CN113404480A - 一种地热与矿产资源共采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地热与矿产资源开采技术领域，公开了一种地热与矿产资源共采方法，包括：1、确定地表移动带；2、在目标矿体的两端钻取注水井和抽水井；3、按照第二预设阈值的竖直间隔，钻取连接注水井和抽水井的弧形钻井；4、同一水平面内的相邻两个弧形钻井内注入高压水，形成裂隙面，并在裂隙面内支撑剂保持裂隙面的开度；5、重复步骤4，直至所有的弧形钻井处均形成有裂隙面，以使裂隙面和弧形钻井形成三维裂隙网；6、通过抽水井抽水，并向注水井内注水的方式开采地热资源；7、当目标矿体的温度低于第五预设阈值时，采用充填法开采目标矿体。实现了高温环境下地热和矿产的协同开采。
Description
本申请要求于2021年05月20日提交中国专利局的申请号为202110551206.3、名称为“一种地热与矿产资源共采方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明属于地热与矿产资源开采技术领域，尤其涉及一种地热资源与矿产资源共采方法。
背景技术
从理论上讲，地球内部可利用的成矿空间分布在从地表到地下1万米，目前先进水平勘探开采深度已达2500米至4000米，然而现今大多数开采深度大多小于500米，向地球深部进军是必须解决的战略科技问题。
在地球深部，赋存着丰富的矿产资源，如金矿、铀矿等。目前我国矿产的开采逐步进入深部开采阶段，一方面，随着开采深度的增加，岩层温度也在不断增高，高温环境导致地下作业环境恶劣，影响工人身体健康，对施工设备及工艺也要求较高，严重降低了生产效率，致使开采成本身高。而另一方面，地热资源是一种绿色、安全的可再生能源，若能充分利用这种资源，既能缓减能源压力，也将很大程度地减少由石油和煤炭燃烧造成的空气污染。
现有的地热资源开采技术，仅仅局限于地热开采，尚未见地热与矿产资源共采的相关技术资料。而高温环境是制约深部矿产资源高效开采的重大因素，通常的降温做法仅包括加强通风及通过制冷设备降温。
因此，亟需一种地热与矿产资源共采方法，以解决上述技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种地热与矿产资源共采方法，其可以实现高温环境下地热和矿产的协同开采，既可有效解决地热资源丰富地区矿产资源开采所面临的热害问题，又提高了矿产资源的开采效率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种地热与矿产资源共采方法，包括如下步骤：
S1、圈定目标矿体开采岩层移动范围，并确定地表移动带；
S2、在所述地表移动带之外，在所述目标矿体的两端钻取注水井和抽水井，所述注水井和所述抽水井比所述目标矿体深至少第一预设阈值；
S3、按照第二预设阈值的竖直间隔，钻取连接所述注水井和所述抽水井的弧形钻井，所述目标矿体的左右两侧均设置有所述弧形钻井，所述弧形钻井半包裹所述目标矿体设置，所述弧形钻井与所述目标矿体之间的间隔距离大于第三预设阈值；
S4、同一水平面内的相邻两个所述弧形钻井内注入大于第四预设阈值的高压水，形成裂隙面，并在所述裂隙面内支撑剂保持裂隙面的开度，裂隙面部分连通两个所述弧形钻井；
S5、重复步骤S4，直至所有的弧形钻井处均形成有所述裂隙面，以使所述裂隙面和所述弧形钻井形成三维裂隙网；
S6、通过所述抽水井抽水，并向所述注水井内注水的方式开采地热资源；
S7、当所述目标矿体的温度低于第五预设阈值时，采用充填法开采所述目标矿体；
其中，开采所述目标矿体的开拓工程均位于所述三维裂隙网内，并搭建涌水监测系统，对开采所述目标矿体过程中涌水量进行监测。
作为一种地热与矿产资源共采方法的优选技术方案，所述第一预设阈值为50m，所述第二预设阈值为50m，所述第三预设阈值为10m-30m，所述第四预设阈值为20MPa，所述第五预设阈值为40℃。
作为一种地热与矿产资源共采方法的优选技术方案，所述注水井和所述抽水井均为竖井。
作为一种地热与矿产资源共采方法的优选技术方案，所述注水井和所述抽水井的井口与所述地表移动带之间的距离大于100m。
作为一种地热与矿产资源共采方法的优选技术方案，所述目标矿体的上下两侧均设置有所述弧形钻井，最顶部的弧形钻井的最低点的标高高于热储岩层的上边界。
作为一种地热与矿产资源共采方法的优选技术方案，在开采所述目标矿体的过程中，搭建微震监测系统，所述微震监测系统用于监测热储岩层和渗涌通道的空间分布。
作为一种地热与矿产资源共采方法的优选技术方案，根据所述目标矿体的赋存条件，采用岩层移动角计算方法对所述目标矿体的上盘、下盘以及走向岩层移动角进行预测，以此来圈定所述目标矿体开采岩层移动范围。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
弧形钻井和裂隙面形成的三维裂隙网在地下形成半包裹目标矿体，采用抽水井和注水井开采地热资源时，可以对整个目标矿体进行冷却降温，待目标矿体温度降低之后再采用充填法开采目标矿体，通过本方法，实现了高温环境下地热和矿产的协同开采，既可有效解决地热资源丰富地区矿产资源开采所面临的热害问题，又可将地热资源转化为目标矿体开采所需的能源，实现了地热资源的充分利用及矿产资源开采的节能减排，而且提高了矿产资源的开采效率。
再者，采用充填法开采目标矿体，可以有效地避免地表塌陷，保护自然环境。涌水监测系统对开采目标矿体过程中涌水量进行监测，可以防止用于地热资源开采的水大量渗入采场。
附图说明
图1为本发明提供的地热与矿产资源埋藏的结构示意图；
图2是本发明提供的地热与矿产资源的俯视图。
其中，1、注水井；2、抽水井；3、弧形钻井；4、热储岩层；5、上覆岩层；6、开采岩层移动范围；
10、目标矿体。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
目标矿体10埋藏在热储岩层4内，上覆岩层5覆盖在热储岩层4的上方。如图1和2所示，本实施例公开了一种地热与矿产资源共采方法，其包括如下步骤：
S1、圈定目标矿体10开采岩层移动范围6，并确定地表移动带。具体地，根据目标矿体10的赋存条件，采用岩层移动角计算方法对目标矿体10的上盘、下盘以及走向岩层移动角进行预测，以此来圈定目标矿体10开采岩层移动范围6。
更具体地，根据目标矿体10赋存条件，采用岩层移动角计算方法对目标矿体10上盘、下盘以及走向岩层移动角进行预测研究，并圈定目标矿体10开采岩层移动范围6，计算公式如下：
δa＝55°+1.5f (1)
βa＝δa-(0.30+0.01f)α+1.5f (2)
δ＝(δa+βa)/2 (3)
其中，δa为下盘岩层移动角；
βa为上盘岩层移动角；
δ为走向岩层移动角；
f为岩体的普氏分级系数，当f＜5时，α≤60°，f≥5时，α≤65°。
根据目标矿体10所对应的围岩力学参数，用式1-式3计算，分别确定各勘探线剖面上的岩层移动角参数。在各勘探线剖面按移动角作图，得到各剖面线上下盘岩层移动线，从而得到地表与岩层移动线的交点，依次连接各点得到目标矿体10的开采地表移动带。
S2、在地表移动带之外，在目标矿体10沿目标矿体10的两端钻取注水井1和抽水井2，注水井1和抽水井2的连线平行于目标矿体10的走向方向。其中注水井1和抽水井2穿过热储岩层4，并且比目标矿体10深至少第一预设阈值；其中，第一预设阈值为50m，本实施例中优选为80m。
其中，注水井1和抽水井2均为竖井。注水井1和抽水井2的井口与地表移动带之间的距离大于100m，本实施例中优选为150m，可以有效地避免目标矿体10开采过程中，造成的地表移动沉降等损坏注水井1和抽水井2。
S3、按照第二预设阈值的竖直间隔，其中，第二预设阈值为10m-30m，本实施例中优选为15m。钻取连接注水井1和抽水井2的弧形钻井3，所述目标矿体10的左右两侧均设置有所述弧形钻井3，弧形钻井3向目标矿体10的外侧凸出设置，所述弧形钻井3半包裹所述目标矿体10设置，即弧形钻井3不穿过目标矿体10，弧形钻井3与目标矿体10之间的间隔距离大于第三预设阈值。第三预设阈值优选为50m。目标矿体10的上方和下方也均设置有弧形钻井3。其中最顶部的弧形钻井3的最低点的标高高于热储岩层4的上边界，具体地高于50m。注水井1和抽水井2的最底端被弧形钻井3相连接。
S4、同一水平面内的相邻两个所述弧形钻井3内注入大于第四预设阈值的高压水，形成裂隙面，裂隙面部分连通两个所述弧形钻井3；并在所述裂隙面内支撑剂保持裂隙面的开度，可以使裂隙面可以流水。本实施例中，第四预设阈值为20MPa。
S5、重复步骤S4，直至所有的弧形钻井3处均形成有所述裂隙面，以使所述裂隙面和所述弧形钻井3形成三维裂隙网。
S6、通过抽水井2抽水，并向注水井1内注水的方式开采地热资源，被利用降温后的热水通过注水井1注入到地下，对目标矿体10进行冷却，水资源循环利用，提高了水资源的利用率。
S7、当目标矿体10的温度低于第五预设阈值时，采用充填法开采目标矿体10；其中，第五预设阈值为40℃，采用充填法开采目标矿体10，可以有效地避免地表塌陷，保护自然环境。
其中，开采目标矿体10的开拓工程均位于三维裂隙网内，且与三维裂隙网的最小间隔距离大于第六预设阈值，采矿作业过程中需加强通风、必要时增加制冷设备。
由于弧形钻井3不穿过目标矿体10，所形成的裂隙面不穿过目标矿体10。在开采目标矿体10的过程中还可以继续开采地热资源，持续对目标矿体10降温，避免目标矿体10和开拓的巷道内温度过高，提高目标矿体10的开采效率。
在开采目标矿体10的过程中，搭建通道井下微震监测系统，微震监测系统用于监测热储岩层4的破坏情况和渗涌通道的空间分布等。还搭建涌水监测系统，对开采目标矿体10过程中涌水量进行监测。其中涌水监测系统包含16个测点，其可以对目标矿体10开采过程中的涌水量进行监测，防止用于地热资源开采的水大量渗入采场。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种地热与矿产资源共采方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、圈定目标矿体(10)开采岩层移动范围(6)，并确定地表移动带；
S2、在所述地表移动带之外，在所述目标矿体(10)的两端钻取注水井(1)和抽水井(2)，所述注水井(1)和所述抽水井(2)比所述目标矿体(10)深至少第一预设阈值；
S3、按照第二预设阈值的竖直间隔，钻取连接所述注水井(1)和所述抽水井(2)的弧形钻井(3)，所述目标矿体(10)的左右两侧均设置有所述弧形钻井(3)，所述弧形钻井(3)半包裹所述目标矿体(10)设置，所述弧形钻井(3)与所述目标矿体(10)之间的间隔距离大于第三预设阈值；
S4、同一水平面内的相邻两个所述弧形钻井(3)内注入压力大于第四预设阈值的高压水，形成裂隙面，并在所述裂隙面内支撑剂保持裂隙面的开度，裂隙面部分连通两个所述弧形钻井(3)；
S5、重复步骤S4，直至所有的弧形钻井(3)处均形成有所述裂隙面，以使所述裂隙面和所述弧形钻井(3)形成三维裂隙网；
S6、通过所述抽水井(2)抽水，并向所述注水井(1)内注水的方式开采地热资源；
S7、当所述目标矿体(10)的温度低于第五预设阈值时，采用充填法开采所述目标矿体(10)；
其中，开采所述目标矿体(10)的开拓工程均位于所述三维裂隙网内，并搭建涌水监测系统，对开采所述目标矿体(10)过程中涌水量进行监测。
2.根据权利要求1所述的地热与矿产资源共采方法，其特征在于，所述第一预设阈值为50m，所述第二预设阈值为50m，所述第三预设阈值为10m-30m，所述第四预设阈值为20MPa，所述第五预设阈值为40℃。
3.根据权利要求1所述的地热与矿产资源共采方法，其特征在于，所述注水井(1)和所述抽水井(2)均为竖井。
4.根据权利要求1所述的地热与矿产资源共采方法，其特征在于，所述注水井(1)和所述抽水井(2)的井口与所述地表移动带之间的距离大于100m。
5.根据权利要求1所述的地热与矿产资源共采方法，其特征在于，所述目标矿体(10)的上下两侧均设置有所述弧形钻井(3)，最顶部的弧形钻井(3)的最低点的标高高于热储岩层(4)的上边界。
6.根据权利要求1所述的地热与矿产资源共采方法，其特征在于，在开采所述目标矿体(10)的过程中，搭建微震监测系统，所述微震监测系统用于监测热储岩层(4)和渗涌通道的空间分布。
7.根据权利要求1所述的地热与矿产资源共采方法，其特征在于，根据所述目标矿体(10)的赋存条件，采用岩层移动角计算方法对所述目标矿体(10)的上盘、下盘以及走向岩层移动角进行预测，以此来圈定所述目标矿体(10)开采岩层移动范围(6)。
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