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CN111911159B - 一种深部煤层开采采空区充填地热开采方法 - Google Patents

一种深部煤层开采采空区充填地热开采方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深部煤层开采采空区充填地热开采方法，由副井进入深部煤层开采区域，在第一水平位置设置集中换热站，沿副井从地面向井下布置集中换热管路；对各工作面进行煤体开采，并对采空区进行导热材料回填；分别在采空区的顶板和底板上施工纵向水平钻孔和横向水平钻孔，并铺设取热管路，取热管路靠近集中换热管路的通过软管接入集中换热管路中。在工作面开采后对采空区使用导热性良好的材料进行回填，并根据工作面长度在工作面顶底板、顶板布置钻孔和取热管路，通过向采空区充填体和底板岩层竖向钻孔并插入取热棒进行取热，大大增加了取热面积和取热效率实现开采后的长期取热。

Description

一种深部煤层开采采空区充填地热开采方法
技术领域
本发明属于深部煤层开采技术领域，具体涉及一种深部煤层开采采空区充填地热开采方法。
背景技术
随着机械化程度日益加强，我国煤矿开采深度也在不断增加，同时也伴随着机械散热和高温地热等热害问题，随采深增加，岩层温度随之提高，矿井热害越严重。矿井热害会降低作业人员作效率，严重制约矿井经济效率。
地热资源相较于煤炭资源是一种较为清洁的能源，矿井地热可供发电、冬季住宅供暖等使用，且地热资源分布范围广、可再生、可持续利用，符合持续健康发展的要求。现有深部煤层地热开采，通常是在开采前施工大量钻孔以便布置取热管路。目前存在的主要问题是：(1)需要单独布置大量钻孔并铺设取热管路，钻孔的施工周期长，且利用率较低，取热成本较大等问题；(2)煤层开采后，顶板自然垮落形成采空区后，若没有提前布置设备后期较难利用采空区的地热能。
发明内容
本发明旨在提供一种深部煤层开采采空区充填地热开采方法，通过注水取热，降低工作面制冷设备的冷量散失和损耗，降低制冷费用，且对工作面的开采进度影响小，同时能确保安全开采和长期利用采空区地热能。
为此，本发明所采用的技术方案为：一种深部煤层开采采空区充填地热开采方法，包括以下步骤：
第一步，由副井进入深部煤层开采区域，并在深部煤层开采区域的第一水平位置设置集中换热站，沿副井从地面向井下布置集中换热管路，通过集中换热管路连接至不同的各水平取热场所的工作面；
第二步，对各工作面进行煤体开采，并对采空区进行导热材料回填；
第三步，分别在采空区的顶板和底板上沿掘进方向施工若干纵向水平钻孔，顶板或底板上的所有纵向水平钻孔远离集中换热管路的一端通过横向水平钻孔连通，沿着纵向水平钻孔、横向水平钻孔铺设有取热管路，取热管路远离集中换热管路的一端相互接通，另一端通过软管接入集中换热管路中，其中一根取热管路作为出水管，其余取热管路作为进水管；
第四步，先由采空区的底板向下打若干竖向钻孔，再随工作面推进，由采空区的顶板向导热材料回填区打若干竖向钻孔，竖向钻孔沿着每根进水管成列布置，在每个竖向钻孔内插入取热棒，取热棒的上端接入各自对应的进水管中；
第五步，在工作面顶底板取热管路出水管处安装水温探测装置用于监测水温，通过在集中换热站控制冷水进水速度来控制取水温度保持相对稳定；
第六步，通过集中换热管路和集中换热站向采空区顶板、底板的取热管路注水，冷水从地面输送至集中换热站，由集中换热站送往各水平的集中换热管路，冷水从集中换热管路注入顶底板取热管路后，通过取热棒将采空区热量导入冷水中，冷水吸收热量后变热，热水再通过集中换热管路和集中换热站输送到地面进一步利用。
作为上述方案的优选，对于不同的各水平取热场所的工作面，若所述集中换热站至其余水平取热场所距离较远，由集中换热站向各开采区打垂直和水平的钻孔，以减少集中换热管路的布置长度。
进一步优选为，所述集中换热管路所取热水送至地面发电厂减少发电所需燃煤量，或送至室内供暖。
进一步优选为，在采空区的顶板和底板上施工有3—5个相互平行的纵向水平钻孔，沿着每个纵向水平钻孔等距间隔设置有若干取热棒，在纵向水平钻孔与横向水平钻孔相交的位置处设置有一个取热棒，所述取热棒之间的间隔不得大于取热棒的影响直径。
进一步优选为，在采空区的顶板、底板上的竖向钻孔的数量由工作面长度S、回采长度L及取热棒影响半径R决定：
1)根据矿井设计资料确定回采长度L，工作面长度S；
2)通过建立取热棒周围岩层的物理模型，模拟分析其温度场的变化情况，确定取热棒的影响半径R；
3)由下列公式计算得出钻孔数量K；
令K＝KS×KL，KS＝[S/2R]，KL＝[L/2R]。
进一步优选为，对所述集中换热管路的热水出管部分做隔热处理，避免热害区域的高温扩散至其它工作场所。
本发明的有益效果：(1)掘进巷道前，直接利用煤层开采已有的副井布置集中换热站、集中换热管路，集中换热管路的铺设方向与工作面的推进方向正好相反，不需要另外再单独钻孔铺管，减少了钻孔数量，减少了工作量，加快了施工进度；(2)在工作面开采后对采空区使用导热性良好的材料进行回填，并根据工作面长度在工作面顶底板、顶板布置钻孔和取热管路，通过向采空区充填体和底板岩层竖向钻孔并插入取热棒进行取热，大大增加了取热面积和取热效率，降低围岩、工作面温度，减少工作面制冷设备冷量损失；(3)工作面开采后对采空区进行导热材料回填，使得地热可较好传递至充填体内，完成采掘任务后，可长期对采空区进行取热。
附图说明
图1为本发明含一个水平位置的结构示意图。
图2为本发明含三个水平位置的结构示意图。
图3为顶板、顶板钻孔机管路布置俯视图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
结合图1—图3所示，一种深部煤层开采采空区充填地热开采方法，包括以下步骤：
第一步，由副井1进入深部煤层开采区域，并在深部煤层开采区域的第一水平位置设置集中换热站2。深部煤层开采区域通常涉及多个水平位置的煤层开采，其中位置最高的煤层开采区域称为“第一水平位置”。图2所示为上下三个水平位置。
沿副井1从地面向井下布置集中换热管路3，通过集中换热管路3连接至不同的各水平取热场所的工作面。
第二步，对各工作面进行煤体开采，并对采空区进行导热材料4回填，防止顶板过度变形破坏管路。
第三步，分别在采空区的顶板和底板上沿掘进方向施工若干纵向水平钻孔5，顶板或底板上的所有纵向水平钻孔5远离集中换热管路3的一端通过横向水平钻孔9连通，沿着纵向水平钻孔5、横向水平钻孔9铺设有取热管路6，取热管路6远离集中换热管路3的一端相互接通，另一端通过软管10接入集中换热管路3中，其中一根取热管路6作为出水管，其余取热管路6作为进水管；采用软管10相连，能防止地层运动使管路过度变形而损坏。
第四步，先由采空区的底板向下打若干竖向钻孔7，再随工作面推进，由采空区的顶板向导热材料回填区打若干竖向钻孔7，竖向钻孔7沿着每根进水管成列布置，在每个竖向钻孔7内插入取热棒8，取热棒8的上端接入各自对应的进水管中。
第五步，在工作面顶底板取热管路出水管处安装水温探测装置用于监测水温，通过在集中换热站控制冷水进水速度来控制取水温度保持相对稳定。
第六步，通过集中换热管路3和集中换热站2向采空区顶板、底板的取热管路6注水，冷水从地面输送至集中换热站2，由集中换热站2送往各水平的集中换热管路3，冷水从集中换热管路3注入顶底板取热管路后，通过取热棒8将采空区热量导入冷水中，冷水吸收热量后变热，热水再通过集中换热管路3和集中换热站2输送到地面进一步利用。
对于不同的各水平取热场所的工作面，若集中换热站2至其余水平取热场所距离较远，由集中换热站2向各开采区打垂直和水平的钻孔，以减少集中换热管路3的布置长度。
集中换热管路3所取热水送至地面发电厂减少发电所需燃煤量，或送至室内供暖。
在采空区的顶板和底板上施工有3—5个相互平行的纵向水平钻孔5，沿着每个纵向水平钻孔5等距间隔设置有若干取热棒8，在纵向水平钻孔5与横向水平钻孔9相交的位置处设置有一个取热棒8，取热棒8之间的间隔不得大于取热棒8的影响直径。
在采空区的顶板、底板上的竖向钻孔7的数量由工作面长度S、回采长度L及取热棒影响半径R决定：
1)根据矿井设计资料确定回采长度L，工作面长度S；
2)通过建立取热棒周围岩层的物理模型，模拟分析其温度场的变化情况，确定取热棒的影响半径R；
3)由下列公式计算得出钻孔数量K；
令K＝KS×KL，KS＝[S/2R]，KL＝[L/2R]。
对集中换热管路3的热水出管部分做隔热处理，避免热害区域的高温扩散至其它工作场所。

Claims (6)

1.一种深部煤层开采采空区充填地热开采方法，其特征在于，包括以下步骤
第一步，由副井(1)进入深部煤层开采区域，并在深部煤层开采区域的第一水平位置设置集中换热站(2)，沿副井(1)从地面向井下布置集中换热管路(3)，通过集中换热管路(3)连接至不同的各水平取热场所的工作面；
第二步，对各工作面进行煤体开采，并对采空区进行导热材料(4)回填；
第三步，分别在采空区的顶板和底板上沿掘进方向施工若干纵向水平钻孔(5)，顶板或底板上的所有纵向水平钻孔(5)远离集中换热管路(3)的一端通过横向水平钻孔(9)连通，沿着纵向水平钻孔(5)、横向水平钻孔(9)铺设有取热管路(6)，取热管路(6)远离集中换热管路(3)的一端相互接通，另一端通过软管(10)接入集中换热管路(3)中，其中一根取热管路(6)作为出水管，其余取热管路(6)作为进水管；
第四步，先由采空区的底板向下打若干竖向钻孔(7)，再随工作面推进，由采空区的顶板向导热材料回填区打若干竖向钻孔(7)，竖向钻孔(7)沿着每根进水管成列布置，在每个竖向钻孔(7)内插入取热棒(8)，取热棒(8)的上端接入各自对应的进水管中；
第五步，在工作面顶底板取热管路出水管处安装水温探测装置用于监测水温，通过在集中换热站控制冷水进水速度来控制取水温度保持相对稳定；
第六步，通过集中换热管路(3)和集中换热站(2)向采空区顶板、底板的取热管路(6)注水，冷水从地面输送至集中换热站(2)，由集中换热站(2)送往各水平的集中换热管路(3)，冷水从集中换热管路(3)注入顶底板取热管路后，通过取热棒(8)将采空区热量导入冷水中，冷水吸收热量后变热，热水再通过集中换热管路(3)和集中换热站(2)输送到地面进一步利用。
2.根据权利要求1所述的深部煤层开采采空区充填地热开采方法，其特征在于：对于不同的各水平取热场所的工作面，若所述集中换热站(2)至其余水平取热场所距离较远，由集中换热站(2)向各开采区打垂直和水平的钻孔，以减少集中换热管路(3)的布置长度。
3.根据权利要求2所述的深部煤层开采采空区充填地热开采方法，其特征在于：所述集中换热管路(3)所取热水送至地面发电厂减少发电所需燃煤量，或送至室内供暖。
4.根据权利要求1所述的深部煤层开采采空区充填地热开采方法，其特征在于：在采空区的顶板和底板上施工有3—5个相互平行的纵向水平钻孔(5)，沿着每个纵向水平钻孔(5)等距间隔设置有若干取热棒(8)，在纵向水平钻孔(5)与横向水平钻孔(9)相交的位置处设置有一个取热棒(8)，所述取热棒(8)之间的间隔不得大于取热棒(8)的影响直径。
5.根据权利要求4所述的深部煤层开采采空区充填地热开采方法，其特征在于：在采空区的顶板、底板上的竖向钻孔(7)的数量由工作面长度S、回采长度L及取热棒影响半径R决定：
1)根据矿井设计资料确定回采长度L，工作面长度S；
2)通过建立取热棒周围岩层的物理模型，模拟分析其温度场的变化情况，确定取热棒的影响半径R；
3)由下列公式计算得出钻孔数量K；
令K＝KS×KL，KS＝[S/2R]，KL＝[L/2R]。
6.根据权利要求1所述的深部煤层开采采空区充填地热开采方法，其特征在于：对所述集中换热管路(3)的热水出管部分做隔热处理，避免热害区域的高温扩散至其它工作场所。
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