[发明专利]一种带状充填煤炭地下气化开采方法

权利要求书

1.一种带状充填煤炭地下气化开采方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤1、获取矿区地质参数，煤及岩石的力学参数、热学参数，获取矿区煤及岩石物理力学参数随温度的变化规律；

步骤2、获取气化炉宽度的极大值L_gm和气化炉隔离煤柱的极小值L_gp；

其中，L_gm＝k₁L_o(1)；L_gp＝k₂L_p(2)；

L_o为直接顶初次垮落步距，k₁为气化炉宽度安全系数，取值范围为0.7-0.9；L_p为煤体塑性区宽度，k₂为隔离煤柱宽度安全系数，取值范围为1.5-2.0；

其中，

式中，h_p为直接顶厚度，q为直接顶所承受的荷载，σ_T为直接顶的平均抗拉强度；m为煤柱高度，为内摩擦角，C为粘聚力，γ为岩层的平均容重，H为平均采深，β为侧压力系数，k为应力集中程度；

步骤3：气化炉宽度、隔离煤柱宽度及充填率的精准设计；

步骤3.1、以气化炉宽度的极大值L_gm、气化炉隔离煤柱的极小值L_gp和工作面煤层开采后注浆充填率q_b进行三因素三水平的正交实验设计，通过正交实验的设计方法可知需进行9个实验，将9个实验记录至正交实验表中；其中，各因素的三个水平为：气化炉宽度选取0.9L_gm、L_gm和1.1L_gm，隔离煤柱宽度选取L_gp、0.85L_gp和0.7L_gp，充填率q_b选取0.9、0.8和0.7；

步骤3.2、利用FLACD数值模拟软件构建数值模型，模拟煤炭地下气化过程中气化炉围岩温度场的变化特征，提取模型内各个网格所经历的最高温度；

步骤3.3、利用煤及岩石物理力学参数随温度的变化规律，计算气化炉围岩经历高温后的力学参数，并将参数赋值给每个网格；

步骤3.4、基于步骤3.1建立的正交实验表及步骤3.2、步骤3.3的实验方法建立9个数值模型，利用摩尔库伦模型进行模拟实验；

步骤3.5，选取顶板塑性区域未发展至基本顶上表面且隔离煤柱存在核区的模型，记录满足条件的第i个模型的气化炉宽度L_gm,i、隔离煤柱宽度L_gp,i，计算采留比k_i＝L_gm,i/L_gp,i，选取采留比最大的实验方案，即为气化炉设计宽度、隔离煤柱设计宽度及设计充填率的精准设计结果；

步骤4、布置气化区域，在气化区域按照步骤3所得气化炉设计宽度和隔离煤柱设计宽度划定气化工作面及隔离煤柱范围，二者间隔分布且气化工作面沿煤层倾向方向划定；

步骤5、获取单一气化工作面开采完毕所需时间；

步骤6、调配注浆充填材料，令充填材料凝固后强度不小于原煤强度的60％，充填材料凝固时间大于达到设计充填率所需工作时间并小于气化开采完毕单一工作面所需时间；

步骤7、对当前开采完毕的气化工作面用调配好的充填材料充填至其燃空区，直至达到设计充填率；同时对下一气化开采工作面进行开采和充填，并满足下一气化开采工作面与当前开采完毕的气化开采工作面不相邻。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1所述获取矿区地质参数包括：收集拟气化矿区的水文、地质采矿条件、钻孔数据、煤岩体及充填体力学实验成果，要保证煤层顶板伪顶厚度小于0.5m，顶板涌水量小于10m³/h，含水层距离煤层30m，防止顶板垮落或水量过大造成气化面湮灭；开展煤岩高温物理力学实验，获取煤岩20-1000℃内的物理力学参数，包括弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度的变化特征。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤4还包括由地表向下建立连通对应设计工作面上山山脚边界处拟气化煤层的出气井及下山山顶边界处拟气化煤层的注气井，然后利用定向钻井的方法沟通注气井及出气井，在出气井和注气井间均匀建立监测井。