一种地下煤炭与瓦斯耦合流态化开采方法技术

本发明专利技术提供了一种地下煤炭与瓦斯耦合流态化开采方法，在顶板内钻出若干平行分布的顶板水平井；从下到上将煤层分成若干层段，然后在每个层段内钻出若干个水平孔眼；按照从下到上的方式，依次在每个层段内的水平孔眼内向上钻出多条竖直径向孔眼，并利用竖直径向孔眼连通上下两层相邻的水平孔眼；在最上层的水平孔眼内钻出多条顶板

【技术实现步骤摘要】
一种地下煤炭与瓦斯耦合流态化开采方法


[0001]本专利技术属于矿业开发与煤瓦斯开采
，具体涉及一种地下煤炭与瓦斯耦合流态化开采方法。

技术介绍

[0002]我国深部煤炭资源储量十分丰富，资源量约占我国化石能源总量的94％，远大于石油和天然气的储量，这决定了在未来相当长一段时间内，煤炭资源依然会在我国经济社会中占据着重要的地位，同时，煤炭资源的开采依然会是我国经济发展的重要组成部分。随着煤矿的开采，能源资源被满足的同时也伴随着很多安全事故的发生。每一次严重的煤矿安全事故都会给企业带来巨大的经济损失，同时，还会严重危害工作人员的生命安全。此外，随着煤炭资源的不断开采，矿区大量的废弃煤层也给环境的治理造成了困难。
[0003]煤矿安全生产的主要威胁是煤层中的瓦斯，瓦斯主要成分为甲烷，其是煤矿灾害的祸首，也是一种新型的洁净能源和优质化工原料。我国煤矿瓦斯年抽采量保持在130亿m3左右，瓦斯利用率逐年提升，但我国大部分煤层瓦斯具有渗透率低、吸附性强的特点，因此开采难度大。因此，为了降低煤炭开采过程中的安全事故，提高工作人员的安全系数，同时减少煤炭开采对周围环境的影响，需要对现有技术进行革新，发展新型的煤炭与瓦斯开采方法。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种地下煤炭与瓦斯耦合流态化开采方法，该方法工艺简单，操作方便，且安全系数高，其能在实现煤炭高效开采的同时，实现对甲烷的高效抽采作业，利用该方法能有效降低煤炭开采过程中的安全事故，能极大提高工作人员的安全系数，同时，可有效减少煤炭开采对周围环境的影响，此外，该方法能为地下煤炭资源原位流态化开发提供可靠的技术支撑。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供一种地下煤炭与瓦斯耦合流态化开采方法，具体包括以下步骤；
[0006]步骤一：煤层顶板水平钻井；
[0007]根据煤层地质探测情况与顶板力学性能，同时结合顶板周围地应力分布规律，确定地面钻井位置与顶板内水平井轨迹，然后利用地面钻机在顶板内钻出若干平行分布的顶板水平井；
[0008]步骤二：煤层多级次钻孔；
[0009]根据煤层厚度，按照从下到上的次序，将煤层分成若干层段，然后在回风巷或运输巷内也按照从下到上的顺序在每个层段内钻出若干个水平孔眼，即在煤层内进行多级次钻孔；
[0010]步骤三：构建煤层钻孔网络；
[0011]在步骤二的基础上，继续进行二次径向钻孔作业，具体方式如下：采用水力喷射侧
钻的方式，按照从下到上的方式，依次在每个层段内的水平孔眼内向上钻出多条竖直径向孔眼，并利用竖直径向孔眼连通上下两层相邻的水平孔眼，在煤层内形成由水平孔眼
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竖直径向孔眼组成的的钻孔网络；
[0012]步骤四：连通顶板水平井与煤层水平孔眼；
[0013]在步骤二中最上层的水平孔眼内继续实施水力喷射侧钻作业，钻出多条顶板
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煤层连通孔，利用该顶板
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煤层连通孔将最上层的水平孔眼与顶板水平井竖直连通，构造出地面
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地下、顶板
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煤层相连通的复杂立体井网；同时，确保该顶板
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煤层连通孔的一部分位于顶板内，另一部分位于煤层内；
[0014]步骤五：煤炭与瓦斯耦合流态化开采；
[0015]S51：选择最下侧层段进行煤炭与瓦斯耦合流态化开采作业：
[0016]S511：在回风巷/运输巷内，按照从下到上的顺序开始向煤层内注入富氧空气或富氧水蒸气，并在水平孔眼内进行点火，使富氧空气或富氧水蒸气内的氧气与煤炭在水平孔眼周围燃烧，并生成高温二氧化碳气体与水蒸气，同时，利用竖直径向孔眼的导流作用使燃烧过程中产生的高温二氧化碳与水蒸气向上运移，进入到煤层上一层段的水平孔眼内，并与其中的煤炭在高温条件下发生化学反应，产生至少包含一氧化碳、氢气和甲烷气体的混合气体，该过程中，通过在水平孔眼周围的煤炭与氧气燃烧所产生的热量对上部煤层进行加热，使煤层温度提高，利用升高的温度降低煤层对甲烷的吸附能力，促使大量吸附状态甲烷解吸成游离态甲烷；
[0017]S512：使解吸形成的游离态甲烷气体、煤炭气化产生的混合气体沿着水平孔眼、竖直径向孔眼、顶板
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煤层连通孔以及顶板水平井开采到地面，然后依次进行分离和储存处理；
[0018]S52：在当前层段内的水平孔眼周围煤炭气化到一定程度后，继续逐层向上一层段内的水平孔眼注入富氧空气或富氧水蒸气，并继续依照S51中的方式进行煤炭与瓦斯耦合流态化开采，直至所有层段全部完成煤炭与瓦斯耦合流态化开采作业；
[0019]步骤六：破碎煤炭与煤渣分选；
[0020]在回风巷或运输巷内对采空区内的破碎煤炭进行分选，将未燃烧的煤炭重新开采到地面；
[0021]步骤七：采空区充填；
[0022]从地面井口内向顶板水平井内泵注充填浆液，利用顶板
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煤层连通孔的导流作用，将进入顶板水平井中的充填浆液不断导流到采空区内，直至达到所要求填充高度，完成采空区的充填作业。
[0023]为了确保后续流态化开采效果，在步骤一中，确保相邻两条顶板水平井的间距相等。
[0024]为了确保后续富氧空气或富氧水蒸气能够更均匀的填充到水平孔眼的各个部分，以确保水平孔眼的各个部分周围的煤炭与氧气能够更充分的燃烧，在步骤二中，所有水平孔眼采用水平钻进的方式，并且同一层段内相邻水平孔眼之间距离相等。
[0025]作为一种优选，在步骤二中，煤层的厚度不小于2m，且煤层的埋深范围在300～1500m。
[0026]为了保证填充效果，同时，为了能降低填充成本，在步骤七中，所述充填浆液由粉
碎的建筑垃圾与水混合制成，或者由煤灰与水混合制成。
[0027]作为一种优选，在步骤七中，充填浆液的最终填充高度不超过最上层水平孔眼的高度。
[0028]本专利技术中，首先，在顶板内钻出若干条平行分布的顶板水平井，可以利用顶板所在岩层结构稳定的特点形成多个稳定的井眼，进而可确保流态化开采通道主体段的稳定性。其次，利用竖直径向孔眼连通上下两层相邻的水平孔眼，并通过顶板
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煤层连通孔连通最上层的水平孔眼与顶板水平井，能够构造出地面
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地下、顶板
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煤层相连通的复杂立体井网，这可以为后续流态化资源高效开采提供了可靠的通道保障。使顶板
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煤层连通孔的一部分位于顶板内，另一部分位于煤层内，可以确保在流态化资源开采过程中，顶板水平井始终可以通过稳定存在的顶板
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煤层连通孔与钻孔网络保持稳定良好的连通状态。接着，将原位煤炭气化与煤层瓦斯抽采相结合，通过富氧空气或富氧水蒸气与煤炭共同燃烧产生二氧化碳和水蒸气，再利用二氧化碳和水蒸气在高温条件下与煤炭进行化学反应生成一氧化碳、氢气和甲烷等气体，同时，利用原位煤炭气化产生的高温对煤层进行加温，使煤层对甲烷的吸附能力减弱，可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地下煤炭与瓦斯耦合流态化开采方法，其特征在于，具体包括以下步骤；步骤一：煤层顶板水平钻井；根据煤层(3)地质探测情况与顶板(1)力学性能，同时结合顶板(1)周围地应力分布规律，确定地面钻井位置与顶板(1)内水平井轨迹，然后利用地面钻机在顶板(1)内钻出若干平行分布的顶板水平井(2)；步骤二：煤层多级次钻孔；根据煤层(3)厚度，按照从下到上的次序，将煤层(3)分成若干层段，然后在回风巷或运输巷内也按照从下到上的顺序在每个层段内钻出若干个水平孔眼(4)，即在煤层(3)内进行多级次钻孔；步骤三：构建煤层钻孔网络；在步骤二的基础上，继续进行二次径向钻孔作业，具体方式如下：采用水力喷射侧钻的方式，按照从下到上的方式，依次在每个层段内的水平孔眼(4)内向上钻出多条竖直径向孔眼(5)，并利用竖直径向孔眼(5)连通上下两层相邻的水平孔眼(4)，在煤层(3)内形成由水平孔眼(4)
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竖直径向孔眼(5)组成的的钻孔网络；步骤四：连通顶板水平井与煤层水平孔眼；在步骤二中最上层的水平孔眼(4)内继续实施水力喷射侧钻作业，钻出多条顶板
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煤层连通孔(6)，利用该顶板
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煤层连通孔(6)将最上层的水平孔眼(4)与顶板水平井(2)竖直连通，构造出地面
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地下、顶板(1)
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煤层(3)相连通的复杂立体井网；同时，确保该顶板
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煤层连通孔(6)的一部分位于顶板(1)内，另一部分位于煤层(3)内；步骤五：煤炭与瓦斯耦合流态化开采；S51：选择最下侧层段进行煤炭与瓦斯耦合流态化开采作业：S511：在回风巷/运输巷内，按照从下到上的顺序开始向煤层(3)内注入富氧空气或富氧水蒸气(7)，并在水平孔眼(4)内进行点火，使富氧空气或富氧水蒸气(7)内的氧气与煤炭在水平孔眼(4)周围燃烧，并生成高温二氧化碳气体与水蒸气(8)，同时，利用竖直径向孔眼(5)的导流作用使燃烧过程中产生的高温二氧化碳与水蒸气(8)向上运移，进入到煤层(3)上一层段的水平孔眼(4)内，并与其中的煤炭在高温条件下发生化学反应，产生至少包含一氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡承政，王博，邹增信，周跃进，高峰，高亚楠，杨玉贵，刘江峰，陶志祥，封胤镕，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：