CN115013048A - 一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法 - Google Patents

一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及煤矸石无害化处理和残余煤炭资源开采技术领域,具体涉及一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法。包括以下步骤,首先获取采空区充填煤矸石的空间分布情况。其次,根据充填煤矸石分布情况,选择适宜的布井形式,以中心井为注热井,向充填煤矸石中注入高温过热水蒸气,使煤矸石和残余煤炭资源充分热解改性,以周围井为生产井,将热解生成的油气资源抽采至地面分离收集。最后,经井群向热解后煤矸石中注入预设比例的水泥熟料和石膏,配置成煤矸石少熟料水泥,然后按比例注入清水,使得煤矸石少熟料水泥硬化,可在实现煤矸石中重金属等有害物质固体封存,强化和提高热解后充填煤矸石的支撑强度。

Description

一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法
技术领域
本发明涉及煤矸石无害化处理和残余煤炭资源开采技术领域,具体涉及一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法。
背景技术
煤矸石是煤炭开采和洗选过程中排出的固体工业废弃物,排出率约为煤炭开采量的20%。排出规模如此庞大的煤矸石,在我国的利用率却不到20%,遗弃于地表的煤矸石侵占了大量土地资源,煤矸石中有害物质溢出污染土壤和水体,煤矸石自燃还会污染大气。煤矸石的处理和利用已成为煤炭工业绿色可持续发展所亟待解决的重要问题。
煤矸石充填采空区是解决该问题的重要途径,其核心目的就在于将开采出的煤矸石回填到煤矿巷道,既防止了地面沉降,又杜绝了煤矸石露天堆存、污染环境的问题。然而事实上煤矸石充填的效果并不理想,主要表现为松散煤矸石支撑性较差,难以有效支撑和防止地面沉降;此外,充填煤矸石与矿井积水长期接触,易产生酸性污染废水。
由此可见,在对充填煤矸石进行无害化二次处理的同时,进一步增强充填煤矸石支撑强度,是完善煤矸石采空区充填技术的核心和关键。为了改变这一现状,特意提出了本发明一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法。
发明内容
本发明提供一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法,以解决上述问题。
本发明的一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法采用如下技术方案:一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法,包括下列步骤:
S1:获取采空区充填煤矸石的空间分布情况;
S2:在选定用煤矸石充填的采空区域的地面上布置井群,井群包括一个中心井和多个周围井;多个周围井绕中心井周向均布;周围井的数量为三个或四个;
S3:选定井眼位置,从地面实施钻井钻孔至目标采空区内;
S4:以中心井为注热井,向中心井注入高温过热水蒸气,使采空区内充填的煤矸石和残余煤炭资源进行充分的热解改性,使得煤矸石中有机质和有害物质转化成为可利用油气;
S5:以周围井为生产井,将热解生成的油气资源抽采至地面进行分离和收集;
S6:从中心井和周围井向热解改性后的煤矸石中按预设比例注入掺混均匀的水泥熟料和石膏,配置成煤矸石少熟料水泥;
S7:从中心井和周围井向煤矸石少熟料水泥中按预设的水灰比注入清水,以使煤矸石少熟料水泥硬化;养护后将中心井和周围井封闭。
进一步地,步骤S1中通过三维地震勘探和用高密度电法进行精准的地球物理勘察,以确定采空区的充填煤矸石的空间分布情况。
进一步地,步骤S3中,井底位置与采空区充填煤矸石空间位置保持一致。
进一步地,步骤S6中的预设比例为煤矸石67%、水泥熟料30%、石膏3%。
进一步地,步骤S7中,水灰比为0.46:1。
进一步地,步骤S7中,养护方法为每间隔3小时用水蒸汽雾化对水泥养护1小时;水泥养护15天。
本发明的有益效果是:获取采空区充填煤矸石的空间分布情况,根据充填煤矸石分布情况,选择适宜的布井形式,以中心井为注热井,向充填煤矸石中注入高温过热水蒸气,使采空区充填煤矸石和残余煤炭资源充分热解改性,以周围井为生产井,将热解生成的油气资源抽采至地面分离收集利用,在此过程中,充填煤矸石中有机质和污染环境的有害物质亦转化成为可利用油气。经井群向热解后煤矸石中注入预设比例的水泥熟料和石膏,配置成煤矸石少熟料水泥,然后按比例注入清水,使得煤矸石少熟料水泥硬化,可在实现煤矸石中重金属等有害物质固体封存的同时,进一步强化和提高热解后充填煤矸石的支撑强度。通过注热改性将有机质,如含硫的有害物质转化为可利用油气,同时利用自燃煤矸石可配制煤矸石少熟料水泥的特性,对矸石中重金属等有害物质进行固体封存,并极大提高了充填煤矸石的支撑强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例的充填煤矸石群井注过热蒸汽开采油气和热解后充填煤矸石少熟料水泥配制固化的示意图。
图2为本发明的一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法的实施例中周围井数量为三个时的分布示意图;
图3为本发明的一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法的实施例中周围井数量为四个时的分布示意图。
图4为本发明的实施例的流程图。
图中:1、中心井;2、周围井;3、水泥熟料和石膏;4、充填煤矸石;5、填充区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中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。
本发明的一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法的提供的第一个实施例,如图1、图2和图4所示:对埋深为600m、充填厚度为10m的单层煤矸石充填区5进行高密度电法和三维地震精准地球物理勘察,在经精准解译充填煤矸石空间分布情况后,布置多个井群,每个井群包括一个中心井和三个周围井,三个周围井绕中心井周向均布。
各个周围井2距中心井1间距为500m。一个中心井和三个周围井的井底位置与采空区充填煤矸石空间位置保持一致。以中心井1为注热井,注入高温过热水蒸气,使充填煤矸石和残余煤炭资源充分热解,以周围井2为生产井,抽采热解生成的油气至地表分离利用,实现煤矸石中部分有害物质,如含硫的有害物质的无害资源化处理。结合地球物理勘察结果,确定煤矸石总量,按煤矸石67%、水泥熟料30%、石膏3%的配比,经各井向热解后煤矸石中注入掺混均匀的水泥熟料和石膏3。按水灰比0.46:1的比例注入清水,使配置好的煤矸石少熟料水泥凝固硬化,实现重金属等有害物质的固化处理,并每间隔3小时用水蒸汽雾化养护水泥1小时,持续15天,在使煤矸石少熟料水泥达到预定硬化强度后,封闭井群。
具体的步骤如下:
S1:在600m埋深的选定煤矸石充填区5进行高密度电法和三维地震精准地球物理勘察,对充填煤矸石4空间分布情况进行解译。
S2:布置多个井群,每个井群包括一个中心井1和三个周围井2,三个周围井2绕中心井1周向均布。周围井2在地面以等边三角形顶点的分布形式布置钻井,中心井1处于该等边三角形的中心处,周围井2距中心井1间距为500m。
S3:各井均钻至预定深度,最终使得各井底位置与采空区充填煤矸石4空间位置保持一致。
S4:钻井完成后,中心井1为注热井,向充填煤矸石4中注入高温过热水蒸气,使充填煤矸石4中有机质和污染环境的有害物质,如含硫的有害物热解后生成可利用油气。
S5:以周围井2为生产井,将油气抽采至地表分离利用。
S6:经井群向热解后煤矸石中注入掺混均匀的水泥熟料和石膏3按预定比例配置成煤矸石少熟料水泥。水泥熟料和石膏3预定比例为煤矸石67%、水泥熟料30%、石膏3%。
S7:经井群向煤矸石少熟料水泥按比例水灰比为0.46:1的比例注入清水,使得煤矸石少熟料水泥硬化,并每间隔3小时用水蒸汽雾化养护水泥1小时,持续15天,在大幅强化和提升热解后充填煤矸石4支撑强度的同时,实现煤矸石中重金属等有害物质固体封存。
S8:封闭群井。
本发明的一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法的提供的第二个实施例,如图1、图3和图4所示:对埋深深度为600m、800m和1000m,以及充填厚度为均为10m的多层煤矸石充填区5进行高密度电法和三维地震精准地球物理勘察,在经精准解译充填煤矸石4空间分布情况后,布置多个井群,每个井群包括一个中心井1和四个周围井2,四个周围井2绕中心井1周向均布而呈田字状。为使高温过热蒸汽能与各埋深处煤矸石接触,群井在各埋深深度(600m、800m、1000m)的充填煤矸石的4个位置处均做开孔处理,井底位置与最底部采空区充填煤矸石4空间位置保持一致。以中心井1为注热井,注入高温过热水蒸气,使充填煤矸石4和残余煤炭资源充分热解,生成的油气被水蒸气驱至周围井2收集利用,实现煤矸石中部分有害物质的无害资源化处理。结合地球物理勘察结果,确定1000m埋深充填煤矸石4总量,按煤矸石67%、水泥熟料30%、石膏3%的配比,经各井向最底部热解后煤矸石中注入掺混均匀的水泥熟料和石膏3。按水灰比0.46:1的比例注入清水,使配置好的1000m埋深煤矸石少熟料水泥凝固硬化,实现重金属等有害物质的固化处理。并每间隔3小时用水蒸汽雾化养护水泥1小时,持续15天,在使1000m埋深煤矸石少熟料水泥达到预定硬化强度后,封闭群井至800m埋深处。分别在800m和600m深度热解煤矸石处重复上述煤矸石少熟料水泥配置、硬化、养护步骤,最终彻底封闭群井。
具体步骤如下:
S1:在600m、800m和1000m埋深的选定煤矸石充填区5进行高密度电法和三维地震进行精准的地球物理勘察,对充填煤矸石4空间分布情况进行解译。
S2:布置多个井群,每个井群包括一个中心井1和四个周围井2,四个周围井2绕中心井1周向均布。周围井2在地面以正方形顶点的分布形式布置钻井,中心井1处于该正方形的中心处,周围井2距中心井1间距为500m。
S3:各井均钻至预定深度,最终使得各井底位置与采空区充填煤矸石4空间位置保持一致。
S4:钻井完成后,中心井1为注热井,向充填煤矸石4中注入高温过热水蒸气,使充填煤矸石4中有机质和污染环境的有害物质,如含硫的有害物热解后生成可利用油气。
S5:以周围井2为生产井,将油气抽采至地表分离利用。
S6:经井群向热解后煤矸石中注入掺混均匀的水泥熟料和石膏3按预定比例配置成煤矸石少熟料水泥。水泥熟料和石膏3预定比例为煤矸石67%、水泥熟料30%、石膏3%。
S7:经井群向煤矸石少熟料水泥按比例水灰比为0.46:1的比例注入清水,使得煤矸石少熟料水泥硬化,并每间隔3小时用水蒸汽雾化养护水泥1小时,持续15天,在大幅强化和提升热解后充填煤矸石4支撑强度的同时,实现煤矸石中重金属等有害物质固体封存。
S8:分别在800m和600m深度热解煤矸石处重复上述煤矸石少熟料水泥配置、硬化、养护步骤。
S9:封闭群井。
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、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法,其特征在于:包括下列步骤:
S1:获取采空区充填煤矸石的空间分布情况;
S2:在选定用煤矸石充填的采空区域的地面上布置井群,井群包括一个中心井和多个周围井;多个周围井绕中心井周向均布;周围井的数量为三个或四个;
S3:选定井眼位置,从地面实施钻井钻孔至目标采空区内;
S4:以中心井为注热井,向中心井注入高温过热水蒸气,使采空区内充填的煤矸石和残余煤炭资源进行充分的热解改性,使得煤矸石中有机质和有害物质转化成为可利用油气;
S5:以周围井为生产井,将热解生成的油气资源抽采至地面进行分离和收集;
S6:从中心井和周围井向热解改性后的煤矸石中按预设比例注入掺混均匀的水泥熟料和石膏,配置成煤矸石少熟料水泥;
S7:从中心井和周围井向煤矸石少熟料水泥中按预设的水灰比注入清水,以使煤矸石少熟料水泥硬化;养护后将中心井和周围井封闭。
2.根据权利要求1所述的一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法,其特征在于:步骤S1中通过三维地震勘探和用高密度电法进行精准的地球物理勘察,以确定采空区的充填煤矸石的空间分布情况。
3.根据权利要求1所述的一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法,其特征在于:步骤S3中,井底位置与采空区充填煤矸石空间位置保持一致。
4.根据权利要求1所述的一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法,其特征在于:步骤S6中的预设比例为煤矸石67%、水泥熟料30%、石膏3%。
5.根据权利要求1所述的一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法,其特征在于:步骤S7中,水灰比为0.46:1。
6.根据权利要求1所述的一种充填煤矸石注热开采油气无害化处理和加固方法,其特征在于:步骤S7中,养护方法为每间隔3小时用水蒸汽雾化对水泥养护1小时;水泥养护15天。
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