CN116220648A - 一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的装置及方法，属于煤炭地下气化技术领域，包括采空区，每个采空区内有煤矸石，每个采空区的上方均水平设有若干垂直井，垂直井下端与采空区连通，采空区的顶部有遗留煤，采空区的左右两侧均有巷道保安煤柱，巷道保安煤柱的侧面埋设有注气管道，注气管道内安装有若干点火节点，本发明通过矸石充填保证采空区上覆岩层稳定性，进而维持有井式煤炭地下气化的有效燃烧，保障气化产生的气体按照设定通道收集；另一方面，通过地下剩余煤炭资源的燃烧，产生的高温促使充填体内的煤矸石有机质发生热解、裂解为可利用的可燃气体，使其随气化过程的进行同步转化利用。
Description
技术领域
本发明属于煤炭地下气化技术领域，具体涉及一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的装置及方法。
背景技术
通常，煤炭资源的井工开采，井下往往剩余大量难采资源无法开采利用，这些煤炭资源的损失造成大量煤炭资源的浪费，有井式煤炭地下气化是通过控制燃烧的方式，向地下剩余难采资源中注入O2、CO2、H2O、N2等混合气体后将其点燃形成高温气体，进而使剩余煤炭资源可控氧化，产生CO、CH4、H2等可燃气体并开发利用。但是该方法很大程度上受到采空区上覆岩层稳定性和地层水含量的约束，上覆岩层垮落沉陷后若沟通地表，地下气化以后其地层封闭性遭到破坏，气化产生的气体可能无法按照预定抽采井采出；地层含水量过高时，煤层可能难以实现点火。煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾的采空区充填是消纳煤矸石等固废、防治采空区沉陷的有效方法，通常采用井下充填、连采连充、地面钻井充填等方法完成。但是煤矸石本身也富集一定量的有机质，在无法直接利用的情况下，充填至采空区也会造成一定程度的资源浪费。为此，需要一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的装置及方法来解决此问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的装置及方法。
为达上述目的，本发明提供了一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的装置及方法，包括地下煤层内从右往左依次水平设置的若干采空区，每个所述采空区内均填充有煤矸石，每个所述采空区的上方均从前往后依次水平设有若干垂直井，若干所述垂直井下端插入到地下煤层内与所述采空区连通，所述采空区的顶部有遗留煤，所述采空区的左右两侧均有巷道保安煤柱，所述巷道保安煤柱的侧面埋设有注气管道，所述注气管道内安装有若干点火节点。
进一步的，所述垂直井之间的间距等于所述垂直井充填固废扩散半径的2倍。
进一步的，所述注气管道内与所述垂直井底部均安装有温度传感器。
一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的方法，包括如下步骤：
S1：施工建设若干垂直井，若干垂直井的上端设置有市政供暖发电系统与余热利用系统，若干垂直井下端钻入到地面内的煤层中，煤层开采完后形成采空区，垂直井下端与采空区连通，采空区顶部有遗留煤采空区左右两侧壁均有巷道保安煤柱，工作面采煤作业结束后，通过垂直井向采空区内填充煤矸石，填充完成后将所有的垂直井封闭，形成气化用注气井和采出井；
S2：垂直井封闭完成后，按照工作面方向，从工作面一端打开一口垂直井作为注气井，向注气管道内注气，注气方向从前往后，注气过程中将工作面最后端的垂直井打开形成气体开采井，使注气井与注气管道到连同最后端的垂直井处形成第一循环通路；
S3：第一循环通路形成后，通过注气管道内最后方的点火节点对巷道保安煤柱进行点火，点火后巷道保安煤柱燃烧产生的热量在气流作用下从巷道处流向垂直井，在巷道保安煤柱与垂直井之间形成遗留煤与煤矸石的气化热解区；
S4：热解气体自气体开采井采出后为高温气体，气体中所携带的热量可供垂直井上端井口处的市政供暖发电系统与余热利用系统进行供能；
S5：气体热量提取完成后，经过气体分离纯化系统，对气化产生的气体进行分离提取，提取回收气体中富含的可燃气体H2、CH4与CO；
S6：随着巷道保安煤柱的燃烧和气化，燃烧区逐步从后向前移动，当从后往前数的下一个点火节点的温度达到400℃时，依次打开从后往前数的下一个垂直井，并且关闭前一个垂直井，形成第二循环通路，当第二循环通路形成后，对第二循环通路中的巷道保安煤柱进行点火作业，使整个气化循环逐步向前移动；
S7：重复步骤S6，完成后续的气化热解工作。
进一步的，气化热解区的温度是巷道保安煤柱燃烧处的温度。
进一步的，气化热解区的温度为1100℃，气化热解区的温度向前后两侧逐渐降低，且至垂直井处的温度为400℃。
进一步的，注气管道内注入的气体组成为O2、CO2、H2O、N2的混合气。
本发明的优点是：本发明通过矸石充填保证采空区上覆岩层稳定性，进而维持有井式煤炭地下气化的有效燃烧，保障气化产生的气体按照设定通道收集；另一方面，通过地下剩余煤炭资源的燃烧，产生的高温促使充填体内的煤矸石有机质发生热解、裂解为可利用的可燃气体，使其随气化过程的进行同步转化利用。
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明采空区俯面结构剖视图。
图3是本发明采空区预埋注气管道示意图。
图4是本发明煤炭地下气化与固废回填的一体化流程图。
附图标记说明：1、采空区；2、垂直井；3、遗留煤；4、巷道保安煤柱；5、注气管道；6、点火节点。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“对齐”、“重叠”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1
本实施例提供了如图1～图4所示的一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的装置，包括地下煤层内从右往左依次水平设置的若干采空区1，每个采空区1内均填充有煤矸石，每个采空区1的上方均从前往后依次水平设有若干垂直井2，若干垂直井2下端插入到地下煤层内与采空区1连通，采空区1的顶部有遗留煤3，采空区1的左右两侧均有巷道保安煤柱4，巷道保安煤柱4的侧面埋设有注气管道5，注气管道5内安装有若干点火节点6。
进一步的，垂直井2之间的间距等于垂直井2内充填固废扩散半径的2倍。
进一步的，注气管道5内与垂直井2底部均安装有温度传感器。
一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的方法，包括如下步骤：
S1：施工建设若干垂直井2，若干垂直井2的上端设置有市政供暖发电系统与余热利用系统，若干垂直井2下端钻入到地面内的煤层中，煤层开采完后形成采空区1，垂直井2下端与采空区1连通，采空区1顶部有遗留煤3采空区1左右两侧壁均有巷道保安煤柱4，工作面采煤作业结束后，通过垂直井2向采空区1内填充煤矸石，填充完成后将所有的垂直井2封闭，形成气化用注气井和采出井；
S2：垂直井2封闭完成后，按照工作面方向，从工作面一端打开一口垂直井作为注气井，向注气管道5内注气，注气方向从前往后，注气过程中将工作面最后端的垂直井2打开形成气体开采井，使注气井与注气管道5到连同最后端的垂直井2处形成第一循环通路；
S3：第一循环通路形成后，通过注气管道5内最后方的点火节点6对巷道保安煤柱4进行点火，点火后巷道保安煤柱4燃烧产生的热量在气流作用下从巷道处流向垂直井2，在巷道保安煤柱4与垂直井2之间形成遗留煤3与煤矸石的气化热解区；
S4：热解气体自气体开采井采出后为高温气体，气体中所携带的热量可供垂直井2上端井口处的市政供暖发电系统与余热利用系统进行供能；
S5：气体热量提取完成后，经过气体分离纯化系统，对气化产生的气体进行分离提取，提取回收气体中富含的可燃气体H2、CH4与CO；
S6：随着巷道保安煤柱4的燃烧和气化，燃烧区逐步从后向前移动，当从后往前数的下一个点火节点6的温度达到400℃时，依次打开从后往前数的下一个垂直井2，并且关闭前一个垂直井2，形成第二循环通路，当第二循环通路形成后，对第二循环通路中的巷道保安煤柱4进行点火作业，使整个气化循环逐步向前移动；
S7：重复步骤S6，完成后续的气化热解工作。
进一步的，气化热解区的温度是巷道保安煤柱4燃烧处的温度。
进一步的，气化热解区的温度为1100℃，气化热解区的温度向前后两侧逐渐降低，且至垂直井2出的温度为400℃。
进一步的，注气管道5内注入的气体组成为O2、CO2、H2O、N2的混合气。
工作过程:
井工开采后，采空区1内的残余煤炭资源包括巷道保安煤柱4与顶部的遗留煤3,同时采空区1内部还有残余一定量的剩余煤；井工开采过程中，随着工作面的推进，在巷道保安煤柱4侧面预先埋设注气管道5，管道内预装有温度传感器和点火节点6，点火节点6的点火方式为电点火，随着工作面的推进，在采空区1上部顺着工作面走向，按照一定间距施工垂直井2，此时垂直井2为煤矸石充填井，垂直井2间距根据煤矸石的充填工艺确定，选择水力充填工艺时，通过矸石浆流动性及其扩散半径确定井间距，通常垂直井2的井间距为矸石浆扩散半径的2倍，工作面采煤作业结束后，通过采空区1上部的垂直井2向采空区1内充填煤矸石；
待充填作业结束后，在垂直井2底部安装温度传感器，并实施封井，此时将垂直井2改为气体采出井，垂直井2改造完成后，开始向注气管道5内注气，气体组成为O2、CO2、H2O、N2的混合气，注气方向如图2中箭头所示从前往后，注气过程中保持图2中前侧垂直井2封闭，保持最后侧垂直井2打开，使气体在井下形成通路，称之为第一循环通路，通路形成后，保持气体持续注入，并通过图2中的最前侧注气管道5内的点火节点6，对巷道保安煤柱4进行点火，点火后巷道保安煤柱4燃烧产生的热量在气流作用下从巷道处流向垂直井2，在巷道与垂直井2之间形成井下残余煤与煤矸石的气化热解区；
根据注气管道5内和气体开采井底部的温度传感器，实时监测气化区温度，并根据温度情况调整注气比例和流速，理想的气化热解区温度是注气管道5处，也就是巷道保安煤柱4燃烧处的温度为1100℃，向两侧逐渐降低，至垂直井2处的温度为400℃，当巷道煤柱燃烧处的温度低于1100℃时，增大注入气体中的O2浓度，当气体开采井处的温度低于400℃时，增大气体流量；
随着井下的巷道保安煤柱4的燃烧和气化，燃烧区逐步从图2中向前侧移动，当第二点火节点6(后方起始为第一)温度达到400℃时，打开第二个垂直井2，关闭第一个垂直井2，此时形成第二循环通路，当第二循环通路形成后，对第二节点巷道煤柱进行点火作业，从而使整个气化循环逐步向左侧移动，热解气体采出后，在地面仍为高温气体，此时可在采出井口设置例如市政供暖、发电等余热利用系统；其中，充填进垂直井2内的固废还可以用粉煤灰、建筑固废并混合一定量的农林废弃物替代，进一步扩大本方法的适用范围，增加本方法处理固废的应用潜力。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的装置，其特征在于：包括地下煤层内从右往左依次水平设置的若干采空区(1)，每个所述采空区(1)内均填充有煤矸石，每个所述采空区(1)的上方均从前往后依次水平设有若干垂直井(2)，若干所述垂直井(2)下端插入到地下煤层内与所述采空区(1)连通，所述采空区(1)的顶部有遗留煤(3)，所述采空区(1)的左右两侧均有巷道保安煤柱(4)，所述巷道保安煤柱(4)的侧面埋设有注气管道(5)，所述注气管道(5)内安装有若干点火节点(6)。
2.如权利要求1所述的一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的装置，其特征在于：所述垂直井(2)之间的间距等于采空区1内矸石充填体扩散半径的2倍。
3.如权利要求1所述的一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的装置，其特征在于：所述注气管道(5)内与所述垂直井(2)底部均安装有温度传感器。
4.一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：施工建设若干垂直井(2)，若干垂直井(2)的上端设置有市政供暖发电系统与余热利用系统，若干垂直井(2)下端钻入到地面内的煤层中，煤层开采完后形成采空区(1)，垂直井(2)下端与采空区(1)连通，采空区(1)顶部有遗留煤(3)采空区(1)左右两侧壁均有巷道保安煤柱(4)，工作面采煤作业结束后，通过垂直井(2)向采空区(1)内填充煤矸石，填充完成后将所有的垂直井(2)封闭，形成气化用注气井和采出井；
S2：垂直井(2)封闭完成后，按照工作面方向，从工作面一端打开一口垂直井作为注气井，向注气管道(5)内注气，注气方向从前往后，注气过程中将工作面最后端的垂直井(2)打开形成气体开采井，使注气井与注气管道(5)到连同最后端的垂直井(2)处形成第一循环通路；
S3：第一循环通路形成后，通过注气管道(5)内最后方的点火节点(6)对巷道保安煤柱(4)进行点火，点火后巷道保安煤柱(4)燃烧产生的热量在气流作用下从巷道处流向垂直井(2)，在巷道保安煤柱(4)与垂直井(2)之间形成遗留煤(3)与煤矸石的气化热解区；
S4：热解气体自气体开采井采出后为高温气体，气体中所携带的热量可供垂直井(2)上端井口处的市政供暖发电系统与余热利用系统进行供能；
S5：气体热量提取完成后，经过气体分离纯化系统，对气化产生的气体进行分离提取，提取回收气体中富含的可燃气体H2、CH4与CO；
S6：随着巷道保安煤柱(4)的燃烧和气化，燃烧区逐步从后向前移动，当从后往前数的下一个点火节点(6)的温度达到400℃时，依次打开从后往前数的下一个垂直井(2)，并且关闭前一个垂直井(2)，形成第二循环通路，当第二循环通路形成后，对第二循环通路中的巷道保安煤柱(4)进行点火作业，使整个气化循环逐步向前移动；
S7：重复步骤S6，完成后续的气化热解工作。
5.如权利要求4所述的一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的方法，其特征在于：气化热解区的温度是巷道保安煤柱(4)燃烧处的温度。
6.如权利要求5所述的一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的方法，其特征在于：气化热解区的温度为1100℃，气化热解区的温度向前后两侧逐渐降低，且至垂直井(2)处的温度为400℃。
7.如权利要求4所述的一种地下残余煤炭气化与固废回填一体化的方法，其特征在于：注气管道(5)内注入的气体组成为O2、CO2、H2O、N2的混合气。
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|---|---|---|---|---|
| CN116804361A (zh) * | 2023-06-26 | 2023-09-26 | 中国矿业大学(北京) | 覆岩分层温度监测方法、系统、电子设备及存储介质 |
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Cited By (2)
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| CN116804361A (zh) * | 2023-06-26 | 2023-09-26 | 中国矿业大学(北京) | 覆岩分层温度监测方法、系统、电子设备及存储介质 |
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