CN112096358B - 一种钻孔***致裂疏松煤层的煤炭地下气化开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钻孔***致裂疏松煤层的煤炭地下气化开采方法，涉及煤炭气化开采技术领域，解决了煤层底板残留以及煤氧接触面积不足的技术问题。该方法包括：在地下气化炉的进气孔和出气孔之间布置***钻孔，并在***钻孔中安装定向***半圆保护套管；间隔安放***，***之间填充炮泥；利用导爆管引爆***和***进行***，预裂***钻孔上方的煤层；由进气孔通入气化剂并点火，气化炉内工作面产生煤气并输送至地面；气化炉完成煤炭气化后对燃空区进行充填。利用该方法进行煤炭开采，可以在煤层中产生大量的裂隙，在开采过程中煤层发生垮落形成煤堆，从而加剧氧化带的燃烧，提高了气化炉内温度，从而强化还原反应和热解反应，提升煤气产量和质量。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭地下气化开采技术领域，尤其是一种钻孔***致裂疏松煤层的煤炭地下气化开采方法。
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，并且可以与碳捕集和封存技术相结合，可有效减少温室气体排放。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。
现阶段煤炭地下气化尚没有完全实现产业化生产，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。现有技术中气化炉的构建主要有盲孔炉、一线炉、V型炉、U型炉和E型炉，气化剂的成分主要包括空气、水蒸气、二氧化碳、富氧以及它们之间的相互组合。所以在以往所构建的煤炭地下气化炉生产***中，气化反应过程中还存在很多不足。第一是由于传统煤炭地下气化过程在煤层中产生的裂隙较少，在缓倾斜煤层或者倾角比较小的倾斜煤层中进行地下气化时，不易使煤层垮落，从而使垮落的煤块向气化通道内填充，导致气化是在地应力作用下的孔裂隙非常小的密实板结煤层中进行。对处于原位应力状态的煤层来说，由于受到水平和竖向压应力的作用，其变形受到限制，使煤层中的孔裂隙在外加压力和位移受限的作用下被迫闭合，煤层的孔隙率、比表面积等参数比地面气化小得多。因此，地下气化的化学反应的速率非常低，动力学条件非常差，气化产量也非常低。与地面气化的任何一种气化方法甚至是固定床气化相比，现有地下气化技术的化学反应速率都要低几个数量级。地下气化是在原位应力作用下发生的这一事实对于提高气化产量来说是一个很大的限制。赋存条件不利于煤层垮落而强化化学反应，对地下气化的开展产生了严重的制约。第二，在煤炭地下气化反应炉中进行气化反应时，由于气化剂的流动趋势是向上方流动，且气化煤层上部受重力和围岩压力多重作用下产生裂隙大多容易垮落，所以气化剂与上部煤层的接触反应强度和效果远远大于气化煤层的下部，因此气化反应界面的总体扩展趋势是向煤层顶板方向扩展。气化煤层下部在与气化剂接触少且结构致密裂隙少的情况下，造成煤氧反应较弱，仅有表面可接触到气化剂并发生气化反应且十分缓慢，停火关炉后在进气和出气管路中间会有大量的煤炭剩余，并在煤层底板形成一个拱形的煤体结构，降低了地下气化炉内煤体的采出率，造成了资源的浪费。
专利文献(CN109736766A)公开了一种强化煤炭地下气化化学反应的煤层超前压裂C形炉方法，其在煤层中钻进延倾向方向的多个水力致裂钻孔，并在孔中安装致裂钻孔保护套管，在气化注气点火之前增加向致裂钻孔中注入高压水进行煤层水力致裂这一操作步骤，然后再进行注气点火气化，通过增加气化煤层中的孔裂隙来增加气化剂与煤体的接触面积，达到提高气化效率的目的；部分无井式地下气化采用通过向进气钻孔通入高压气体，增大气化炉内的压强和通入的气化剂的流量来促进气化反应的发生，达到提高产气量的目的。
专利文献(CN1121138A)公开了一种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，气化剂在气化炉内的流动范围大，与煤体表面的接触机会大，煤体表面的煤氧化学反应充分进行，以此来提高气化炉内的气化效率和采出率。
但是在地下煤层气化中仍然存在以下的问题：
(1)现有的建炉方式进行煤炭地下气化时，由于气化煤层本身结构比较致密，含孔裂隙较少，当进气通道输送气化剂时，气化通道的内表面积有限，只能在气化煤层表面发生煤氧化学反应，并且只能通过这个化学反应拓宽反应通道，反应速度较为缓慢，产气效率低下。同时，由于气化反应的总体移动趋势是向着煤层顶板方向移动，靠近底板的煤层往往来不及参与气化反应，尤其是进气通道和出气通道中间部分的煤层。在熄火关炉后，在进气孔和出气孔中间位置的底板上会残留大量煤炭，形成一个拱形的煤体结构。
(2)现有的气化炉构在构建时缺乏合理的预裂气化煤层的方法，气化炉内无法预裂气化煤层，导致气化剂在气化通道内流动空间有限，无法进入煤层裂隙中与煤体接触，这样煤氧化学反应就只能在气化煤层表面进行，效率低，速度慢，不利于高强度大规模产气，会在一定程度上影响煤气的品质，而且会造成大量的煤炭资源浪费。
(3)现有的预裂煤层技术的效果不理想，对实施预裂后产生的一系列连带问题仍无法解决。水力致裂会导致气化煤层内含水量过高，造成煤炭地下气化炉点火的困难，温度上升速度慢，混在产出煤气中的水蒸气会大大影响煤气品质。高压气化不利于还原反应的进行，注入过量氧气也会影响煤气品质，甚至会将煤气在高压作用下沟通地下水，造成地下水的污染。
由于煤层本身孔裂隙结构较少，导致煤体与气化剂接触的表面积有限，不利于煤氧化学反应进行和高强度大规模产气。为了解决这个问题，这就需要在地下气化煤层中疏松煤体，制造更多的煤氧接触面积，为煤氧的大规模化学反应过程提供有利条件。为此需要对现有的煤炭地下气化开采方法做进一步的改进。
发明内容
为了增大煤炭地下气化开采过程中煤氧接触面积，减少开采后煤层底板的残留，本发明提供了一种钻孔***致裂疏松煤层的煤炭地下气化开采方法，具体的技术方案如下。
一种钻孔***致裂疏松煤层的煤炭地下气化开采方法，步骤包括：
A.在地下气化炉的进气孔和出气孔之间布置***钻孔，***钻孔与进气孔和出气孔平行，在***钻孔中安装定向***半圆保护套管，并在进气孔和出气孔内安装保护套管；
B.在***钻孔内间隔安放***，***之间填充炮泥，将导爆管从***钻孔中引出；
C.利用导爆管引爆***和***进行***，完成***钻孔上方的煤层预裂，产生***裂隙；
D.由进气孔通入气化剂并点火，气化炉内的工作面移动产生煤气并输送至地面；
E.气化炉内完成煤炭气化后对燃空区进行充填。
优选的是，气化炉布置在煤层的直接顶和直接地之间，进气孔、出气孔和***钻孔均沿煤层的倾向布置。
还优选的是，进气孔和出气孔内安装保护套管上设置有圆形通孔，***钻孔中安装的半圆保护套管呈半圆环形的套筒。
还优选的是，***的***半径根据煤层的厚度确定，***的间距等于***半径的两倍。
还优选的是，点火引燃煤层后气化炉内温度升高，依次形成氧化带、还原带和干馏干燥带，随着燃空区扩大工作面移动，燃空区上方的煤层垮落后煤氧化反应的接触面积增大，温度持续升高。
进一步优选的是，煤气的输送管路为：从工作面气化炉的排气通道，经过出气孔到达排气钻进管路，输送至地面煤气管路。
进一步优选的是，燃空区进行充填的路径为：由地面充填泵站，经过地面充填管路输送至充填钻进管路，再经过进气孔输送至燃空区。
进一步优选的是，气化炉的采宽大于煤层厚度2倍时，平行设置多个***钻孔。
本发明提供的一种钻孔***致裂疏松煤层的煤炭地下气化开采方法有益效果是：通过在煤层底板附近的煤体内打***钻孔，***钻孔平行于注气通道和排气通道，并大致处于两者距离的中间位置。钻孔内每隔一定距离装填***，通过******能量致裂疏松一定范围内的致密煤体，使其在煤层内形成大量的裂隙；在后期地下气化炉运行过程中，注气通道注入的气化剂则很容易进入致裂疏松的煤体内部，也大大增加了煤氧接触的面积，为大规模煤氧化学反应提供了有利条件。该方法提高了反应强度和产气规模，也消除了煤层底板附近煤体的残留，提升了地下气化炉内煤体采出率。
附图说明
图1是钻孔***致裂疏松煤层的煤炭地下气化开采布置示意图；
图2是图1中的A-A截面示意图；
图3是图1中的B-B截面示意图；
图中：1-进气孔；2-出气孔；3-***钻孔；4-气化通道护管；5-气化煤层；6-直接顶；7-燃空区；8-直接底；9-***预裂的煤层；10-***；11-导爆管；12-***；13-炮泥；14-气流方向；15-煤炭残留。
具体实施方式
结合图1至图3所示，对本发明提供的一种钻孔***致裂疏松煤层的煤炭地下气化开采方法具体实施方式进行说明。
现有的煤炭地下气化开采方法中，仅在气化煤层表面发生煤氧化学反应，并且只能通过化学反应拓宽反应通道，反应速度较为缓慢，产气效率低下，所以无法实现高强度大规模产气。而水力致裂会导致气化煤层内含水量过高，气化炉点火的困难，温度上升速度慢，煤气品质降低等问题。为此提供了一种钻孔***致裂疏松煤层的煤炭地下气化开采方法，提升气化过程中的热效率，在气化煤层中产生大量裂隙，有利于煤层的垮落，还可以强化煤氧化学反应，提高产气效率和煤气品质，同时大大减少煤炭残留，提高煤炭产出率，减少资源浪费，实现高产高效的绿色开采。
一种钻孔***致裂疏松煤层的煤炭地下气化开采方法，步骤包括：
A.在地下气化炉的进气孔和出气孔之间布置***钻孔，***钻孔与进气孔和出气孔平行，在***钻孔中安装定向***半圆保护套管，在进气孔和出气孔内安装保护套管，对钻孔进行支撑保护，使其在矿压和***的双重作用下保持稳定。其中，图1示意了***钻孔、进气孔和出气孔的布置方式。气化炉外的岩石水平段和岩石弯曲段，进气孔和出气孔构成的通道内护管为普通钢管。***钻孔直径、装药间距以及钻孔在走向和煤层高度方向的间距根据实际情况具体确定的。
气化炉布置在煤层的直接顶和直接地之间，进气孔、出气孔和***钻孔均沿煤层的倾向布置，或者与煤层的倾向大致相同。进气孔和出气孔内安装保护套管上设置有圆形通孔，***钻孔中安装的半圆保护套管呈半圆环形的套筒，半圆保护套管可以控制***产生的能量传递方向，进而实现定向***，最大限度的保护底板不会受到破坏。
B.在***钻孔内间隔安放***，***之间填充炮泥，将导爆管从***钻孔中引出。***在钻孔内由炮泥进行封闭，通过导爆管统一进行电力引爆，保证***的安全，在高瓦斯矿井内也可以安全的进行操作。
***的***半径根据煤层的厚度确定，***的间距等于***半径的两倍。***钻孔的位置是在煤层内，并且靠近直接底，所以能够最大限度的致裂底板上方的煤层，避免在气化过程中形成拱形煤炭残留，造成煤炭资源的浪费。
C.利用导爆管引爆***和***进行***，完成***钻孔上方的煤层预裂，产生***裂隙。在气化炉外利用电力通过导爆管引爆***和***进行***，使气化煤层产生大量***裂隙以达到预裂的目的。当气化炉的采宽大于煤层厚度2倍时，可以平行设置多个***钻孔。
D.由进气孔通入气化剂并点火，气化炉内的工作面移动产生煤气并输送至地面。
进气孔内的注气通道采用热熔式弹性连接器连接，当气化工作面移动到热熔式弹性连接器位置时，在高温和一定时间作用下，热熔式弹性连接器断开，在注气管路上形成新的注气口。点火引燃煤层后气化炉内温度升高，依次形成氧化带、还原带和干馏干燥带，随着燃空区扩大工作面移动，燃空区上方的煤层垮落后煤氧化反应的接触面积增大，温度持续升高。其中，***产生的裂隙在气化过程中可以令气化剂在其中充分渗流，改变以往气化剂只与气化煤层表面接触发生煤氧化学反应的低效率气化方式，当温度升高到一定程度，在煤层内部就可以发生气化反应；同时在裂隙中气化产生的煤气增大了裂隙中的气压，从而使煤层更容易垮落，以往容易残留在煤层底板的煤体，因为***产生了大量裂隙会迅速发生煤氧化学反应，大大减少了资源的浪费，提高了煤炭地下气化的采出率。
煤气的输送管路为：从工作面气化炉的排气通道，经过出气孔到达排气钻进管路，输送至地面煤气管路。
E.气化炉内完成煤炭气化后对燃空区进行充填。
气化炉停止运行后，燃空区进行充填的路径为：充填浆料由地面充填泵站，经过地面充填管路输送至充填钻进管路，再经过进气孔输送至燃空区，对燃空区进行充填。
使用本方法进行煤炭开采，由于钻孔、***致裂以及因热解和还原反应而进一步扩展的裂隙和孔隙，在燃烧时产生进一步的扩展，在应力卸载、孔隙压力以及底部支撑消失等因素作用下发生垮落，形成大量垮落煤堆，氧化带会发生剧烈燃烧，所以整个气化炉的温度比传统气化炉要高很多，使还原反应和热解反应得以大幅度强化，气化炉产量和煤气质量都会有大幅的提高。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种钻孔***致裂疏松煤层的煤炭地下气化开采方法，其特征在于，步骤包括：
A.在地下气化炉的进气孔和出气孔之间布置***钻孔，***钻孔与进气孔和出气孔平行，在***钻孔中安装定向***半圆保护套管，并在进气孔和出气孔内安装保护套管；
B.在***钻孔内间隔安放***，***之间填充炮泥，将导爆管从***钻孔中引出；
C.利用导爆管引爆***和***进行***，完成***钻孔上方的煤层预裂，产生***裂隙；
D.由进气孔通入气化剂并点火，气化炉内的工作面移动产生煤气并输送至地面；
E.气化炉内完成煤炭气化后对燃空区进行充填；
其中点火引燃煤层后气化炉内温度升高，依次形成氧化带、还原带和干馏干燥带，随着燃空区扩大和气化炉内工作面的移动，燃空区上方的煤层垮落，煤氧化反应的接触面积增大，温度持续升高；所述煤气的输送管路为：从工作面气化炉的排气通道，经过出气孔到达排气钻进管路，输送至地面煤气管路；所述燃空区进行充填的路径为：由地面充填泵站，经过地面充填管路输送至充填钻进管路，再经过进气孔输送至燃空区；所述气化炉布置在煤层的直接顶和直接地之间，进气孔、出气孔和***钻孔均沿煤层的倾向布置，所述***钻孔的位置在煤层内，并且靠近直接底。
2.根据权利要求1所述的一种钻孔***致裂疏松煤层的煤炭地下气化开采方法，其特征在于，所述进气孔和出气孔内安装的保护套管上设置有圆形通孔，***钻孔中安装的半圆保护套管呈半圆环形。
3.根据权利要求1所述的一种钻孔***致裂疏松煤层的煤炭地下气化开采方法，其特征在于，所述***的***半径根据煤层的厚度确定，***的间距等于***半径的两倍。
4.根据权利要求1所述的一种钻孔***致裂疏松煤层的煤炭地下气化开采方法，其特征在于，当气化炉的采宽大于煤层厚度2倍时，平行设置多个***钻孔。
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