CN115012940B - 一种高温硬岩地层的矿产资源与地热连续协同开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温硬岩地层的矿产资源与地热连续协同开采方法，涉及一种铝土矿岩层高效开采方法及地热开采技术领域。可用综合机械化设备进行高效开采的目的，并通过水力压裂岩体过程中注入的冷水在岩石裂隙间充分压裂流动这一过程与深埋热岩进行热量交换。掘进探矿巷道；布置贯通巷道，布置长壁工作面；设置压裂与掘进一体化设备；设置液压支架；钻中心钻孔并在中心钻孔的孔底进行初步压裂卸压；钻出周边钻孔或者是加深周边钻孔；注入高压冷水，并向外抽水；安装隔热支护装置；停止钻孔注水和抽水；进行落矿；重复，直至开采结束。克服了常规铝土矿物开采所使用的爆破工艺不安全和低效率问题以及地热资源大量浪费的问题，提高了资源回收率。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝土矿岩层高效开采方法及地热开采技术领域，特别涉及一种高温硬岩地层的矿产资源与地热连续协同开采方法。
背景技术
目前，铝土矿主要采用空场法，崩落法和填充法进行采矿。一般在矿体内布置探巷和贯巷，利用破、装、运的基本工艺进行开采。其中破矿方式一般为在矿体自由面进行爆破落矿，然后利用耙斗装岩机向三轮车进行装矿，再由三轮车运出工作面，然而在自由面处进行爆破落矿时，没有任何的防护结构，会使爆破产生的飞溅范围过大，影响操作者的安全，从而存在作业场所安全系数低且技术装备落后的技术问题。同时，上述方法所用设备多，限于该方法井下空间小，因此各设备及工艺的协调困难，导致上述方法的开采效率普遍较低。
地温随着铝土矿物埋藏深度的增加而增高,大约埋深每增加33米,地温增高1度。若铝土矿物埋藏较深，那么潜在的地温将会较高，地热资源也将会十分丰富。地热能作为一种可再生的清洁能源，在我国分布范围较广，尤其是水热型地热应用较广。水热型地热主要用于发电、供暖、医疗洗浴等领域，主要开采技术为高温干（湿）蒸汽发电技术、热泵技术、梯级利用技术。这些现有的地热开采技术的缺点主要是：设备投资大、消耗多、安装工程量大、费时费力等。其中最为主要的是使用导热系数较低的钢管作为与热储岩层直接接触的套管材料，其结构简单，换热系数低，不利于热传导，降低了地热采收效率。
发明内容
本发明针对以上问题，提出了一种高温硬岩地层的矿产资源与地热连续协同开采方法，能够达到充分使用多尺度水力压裂技术安全高效破碎铝土岩层，使其达到可用综合机械化设备进行高效开采的目的，并通过水力压裂岩体过程中注入的冷水在岩石裂隙间充分压裂流动这一过程与深埋热岩进行热量交换，最后达到将热水抽出实现矿井降温的目的。
本发明的技术方案为：按以下步骤进行：
S1、在预先准备开采的矿物岩层进行探巷并掘进两条与矿物岩层相互平行的探矿巷道10；
S2、布置沟通两条探矿巷道10的贯通巷道20，并在所述贯通巷道20内布置长壁工作面70；
S3、在所述长壁工作面设置压裂与掘进一体化设备；
S4、在所述长壁工作面处设置液压支架；
S5、通过压裂与掘进一体化设备中的钻机9向掌子面的前方钻一定深度的中心钻孔3并在中心钻孔3的孔底进行初步压裂卸压；
S6、另取钻机在压裂与掘进一体化设备中破岩刀盘4周围的区域，均匀的钻出6个周边钻孔2或者是加深周边钻孔2的深度，周边钻孔的深度≤中心钻孔的深度；
在周边钻孔2的孔底布置封孔器1，再次进行水利压裂，以小范围爆破的方式形成爆破破碎区30；
S7、向6个周边钻孔中的一部分注入高压冷水，并经另外一部分周边钻孔向外抽水；
热能交换的同时，需要推进破岩刀盘4进行掘进，同时，使得中心钻孔3被压裂与掘进一体化设备中的钻机9加深；
S8、在破岩刀盘4推过的区域安装隔热支护装置5；
S9、当破岩刀盘4推进至爆破破碎区30后，停止钻孔注水和抽水；
S10、在长壁工作面上、所述液压支架的前方进行落矿，并将落矿后的矿物经所述探矿巷道10输送至设定地点；
S11、重复S5~S10步骤，直至开采结束。
进一步的，在步骤S5-S6中，先通过注入强塑性材料再灌装高压水破裂硬岩的方式在中心钻孔的孔底进行初步压裂卸压，再在周边钻孔的孔底引发小范围爆破，所述小范围爆破方式为水力压裂脉动爆破。
进一步的，在步骤S7中，向6个周边钻孔中处在中部及上部的4个周边钻孔注入冷水，并经6个周边钻孔中处在下部的2个周边钻孔向外抽水。
进一步的，步骤S8中的隔热支护装置为具有隔热层的支撑套筒。
进一步的，步骤S10在采用破岩刀盘推进至爆破破碎区边缘，使得爆破破碎区域矿物岩层从岩体中剥离后，经探矿巷道将矿物运离工作面。
进一步的，所述压裂与掘进一体化设备包括破岩刀盘4、旋转驱动机构43、传动机构44和推进机构45，所述推进机构45上固定连接有机架，所述旋转驱动机构43固定连接在机架上，所述固定轴41也固定连接在机架上，所述破岩刀盘4的中心可旋转的连接在固定轴41上，所述固定轴41上还套接有与破岩刀盘4固定相连的驱动套筒42，所述传动机构44连接在旋转驱动机构43和驱动套筒42之间，通过旋转驱动机构43带动破岩刀盘4旋转；
所述机架上还设有与其可拆卸连接的钻机9，所述钻机9的钻头贯穿固定轴41并且向前伸出。
本发明在平行于铝土矿岩层开设一条巷道，并在巷道内设置长壁工作面，通过液压支架避免空顶无支护作业，取消了房柱式开采中的矿房和矿柱，掘进开采时工作人员在液压支架下作业以保证安全，通过制定的压裂热能开采掘进一体化装备结合常规落矿手段，便可形成水力压裂技术破裂铝土岩层实现高效综采的热能交换方法。通过装置部件上的爆破钻孔，运用水力压裂脉冲变频装置对铝土矿岩石进行多轮破碎，形成具有一定破碎程度的破碎岩石区，之后再通过注水钻孔从破碎区顶端注入高压冷水，通过注入的冷水对破碎区进行第三次压裂，液体在经过错综复杂的裂隙破碎区时，与具有较高温度的岩石充分进行地热资源交换，再由下端的抽水钻孔将热水抽出，通过掘进设备和压裂设备相互配合，在以先压裂后综合掘进铝土矿岩层为目的的同时，附以对地热资源进行高效回收，提高铝土矿物的开采效率和地热资源回收率，利用液压支架，工人可避免空顶作业，利用长壁工作面形成矿体连续性开采可以提高工作效率，同时利用压裂坚硬矿体的过程中，对地热资源进行高效回收的同时实现矿井降温，克服了常规铝土矿物开采所使用的爆破工艺不安全和低效率问题以及地热资源大量浪费的问题，提高了资源回收率。
附图说明
图1为本案中准备巷道的示意图；
图2为本案中形成贯通巷道示意图；
图3为本案中布置机械化开采布置长壁工作面示意图；
图4为本案中压裂与掘进一体化设备示意图；
图5为本案中破岩刀盘结构示意图；
图6为本案中压裂与掘进一体化设备结构示意图；
图中10是探矿巷道，20是贯通巷道，30是爆破破碎区，70是长壁工作面；
1是封孔器，2是周边钻孔，3是中心钻孔，4是破岩刀盘，41是固定轴，42是驱动套筒，43是旋转驱动机构，44是传动机构，45是推进机构；
5是隔热支护装置，6是初步压裂卸压后的爆破破碎区，7是水热交换的破碎区，8是停止注水的破碎区，9是钻机，11是爆破钻孔，12是注水孔一，13是注水孔二，14是注水孔三，15是注水孔四，16是抽水孔一，17是抽水孔二。
实施方式
为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
按以下步骤进行：
S1、如图1所示，在预先准备开采的矿物岩层进行探巷并掘进两条与矿物岩层相互平行的探矿巷道10；
S2、如图2所示，布置沟通两条探矿巷道10的贯通巷道20，并在所述贯通巷道20内布置长壁工作面70；
S3、如图3所示，在所述长壁工作面设置压裂与掘进一体化设备；
S4、在所述长壁工作面处设置液压支架；液压支架为现有技术中的一种常规设备，主要为支撑顶部防止碎落岩石大量垮落，比如《机械管理开发》2022年第3期王建平发表的“液压支架电气控制系统的试验与应用”所示，故本案中对于液压支架的结构不在赘述；
S5、通过压裂与掘进一体化设备中的钻机9向掌子面，即长壁工作面70的一部分的前方钻一定深度的中心钻孔3并在中心钻孔3的孔底进行初步压裂卸压；
S6、另取钻机在压裂与掘进一体化设备中破岩刀盘4周围的区域，均匀的钻出6个周边钻孔2或者是加深周边钻孔2的深度，周边钻孔的深度≤中心钻孔的深度；
在周边钻孔2的孔底布置封孔器1，再次进行水利压裂，以小范围爆破的方式形成爆破破碎区30；
S7、向6个周边钻孔中的一部分注入高压冷水，并经另外一部分周边钻孔向外抽水；从而抽取在爆破破碎区30地层中加热后的水，完成热能交换，并且在热能交换的同时借助高压冷水再进行一轮压裂；
热能交换的同时，需要推进破岩刀盘4进行掘进，同时，使得中心钻孔3被压裂与掘进一体化设备中的钻机9加深；
S8、在破岩刀盘4推过的区域安装隔热支护装置5；
S9、当破岩刀盘4推进至爆破破碎区30后，停止钻孔注水和抽水；
S10、在长壁工作面上、所述液压支架的前方进行落矿，利用液压支架的保护作用解决了现有技术中需要在自由面处进行爆破落矿的问题，并将落矿后的矿物经所述探矿巷道10输送至设定地点；
S11、重复S5~S10步骤，直至开采结束。如图4所示，破岩刀盘推进爆破破碎区30的过程中，中心钻孔也会随之不断被加深，每掘进完一段距离，在准备掘进停止注水的破碎区8之时，都需要先停止推进，经过步骤S5在中心钻孔3底部进行初步压裂卸压，形成初步压裂卸压后的爆破破碎区6；然后按步骤S6加深所有周边钻孔2的深度，再次进行水利压裂，形成水热交换的破碎区7；再重新开始步骤S7，在水热交换的破碎区7中进行热交换，并开始掘进停止注水的破碎区8。
在步骤S5-S6中，先通过注入强塑性材料再灌装高压水破裂硬岩的方式在中心钻孔的孔底进行初步压裂卸压，再在周边钻孔的孔底引发小范围爆破，所述小范围爆破方式为水力压裂脉动爆破。初步压裂卸压时，需先在待压裂处布置强塑性材料，再注水进行初步压裂，然后取出强塑性材料；
在步骤S7中，向6个周边钻孔中处在中部及上部的4个周边钻孔注入冷水，并经6个周边钻孔中处在下部的2个周边钻孔向外抽水。在爆破破碎区域地层中加热是指由两次水力压裂过后裂缝拓展数目大大增多，长度增长，注入的冷水压裂路径增长，压裂效果变好，压裂液由上部冷水口注入，下部热水口抽出，与地层热量交换充分，最终实现将地热能抽采出来的目的。如图5所示，中心钻孔2即为爆破钻孔11，处在中部及上部的4个周边钻孔分别为注水孔一12、注水孔二13、注水孔三14、注水孔四15，处在下部的2个周边钻孔分别为抽水孔一16、抽水孔二17。
步骤S8中的隔热支护装置为具有隔热层的支撑套筒。
步骤S10在采用破岩刀盘推进至爆破破碎区边缘，使得爆破破碎区域矿物岩层从岩体中剥离后，经探矿巷道将矿物运离工作面。
如图6所示，所述压裂与掘进一体化设备包括破岩刀盘4、旋转驱动机构43、传动机构44和推进机构45，所述推进机构45，比如液压缸上固定连接有机架，所述旋转驱动机构43，比如电机固定连接在机架上，所述固定轴41也固定连接在机架上，所述破岩刀盘4的中心可旋转的连接在固定轴41上，所述固定轴41上还套接有与破岩刀盘4固定相连的驱动套筒42，所述传动机构44，比如齿轮组连接在旋转驱动机构43和驱动套筒42之间，通过旋转驱动机构43带动破岩刀盘4旋转；
所述机架上还设有与其可拆卸连接的钻机9，所述钻机9的钻头贯穿固定轴41并且向前伸出。钻孔可以是一强度较高的空心管，随着掘进机构的推进而向前推进。
在步骤S4中，沿所述长壁工作面70的长度方向并列设置多个液压支架，也可以同时对整个长壁工作面70进行开采，增加开采效率。
所述液压支架主要为支撑顶部碎落岩石不大量垮落。
如图6所示的防护机构能够防止在落矿过程中矸石飞溅而造成危险的问题，而且能够有效的限定矿物和矸石的下落位置，从而方便矿物和矸石的运输。
所述防护机构包括至于破岩刀盘之后的柔性幕布，所述柔性幕布具有弹性的层状结构，通过幕布能够对开采情况进行实时观察，同时对飞崩出的岩石有缓冲收集作用，增加安全性的同时开采效率增高。
由地面抽入的新鲜空气从一侧准备巷道1压入，经过工作面贯通巷道2与另一侧准备巷道1抽出，形成完整的通风系统；
在埋藏深度较高的地下矿物岩层掘进过程中，由于埋深较大，岩石矿物岩层强度较大且地层温度较高，常规的岩层矿物开采方式为炮采。这种开采方式效率较低且危险程度较高。因此，针对这种地质条件下的铝土矿物岩层，对岩层底部使用一种强塑性材料水力压裂岩石的方法进行压裂，使得铝土矿物岩层初步进行开裂，内部裂纹不断拓展，岩石破碎程度不断加大。之后对周边钻孔进一步进行小范围爆破，使其破碎程度进一步加大。另一方面，多个周边钻孔可以充当地热系统中冷热水抽放的循环通道，经过与裂隙岩体进行充分的能量交换以后，冷水温度升高变为使用价值更高的热水并通过热水抽出管道抽出，实现矿井降温和地热资源收集。经过预压裂与二次压裂以后，岩石破碎程度急剧上升，从而导致岩石强度下降，可截割性大大增加。通过连采机的掘进实现了采掘一体化，避免了以往炮采落矿的危险性及效率低的弊端。
本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高温硬岩地层的矿产资源与地热连续协同开采方法，其特征在于，按以下步骤进行：
S1、在预先准备开采的矿物岩层进行探巷并掘进两条与矿物岩层相互平行的探矿巷道（10）；
S2、布置沟通两条探矿巷道（10）的贯通巷道（20），并在所述贯通巷道（20）内布置长壁工作面（70）；
S3、在所述长壁工作面设置压裂与掘进一体化设备；
S4、在所述长壁工作面处设置液压支架；
S5、通过压裂与掘进一体化设备中的钻机（9）向掌子面的前方钻一定深度的中心钻孔（3）并在中心钻孔（3）的孔底进行初步压裂卸压；
S6、另取钻机在压裂与掘进一体化设备中破岩刀盘（4）周围的区域，均匀的钻出6个周边钻孔（2）或者是加深周边钻孔（2）的深度，周边钻孔的深度≤中心钻孔的深度；
在周边钻孔（2）的孔底布置封孔器（1），再次进行水利压裂，以小范围爆破的方式形成爆破破碎区（30）；
S7、向6个周边钻孔中的一部分注入高压冷水，并经另外一部分周边钻孔向外抽水；
热能交换的同时，需要推进破岩刀盘（4）进行掘进，同时，使得中心钻孔（3）被压裂与掘进一体化设备中的钻机（9）加深；
S8、在破岩刀盘（4）推过的区域安装隔热支护装置（5）；
S9、当破岩刀盘（4）推进至爆破破碎区（30）后，停止钻孔注水和抽水；
S10、在长壁工作面上、所述液压支架的前方进行落矿，并将落矿后的矿物经所述探矿巷道（10）输送至设定地点；
S11、重复S5~S10步骤，直至开采结束。
2.根据权利要求1所述的一种高温硬岩地层的矿产资源与地热连续协同开采方法，其特征在于，在步骤S5-S6中，先通过注入强塑性材料再灌装高压水破裂硬岩的方式在中心钻孔的孔底进行初步压裂卸压，再在周边钻孔的孔底引发小范围爆破，所述小范围爆破方式为水力压裂脉动爆破。
3.根据权利要求1所述的一种高温硬岩地层的矿产资源与地热连续协同开采方法，其特征在于，在步骤S7中，向6个周边钻孔中处在中部及上部的4个周边钻孔注入冷水，并经6个周边钻孔中处在下部的2个周边钻孔向外抽水。
4.根据权利要求1所述的一种高温硬岩地层的矿产资源与地热连续协同开采方法，其特征在于，步骤S8中的隔热支护装置为具有隔热层的支撑套筒。
5.根据权利要求1所述的一种高温硬岩地层的矿产资源与地热连续协同开采方法，其特征在于，步骤S10在采用破岩刀盘推进至爆破破碎区边缘，使得爆破破碎区域矿物岩层从岩体中剥离后，经探矿巷道将矿物运离工作面。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种高温硬岩地层的矿产资源与地热连续协同开采方法，其特征在于，所述压裂与掘进一体化设备包括破岩刀盘（4）、旋转驱动机构（43）、传动机构（44）和推进机构（45），所述推进机构（45）上固定连接有机架，所述旋转驱动机构（43）固定连接在机架上，固定轴（41）也固定连接在机架上，所述破岩刀盘（4）的中心可旋转的连接在固定轴（41）上，所述固定轴（41）上还套接有与破岩刀盘（4）固定相连的驱动套筒（42），所述传动机构（44）连接在旋转驱动机构（43）和驱动套筒（42）之间，通过旋转驱动机构（43）带动破岩刀盘（4）旋转；
所述机架上还设有与其可拆卸连接的钻机（9），所述钻机（9）的钻头贯穿固定轴（41）并且向前伸出。
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