CN117287175B - 一种煤下铝土矿原位高效溶浸置换开采的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤下铝土矿原位高效溶浸置换开采的方法，属于能源高效绿色开采技术领域；通过布井、在煤层压裂、煤层的氧化还原反应放热、利用水取热，之后换热得到的热水用于配制溶浸液，再利用溶浸液注入到煤层以下的铝土矿层原位开采铝；本方法将煤炭的原位开采技术与对铝土矿的原位开采技术相结合，实现了煤及煤下铝土矿原位清洁绿色高效开采；本方法充分利用了煤层氧化还原反应后产生的热量，对采空区进行了换热，获得的热水在配置成溶浸液后可以提高溶浸效率，从而形成了资源的闭环利用；本发明可应用于地下金属矿藏的原位开采。
Description
技术领域
本发明属于能源高效绿色开采技术领域，涉及一种煤下铝土矿原位高效溶浸置换开采的方法。
背景技术
山西石炭-二叠系煤下铝土矿在全省含煤地层广泛分布，但是由于开采技术、勘探技术等的限制，目前许多煤层已被开采，但煤层下部伴生铝土矿未被开采甚至未被勘探，由此导致铝土矿井工开采过程中面临顶板维护困难、地下水侵入严重等问题，故目前铝土矿开采面临诸多技术难题。
现有该领域内的专利CN114482972A，公开了一种金属、非金属固体矿产矿体电极加热方法、系统及应用，所述金属、非金属固体矿产矿体电极加热方法包括：建井工艺流程、注入井和采出井的井身结构、油套管组合、完井及地层改造工艺、溶浸液注入、电极加热系统。利用的是溶浸液具有导电性的特点，将提高地层温度和生产方式结合在一起，但并未涉及具体的溶浸开采方法、溶浸液配置方法。现有该领域内的专利CN115405276A，利用煤的热解，从而收集焦油，实现煤层利用，并未针对铝土矿的开采给出相应的技术方案。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种煤下铝土矿原位高效溶浸置换开采的方法。以实现对煤炭的原位气化开采和对铝土矿的原位溶浸开采。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种煤下铝土矿原位高效溶浸置换开采的方法，包括以下步骤：
1）布井：在待开采的区域布置注入井和气液收集井；
2）压裂：通过注入井向煤层注入高压水进行压裂制造裂隙；
3）反应：通过注入井向煤层注入超临界水和氧气，超临界水的压力为20-40 MPa，温度为600℃-800℃；煤炭、氧气、水在高温条件下发生氧化还原反应，生成氢气与二氧化碳，通过气液收集井排出并收集反应气体；
4）换热：通过注入井注入高压水，对煤层反应结束后产生的采空区内存积的余热进行回收，得到的热水通过气液收集井排出并收集，用于配制溶浸液；
5）铝土矿溶浸提取：通过注入井将溶浸液送入位于煤层下方的铝土矿层，溶浸液与铝土矿层中的氧化铝充分反应，得到含铝的浸出液，通过气液收集井将浸出液提升至地面。
优选的，所述的布井是在矿区中心位置布置注入井，以注入井为中心，在四周布置多个气液收集井。
更优的，气液收集井的数量≥4，气液收集井呈十字形分布，注入井和气液收集井的井间距为30m-100m。
优选的，所述的压裂是先将注入井布置在煤层中，并在对应煤层的注入井上开设射孔，再使用高压水生成装置生成高压水，通过注入井注入煤层。
优选的，所述的反应是利用高温高压超临界水生成装置和氧气发生装置持续生成高温高压超临界水与氧气，交替通过注入井注入到煤层中，推进氧化还原反应的持续进行。
优选的，所述换热的终点是当换热得到的水温低于40℃时停止换热工作。
优选的，所述的铝土矿溶浸提取是先使用封堵剂通过注入井注入到对应煤层的射孔段中，使得射孔封闭，之后将注入井延伸至铝土矿层并同时进行射孔作业；并且对气液收集井对应铝土矿层的射孔开启，封堵气液收集井对应煤层的射孔；然后通过溶浸液生成装置生成溶浸液，通过注入井将溶浸液注入到铝土矿层中。
优选的，铝土矿溶浸提取结束后，对开采后的铝土矿进行注浆封闭，避免残留在矿层中的溶浸液污染其它地层。
优选的，所述的溶浸液为：硫酸、盐酸、氢氟酸、苯甲酸、醋酸、氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液、氯化钠溶液、氯化铵溶液等能与氧化铝反应且反应过程较为安全的酸碱溶液。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
1、本方法以超临界水为介质原位开采煤炭中有机质，利用残碳热量对常温水进行加热，进而与酸碱进行配置溶液，在铝土矿中注入酸碱溶液与氧化铝发生化学反应，进而通过溶浸置换方法开采，超临界水与煤炭反应放出的热量会加热酸碱溶液，提高酸碱与氧化铝的反应速率。本方法将煤炭的原位开采技术与对铝土矿的原位开采技术相结合，实现了煤及煤下铝土矿原位清洁绿色高效开采。本发明方法有着很高的开发效率，施工成本相对较低。
2、本方法充分利用了煤层氧化还原反应后产生的热量，对采空区进行了换热，获得的热水在配置成溶浸液后可以提高溶浸效率，从而形成了资源的闭环利用，节约了系统的运行成本。
3、本方法在开采铝土矿时使用了溶浸置换的方法，相较于其他开采方法，对地下生态环境的影响较小。
附图说明
图1是本发明所述煤下铝土矿原位高效溶浸置换开采方法所涉及的装置布置示意图。
图2是本发明所述的注入井射孔部分的细节示意图。
图3是本发明所述的布井结构示意图。
图中标号：1-气液收集装置；2-气液收集井；3-高压水生成装置；4-高温高压超临界水生成装置；5-氧气发生装置；6-溶浸液生成装置；7-封堵剂生成装置；8-注入井；9-地层；10-煤层；11-铝土矿层。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
参见图1、图2和图3，本实施例提出一种煤下铝土矿原位高效溶浸置换开采的方法。
根据山西省煤下铝分布情况，在分布深度为800m的煤下铝土矿使用该方法开发煤炭与煤下铝资源，具体步骤如下：
1）在地面进行钻井作业，在矿区中心位置布置注入井8，以注入井8为中心，在四周布置气液收集井2，气液收集井2伸入至煤下的铝土矿层11，气液收集井2对应煤层10的位置以及对应铝土矿层11的位置均开有射孔，先将对应铝土矿层11的射孔封堵，开启对应煤层10的射孔；气液收集井2应至少布置四组，呈“十”字形分布，注入井8和气液收集井2的井间距设置为80m。
2）先将注入井8布置在煤层10（煤层10的上方为地层9），并在对应煤层（10）的注入井（8）上开设射孔，再使用高压水生成装置3生成高压水，通过注入井8注入煤层10，利用水力致裂或水平井致裂的方式在煤层10中制造裂隙，为之后的氧化还原反应增加反应面积。
3）利用高温高压超临界水生成装置4将压力为23MPa，温度达到800℃的超临界水通过注入井8注入煤层10，对煤层10进行充分预热。
4）使用氧气发生装置5生成氧气，通过注入井8注入煤层10，使煤炭、氧气、水在高温条件下发生氧化还原反应，生成氢气与二氧化碳，利用地面的气液收集装置1配合地下的气液收集井2收集所有反应气体并加以利用。同时，氧化还原反应所放出的大量热量可以将煤层10加热至800℃以上，从而为之后的采空区余热利用创造条件。
5）利用高温高压超临界水生成装置4和氧气发生装置5持续生成高温高压超临界水与氧气，交替通过注入井8注入到煤层10中，推进氧化还原反应的持续进行。
6）在煤层反应结束后，采空区仍留有大量余热，此时，通过高压水生成装置3生成高压水，通过注入井8注入煤层采空区进行换热，所得到的热水通过地面的气液收集装置1与地下的气液收集井2被带到地面，经过处理后用于配置溶浸液，当换热得到的水温低于40℃时停止换热工作。
7）通过封堵剂生成装置7制备封堵剂，将封堵剂通过注入井8注入到注入井8的煤层射孔段中，使得射孔封闭，之后将注入井8延伸至铝土矿层11并同时进行射孔作业；并且对气液收集井2对应铝土矿层11的射孔开启，封堵对应煤层10的射孔。
8）通过溶浸液生成装置6生成溶浸液，通过注入井8将溶浸液注入到铝土矿层11中。溶浸液为：硫酸、盐酸、氢氟酸、苯甲酸、醋酸、氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液、氯化钠溶液、氯化铵溶液等能与氧化铝反应且反应过程较为安全的酸碱溶液。
9）溶浸液与铝土矿层11中的氧化铝充分反应，得到含铝的浸出液，通过地面的气液收集装置1与地下的气液收集井2将浸出液提升至地面，加以处理后得到铝的产物，从而完成对铝土矿的原位开采。
10）对开采后的铝土矿进行注浆封闭，避免残留在矿层中的溶浸液污染其它地层。
实施例2
本实施例采用的一种煤下铝土矿原位高效溶浸置换开采的方法与实施例1整体相同，不同之处在于本方法应用于分布深度为1500m的煤下铝土矿，即本方法同样适用于对深部铝土矿层的开采；对于分布深度为1500m的煤下铝土矿，注入井8和气液收集井2的井间距设置为50m。在步骤3）中采用的超临界水的压力为37.5MPa，温度为600℃。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (4)
1.一种煤下铝土矿原位高效溶浸置换开采的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）布井：在待开采的区域布置注入井（8）和气液收集井（2）；
2）压裂：通过注入井（8）向煤层（10）注入高压水进行压裂制造裂隙；所述的压裂是先将注入井（8）布置在煤层（10）中，并在对应煤层（10）的注入井（8）上开设射孔，再使用高压水生成装置（3）生成高压水，通过注入井（8）注入煤层（10）；
3）反应：利用高温高压超临界水生成装置（4）和氧气发生装置（5）持续生成高温高压超临界水与氧气，交替通过注入井（8）注入到煤层（10）中，推进氧化还原反应的持续进行；超临界水的压力为20-40 MPa，温度为600℃-800℃；煤炭、氧气、水在高温条件下发生氧化还原反应，生成氢气与二氧化碳，通过气液收集井（2）排出并收集反应气体；
4）换热：通过注入井（8）注入高压水，对煤层反应结束后产生的采空区内存积的余热进行回收，得到的热水通过气液收集井（2）排出收集，用于配制溶浸液；换热的终点是当换热得到的水温低于40℃时停止换热工作；
5）铝土矿溶浸提取：先使用封堵剂通过注入井（8）注入到对应煤层（10）的射孔段中，使得射孔封闭，之后将注入井（8）延伸至铝土矿层（11）并同时进行射孔作业；并且对气液收集井（2）对应铝土矿层（11）的射孔开启，封堵气液收集井（2）对应煤层（10）的射孔；然后通过溶浸液生成装置（6）生成溶浸液，通过注入井（8）将溶浸液注入到铝土矿层（11）中；溶浸液与铝土矿层（11）中的氧化铝充分反应，得到含铝的浸出液，通过气液收集井（2）将浸出液提升至地面；
铝土矿溶浸提取结束后，对开采后的铝土矿进行注浆封闭，避免残留在矿层中的溶浸液污染地层。
2.根据权利要求1所述的一种煤下铝土矿原位高效溶浸置换开采的方法，其特征在于，所述的布井是在矿区中心位置布置注入井（8），以注入井（8）为中心，在四周布置多个气液收集井（2）。
3.根据权利要求2所述的一种煤下铝土矿原位高效溶浸置换开采的方法，其特征在于，气液收集井（2）的数量≥4，气液收集井（2）呈十字形分布，注入井（8）和气液收集井（2）的井间距为30m-100m。
4.根据权利要求1所述的一种煤下铝土矿原位高效溶浸置换开采的方法，其特征在于，所述的溶浸液为硫酸、盐酸、氢氟酸、苯甲酸、醋酸、氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液、氯化钠溶液、氯化铵溶液中的一种。
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