一种回采-充填-储碳一体化的联合工艺的制作方法

1.本发明涉及减排降碳、煤炭开采技术领域，具体涉及一种回采-充填-储碳一体化的联合工艺。


背景技术：

[0002]“碳达峰、碳中和”是全球气候治理和绿色发展转型背景下的一种发展理念更新和一种发展路径变革。在碳达峰和碳中和的实践中，碳捕集、利用与封存技术作为一种大规模的温室气体减排技术不断发展。同时，为预防煤炭开采诱发的开采损害问题和解决“三下”压煤问题，充填开采已成为绿色开采的重要组成部分。工作面回采后的采空区成为二氧化碳封存的天然空间。因此，亟需一种方法将工作面回采后的采空区进行充填支护和二氧化碳同步封存，将废弃空间最大限度的利用。
[0003]
目前，利用采空区进行碳封存的技术有很多，中国专利cn107780965a提供了一种新废弃矿井存放废弃混凝土及封存二氧化碳的方法，它将废弃混凝土填充到采空区，之后进行二氧化碳封存，有效实现了碳封存，但是没有考虑气体从覆岩裂隙中流出的问题；中国专利cn11321700a提供了一种利用废旧矿井封存二氧化碳的方法，它将二氧化碳转为固态或者液态直接注入废旧老采空区，有效地对二氧化碳进行捕集和封存，但是没有考虑二氧化碳气体的流窜。
[0004]
综上所述，亟需寻找到一种工作面回采过程中充填体支护和二氧化碳同步封存的联合工艺。在工作面回采过程中，实现了覆岩充填加固和二氧化碳封存的同步进行，对采空空间实现了最大化利用，形成了一种新的联合开采工艺，符合国家绿色开采合碳中和的战略目标，具有重要的实际意义。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种回采-充填-储碳一体化的联合工艺，该方法实现了采空区注浆充填和二氧化碳封存的同步进行。在工作面回采一定距离后，向后方采空区注入充填浆体，并同时向充填浆体内注入超临界二氧化碳，待充填浆体与超临界二氧化碳充分反应并形成一定的承载能力后，继续回采。这种方法实现了工作面充填开采和二氧化碳封存的同步进行，充分利用了煤炭开采后的废弃空间，为二氧化碳封存提供了一种新的封存方案。
[0006]
本发明提供了一种回采-充填-储碳一体化的联合工艺，具体方法包括：（1）根据综采工作面矿压实测数据计算充填步距，根据顶板压力确定充填体强度，其中充填隔离间距小于综采工作面来压步距；（2）确定工作面循环步距；（3）综采工作面开展采煤作业，当工作面回采间距达到充填步距时停止回采；（4）完成移架推溜后，在液压支架后方设置充填篷布，浆料充填管路沿着支护梁泵送充填膏体至充填区域；
（5）在注入充填料浆的同时，向充填料浆内注入超临界二氧化碳，二氧化碳与料浆充分反应3-5h，使超临界二氧化碳与充填料浆充分反应凝固，料浆凝固后能够提供1.8-2.3mpa早期支撑作用；（6）工作面继续推进，重复步骤（3）~（5），直至完成工作面全部回采。
[0007]
优选的，步骤（1）中的综采工作面矿压推测数据由邻近工作面提前布置的顶板压力传感器收集得来，按照邻近工作面的矿压数据推测综采工作面的矿压范围。
[0008]
优选的，步骤（2）中的工作面循环步距由充填步距和回采步距确定；由工作面的实际生产能力而来，由采煤机割煤速度、充填速度确定。
[0009]
优选的，步骤（3）中综采工作面布置在厚度均匀的硬煤层中，采用一次采全高工艺开采；优选的，步骤（3）中综采工作面采用综采液压支架支护，综采液压支架后方设置有2根后支护梁，后支护梁搭接充填篷布。
[0010]
优选的，步骤（3）中后支护梁和综采液压支架后方铰接固定，后支护梁的后端伸至充填体上方，液压支架上搭设充填管道和超临界二氧化碳泵送管道；优选的，步骤（4）中的充填料浆由水、水泥、碱渣、砂子、外加剂按比例组合而成；碱渣和砂子的比例为5:2~5:4，水泥按照三种固体原料（水泥、碱渣、砂子）质量的10~20%添加，外加剂主要为cao和caso4按照1：1配制的复合激发剂，外加剂占固体原料总质量的1%~1.5%，加水制成质量浓度为74%~80%的充填料浆。
[0011]
优选的，所述碱渣是以caco3、caso4、cacl2钙盐为主要组分的废渣，其中caco3占碱渣总质量的40%-70%，配制好的浆料偏碱性，ph值在9-11；超临界二氧化碳注入后与caco3充分反应，吸收大量二氧化碳，实现化学封存的目的。
[0012]
优选的，所述超临界二氧化碳通过地表的二氧化碳收集器通过二氧化碳转换器转换而成，通过连接管路泵送到工作面顺槽。
[0013]
本发明的有益效果是：该发明通过综采工作面矿压实测数据确定工作面循环步距，当综采工作面回采间距达到充填步距后，在液压支架后方设置充填篷布，充填管路沿着支护梁泵送充填膏体至充填区域；当膏体充满填充区域后，向充电膏体内注入超临界二氧化碳；待超临界二氧化碳与充填膏体充分反应凝固。该方法能够实现充填开采和超临界二氧化碳封存的同步进行，实现废弃采空区最大限度的利用，具有实际利用价值。
附图说明
[0014]
图1是回采-充填-储碳一体化的联合工艺开始阶段示意图；图2是回采-充填-储碳一体化的联合工艺结束阶段示意图；图3是图1中沿
ⅰ‑ⅰ
线的剖视图；图4是图3中注浆后的结构示意图。
[0015]
图中，1、煤层；2、顺槽；3、浆料充填管路；4、液压支架；5、充填篷布；6、充填体；7、超临界二氧化碳充填管路；8、顶板岩层；9、后支护梁；10、刮板输送机。
具体实施方式
[0016]
以下实施例旨在对本发明作示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
[0017]
为了对本发明的技术目标、特征和效果有更清楚的理解，现结合附图对一种回采-充填-储碳一体化的联合工艺作进一步详细的说明。
[0018]
某矿综采工作面井下标高为-353.2m，主采煤层为山西组4#煤层，4#煤层结构简单，无较大断层。目前主采工作面8301走向长度800m，倾斜长度120m，煤层厚度平均为3m，采用一次采全高开采方式，煤层倾角为4~8
°
，属于近水平煤层。直接顶为细砂岩，一般厚3~4m，比较稳定，抗压强度为30.25mpa~38.69mpa；基本顶厚度为石灰岩，厚6~10m，岩层坚硬，抗压强度86.34mpa~95.62mpa。该矿配套电厂为正在运行的火力电厂，co2的年排放量达到一百万吨以上，每年需缴纳的碳税金额近千万。本发明可以有效帮助附近电厂的co2同步封存到采动空间中。下面结合附图对实施过程作进一步的详细说明，具体实施步骤如下：步骤一：8302工作面为8301的邻近充填开采工作面，根据邻近8302工作面的实际矿压数据和顶板活动情况，8302工作面周期来压步距约为30~35m，所采用的充填隔离步距为25m，充填体早期强度为1.9mpa，长期强度为6.8mpa。根据8302工作面实际情况，确定8301工作面充填隔离间距25m，充填体早期长度为2mpa，长期强度为6.9mpa。充填材料由水、水泥、碱渣、砂子和外加剂按比例组合而成；碱渣和砂子的比例为5:3，水泥按照三种固体原料质量的15%添加，外加剂主要为cao和caso4按照1：1配制的复合激发剂，外加剂占到固体原料总质量的1.5%，加水制成质量浓度为78%的浆料。
[0019]
步骤二：将电厂排出的co2通过地面的二氧化碳收集器和转换器变成超临界co2，通过连接管路泵送到地下。
[0020]
步骤三：根据矿井的现有技术条件和相邻综采工作面直接顶运动参数，确定循环充填步距为3m；步骤四：综采工作面对煤层1进行回采，当工作面回采间距达到充填步距时停止回采；步骤五：推动刮板输送机10，移动液压支架4；在液压支架4后方铺设充填篷布5，浆料充填管路3沿着顺槽2和液压支架4，铺设至充填篷布5后方；超临界二氧化碳充填管路7沿着顺槽2和液压支架4，铺设至充填篷布5后方。
[0021]
浆料充填管路3和超临界二氧化碳充填管路7固定到液压支架4上，穿过液压支架向后充填注气。
[0022]
步骤六：充填浆料沿着浆料充填管路3泵送到充填篷布5后方的采空区内。同时，超临界二氧化碳沿着超临界二氧化碳充填管路7泵送到充填体6内部，待二氧化碳与充填浆料充分反应3-5h，使浆料凝固能5够发挥1.8-2.3mpa早期支撑作用。
[0023]
步骤七：待超临界二氧化碳与充填浆体充分反应凝固后，工作面继续推进，重复步骤四~步骤六，使充填体强度达到6.7~8.3mpa，有效控制顶板岩层移动和变形。
[0024]
以上所述为本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明所述技术实质与原理的前提下对上述实施方法作出的任何改进与修润，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种回采-充填-储碳一体化的联合工艺，其特征在于，包括以下步骤：（1）根据综采工作面矿压推测数据计算充填步距，根据顶板压力确定充填体强度，其中充填隔离间距小于综采工作面来压步距；（2）确定工作面循环步距；（3）综采工作面开展采煤作业，当工作面回采间距达到充填步距时停止回采；（4）完成移架推溜后，在液压支架后方设置充填篷布，浆料充填管路沿着支护梁泵送充填膏体至充填区域；（5）在注入充填料浆的同时，向充填料浆内注入超临界二氧化碳，二氧化碳与料浆充分反应3-5h，使超临界二氧化碳与充填料浆充分反应凝固，料浆凝固后能够提供1.8-2.3mpa早期支撑作用；（6）工作面继续推进，重复步骤（3）~（5），直至完成工作面全部回采。2.根据权利要求1所述的一种回采-充填-储碳一体化的联合工艺，其特征在于，所述步骤（1）中的综采工作面矿压推测数据由邻近工作面提前布置的顶板压力传感器收集得来，按照邻近工作面的矿压数据推测综采工作面的矿压范围。3.根据权利要求1所述的一种回采-充填-储碳一体化的联合工艺，其特征在于，所述步骤（2）中工作面循环步距由充填步距和回采步距确定。4.根据权利要求1所述的一种回采-充填-储碳一体化的联合工艺，其特征在于，所述步骤（3）中综采工作面布置在煤层倾角＜6
°
的近水平煤层中，采用一次采全高工艺开采。5.根据权利要求1所述的一种回采-充填-储碳一体化的联合工艺，其特征在于，所述步骤（3）中综采工作面采用综采液压支架支护，综采液压支架后方设置有2根后支护梁，后支护梁搭接充填篷布。6.根据权利要求5所述的一种回采-充填-储碳一体化的联合工艺，其特征在于，所述步骤（3）中后支护梁和综采液压支架后方铰接固定，后支护梁的后端伸至充填体上方，液压支架上搭设充填管道和超临界二氧化碳泵送管道。7.根据权利要求1所述的一种回采-充填-储碳一体化的联合工艺，其特征在于，所述步骤（4）中的充填料浆由水、水泥、碱渣、砂子、外加剂按比例组合而成；碱渣和砂子的比例为5:2~5:4，水泥按照三种固体原料质量的10~20%添加，外加剂主要为cao和caso4按照1：1配制的复合激发剂，外加剂占固体原料总质量的1%~1.5%，加水制成质量浓度为74%~80%的充填料浆。8.根据权利要求7所述的一种回采-充填-储碳一体化的联合工艺，其特征在于，所述碱渣是以caco3、caso4、cacl2钙盐为主要组分的废渣，其中caco3占碱渣总质量的40%-70%，配制好的浆料偏碱性，ph值为9-11；超临界二氧化碳注入后与caco3充分反应，吸收大量二氧化碳，实现化学封存的目的。9.根据权利要求1所述的一种回采-充填-储碳一体化的联合工艺，其特征在于，所述超临界二氧化碳通过地表的二氧化碳收集器通过二氧化碳转换器转换而成，通过连接管路泵送到工作面顺槽。

技术总结
本发明公开了一种回采-充填-储碳一体化的联合工艺。该发明通过综采工作面矿压实测数据确定工作面循环步距，当综采工作面回采间距达到充填步距后，在液压支架后方设置充填篷布，充填管路沿着支护梁泵送充填膏体至充填区域；当膏体充满填充区域后，向充填膏体内注入超临界二氧化碳；待超临界二氧化碳与充填膏体充分反应凝固。该发明实现了工作面充填开采和二氧化碳封存的同步进行，充分利用了煤炭开采后的废弃空间，实现了废弃采空区最大限度的利用，形成了一种新的联合开采工艺，符合国家绿色开采和碳中和的战略目标，具有重要的实际意义。义。义。


技术研发人员：白锦文 马俊彪 常斐 韩艳娜 潘瑞凯 史旭东 吴国威 郭军 李剑
受保护的技术使用者：山西浙大新材料与化工研究院
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/13