CN117514351A - 一种利用废弃矿井煤柱布置氢气储库的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用废弃矿井煤柱布置氢气储库的方法，属于地质储氢技术领域；首先在具有低渗致密的煤层顶底板的废弃矿井中选取用作储氢的目标煤柱，目标煤柱四周均为巷道；然后在目标煤柱四邻巷道依次修建饱水矸石填充区与混凝土砌块砖填充区，分别用以实现储库密封与保障储库运行过程中围岩长期稳定性；最后从依据输氢管路建设条件，从地面或井下灵活布置氢气注入钻孔/钻井与抽采钻孔/钻井；最后在储氢区实施氢气注入与抽采，实现氢气在煤层孔隙裂隙网络中以吸附态与游离态两种形式大规模存储；本发明解决了地下储氢空间开挖建设与围岩稳定性监测维护难度大的问题。
Description
技术领域
本发明属于地质储氢技术领域，涉及一种利用废弃矿井煤柱布置氢气储库的方法。
背景技术
由于地面罐装储氢方式存在储氢容量有限、安全性风险高、能源效率低、储氢成本高的技术缺点，地下储氢技术被视为未来潜在的理想储氢途径。现有同类地下储氢技术主要利用煤矿废弃巷道（CN116201599A）或者储氢岩洞（CN219139138U）等地下构筑空间储氢，这些储氢方式在地下构筑物空间开挖建设与围岩稳定性监测维护成本高，并且存在内衬砌长期耐压密封技术难度大的缺点，难以实现大规模长期储氢应用。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种利用废弃矿井煤柱布置氢气储库的方法，解决目前存在的地下储氢空间开挖建设、围岩稳定性与密封性监测维护难度大的问题。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种利用废弃矿井煤柱布置氢气储库的方法，包括以下步骤：
S1、在具有低渗致密的煤层顶底板的废弃矿井中选取用作储氢的目标煤柱，所述的目标煤柱四周均为巷道；
S2、在距离目标煤柱的四面煤帮8-12cm的位置砌筑密封外墙，并用粒径≤5mm的矸石颗粒填充密封外墙与煤帮之间的空间，形成矸石充填区；
S3、利用耐压混凝土砌块砖密实充填密封外墙与四邻煤柱之间的巷道空间，形成混凝土砌块砖充填区；然后向混凝土砌块砖充填区至矸石充填区布置钻孔并封孔，该钻孔为注水孔；
S4、从依据输氢管路建设条件，从地面向目标煤柱布置氢气注入井、抽采井或从井下向目标煤柱布置氢气注入钻孔与氢气抽采孔，并实施封孔；然后从注水孔向矸石充填区注水至水饱和状态；
S5、从氢气注入钻孔注入氢气，使氢气在目标煤柱中以吸附态与游离态两种状态储存，同时从氢气抽采孔抽取氢气，并监测抽取氢气浓度，直到氢气浓度与压力达到目标值，煤层氢储库布置完毕。
优选的，所述目标煤柱的前后两侧分别为相平行的第一大巷和第二大巷；所述目标煤层的左右两侧分别为相平行的第二联络巷与第三联络巷，第二联络巷远离目标煤柱的一侧为第一煤柱，第一煤柱远离第二联络巷的一侧为第一联络巷。
优选的，从井下向目标煤柱布置氢气注入孔的实施方法为：从第一联络巷的1/2处位置向第一煤柱布置与第一联络巷垂直的钻孔，且孔底至第一联络巷与目标煤柱边界的10m处，并利用抗渗水泥封孔料与钢制封孔管对钻孔开孔处至目标煤柱内10m处进行封孔。
更优的，从井下布置氢气抽采孔的实施方法为：从第一联络巷的1/4、3/4处位置分别向第一煤柱布置与第一联络巷垂直的2个钻孔，且孔底至第三联络巷与目标煤柱边界的10m处，并利用抗渗水泥封孔料与钢制封孔管对钻孔开孔处至目标煤柱内10m处进行封孔。
优选的，从地面布置氢气注入井的实施方法为：从地面向目标煤柱中部且与第一大巷和第二大巷平行且等间距的位置布置第一L形水平井，且第一L形水平井的水平井段孔底与孔口分别距离目标煤柱两侧边界均为10m，并利用抗渗水泥封孔料与钢制封孔管对L形钻井垂直段进行封孔。
更优的，从地面布置氢气抽采井的实施方法为：从地面向目标煤柱中部且距离目标煤柱两侧边界10m的位置分别布置1口与第一大巷平行的第二L形水平井，且第二L形水平井的水平井段孔底与孔口分别距离目标煤柱两侧边界均为10m，并利用抗渗水泥封孔料与钢制封孔管对L形钻井垂直段进行封孔。
优选的，所述的煤层顶底板为渗透率＜0.1mD的致密低渗岩层。
优选的，所述的密封外墙采用抗渗混凝土与耐压混凝土砌块砖砌筑。
更优的，所述耐压混凝土砌块砖的抗压强度≥10MPa，所述抗渗混凝土的抗渗等级≥P12。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
1、本发明巧妙的利用了废弃矿井已有的巷道及煤柱，可通过较低施工成本实现煤层高压氢气储库的布置，提高了废弃矿井残余煤柱、构筑空间、以及矸石等废弃材料的利用价值。
2、本发明通过耐压混凝土砌块砖对煤柱四邻巷道密实填充，可消除巷道围岩应力集中与应力松动影响，维持储库围岩应力均匀分布与长期稳定性，从而保障了氢气储库高压力、长周期运行。
3、饱水的矸石填充区一方面可通过注入水将矸石颗粒缝隙完全饱水填充，实现对煤柱氢气的完全密封，另一方面通过调节饱水压力使煤帮外墙受力稳定，避免高压氢气反复注入抽出过程中的循环荷载引起的混凝土砌块砖填充区变形破裂与密闭性破坏。
4、此外，本发明可根据实际储氢用氢需求及设施条件灵活选择井下注氢抽氢、井下注氢地面抽氢、井下抽氢地面注氢、地面注氢抽氢等多种氢气注入与抽出钻孔（井）组合布置方式，具有较好的储氢用氢管路布置便捷性。
附图说明
图1是氢气储库建设目标区域平面图；
图2是图1中A-A’截面的侧视图；
图3是煤柱四邻巷道充填建设与注水钻孔的布置平面图；
图4是图3中B-B’截面的侧视图；
图5是井下氢气注入与井下抽采钻孔建设平面图；
图6是图5中C-C’截面的侧视图；
图7是矸石填充区饱水密封及氢气注入-抽采平面图；
图8是图7中D-D’截面的侧视图；
图9是地面氢气注入与井下抽采氢气储库布置平面图；
图10是图9中E-E’截面的侧视图；
图11是井下氢气注入与地面抽采氢气储库布置平面图；
图12是图11中F-F’截面的侧视图；
图13是地面氢气注入与地面抽采氢气储库布置平面图；
图14是图13中G-G’截面的侧视图；
图中：1-运输大巷、2-回风大巷、3-第一联络巷、4-第二联络巷、5-第三联络巷、6-第一煤柱、7-第二煤柱、8-矸石填充区、9-混凝土砌块砖填充区、10-注水孔、11-氢气注入孔、12-氢气抽采孔、13-饱水矸石填充区、14-储氢煤柱、15-煤层顶板、16-煤层底板、17-煤层覆岩、18-第一L形水平井、19-第二L形水平井。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
本实施例提出一种利用废弃矿井煤柱布置氢气储库的方法；具体步骤如下：
1）如图1和图2所示，通过资料查看与现场调研，该废弃矿井煤层平均厚度为4m，煤层顶板15与煤层底板16均为渗透率低于0.1mD的致密低渗泥岩层，该矿井轨道运输大巷1与回风大巷2均为煤巷，两巷道之间残余煤柱宽度为40m，且布置有3条平行联络巷。其中第一联络巷3与第二联络巷4的间距为60m，其间煤柱为第一煤柱6；第二联络巷4与第三联络巷5的间距为100m，其间煤柱为第二煤柱7。选定上述废弃矿井中第二煤柱7为用于储氢的煤柱。
2）如图3和图4所示，对第二煤柱7相邻的四条巷道（即运输大巷1、回风大巷2、第二联络巷4、第三联络巷5）顶部和底部的残煤碎石等进行清理，使低渗致密顶底板完全暴露，然后在距离第二煤柱7的四面煤帮10cm的位置利用抗渗等级为P12的混凝土与耐压混凝土砌块砖砌筑密封外墙，与此同时用粒径不大于5mm的矸石颗粒填充外墙与第二煤柱7煤帮之间的空间，形成矸石充填区8。
3）利用单轴抗压强度为12MPa的耐压混凝土砌块砖密实充填第二煤柱7外墙与四邻煤柱之间的巷道空间，形成混凝土砌块砖填充区9。然后从运输大巷1向混凝土砌块填充区9至矸石充填区8布置钻孔，并利用抗渗水泥封孔料与φ40mm钢制封孔管进行封孔，该钻孔为注水孔10。
4）如图5和图6，从井下布置氢气注入孔11，实施方案为：从第一联络巷3的20m处位置向第一煤柱6布置与第一联络巷3垂直的钻孔，且孔底至第三联络巷5与第二煤柱7边界的10m处，并利用抗渗水泥封孔料与φ60mm钢制封孔管对钻孔开孔处至进入第二煤柱7内10m处进行封孔。
5）从井下布置氢气抽采孔12，实施方案为：从第一联络巷3的10m、30m处位置分别向第一煤柱6布置与第一联络巷3垂直的2个钻孔，且孔底至第三联络巷5与第二煤柱7边界的10m处，并利用抗渗水泥封孔料与φ60钢制封孔管对钻孔开孔处至进入第二煤柱7内10m处进行封孔。
6）参见图7 和图8，从注水孔10向矸石充填区8注水至水饱和状态且保持注水孔口水压稳定，形成饱水矸石填充区13。此时，第二煤柱7被改造成了储氢煤柱14。从氢气注入孔11注入氢气，使氢气在储氢煤柱14中以吸附态与游离态两种状态储存，同时从氢气抽采孔12抽取氢气，并监测抽取氢气浓度，直到氢气浓度与压力达到利用目标值，煤层氢储库布置完毕。
上述氢气储库中煤体体积为4m×40m×100m=16000m3，根据已公开文献资料，以煤体密度为1.4g/cm3，氢气摩尔质量为2g/mol，储氢压力7MPa条件下单位质量煤体储氢量为0.2-1mmol/g计，该储库储氢量可达8.96-44.8t。以氢气热值为1.4×108J/kg计，该氢气储库储能规模可达0.348-1.742GWh。
实施例2
如图9和图10所示，采用本发明所述方法利用某废弃矿井中煤柱布置氢气储库。其具体步骤1）、2）、3）、5）、6）与实施例1相同，步骤4）替换为如下内容：
4）从地面布置氢气注入孔，实施方案为：从地面即图10中的煤层覆岩17向第二煤柱7中部且与运输大巷1、回风大巷2平行且等间距的位置布置1口的第一L形水平井18，且第一L形水平井18的水平井段孔底与孔口分别距离第二煤柱7两侧边界均为10m，并利用抗渗水泥封孔料与φ60钢制封孔管对第一L形水平井18的垂直段进行封孔。第一L形水平井18即相当于实施例1中的氢气注入孔11。
实施例3
如图11和图12所示，采用本发明所述方法利用某废弃矿井中煤柱布置氢气储库。其具体步骤1）、2）、3）、4）、6）与实施例1相同，步骤5）替换为如下内容：
5）从地面向第二煤柱7中部且距离第二煤柱7两侧边界10m的位置分别布置1口与运输大巷1平行的第二L形水平井19，且第二L形水平井19的水平井段孔底与孔口分别距离第二煤柱7两侧边界均为10m，并利用抗渗水泥封孔料与φ60钢制封孔管对第二L形水平井19的垂直段进行封孔。第二L形水平井19的作用与实施例1中的氢气抽采孔12的作用相同。
实施例4
如图13和图14所示，采用本发明所述方法利用某废弃矿井中煤柱布置氢气储库。其具体步骤1）、2）、3）、6）与实施例1相同，步骤4）与实施例2相同，步骤5）与实施例3相同。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (9)
1.一种利用废弃矿井煤柱布置氢气储库的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在具有低渗致密的煤层顶底板的废弃矿井中选取用作储氢的目标煤柱，所述的目标煤柱四周均为巷道；
S2、在距离目标煤柱的四面煤帮8-12cm的位置砌筑密封外墙，并用粒径≤5mm的矸石颗粒填充密封外墙与煤帮之间的空间，形成矸石充填区（8）；
S3、利用耐压混凝土砌块砖密实充填密封外墙与四邻煤柱之间的巷道空间，形成混凝土砌块砖充填区（9）；然后向混凝土砌块砖充填区（9）至矸石充填区（8）布置钻孔并封孔，该钻孔为注水孔（10）；
S4、从依据输氢管路建设条件，从地面向目标煤柱布置氢气注入井、抽采井或从井下向目标煤柱布置氢气注入钻孔与氢气抽采孔，并实施封孔；然后从注水孔（10）向矸石充填区（8）注水至水饱和状态；
S5、从氢气注入钻孔注入氢气，使氢气在目标煤柱中以吸附态与游离态两种状态储存，同时从氢气抽采孔抽取氢气，并监测抽取氢气浓度，直到氢气浓度与压力达到目标值，煤层氢储库布置完毕。
2.根据权利要求1所述的一种利用废弃矿井煤柱布置氢气储库的方法，其特征在于，所述目标煤柱的前后两侧分别为相平行的第一大巷和第二大巷；所述目标煤层的左右两侧分别为相平行的第二联络巷（4）与第三联络巷（5），第二联络巷（4）远离目标煤柱的一侧为第一煤柱（6），第一煤柱（6）远离第二联络巷（4）的一侧为第一联络巷（3）。
3.根据权利要求2所述的一种利用废弃矿井煤柱布置氢气储库的方法，其特征在于，从井下向目标煤柱布置氢气注入孔的实施方法为：从第一联络巷（3）的1/2处位置向第一煤柱（6）布置与第一联络巷（3）垂直的钻孔，且孔底至第一联络巷（3）与目标煤柱边界的10m处，并利用抗渗水泥封孔料与钢制封孔管对钻孔开孔处至目标煤柱内10m处进行封孔。
4.根据权利要求3所述的一种利用废弃矿井煤柱布置氢气储库的方法，其特征在于，从井下布置氢气抽采孔的实施方法为：从第一联络巷（3）的1/4、3/4处位置分别向第一煤柱（6）布置与第一联络巷（3）垂直的2个钻孔，且孔底至第三联络巷（5）与目标煤柱边界的10m处，并利用抗渗水泥封孔料与钢制封孔管对钻孔开孔处至目标煤柱内10m处进行封孔。
5.根据权利要求2所述的一种利用废弃矿井煤柱布置氢气储库的方法，其特征在于，从地面布置氢气注入井的实施方法为：从地面向目标煤柱中部且与第一大巷和第二大巷平行且等间距的位置布置第一L形水平井，且第一L形水平井的水平井段孔底与孔口分别距离目标煤柱两侧边界均为10m，并利用抗渗水泥封孔料与钢制封孔管对L形钻井垂直段进行封孔。
6.根据权利要求5所述的一种利用废弃矿井煤柱布置氢气储库的方法，其特征在于，从地面布置氢气抽采井的实施方法为：从地面向目标煤柱中部且距离目标煤柱两侧边界10m的位置分别布置1口与第一大巷平行的第二L形水平井，且第二L形水平井的水平井段孔底与孔口分别距离目标煤柱两侧边界均为10m，并利用抗渗水泥封孔料与钢制封孔管对L形钻井垂直段进行封孔。
7.根据权利要求1所述的一种利用废弃矿井煤柱布置氢气储库的方法，其特征在于，所述的煤层顶底板为渗透率＜0.1mD的致密低渗岩层。
8.根据权利要求1所述的一种利用废弃矿井煤柱布置氢气储库的方法，其特征在于，所述的密封外墙采用抗渗混凝土与耐压混凝土砌块砖砌筑。
9.根据权利要求8所述的一种利用废弃矿井煤柱布置氢气储库的方法，其特征在于，所述耐压混凝土砌块砖的抗压强度≥10MPa，所述抗渗混凝土的抗渗等级≥P12。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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