一种露天煤矿内排土场二氧化碳封存结构及方法与流程

本发明主要涉及一种露天煤矿内排土场二氧化碳封存结构及方法，属于矿业环保领域。

背景技术：

0、发明背景

1、露天矿作为碳排放的大户，面临的固炭任务艰巨。国内外的研究表明，中浅部地层在开采等强扰动作用低的地质盖层+良好储集空间密闭性条件下，可实现co2规模化封存，如美国leyden煤矿利用上覆28.7m厚、结构完整泥岩层地质特点，将埋深仅240~260m的采空区改造成天然气储库，并实现了长期稳定运行，内蒙古乌兰煤矿煤层因上覆厚层泥岩的良好封盖作用，仅在埋深369~670m的采空区内形成了大量高压瓦斯富集区。露天矿开采深度普遍位于200-500m之间，属于中浅部，且开采范围广，开采扰动少，排土场空间巨大，是实现中浅部固炭的良好选择，同时能够为露天矿带来新的效益增长点，方案前景良好。当前已有部分专家学者提出了在露天矿排土场进行固炭的方法，大都使用水泥与防渗膜混合结构分层构筑密封腔体，工程量庞大，费用高，不利于实际操作，同时影响露天矿生产推进，因此，本发明提出一种利用原生物料在露天煤矿内排土场进行二氧化碳封存的方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，提供了一种露天煤矿内排土场二氧化碳封存结构及方法，不影响露天矿山正常生产，易于实施、安全性高、经济性可行。

2、为实现上述技术目的，本发明一种露天煤矿内排土场二氧化碳封存结构，其特征在于：具体为在露天煤矿内排土场中构建储气舱，储气舱包括密封舱和储气介质，密封舱由露天剥离物中的泥岩配合表面喷洒固化剂、浅层注浆、中层水封和底层铺设防渗层实现完全气密性，其中密封腔包括端帮密封层、坑底密封层、顶部密封层和排土场边坡密封层；储气介质为设置在密封舱内的砂岩、矿、煤矸石、炉渣、炉灰、建筑废料、废水泥熟料、废水泥中一种或集中混合构成。

3、一种露天煤矿内排土场二氧化碳封存结构的施工方法，其步骤如下：

4、露天矿排土场推进至预设的建设位置时施工储气舱；

5、在露天矿坑底、两侧端帮及排土场坡面铺设防渗膜与土工布组合，露天矿坑底与两侧端帮、露天矿坑底与排土场、排土场与两侧端帮的交界处采用相互折叠卷压形式，实现连续，构成完成的坑底密封层和端帮密封层，之后在坑底密封层和端帮密封层之间排弃露天矿剥离的砾岩形成堆砌结构，之后在堆砌结构的斜面喷洒水泥浆或其他胶结材料形成防渗层实现对铺设砾岩的密封；

6、砾岩顶部施工一层顶部密封层形成储气舱；之后在顶部密封层中设置注浆管道，同时向砾岩中布置注气管道，之后在顶部密封层上方作为传统排土场进行排土形成排土场覆盖层；

7、通过注浆管道向顶部密封层抓经形成注浆层，在注浆层内布设间隔1m左右的两层注浆管路并与露天矿外注浆机连接；

8、待排土场沉降1-2个月，储气舱稳定后，通过预留注浆管路向储气舱最上方的注浆层内泵入浆液，用于修复储气舱最上方内部裂隙；

9、待注入的浆体凝固后，通过注气管道向储气舱内注入超临界二氧化碳，控制储气舱内气体压力在10mpa以上，待储气舱内部连续一层的二氧化碳压力传感器显示压力平均值降低至5mpa以下，则通过与之相邻的注气管道继续注入超临界二氧化碳，持续该过程并维持90日时间；

10、储气舱二氧化碳封闭2-4年之后，再次向储气舱内注入超临界二氧化碳，其中，重新注入的超临界二氧化碳的质量在第一次注入的超临界二氧化碳的质量的40%以内。

11、进一步，注浆层上方排弃露天剥离物中的泥岩或其他遇水可致密的物料中间隔设置相互连接的用以向外渗水的注水管，所有注水管汇集连接至露天矿坑外的高压水泵房，实现供水；泥岩在钢管渗水的作用下相互胶结，形成致密结构，出现水封效果，即构成水封层；在水封层上再次铺设注浆层；之后在注浆层上喷洒固化剂，形成固化层，实现固化，进一步强化密封效果。

12、进一步，在防渗层斜面外侧循环增加储气舱，新的储气仓将上一个的储气仓的防渗层斜面作为基础沿着露天矿推进方向不断推进，推进距离达到100-150m或露天矿推进度的1/3至1/2之间时，在储气介质台阶表面建设第二个排土场边坡密封层，并于端帮密封层和顶部密封层、坑底密封层连接，对储气介质形成密封包裹，进而形成一个新的储气舱；每个储气舱内的注气管道相互独立，并均与地表注气室总管路连接。

13、进一步，通过在密封层内外部和中部埋设二氧化碳浓度传感器检测存储的二氧化碳，当监测到超标的二氧化碳时，说明该层密封层已经发生泄漏，此时应停止向该储气舱继续充气，并逐步废弃该储气舱。

14、有益效果

15、本发明提出了一种通过利用露天煤矿内排土场封存二氧化碳方法，使用的原材料大都为露天矿剥离的物料，材料成本低，且施工过程与露天矿生产衔接，不影响露天矿正常生产，大大提升了矿坑的利用价值。水封+注浆+固化等多层构建的密封层能够提供有效的密封效果，实现安全储气。独立的储气舱和监测系统的联合布置，能够有效应对储气舱失效风险。注浆层多次注浆有效减少排土场沉降对密封带来的破坏。分层、多次注气的方法有效提高储气容量。储气舱上覆岩土能够带来足够的围压，提高储气压力，增加储气量，减少泄漏风险。

16、从经济角度考虑，在较为经济的混合填埋前提下，采用本方法处理的二氧化碳封存量可达200-300kg/m3。按平均值计算，即1立方米的混料平均质量为1.35吨，平均可以固化约0.47吨二氧化碳。按照一个中小型矿坑容积1亿立方米计算，矿坑可封存的二氧化碳平均可达到2350万吨，按照二氧化碳目前的平均交易价格30元/吨计算，可以实现约7亿元人民币的价值。

技术特征：

1.一种露天煤矿内排土场二氧化碳封存结构，其特征在于：具体为在露天煤矿内排土场中构建储气舱，储气舱包括密封舱（1）和储气介质（2），密封舱（1）由露天剥离物中的泥岩配合表面喷洒固化剂、浅层注浆、中层水封和底层铺设防渗层实现完全气密性，其中密封腔包括端帮密封层（3）、坑底密封层（4）、顶部密封层（5）和排土场边坡密封层（6）；储气介质（2）为设置在密封舱（1）内的砂岩、矿、煤矸石、炉渣、炉灰、建筑废料、废水泥熟料、废水泥中一种或集中混合构成。

2.一种露天煤矿内排土场二氧化碳封存结构的施工方法，其特征在于步骤如下：

3.根据权利要求2所述露天煤矿内排土场二氧化碳封存结构的施工方法，其特征在于：注浆层上方排弃露天剥离物中的泥岩或其他遇水可致密的物料中间隔设置相互连接的用以向外渗水的注水管，所有注水管汇集连接至露天矿坑外的高压水泵房，实现供水；泥岩在钢管渗水的作用下相互胶结，形成致密结构，出现水封效果，即构成水封层；在水封层上再次铺设注浆层；之后在注浆层上喷洒固化剂，形成固化层，实现固化，进一步强化密封效果。

4.根据权利要求2所述露天煤矿内排土场二氧化碳封存结构的施工方法，其特征在于：在防渗层（10）斜面外侧循环增加储气舱，新的储气仓将上一个的储气仓的防渗层（10）斜面作为基础沿着露天矿推进方向不断推进，推进距离达到100-150m或露天矿推进度的1/3至1/2之间时，在储气介质台阶表面建设第二个排土场边坡密封层，并于端帮密封层和顶部密封层、坑底密封层连接，对储气介质（2）形成密封包裹，进而形成一个新的储气舱；每个储气舱内的注气管道（11）相互独立，并均与地表注气室总管路连接。

5.根据权利要求2所述露天煤矿内排土场二氧化碳封存结构的施工方法，其特征在于：通过在密封层内外部和中部埋设二氧化碳浓度传感器检测存储的二氧化碳，当监测到超标的二氧化碳时，说明该层密封层已经发生泄漏，此时应停止向该储气舱继续充气，并逐步废弃该储气舱。

技术总结
本发明提供了一种露天煤矿内排土场二氧化碳封存结构及方法，属于矿业环保领域。利用露天矿坑封存二氧化碳的方法包括：储气腔体和密封层的构成；端帮密封层，矿坑底部密封层，顶部防密封层与排土场端帮密封层排弃构筑方法；二氧化碳封存步骤。本发明提出了一种通过有序排弃矿山剥离物料的方式实现了利用露天煤矿内排土场封存二氧化碳，大大提升了矿坑的利用价值，产生二次收益，实现了一种固碳工程技术，为早日实现碳中和提供解决方案。

技术研发人员：赵耀忠,刘强,田文明,张波,袁金祥,马广玉,曹鋆成,咸金龙
受保护的技术使用者：华能伊敏煤电有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15