1)；Lgp＝k2Lp(2)；
Lo为直接顶初次垮落步距，k1为气化炉宽度安全系数，取值范围为0.7-0.9；Lp为煤体塑性区宽度，k2为隔离煤柱宽度安全系数，取值范围为1.5-2.0；
其中，
式中，hp为直接顶厚度，q为直接顶所承受的荷载，σT为直接顶的平均抗拉强度；m为煤柱高度，
为内摩擦角，C为粘聚力，γ为岩层的平均容重，H为平均采深，β为侧压力系数，k为应力集中程度；
步骤3：气化炉宽度、隔离煤柱宽度及充填率的精准设计；
步骤3.1、以气化炉宽度的极大值Lgm、气化炉隔离煤柱的极小值Lgp和工作面煤层开采后注浆充填率qb进行三因素三水平的正交实验设计，通过正交实验的设计方法可知需进行9个实验，将9个实验记录至正交实验表中；其中，各因素的三个水平为：气化炉宽度选取0.9Lgm、Lgm和1.1Lgm，隔离煤柱宽度选取Lgp、0.85Lgp和0.7Lgp，充填率qb选取0.9、0.8和0.7；
步骤3.2、利用FLACD数值模拟软件构建数值模型，模拟煤炭地下气化过程中气化炉围岩温度场的变化特征，提取模型内各个网格所经历的最高温度；
步骤3.3、利用煤及岩石物理力学参数随温度的变化规律，计算气化炉围岩经历高温后的力学参数，并将参数赋值给每个网格；
步骤3.4、基于步骤3.1建立的正交实验表及步骤3.2、步骤3.3的实验方法建立9个数值模型，利用摩尔库伦模型进行模拟实验；
步骤3.5，选取顶板塑性区域未发展至基本顶上表面且隔离煤柱存在核区的模型，记录满足条件的第i个模型的气化炉宽度Lgm,i、隔离煤柱宽度Lgp,i，计算采留比ki＝Lgm,i/Lgp,i，选取采留比最大的实验方案，即为气化炉设计宽度、隔离煤柱设计宽度及设计充填率的精准设计结果；
步骤4、布置气化区域，在气化区域按照步骤3所得气化炉设计宽度和隔离煤柱设计宽度划定气化工作面及隔离煤柱范围，二者间隔分布且气化工作面沿煤层倾向方向划定；
步骤5、获取单一气化工作面开采完毕所需时间；
步骤6、调配注浆充填材料，令充填材料凝固后强度不小于原煤强度的60％，充填材料凝固时间大于达到设计充填率所需工作时间并小于气化开采完毕单一工作面所需时间；
步骤7、对当前开采完毕的气化工作面用调配好的充填材料充填至其燃空区，直至达到设计充填率；同时对下一气化开采工作面进行开采和充填，并满足下一气化开采工作面与当前开采完毕的气化开采工作面不相邻。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1所述获取矿区地质参数包括：收集拟气化矿区的水文、地质采矿条件、钻孔数据、煤岩体及充填体力学实验成果，要保证煤层顶板伪顶厚度小于0.5m，顶板涌水量小于10m3/h，含水层距离煤层30m，防止顶板垮落或水量过大造成气化面湮灭；开展煤岩高温物理力学实验，获取煤岩20-1000℃内的物理力学参数，包括弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度的变化特征。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤4还包括由地表向下建立连通对应设计工作面上山山脚边界处拟气化煤层的出气井及下山山顶边界处拟气化煤层的注气井，然后利用定向钻井的方法沟通注气井及出气井，在出气井和注气井间均匀建立监测井。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤4中监测井间间距为50m。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，气化工作面开采方向为由气化工作面下山向上山方向。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤7中充填材料充填时按照气化工作面下山到上山方向依次利用出气井、监测井进行充填。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2021
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| 煤炭地下气化高温烧变围岩移动破坏机理研究;刘潇鹏;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20200415(第04期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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