CN115306479B - 一种基于废弃矿井采空区的co2区块化封存方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于废弃矿井采空区的CO2区块化封存方法，在对采空区进行密封处理时，先将各个区域在地面投影并进行区域划分，通过在不同区域分别施工不同的钻孔，将裂隙带和弯曲下沉带内的瓦斯抽采后，利用垮落带和裂隙带作为CO2封存的主要场所，以注浆加固遗留煤柱，封堵裂隙带和填充弯曲下沉带为密封方式，通过在裂隙带及垮落带内注入碱性粉煤灰浆液，不仅可以对注入采空区的CO2进行吸附固化使其封存在裂隙带及垮落带内，而且由于矿化反应，使碱性粉煤灰浆液凝固增加其胶结强度，对裂隙带和垮落带的裂隙进行胶结及密封，增加裂隙带和垮落带的稳定性，这样后期裂隙带和垮落带不易发生形变或坍塌等情况，从而实现CO2气体的长期封存。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿井采空区的CO2封存方法，具体为一种基于废弃矿井采空区的CO2区块化封存方法，属于二氧化碳减排技术领域。
背景技术
目前CO2的主要治理措施有封存、分离回收和转化利用，相较于其他的CO2处理方法，封存可实现大量CO2的处理，有效缓解环境压力。封存主要有地质封存、海洋封存和矿化封存等方式，由于海洋封存过程中，CO2泄露后会导致海水酸化等问题并且相关工艺尚不完善，该项技术尚处于起步阶段。CO2地质封存是模拟自然界中地层储存煤层气或页岩气的机制，将CO2注入到地下密闭空间内或地层中实现封存，例如废弃油气藏、深部不可采煤层。地质封存虽然受到一定程度上的地域限制，但我国在此方面已开展大量研究和先导性试验，并取得一定成效，例如，2011年5月至2015年4月，我国在内蒙古鄂尔多斯市实施二氧化碳捕集、运输与深部地质封存全流程示范工程，实施期间累计注入30.2吨CO2；2018年6月至7月，在彩南油田开展CO2驱水与地质储存一体化先导试验，期间注入CO2累计1010吨。
我国长期大规模的进行煤岩开采，产生了大量的废弃矿井，其中存在大量的采空区，引发地表沉降等问题，与之相对应的是，采空区上覆岩层移动垮落后形成的垮落带和裂隙带的空隙率将大幅上升，能够提供较大的封存空间；煤层开采过后的遗留煤柱、煤层底板和上覆岩层形成了良好的密闭环境，只需采取适当的封堵措施即可获得大体积立体封存空间。除此之外，高效利用废弃矿井采空区进行CO2封存既可有效利用废弃矿井采空区的大空间，又可在施工过程中对地面沉降等问题进行治理，实现地面环境的修复。近些年来，专家学者针对采空区CO2封存问题进行了大量的工作并取得了一定的研究成果。部分成果如下：
公开号为：CN104962476A，名称为：一种基于煤矿采空区的二氧化碳地下封存方法及系统的中国发明专利，通过在采空区内养殖藻类来实现二氧化碳的固化，在一定程度上降低了二氧化碳泄露监测成本，但在施工过程中需要构筑人工坝体，增加了施工成本，同时，藻类生物在采空区持续生存也是一大难题，导致该项技术难以持续高效实现二氧化碳封存，并且施工消耗较大。
公开号为：CN109812293A，名称为：一种利用煤矿废弃矿井采空区封存CO2的方法的中国发明专利，通过岩移控制、留设和加固隔离煤柱、设置隔离墙、注浆堵塞缝隙形成密闭空间来进行CO2的封存，但需要人员进入废弃矿井进行施工，危险性较大，同时还需对部分巷道进行维修，施工周期长。
公开号为：CN113958365A，名称为：短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统及方法的中国发明专利，通过设计短-长壁间断充填无煤柱开采方法，在煤层开采过程中构筑封存结构并连接CO2和碱基固废注入管道，既实现了无煤柱开采，又能够实现气态和液态CO2的封存。但该方法设计的煤层开采过程复杂，生产周期长，封存结构的构建需要消耗大量的充填材料并安设多个密闭门，除此之外，液态CO2的制备较气态CO2更为复杂，注入采空区后形成的低温环境对充填体的力学性质有一定影响，相变产生大量气态CO2难以控制，增加了封存难度。
公开号为：CN112392543A，名称为：一种废弃矿井采空区存储-释放二氧化碳的资源化利用方法及其系统的中国发明专利，利用废弃矿井采空区的上覆岩层过滤CO2混合废气中的部分气体，并将过滤后的气体用于地表植物光合作用。在一定程度上简化了CO2的处理工艺，但利用岩层过滤废气并不能完全滤掉混合废气中的SO2有害气体，处理CO2仅依赖于植物的光合作用，影响因素多，难以大量处理CO2气体。
现有的技术方法在以下几个问题中还有待改进：目前封存多关注采空区中未受垮落影响的空间，而采空区中垮落带和裂隙带由于存在漏风裂隙不容易进行CO2封存，因此未被关注，另外未受垮落影响的空间的采空区均处于矿井最深处，故现有方法对采空区进行人工改造难度大，并且施工流程复杂，还需要人工下井作业，危险性较大，因此如何提供一种方法，无需人员下井作业，并且降低施工流程及成本，同时无需对采空区未受垮落影响的空间进行大量改动，即能实现对CO2气体大量且长期的封存，是本行业的研究方向。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于废弃矿井采空区的CO2区块化封存方法，全程无需人员下井作业，并且能有效降低施工流程及成本，同时无需对采空区未受垮落影响的空间进行大量改动，即能实现对CO2气体大量且长期的封存。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于废弃矿井采空区的CO2区块化封存方法，具体步骤为：
步骤一、在废弃矿井采空区上方地面进行地质勘探，获取弯曲下沉带分布区域及其所处深度、裂隙带分布区域及其所处深度、垮落带分布区域及其所处深度和遗留煤柱分布区域及其所处深度，并将各自的分布区域投影在地面上，接着根据地面投影划分成多个区块，每个区块均包含弯曲下沉带分布区域、裂隙带分布区域、垮落带分布区域和遗留煤柱分布区域，行业公知，弯曲下沉带处于裂隙带上方、裂隙带处于垮落带上方，并且弯曲下沉带的分布区域在水平面上小于裂隙带的分布区域，裂隙带的分布区域在水平面上小于垮落带的分布区域；因此在地面投影中弯曲下沉带分布区域处于裂隙带分布区域内，裂隙带分布区域处于垮落带分布区域内，遗留煤柱分布区域处于垮落带分布区域两侧，沿垮落带走向的区块两端分别设有开始边界和结束边界；
步骤二、先从步骤一中选择一个区块，在遗留煤柱分布区域中部从地面施工多个煤柱加固孔，各个煤柱加固孔均伸入遗留煤柱内，从这个区域施工使得煤柱加固孔施工过程中穿过稳定的岩层，无需经过弯曲下沉带、裂隙带和垮落带，不仅保证施工的稳定性，而且便于后续水泥浆液直达遗留煤柱内；在裂隙带分布区域中不包含弯曲下沉带分布区域的位置从地面施工多个碱性粉煤灰浆液注入孔，各个碱性粉煤灰浆液注入孔均伸入至裂隙带顶部，从这个区域施工使得碱性粉煤灰浆液注入孔施工过程中不经过弯曲下沉带，从稳定岩层直达裂隙带顶部，保证后续碱性粉煤灰浆液直达裂隙带内；在弯曲下沉带分布区域中部从地面施工多个充填孔和多个气体流通孔，各个充填孔均伸入至弯曲下沉带底部，各个气体流通孔均穿过弯曲下沉带伸入至裂隙带顶部，从这个区域施工，使充填孔及气体流通孔均穿过弯曲下沉带到达裂隙带顶部，这样在后续进行瓦斯抽采时，裂隙带及弯曲下沉带内的赋存瓦斯均能通过气体流通孔被抽采，同时在气体流通孔进行负压抽采时，充填孔此时与地面连通，进而能将地面的空气引入至裂隙带内，使得裂隙带内的气压不会由于抽采下降过大，导致抽采困难；在靠近开始边界和结束边界的弯曲下沉带分布区域分别施工多个浆液注入孔，各个浆液注入孔均穿过弯曲下沉带伸入至裂隙带顶部；这样设置在后续注入水泥浆液时能对裂隙带顶部沿其走向的两端进行密封加固，便于后续CO2气体的封存。
步骤三、将负压泵的进气口通过气体流通管路分别与各个气体流通孔连通，负压泵的出气口与瓦斯储罐连通，启动负压泵通过气体流通孔对弯曲下沉带及裂隙带内的瓦斯进行抽采，并通过设置在靠近负压泵的气体流通管路上的瓦斯监测装置，对负压泵抽采的瓦斯浓度和流量进行实时监测，若抽采的瓦斯浓度低于10％，则停止负压泵工作，并将气体流通管路与各个气体流通孔分离，完成瓦斯抽采工作；
步骤四、在地面设置水泥浆液制备系统和碱性粉煤灰浆液制备系统，所述水泥浆液制备系统包括储水设备和制浆设备，储水设备通过水泵与水管一端连接，将水管另一端分别与各个气体流通孔连通，启动水泵将储水设备内的水输送至各个气体流通孔内，将因持续负压抽采而积聚在钻孔内部和孔底周围采空区环境内的煤岩粉末颗粒移除，清理结束后，停止水泵工作并将水管与各个气体流通孔分离，采用钻孔成像技术获取钻孔完整性和孔径沿深度的变化情况，如钻孔完整性较差，则进行钻孔修复，完成后对各个气体流通孔沿各自原来方向继续向下钻进，直至钻入垮落带底部；接着将增压泵的出气口通过气体流通管路分别与各个气体流通孔连通，增压泵的进气口与CO2储罐连通；
步骤五、将水泥浆液制备系统的制浆设备通过第一浆液输送泵及第一注浆管路分别与各个煤柱加固孔及各个充填孔连通，将碱性粉煤灰浆液制备系统通过第二浆液输送泵及第二注浆管路分别与各个碱性粉煤灰浆液注入孔连通，分别启动第一浆液输送泵和第二浆液输送泵，其中水泥经过煤柱加固孔及充填孔分别注入遗留煤柱内部和弯曲下沉带底部，待水泥凝固后能对遗留煤柱内部和弯曲下沉带底部进行密封加固；碱性粉煤灰浆液注入孔被注入碱性粉煤灰浆液，碱性粉煤灰浆液从裂隙带顶部通过其裂隙渗透至裂隙带内部，完成后停止第一浆液输送泵和第二浆液输送泵的工作，并对碱性粉煤灰浆液注入孔、充填孔和煤柱加固孔的孔口进行密封；
步骤六、启动增压泵，将CO2储罐内的CO2气体经过气体流通管路输送至垮落带底部，随着CO2气体持续注入垮落带，使CO2气体从经过垮落带向上扩散至裂隙带，CO2气体与裂隙带内的碱性粉煤灰接触，使一部分CO2气体与碱性粉煤灰浆液在潮湿环境下发生矿化反应，反应后CO2气体被碱性粉煤灰吸附固化，同时使碱性粉煤灰浆液凝固增加其胶结强度，对裂隙带的裂隙进行胶结及密封，增加裂隙带的稳定性，另一部分CO2气体由于弯曲下沉带底部被水泥密封加固，使其留存在裂隙带内，并随着矿化反应的持续被吸附固化；
步骤七、通过设置在增压泵一侧的压力表，能实时监测气体流通管路内的CO2气体压力，当监测的压力持续升高且增幅超过注入压力的10％时，则说明该区块下方的垮落带及裂隙带内封存的CO2气体已经饱和，此时停止增压泵工作，并将气体流通管路与各个气体流通孔分离，将第二注浆管路与各个气体流通孔连通，启动第二浆液输送泵将碱性粉煤灰浆液通过气体流通孔注入至垮落带底部，持续注入一段时间后，停止注入，并对各个气体流通孔的孔口密封，垮落带内的碱性粉煤灰浆液与CO2气体之间重复步骤六的矿化反应，从而使垮落带胶结加固，同时对CO2气体进行吸附固化，完成一个区块的CO2气体封存；
步骤八、重复步骤二至七多次，能完成各个区块的CO2气体封存，最终实现废弃矿井采空区对CO2气体封存的过程。
进一步，所述碱性粉煤灰浆液由水和固相材料按照质量比1:1～1.5混合制成；其中固相材料由水泥、粉煤灰和吸附材料按照质量比1:7:2混合制成；所述吸附材料为高岭石或蒙脱石。采用这种配比制备的碱性粉煤灰浆液，通过矿化反应对CO2气体进行吸附，不仅使CO2气体固化在碱性粉煤灰浆液中，而且由于矿化反应使碱性粉煤灰浆液凝固增加其胶结强度。
进一步，所述煤柱加固孔施工时采用套管对孔壁加固，所述碱性粉煤灰浆液注入孔、充填孔、气体流通孔和浆液注入孔施工采用套管和筛管对孔壁加固，其中筛管处于各自孔的最深处。采用这种方式能对各个孔施工后进行加固，另外部分孔最深处采用筛管，在后续注入浆液或气体时能更好的扩散分布。
进一步，所述步骤六中增压泵对CO2气体的泵送压力为1.0～2.5MPa。采用这种泵送压力能更好的满足CO2气体封存所需要求。
进一步，所述步骤三中的抽采负压为16～24kPa。采用这种抽采负压能更好的对裂隙带进行瓦斯抽采。
进一步，所述煤柱加固孔、碱性粉煤灰浆液注入孔、充填孔和浆液注入孔的钻孔直径均为200mm～300mm；所述气体流通孔的钻孔直径为150mm～200mm。采用这种参数能保证各个孔所起的作用。
进一步，在CO2储罐与气体流通孔之间的管路上装有第一截止阀和第二截止阀，用于对CO2气体注入的启停进行控制；在负压泵与气体流通孔之间的管路上装有第三截止阀和第四截止阀，用于对瓦斯抽采的启停进行控制；在第一浆液输送管路上装有第五截止阀、第八截止阀、第九截止阀和第十截止阀，用于对充填孔及煤柱加固孔水泥浆液注入的启停进行控制；在第二浆液输送管路上装有第六截止阀和第七截止阀，用于对碱性粉煤灰浆液注入孔碱性粉煤灰浆液注入的启停进行控制；在储水设备与水泵之间的管路上装有第十一截止阀和第十三截止阀，用于对气体流通孔注入水的启停进行控制；在储水设备与制浆设备之间的管路上装有第十二截止阀，用于对制浆设备注入水的启停进行控制。通过设置上述截止阀能对整个过程实现更好的控制。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)发明人研究发现，采空区的垮落带和裂隙带如不进行加固处理，则会进一步坍塌，而现有方式均是利用废弃矿井采空区CO2气体进行封存，并未关注垮落带和裂隙带的加固治理，导致后期垮落带和裂隙带发生进一步坍塌后会对采空区的空间及应力情况发生较大变化，最终产生裂隙使CO2气体从采空区排出；为此本发明通过利用垮落带和裂隙带作为CO2封存的主要场所，以注浆加固遗留煤柱，封堵裂隙带和填充弯曲下沉带为密封方式，采用碱性粉煤灰浆液作为CO2吸附材料，通过在裂隙带及垮落带内注入碱性粉煤灰浆液，不仅可以对注入采空区的CO2进行吸附固化使其封存在裂隙带及垮落带内，而且由于矿化反应，使碱性粉煤灰浆液凝固增加其胶结强度，对裂隙带和垮落带的裂隙进行胶结及密封，增加裂隙带和垮落带的稳定性，这样后期裂隙带和垮落带不易发生形变或坍塌等情况，从而实现CO2气体的长期封存；
2)本发明作为CO2吸附材料的碱性粉煤灰浆液由水和固相材料混合制成，其中固相材料由水泥、粉煤灰和吸附材料混合制成，可以实现废弃物的处理和资源化利用，能有效解决粉煤灰等废弃物难处理、占土地存放的难题；CO2与碱性粉煤灰浆液在潮湿环境下发生矿化反应，可进一步提升密封环境的胶结强度，保证良好的密封性，实现了吸附固化和物理隔绝封存相结合的封存方式。
3)本发明在对采空区进行密封处理时，先将各个区域在地面投影并进行区域划分，通过在不同区域分别施工不同的钻孔，使其能起到不同的作用，先将裂隙带和弯曲下沉带内的瓦斯抽采后，通过充填孔注入水泥浆液对弯曲下沉带加固，可减小周围岩层受影响程度并缓解地表沉降问题；同时对遗留煤柱进行加固密封，实现采空区的加固密封；接着通过碱性粉煤灰浆液对裂隙带和垮落带的注入填充，不仅能对CO2气体进行封存，而且具有增加裂隙带和垮落带的稳定性的双重效果。
4)本发明实现了对废弃矿井采空区的再利用，将废弃矿井采空区的垮落带和裂隙带作为CO2封存场所，具有环境适应性强，无需人员下井对废弃矿井的采空区进行改造，降低了施工流程及成本；
5)本发明中所封存的CO2和用于吸附CO2的粉煤灰均来源于燃煤电厂和相关煤炭加工企业，CO2和粉煤灰等浆液原料可就近存储以备使用，其运输成本低。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明在地面上一个区块的钻孔布置方式示意图；
图3是本发明中水泥浆液制备系统结构示意图；
图中：1、CO2储罐；2-1、第一截止阀，2-2、第二截止阀，2-3、第三截止阀，2-4、第四截止阀，2-5、第五截止阀，2-6、第六截止阀，2-7、第七截止阀，2-8、第八截止阀，2-9、第九截止阀，2-10、第十截止阀，2-11、第十一截止阀，2-12、第十二截止阀，2-13、第十三截止阀；3、增压泵；4、压力表；5、瓦斯监测装置；6、负压泵；7、瓦斯储罐；8-1、第一浆液输送泵，8-2、第二浆液输送泵；9、水泥浆液制备系统；10、碱性粉煤灰浆液制备系统；11、煤柱加固孔；12、碱性粉煤灰浆液注入孔；13、充填孔；14、气体流通孔；15、弯曲下沉带；16、裂隙带；17、垮落带；18、遗留煤柱；19、储水设备；20、水泵；21、制浆设备；22、气体流通管路；23、水管；24-1、第一注浆管路，24-2、第二注浆管路；25、结束边界；26、开始边界。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的具体步骤为：
步骤一、在废弃矿井采空区上方地面进行地质勘探，获取弯曲下沉带分布区域及其所处深度、裂隙带分布区域及其所处深度、垮落带分布区域及其所处深度和遗留煤柱分布区域及其所处深度，并将各自的分布区域投影在地面上，接着根据地面投影划分成多个区块，每个区块均包含弯曲下沉带分布区域、裂隙带分布区域、垮落带分布区域和遗留煤柱分布区域，行业公知，弯曲下沉带15处于裂隙带16上方、裂隙带16处于垮落带17上方，并且弯曲下沉带15的分布区域在水平面上小于裂隙带16的分布区域，裂隙带16的分布区域在水平面上小于垮落带17的分布区域；因此在地面投影中弯曲下沉带分布区域处于裂隙带分布区域内，裂隙带分布区域处于垮落带分布区域内，遗留煤柱分布区域处于垮落带分布区域两侧，沿垮落带17走向的区块两端分别设有开始边界26和结束边界25；
步骤二、先从步骤一中选择一个区块，如图2所示，在遗留煤柱分布区域中部从地面施工多个煤柱加固孔11，各个煤柱加固孔11均伸入遗留煤柱18内，从这个区域施工使得煤柱加固孔11施工过程中穿过稳定的岩层，无需经过弯曲下沉带15、裂隙带16和垮落带17，不仅保证施工的稳定性，而且便于后续水泥浆液直达遗留煤柱18内；在裂隙带分布区域中不包含弯曲下沉带分布区域的位置从地面施工多个碱性粉煤灰浆液注入孔12，各个碱性粉煤灰浆液注入孔12均伸入至裂隙带16顶部，从这个区域施工使得碱性粉煤灰浆液注入孔12施工过程中不经过弯曲下沉带15，从稳定岩层直达裂隙带16顶部，保证后续碱性粉煤灰浆液直达裂隙带16内；在弯曲下沉带分布区域中部从地面施工多个充填孔13和多个气体流通孔14，各个充填孔13均伸入至弯曲下沉带15底部，各个气体流通孔14均穿过弯曲下沉带15伸入至裂隙带16顶部，从这个区域施工，使充填孔13及气体流通孔14均穿过弯曲下沉带15到达裂隙带16顶部，这样在后续进行瓦斯抽采时，裂隙带16及弯曲下沉带15内的赋存瓦斯均能通过气体流通孔被抽采，同时在气体流通孔14进行负压抽采时，在抽采初期将充填孔13的孔口封闭，由于初期采空区瓦斯量较大，不会出现抽采困难，根据瓦斯监测装置5对气体流通管路进行监测，当抽采流量和瓦斯浓度下降幅度超过25％，打开充填孔13进行气压平衡，充填孔13此时与地面连通，进而能将地面的空气引入至裂隙带16内，使得裂隙带16内的气压不会由于抽采下降过大，导致抽采困难，而空气的混入必然导致钻孔中瓦斯浓度的降低，当瓦斯浓度低于10％时，停止抽采；在靠近开始边界26和结束边界25的弯曲下沉带分布区域分别施工多个浆液注入孔，各个浆液注入孔均穿过弯曲下沉带15伸入至裂隙带16顶部；这样设置在后续注入水泥浆液时能对裂隙带16顶部沿其走向的两端进行密封加固，便于后续CO2气体的封存；所述煤柱加固孔11、碱性粉煤灰浆液注入孔12、充填孔13和浆液注入孔的钻孔直径均为200mm～300mm；所述气体流通孔14的钻孔直径为150mm～200mm。所述煤柱加固孔11施工时采用套管对孔壁加固，所述碱性粉煤灰浆液注入孔12、充填孔13、气体流通孔14和浆液注入孔施工采用套管和筛管对孔壁加固，其中筛管处于各自孔的最深处。采用这种方式能对各个孔施工后进行加固，另外部分孔最深处采用筛管，在后续注入浆液或气体时能更好的扩散分布。
步骤三、将负压泵6的进气口通过气体流通管路22分别与各个气体流通孔14连通，负压泵6的出气口与瓦斯储罐7连通，在负压泵6与气体流通孔14之间的管路上装有第三截止阀2-3和第四截止阀2-4，用于对瓦斯抽采的启停进行控制；关闭第一截止阀2-1和第二截止阀2-2，打开第三截止阀2-3和第四截止阀2-4并开启负压泵6，抽采负压为16～24kPa。在抽采初期，由于裂隙带内瓦斯浓度较高可以设置较低的抽采负压为16kPa并间隔一段时间记录瓦斯监测装置5的数据，当瓦斯流量和浓度出现较为明显降低时，对气体流通管路22进行气密性检查，尤其是与气体流通孔14相接处，若无漏气现象，可适当增加负压泵6的抽采负压至24kPa；通过气体流通孔14对弯曲下沉带15及裂隙带16内的瓦斯进行抽采，并通过设置在靠近负压泵6的气体流通管路22上的瓦斯监测装置5，对负压泵6抽采的瓦斯浓度和流量进行实时监测，若抽采的瓦斯浓度低于10％，则关闭第三截止阀2-3、第四截止阀2-4并停止负压泵6工作，并将气体流通管路22与各个气体流通孔14分离，完成瓦斯抽采工作；
步骤四、在地面设置水泥浆液制备系统9和碱性粉煤灰浆液制备系统10，所述水泥浆液制备系统包括储水设备19和制浆设备21，储水设备19通过水泵20与水管23一端连接，将水管23另一端分别与各个气体流通孔14连通，在储水设备19与水泵20之间的管路上装有第十一截止阀2-11和第十三截止阀2-13，用于对气体流通孔14注入水的启停进行控制；在储水设备19与制浆设备21之间的管路上装有第十二截止阀2-12，用于对制浆设备21注入水的启停进行控制；打开第十一截止阀2-11和第十三截止阀2-13，关闭第十二截止阀2-12，启动水泵20将储水设备19内的水输送至各个气体流通孔14内，将因持续负压抽采而积聚在钻孔内部和孔底周围采空区环境内的煤岩粉末颗粒移除，清理结束后，停止水泵20工作并将水管23与各个气体流通孔14分离，采用钻孔成像技术获取钻孔完整性和孔径沿深度的变化情况，如钻孔完整性较差，则进行钻孔修复，完成后对各个气体流通孔14沿各自原来方向继续向下钻进，直至钻入垮落带15底部；接着将增压泵3的出气口通过气体流通管路22分别与各个气体流通孔14连通，增压泵3的进气口与CO2储罐1连通，在CO2储罐1与气体流通孔14之间的管路上装有第一截止阀2-1和第二截止阀2-2，用于对CO2气体注入的启停进行控制；
步骤五、将水泥浆液制备系统9的制浆设备通过第一浆液输送泵8-1及第一注浆管路24-1分别与各个煤柱加固孔11及各个充填孔13连通，将碱性粉煤灰浆液制备系统10通过第二浆液输送泵8-2及第二注浆管路24-2分别与各个碱性粉煤灰浆液注入孔12和各个浆液注入孔连通，在第一浆液输送管路24-1上装有第五截止阀2-5、第八截止阀2-8、第九截止阀2-9和第十截止阀2-10，用于对充填孔13及煤柱加固孔11水泥浆液注入的启停进行控制；在第二浆液输送管路24-2上装有第六截止阀2-6和第七截止阀2-7，用于对碱性粉煤灰浆液注入孔12碱性粉煤灰浆液注入的启停进行控制；打开第五截止阀2-5、第八截止阀2-8、第九截止阀2-9和第十截止阀2-10，并启动第一浆液输送泵8-1，水泥浆液经过煤柱加固孔11及充填孔13分别注入遗留煤柱18内部和弯曲下沉带15底部，待水泥凝固后能对遗留煤柱18内部和弯曲下沉带15底部进行密封加固；打开第六截止阀2-6和第七截止阀2-7，并启动第二浆液输送泵8-2，碱性粉煤灰浆液注入孔12被注入碱性粉煤灰浆液，碱性粉煤灰浆液从裂隙带16顶部通过其裂隙渗透至裂隙带16内部，完成后停止第一浆液输送泵8-1和第二浆液输送泵8-2的工作，并清洗第一注浆管路24-1和第二注浆管路管24-2然后对碱性粉煤灰浆液注入孔12、充填孔13和煤柱加固孔11的孔口进行密封；所述碱性粉煤灰浆液由水和固相材料按照质量比1:1～1.5混合制成；其中固相材料由水泥、粉煤灰和吸附材料按照质量比1:7:2混合制成；所述吸附材料为高岭石或蒙脱石。
步骤六、关闭第三截止阀2-3和第四截止阀2-4，打开第一截止阀2-1和第二截止阀，并启动增压泵3，设置泵送压力为1.0～2.5MPa，在注气初期，设置增压泵3的压力为2.0MPa，通过较高压力的气体清除钻孔周围区域内未被清洗掉的煤岩粉末颗粒，然后将注气压力调至1.3MPa进行CO2的持续注入；将CO2储罐1内的CO2气体经过气体流通管路22输送至垮落带17底部，随着CO2气体持续注入垮落带17，使CO2气体从经过垮落带17向上扩散至裂隙带16，CO2气体与裂隙带16内的碱性粉煤灰接触，使一部分CO2气体与碱性粉煤灰浆液在潮湿环境下发生矿化反应，反应后CO2气体被碱性粉煤灰吸附固化，同时使碱性粉煤灰浆液凝固增加其胶结强度，对裂隙带16的裂隙进行胶结及密封，增加裂隙带16的稳定性，另一部分CO2气体由于弯曲下沉带15底部被水泥密封加固，使其留存在裂隙带16内，并随着矿化反应的持续被吸附固化；
步骤七、通过设置在增压泵3一侧的压力表4，能实时监测气体流通管路22内的CO2气体压力，当监测的压力持续升高且增幅超过注入压力的10％时，则说明该区块下方的垮落带17及裂隙带16内封存的CO2气体已经饱和，此时关闭第一截止阀2-1、第二截止阀2-2并停止增压泵3工作，并将气体流通管路22与各个气体流通孔14分离，将第二注浆管路24-2与各个气体流通孔14连通，启动第二浆液输送泵8-2将碱性粉煤灰浆液通过气体流通孔14注入至垮落带17底部，持续注入一段时间后，停止注入，并对各个气体流通孔14的孔口密封，垮落带17内的碱性粉煤灰浆液与CO2气体之间重复步骤六的矿化反应，从而使垮落带17胶结加固，同时对CO2气体进行吸附固化，完成一个区块的CO2气体封存；
步骤八、重复步骤二至七多次，能完成各个区块的CO2气体封存，最终实现废弃矿井采空区对CO2气体封存的过程。
上述CO2储罐1、增压泵3、压力表4、瓦斯监测装置5、负压泵6、瓦斯储罐7、第一浆液输送泵8-1、第二浆液输送泵8-2、水泵20、水泥浆液制备系统9和碱性粉煤灰浆液制备系统10均为现有设备，能通过市场购买获得。
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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于废弃矿井采空区的CO2区块化封存方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一、在废弃矿井采空区上方地面进行地质勘探，获取弯曲下沉带分布区域及其所处深度、裂隙带分布区域及其所处深度、垮落带分布区域及其所处深度和遗留煤柱分布区域及其所处深度，并将各自的分布区域投影在地面上，接着根据地面投影划分成多个区块，每个区块均包含弯曲下沉带分布区域、裂隙带分布区域、垮落带分布区域和遗留煤柱分布区域，其中弯曲下沉带分布区域处于裂隙带分布区域内，裂隙带分布区域处于垮落带分布区域内，遗留煤柱分布区域处于垮落带分布区域两侧，沿垮落带走向的区块两端分别设有开始边界和结束边界；
步骤二、先从步骤一中选择一个区块，在遗留煤柱分布区域中部从地面施工多个煤柱加固孔，各个煤柱加固孔均伸入遗留煤柱内；在裂隙带分布区域中不包含弯曲下沉带分布区域的位置从地面施工多个碱性粉煤灰浆液注入孔，各个碱性粉煤灰浆液注入孔均伸入至裂隙带顶部；在弯曲下沉带分布区域中部从地面施工多个充填孔和多个气体流通孔，各个充填孔均伸入至弯曲下沉带底部，各个气体流通孔均穿过弯曲下沉带伸入至裂隙带顶部；
步骤三、将负压泵的进气口通过气体流通管路分别与各个气体流通孔连通，负压泵的出气口与瓦斯储罐连通，启动负压泵通过气体流通孔对弯曲下沉带及裂隙带内的瓦斯进行抽采，并通过设置在靠近负压泵的气体流通管路上的瓦斯监测装置，对负压泵抽采的瓦斯浓度和流量进行实时监测，若抽采的瓦斯浓度低于10%，则停止负压泵工作，并将气体流通管路与各个气体流通孔分离，完成瓦斯抽采工作；
步骤四、在地面设置水泥浆液制备系统和碱性粉煤灰浆液制备系统，所述水泥浆液制备系统包括储水设备和制浆设备，储水设备通过水泵与水管一端连接，将水管另一端分别与各个气体流通孔连通，启动水泵将储水设备内的水输送至各个气体流通孔内，将因持续负压抽采而积聚在钻孔内部和孔底周围采空区环境内的煤岩粉末颗粒移除，清理结束后，停止水泵工作并将水管与各个气体流通孔分离，采用钻孔成像技术获取钻孔完整性和孔径沿深度的变化情况，如钻孔完整性较差，则进行钻孔修复，完成后对各个气体流通孔沿各自原来方向继续向下钻进，直至钻入垮落带底部；接着将增压泵的出气口通过气体流通管路分别与各个气体流通孔连通，增压泵的进气口与CO2储罐连通；
步骤五、将水泥浆液制备系统的制浆设备通过第一浆液输送泵及第一注浆管路分别与各个煤柱加固孔及各个充填孔连通，将碱性粉煤灰浆液制备系统通过第二浆液输送泵及第二注浆管路分别与各个碱性粉煤灰浆液注入孔连通，分别启动第一浆液输送泵和第二浆液输送泵，其中水泥经过煤柱加固孔及充填孔分别注入遗留煤柱内部和弯曲下沉带底部，待水泥凝固后能对遗留煤柱内部和弯曲下沉带底部进行密封加固；碱性粉煤灰浆液注入孔被注入碱性粉煤灰浆液，碱性粉煤灰浆液从裂隙带顶部通过其裂隙渗透至裂隙带内部，完成后停止第一浆液输送泵和第二浆液输送泵的工作，并对碱性粉煤灰浆液注入孔、充填孔和煤柱加固孔的孔口进行密封；
步骤六、启动增压泵，将CO2储罐内的CO2气体经过气体流通管路输送至垮落带底部，随着CO2气体持续注入垮落带，使CO2气体从经过垮落带向上扩散至裂隙带，CO2气体与裂隙带内的碱性粉煤灰接触，使一部分CO2气体与碱性粉煤灰浆液在潮湿环境下发生矿化反应，反应后CO2气体被碱性粉煤灰吸附固化，同时使碱性粉煤灰浆液凝固增加其胶结强度，对裂隙带的裂隙进行胶结及密封，增加裂隙带的稳定性，另一部分CO2气体由于弯曲下沉带底部被水泥密封加固，使其留存在裂隙带内，并随着矿化反应的持续被吸附固化；
步骤七、通过设置在增压泵一侧的压力表，能实时监测气体流通管路内的CO2气体压力，当监测的压力持续升高且增幅超过注入压力的10%时，则说明该区块下方的垮落带及裂隙带内封存的CO2气体已经饱和，此时停止增压泵工作，并将气体流通管路与各个气体流通孔分离，将第二注浆管路与各个气体流通孔连通，启动第二浆液输送泵将碱性粉煤灰浆液通过气体流通孔注入至垮落带底部，持续注入一段时间后，停止注入，并对各个气体流通孔的孔口密封，垮落带内的碱性粉煤灰浆液与CO2气体之间重复步骤六的矿化反应，从而使垮落带胶结加固，同时对CO2气体进行吸附固化，完成一个区块的CO2气体封存；
步骤八、重复步骤二至七多次，能完成各个区块的CO2气体封存，最终实现废弃矿井采空区对CO2气体封存的过程。
2. 根据权利要求1 所述的基于废弃矿井采空区的CO2区块化封存方法，其特征在于，所述碱性粉煤灰浆液由水和固相材料按照质量比1:1~1.5混合制成；其中固相材料由水泥、粉煤灰和吸附材料按照质量比1:7:2混合制成；所述吸附材料为高岭石或蒙脱石。
3. 根据权利要求1 所述的基于废弃矿井采空区的CO2区块化封存方法，其特征在于，所述煤柱加固孔施工时采用套管对孔壁加固，所述碱性粉煤灰浆液注入孔、充填孔和气体流通孔施工采用套管和筛管对孔壁加固，其中筛管处于各自孔的最深处。
4. 根据权利要求1 所述的基于废弃矿井采空区的CO2区块化封存方法，其特征在于，所述步骤六中增压泵对CO2气体的泵送压力为1.0～2.5MPa。
5. 根据权利要求1 所述的基于废弃矿井采空区的CO2区块化封存方法，其特征在于，所述步骤三中的抽采负压为16～24kPa。
6. 根据权利要求1 所述的基于废弃矿井采空区的CO2区块化封存方法，其特征在于，所述煤柱加固孔、碱性粉煤灰浆液注入孔和充填孔的钻孔直径均为200mm～300mm；所述气体流通孔的钻孔直径为150mm～200mm。
7. 根据权利要求1 所述的基于废弃矿井采空区的CO2区块化封存方法，其特征在于，在CO2储罐与气体流通孔之间的管路上装有第一截止阀和第二截止阀，用于对CO2气体注入的启停进行控制；在负压泵与气体流通孔之间的管路上装有第三截止阀和第四截止阀，用于对瓦斯抽采的启停进行控制；在第一浆液输送管路上装有第五截止阀、第八截止阀、第九截止阀和第十截止阀，用于对充填孔及煤柱加固孔水泥浆液注入的启停进行控制；在第二浆液输送管路上装有第六截止阀和第七截止阀，用于对碱性粉煤灰浆液注入孔碱性粉煤灰浆液注入的启停进行控制；在储水设备与水泵之间的管路上装有第十一截止阀和第十三截止阀，用于对气体流通孔注入水的启停进行控制；在储水设备与制浆设备之间的管路上装有第十二截止阀，用于对制浆设备注入水的启停进行控制。
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