一种多联产无井式煤炭地下气化方法与流程

本发明涉及一种煤炭地下气化方法，具体是一种适用于煤矿井下的多联产无井式煤炭地下气化方法，属于煤炭资源开发与利用技术领域。

背景技术：

煤炭地下气化作为一种探索性煤炭地下原位流态化开采工艺，存在有井式、无井式两种地下气化工艺，其中无井式地下气化工艺通过地下钻孔贯通后形成气化炉开展气化，可以用于回收人工不能开采以及开采不经济的煤炭资源。无井式煤炭地下气化高效经济，实现了地下无人操作，保证生产过程的安全性。但是由于需要从地面钻取大量钻孔到煤层并贯通，钻孔工程量大。且目前大量钻孔仅仅用于煤炭气化过程，不能充分利用，导致钻孔利用率低，造成资源浪费。

而目前钻孔抽采方法已普遍应用于煤层气、页岩气等资源性气体的开采过程，主要采用定向钻孔、深部压裂抽吸等工艺。对于一些赋存完整的煤炭资源，因煤层中原始赋存的大量气体会对气化工艺、气化效果等产生影响，在进行地下气化前，需要首先对这些原始气体进行抽采。当煤炭气化过程完成之后，地底下仍存在残留的煤炭及火区，可能会引起瓦斯爆炸及大面积地下火灾，产生严重安全隐患，同时对地下环境产生污染，因此如何有效地熄灭气化炉火区问题比较突出。煤炭经过气化回收后，会出现地下废弃空间，如何利用这样的空间资源也是一个等待解决的问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种多联产无井式煤炭地下气化方法，能够在极大提高钻孔利用率的前提下实现多联产的煤炭地下气化作业，进而实现降低生产成本，而且可以实现地下废弃空间再利用，特别适用于煤炭地下气化作业。

为实现上述目的，本多联产无井式煤炭地下气化方法具体包括以下步骤：

a)钻孔作业：首先采用定向钻孔技术，从地面向煤层的方向自后向前倾斜施工出两个倾斜钻孔，两个倾斜钻孔分别钻进至煤层后，分别沿煤层走向继续向前钻进设定距离形成两个煤层钻孔段，两个倾斜钻孔与两个煤层钻孔段分别形成连续的主钻孔ⅰ和主钻孔ⅱ，然后在主钻孔ⅰ和主钻孔ⅱ之间的煤层中分别基于主钻孔ⅰ和主钻孔ⅱ、每隔设定距离施工出多个呈羽状的盲孔结构分支钻孔；

b)固井作业：在主钻孔ⅰ和主钻孔ⅱ内安装套管，安装范围从地表至主钻孔终孔处，其中地表至进入煤层之前的套管采用无缝套管、进入煤层之后的套管采用筛管；然后在地表至进入煤层之前的套管内安装抽注一体化多用途管组件；抽注一体化多用途管组件包括抽采一体化管和注浆封孔专用管，抽采一体化管的底端穿过耐高温挡板ⅰ、并通过耐高温挡板ⅰ定位架设在套管内，抽采一体化管的底端设有气体采集端头，气体采集端头上设有多个贯通的气体采集通孔，注浆封孔专用管的底端穿过耐高温挡板ⅱ、并通过耐高温挡板ⅱ定位架设在抽采一体化管上，且注浆封孔专用管的底端位于耐高温挡板ⅰ和耐高温挡板ⅱ之间；在套管与孔壁之间灌注水泥浆进行固管，在套管内灌注水泥浆使抽采一体化管与注浆封孔专用管密闭并定位在套管内，最后通过注浆封孔专用管在耐高温挡板ⅰ和耐高温挡板ⅱ之间的空间注满封堵材料；

c)瓦斯抽采作业：在地面将瓦斯抽采泵分别与主钻孔ⅰ和主钻孔ⅱ内的抽采一体化管的地表端接口连接，启动瓦斯抽采泵，通过主钻孔ⅰ、主钻孔ⅱ和各分支钻孔抽采煤层瓦斯；

d)煤炭地下气化作业：完成瓦斯抽采作业后，将主钻孔ⅰ或主钻孔ⅱ作为进气井，将主钻孔ⅱ或主钻孔ⅰ作为出气井，在进气井终孔位置正上方的地表垂直于地面钻进施工出钻至进气井终孔位置的点火井、并进行固井操作，然后将注气泵与进气井的抽采一体化管的地表端接口连接、将抽气泵与出气井的抽采一体化管的地表端接口连接，对点火井进行点火的同时启动注气泵和抽气泵，利用火力贯通原理使主钻孔ⅰ和主钻孔ⅱ的终孔位置贯通形成煤炭地下气化炉，将气化剂通过进气井按设定流量送至煤炭地下气化炉，气化产物由出气井抽出地面；待气化炉工作面燃烧并回退至位于煤层钻孔段后端的设定停采线位置后，完成煤炭地下气化作业；

e)燃空区处理作业：将灌注泵分别与主钻孔ⅰ和主钻孔ⅱ的抽采一体化管的地表端接口连接，同时通过主钻孔ⅰ和主钻孔ⅱ向燃空区内注入消除剂、净化剂、灭火剂；

f)co2封存作业：将注气泵分别与主钻孔ⅰ和主钻孔ⅱ的抽采一体化管的地表端接口连接，同时通过主钻孔ⅰ和主钻孔ⅱ向燃空区内注入co2气体，最后封堵进气井、出气井和点火井对co2气体进行封存。

作为本发明的进一步改进方案，步骤c)中，当抽出气体中ch4浓度降至30％时停止瓦斯抽采利用、并继续持续抽放，待ch4浓度降至9％以下并持续稳定设定时间后，完成瓦斯抽采作业。

作为本发明的进一步改进方案，步骤a)中两个煤层钻孔段平行设置。

作为本发明的进一步改进方案，步骤a)中分支钻孔向前方倾斜于煤层走向方向施工。

作为本发明的进一步改进方案，步骤a)中分支钻孔的钻孔深度为20～40m，且多个分支钻孔之间的间距为5～10m。

作为本发明的优选方案，步骤b)中注入耐高温挡板ⅰ和耐高温挡板ⅱ之间的空间的封堵材料是以高吸水树脂为基料的高水封堵防灭火材料。

与现有技术相比，本多联产无井式煤炭地下气化方法只需钻取主钻孔ⅰ、主钻孔ⅱ及点火井三个钻孔，因此可大大降低钻孔工程量；通过在地表至进入煤层之前的套管内安装抽注一体化多用途管组件，因此基于单次钻孔施工过程，可以通过抽注一体化多用途管组件实现依次完成瓦斯抽采作业、煤炭地下气化作业、燃空区处理作业、气体封存作业和封孔作业，极大地提高钻孔的利用率，实现多联产的煤炭地下气化作业的同时实现降低生产成本，而且可以实现地下废弃空间再利用，能够有效克服现有技术钻孔利用率低、生产成本高等不足，特别适用于煤炭地下气化作业。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明抽注一体化多用途管组件的安装结构示意图。

图中：1、主钻孔ⅰ，2、主钻孔ⅱ，3、分支钻孔，4、套管，5、抽采一体化管，6、注浆封孔专用管，7、耐高温挡板ⅰ，8、耐高温挡板ⅱ，9、点火井，10、煤炭地下气化炉，11、地面，12、煤层，13、停采线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明(以下以图1的左侧方向为前方进行描述)。

如图1所示，本多联产无井式煤炭地下气化方法具体包括以下步骤：

a)钻孔作业：首先采用定向钻孔技术，从地面11向煤层12的方向自后向前倾斜施工出两个倾斜钻孔，即倾斜钻孔与位于前方的煤层12之间的夹角呈钝角设置，如此设置可便于后续转向钻取煤层钻孔段，两个倾斜钻孔分别钻进至煤层12后，分别沿煤层12走向继续向前钻进设定距离形成两个煤层钻孔段，两个倾斜钻孔与两个煤层钻孔段分别形成连续的主钻孔ⅰ1和主钻孔ⅱ2，为了增加煤层12的透气性、便于提高后续的瓦斯抽采效率，在主钻孔ⅰ1和主钻孔ⅱ2之间的煤层12中分别基于主钻孔ⅰ1和主钻孔ⅱ2、每隔设定距离施工出多个呈羽状的盲孔结构分支钻孔3。

b)固井作业：在主钻孔ⅰ1和主钻孔ⅱ2内安装套管4，安装范围从地表至主钻孔终孔处，其中地表至进入煤层之前的套管4采用无缝套管、进入煤层之后的套管4采用筛管；然后在地表至进入煤层之前的套管4内安装抽注一体化多用途管组件；如图2所示，抽注一体化多用途管组件包括抽采一体化管5和注浆封孔专用管6，抽采一体化管5的底端穿过耐高温挡板ⅰ7、并通过耐高温挡板ⅰ7定位架设在套管4内，抽采一体化管5的底端设有气体采集端头，气体采集端头上设有多个贯通的气体采集通孔，注浆封孔专用管6的底端穿过耐高温挡板ⅱ8、并通过耐高温挡板ⅱ8定位架设在抽采一体化管5上，且注浆封孔专用管6的底端位于耐高温挡板ⅰ7和耐高温挡板ⅱ8之间；在套管4与孔壁之间灌注水泥浆进行固管，在套管4内灌注水泥浆使抽采一体化管5与注浆封孔专用管6密闭并定位在套管4内，最后通过注浆封孔专用管6在耐高温挡板ⅰ7和耐高温挡板ⅱ8之间的空间注满封堵材料。

c)瓦斯抽采作业：待钻孔固井作业完成后，在地面11将瓦斯抽采泵分别与主钻孔ⅰ1和主钻孔ⅱ2内的抽采一体化管5的地表端接口连接，启动瓦斯抽采泵，通过主钻孔ⅰ1、主钻孔ⅱ2和各分支钻孔3抽采煤层瓦斯，当抽出气体中ch4浓度降至30％时停止瓦斯抽采利用、并继续持续抽放，待ch4浓度降至9％以下并持续稳定设定时间后，完成瓦斯抽采作业。

d)煤炭地下气化作业：将主钻孔ⅰ1或主钻孔ⅱ2作为进气井，将主钻孔ⅱ2或主钻孔ⅰ1作为出气井，在进气井终孔位置正上方的地表垂直于地面11钻进施工出钻至进气井终孔位置的点火井9、并进行固井操作，然后将注气泵与进气井的抽采一体化管5的地表端接口连接、将抽气泵与出气井的抽采一体化管5的地表端接口连接，对点火井9进行点火的同时启动注气泵和抽气泵，利用火力贯通原理使主钻孔ⅰ1和主钻孔ⅱ2的终孔位置贯通形成煤炭地下气化炉10，将气化剂通过进气井按设定流量送至煤炭地下气化炉10，气化产物由出气井抽出地面11；待气化炉工作面燃烧并回退至位于煤层钻孔段后端的设定停采线13位置后，停止煤炭地下气化作业。

e)燃空区处理作业：待煤炭地下气化作业完成后，将灌注泵分别与主钻孔ⅰ1和主钻孔ⅱ2的抽采一体化管5的地表端接口连接，同时通过主钻孔ⅰ1和主钻孔ⅱ2向燃空区内注入消除剂、净化剂、灭火剂等，以消除燃空区灰渣中的有毒有害成分并彻底熄灭燃空区高温点。

f)co2封存作业：待燃空区处理作业完成后，将注气泵分别与主钻孔ⅰ1和主钻孔ⅱ2的抽采一体化管5的地表端接口连接，同时通过主钻孔ⅰ1和主钻孔ⅱ2向燃空区内注入co2气体，最后封堵进气井、出气井和点火井9对co2气体进行封存，充分利用燃空区提高气体封存效率。

为了便于利用火力贯通原理使主钻孔ⅰ1和主钻孔ⅱ2的终孔位置贯通形成煤炭地下气化炉10，作为本发明的进一步改进方案，步骤a)中两个煤层钻孔段平行设置。

为了便于定向钻孔转向操作钻取分支钻孔3，作为本发明的进一步改进方案，步骤a)中分支钻孔3向前方倾斜于煤层12走向方向施工。

为了增加煤层12的透气性、提高抽取瓦斯的效率，步骤a)中分支钻孔3的钻孔深度为20～40m，且多个分支钻孔3之间的间距为5～10m。

注入耐高温挡板ⅰ7和耐高温挡板ⅱ8之间的空间的封堵材料可以采用以发泡水泥为基料的泡沫防火封堵材料，也可以采用以高吸水树脂为基料的高水封堵防灭火材料，由于后者可以吸收本身重量数百至数千倍的水量，且在与水接触后可在短时间内发生溶胀、吸水后形成凝胶，在一定压力下部脱水，具有独特的高保水能力，性能远优于传统的封堵材料，因此优选后者，即，作为本发明的优选方案，步骤b)中注入耐高温挡板ⅰ7和耐高温挡板ⅱ8之间的空间的封堵材料是以高吸水树脂为基料的高水封堵防灭火材料。

本多联产无井式煤炭地下气化方法可大大降低钻孔工程量，基于单次钻孔施工过程，可以通过抽注一体化多用途管组件实现依次完成瓦斯抽采作业、煤炭地下气化作业、燃空区处理作业、气体封存作业和封孔作业，极大地提高钻孔的利用率，实现多联产的煤炭地下气化作业的同时实现降低生产成本，而且可以实现地下废弃空间再利用，能够有效克服现有技术钻孔利用率低、生产成本高等不足，特别适用于煤炭地下气化作业。