CN114856689A - 一种粉煤灰、co2矿化封存及采空区充填一体化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及粉煤灰与二氧化碳资源化相结合的工程领域，公开了一种粉煤灰、CO2矿化封存及采空区充填一体化方法：S1、选取有利于CO2封存的区域；S2、在所选取的区域建立采场覆岩压力计算模型，判断采场的关键层并计算采场上覆岩层的极限垮落步距；S3、对采场的煤层进行开采的同时将煤层中矸石填充至开采煤层所制造出来采空区；S4、将粉煤灰通过搅拌设备充分搅拌后形成散体状粉煤灰，并将所述散体状粉煤灰输出至所述采空区进行填充，同时，通过建立的CO2渗流模型，确定CO2的有效流动半径；S5、根据所述CO2的有效流动半径，合理设置垂直钻井步距。本发明为废弃粉煤灰的堆放及CO2的封存提供了一个良好的环境。
Description
技术领域
本发明涉及粉煤灰与二氧化碳资源化相结合的工程领域，具体涉及一种粉煤灰、CO2矿化封存及采空区充填一体化方法。
背景技术
据全球统计数据，我国燃煤电厂的粉煤灰是全球粉煤灰出产量最多的国家，产生量占全球的50％以上，由于全球的经济发展，粉煤灰的产生量在逐年增加，粉煤灰属于工业固体废弃物，不同地区的燃煤电厂粉煤灰的产出量及利用量不一样，目前此类工业固废仍存在堆弃情况，在一定程度上造成了占用土地、污染土水资源、危害环境和资源浪费等问题，迫切需要寻求方法对其进行开发利用。
随着世界经济的发展，对自然资源的利用加剧，导致在使用过程中产生了大量的废然气，从而造成温室效应，成为影响人类生存与发展的重要问题，温室效应诱发全球的气候变暖、冰川融化、海平面上升等恶劣的环境问题，极端气候越来越频繁。这些全球性的气候变化并不是自然的演变规律，而是与人类的生活密切相关。从工业革命以来，人类对化石能源的使用加剧了CO2的排放，根据世界环境组织的相关数据显示，2020年全球CO2排放量占温室气体总排放量的68％以上。然而，自然环境对CO2的吸收处理相对于人类的排放而言作用甚微，因此，控制CO2的排放是当前全球急需解决的问题。
我国作为全世界煤炭的生产和消费大国，而经济的发展需要巨大的能源资源支撑，从而加剧了煤矿资源的开采。长期大规模的开采过程中产生了大量的废弃矿井以及采空区，然而，废弃矿井及采空区的形成造成了地应力受到了扰动，随着采煤工作面的不断前移，扰动的影响程度加剧，从而使得围岩变形，项板离层、破断、垮落。当前采空区的充填存在充填原料不足以及充填效果的问题，从而导致地面发生沉降、坍塌等灾害情况，因此针对废弃矿井以及采空区进行充填降低地面沉降、坍塌、强矿压显现、冲击地压，以及顶板垮落造成的强大的冲击气流等灾害情况是迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种粉煤灰、CO2矿化封存及采空区充填一体化方法，将矿化后的废弃粉煤灰散体料、矸石充填到采空区内，对采空区上覆岩层起到一个支撑保护的作用，防止覆层的破断、垮落，解决了采空区沉降、塌陷以及强压显现等灾害问题，同时将采空区形成一个封闭的空间容器，解决了废弃粉煤灰的放置以及矸石无需出井问题，降低了土地资源的浪费及环境的污染，从散体的制作到采空区充填过程中，将二氧化碳进行了多次矿化处理，从而很大程度上解决了CO2长期安全封存问题，降低了CO2的排放，减少了温室效应。
本发明通过下述技术方案实现：
一种粉煤灰、CO2矿化封存及采空区充填一体化方法，包括如下步骤：
S1、选取有利于CO2封存的区域；
S2、在所选取的区域建立采场覆岩压力计算模型，判断采场的关键层并计算采场上覆岩层的极限垮落步距；
S3、对采场的煤层进行开采的同时将煤层中矸石填充至开采煤层所制造出来采空区；
S4、将粉煤灰通过搅拌设备充分搅拌后形成散体状粉煤灰，并将所述散体状粉煤灰输出至所述采空区进行填充，同时，通过建立的CO2渗流模型，确定CO2的有效流动半径；
S5、根据所述CO2的有效流动半径，合理设置垂直钻井步距，将CO2储存罐中的CO2通过输送管道依次由垂直钻孔井输送进采空区与矸石及散体状粉煤灰，进行再次矿化反应。
作为优化，有利于CO2封存的区域至少满足如下条件：封存空间容量大、密闭性良好、地层稳定、构造不发育、含有低渗透性盖层及透镜体、储层较厚、整体完整性好。
作为优化，S2中，在所选取的区域建立采场覆岩压力计算模型，判断采场的关键层并计算采场上覆岩层的极限垮落步距具体为：
通过考虑十二个参数建立的采场覆岩压力计算模型，并且通过使用FLAC3D模拟软件实现程序化计算模型，通过分析采场覆岩中各岩层对工作面煤层的压力，从而判定关键层；
所述极限垮落步距为：
所述采场覆岩压力计算模型为：
其中，β为岩层破断线与煤层的夹角，L为工作面推进长度，单位为m；
为岩石内摩擦角，单位为°；lp为第i层岩梁的周期破断步距，单位为m；ri为第i层岩梁的容重，单位为 N/m3；hi为第i层岩梁的厚度，单位为米；E为岩梁的弹性模量，单位为Pa；I为岩梁横截面的惯性矩，单位为m4；Hf为裂隙带高度，单位为米；k为碎胀系数，Hi为第i层岩距煤层的距离，单位为米；x为超前煤壁距离，单位为米；σvi为第i层岩层作用在楔形体内的垂向应力，单位为帕；RT为极限抗拉强度；LT为极限垮落步距，单位为米；Hc为极限垮落高度，单位为米；Lc为临界工作面推进长度，单位为米；
作为优化，S4中，将粉煤灰通过搅拌设备充分搅拌后形成散体状粉煤灰包括如下步骤：
S4.1、将废弃的粉煤灰通过料斗容器加入至所述搅拌设备的搅拌腔中，同时通过料斗容器向所述搅拌腔加入与所述粉煤灰成一定比例的溶质，在一定的恒温条件(50℃)密闭环境下进行混合搅拌；
S4.2、打开CO2储存罐的阀门，通过CO2输送管道一向所述搅拌腔注入一定压力(1～1.5MPa) 的CO2；
S4.3、打开阀门一，溶液储存箱通过液体输送管道向所述搅拌腔中加入一定浓度的 Na2CO3溶液添加剂，并开启磁力搅拌器进行搅拌，让所述搅拌腔中的物质充分反应；
S4.4、待所述搅拌腔中的物质变成散体状，且检测所述搅拌腔内部的CO2压力的压力传感器检测到的压力值不再变化后停止搅拌。
作为优化，所述CO2渗流模型为：
其中，t为CO2注入的流动时间，单位为h；p为CO2压力，单位为Pa；
为压实后固体的孔隙率；Ct为压缩系数；Δσ为围压差，单位为Pa；Δp为气压差，单位为Pa；ρga为标况下气体密度，单位为g/cm3；ρc为固体密度，单位为g/cm3，A为灰分，W为水分，k为CO2的渗透率，单位为mD；μ表示CO2的粘度系数，x表示CO2的实时流动距离；a、b分别表示吸附常数；R为理想气体常数；T环境温度，单位为℃，Mg为气体摩尔质量。
作为优化，还包括S6、在散体粉煤灰输送的同时通过测距仪实时将监测到的所述采空区中散体粉煤灰和矸石组成的填充物到钻井孔距离的信号反馈给控制器，所述控制器判断填充是否完成。
作为优化，S4中，将所述散体状粉煤灰输出至所述采空区是通过脉动泵提供输出动力，将所述散体状粉煤灰通过散体输送管道由垂直钻孔井输送进采空区进行充填。
作为优化，所述粉煤灰包括但不限于为来自燃煤电厂废弃的粉煤灰。
作为优化，所述CO2产自燃煤电厂废热气、钢铁厂废燃气、化工厂废燃气其中的一种或多种。
作为优化，所述溶质为自来水。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本发明利用采用间隔煤柱开采，开采的同时利用废弃的矸石充填采空区，与传统破坏上覆岩层相比起到了防护上覆岩层的破断垮落和支护作用，从而使上覆岩层形成了一个封闭层，使采空区形成了一个封闭仓，为废弃粉煤灰的堆放及CO2的封存提供了一个良好的环境。
2.本发明从散体状粉煤灰的制作到采空区的充填前后过程中能够对CO2进行二次矿化作用，能够实现CO2的长期安全封存，较大程度的减少二氧化碳的排放，有效的降低温室效应。
3.利用粉煤灰和矸石进行采空区的充填，不仅解决了废弃粉煤灰的放置，降低了土地资源的浪费及环境的污染，还弥补了当前充填原料的不足，同时，达到了矸石无需出井的目的，并且，充填采空区能够降低地面沉降、坍塌、强矿压显现、冲击地压，以及顶板垮落造成的强大的冲击气流等灾害情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为本发明所述的一种粉煤灰、CO2矿化及采空区充填一体化的方法所运用的搅拌系统的结构示意图；
图2为CO2渗流模型的有效流动半径的示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-液体储存箱；2-阀门一；3-压力表一；4-液体输送管道；5-原料输送管道；6-阀门二；7- 料斗容器；8-加热包；9-浆液；10-磁力搅拌器；11-流量表；12-压力表二；13-阀门三；14-CO2输送管道一；15-CO2储气罐；16-压力传感器；17-电脑系统；18-阀门四；19-CO2输送管道二；20- 控制器；21-控制器信号传输线路；22-阀门五；23-散体输送管道；24-脉动泵；25-测距仪； 26-上覆岩层；27-煤层；28-采空区；29-液压支架；30-推压板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
在具体描述本发明之前，先介绍本发明所要运用到的搅拌系统。
如图1所示，搅拌系统包括液体储存箱1、液体输送管道4、阀门一2、压力表一3、料斗容器7、阀门二6、原料输送管道5、CO2存储罐15、CO2输送管道一14、阀门三13、压力表二12、流量表11、阀门四18、CO2输送管道二19、磁力搅拌器10、散体粉煤灰9、加热包 8、压力传感器16、电脑装置17、阀门22、散体输送管道23、脉动泵24、控制器20、控制器信号传输线路21、测距仪25，输送管道4与液体储存箱1、阀门2、压力表3相连，原料输送管道5与料斗容器7、阀门二6、磁力搅拌器10相连，CO2输送管道二19与CO2储存罐 15、阀门四18、阀门三13、压力表二12、流量表11相连，散体输送管道23与阀门五22、脉动泵24、控制器20、控制器信号传输线路21、测距仪25相连。
所述电脑系统17与压力传感器16通过线路相连接伸入磁力搅拌装置中。
输送管道(4、5、19)以及压力传感器16线路通过高压封盖伸入磁力搅拌装置。
输送管道(23、19)及控制器信号传输线路21通过垂直钻孔井伸入采空区。
散体输送管道出口端以及CO2输送管道二19伸入采空区距离充填物一定高度处，便于散体的输送及流动分布，散体与二氧化碳同时注入采空区。
测距仪设置在钻井孔处。
接下来，对本发明的具体实施方式进行详细的描述：
本发明公开了一种粉煤灰、CO2矿化封存及采空区充填一体化方法，包括如下步骤：
S1、选取有利于CO2封存的区域。
本实施例中，有利于CO2封存的区域至少满足如下条件：封存空间容量大、密闭性良好、地层稳定、构造不发育(指组成地壳的岩层和岩体在内外力地质作用下发生的变形较小)、含有低渗透性盖层及透镜体、储层较厚、整体完整性好。
利用上述条件，通过多尺度目标逼近法选取有利于CO2封存的区域，其具体选址指标体系如表1所示。
表1
S2、在所选取的区域建立采场覆岩压力计算模型，判断采场的关键层并计算采场上覆岩层的极限垮落步距。
通过考虑十二个参数建立的采场覆岩压力计算模型，并且通过使用FLAC3D模拟软件实现程序化计算模型，通过分析采场覆岩中各岩层对工作面煤层的压力，从而判定关键层；
所述极限垮落步距为：
所述采场覆岩压力计算模型为：
其中，β为岩层破断线与煤层的夹角，L为工作面推进长度，单位为m；
为岩石内摩擦角，单位为°；lp为第i层岩梁的周期破断步距，单位为m；ri为第i层岩梁的容重，单位为 N/m3；hi为第i层岩梁的厚度，单位为米；E为岩梁的弹性模量，单位为Pa；I为岩梁横截面的惯性矩，单位为m4；Hf为裂隙带高度，单位为米；k为碎胀系数，Hi为第i层岩距煤层的距离，单位为米；x为超前煤壁距离，单位为米；σvi为第i层岩层作用在楔形体内的垂向应力，单位为帕；RT为极限抗拉强度；LT为极限垮落步距，单位为米；Hc为极限垮落高度，单位为米；Lc为临界工作面推进长度，单位为米；
通过上述的采场覆岩压力计算模型，可以快速、便捷地得到极限垮落步距。
S3、对采场的煤层进行开采的同时将煤层中矸石填充至开采煤层所制造出来采空区。
在煤层回采的同时将煤层中开采出来的矸石向采空区充填，边采边充，对采空区上覆岩层起到支撑作用，防止上覆岩层的破坏垮落，对关键层起到保护作用，从而使上覆岩层形成封闭层，为粉煤灰的充填及CO2的矿化封存提供条件。
S4、将粉煤灰通过搅拌设备充分搅拌后形成散体状粉煤灰，并将所述散体状粉煤灰输出至所述采空区进行填充，同时，通过建立的CO2渗流模型，确定CO2的有效流动半径。
建立此模型能够正确的计算出CO2在充填采空区中的有效流动距离，从而为有效布孔提供依据，使CO2与固废充分反应。
本实施例中，将粉煤灰通过搅拌设备充分搅拌后形成散体状粉煤灰包括如下步骤：
S4.1、打开阀门二6，将废弃的粉煤灰通过料斗容器7加入至所述搅拌设备的搅拌腔中，同时通过料斗容器7向所述搅拌腔加入与所述粉煤灰成一定比例的溶质，在一定的恒温条件 (50℃)密闭环境下进行混合搅拌；所述溶质可以但不限于为自来水，自来水可以来自采空区附近的自来水，方便取用。
S4.2、打开CO2储存罐15的阀门，同时打开阀门三13，通过CO2输送管道一14向所述搅拌腔注入一定压力(1～1.5MPa)的CO2；
S4.3、打开阀门一2，溶液储存箱1通过液体输送管道4向所述搅拌腔中加入一定浓度的Na2CO3溶液添加剂，并开启磁力搅拌器10进行搅拌，让所述搅拌腔中的物质充分反应；
S4.4、待所述搅拌腔中的物质变成散体状，且检测所述搅拌腔内部的CO2压力的压力传感器16检测到的压力值不再变化后停止搅拌。
S4.5、打开阀门五22和脉动泵24，通过脉动泵24提供输出动力，将所述散体状粉煤灰通过散体输送管道23由垂直钻孔井输送进采空区进行充填。
本实施例中，所述CO2渗流模型为：
其中，t为CO2注入的流动时间，单位为h；p为CO2压力，单位为Pa；
为压实后固体的孔隙率；Ct为压缩系数；Δσ为围压差，单位为Pa；Δp为气压差，单位为Pa；ρga为标况下气体密度，单位为g/cm3；ρc为固体密度(粉煤灰与矸石混合的密度，通过取样在实验室中进行质量与体积测定计算得到)，单位为g/cm3，A为灰分，W为水分，k为CO2的渗透率，单位为mD；μ表示CO2的粘度系数，x表示CO2的实时流动距离；a、b分别表示吸附常数；R为理想气体常数；T环境温度，单位为℃，Mg为气体摩尔质量。
建立此模型能够正确的计算出CO2在充填采空区中的有效流动距离，从而为有效布孔提供依据，使CO2与固废充分反应。本CO2渗流模型相对于传统模型，该渗流模型考虑了有效应力的作用，更符合工程现场实际条件，能够更精确的确定有效流动半径。
S5、根据所述CO2的有效流动半径，合理设置垂直钻井步距，将CO2储存罐中的CO2通过输送管道依次由垂直钻孔井输送进采空区与矸石及散体状粉煤灰，进行再次矿化反应。
本实施例中，还包括S6、在散体粉煤灰输送的同时通过测距仪实时将监测到的所述采空区中散体粉煤灰和矸石组成的填充物到钻井孔距离的信号反馈给控制器，所述控制器判断填充是否完成，完成后撤除该搅拌系统，密闭钻孔井，然后对下一个采空区重复上述步骤工作。
本实施例中，所述粉煤灰包括但不限于为来自燃煤电厂废弃的粉煤灰。
本实施例中，所述CO2产自燃煤电厂废热气、钢铁厂废燃气、化工厂废燃气其中的一种或多种。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种粉煤灰、CO2矿化封存及采空区充填一体化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选取有利于CO2封存的区域；
S2、在所选取的区域建立采场覆岩压力计算模型，判断采场的关键层并计算采场上覆岩层的极限垮落步距；
S3、对采场的煤层进行开采的同时将煤层中矸石填充至开采煤层所制造出来采空区；
S4、将粉煤灰通过搅拌设备充分搅拌后形成散体状粉煤灰，并将所述散体状粉煤灰输出至所述采空区进行填充，同时，通过建立的CO2渗流模型，确定CO2的有效流动半径；
S5、根据所述CO2的有效流动半径，合理设置垂直钻井步距，将CO2储存罐中的CO2通过输送管道依次由垂直钻孔井输送进采空区与矸石及散体状粉煤灰，进行再次矿化反应。
2.根据权利要求1所述的一种粉煤灰、CO2矿化封存及采空区充填一体化方法，其特征在于，有利于CO2封存的区域至少满足如下条件：封存空间容量大、密闭性良好、地层稳定、构造不发育、含有低渗透性盖层及透镜体、储层较厚、整体完整性好。
3.根据权利要求1所述的一种粉煤灰、CO2矿化封存及采空区充填一体化方法，其特征在于，S2中，在所选取的区域建立采场覆岩压力计算模型，判断采场的关键层并计算采场上覆岩层的极限垮落步距具体为：
通过建立的采场覆岩压力计算模型，并且通过使用FLAC3D模拟软件实现程序化计算模型，通过分析采场覆岩中各岩层对工作面煤层的压力，从而判定关键层；
所述极限垮落步距为：
所述采场覆岩压力计算模型为：
其中，β为岩层破断线与煤层的夹角，L为工作面推进长度，单位为m；
为岩石内摩擦角，单位为°；lp为第i层岩梁的周期破断步距，单位为m；ri为第i层岩梁的容重，单位为N/m3；hi为第i层岩梁的厚度，单位为米；E为岩梁的弹性模量，单位为Pa；I为岩梁横截面的惯性矩，单位为m4；Hf为裂隙带高度，单位为米；k为碎胀系数，Hi为第i层岩距煤层的距离，单位为米；x为超前煤壁距离，单位为米；σvi为第i层岩层作用在楔形体内的垂向应力，单位为帕；RT为极限抗拉强度；LT为极限垮落步距，单位为米；Hc为极限垮落高度，单位为米；Lc为临界工作面推进长度，单位为米；
4.根据权利要求1所述的一种粉煤灰、CO2矿化封存及采空区充填一体化方法，其特征在于，S4中，将粉煤灰通过搅拌设备充分搅拌后形成散体状粉煤灰包括如下步骤：
S4.1、将废弃的粉煤灰通过料斗容器加入至所述搅拌设备的搅拌腔中，同时通过料斗容器向所述搅拌腔加入与所述粉煤灰成一定比例的溶质，在一定的恒温条件密闭环境下进行混合搅拌；
S4.2、打开CO2储存罐的阀门，向所述搅拌腔注入一定压力的CO2；
S4.3、通过溶液储存箱向所述搅拌腔中加入一定浓度的Na2CO3溶液添加剂并进行搅拌，让所述搅拌腔中的物质充分反应；
S4.4、待所述搅拌腔中的物质变成散体状，且检测所述搅拌腔内部的CO2压力的压力传感器检测到的压力值不再变化后停止搅拌。
5.根据权利要求1所述的一种粉煤灰、CO2矿化封存及采空区充填一体化方法，其特征在于，所述CO2渗流模型为：
其中，t为CO2注入的流动时间，单位为h；p为CO2压力，单位为Pa；
为压实后固体的孔隙率；Ct为压缩系数；Δσ为围压差，单位为Pa；Δp为气压差，单位为Pa；ρga为标况下气体密度，单位为g/cm3；ρc为固体密度，单位为g/cm3，A为灰分，W为水分，k为CO2的渗透率，单位为mD；μ表示CO2的粘度系数，x表示CO2的实时流动距离；a、b分别表示吸附常数；R为理想气体常数；T环境温度，单位为℃，Mg为气体摩尔质量。
6.根据权利要求1所述的一种粉煤灰、CO2矿化封存及采空区充填一体化方法，其特征在于，还包括S6、在散体粉煤灰输送的同时通过测距仪实时将监测到的所述采空区中散体粉煤灰和矸石组成的填充物到钻井孔距离的信号反馈给控制器，所述控制器判断填充是否完成。
7.根据权利要求1所述的一种粉煤灰、CO2矿化封存及采空区充填一体化方法，其特征在于，S4中，将所述散体状粉煤灰输出至所述采空区是通过脉动泵提供输出动力，将所述散体状粉煤灰通过输送管道由垂直钻孔井输送进采空区进行充填。
8.根据权利要求1所述的一种粉煤灰、CO2矿化封存及采空区充填一体化方法，其特征在于，所述粉煤灰包括但不限于为来自燃煤电厂废弃的粉煤灰。
9.根据权利要求1所述的一种粉煤灰、CO2矿化封存及采空区充填一体化方法，其特征在于，所述CO2产自燃煤电厂废热气、钢铁厂废燃气、化工厂废燃气其中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的一种粉煤灰、CO2矿化封存及采空区充填一体化方法，其特征在于，所述溶质为自来水。
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