CN114293963A - 井下瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统及工作方法 - Google Patents
井下瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统及工作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种井下瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统及工作方法，适用于地下废弃煤矿以及因三下问题无法开采煤层使用。通过将瓦斯发电厂处理后的高温尾气通过多个注气钻孔注入到煤层中加热煤体促进瓦斯解析，煤层中煤体受热后内部产生新的孔裂隙为瓦斯流动提供通道，由于CO2对煤体的吸附大于瓦斯对煤体的吸附，尾气中的CO2进入煤层后对瓦斯进行置换，释放的瓦斯又被间隔设置在注气钻孔间的瓦斯抽采钻孔抽采发电，实现整个系统的闭环运行。将尾气注入煤层无需人工介入，安全可靠，使用的尾气温度高压力强且无需另外热源，同时高温高压的尾气还能大大的增加煤层至裂以及瓦斯产出的效率，针对废弃矿和无法开采的煤层均具有很好的利用效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统及工作方法，尤其适用于地下废弃煤矿以及不开采煤层使用。
背景技术
目前，仍有不少矿井抽采的瓦斯未被利用而直接排放到大气中，既造成资源的浪费，又对环境造成破坏。甲烷在矿井下还对煤矿的安全生产造成威胁，目前中国煤矿存在大部分矿井透气性差，瓦斯抽采困难，因此如何安全有效从煤矿有效抽采高浓度的瓦斯，然后进行充分利用，是急需解决的关键问题。目前，常采用的瓦斯抽采方法主要有：水力压裂、深孔爆破、水力割缝、保护层开采，但是这些技术应用起来存在一些缺陷，例如：水力压裂容易造成水锁现象，堵塞瓦斯运移的通道；深孔爆破送药困难；水力割缝在软煤层应用效果较差，而且因排渣问题，不适用于向下打的钻孔；保护层开采不适应在单一煤层开采。因此，开发应用范围更广的煤层增透方法以解决低透气煤层瓦斯抽采困难的问题尤为重要，本技术利用高温尾气加热煤层，促进瓦斯解吸，同时在高温的作用下，煤体内热应力产生裂纹，为瓦斯的运移提供通道，对于难抽采煤层，是一个有效的途径。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统及工作方法，其能够有效将瓦斯发电厂的尾气充分利用，将尾气注入到煤层中，加速瓦斯解析，利用煤体对CO2的吸附大于甲烷的特点，将甲烷置换出来，并在热应力的作用下，在煤体中形成网络裂隙，实现消除煤层瓦斯突出危险和甲烷开采。
为实现上述技术问题，本发明的提供井下瓦斯抽采发电并回注煤层增透的闭环系统，包括瓦斯发电系统、注热系统和瓦斯抽采系统；瓦斯发电系统包括设置在煤层上方地表的瓦斯发电厂和尾气处理系统，瓦斯发电厂的进气口连接有地面抽采站，瓦斯发电厂的排气口与尾气处理系统相连接，注热系统包括多个从巷道水平打入煤层的注气钻孔，所有的注气钻孔均通过烟气管路与尾气处理系统的排放端连接，所述瓦斯抽采系统包括多个从巷道水平打入煤层的抽采钻孔，抽采钻孔通过瓦斯抽采管路与设置在地表的地面抽采站连接，其中多个注气钻孔与多个抽采钻孔间隔交替水平布置在煤层中，注气钻孔和抽采钻孔均设有封孔段进行有效封孔，地面抽采站连接瓦斯发电厂进行燃烧发电，燃烧后产生的高温尾气进入尾气处理系统对煤层进行增透产生瓦斯从而形成闭环工作。
进一步，所述烟气管路和瓦斯抽采管路通过垂直设置的井筒沟通瓦斯发电系统与注热系统、瓦斯抽采系统。
进一步，烟气管路上设有用以加压尾气处理系统向注气钻孔排出尾气的增压泵。
进一步，所述井筒与注热系统、瓦斯抽采系统沟通处设有安全墙，所述安全墙用以防止尾气泄露可能造成的危害。
进一步，所述烟气管路在500℃时能承受50Mpa的压力。
进一步，所述抽采钻孔和注气钻孔有多组交替排列，距离100m以内。
一种井下瓦斯抽采发电并回注煤层增透的闭环系统的工作方法，其步骤为：
通过查资料，在开采过的矿井或者废弃矿井区域寻找残留煤层或者不易开采煤层区域，之后在残留煤层或者不易开采煤层区域地表设置瓦斯发电厂，瓦斯发电厂上设有尾气处理系统，在瓦斯发电厂附近施工或寻找现有的井筒，通过井筒向煤层施工巷道，或者继续利用现有巷道；
在巷道中按照巷道走向水平向煤层中交替布置抽采钻孔和注气钻孔，并使用封孔段对设置在抽采钻孔和注气钻孔的管路进行封孔；
利用烟气管路将所有注气钻孔与尾气处理系统的排放端连接，利用瓦斯抽采管路将所有抽采钻孔与地面抽采站的入口连接；
在烟气管路上设置增压泵用以增强尾气的注入压力，并将增压泵放置在巷道端部；
之后在井筒与巷道连接处设置安全墙，将布置在煤层中的瓦斯抽采系统、注气系统与瓦斯发电系统隔离，从而实现地下无人化工作，防止出现以外导致井下人员危险；
瓦斯发电厂燃烧后产生的高温尾气通过尾气处理系统进行有害物质处理，处理达标的高温尾气经具有保温效果的烟气管路输送到增加泵，增压泵对高温尾气进行增压后通过多个注气钻孔注入煤层，注入煤层的高温尾气温度在40℃-450℃，高温尾气进入煤层后对煤体压裂扩散，扩散的高温尾气加热煤体促进瓦斯解析，此外煤体受热后内部产生新的孔裂隙不但扩大了高温尾气的扩散范围还为瓦斯流动提供通道，煤层大量吸附高温尾气中的CO2从而对瓦斯进行置换，进一步加速瓦斯释放，之后迅速被设置在多个注气钻孔之间的多个抽采钻孔抽采；通过注气钻孔注入煤层的高温尾气温度远超常规的热源生成的蒸汽，对煤层至裂和瓦斯释放的效果明显更高，同时整个注入过程完全在安全墙密封的煤层中自动完成，无需人工对注入过程进行操作，安全可靠；
随着地面抽采站不断抽采抽煤层中的瓦斯造成负压，进一步促进煤层中的瓦斯向多个抽采钻孔富集，实现瓦斯抽采发电并将尾气回注煤层增透的低碳闭环方法。
有益效果：
本发明能够实现瓦斯的清洁高效利用，减少其排放导致温室效应的环境损害，同时充分利用瓦斯发电后的余热，注入煤层中促进煤层瓦斯解吸，释放出更多的瓦斯供发电厂利用，减少了瓦斯向大气中逸散的总量，降低或消除了煤层瓦斯突出的风险，形成了良性的闭环。整个工作环境包括尾气注入环境完全无需人工介入，安全可靠，不会因为热源泄露导致人员伤亡，同时本发明直接将发电厂产生的尾气加压通入煤层，无需另外的热源，即节省了能源，同时产生的尾气温度高压力强，能大大的增加煤层至裂以及瓦斯产出的效率，不是普通井下热源能够能达到的，针对废弃矿和由于三下问题无法开采的煤层均具有很好的利用效果。
附图说明
图1为本发明井下瓦斯抽采发电并回注煤层增透的闭环系统的结构示意图；
图2为布置在煤层中的抽采钻孔与注气钻孔示意图。
图中：1-瓦斯发电厂；2-尾气处理系统；3-烟气管路；4-瓦斯抽采管路；5-井筒；6-地面抽采站；7-增压泵；8-抽采钻孔；9-注气钻孔；10-岩层；11-煤层；12-封孔段。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明。
如图1和图2所示，本发明的一种井下瓦斯抽采发电并回注煤层增透的闭环系统，包括瓦斯发电系统、注热系统和瓦斯抽采系统；瓦斯发电系统包括设置在煤层11上方地表的瓦斯发电厂1和尾气处理系统2，瓦斯发电厂1的进气口连接有地面抽采站6，瓦斯发电厂1的排气口与尾气处理系统2相连接，注热系统包括多个从巷道水平打入煤层11的注气钻孔9，所有的注气钻孔9均通过烟气管路3与尾气处理系统2的排放端连接，烟气管路3上设有用以加压尾气处理系统2向注气钻孔9排出尾气的增压泵7。所述瓦斯抽采系统包括多个从巷道水平打入煤层11的抽采钻孔8，抽采钻孔8通过瓦斯抽采管路4与设置在地表的地面抽采站连接，烟气管路3和瓦斯抽采管路4通过垂直设置的井筒5沟通瓦斯发电系统与注热系统、瓦斯抽采系统，其中多个注气钻孔9与多个抽采钻孔8间隔交替水平布置在煤层11中，交替排列间距控制在100m以内，注气钻孔9和抽采钻孔8均设有封孔段12进行有效封孔，地面抽采站6连接瓦斯发电厂1进行燃烧发电，燃烧后产生的高温尾气进入尾气处理系统2对煤层11进行增透产生瓦斯从而形成闭环工作。井筒5与注热系统、瓦斯抽采系统沟通处设有安全墙，所述安全墙用以防止尾气泄露可能造成的危害。烟气管路3在500℃时能承受50Mpa的压力。
一种井下瓦斯抽采发电并回注煤层增透的闭环系统的工作方法，其步骤为：
通过查资料，在开采过的矿井或者废弃矿井区域寻找残留煤层或者不易开采煤层区域，之后在残留煤层或者不易开采煤层区域地表设置瓦斯发电厂1，瓦斯发电厂1上设有尾气处理系统2，在瓦斯发电厂1附近施工或寻找现有的井筒5，通过井筒5穿过岩层10向煤层11施工巷道，或者继续利用现有巷道；
在巷道中按照巷道走向水平向煤层11中交替布置抽采钻孔8和注气钻孔9，并使用封孔段12对设置在抽采钻孔8和注气钻孔9的管路进行封孔；
利用烟气管路3将所有注气钻孔9与尾气处理系统2的排放端连接，利用瓦斯抽采管路4将所有抽采钻孔8与地面抽采站6的入口连接；
在烟气管路3上设置增压泵7用以增强尾气的注入压力，并将增压泵7放置在巷道端部；
之后在井筒5与巷道连接处设置安全墙，将布置在煤层11中的瓦斯抽采系统、注气系统与瓦斯发电系统隔离，从而实现地下无人化工作，防止出现以外导致井下人员危险；
瓦斯发电厂1燃烧后产生的高温尾气通过尾气处理系统2进行有害物质处理，处理达标的高温尾气经具有保温效果的烟气管路3输送到增加泵7，增压泵7对高温尾气进行增压后通过多个注气钻孔9注入煤层11，注入煤层11的高温尾气温度在450℃，传输存在一定的损耗，且防止引燃瓦斯因此需要适当降低为题温度。高温尾气进入煤层11后对煤体压裂扩散，扩散的高温尾气加热煤体促进瓦斯解析，此外煤体受热后内部产生新的孔裂隙不但扩大了高温尾气的扩散范围还为瓦斯流动提供通道，煤层11大量吸附高温尾气中的CO2从而对瓦斯进行置换，进一步加速瓦斯释放，之后迅速被设置在多个注气钻孔9之间的多个抽采钻孔8抽采；通过注气钻孔9注入煤层11的高温尾气温度远超常规的热源生成的蒸汽，对煤层11至裂和瓦斯释放的效果明显更高，同时整个注入过程完全在安全墙密封的煤层11中自动完成，无需人工对注入过程进行操作，安全可靠；
随着地面抽采站6不断抽采抽煤层11中的瓦斯造成负压，进一步促进煤层11中的瓦斯向多个抽采钻孔8富集，实现瓦斯抽采发电并将尾气回注煤层增透的低碳闭环方法。
Claims (7)
1.一种井下瓦斯抽采发电并回注煤层增透的闭环系统，其特征在于：包括瓦斯发电系统、注热系统和瓦斯抽采系统；瓦斯发电系统包括设置在煤层(11)上方地表的瓦斯发电厂(1)和尾气处理系统(2)，瓦斯发电厂(1)的进气口连接有地面抽采站(6)，瓦斯发电厂(1)的排气口与尾气处理系统(2)相连接，注热系统包括多个从巷道水平打入煤层(11)的注气钻孔(9)，所有的注气钻孔(9)均通过烟气管路(3)与尾气处理系统(2)的排放端连接，所述瓦斯抽采系统包括多个从巷道水平打入煤层(11)的抽采钻孔(8)，抽采钻孔(8)通过瓦斯抽采管路(4)与设置在地表的地面抽采站连接，其中多个注气钻孔(9)与多个抽采钻孔(8)间隔交替水平布置在煤层(11)中，注气钻孔(9)和抽采钻孔(8)均设有封孔段(12)进行有效封孔，地面抽采站(6)连接瓦斯发电厂(1)进行燃烧发电，燃烧后产生的高温尾气进入尾气处理系统(2)对煤层(11)进行增透产生瓦斯从而形成闭环工作。
2.根据权利要求1所述的井下瓦斯抽采发电并回注煤层增透的闭环系统，其特征在于：所述烟气管路(3)和瓦斯抽采管路(4)通过垂直设置的井筒(5)沟通瓦斯发电系统与注热系统、瓦斯抽采系统。
3.根据权利要求1所述的井下瓦斯抽采发电并回注煤层增透的闭环系统，其特征在于：烟气管路(3)上设有用以加压尾气处理系统(2)向注气钻孔(9)排出尾气的增压泵(7)。
4.根据权利要求2所述的井下瓦斯抽采发电并回注煤层增透的闭环系统，其特征在于：所述井筒(5)与注热系统、瓦斯抽采系统沟通处设有安全墙，所述安全墙用以防止尾气泄露可能造成的危害。
5.根据权利要求3所述的井下瓦斯抽采发电并回注煤层增透的闭环系统，其特征在于：所述烟气管路(3)在500℃时能承受50Mpa的压力。
6.根据权利要求1所述的井下瓦斯抽采发电并回注煤层增透的闭环系统，其特征在于：所述抽采钻孔(8)和注气钻孔(9)有多组交替排列，距离100m以内。
7.一种使用上述任一权利要求所述井下瓦斯抽采发电并回注煤层增透的闭环系统的工作方法，其特征在于步骤为：
通过查资料，在开采过的矿井或者废弃矿井区域寻找残留煤层或者不易开采煤层区域，之后在残留煤层或者不易开采煤层区域地表设置瓦斯发电厂(1)，瓦斯发电厂(1)上设有尾气处理系统(2)，在瓦斯发电厂(1)附近施工或寻找现有的井筒(5)，通过井筒(5)向煤层(11)施工巷道，或者继续利用现有巷道；
在巷道中按照巷道走向水平向煤层(11)中交替布置抽采钻孔(8)和注气钻孔(9)，并使用封孔段(12)对设置在抽采钻孔(8)和注气钻孔(9)的管路进行封孔；
利用烟气管路(3)将所有注气钻孔(9)与尾气处理系统(2)的排放端连接，利用瓦斯抽采管路(4)将所有抽采钻孔(8)与地面抽采站(6)的入口连接；
在烟气管路(3)上设置增压泵(7)用以增强尾气的注入压力，并将增压泵(7)放置在巷道端部；
之后在井筒(5)与巷道连接处设置安全墙，将布置在煤层(11)中的瓦斯抽采系统、注气系统与瓦斯发电系统隔离，从而实现地下无人化工作，防止出现以外导致井下人员危险；
瓦斯发电厂(1)燃烧后产生的高温尾气通过尾气处理系统(2)进行有害物质处理，处理达标的高温尾气经具有保温效果的烟气管路(3)输送到增加泵(7)，增压泵(7)对高温尾气进行增压后通过多个注气钻孔(9)注入煤层(11)，注入煤层(11)的高温尾气温度在40℃-450℃，高温尾气进入煤层(11)后对煤体压裂扩散，扩散的高温尾气加热煤体促进瓦斯解析，此外煤体受热后内部产生新的孔裂隙不但扩大了高温尾气的扩散范围还为瓦斯流动提供通道，煤层(11)大量吸附高温尾气中的CO2从而对瓦斯进行置换，进一步加速瓦斯释放，之后迅速被设置在多个注气钻孔(9)之间的多个抽采钻孔(8)抽采；通过注气钻孔(9)注入煤层(11)的高温尾气温度远超常规的热源生成的蒸汽，对煤层(11)至裂和瓦斯释放的效果明显更高，同时整个注入过程完全在安全墙密封的煤层(11)中自动完成，无需人工对注入过程进行操作，安全可靠；
随着地面抽采站(6)不断抽采抽煤层(11)中的瓦斯造成负压，进一步促进煤层(11)中的瓦斯向多个抽采钻孔(8)富集，实现瓦斯抽采发电并将尾气回注煤层增透的低碳闭环方法。
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