JP6868747B2

JP6868747B2 - 天盤層裂か水と炭層ガスとを一緒に放出する方法

Info

Publication number: JP6868747B2
Application number: JP2020506900A
Authority: JP
Inventors: 財芳呉; 孝杰房; 寧寧劉; 小磊劉; 和偉張
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2039-04-01
Also published as: CN109339746A; KR102369397B1; CN109339746B; KR20200070214A; JP2021510398A; WO2020113870A1; AU2019323218A1

Description

本発明は、石炭採掘の技術分野に関し、特に天盤層裂か水（ｒｏｏｆｂｅｄｓｅｐａｒａｔｉｏｎｗａｔｅｒ）と炭層ガス（ＣｏａｌｓｅａｍｇａｓまたはＣｏａｌｍｅａｓｕｒｅｇａｓ）とを一緒に放出する方法に関するものである。

中国では炭鉱の水災害が頻繁に発生している。従来の水災害防御技術と防御能力は国際的に高度なレベルであるが、高透水層でない天盤層で形成された裂か水による水災害への防御は困難である。このような水災害は、瞬間的な噴出水量が多く、予兆できず、総水量が少なく、および周期的に発生するなどの特徴によって、鉱山生産の安全性における隠れた危険として周知されているが、裂か水による損傷の防御は現在困難であるため、それに対する研究は注目されている。これに関する研究では、裂か水の形成メカニズム、分布などの問題に集中している。また、鉱山の裂か水処理の予防と防御のコストが高いため、低コストおよび有効な方法を提供することは、理論上および実際上の重要な意義がある。

様々なタイプの垂直井（ｖｅｒｔｉｃａｌｗｅｌｌ）、クラスター型井（ｃｌｕｓｔｅｒｗｅｌｌ）、Ｕ型井、多分岐横型井に対し、様々な炭層ガス採掘方法が既に存在しているが、中国の石炭層は一般に低多孔性と浸透性の特徴があるため、生産量が低く、経済的利益は乏しい。

発明の名称が「石炭層ガス井戸の上下複合採掘方法」である特許文献ＣＮ１０４８１１３１Ａには、放水とガス採取とを同時に行うプロセスおよび単なる天盤層裂か水プロセスを開示しておらず、単に石炭層ガス採掘についての内容を開示している。当該特許文献によれば、石炭層ガスの井戸に対して上下立体複合採掘が可能であるが、石炭層の採掘により、横型井スリーブが周囲の岩で破壊され、石炭層ガスを継続的に採掘できないという問題および石炭鉱坑井の安全に関連するその他の問題を解決できない。

上記の従来技術の欠点を克服するために、本発明は、天盤層裂か水と炭層ガスとを一緒に放出する方法を提供する。この方法は、炭層ガスの放出・採掘、石炭の生産、石炭鉱坑井の裂か水による水災害の防御を整合し、石炭採掘過程における石炭層、作業面、採掘跡およびレーン内のガス含有量を低減し、ガスによる石炭安全採掘の災害を減らし、石炭採掘中のメタンの脱離を促進し、炭層ガス生産量を増加させ、石炭鉱採掘跡の天盤層の離層空間内の裂か水を防ぎ、天盤層裂か水による二次災害発生を防ぐことができ、経済的および社会的に大きな利益がある。

本発明で採用された技術は、天盤層裂か水と炭層ガスとを一緒に放出する方法であって、石炭岩層の断面構造は、Ｕ型井、採掘装置、採掘跡、石炭層、湾曲沈下帯、作業面、硬い岩層、柔らかい岩層、離層空間、および未採掘領域を含み、前記Ｕ型井は、垂直井、横型井、横型井の水平部、横型井の垂直部、および横型井傾斜部を含み、前記採掘装置は、チューブポンプ、送油管、吸引ロッド、通常のスリーブ、ガラス繊維強化プラスチックスリーブ、フレキシブル突合接続管、および密封装置を備え、前記放出する方法は、（１）石炭層ガスのみを採取するプロセスであって、石炭を採掘する前に、Ｕ型井の横型井の水平部に対して、通常のスリーブの定向穿孔および炭層のステップレート水圧破砕を行い、穿孔方向は垂直下方向であり、垂直井は主に排水に使用され、横型井はガス採掘に使用され、圧力による亀裂は石炭層および石炭層の天盤層における炭層ガスを採掘することに使用され、排気採掘方式は、負圧排気採掘であり、Ｕ型井のガス生産寿命が８〜１０年である統計結果に基づいて、ガス生産の効率を確保するために、採掘時間を８年に設定するプロセスと、
（２）放水とガス採取とを同時に行うプロセスであって、石炭層ガスのみを採取するプロセスが始まってから８年後、石炭層の採掘を行い、採掘跡が形成した後、密封装置によって、横型井の水平部における作業面に対応する位置にある通常のスリーブを密封することで、横型井の水平部を２つの部分に分割させ、前記２つの部分は、採掘跡の排水部および未採掘領域のガス採掘部であり、未採掘領域の炭層ガスを採掘し、同時に、採掘跡の湾曲沈下帯離層空間内の裂か水を放出し、この時、採掘跡に隣接する未採掘領域の片側にある石炭層は、作業面の採掘による影響を受け、減圧とガス脱離し、横型井のガス日産量が増加するプロセスと、
（３）層状の裂か水のみを排出するプロセスであって、作業面を前進し続け、作業面が横型井の垂直部に対応する位置に近づくと、密封装置が閉じ、この時、横型井の水平部と上方にある湾曲沈下帯との範囲内に複数の離層空間が形成され、上層の離層空間内の裂か水は亀裂によって導かれ、下方の離層空間内に流れ込み、この時、垂直井、横型井の垂直部および周囲の岩によって破壊されていない横型井の水平部を利用して、同時に排水し、層剥離による水災害の発生を防ぎ、地下作業面の安全性を確保し、作業面での採掘が完了すると、井戸を閉じるプロセスと、を含む天盤層裂か水と炭層ガスとを一緒に放出する方法である。

さらに、前記横型井の水平部は、採掘跡の湾曲沈下帯の底部から上に向かって初めて現れた第１層目の、上の層が硬い岩層であり、且つ下の層が柔らかい岩層である岩層同士の間にある領域に設置され、垂直井は、作業面に近づく側に設置され、横型井は、作業面から離れた側に設置され、横型井の水平部は、横型井傾斜部を介して横型井の垂直部に連通され、横型井の水平部は、採掘作業面（ｃｏａｌｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｏｒｃｏａｌｆａｃｅ）の回気レーン（ｒｅｔｕｒｎａｉｒｗａｙ）に近づく側に設置され、採掘石炭層が比較的に高ガス含有量の石炭層である場合、採掘作業面の送風レーン（ｉｎｔａｋｅｅｎｔｒｙ）の対応する位置に、同じ構造のＵ型井が配置される。

さらに、前記採掘作業面の後方に形成された採掘跡の天盤層湾曲沈下帯では、層分離が容易に発生することで、離層空間が形成され、且つ裂か水が流れて集められ、横型井の水平部が、最下層で離層空間を形成しうる硬い岩層の底部に隣接する柔らかい岩層の上部境界内に配置されると、当該層部は、先に最下層である離層空間を形成し、採掘作業を行うことにつれて、離層空間が形成された後、離層空間の未採掘領域側に隣接する第１の密封装置が開けられ、横型井の水平部を２つの部分に密封して分割させ、未採掘領域では、炭層ガスの採掘を行い、採掘跡では、裂か水を放水するための排水作業を行い、且つ、採掘跡の炭層ガスの排気採掘を行い、採掘作業中では、横型井の水平部が常に排水とガス採掘の２つの部分を形成するように、新たに形成された離層空間の未採掘領域側に隣接する第１の密封装置が順次開けられ、開けられた離層空間の垂直井側の密封装置が閉じられ、石炭層採掘が横型井の垂直部の対応する位置に達すると、最後の密封装置が閉じられ、垂直井、横型井の垂直部、および周囲の岩により破壊されていない横型井の水平部に対して、同時に排水作業を行う。

また、トップコールケービング採炭（ｔｏｐ−ｃｏａｌｃａｖｉｎｇｍｉｎｉｎｇ、緩やかに傾斜した非常に厚い炭層を採掘するための石炭採掘方法である）設計における各段のトップコールケービング長さに基づいて、密封装置の取り付け位置を確定し、密封装置の取付個数がｎ−１（ｎがトップコールケービングの段数）であり、横型井の水平部での２つの通常のスリーブの間にある接続箇所では、フレキシブル突合接続管が接続され、フレキシブル突合接続管の接続本数がｍー１（ｍが通常のスリーブの本数）である。

従来技術と比較して、本発明は以下の効果を有する。当該天盤層裂か水と炭層ガスとを一緒に放出する方法を使用することにより、炭層ガスの排出採掘、石炭生産、石炭鉱坑井の層間裂か水の水害を一括防止することができ、石炭採掘における石炭層、作業面、採掘跡および坑井内のガス含有量を減らすだけではなく、ガスによる炭鉱の安全生産への災害を減らし、石炭採掘過程においてメタンガスの脱離を促進することができ、炭層ガス生産量を増加するとともに、石炭鉱採掘跡における天盤層の離層空間内の裂か水を防ぎ、天盤層裂か水による二次災害発生を防ぐことができる。

本発明の天盤層裂か水と炭層ガスとを一緒に放出する方法において放水とガス採取とを同時に行うプロセスを示す概念図である。本発明における石炭層ガスのみを採取するプロセスを示す概念図である。本発明における裂か水のみを放出するプロセスを示す概念図である。

１−垂直井、２−横型井、３−横型井の水平部、４−横型井の垂直部、５−横型井傾斜部、６−密封装置、７−採掘跡、８−石炭層、９−湾曲沈下帯、１０−作業面、１１−硬い岩層、１２−柔らかい岩層、１３−離層空間、１４−未採掘領域、１５−チューブポンプ、１６−送油管、１７−吸引ロッド、１８−通常のスリーブ、１９−ガラス繊維強化プラスチックスリーブ、２０−フレキシブル突合接続管。

本発明をより理解するために、添付図面及び実施形態を参照しながら、本発明を説明する。以下の実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の保護範囲を限定するものではない。

図１に示すように、本発明においては、放水・ガス採取作業は、（１）石炭層ガスのみを採取するプロセス、（２）放水とガス採取とを同時に行うプロセス、（３）単に天盤層裂か水を放水するプロセス、３つのプロセスに分けられる。（１）図１に示すように、石炭層ガスのみを採取するプロセスでは、石炭を採掘する前に、Ｕ型井の横型井の水平部３に対して、通常のスリーブ１８の定向穿孔および炭層のステップレート水圧破砕を行い、穿孔方向は垂直下方向であり、垂直井１は主に排水作業に使用され、横型井２はガス採掘に使用され、圧力による亀裂は、石炭層８および石炭層の天盤層の炭層ガスに対して排気採掘を行うように使用され、排気採掘方式は負圧排気採掘であり、Ｕ型井は一般に使用寿命が８〜１０年である統計結果に基づいて、ガス生産の効率を確保するために、採掘時間を８年に設定する。（２）図２に示すように、放水とガス採取とを同時に行うプロセスでは、石炭層ガスのみを採取するプロセスが始まってから８年後に、石炭層８を採掘して、採掘跡７が形成された後、密封装置６によって、横型井の水平部３における作業面１０の位置にある通常のスリーブ１８を密封して、横型井の水平部３を２つの部分に分割させ、前記横型井の水平部３は、採掘跡７排水部および未採掘領域１４のガス採掘部であり、未採掘領域１４の炭層ガスを採掘し、同時に、採掘跡７の湾曲沈下帯９離層空間１３内の層裂か水を放出し、この時、未採掘領域１４における採掘跡７に近づく側にある石炭層８は、作業面１０の採掘動作による影響を受け、減圧およびガス脱離をさらに進行させることができ、横型井２のガス日産量が増加することができる。（３）図３に示すように、層裂か水のみを排出するプロセスでは、作業面１０を前進し続け、作業面１０が横型井の垂直部４に対応する位置に近づくと、密封装置６を閉じ、この時、横型井の水平部３と上方にある湾曲沈下帯９との範囲内に複数の離層空間１３が形成され、上層の離層空間１３内の層裂か水は亀裂によって導かれ、下方の離層空間１３に流れ込み、この時、垂直井１、横型井の垂直部４および周囲の岩によって破壊されていない横型井の水平部３を利用して、同時に排水し、総剥離による水災害の発生を防ぎ、地下作業面作業面１０の安全性を確保し、作業面１０での採掘が完了すると、井戸を閉じる。

上述した実施形態では、石炭鉱坑井の採掘工程平面の配置図により、排気採掘の井戸の設計位置を確定し、採掘領域での採掘開始端に垂直井が設けられ、作業面１０の進行方向に沿って横型井２が設けられ、採掘終了端には横型井の垂直部４が設けられ、横型井の水平部３は、湾曲沈下帯９の底部から上に向かって初めて現われる第１層目の、上の層が硬い岩層１１であり、且つ下の層が柔らかい岩層１２である岩層同士の間にある領域に設置され、垂直井１は、横型井の水平部３よりわずか深いが、割れ目層にまで至らない。横型井２と垂直井１とは負圧排気採掘方式を使用する。

上述した実施形態では、平面内で、好ましくは、横型井の水平部３は採掘作業面１０の回気レーンに近づく側に配置され、採掘石炭層が高ガス含有量の石炭層である場合、採掘作業面１０の送風レーンの対応する位置に、同じ構造のＵ型井が配置される。

上述した実施形態では、横型井２と垂直井１の両方が大径の穿孔工具で穿孔され、横型井の水平部３と垂直井１との接続箇所にガラス繊維強化プラスチックスリーブ１９が設置され、且つ、垂直井１の突合せ接続段の直径が０．５ｍに達するように機械的に拡径される。これによって、横型井の水平部３と垂直井１との接続は容易になる。

上述した実施形態では、横型井の垂直部４、横型井傾斜部５、および垂直井１の突合せ接続段を除いた部分は、通常のスリーブ１８で構成され、通常のスリーブ１８の内径が２００ｍｍであり、横型井の水平部３スリーブの組合せは、通常のスリーブ１８とフレキシブル突合接続管２０とが互いに接続されて構成され、フレキシブル突合接続管２０は、周囲の岩が変形した時に塑性的に伸縮することができ、横型井の水平部３の井の水平接続を確保することができる。

上述した実施形態では、垂直井１と横型井の水平部３との突合せ接続段の下部、および横型井の垂直部４の底部に、チューブポンプ１５が設置されている。チューブポンプ１５の上方に、送油管１６が接続され、送油管１６の内部に吸引ロッド１７が設けられ、トップコールケービング採炭設計の各段のトップコールケービング長さに応じて密封装置６の取り付け位置を確定し、密封装置６の数がｎ−１であり、（ｎがトップコールケービングの段数である）、横型井の水平部３の２つの通常のスリーブ１８の間にある接続箇所に、フレキシブル突合接続管２０が接続され、ここでは、合計ｍ−１本のフレキシブル突合接続管２０が接続される必要がある（ｍは、スリーブの本数である）。

本発明の実施形態では、好ましい実施形態を開示するが、本発明は、これに限定されない。当業者は、本発明の内容を容易に理解し、上記の実施形態に基づいて、異なる改良および変更を行うことができる。改良された内容は、本発明の思想から逸脱しない限り、いずれも本発明特許請求の範囲に含まれている。

Claims

天盤層裂か水と炭層ガスとを一緒に放出する方法であって、石炭岩層断面構造は、Ｕ型井、採掘装置、採掘跡（７）、石炭層（８）、湾曲沈下帯（９）、作業面（１０）、硬い岩層（１１）、柔らかい岩層（１２）、離層空間（１３）、および未採掘領域（１４）を含み、前記Ｕ型井は、垂直井（１）、横型井（２）、横型井の水平部（３）、横型井の垂直部（４）、および横型井傾斜部（５）を含み、前記採掘装置は、チューブポンプ（１５）、送油管（１６）、吸引ロッド（１７）、通常のスリーブ（１８）、ガラス繊維強化プラスチックスリーブ（１９）、フレキシブル突合接続管（２０）、および密封装置（６）を含み、前記天盤層裂か水と炭層ガスとを一緒に放出する方法は、
（１）石炭層ガスのみを採取するプロセスであって、石炭を採掘する前に、横型井の水平部（３）に対して、通常のスリーブ（１１）の定向穿孔および炭層のステップレート水圧破砕を行い、穿孔方向は垂直下方向であり、垂直井（１）は主に排水に使用され、横型井（２）はガス採掘に使用され、圧力による亀裂は、石炭層（８）および石炭層（８）の天盤層における炭層ガスを採掘することに使用され、排気採掘方式は負圧排気採掘であり、採掘時間を８年に設定するプロセスと、
（２）放水とガス採取とを同時に行うプロセスであって、石炭層ガスのみを採取するプロセスが始まってか８年後、石炭層（８）の採掘を行い、採掘跡（７）が形成された後、密封装置（６）によって、横型井の水平部（３）における作業面（１０）に対応する位置にある通常のスリーブ（１８）を密封することで、横型井の水平部（３）を２つの部分に分割させ、前記２つの部分は、採掘跡（７）の排水部および未採掘領域（１４）のガス採掘部であり、未採掘領域（１４）の炭層ガスを採掘し、同時に採掘跡（７）の湾曲沈下帯（９）の離層空間（１３）内の層裂か水を放出し、未採掘領域（１４）に対して、さらに減圧とガス脱離を行うプロセスと、
（３）天盤層裂か水のみを排出するプロセスであって、作業面（１０）を前進し続け、作業面（１０）が横型井の垂直部（４）に対応する位置に近づくと、密封装置（６）が閉じられ、この時、横型井の水平部（３）と上方にある湾曲沈下帯（９）との範囲内に複数の離層空間（１３）が形成され、上層の離層空間（１３）内の層裂か水は亀裂によって導かれ、下方の離層空間（１３）に流れ込み、この時、垂直井（１）、横型井の垂直部（４）、および周囲の岩により破壊されていない横型井の水平部（３）を利用して、同時に排水し、作業面（１０）の採掘が完了すると、井戸を閉じるプロセスとを含む、ことを特徴とする天盤層裂か水と炭層ガスとを一緒に放出する方法。
前記横型井の水平部（３）は、採掘跡（７）の湾曲沈下帯（９）の底部から上に向かっては詰めて現れた第１層目の、上の層が硬い岩層（１１）であり、且つ下の層が柔らかい岩層（１２）である岩層同士の間にある領域に配置され、垂直井（１）は、作業面（１０）に近づく側に設置され、横型井（２）は、作業面（１０）から離れた側に設置され、横型井の水平部（３）は、横型井傾斜部（５）を介して横型井の垂直部（４）に連通され、横型井の水平部（３）は、採掘作業面（１０）の回気レーンに近づく側に設置され、採掘石炭層が高ガス含有量の石炭層である場合、採掘作業面（１０）の送風レーンの対応する位置に、同じ構造のＵ型井が配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の天盤層裂か水と炭層ガスとを一緒に放出する方法。
前記採掘作業面（１０）の後方に形成された採掘跡（７）の天盤層湾曲沈下帯（９）では、層分離が容易に発生することで、離層空間（１３）が形成され、且つ裂か水が流れて集められ、横型井の水平部（３）が、最下層で離層空間を形成しうる硬い岩層（１１）の底部に隣接する柔らかい岩層（１２）の上部境界内に配置されると、当該層部は、先に最下層である離層空間（１３）を形成し、採掘作業を行うことにつれて、離層空間が形成された後、離層空間の未採掘領域（１４）側に隣接する第１の密封装置（６）が開けられ、横型井の水平部（３）を２つの部分に密封して分割させ、未採掘領域（１４）では、炭層ガスの採掘を行い、採掘跡（７）では、裂か水を放水するための排水作業を行い、且つ、採掘跡（７）の炭層ガスの排気採掘を行い、採掘作業中では、横型井の水平部（３）が常に排水とガス採掘の２つの部分を形成するように、離層空間（１３）の未採掘領域（１４）側に隣接する第１の密封装置（６）が開けられ、開けられた離層空間（１３）の垂直井（１）側の密封装置（６）が閉じられ、石炭層採掘が横型井の垂直部（４）の対応する位置に達すると、最後の密封装置（６）が閉じられ、垂直井（１）、横型井の垂直部（４）、および周囲の岩により破壊されていない横型井の水平部（３）に対して、同時に排水作業を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の天盤層裂か水と炭層ガスとを一緒に放出する方法。
前記チューブポンプ（１５）は、垂直井（１）と横型井の水平部（３）との突合せ接続段の下部および横型井の垂直部（４）の底部に設置され、チューブポンプ（１５）の上方に送油管（１６）が接続され、送油管（１６）の内部には吸引ロッド（１７）が設けられ、トップコールケービング採炭設計における各段のトップコールケービング長さに基づいて、密封装置の取り付け位置を確定し、密封装置（６）の取付個数がｎ−１であり、横型井の水平部（３）における２つの通常のスリーブ（１１）の間にある接続箇所にフレキシブル突合接続管（２０）が接続され、接続されたフレキシブル突合接続管（２０）の本数がｍー１であり、ただし、ｎがトップコールケービングの段数であり、ｍが通常のスリーブの本数である、ことを特徴とする請求項１に記載の天盤層裂か水と炭層ガスとを一緒に放出する方法。
横型井（２）と垂直井（１）との両方が大径の穿孔工具で穿孔され、横型井の水平部（３）と垂直井（１）との接続箇所に、ガラス繊維強化プラスチックスリーブ（１９）が設置され、且つ、横型井の水平部（３）と垂直井（１）とが高いに接続されるように、垂直井（１）突合せ接続段が０．５ｍに達するように機械的に拡径される、ことを特徴とする請求項１に記載の天盤層裂か水と炭層ガスとを一緒に放出する方法。