CN107939370B - 一种条带式煤炭地下气化***及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤炭开采技术领域，公开了一种条带式煤炭地下气化***及生产方法，通过构建窄条带气化炉，定向注气通道末端钻进并贯通形成注排气通路，通过在气化炉注气管路内行进点火管至注排气通道贯通点，由点火管输入高热值可燃气体和氧气，进行气化炉内煤层点火；通过在注气通道内注气管路上等间距布置热熔式弹性连接器的方式，进行注气控制，使注气点随火焰工作面的定向移动而间隔回退；通过布置温度监测钻孔并监测温度值的变化。本发明利用矿井煤层底板岩石巷道进行建炉施工和气化炉运行操作，既减小了对气化区域煤层的干扰和破坏，保证了气化炉内的密闭性，又降低了气化炉建炉成本，提高了气化炉建炉效率。

Description

一种条带式煤炭地下气化***及生产方法

技术领域

本发明属于煤炭开采技术领域，尤其涉及一种条带式煤炭地下气化***及生产方法。

背景技术

煤炭地下气化技术(Underground Coal Gasification,UCG)又称原地煤气化，其工艺是将赋存于地下的煤层由物理采煤变为化学采气，其实质是将煤中的有用物质(挥发分、固定碳等)通过热解、燃烧、气化等物理和化学转化的方式转变为可燃气体。UCG将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，具有产气成本低、安全性高和环境效益好的优点。UCG所产煤气成本仅为地面气化炉气化的25～50％，可以作为燃气发电、锅炉燃料以及合成化工产品的原料气，显著降低发电或合成化工产品的成本。UCG还具有显著的环境效益，大大减小燃煤污染、煤矸石及灰渣的排放，有效解决目前燃煤引发的大气雾霾问题，且与碳捕集和封存技术相结合，可有效减少温室气体排放。UCG在世界范围内受到了广泛的重视，前苏联、欧洲、美国、日本、澳大利亚、中国及亚洲多个国家进行了大量的理论研究和工业性试验。因此，煤炭地下气化首先是一种煤炭的开发方法，是对传统煤炭开采方式的创新，被誉为第二代采煤法；从其效益来看，又是一种高碳资源低碳化开发清洁能源新技术。该技术在低品质(高硫、高灰)、急倾斜、薄煤层、深部煤层、“三下”压煤以及常规技术经济不可采等残滞留煤的开采利用方面具有广阔的应用前景。

近年来世界主要产煤国都加大了煤炭地下气化的工业性试验以及产业化推广力度，美国、澳大利亚、加拿大、南非、中国等进行了大量的现场试验，拉开了煤炭地下气化商业化推广及产业化的序幕。我国煤炭地下气化试验开始于上世纪60年代，至今已进行了二十几次的现场试验，形成了有井式和无井式煤炭地下气化工艺。

现阶段煤炭地下气化尚没有实现产业化生产，其中一个重要原因就是煤炭地下气化的规模小，产气不稳定。一方面是受外部水文和地质环境的影响，气化煤层条件(煤厚、煤质等)和赋存条件(地质、水文、构造等)复杂多变，给煤炭地下气化过程增加了难度，需要人为进行调控的因素多；二是煤炭地下气化过程控制手段有限，受地下气化空间的高温、气体、煤体热破裂、围岩应力、覆岩垮落、裂隙带发育等因素影响，难以像地下煤气发生炉一样采取有效的监测和控制手段，增加了人为调控的难度。

因此，为了解决现阶段煤炭地下气化炉生产***面临的问题，需要研发一种与地质环境相适应的，具有可导可控功能的煤炭地下气化炉生产***和工艺，为进一步实现煤炭地下气化的产业化提供技术支持。

现有技术方案

针对不同的煤层赋存条件，国内外学者提出了不同类型的煤炭地下气化炉型结构和气化生产方法。在气化炉型构建方面，从注气通道、气化通道和排气通道的分布位置来看，可以把地下气化炉分为几种炉型，即盲孔炉、一线炉、V型炉、U型炉和E型炉等，后来又发明了多孔炉、可转换注排气操作的长壁炉。国外地下气化的研究方向主要是无井式煤炭地下气化工艺，通过在地面钻井构建煤炭地下气化炉，比较成熟的无井式气化工艺包括线性注入点后退工艺(Controlled Retraction Injection Point,CRIP)以及平行定向钻井CRIP工艺。

上世纪四十年大前苏联首先进行了现场地下气化试验，采用相邻的两个垂直钻井分别作为气化剂的注入井和产气井，然后采用多种贯通方法(如火力贯通、电力贯通、反向燃烧、空气压裂等)使两个垂直钻井底部在煤层中贯通形成气化通道，然后由注气井鼓入气化剂，由产气井生产煤气。该气化炉建炉工艺缺点在于贯通速度慢、贯通方向性差，垂直井间距大时贯通困难或无法贯通；垂直钻井间距较小，接替生产时，垂直钻井数量多，投资大；气化炉内没有注气装置，气化剂在整个气化炉内扩散燃烧，导致燃烧范围和边界无法有效控制，产气品质低；扩大的燃烧范围导致覆岩大面积垮落，围岩稳定性控制效果差。上世纪七八十年代以来，以美国为代表的欧美国家，主要研发的是无井式CRIP工艺，在注气控制方面采用拉管式移动注气点装置，周期性的后退拉动注气点，每次将注气点后退移动一段距离，该工艺需要在地面搭建大型的注气弯管螺旋拉动装置，设备投资高，工艺操作复杂，注气弯管在地面端密闭困难，当煤层埋深较大时，受地质应力以及钻孔变形的影响，移动注气装置操作可靠性降低。

公开号CN101382065A的中国专利“无井式地下气化工艺”构建了L型气化炉，主要特点在于首先通过定向钻贯通多个垂直钻孔，形成“一”线炉作为出气列，火力贯通另外多个垂直钻孔形成“一”线炉作为气化列，二者共同组成“L”型炉。在扩大再生产阶段，继续补加钻孔扩展气化炉。该技术的缺点是构建气化炉所需的钻孔数量多，水平定向钻井与多个垂直钻井的贯通难度大；多个垂直钻井在煤层中需要多批次的高压火力贯通，尤其是在气化炉燃烧形成燃空区且垮落带、裂隙带发育的情况下，难以保证高压火力贯通的有效性，贯通难度大。因此该气化炉建炉和运行方式操作复杂、可靠性差。公开号CN1121138A的中国专利“矿井长通道大断面煤炭地下气化”构建了长通道、大断面地下气化炉，主要特点是可在矿井报废煤层构建气化炉，需要人工掘进煤层巷道作为气化巷道，气化巷道长度一般大于150m，气化巷道断面大(2.5～4m²)。该技术的缺点是需要人工到气化炉内施工巷道，建炉机械水平低，存在人员安全隐患；在人员退出气化炉巷道施工后，需要构建气化炉隔离密闭，受气化炉内高温、气体、覆岩垮落等恶劣环境影响，难以有效做到气化炉内气体的密闭；气化巷道内缺乏有效的注气装置，气化剂在整个巷道内扩散，燃烧气化反应界面在整个气化巷道内蔓延，气流紊乱且气化炉燃烧范围和边界难以有效控制。根据公开号CN103277082B的中国专利“一种注气点后退式煤炭地下气化***及工艺”构建了一种E型结构气化炉，该发明主要特点是每个气化炉包括一条位于中间位置的气化剂注入巷道和两条煤气输送巷道，三条巷道平行布置，三条巷道一端连接煤层中的通风巷道，另一端连接气化巷道。该气化炉构建方式的缺点是需要人工在煤层中施工掘进出气化炉内巷道，在人员退出后需要在三条巷道连接通风巷道的一端构筑隔离墙。在煤巷中高温热解干裂环境下，对高温气体进行有效隔离是有相当大难度的，甚至是难以进行有效隔离。通风巷道内不但有注气管路、煤气管路，还有空气，一旦隔离失效煤气泄漏，则容易引起严重的事故。该专利确定的煤气输送巷与气化剂注入巷道间隔距离为30m(15m～50m)，但是并未给出相应地设计依据。当气化通道长度达到60m(30m×2)时，已经远大于上覆直接顶、老顶的极限跨距，因此将会引起覆岩的大面积垮落，裂隙带过度发育，严重会沟通上覆含水层，使气化炉内涌水过大造成淹炉事故，甚至导致裂隙贯通地表引起煤气泄漏，造成安全事故。

现有技术存在以下缺陷：

现有的建炉方式需要人工在气化炉掘进煤层巷道作为气化剂注入巷、气化通道和煤气输送巷，在人员退出后需要构建气化炉与外界通道的隔离密闭，在煤巷中高温热解干裂环境下难以构筑有效的密闭对高温气体进行完全隔离，而且通道断面越大，进行完全隔离的难度越大，一旦隔离失效将会引起严重的有毒有害气体泄漏等安全事故。

现有的气化炉注气巷道内缺乏有效的注气管路及移动注气装置。如果注气通道内没有注气管路，则气化剂由煤层内的裸孔(或巷道)传输，导致火焰工作面燃烧界面逆注气风流而上，将燃烧范围扩大到注气通道内，不但扩大了气化炉内燃烧范围和边界，还会引起气化炉内气流紊乱，气化剂和煤气混合燃烧，降低煤气品质；如果注气通道内没有移动注气装置或者预留注气口间隔较大时，则会导致气化剂注入点并不能随火焰工作面的定向移动而移动，气化剂从燃空区扩散到火焰工作面的距离增大，导致气化炉内气流紊乱，同样会导致煤气品质降低。

现有的技术对气化炉围岩稳定性控制差，所做的气化炉尺寸设计达不到围岩稳定性控制的要求，所设计的气化炉采宽大于覆岩的极限跨距，导致覆岩大面积垮落、裂隙带过度发育，沟通含水层，造成炉内气体泄漏、气体压力下降、地下水过量涌入，甚至会淹灭气化炉，造成重大的运行事故。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种条带式煤炭地下气化***及生产方法。

本发明是这样实现的，一种条带式煤炭地下气化***的生产方法，所述条带式煤炭地下气化***的生产方法包括：

通过在井下煤层底板岩石巷朝向煤层打定向钻井的方法构建窄条带气化炉，排气通道钻井定向注气通道末端钻进并贯通形成注排气通路，注排气通道均布置于煤层底部；

通过在气化炉注气管路内行进点火管至注排气通道贯通点，由点火管输入高热值可燃气体和氧气，由点火管前端有电子打火装置点燃可燃气体的方式，进行气化炉内煤层点火；

通过在注气通道内注气管路上等间距布置热熔式弹性连接器的方式，进行注气控制，使注气点随火焰工作面的定向移动而间隔回退；

通过布置温度监测钻孔并监测温度值的变化，确定火焰工作面是否移动到停采线位置，当煤层顶板煤岩交界点和煤层底板煤岩交界点的温度值先后达到接近于火焰工作面高温800～1000℃时，进行气化炉停止操作。

进一步，所述条带式煤炭地下气化***的生产方法具体包括：

气化炉内煤层点火：在井下通风行人巷内，沿注气通道内的注气管路内行进点火管至注气通道末端点火点位置，由点火管输入高热值可燃气体和氧气，由点火管前端有电子打火装置点燃可燃气体，将点火点位置的煤层引燃，完成气化炉内煤层点火；

气化剂注入及形成气化通道：煤层引燃后，点火管退出注气通道；燃烧气化位置由注气通道和排气通道连接点逐渐扩展，在注气通道和排气通道之间形成气化通道，形成火焰工作面；

火焰工作面后退移动与注气点回退：在气化炉正常运行期间，火焰工作面沿着窄条带气化炉的长度方向后退移动，注气通道内注气管路上等间距布置的热熔式弹性连接器依次处于火焰工作面位置，在火焰工作面附近高温作用下，热熔式弹性连接器依次断开，在注气管路上依次形成新的注气口，由新的注气口继续给火焰工作面提供气化剂；使气化剂注入点随着火焰工作面的后退移动而间隔回退，使气化炉内气流状态的顺畅以及火焰工作面反应界面形态结构稳定；

煤气的排输：气化炉内生产的煤气依次经火焰工作面、排气通道、排气管路、通风行人巷内排气管路、排气钻井管路、地面排气管路到达地面煤气用气点；

温度监测与气化炉停止运行：实时监测温度监测钻孔内三个温度测点的温度值，当煤层顶板煤岩交界点和煤层底板煤岩交界点的温度值达到接近于火焰工作面高温800～1000℃时，火焰工作面达到气化炉停采线位置，停止向气化炉内注入氧气或空气，改为注入水蒸气；使气化炉停止运行。

进一步，气化剂注入及形成气化通道步骤中，所述煤层引燃后，点火管退出注气通道，同时，依次经地面气化剂制备站、地面注气管路、注气钻井管路、通风行人巷内注气管路、注气通道内注气管路输入气化剂至点火点位置，继续使煤层燃烧气化。

进一步，气化剂为空气、氧气、水蒸气中的一种或两种以上的混合气体。

进一步，气化炉停止运行后，当煤层顶板煤岩交界点和煤层底板煤岩交界点的温度值降低到小于100℃时，并且监测到排出的气体组分CO浓度降低至零时，气化炉完全熄灭；

气化炉完全熄灭后，还需进行：

气化炉充填；气化炉停止运行后，依次经地面充填泵站、地面充填管路、充填钻井管路、通风行人巷内充填管路、气化炉注气管路将充填浆料输送到气化炉燃空区，并充满整个气化炉燃空区。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述条带式煤炭地下气化***的生产方法的条带式煤炭地下气化***，所述条带式煤炭地下气化***包括：

设置在煤层中的一条注气通道、一条排气通道和一条温度监测钻孔；

所述注气通道和排气通道均为从气化煤层底板岩石巷朝向煤层钻进的定向钻孔通道；

所述排气通道平行于注气通道沿煤层倾向直线掘进，在到达注气通道末端点时朝向注气通道末端点弯曲掘进，并与注气通道的末端点连通，在煤层中形成一条贯通的注排气通道。

所述温度监测钻孔，位于注气通道和排气通道中间位置，平行于注气通道和排气通道钻进，到达煤层后直至煤层顶板煤岩交界处停止；所述温度监测钻孔内的煤层顶板煤岩交界点、煤层底板煤岩交界点以及靠近通风行人巷壁面位置，分别布置一个测温热电偶。

进一步，所述注气通道包括气化炉外的岩石水平段和岩石弯曲段以及气化炉内煤层段；

在气化炉内煤层段，所述注气通道和排气通道均为沿煤层底板掘进的煤层钻孔通道，掘进方向为沿煤层倾向由上往下；

在气化炉内煤层段，注气通道沿煤层倾向直线掘进并达到根据实际情况设计的长度；

所述注气通道和排气通道的平行间距为气化炉的采宽，气化炉内煤层段注气通道的长度为气化炉的长度；气化炉的采宽比气化炉的长度值小。

在气化炉内煤层段的注气通道和排气通道内布置有通道护管，所述通道护管为筛管，表面布置有一定大小的圆孔，所述通道护管不但起到支撑注气通道和排气通道煤壁的作用，其圆孔还有利于气化剂扩散到火焰工作面以及煤气汇集到排气通道。在气化炉外的岩石水平段和岩石弯曲段，注气通道和排气通道内的通道护管为普通钢管，两段相邻的钢管通过法兰螺栓连接在一起。

所述注气通道护管内布置有注气管路，所述注气管路作为气化剂的输送通道。所述注气管路上等间距布置有热熔式弹性连接器，当火焰工作面移动到所述热熔式弹性连接器位置时，在高温和一定时间作用下，所述热熔式弹性连接器断开，在注气管路上形成新的注气口，使所注入的气化剂能直接就近地输送到火焰工作面位置，保证火焰工作面反应界面形态结构的稳定性。随着火焰工作面的继续定向移动，注气管路上的热熔式弹性连接器依次断开形成新的注气口，由此注气管路上的注气口随着火焰工作面的定向移动而后退，达到了移动注气的控制要求。两段相邻的注气管路在气化炉内煤层段、气化炉外岩石弯曲段以及岩石水平段通过卡扣式连接器连接在一起，在气化炉外通过法兰螺栓与气化炉外通风行人巷内的井下注气管路连接。

所述排气通道在气化炉外的岩石水平段布置有排气管路，两端相邻的排气管路通过法兰螺栓连接在一起，并最终与气化炉外通风行人巷内的井下排气管路连接。

为了保证气化炉内空间与气化炉外环境的隔绝，在注气通道、排气通道和温度监测钻孔岩石段进行封孔，填充耐高温水泥密闭材料。

所述通风行人巷为布置于气化煤层底板的岩石巷道，该通风行人巷水平标高与气化炉上端标高相同，并与气化炉上端点有一定的水平距离，与气化煤层有一定的垂直距离，该水平距离和垂直距离可保证通风行人巷与气化炉热影响范围的安全隔离。所述通风行人巷是注气通道和排气通道的施工巷道，利用布置于通风行人巷内的定向钻机水平朝向煤层掘进定向钻孔，临近煤层底板时按一定曲率弯曲钻进，进入煤层后，沿煤层底板掘进气化炉内煤层注气通道和排气通道。所述通风行人巷道内铺设有井下注气管路、排气管路、辅助注气管路、辅助排气管路、充填注浆管路和排水管路。所述通风行人巷同时也是气化炉运行期间的人工操作巷，巷道内供风量满足钻孔施工、瓦斯涌出、二氧化碳涌出、人员等最大用风量的要求。

为了给井下通风行人巷内的注气管路和辅助注气管路提供气化剂，从地面打一口垂直的注气钻井与井下通风行人巷相连，注气钻井内设有管路，并与井下通风行人巷内的注气管路和辅助注气管路相连。

为了给井下通风行人巷内的充填管路提供充填浆料，从地面打一口垂直的充填钻井与井下通风行人巷相连，充填钻井内设有管路，并与井下通风行人巷内的充填管路相连。

为了将通风行人巷内的井下排气管路内的煤气输送到地面煤气管路中，从地面打一口垂直的排气钻井与井下通风行人巷相连，排气钻井内设有管路，并与井下通风行人巷内的井下排气管路相连。

本发明的优点及积极效果为：

本发明解决了如何针对气化煤层的地质构造及赋存条件、覆岩的物理力学参数、热力耦合下围岩应力分布及移动变形规律，建立一种窄条带煤炭地下气化炉型，该窄条带气化炉采宽小于覆岩的极限跨距，在气化炉运行过程中，覆岩不会大面积垮落，上覆岩层裂隙带发育有限，不会沟通含水层，因此具备较好的围岩控制效果；

本发明合理布设注气通道、气化通道和排气通道：包括使注气通道、气化通道和排气通道位于煤层底部，此时火焰工作面的形态结构为俯斜的界面结构，火焰在下煤层在上，火焰高温烘烤煤体，给煤体加热，且煤体在覆岩应力、自重和热应力作用下，热破裂并垮落在煤层底板形成有利于气体渗流燃烧气化的结构，增大了煤体和气体反应的表面结，渗透率大，气体渗流速度快，有利于燃烧气化反应的进行；还包括使注气通道、气化通道和排气通道在同一个平面上，使气化炉内气流由依次经注气通道-气化通道-排气通道形成顺畅的气流状态，注气通道和气化通道内的氧气不与所产可燃气体混合，有效避免可燃气体的燃烧损耗并降低煤气品质。

本发明提供了一种简单有效的移动注气方法，通过注气通道内的注气管路上等间距布置热熔式弹性连接器，当火焰工作面依次经过热熔式弹性连接器装置使，高温使热熔式弹性连接器断裂，在注气管路上形成新的注气口，由新的注气口继续给火焰工作面提供气化剂，这样就保证了气化剂能直接就近地输送到火焰工作面位置，不会引起气流的紊乱，形成稳定的气流状态，有利于气化反应的稳定进行，具备较好的燃烧控制效果。

本发明提供一种窄条带煤炭地下气化炉生产***及工艺，通过在煤层底板岩石巷内朝向煤层打两条平行的定向钻孔构建气化炉注、排气通道，前端贯通形成窄条带气化炉，合理设计气化炉采宽使其小于覆岩的极限跨距；通过注气通道内行进的点火管实现气化炉煤层点火；通过气化炉内注气管路上的热熔式弹性连接装置实现注气点随火焰工作面的定向移动而间隔回退，通过移动注气控制使气化炉内形成稳定的气流状态和稳态的反应界面形态结构；通过温度监测钻孔布置的热电偶温度值判断气化炉是否达到停采线位置，并进行气化炉关闭操作；采用充填***对气化炉燃空区进行采后充填，充填不但具有良好的岩层控制效果，还可以将燃空区残留的污质固结在充填浆料中。该窄条带气化炉生产***及工艺，可使气化炉具备良好的岩层控制、移动注气控制和污质控制效果，不破坏覆岩的完整结构，不污染地下水，最大程度实现煤炭的生态绿色开采和无害化开采。

本发明利用矿井煤层底板岩石巷道进行建炉施工和气化炉运行操作，既减小了对气化区域煤层的干扰和破坏，保证了气化炉内的密闭性，与人工掘进煤层巷道构建气化炉相比，降低气化炉建炉成本40％以上，同时显著缩短气化炉构建时间，提高了气化炉建炉效率30％以上。

附图说明

图1是本发明实施例提供的条带式煤炭地下气化***的生产方法流程图。

图2是本发明实施例提供的条带式煤炭地下气化***示意图。

图中：1、注气通道；1-1、注气通道岩石水平段；1-2、注气通道岩石弯曲段；1-3、注气通道煤层段；2、排气通道；2-1、排气通道岩石水平段；2-2、排气通道岩石弯曲段；2-3、排气通道煤层段；3、温度监测钻孔；4、通风行人巷；5煤层；6、测温热电偶；7、通道护管；8、注气管路；9、热熔式弹性连接器；10、卡扣式连接器；11、井下注气管路；12、排气管路；13、井下排气管路；14、耐高温水泥密闭；15、充填注浆管路；16、排水管路；17、注气钻井；18、充填钻井；19、排气钻井；20、点火管；21、气化炉停采线。

图3为本发明实施例提供的窄条带地下气化炉生产***A-A剖面图。

图4为本发明实施例提供的窄条带地下气化炉点火点结构放大图。

图5为本发明实施例提供的窄条带地下气化炉正常运行时期剖面图。

图6为本发明实施例提供的窄条带地下气化炉生产***B-B剖面图。

图7为本发明窄条带地下气化炉生产***C-C剖面图。

图8为本发明实施例提供的窄条带地下气化炉生产***D-D剖面图。

图9为本发明实施例提供的窄条带地下气化炉生产***E-E剖面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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。

现有技术没有针对气化煤层的地质构造及赋存条件、覆岩的物理力学参数、热力耦合下围岩应力分布及移动变形规律，建立一种窄条带煤炭地下气化炉型，使其具备较好的围岩控制效果；导致生产不能满足煤炭地下气化可导可控和高效稳定产气的生产要求。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

图1，本发明实施例提供的条带式煤炭地下气化***的生产方法包括：

S101：气化炉内煤层点火：在井下通风行人巷内，沿注气通道内的注气管路内行进点火管至注气通道末端点火点位置，由点火管输入高热值可燃气体和氧气，由点火管前端有电子打火装置点燃可燃气体，将点火点位置的煤层引燃，完成气化炉内煤层点火；

S102：气化剂注入及形成气化通道：煤层引燃后，点火管退出注气通道；同时，依次经地面气化剂制备站、地面注气管路、注气钻井管路、通风行人巷内注气管路、注气通道内注气管路输入气化剂至点火点位置，继续使煤层燃烧气化；燃烧气化位置由注气通道和排气通道连接点逐渐扩展，在注气通道和排气通道之间形成气化通道，形成火焰工作面；

S103：火焰工作面后退移动与注气点回退：在气化炉正常运行期间，火焰工作面沿着窄条带气化炉的长度方向后退移动，注气通道内注气管路上等间距布置的热熔式弹性连接器依次处于火焰工作面位置，在火焰工作面附近高温作用下，热熔式弹性连接器依次断开，在注气管路上依次形成新的注气口，由新的注气口继续给火焰工作面提供气化剂；使气化剂注入点随着火焰工作面的后退移动而间隔回退，使气化炉内气流状态的顺畅以及火焰工作面反应界面形态结构稳定；

S104：煤气的排输：气化炉内生产的煤气依次经火焰工作面、排气通道、排气管路、通风行人巷内排气管路、排气钻井管路、地面排气管路到达地面煤气用气点；

S105：温度监测与气化炉停止运行：实时监测温度监测钻孔内三个温度测点的温度值，当煤层顶板煤岩交界点和煤层底板煤岩交界点的温度值达到接近于火焰工作面高温800～1000℃时，火焰工作面达到气化炉停采线位置，停止向气化炉内注入氧气或空气，改为注入水蒸气；使气化炉停止运行。

同时，依次经地面气化剂制备站、地面注气管路、注气钻井管路、通风行人巷内注气管路、注气通道内注气管路输入气化剂至点火点位置，继续使煤层燃烧气化；气化炉停止运行后，当煤层顶板煤岩交界点和煤层底板煤岩交界点的温度值降低到小于100℃时，并且监测到排出的气体组分CO浓度降低至零时，气化炉完全熄灭；

S106:气化炉充填；气化炉停止运行后，依次经地面充填泵站、地面充填管路、充填钻井管路、通风行人巷内充填管路、气化炉注气管路将充填浆料输送到气化炉燃空区，并充满整个气化炉燃空区。

所述气化剂为空气、氧气、水蒸气中的一种或两种以上的混合气体。

图2至图9所示，本发明实施例提供的条带式煤炭地下气化***，

包括设置在煤层中的一条注气通道1、一条排气通道2和一条温度监测钻孔3。所述注气通道1和排气通道2均为从气化煤层底板岩石巷(即通风行人巷4)朝向煤层5钻进的定向钻孔通道，包括气化炉外的岩石水平段(1-1、2-1)和岩石弯曲段(1-2、2-2)，以及气化炉内煤层段(1-3、2-3)。在气化炉内煤层段，所述注气通1和排气通道2均为沿煤层底板掘进的煤层钻孔通道，掘进方向为沿煤层倾向由上往下。在气化炉内煤层段，注气通道1沿煤层倾向直线掘进并达到设计长度；排气通道2平行于注气通道1沿煤层倾向直线掘进，在接近到达注气通道1末端点时朝向注气通道1末端点弯曲掘进，并与注气通道1的末端点连通，在煤层中形成一条贯通的注排气通道。所述注气通道1和排气通道2的平行间距即为气化炉的设计采宽，气化炉内煤层段注气通道1的长度即为气化炉的设计长度，气化炉的采宽相对于气化炉的长度比值较小，整个气化炉类似于一条窄条带，称之为窄条带气化炉。

本实施例中，气化炉设计采宽的设计依据是气化炉采宽小于煤层覆岩的极限跨距。根据气化煤层的地质构造及赋存条件、覆岩的物理力学参数、热力耦合下围岩应力分布及移动变形规律在计算得到覆岩的极限跨距之后，考虑到温度场和两侧边界扩展的影响，拟定一个安全系数，覆岩的极限跨距除以该安全系数即为气化炉设计采宽。一般气化炉设计采宽在20～30m，气化炉的设计长度在300～600m，气化炉长宽比在10:1～30:1之间。

所述温度监测钻孔3位于注气通道1和排气通道2中间位置，平行于注气通道1和排气

通道2钻进，揭露煤层后直至煤层顶板煤岩交界处停止。在该钻孔内的煤层顶板煤岩交界点、煤层底板煤岩交界点以及靠近通风行人巷壁面位置，分别布置1个测温热电偶6，共计3个，分别监测上述3个位置的温度值。

在气化炉内煤层段的注气通道1和排气通道2内布置有通道护管7，所述通道护管7为筛管，表面布置有一定大小的圆孔，所述通道护管7不但起到支撑注气通道1和排气通道2煤壁的作用，其圆孔还有利于气化剂扩散到火焰工作面以及煤气汇集到排气通道。在气化炉外的岩石水平段和岩石弯曲段，注气通道和排气通道内的通道护管为普通钢管。

所述注气通道护管7内布置有注气管路8，所述注气管路8作为气化剂的输送通道。所述注气管路8上等间距布置有热熔式弹性连接器9，当火焰工作面移动到所述热熔式弹性连接器9位置时，在高温和一定时间作用下，所述热熔式弹性连接器9断开，在注气管路8上形成新的注气口，使所注入的气化剂能直接就近地输送到火焰工作面位置，保证火焰工作面反应界面形态结构的稳定性。随着火焰工作面的继续定向移动，注气管路8上的热熔式弹性连接器9依次断开形成新的注气口，由此注气管路8上的注气口随着火焰工作面的定向移动而后退，达到了移动注气的控制要求。两段相邻的注气管路8在气化炉内煤层段、气化炉外岩石弯曲段以及岩石水平段通过卡扣式连接器10连接在一起，在气化炉外通过法兰螺栓与气化炉外通风行人巷内的井下注气管路11连接。

所述排气通道2在气化炉外的岩石水平段布置有排气管路12，两端相邻的排气管路12通过法兰螺栓连接在一起，并最终与气化炉外通风行人巷内的井下排气管路13连接。

为了保证气化炉内空间与气化炉外环境的隔绝，在注气通道、排气通道和温度监测钻孔岩石段进行封孔，填充耐高温水泥密闭材料14。

所述通风行人巷4为布置于气化煤层底板的岩石巷道，该通风行人巷4水平标高与气化炉上端标高相同，并与气化炉上端点有一定的水平距离，与气化煤层有一定的垂直距离，该水平距离和垂直距离可保证通风行人巷与气化炉热影响范围的安全隔离。所述通风行人巷4是注气通道1、排气通道2和温度监测钻孔3的施工巷道，利用布置于通风行人巷4内的定向钻机水平朝向煤层掘进定向钻孔，临近煤层底板时按一定曲率弯曲钻进，进入煤层后，沿煤层底板掘进气化炉内煤层注气通道1和排气通道2。所述通风行人巷4内铺设有井下注气管路11、排气管路13、充填注浆管路15和排水管路16。所述通风行人巷4同时也是气化炉运行期间的人工操作巷，巷道内运输和通风满足现有煤矿开采的设备运输、钻孔施工、瓦斯涌出、二氧化碳涌出、人员呼吸等要求。

为了给井下通风行人巷4内的注气管路11提供气化剂，从地面打一口垂直的注气钻井17与井下通风行人巷4相连，注气钻井内设有管路，并与井下通风行人巷内的注气管路11相连。

为了给井下通风行人巷4内的充填注浆管路15提供充填浆料，从地面打一口垂直的充填钻井18与井下通风行人巷4相连，充填钻井内设有管路，并与井下通风行人巷内的充填管路15相连。

为了将通风行人巷内的井下排气管路13内的煤气输送到地面煤气管路中，从地面打一口垂直的排气钻井19与井下通风行人巷4相连，排气钻井内设有管路，并与井下通风行人巷内的井下排气管路13相连。

下面结合具体分析对本发明作进一步描述。

本发明中注气通道钻孔、排气通道钻孔、温度监测钻孔的孔径及定向钻井参数要根据具体的煤层赋存状态(如煤层倾角、厚度等)以及气化炉地质储量、气化规模、服务年限、产气规模等确定，其合理的尺寸区间一般在100～300mm之间。

本发明注气通道和排气通道钻孔的掘进位置不限于位于煤层底部紧邻底板岩层位置，可以根据设计需要，位于煤层底板的下部、中下部或者中间位置，距离煤层底板岩层有一定距离；也可以是受煤层底板褶皱起伏影响，注气通道和排气通道钻孔部分位于煤层底板岩石中。

本发明通道护管、注气管路和排气管路单节长度要根据钻井参数和现场安装条件而定，且不同安装位置可以不同，一般合理的单节长度范围在3m～6m。

本发明热熔式弹性连接器的安装间距受气化炉参数(如气化煤层厚度、气化炉储量、火焰工作面移动速度、气化通道长度)以及间隔移动注气控制效果等影响，当气化煤层较厚、储量较大、火焰工作面移动速度较慢、气化通道较长，需要提高移动注气控制效果时，可以适当加大热熔式弹性连接器的间距；反之相反。

下面结合创新点对本发明作进一步描述。

本发明通过在井下煤层底板岩石巷朝向煤层打定向钻井的方法构建窄条带气化炉，排气通道钻井定向注气通道末端钻进并贯通形成注排气通路，注排气通道均布置于煤层底部。

通过在气化炉注气管路内行进点火管至注排气通道贯通点，由点火管输入高热值可燃气体和氧气，由点火管前端有电子打火装置点燃可燃气体的方式，实现气化炉内煤层点火。

通过在注气通道内注气管路上等间距布置热熔式弹性连接器的方式，实现注气控制，使注气点随火焰工作面的定向移动而间隔回退，保证气化炉内气流状态的顺畅以及火焰工作面反应界面形态结构的稳定。

通过布置温度监测钻孔并监测温度值的变化，来确定火焰工作面是否移动到停采线位置，当煤层顶板煤岩交界点和煤层底板煤岩交界点的温度值先后达到接近于火焰工作面高温时(800～1000℃)，可进行气化炉停止操作。

与现有技术方案相比较，其优点如下：

本发明利用井下煤层底板岩石巷，朝向煤层打定向钻井并贯通的方法构建气化炉。该建炉方法不需要人工在气化炉内掘进煤层巷道作为气化剂注入巷、气化通道和煤气输送巷，也无需在人员退出后构建气化炉与外界巷道的大型隔离密闭。做到了不掘进和不破坏煤层完整性和密闭性，尽量少揭露和干扰煤层，使气化炉运行过程中具有较好的密闭性和承压性。

本发明构建的窄条带气化炉，长宽比在10:1～30:1之间，且气化炉采宽小于覆岩的极限跨距，不破坏覆岩的完整结构，不会造成覆岩的大面积垮落，有效控制覆岩裂隙带的发育高度，保证气化炉的气密性和承压性；与燃空区充填相结合，具有良好的岩层控制效果和燃空区污染物控制效果。

本发明气化炉注气巷道内具备注气管路及有效的移动注气装置，在注气管路上等间距布设了热熔式弹性连接器，当火焰工作面移动到热熔式弹性连接器位置时，热熔式弹性连接器依次断开并在注气管路上依次形成新的注气口，从而使气化剂注入点随着火焰工作面的后退移动而间隔回退，保证气化炉内气流状态的顺畅以及火焰工作面反应界面形态结构的稳定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种条带式煤炭地下气化的生产方法，其特征在于，所述条带式煤炭地下气化的生产方法包括：

通过在井下煤层底板岩石巷朝向煤层打定向钻井的方法构建窄条带气化炉，排气通道钻井定向注气通道末端钻进并贯通形成注排气通路，注排气通道均布置于煤层底部；

通过在气化炉注气管路内行进点火管至注排气通道贯通点，由点火管输入高热值可燃气体和氧气，由点火管前端有电子打火装置点燃可燃气体的方式，进行气化炉内煤层点火；

通过在注气通道内注气管路上等间距布置热熔式弹性连接器的方式，进行注气控制，使注气点随火焰工作面的定向移动而间隔回退；

通过布置温度监测钻孔并监测温度值的变化，确定火焰工作面是否移动到停采线位置，当煤层顶板煤岩交界点和煤层底板煤岩交界点的温度值先后达到接近于火焰工作面高温800～1000℃时，进行气化炉停止操作；

所述条带式煤炭地下气化***的生产方法具体包括：

气化炉内煤层点火：在井下通风行人巷内，沿注气通道内的注气管路内行进点火管至注气通道末端点火点位置，由点火管输入高热值可燃气体和氧气，由点火管前端有电子打火装置点燃可燃气体，将点火点位置的煤层引燃，完成气化炉内煤层点火；

气化剂注入及形成气化通道：煤层引燃后，点火管退出注气通道；燃烧气化位置由注气通道和排气通道连接点逐渐扩展，在注气通道和排气通道之间形成气化通道，形成火焰工作面；

火焰工作面后退移动与注气点回退：在气化炉正常运行期间，火焰工作面沿着窄条带气化炉的长度方向后退移动，注气通道内注气管路上等间距布置的热熔式弹性连接器依次处于火焰工作面位置，在火焰工作面附近高温作用下，热熔式弹性连接器依次断开，在注气管路上依次形成新的注气口，由新的注气口继续给火焰工作面提供气化剂；使气化剂注入点随着火焰工作面的后退移动而间隔回退；

煤气的排输：气化炉内生产的煤气依次经火焰工作面、排气通道、排气管路、通风行人巷内排气管路、排气钻井管路、地面排气管路到达地面煤气用气点；

温度监测与气化炉停止运行：实时监测温度监测钻孔内三个温度测点的温度值，当煤层顶板煤岩交界点和煤层底板煤岩交界点的温度值达到火焰工作面高温800～1000℃时，火焰工作面达到气化炉停采线位置，停止向气化炉内注入氧气或空气，改为注入水蒸气；使气化炉停止运行；

气化剂注入及形成气化通道步骤中，所述煤层引燃后，点火管退出注气通道，同时，依次经地面气化剂制备站、地面注气管路、注气钻井管路、通风行人巷内注气管路、注气通道内注气管路输入气化剂至点火点位置，继续使煤层燃烧气化；

气化剂为空气、氧气、水蒸气中的一种或两种以上的混合气体；

气化炉停止运行后，当煤层顶板煤岩交界点和煤层底板煤岩交界点的温度值降低到小于100℃时，并且监测到排出的气体组分CO浓度降低至零时，气化炉完全熄灭；

气化炉完全熄灭后，还需进行：

气化炉充填；气化炉停止运行后，依次经地面充填泵站、地面充填管路、充填钻井管路、通风行人巷内充填管路、气化炉注气管路将充填浆料输送到气化炉燃空区，并充满整个气化炉燃空区。

2.一种利用权利要求1所述条带式煤炭地下气化的生产方法的条带式煤炭地下气化***，其特征在于，所述条带式煤炭地下气化***包括：

设置在煤层中的一条注气通道、一条排气通道和一条温度监测钻孔；

所述注气通道和排气通道均为从气化煤层底板岩石巷朝向煤层钻进的定向钻孔通道；

所述排气通道平行于注气通道沿煤层倾向直线掘进，在到达注气通道末端点时朝向注气通道末端点弯曲掘进，并与注气通道的末端点连通，在煤层中形成一条贯通的注排气通道；

所述温度监测钻孔，位于注气通道和排气通道中间位置，平行于注气通道和排气通道钻进，到达煤层后直至煤层顶板煤岩交界处停止；所述温度监测钻孔内的煤层顶板煤岩交界点、煤层底板煤岩交界点以及靠近通风行人巷壁面位置，分别布置一个测温热电偶。

3.如权利要求2所述条带式煤炭地下气化***，其特征在于，所述注气通道包括气化炉外的岩石水平段和岩石弯曲段以及气化炉内煤层段；

在气化炉内煤层段，所述注气通道和排气通道均为沿煤层底板掘进的煤层钻孔通道，掘进方向为沿煤层倾向由上往下；

在气化炉内煤层段，注气通道沿煤层倾向直线掘进并达到根据实际情况设计的长度；

所述注气通道和排气通道的平行间距为气化炉的采宽，气化炉内煤层段注气通道的长度为气化炉的长度；气化炉的采宽比气化炉的长度值小。

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