CN115853579A - 一种煤矿充填开采协同二氧化碳固存系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种煤矿充填开采协同二氧化碳固存系统及方法，通过致密的人工坝体在长壁工作面中隔离出采充固单元，在每个采充固单元中布置旺格维利短壁工作面并使用连采机完成采煤工序、布设伸缩式充填管路用以完成充填工序、埋设注碳管路用以后续完成固碳工序；本发明利用连采机、伸缩式充填管路、注碳管路在连续采煤的同时隔巷充填，在充填时同时埋设注碳管路，待采、充工序在全采区的采充固单元中完成后实施注碳工序以完成CO₂的地下封存，形成煤矿采充固一体化开采系统和方法。本发明在实现无煤柱采煤提高煤炭采出率、大量处理煤矸石、充分利用煤矿采空区空间的同时，将CO₂温室气体永久封存，为碳封存技术提供了新方法。

Description

一种煤矿充填开采协同二氧化碳固存系统及方法

技术领域

本发明涉及煤炭开采技术领域，具体涉及一种煤矿充填开采协同二氧化碳固存系统及方法，尤其适用于对回采煤炭资源后的采空区进行固碳型功能利用工况。

背景技术

我国煤炭行业体量大、污染重，是绿色化和低碳化改革的重点行业。在我国“双碳目标”的战略指导下，煤炭行业迎来高质量、高技术发展机遇，并朝着碳中和目标迈进。在现有煤炭利用技术体系下，因地制宜的开发CO₂地下封存技术，向“封碳”方式攻关，成为煤炭行业实现“双碳目标”的重点途径之一。

当前煤炭行业充填开采技术已经实现了大宗矸石等固废处理、精准控制地表沉陷等目标，正向着充填材料的功能化改进以及充填开采系统优化等方向攻关。基于当前“双碳目标”战略指导思想，将充填材料进行固碳型功能性利用是一举多得的工程研究思路。

基于此，本发明提供一种煤矿采充固一体化开采系统和方法，提供适合于煤矿采空区地质封存CO₂的生产系统布置方式，提供在井下完成采煤工序、充填工序、固碳工序的充填开采协同二氧化碳固存系统，并基于该系统提供一种煤矿充填开采协同二氧化碳固存方法和流程。

发明内容

为实现对井下采空区空间的充分利用、对矸石等固废材料的高值化利用以及对CO₂在煤矿井下的安全高效封存，本发明提供一种煤矿充填开采协同二氧化碳固存系统及方法，设计采充固单元的布置方法，设计充填开采协同二氧化碳固存流程，为煤炭行业安全高效封存CO₂提供了一种新方法。

为实现上述目的，本发明通过致密的人工坝体在长壁工作面中隔离出采充固单元，在每个采充固单元中布置旺格维利短壁工作面并使用连采机完成采煤工序、布设伸缩式充填管路用以完成充填工序、埋设注碳管路用以后续完成固碳工序，本发明利用连采机、伸缩式充填管路、注碳管路在连续采煤的同时隔巷充填，在充填时同时埋设注碳管路，待采、充工序在全采区的采充固单元中完成后实施注碳工序以完成CO₂的地下封存，形成煤矿采充固一体化开采系统和方法。

一种煤矿充填开采协同二氧化碳固存系统，包括：

采充固单元：开采相互平行的两平巷以划定长壁工作面，之后在长壁工作面内，垂直于两平巷方向开掘多个相互平行的单元巷，相邻单元巷之间围成一封闭的采充固单元；每个采充固单元均包含2个中心对称的旺格维利短壁工作面；

连采机：用于回采采充固单元以形成旺格维利短壁工作面、待2个旺格维利短壁工作面充填后，回采每个采充固单元内2个密集旺格维利短壁工作面两侧的残留支巷煤柱；

伸缩式充填管路：用于先后充填2个旺格维利短壁工作面、充填采空的残留支巷煤柱；伸缩式充填管路经对应的平巷布设至旺格维利短壁工作面内；伸缩式充填管路随充随撤；

注碳管路：包括注碳支管和注碳主管，首先将注碳支管插入每个采空的残留支巷煤柱内，之后向每个采空的残留支巷煤柱内，经伸缩式充填管路注入充填料浆，基于充填料浆的凝固特性固定注碳支管的空间位置，以完成注碳支管的埋设；注碳支管的里端埋入充填料浆形成的充填体内，外端置空于其对应的平巷内；注碳主管悬吊布设在平巷内，注碳主管与其所在的平巷中所有注碳支管的外端连通。

一种煤矿充填开采协同二氧化碳固存系统的固存方法，包括以下步骤：

步骤a：开采相互平行的多个平巷以划定多个长壁工作面；其中，每两个相邻的平巷围成一个长壁工作面；

步骤b：在长壁工作面内平行开掘n个单元巷，划定采充固单元，确定首采采充固单元；首采采充固单元靠近轨道集中巷设置；轨道集中巷位于采固单元的后方；其中，基于各采充固单元，每条单元巷均连通两平巷；

步骤c：在首采采充固单元内布置左、右2个呈中心对称的旺格维利短壁工作面；

步骤d：对首采采充固单元内一个旺格维利短壁工作面采用连采机进行回采，回采后立即采用伸缩式充填管路进行充填，待充填料浆凝固后，对采充固单元内另一旺格维利短壁工作面进行回采和充填；

步骤e：对首采采充固单元内2个密集旺格维利短壁工作面两侧的残留支巷煤柱回采，回采后先向每个采空的残留支巷煤柱内插入注碳支管，然后采用伸缩式充填管路充填，以完成注碳支管的固定和埋设；

步骤f：充实位于首采采充固单元后方的单元巷，形成人工坝体；

步骤g：对同一长壁工作面内相邻的其余采充固单元循环实施步骤c~f，最后充实长壁工作面中最后一个采充固单元前方相邻的单元巷，形成人工坝体；

步骤h：在首采采充固单元左右两侧的平巷内布设注碳主管，汇集该平巷内的所有注碳支管；

步骤i：对采区内不同长壁工作面依次循环实施步骤a~h；

步骤j：汇集采区内所有注碳主管到注碳总管并通向地面注碳站，从地面注碳站向井下注入液态CO₂，完成整个采区所有采充固单元的固碳工序。

与现有技术相比，本发明的优点为：

（1）在实现无煤柱采煤显著提高煤炭采出率、大量处理煤矸石等废弃物、充分利用煤矿采空区空间的同时，将CO₂温室气体永久封存于井下采空区，为碳封存技术提供了新方法，为煤炭领域实现双碳目标提供了新思路。

（2）相较于传统充填开采方法，本发明不单以处理矸石和维护采空区上覆岩层为目的，而将充填材料赋予固碳型功能特性，使得对采空区和矸石材料的利用产生了高附加值效益。

（3）相较于传统地质封存CO₂方法，本发明具有固碳关键材料性质可控和注碳管路可控的优势，通过对固碳关键材料性质和注碳管路布设参数的调节，可实现对固碳效率和固碳能力的人为调控。

附图说明

图1是本发明的采区布置平面图；

图2是本发明的采充固单元作业流程图；

图3是本发明的采区采充固单元布置示意图；

图4是本发明的井地布置示意图；

图5是本发明的采充固单元实施例示意图。

其中，1-轨道集中巷；2-运输集中巷；3-轨道平巷；4-运输平巷；5-宽度D；6-距离L；7-单元巷；8-保护煤柱边界线；9-采充固单元；10-首采采充固单元；11-左侧旺格维利短壁工作面；12-右侧旺格维利短壁工作面；13-残留支巷煤柱；14-伸缩式充填管路；15-充填体；16-注碳支管；17-注碳主管；18-人工坝体；19-注碳总管；20-地面注碳站；21-地面充填站；22-竖直充填井；23-短壁支巷。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

本发明提供的一种煤矿充填开采协同二氧化碳固存系统及方法，通过致密的人工坝体在长壁工作面中隔离出采充固单元，在每个采充固单元中布置旺格维利短壁工作面并使用连采机完成采煤工序、布设伸缩式充填管路用以完成充填工序、埋设注碳管路用以后续完成固碳工序。

本发明利用连采机、伸缩式充填管路、注碳管路在连续采煤的同时隔巷充填，在充填时同时埋设注碳管路，待采、充工序在全采区的采充固单元中完成后实施注碳工序以完成CO₂的地下封存，形成煤矿充填开采协同二氧化碳固存系统及方法。

本发明在实现无煤柱采煤提高煤炭采出率、大量处理煤矸石、充分利用煤矿采空区空间的同时，将CO₂温室气体永久封存，为碳封存技术提供了新方法，具有低碳、安全、高利用率的特点。

如图1所示的采区布置平面图，长壁工作面需首先垂直于采区轨道集中巷1和运输集中巷2布置轨道平巷3和运输平巷4两条平巷，轨道平巷3和运输平巷4的间距即为该长壁工作面的宽度D（5），进一步垂直于两条平巷间隔距离L（6）平行开掘n个单元巷7，每条单元巷7均连通轨道平巷3和运输平巷4，长度为D（5），第一条单元巷沿着采区轨道集中巷1和运输集中巷2的保护煤柱边界线8布置，相邻2条单元巷7与两侧轨道平巷3和运输平巷4共同划定一个采充固单元9，第一条单元巷7参与划定的采充固单元9为首采采充固单元10。

如图2所示的采充固单元9作业流程图，I-IV所示：采充固单元9内反向密集布置左侧旺格维利短壁工作面11和右侧旺格维利短壁工作面12，两个旺格维利短壁工作面长度均为L（6），2个旺格维利短壁工作面合并宽度为D（5），2个反向密集（中心对称）布置的旺格维利短壁工作面两侧留置出采充固单元9内的残留支巷煤柱13（即旺格维利短壁工作面、其两侧的残留支巷煤柱，二者同时形成）。旺格维利短壁工作面采用连采机回采，左侧旺格维利短壁工作面11开采结束后立即通过单元巷7向左侧旺格维利短壁工作面11采空区内布设伸缩式充填管路14，并向内注入充填料浆，伸缩式充填管路14随充随撤，在左侧旺格维利短壁工作面11充填结束后完全撤出。待左侧旺格维利短壁工作面11采空区内充填料浆完全凝固为充填体15后，开采右侧旺格维利短壁工作面12，并依次完成右侧旺格维利短壁工作面12的布设伸缩式充填管路14、注入充填料浆、撤回伸缩式充填管路14的工序。

图2中，V图所示：左、右2个密集旺格维利短壁工作面采毕后从采充固单元9两侧的轨道平巷3和运输平巷4采用连采机对采充固单元9两侧残留支巷煤柱13进行回采。

图2中，VI-VIII图所示：2个密集旺格维利短壁工作面两侧的残留支巷煤柱13回采结束后，向每个采空的残留支巷煤柱13内插入注碳支管16，并立即由轨道平巷3和运输平巷4布设伸缩式充填管路14，向每个采空的残留支巷煤柱13注入充填料浆，利用充填料浆的凝固特性固定注碳支管16空间位置，以完成注碳支管16的埋设。此时每个注碳支管16里端埋设入充填体15内部，外端置空于轨道平巷3或运输平巷4中。

图2中，IX-X图所示：进一步在轨道平巷3及运输平巷4中悬吊布设注碳主管17，注碳主管17与其所在的轨道平巷3或运输平巷4中所有注碳支管16的外端连接，起到汇集注碳支管16的作用。

优选的，所述充填料浆主要以高温煅烧后的多孔煤矸石为骨料，并添加水泥、镁渣、粉煤灰作为化学固碳作用物质，掺水制备为充填料浆。充填并凝固于井下的充填料浆可对CO₂产生化学固碳作用，同时在地下高温高压环境中产生对CO₂的物理吸附和封闭作用，在化学、物理共同作用下实现对CO₂的安全、高效封存。

其中水泥和粉煤灰可起到胶黏剂的作用，将煤矸石颗粒胶结并形成具有承载力的充填体15，水泥的水化产物与水泥熟料可与CO₂镁渣和粉煤灰主要在固碳作用中起到了提供镁源和钙源的作用。式(1) ~ (2)为水泥水化产物与CO₂反应式，式(3) ~ (4)为水泥熟料与CO₂反应式，式(5) ~ (7)为镁源和钙源与CO₂反应式。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

如图2所示的采充固单元9作业流程图以及图3所示的采区采充固单元9布置示意图，待首采采充固单元10内的充填料浆凝固稳定后，对采充固单元9后方相邻的单元巷7采用致密的人工坝体18进行充实作业。优选的，人工坝体18主要材料为为C20混凝土材料，该材料的人工坝体18可以起到气密、抗变形、抗震的作用，维护内部的采充固单元9。

如图3所示的采区采充固单元9布置示意图，依次对同一长壁工作面内相邻的n个采充固单元9实施上述流程，待长壁工作面中最后一个采充固单元9内的充填料浆凝固稳定后，须同时对最后一个采充固单元9前、后方两个相邻的单元巷7采用致密的人工坝体18进行充实作业。

进一步依次对采区内各长壁工作面循环实施上述流程，完成整个采区采煤、充填、埋设注碳支管16的工序。

如图3所示的采区采充固单元9布置示意图4所示的井地布置示意图，注碳管路分为注碳支管16、注碳主管17和注碳总管19，注碳支管16插入采空的残留支巷煤柱13中，注碳主管17悬吊于轨道平巷3和运输平巷4内，并连通所在平巷内的所有注碳支管16。采区内各平巷中的注碳主管17通过注碳总管19连通并汇集，由注碳总管19从井下通向地面，连接地面注碳站20，由地面注碳站20向内注入液态CO₂，完成井下采区内所有采充固单元9的固碳工序。

如图4所示的井地布置示意图，所述充填料浆在地面充填站21进行制备后通过竖直充填井22输送至井下，竖直充填井22下口连接井下的伸缩式充填管路14，并通过伸缩式充填管路14向工作面内注入充填料浆。

煤矿充填开采协同二氧化碳固存方法：

步骤a：开采相互平行的多个平巷以划定多个长壁工作面；其中，每两个相邻的平巷围成一个长壁工作面。具体的，两个相邻的平巷为轨道平巷3和运输平巷4，布置轨道平巷3和运输平巷4，形成一个长壁工作面。由右向左，针对第二个长壁工作面，第一个长壁工作面的布置轨道平巷3作为第二个长壁工作面的运输平巷4。

步骤b：在长壁工作面内间隔L（6）平行开掘n个单元巷7，划定采充固单元9，确定首采采充固单元10；首采采充固单元10靠近轨道集中巷设置；轨道集中巷位于采充固单元9的后方；其中，基于同一采充固单元9，每条单元巷7均连通两平巷。

步骤c：在首采采充固单元10内布置左、右2个呈中心对称（反向密集布置）的旺格维利短壁工作面。

步骤d：对首采采充固单元10内一个旺格维利短壁工作面采用连采机进行回采，回采后立即采用伸缩式充填管路14进行充填，待充填料浆凝固后，对采充固单元9内另一旺格维利短壁工作面进行回采和充填。其中，充填料浆在地面充填站进行制备后通过竖直充填井输送至井下，竖直充填井下口连接井下的伸缩式充填管路14，并通过伸缩式充填管路14向工作面内注入充填料浆。

步骤e：对首采采充固单元10内2个密集旺格维利短壁工作面两侧的残留支巷煤柱13回采，回采后先向每个采空的残留支巷煤柱13内插入注碳支管16，然后采用伸缩式充填管路14充填，以完成注碳支管16的固定和埋设。

步骤f：充实位于首采采充固单元10后方相邻的单元巷7，形成致密的人工坝体18；

步骤g：对同一长壁工作面内相邻的其余采充固单元9依次循环实施步骤c~f，最后充实长壁工作面中最后一个采充固单元9前方相邻的单元巷7，形成致密的人工坝体18。

步骤h：在首采采充固单元10左右两侧的平巷内布设注碳主管17，汇集该平巷内的所有注碳支管16。

步骤i：对采区内不同长壁工作面依次循环实施步骤a~h。

步骤j：汇集采区内所有注碳主管到注碳总管并通向地面注碳站，从地面注碳站向井下注入液态CO₂，完成整个采区所有采充固单元的固碳工序。

依据上述对本发明的说明，结合某煤矿工程地质条件，进行实施例的说明。如图5所示的采充固单元实施例示意图，该矿轨道平巷3和运输平巷4的间距为40 m，即长壁工作面的宽度D（5）为40 m；采充固单元9内两个旺格维利短壁工作面长度均为52.43 m，即L（6）为52.43 m；两个旺格维利短壁工作面的短壁支巷23宽度均为5 m，上下方向斜宽为7.07 m，每个旺格维利短壁工作面均在左右两侧设置4个短壁支巷23。采充固单元9上下的单元巷宽度为5 m，每个长壁工作面长度均为234.7 m，每个长壁工作面内布置5条单元巷，4个采充固单元9。每个注碳支管16长度为10 m，置空于采充固单元9两侧平巷中的长度为1 m，埋设入充填体的长度为9 m，每个采充固单元9两侧各布置4个注碳支管16，即一个采充固单元9共埋设8个注碳支管16，每个长壁工作面中埋设32个注碳支管16。根据本发明公开的一种煤矿充填开采协同二氧化碳固存系统及方法，按照上述参数布置整个采区的采充固单元9后，从地面注碳站20向井下注入液态CO₂，实现整个采区所有采充固单元9的固碳工程。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种煤矿充填开采协同二氧化碳固存系统，其特征在于，包括：

采充固单元：开采相互平行的两平巷以划定长壁工作面，之后在长壁工作面内，垂直于两平巷方向开掘多个相互平行的单元巷，相邻单元巷之间围成一封闭的所述采充固单元；每个采充固单元均包含2个中心对称的旺格维利短壁工作面；

连采机：用于回采采充固单元以形成所述旺格维利短壁工作面、待2个旺格维利短壁工作面充填后，回采每个采充固单元内2个密集旺格维利短壁工作面两侧的残留支巷煤柱；

伸缩式充填管路：用于先后充填2个旺格维利短壁工作面、充填采空的残留支巷煤柱；所述伸缩式充填管路经对应的所述平巷布设至旺格维利短壁工作面内；所述伸缩式充填管路随充随撤；

注碳管路：包括注碳支管和注碳主管，首先将所述注碳支管插入每个采空的残留支巷煤柱内，之后向每个采空的残留支巷煤柱内，经伸缩式充填管路注入充填料浆，基于充填料浆的凝固特性固定注碳支管的空间位置，以完成注碳支管的埋设；所述注碳支管的里端埋入充填料浆形成的充填体内，外端置空于其对应的平巷内；所述注碳主管悬吊布设在平巷内，注碳主管与其所在的平巷中所有注碳支管的外端连通。

2.一种采用如权利要求1所述的煤矿充填开采协同二氧化碳固存系统的煤矿充填开采协同二氧化碳固存方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a：开采相互平行的多个平巷以划定多个长壁工作面；其中，每两个相邻的平巷围成一个长壁工作面；

步骤b：在长壁工作面内平行开掘n个单元巷，划定采充固单元，确定首采采充固单元；首采采充固单元靠近轨道集中巷设置；轨道集中巷位于采固单元的后方；其中，基于各采充固单元，每条单元巷均连通两平巷；

步骤c：在首采采充固单元内布置左、右2个呈中心对称的旺格维利短壁工作面；

步骤d：对首采采充固单元内一个旺格维利短壁工作面采用连采机进行回采，回采后立即采用伸缩式充填管路进行充填，待充填料浆凝固后，对采充固单元内另一旺格维利短壁工作面进行回采和充填；

步骤e：对首采采充固单元内2个密集旺格维利短壁工作面两侧的残留支巷煤柱回采，回采后先向每个采空的残留支巷煤柱内插入注碳支管，然后采用伸缩式充填管路充填，以完成注碳支管的固定和埋设；

步骤f：充实位于首采采充固单元后方的单元巷，形成人工坝体；

步骤g：对同一长壁工作面内相邻的其余采充固单元循环实施步骤c~f，最后充实长壁工作面中最后一个采充固单元前方相邻的单元巷，形成人工坝体；

步骤h：在首采采充固单元左右两侧的平巷内布设注碳主管，汇集该平巷内的所有注碳支管；

步骤i：对采区内不同长壁工作面依次循环实施步骤a~h；

步骤j：汇集采区内所有注碳主管到注碳总管并通向地面注碳站，从地面注碳站向井下注入液态CO₂，完成整个采区所有采充固单元的固碳工序。

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