一种柱旁充填-原位气化协同复采残采区遗留煤柱的方法

本发明涉及煤炭开采，具体涉及一种柱旁充填-原位气化协同复采残采区遗留煤柱的方法。

背景技术：

1、我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭开采历史悠久。但是由于早期开采技术落后，开采回收率低，煤炭利用不充分，导致在开采过程中遗留了部分煤炭资源，这些遗留煤炭资源中包含大量用来支撑采空区的遗留煤柱，具有极高的回采价值。但是由于这些遗留煤柱的赋存位置分散，所处的地质环境复杂，导致回采困难，开采经济效益差；同时这些遗留煤柱在地下存在了较长的时间，周围的残采区中存在大量的瓦斯，导致生产人员和设备难以进入；而且遗留煤柱和采空区浮煤等更易发生自燃发火，开采风险大，安全得不到保障。现有的遗留煤柱回采方法主要有：抽采法、削柱法、人工支柱替换、全面充填嗣后回采、崩落法回采等。cn112593939a采用充填与液压支柱相结合的方法，对全煤柱进行置换开采；cn112963196a则是提出在运输巷、回风巷和联络巷中进行支护，并对形成的柱中巷进行充填来开采巷间保护煤柱；cn110030031b提出先对残采区进行充填，然后布置长壁工作面对遗留煤柱进行回采。然而，前述遗留煤柱的开采方法在开采时不仅要保证巷道顶板覆岩的稳定性，还要保障人员和设备的安全，同时所采取的设备较多，回采过程繁琐，操作复杂，开采成本高。因此，需要设计一种不同于传统物理开采的开采工艺对遗留煤柱进行复采，以提高煤炭资源利用率。

2、煤炭地下气化技术是一种在地下原位将煤炭资源气化成可燃气体并排出的化学开采方法，无需人员进入井下操作，具有安全性高、对环境友好以及回采效率高的优点。目前，国内现有的煤炭地下气化工业性试验与技术主要都是针对整层遗煤、难采煤、“三下”压煤等遗留煤炭资源，对残采区遗留煤柱地下气化开采方面进行的研究较少。同时，气化过程所产生高温会使得隔离煤柱及顶底板岩层发生热破裂、热膨胀等现象，影响煤岩体的物理力学性质，严重时可引发燃空区顶板冒落、气化炉漏气甚至地表变形、沉陷等问题。鉴于此，亟需寻找一种加强隔离煤柱气化开采采空区稳定性的方法，进而有效解决在气化过程中因高温而产生的顶板冒落的问题，保障隔离煤柱气化开采的安全稳定。

技术实现思路

1、本发明针对残采区遗留煤柱开采过程中存在安全性、稳定性不足的问题，提供一种用于残采区遗留煤柱回收的柱旁充填-原位气化协同复采方法。该方法通过构建地面柱旁充填设施和地下气化装置形成综合气化采煤系统，可实现遗留煤柱的全部采出，经济效益好，安全性与开采效率高，既保证了残采区顶板稳定性，又可对遗留的煤炭资源进行充分的开采，降低由于煤炭自燃而引发矿井火灾的概率，减少煤炭资源的浪费。

2、为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种柱旁充填-原位气化协同复采残采区遗留煤柱的方法，其是在探明遗留煤柱的地质水文条件、几何形态及储量，判别遗留煤柱地下气化开采可行性的基础上，采用柱旁充填的方法对采空区遗留煤柱进行侧护，并通过煤炭地下气化工艺对遗留煤柱进行气化开采。该方法具体步骤如下：

4、步骤1：判别残采区遗留煤柱气化开采的可行性；

5、步骤2：绘制残采区遗留煤柱的分布形态图；

6、步骤3：在遗留煤柱旁的柱采区域内铺设进气管路与排气管路，进气管路的一端布置在遗留煤柱中，另一端连接至地面气泵，排气管路的一端布置在遗留煤柱中，另一端连接至地面放散塔与集气装置；

7、步骤4：在遗留煤柱旁的柱采区域内铺设充填管路，充填管路的一端布置在柱采区域内或连接至进气管路，另一端连接至地面的充填设备；

8、步骤5：在充填设备的作用下将充填体均匀地注入遗留煤柱两侧的柱采区域中，形成柱旁充填体；

9、步骤6：通过进气管路端部的点火装置加热遗留煤柱，并利用地面气泵向遗留煤柱中持续通入气化剂使煤炭开始燃烧并持续进行气化反应，产生的可燃气体通过排气管路排至地面的放散塔和集气装置中，直至该遗留煤柱被全部气化完；

10、步骤7：待遗留煤柱气化完成，重复步骤3至6，继续对残采区邻近遗留煤柱进行柱旁充填-原位气化，逐步气化开采该矿区剩余的遗留煤柱。

11、作为优选，所述残采区遗留煤柱的厚度大于2m，埋深大于300m。

12、作为优选，所述柱采区域的宽度为20m-160m。

13、作为优选，所述充填设备包括充填泵、搅拌机、混合器、仓储设备、装料机、上料架、制浆机、滤浆机和装载机；所述地面气泵包括空气泵、氧气泵、水蒸气泵和二氧化碳气泵。

14、作为优选，所述充填体包括以下按重量百分比计的原料：水泥15％-30％、粉煤灰10％-20％、水10％-20％、沙子/建筑废料55％-65％、减水剂1％-3％。

15、作为优选，所述充填体注入遗留煤柱的方式采用授权公告号为cn104832174a中所述的柱旁双侧部分充填方法。

16、作为优选，所述气化剂包括空气、氧气、水蒸气和二氧化碳，可根据生产所需的高温煤气调整气化剂组分。

17、作为优选，所述点火装置产生的温度为600℃-1500℃。

18、作为优选，所述遗留煤柱的外侧还设有感温电偶。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

20、(1)与传统的开采遗留煤柱的方法相比，本发明提出了一种先采用地面柱旁充填，后采用地下原位气化的开采工艺，采用化学开采的方式，安全性好，成本较低，经济效益好。且气化后产生的污染物能遗留在地下原位，减少了对环境的污染和破坏。

21、(2)与一般的地下气化整层遗煤相比，本发明将地下气化技术应用到遗留煤柱复采领域，充分利用了残采区遗留煤柱资源，极大地减少了煤炭资源的浪费，并且先充填后气化的技术也极大地增强了气化过程中气化通道围岩的稳定性。

22、(3)本发明将充填与气化系统结合到一起，且充填与气化过程能够较好衔接，步骤简单，气化难度低，所需人工少。

23、(4)柱旁充填体能够保证气化炉的密闭性，封堵围岩裂隙，防止气化产生的可燃气体的泄露，保障气化过程的稳定进行。同时也锁定了煤炭燃烧产生的污染物，阻碍其对地下水的渗流。

24、(5)气化管路外包裹的充填体能够防止气化过程中顶板岩石冒落对管路造成的破坏，保护气化管路。

技术特征：

1.一种柱旁充填-原位气化协同复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：在探明遗留煤柱的地质水文条件、几何形态及储量，判别遗留煤柱地下气化开采可行性的基础上，采用柱旁充填的方法对残采区遗留煤柱进行侧护，并通过煤炭地下气化工艺对遗留煤柱进行气化开采。

2.根据权利要求1所述的一种柱旁充填-原位气化协同复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种柱旁充填-原位气化协同复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：所述残采区遗留煤柱的厚度大于2m，埋深大于300m。

4.根据权利要求2所述的一种柱旁充填-原位气化协同复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：所述柱采区域的宽度为20m-160m。

5.根据权利要求2所述的一种柱旁充填-原位气化协同复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：所述充填设备包括充填泵、搅拌机、混合器、仓储设备、装料机、上料架、制浆机、滤浆机和装载机；所述地面气泵包括空气泵、氧气泵、水蒸气泵和二氧化碳气泵。

6.根据权利要求2所述的一种柱旁充填-原位气化协同复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：所述充填体包括以下按重量百分比计的原料：水泥15％-30％、粉煤灰10％-20％、水10％-20％、沙子/建筑废料55％-65％、减水剂1％-3％。

7.根据权利要求2所述的一种柱旁充填-原位气化协同复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：所述充填体采用授权公告号为cn104832174a中所述的柱旁双侧部分充填方法进行充填。

8.根据权利要求2所述的一种柱旁充填-原位气化协同复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：所述气化剂包括空气、氧气、水蒸气和二氧化碳。

9.根据权利要求2所述的一种柱旁充填-原位气化协同复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：所述点火装置产生的温度为600℃-1500℃。

10.根据权利要求2所述的一种柱旁充填-原位气化协同复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：所述遗留煤柱的外侧还设有感温电偶。

技术总结
本发明公开了一种柱旁充填‑原位气化协同复采残采区遗留煤柱的方法。该方法包括：在探明遗留煤柱的地质水文条件、几何形态及储量，判别遗留煤柱地下气化开采可行性的基础上，采用柱旁充填的方法对采空区遗留煤柱进行了侧护，并通过煤炭地下气化工艺对遗留煤柱进行气化开采。本发明开采遗留煤柱所采用的煤炭地下气化工艺，是一种井下无人化的绿色开采方法，所需设备较少，操作简单，能够极大地保障生产人员的安全，并且气化过程中产生的污染物会留在地下原位，对环境友好。同时在遗留煤柱两侧形成的柱旁充填体不仅能对顶板覆岩起到支撑作用，增强顶板稳定性，还能保障气化过程中气化炉的密闭性，提高采出率，减少煤炭资源的浪费。

技术研发人员：冯国瑞,李剑,白锦文,郭军,马俊彪,史旭东
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12