[发明专利]二氧化碳置换矿井采空区瓦斯的方法

说明书

技术领域

本发明属于煤炭开采领域，涉及用二氧化碳置换矿井采空区瓦斯的方法。

背景技术

在煤炭开采过程中，会形成大量的采空区，有的采空区空间可达百万立方米，多个相邻的采空区总体积可达千万立方米以上。采空区被冒落带顶板岩石等充填，由于采空区上方覆盖着厚厚的基岩及地表松散层，为防止采空区漏风发生采空区自然发火现象，还对所有通向采空区的巷道等出口施工防火密闭，采空内的气体由于没有向外泄出的通道，可在内部长期封存。其中煤层中赋存大量瓦斯涌到采掘空间，给煤矿安全生产带来严重危害。目前在煤层瓦斯在开采过程中涌出形式主要有以下几种：一是通过抽放管路被抽采出来，二是随矿井风流带到地面排到大气中，三是在采煤时瓦斯充填于工作面后方采空区。从总体来看，这三种瓦斯涌出形式中抽放与矿井风流携带的瓦斯约占总量的50％左右，采空区充填的瓦斯占总量近50％，不同的矿井由于煤层瓦斯赋存条件不同、开采方法及瓦斯流通量措施等差异，所占比例也有所不同，但采空区充填大量的瓦斯是共同要面对的课题。采空区存在大量瓦斯的原因是：工作面回采过程中，煤层中瓦斯释放出来后向上浮动到采空区冒落带和裂隙带贮存起来；采空区遗煤中的瓦斯解析出来充填于采空区；邻近煤层及岩层中瓦斯受采动影响，在瓦斯压力的作用下释放到采空区。在高瓦斯矿井中，一般来说采煤工作面采空区在工作面采煤结束并封闭完一段时间后，采空区中的瓦斯浓度很高，一般都在50％以上，甚至接近100％。

采空区虽然贮存了大量高浓度的瓦斯，但由于绝大部分采空区都存在较为严重的浮煤自燃发火隐患，为防止空气进入采空区，所以一般不会采取直接抽取采空区瓦斯的方法来应用这一部分瓦斯。采空区瓦斯贮存时间较长后，由于采空区瓦斯不断增加，采空区瓦斯压力有时会比较大，为防止采空区瓦斯在压力作用下涌进相邻采煤工作面而带来瓦斯隐患，会采取自然卸压的方法来降低采空区瓦斯压力，即利用采空区预留在采空区密闭上，伸向采空区内部的管道卸压采空区内部瓦斯压力，而采空区仍维持很高的瓦斯浓度，以防止采空区浮煤发生自燃。

但现有的已采完并封闭后的采空区瓦斯利用率很低，基本为0。由于从采空区直接抽取瓦斯易使采空区周围巷道及采场空间的空气等进入采空区，使采空区浮煤自燃发火危险加大，加上采空区内瓦斯浓度很可能在爆炸范围之内，极易发生采空区瓦斯爆炸事故，由于煤炭开采时，在矿山压力的作用下，大量采空区很可能都互相连通，且与正在开采的采煤工作面后方采空区连通，爆炸及火灾可能影响到正在开采的工作面，可能给矿井安全生产带来很大影响。

对采空区瓦斯进行处理的另一种方式是利用二氧化碳置换。

煤矿井口附近一般都有电厂等用煤大户，至少也有较大型的燃煤锅炉等耗煤量较大的设备。这些设备在燃煤过程中要释放大量的二氧化碳，并直接排放到大气中，对大气环境造成破坏。随着人类对二氧化碳温室效应的认识，近年来要求减少二氧化碳排放的呼声越来越高，也有少量的企业开始对产生的二氧化碳进行处理，目前主要的方法为通过向地下岩层打钻，向地下岩层裂隙中压注二氧化碳。

向地下岩层裂隙中压注二氧化碳的封存技术成本很高，难以被用户接受。主要有：首先要勘探地下岩层中裂隙情况，找到裂隙发育的区域，然后打压注钻孔，为压注创造条件；其次是燃煤设备等烟气中除了含有大量的二氧化碳，还有大量的氮气，由于地层裂隙空间毕竟有限，勘探及施工钻孔成本也很高，为提高二氧化碳压注量，要考虑采取高压压注手段，以提高二氧化碳在地下裂隙水体中的溶解度，甚至采取液态压注手段等。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用二氧化碳置换矿井采矿区瓦斯的方法。

对地面燃煤锅炉等燃烧过程中产生的二氧化碳，采用管道向井下输送到已封闭并富集大量高浓度瓦斯采空区的下部区域，经采空区密闭上预设的伸向采空区内的管道输送到采空区内。在此采空区的上部区域的密闭上设置伸向采空区内的瓦斯释放管道，收集从采空区释放出来的瓦斯，并输送到地面的变压吸附分离等瓦斯利用设备。由于瓦斯气体比二氧化碳轻得多且采空区气流基本上处于停滞状态，二氧化碳从采空区下方注入采空区后会自然在采空区下部区域贮存，并随二氧化碳注入量的不断增加而向采空区上部区域扩张，直至充满整个采空区。由于注入的二氧化碳挤压缩了原采空区瓦斯的贮存空间，瓦斯会自然上浮，并富集在采空区上部区域空间。通过上部区域的密闭或钻孔等手段收集这一区域富集的采空区瓦斯，从而实现在二氧化碳封存的同时，置换出原采空区中的瓦斯并加以利用。二氧化碳注入采空区后，由于二氧化碳属于惰性气体，可以很好地抑制采空区浮煤自燃，消除了采空区自燃发火隐患。

本发明的方法具体过程为：