二氧化碳置換礦井採空區瓦斯的方法

2023-05-29 18:47:41

專利名稱：二氧化碳置換礦井採空區瓦斯的方法
技術領域：
本發明屬於煤炭開採領域，涉及用二氧化碳置換礦井採空區瓦斯的方法。
背景技術：
在煤炭開採過程中，會形成大量的採空區，有的採空區空間可達百萬立方米，多個 相鄰的採空區總體積可達千萬立方米以上。採空區被冒落帶頂板巖石等充填，由於採空區 上方覆蓋著厚厚的基巖及地表鬆散層，為防止採空區漏風發生採空區自然發火現象，還對 所有通向採空區的巷道等出口施工防火密閉，採空內的氣體由於沒有向外洩出的通道，可 在內部長期封存。其中煤層中賦存大量瓦斯湧到採掘空間，給煤礦安全生產帶來嚴重危害。 目前在煤層瓦斯在開採過程中湧出形式主要有以下幾種一是通過抽放管路被抽採出來， 二是隨礦井風流帶到地面排到大氣中，三是在採煤時瓦斯充填於工作面後方採空區。從總 體來看，這三種瓦斯湧出形式中抽放與礦井風流攜帶的瓦斯約佔總量的50%左右，採空區 充填的瓦斯佔總量近50%，不同的礦井由於煤層瓦斯賦存條件不同、開採方法及瓦斯流通 量措施等差異，所佔比例也有所不同，但採空區充填大量的瓦斯是共同要面對的課題。採空 區存在大量瓦斯的原因是工作面回採過程中，煤層中瓦斯釋放出來後向上浮動到採空區 冒落帶和裂隙帶貯存起來；採空區遺煤中的瓦斯解析出來充填於採空區；鄰近煤層及巖層 中瓦斯受採動影響，在瓦斯壓力的作用下釋放到採空區。在高瓦斯礦井中，一般來說採煤工 作面採空區在工作面採煤結束並封閉完一段時間後，採空區中的瓦斯濃度很高，一般都在 50%以上，甚至接近100%。採空區雖然貯存了大量高濃度的瓦斯，但由於絕大部分採空區都存在較為嚴重的 浮煤自燃發火隱患，為防止空氣進入採空區，所以一般不會採取直接抽取採空區瓦斯的方 法來應用這一部分瓦斯。採空區瓦斯貯存時間較長後，由於採空區瓦斯不斷增加，採空區瓦 斯壓力有時會比較大，為防止採空區瓦斯在壓力作用下湧進相鄰採煤工作面而帶來瓦斯隱 患，會採取自然卸壓的方法來降低採空區瓦斯壓力，即利用採空區預留在採空區密閉上，伸 向採空區內部的管道卸壓採空區內部瓦斯壓力，而採空區仍維持很高的瓦斯濃度，以防止 採空區浮煤發生自燃。但現有的已採完並封閉後的採空區瓦斯利用率很低，基本為0。由於從採空區直接 抽取瓦斯易使採空區周圍巷道及採場空間的空氣等進入採空區，使採空區浮煤自燃發火危 險加大，加上採空區內瓦斯濃度很可能在爆炸範圍之內，極易發生採空區瓦斯爆炸事故，由 於煤炭開採時，在礦山壓力的作用下，大量採空區很可能都互相連通，且與正在開採的採煤 工作面後方採空區連通，爆炸及火災可能影響到正在開採的工作面，可能給礦井安全生產 帶來很大影響。對採空區瓦斯進行處理的另一種方式是利用二氧化碳置換。煤礦井口附近一般都有電廠等用煤大戶，至少也有較大型的燃煤鍋爐等耗煤量較 大的設備。這些設備在燃煤過程中要釋放大量的二氧化碳，並直接排放到大氣中，對大氣環 境造成破壞。隨著人類對二氧化碳溫室效應的認識，近年來要求減少二氧化碳排放的呼聲越來越高，也有少量的企業開始對產生的二氧化碳進行處理，目前主要的方法為通過向地 下巖層打鑽，向地下巖層裂隙中壓注二氧化碳。向地下巖層裂隙中壓注二氧化碳的封存技術成本很高，難以被用戶接受。主要有 首先要勘探地下巖層中裂隙情況，找到裂隙發育的區域，然後打壓注鑽孔，為壓注創造條 件；其次是燃煤設備等煙氣中除了含有大量的二氧化碳，還有大量的氮氣，由於地層裂隙空 間畢竟有限，勘探及施工鑽孔成本也很高，為提高二氧化碳壓注量，要考慮採取高壓壓注手 段，以提高二氧化碳在地下裂隙水體中的溶解度，甚至採取液態壓注手段等。

發明內容
本發明的目的是提供一種利用二氧化碳置換礦井採礦區瓦斯的方法。對地面燃煤鍋爐等燃燒過程中產生的二氧化碳，採用管道向井下輸送到已封閉並 富集大量高濃度瓦斯採空區的下部區域，經採空區密閉上預設的伸向採空區內的管道輸送 到採空區內。在此採空區的上部區域的密閉上設置伸向採空區內的瓦斯釋放管道，收集從 採空區釋放出來的瓦斯，並輸送到地面的變壓吸附分離等瓦斯利用設備。由於瓦斯氣體比 二氧化碳輕得多且採空區氣流基本上處於停滯狀態，二氧化碳從採空區下方注入採空區後 會自然在採空區下部區域貯存，並隨二氧化碳注入量的不斷增加而向採空區上部區域擴 張，直至充滿整個採空區。由於注入的二氧化碳擠壓縮了原採空區瓦斯的貯存空間，瓦斯會 自然上浮，並富集在採空區上部區域空間。通過上部區域的密閉或鑽孔等手段收集這一區 域富集的採空區瓦斯，從而實現在二氧化碳封存的同時，置換出原採空區中的瓦斯並加以 利用。二氧化碳注入採空區後，由於二氧化碳屬於惰性氣體，可以很好地抑制採空區浮煤自 燃，消除了採空區自燃發火隱患。本發明的方法具體過程為1、選擇瓦斯濃度>40%的已封閉的採空區作為置換採空區。瓦斯濃度測定採用本 領域已知的技術。優選地，置換採空區空間體積一般在百萬級立方米以上，可置換總空間應在千萬 級立方米以上，以保證項目經濟效益。優選地，置換採空區為採完後徹底封閉的採區或盤區，採區或盤區內斷層、陷落柱 等構造較少、置換採空區鄰近層尚未開採或受鄰近層開採影響較小，這樣的置換採空區有 較好的密閉性，以保證置換效果。如有斷層等較明顯的漏風通道可採取在其上方打鑽抽取 瓦斯等措施以保證置換效果。2、在置換採空區下部區域密閉上預留管道口與二氧化碳產生裝置之間鋪設二氧 化碳進氣管，將二氧化碳輸送到置換採空區，二氧化碳輸入速度為5 10m3/h。優選地，二氧化碳在置換採空區擴散後流速彡0. 012m/s。優選地，採用壓注方式將二氧化碳輸送到置換採空區，年壓注量< 2000噸。3、在置換採空區上部區域密閉上預留管道口或瓦斯抽放口與瓦斯利用裝置之間 鋪設瓦斯輸出管，將瓦斯從置換採空區抽出，抽出速度為5 10m3/h。4、至置換採空區中瓦斯濃度< 10%時，置換完成。優選地，二氧化碳進氣管位於置換採空區下部區域密閉的中上部，瓦斯輸出管位 於置換採空區上部區域密閉的中上部，以防止置換採空區內的積水淹沒管道進出口。
優選地，置換採空區下部密閉底部設有U型排水管，U型排水管彎部內應灌滿水； 並設置閥門，在能夠順利實現排巷道內積水的同時防止瓦斯漏出。本發明的有益之處在於通過置換解決瓦斯抽採利用與二氧化碳封存兩個問題1、 在消除了採空區自燃發火、瓦斯爆炸隱患的同時，也防止了採空區瓦斯湧向採煤工作面等 採場空間而給礦井帶來的瓦斯安全隱患；2、通過瓦斯抽採利用，永久性解決採空區內瓦斯 向大氣層擴散而破壞大氣層問題，二氧化碳也得到了封存。


圖1為置換採空區側視圖，其中1為置換採空區，2為上部區域密閉，3為瓦斯輸出 管，4為下部區域密閉，5為二氧化碳進氣管，6為U型排水管，7為閥門。
具體實施例方式結合附圖和具體實施方式
說明本發明，但本發明不限於以下具體實施方式
。選擇瓦斯濃度為40%的採空區作為置換採空區1，將置換採空區1所有對外出口 巷道全部封閉。如圖1所示，分別在下部區域密閉4預留管道口與二氧化碳產生裝置之間 鋪設二氧化碳進氣管5，在上部區域密閉2預留管道口與瓦斯利用裝置之間鋪設瓦斯輸出 管3，並在下部區域密閉4的底部設置U型排水管6，U型排水管6上設置有閥門7。U型排 水管6用於排出置換採空區1內的積水，並防止瓦斯漏出。二氧化碳進氣管5設置在下部區域密閉4的中上部，管徑為100mm。瓦斯輸出管3 設置在上部區域密閉2的中上部，管徑為200mm。二氧化碳進氣管5和瓦斯輸出管3分別與穿過相應區域密閉的內管通過法蘭連 接，內管進入置換採空區0 200mm。為防止內管損壞，可將內管在採空區內的伸出密閉部 分堆積矸石或打木垛，防止頂板冒落砸壞管道口 ；密閉內的管道應設套管，防止密閉受壓變 形時損壞壓內管。由於二氧化碳產生地點一般位於井口附近，管道從礦井迴風系統(管路末端部分 區域視礦井巷道條件不同可鋪設在進風巷內)鋪設至注入地點，並在鋪設二氧化碳管路的 礦井主要迴風巷、採區迴風巷(採區尚未採完情況下)等巷道中設置二氧化碳傳感器，以防 止洩漏造成巷道中二氧化碳氣體超限(超限值為進風巷內不大於0. 5%，迴風巷內不大於 1. 5% )。二氧化碳輸送速度和瓦斯抽出速度相同，均為5m3/h，且二氧化碳在採空區擴散後 流速以不大於0. 012m/s為宜，以保證二氧化碳氣體在置換採空區1內向上擴散時處於層流 狀態，提高置換效果。採用壓注方式將二氧化碳輸送至置換採空區內，壓注正壓力可達提高 到IMpa以上，年壓注量一般不大於2000噸。通過設置在地面的二氧化碳壓注泵及瓦斯抽採泵向置換採空區1內壓注二氧化 碳並抽採瓦斯，通過地表瓦斯抽採泵管路及二氧化碳壓注泵管路上的流量計觀察氣體流 量，並用泵上的管路閥門將二氧化碳壓注流量與瓦斯抽採流量調節至基本一致。二氧化碳輸送速度和瓦斯抽出速度控制在設計時將兩系統設計成一個流量並用 閥門進行微調。隨著置換時間推移，隨置換採空區1空間大小及瓦斯抽放速率不同，在置換 0. 5 2年時瓦斯濃度會開始下降，到瓦斯濃度低於10%時可確認置換完成。
權利要求
1.一種二氧化碳置換礦井採空區瓦斯的方法，包括步驟(1)選擇瓦斯濃度彡40%的已封閉的採空區作為置換採空區；(2)在置換採空區下部區域密閉上預留管道口與二氧化碳產生裝置之間鋪設二氧化碳 進氣管，將二氧化碳輸送到置換採空區，二氧化碳輸入速度為5 10m3/h ；(3)在置換採空區上部區域密閉上預留管道口或瓦斯抽放口與瓦斯利用裝置之間鋪設 瓦斯輸出管，將瓦斯從置換採空區抽出，抽出速度為5 10m3/h ；(4)至置換採空區中瓦斯濃度<10%時，置換完成。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟O)中，二氧化碳在置換採空區 擴散後流速彡0.012m/s。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述步驟O)中，採用壓注方式將二氧化 碳輸送到置換採空區，年壓注量< 2000噸；
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述置換採空區空間體積在百萬級立方 米以上，可置換總空間在千萬級立方米以上。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述置換採空區為採完後徹底封閉的採 區或盤區。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述二氧化碳進氣管位於置換採空區下 部區域密閉的中上部，所述瓦斯輸出管位於置換採空區上部區域密閉的中上部。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述置換採空區下部密閉底部設有U型排 水管，排水管上設置有閥門。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述二氧化碳進氣管管徑為100mm，所述 瓦斯輸出管管徑為200mm。
全文摘要
本發明屬於煤炭開採領域，涉及用二氧化碳置換礦井採空區瓦斯的方法。本發明的方法包括(1)選擇瓦斯濃度≥40％的已封閉的採空區作為置換採空區；(2)在置換採空區下部區域密閉上預留管道口與二氧化碳產生裝置之間鋪設二氧化碳進氣管，將二氧化碳輸送到置換採空區，二氧化碳輸入速度為5～10m3/h；(3)在置換採空區上部區域密閉上預留管道口或瓦斯抽放口與瓦斯利用裝置之間鋪設瓦斯輸出管，將瓦斯從置換採空區抽出，抽出速度為5～10m3/h；(4)至置換採空區中瓦斯濃度＜10％時，置換完成。本發明的方法有效地抽採置換採空區瓦斯並封存二氧化碳。
文檔編號E21F7/00GK102094670SQ20101060944
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者周成軍 申請人:中國神華能源股份有限公司