CN111577279A - 基于陷落柱导水通道的煤-地热水协同开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于陷落柱导水通道的煤‑地热水协同开采方法，在煤炭开采的同时，充分利地陷落柱与地热储层之间的导水通道作为地热水汇集区进行地热开采。在工作面开采后沿空留巷形成的巷道和硐室内建立热能交换站，通过钻井硐室开挖地热井，分别向地热水汇集区布置地热水抽采管道，向地热储层布置尾水回注管道，且二者的末端相距一定的距离。地热水经地热水抽管道被抽采至热能交换站，将热能提取后输送至地面利用；取热后经尾水回注管道回注至地热储层，以控制岩层稳定，并实现地热水的可持续开采。同时，煤炭开采可在下一工作面同时进行，实现煤‑地热水的协同开采。本发明的开采方法具有资源利用率高、地热水开采成本低、把陷落柱周围的导水通道变害为利等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤炭与地热开采方法，具体是涉及一种基于陷落柱导水通道的煤-地热水协同开采方法，属于地下资源开采领域。
背景技术
我国煤炭资源储量丰富，且分布广泛，煤炭的高效开采利用将对我国的能源供应有着重大贡献。近些年来，煤炭开采深度逐年增加，随之也带来了新的技术难题，比如矿井高地温。为了解决高地温所引发的开采难题，本着资源高效利用的理念，地热开采成为热点研究课题，其开采技术与理念不断完善与发展。因此，学者提出煤-地热水协同开采方法实现资源的高效多重利用。
陷落柱在我国矿区是一种广泛存在的地质构造。陷落柱周围的岩体松散破碎，存在天然的导水裂隙网络，再加之深部高地应力、开采扰动的影响，很可能导通含水层与采煤作业空间，引发矿井突水灾害，造成人员伤亡和财产损失。因此，现有地热开采方法一般选择在远离陷落柱的区域。
深部岩体中储藏大量的地热能，含水层水温可达60～80℃，地热能是一种清洁、储量丰富的能源。为了高效开发地热资源，同时减小突水灾害的风险，本发明充分利用陷落柱围岩的导水特性，提出一种基于陷落柱导水通道的煤-地热水协同开采方法，可循环开采地下热能资源，降低工程基建成本，减小陷落柱诱发突水灾害的风险，实现资源高效开发利用。
发明内容
本发明的目的是要克服现有的技术存在的缺陷，提供一种基于陷落柱导水通道的煤-地热水协同开采方法。利用陷落柱周围岩体破碎、存在水流通道的特性，可导通地热储层中的地热水进行抽采地热，同时对含水层进行卸压，减小采煤工作面的突水风险，完成煤-地热水协同开采，实现资源的多重高效利用。
为实现上述目的，本发明基于陷落柱导水通道的煤-地热水协同开采方法，其步骤如下：
步骤1.根据矿井地质资料确定由陷落柱导水裂隙触及地热储层而形成的地热水汇集区。
陷落柱存在天然的导水裂隙，导水裂隙触及到地热储层时，会形成导水通道，使地热水不断地向陷落柱处汇聚，在陷落柱与地热储层交界的位置形成地热水汇集区。地热水汇集区的位置可根据矿井地质资料确定。同时，抽采地热水汇集区的地热水可对地热储层进行卸压，降低陷落柱诱发突水事故的风险。
步骤2.布置煤炭开采***并开采煤炭：
根据煤层赋存特征，布置主井、副井和风井；在开采水平内开掘运输大巷、轨道大巷和回风大巷，布置采区，在采区内布置采煤工作面；采煤工作面回采中，利用沿空留巷的方式保留区段巷道；煤炭开采后经运输大巷、主井运输至地面。
步骤3. 设置热能交换站：
所述热能交换站建立于在距离陷落柱有一定安全距离的采煤工作面开采后沿空留巷保留的巷道内，所述热能交换站与陷落柱保持设定的安全距离。热能交换站内设置热能交换设备。如此设计，钻孔施工经过了陷落柱周围的软弱松散岩体，可降低钻孔布置的施工难度；且地热水抽采管道不用延伸至地热储层内部，缩短了管道距离，可减小基建工程量，节约钻孔和管道布置的成本。
步骤4. 建立地热水抽采及热能传输***并抽采地热水：
所述地热水抽采及热能传输***：在当前开采工作面的上一工作面沿空留巷保留的巷道或硐室内布置钻井硐室，由钻井硐室分别向地热水汇集区和地热储层开挖地热井；通过地热井向地热水汇集区布置地热水抽采管道，向地热储层布置尾水回注管道；地热水抽采管道与尾水回注管道的尽头相距设定的距离；地热水抽采管道与热能交换站的热能交换设备的供热侧进水管相连，将地热储层中的地热水抽采至热能交换设备；尾水回注管道与热能交换设备供热侧的出水管相连，地热水热交换后重新注入地热储层；从地面向热能交换站钻孔，在钻孔中布置热能传输管道和回水管道，回水管道连接热能交换设备的热交换侧进水管，热能交换设备的热交换侧出水管连接热能传输管道，地热能经热能交换站的热能交换设备热交换后再经热能传输管道传输至地面；同时，下一工作面的采煤作业继续进行，煤炭经运输大巷运输，再经主井提升至地面，实现煤-地热水的协同开采。
所述地热水抽采***，地热水从地热水汇集区的热源抽采，经地热水抽采管道运输至热能交换站；地热水中的热能在热能交换站转存后，经热能传输管道直接输送至地面以供利用；热能交换站输出的尾水经尾水回注管道回注至地热储层，以保证地热储层的稳定；重新注入的尾水再次经地热储层的加热流向热能汇集区，补充热源，实现地热水的循环开采利用。
所述地热水抽采***还包括地热储层检测***，该***包括地热水水位监测装置、地热水水温监测装置、地热水水压监测装置以及地热储层位移监测装置。
本发明针对含有陷落柱地质构造的煤-热资源开发利用所面临的技术难题，提供了一种基于陷落柱导水通道的煤-地热水协同开采方法。由于陷落柱周围形成大范围的裂隙带岩体，促进地热储层与陷落柱之间形成地热水汇集区。采用了上述技术方案，本发明可充分利用地热水汇集区的高渗性和裂隙带岩体的软弱性，在上一工作面巷道内建立热交换站，通过地热水抽采管道和尾水回注管道抽采地热，实现煤-热协同高效开采利用的同时，可对地热储层进行持续的卸压，减小陷落柱诱发突水的风险，变害为利。
本发明有如下优点：
1.利用采煤工作面沿空留巷的巷道作为采热空间，实现了煤-热协同开采。
2.利用陷落柱与地热储层之间的渗流通道形成的地热水汇集区作为地热水开采的热源，便于地热水的流动和存储，提高抽采效率。
3. 解决了陷落柱诱发突水事故的危险性。地热储层中高温水的抽采，对地热储层有一定的卸压作用，降低陷落柱带突水灾害的风险，把陷落柱导水通道变害为利。
4.在工作面巷道建立热交换站，极大的缩短了地热水的传输距离，同时利用陷落柱周围岩体的松散型，减小地热井开挖的难度和管道布置的工程量，节约成本，降低热能损耗。
附图说明
图1为本发明基于陷落柱导水通道的煤-地热水协同开采方法的开采***示意图；
图中：1-地热水汇集区、2-主井、3-副井、4-风井、5运输大巷、6-轨道大巷、7-回风大巷、8-防水煤柱、9上一工作面、10-热能交换站、11-尾水回注管道、12-地热水抽采管道、13-地热储层、14-热能传输管道、15-回水管道、16-陷落柱、17-下一工作面。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示的是本发明基于陷落柱导水通道的煤-地热水协同开采方法的开采***，主要包括地热水汇集区、煤炭开采***、热能交换站、地热水抽采及热能传输***，各个模块相互联系，共同运作，实现煤-地热水的多重开采利用。
本发明基于陷落柱导水通道的煤-地热水协同开采方法，进行煤-地热水协同开采：
步骤1.根据矿井地质资料确定由陷落柱导水裂隙触及地热储层而形成的地热水汇集区1。
陷落柱16存在天然的导水裂隙，导水裂隙触及到地热储层13时，会形成导水通道，使地热水不断地向陷落柱处汇聚，在陷落柱与地热储层交界的位置形成地热水汇集区1。地热水汇集区的位置可根据矿井地质资料确定。同时，抽采地热水汇集区的地热水可对地热储层进行卸压，降低陷落柱诱发突水事故的风险。
步骤2.布置煤炭开采***并开采煤炭：
根据煤层赋存特征，合理布置主井2、副井3和风井4；在开采水平内开掘运输大巷5、轨道大巷6和回风大巷7，布置采区，在采区内布置采煤工作面；采煤工作面回采中，利用沿空留巷的方式保留区段巷道；煤炭开采后经运输大巷5、主井2运输至地面。
步骤3. 设置热能交换站：
所述热能交换站10建立于距离陷落柱16有一定安全距离的采煤工作面开9采后沿空留巷保留的巷道内，热能交换站10内设置热能交换设备。如此设计，可使热能交换站10与陷落柱16距离一个相对安全的位置，同时钻孔施工经过了陷落柱16周围的软弱松散岩体，可降低钻孔布置的施工难度，且地热水抽采管道12不用延伸至地热储层内部，缩短了管道距离，可减小基建工程量，节约钻孔和管道布置的成本。
步骤4. 建立地热水抽采及热能传输***并抽采地热水：
所述地热水抽采及热能传输***是在当前开采的工作面17的上一工作面9沿空留巷保留的巷道或硐室内布置钻井硐室，分别向地热水汇集区1和地热储层13开挖地热井；通过地热井向地热水汇集区1布置地热水抽采管道12，向地热储层布13置尾水回注管道11；地热水抽采管道12与尾水回注管道11的尽头相距设定的距离；地热水抽采管道12与热能交换站10的热能交换设备的供热侧进水管相连，将地热储层13中的地热水抽采至热能交换设备；尾水回注管道11与热能交换设备供热侧的出水管相连，地热水热交换后重新注入地热储层13，以保证地热储层13的稳定，且重新注入的尾水再次经地热储层13的加热流向地热水汇集区1，补充热源，实现地热水的循环开采利用。
从地面向热能交换站钻孔，在钻孔中布置回热能传输管道14和回水管道15，回水管道15连接热能交换设备的热交换侧进水管，热能交换设备的热交换侧出水管连接热能传输管道15，地热能从热能交换站10在热能交换设备热交换后经热能传输管道14传输至地面；同时，下一工作面17的采煤作业继续进行，煤炭经运输大巷运输5，再经主井2提升至地面，实现煤-地热水的协同开采。
进一步的所述地热水抽采***还包括地热储层检测***，该***包括地热水水位监测装置、地热水水温监测装置、地热水水压监测装置以及地热储层位移监测装置。
Claims (2)
1.一种基于陷落柱导水通道的煤-地热水协同开采方法，其步骤如下：
步骤1.根据矿井地质资料确定由陷落柱导水裂隙触及地热储层而形成的地热水汇集区；
步骤2.布置煤炭开采***并开采煤炭：
根据煤层赋存特征，布置主井、副井和风井；在开采水平内开掘运输大巷、轨道大巷和回风大巷，布置采区，在采区内布置采煤工作面；采煤工作面回采中，利用沿空留巷的方式保留区段巷道；煤炭开采后经运输大巷、主井运输至地面；
步骤3. 设置热能交换站：
所述热能交换站建立于在距离陷落柱有一定安全距离的采煤工作面开采后沿空留巷保留的巷道内，所述热能交换站与陷落柱保持设定的安全距离；热能交换站内设置热能交换设备；
步骤4. 建立地热水抽采及热能传输***并抽采地热水：
所述地热水抽采及热能传输***：在当前开采工作面的上一工作面沿空留巷保留的巷道或硐室内布置钻井硐室，由钻井硐室分别向地热水汇集区和地热储层开挖地热井；通过地热井向地热水汇集区布置地热水抽采管道，向地热储层布置尾水回注管道；地热水抽采管道与尾水回注管道的尽头相距设定的距离；地热水抽采管道与热能交换站的热能交换设备的供热侧进水管相连，将地热储层中的地热水抽采至热能交换设备；尾水回注管道与热能交换设备供热侧的出水管相连，地热水热交换后重新注入地热储层；从地面向热能交换站钻孔，在钻孔中布置热能传输管道和回水管道，回水管道连接热能交换设备的热交换侧进水管，热能交换设备的热交换侧出水管连接热能传输管道，地热能经热能交换站的热能交换设备热交换后再经热能传输管道传输至地面；同时，下一工作面的采煤作业继续进行，煤炭经运输大巷运输，再经主井提升至地面，实现煤-地热水的协同开采。
2.根据权利要求1所述基于陷落柱导水通道的煤-地热水协同开采方法，所述地热水抽采***还包括地热储层检测***，该***包括地热水水位监测装置、地热水水温监测装置、地热水水压监测装置以及地热储层位移监测装置，分别进行地热水水位监测、地热水水温监测、地热水水压监测和地热储层位移监测。
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