煤炭地下气化气化炉地下水防控方法及装置

摘要

本发明提供一种煤炭地下气化气化炉地下水防控方法，包括：将煤炭地下气化气化炉顶板上的上覆充水含水层中的一部分水，从降压排水井抽排出；将抽排出的水经注水井回注到注水层中，注水层与上覆充水含水层为同一含水层或不同含水层；其中，在对上覆充水含水层进行抽排水之后，降压排水井中的地下水位等于或大于气化炉的安全设计水位。还提供一种煤炭地下气化气化炉地下水防控装置，包括：降压排水井；注水井；排水管道，其一端在降压排水井中伸入上覆充水含水层中，另一端伸入注水井中；以及将上覆充水含水层中的水泵入注水层中的抽水泵。本发明有效防止地下水对煤炭地下气化的破坏。

权利要求

1.一种煤炭地下气化气化炉地下水防控方法，其特征在于，包括：将煤炭地下气化气化炉顶板上的上覆充水含水层(10)中的一部分水，从降压排水井(16)抽排出；

将抽排出的水经注水井(3)回注到注水层中，所述注水层与所述上覆充水含水层(10)为同一含水层或不同含水层，所述回注是在水位影响范围以外的地区进行回注；

其中，在对所述上覆充水含水层(10)进行抽排水之后，所述降压排水井(16)中的地下水位等于或低于所述气化炉的安全设计水位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述注水层与所述上覆充水含水层(10)为同一含水层时，将所述注水井(3)布置在距离所述降压排水井(16)2倍影响半径以外，其中，所述影响半径的计算公式为： ，所述K为上覆充水含水层渗透系数，所述S为上覆充水含水层水位降深。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

对所述上覆充水含水层(10)的抽排水是通过抽水泵(9)进行的，其中将所述抽水泵(9)设在所述降压排水井(16)中，并始终保持在所述地下水位之下。

4.一种煤炭地下气化气化炉地下水防控装置，其特征在于，包括：降压排水井(16)，通入煤炭地下气化气化炉顶板上的上覆充水含水层(10)中，并且仅在伸入所述上覆充水含水层(10)的部分处与所述上覆充水含水层(10)相通；

注水井(3)，通入注水层中并且仅在伸入所述注水层的部分处与所述注水层相通，所述注水层与所述上覆充水含水层(10)为同一含水层或不同含水层；

排水管道(2)，其一端在降压排水井(16)中伸入所述上覆充水含水层(10)中，另一端伸入所述注水井(3)中，水流通过排水管道(2)回注至注水井(3)中，所述回注是在水位影响范围以外的地区进行回注；以 及将所述上覆充水含水层(10)中的水泵入所述注水层中的抽水泵(9)，设在所述降压排水井(16)中与所述上覆充水含水层(10)相通的位置处。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述降压排水井(16)包括由井管(14)和过滤器(13)构成的排水竖井，其中，所述排水竖井位于所述上覆充水含水层(10)中的部分为所述过滤器(13)，而其余部分由所述井管(14)构成。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述注水井(3)包括由井管(14)和过滤器(13)构成的注水竖井、以及盖在所述井管上的井口封闭装置(6)，其中，所述注水竖井的位于所述注水层中的部分为所述过滤器(13)，而其余部分由所述井管(14)构成。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述过滤器(13)包括：套管，其管壁上设有与所述上覆充水含水层(10)相通的滤水孔(18)；

缠丝(7)，围绕所述套管的外围缠绕并覆盖所述滤水孔(18)；

包网(5)，包裹在所述缠丝(7)上。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述滤水孔(18)为圆形通孔或条形通孔。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述抽水泵(9)为根据水力压力控制泵转速的变频泵。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，在所述排水管道(2)的位于降压排水井(16)与注水井(3)之间的管段处，设有调节阀(15)。

11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括回水装置，所述回水装置包括：对流经所述排水管道(2)的水进行分流的回水管(20)，其一端在所述降压排水井(16)的出口处与所述排水管道(2)连通，另一端伸入所述降压排水井(16)中；以及调节阀(21)，设在所述回水管(20)中。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述抽水泵(9)为定流量水泵。

13.根据权利要求4-6,8-12中任一项所述的装置，其特征在于，所述排水管道上设有流量计和压力表。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述装置用于水文地质参数测量。

说明书

煤炭地下气化气化炉地下水防控方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种煤炭地下气化气化炉地下水防控方法及装置，尤其是涉及一种无井式煤炭地下气化气化炉地下水防控方法及装置。

背景技术

[0002] 煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭直接进行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体的过程，具有安全性好、投资少、效益高、污染少等优点，深受世界各国的重视，被誉为第二代采煤方法。但对于无井式地下气化而言，可人工进行的操作均在地面，难以对地下进行直接干预。由于煤炭在地下进行开采，对于煤层上覆充水含水层，在煤炭地下气化过程中，煤层内会形成一定长度、宽度、高度的气化通道，随着气化过程的进行气化通道的形态也会发生改变，在地下气化过程中，对于气化煤层隔水顶板的保护难度较大，而且气化通道内温度较高，在高温状态下，软岩隔水顶板的水文地质参数也会发生改变，煤层上覆充水含水层极有可能与煤层发生水力联系，影响气化炉的正常运行，严重时可能会发生淹炉，给气化炉带来毁灭性的损失。

[0003] 现有的疏干、降压技术分别是指煤层顶板或煤层含水层的疏干，以及使煤层底板含水层降压，使煤层底板含水层水压降低至采煤安全水压。疏干能调节流入矿井的水量及含水层水和水压(位)的动态特征，矿井疏干的目的是预防地下水突然涌入矿井，避免灾害事故，改善劳动条件，提高劳动生产率，消除地下水静水压力造成的破坏作用等，是煤矿防治水的一种主要措施。对于大水矿区，为了减少矿井涌水量，应采取截流、浅排和排、供、生态环保三位一体结合等辅助措施，与疏干工作统筹考虑，进行综合防治。但此种地下水的控水方法是要把煤层以上上覆充水含水层的水位进行疏干，将该层地下水抽干。

[0004] 现有常规煤炭开采领域的疏干降压技术不适用于煤炭地下气化顶板水防治，尤其是无井式煤炭地下气化顶板水防治。

[0005] 1、在常规煤炭开采中，通常是采用疏干的方式进行处理，须将气化煤层上覆充水含水层内地下水全部排空，比起降低该含水层其承压性而言，成本高。

[0006] 2、常规的疏干开采将煤层上覆充水含水层内地下水全部排空，会引起地表沉降，严重的影响地面建筑，交通运输以及农田耕作和灌溉。

[0007] 3、常规疏干排水将疏干水直接排放，在水质较差的情况下，未经处理直接排放会对环境造成很大的污染，而如果对水质进行处理，成本较高。

[0008] 4.“煤层上覆充水含水层内”含有一定的水，对于煤炭地下气化来说还是有必要的，因为适量的水有利于地下气化的煤气品质的提升，因为水可作为气化剂参与反应，这实质是“控水”的要求之一，但是现有技术将水排空无法满足所述的“控水”要求。

[0009] 因而需要一种切实有效的方法来对煤层上覆充水含水层进行处理。通过对其进行合理地处理能够有效地解决上覆充水含水层对于气化炉的影响，起到控水、防水的目的。

发明内容

[0010] 针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种煤炭地下气化气化炉地下水防控方法及装置，有效防止地下水对煤炭地下气化尤其是无井式煤炭地下气化的破坏。

[0011] 为实现上述目的，一方面本发明提供了一种煤炭地下气化气化炉地下水防控方法，包括：将煤炭地下气化气化炉顶板上的上覆充水含水层中的一部分水，从降压排水井抽排出；将抽排出的水经注水井回注到注水层中，注水层与上覆充水含水层为同一含水层或不同含水层；其中，在对上覆充水含水层进行抽排水之后，降压排水井中的地下水位等于或小于气化炉的安全设计水位。

[0012] 优选地，在注水层与上覆充水含水层为同一含水层时，将注水井布置在距离降压排水井的2倍影响半径(影响半径是含水层的一个固有参数，影响半径就是其外水位是常值的范围，即抽(注)水井至含水层水位是常值处的距离)以外，其中，影响半径R的计算公式为： ，K为上覆充水含水层渗透系数，S为上覆充水含水层水位降深。

[0013] 优选地，对上覆充水含水层的抽排水是通过抽水泵进行的，其中将抽水泵设在降压排水井中，并始终保持在地下水位之下。

[0014] 另一方面，本发明还提供一种煤炭地下气化气化炉地下水防控装置，包括：降压排水井，通入煤炭地下气化气化炉顶板上的上覆充水含水层中，并且仅在伸入上覆充水含水层的部分处与上覆充水含水层相通；注水井，通入注水层中并且仅在伸入注水层的部分处与注水层相通，注水层与上覆充水含水层为同一含水层或不同含水层；排水管道，其一端在降压排水井中伸入上覆充水含水层中，另一端伸入注水井中；以及将上覆充水含水层中的水泵入注水层中的抽水泵，设在降压排水井中与上覆充水含水层相通的位置处。

[0015] 优选地，降压排水井包括由井管和过滤器构成的排水竖井，其中位于上覆充水含水层中的部分为过滤器，而排水竖井的其余部分由井管构成。

[0016] 优选地，注水井包括由井管和过滤器构成的注水竖井、以及盖在井管上的井口封闭装置，其中注水竖井的位于注水层中的部分为过滤器，而注水竖井的其余部分由井管构成。

[0017] 优选地，过滤器包括：套管，其管壁上设有与上覆充水含水层相通的滤水孔；缠丝，围绕套管的外围缠绕并覆盖滤水孔；包网，包裹在缠丝上。

[0018] 优选地，滤水孔为圆形通孔或条形通孔。

[0019] 优选地，抽水泵为根据水力压力控制泵转速的变频泵。

[0020] 优选地，在排水管道的位于降压排水井与注水井之间的管段处，设有调节阀。

[0021] 优选地，本发明装置还包括回水装置，回水装置包括：对流经排水管道的水进行分流的回水管，其一端在降压排水井的出口处与排水管道连通，另一端伸入降压排水井中；调节阀，设在回水管中。

[0022] 优选地，抽水泵为定流量水泵。

[0023] 优选地，排水管道上设有流量计和压力表。

[0024] 优选地，本发明装置用于水文地质参数测量。

[0025] 本发明的有益技术效果在于：

[0026] (1)本发明对煤炭地下气化气化炉顶板上的上覆充水含水层进行抽排水以实现抽水降压(简称降压排水)，本发明中降压排水将一部分水抽排出而不是将上覆充水含水层中水全部抽排出，煤炭地下气化尤其是无井式煤炭地下气化不需考虑井下作业的安全问题，此处降压排水不需全部进行疏干，只进行降压处理即可，经济性高，并留存一部分参与地下气化过程中的气化反应。

[0027] (2)减轻地表沉降。采用降压排水的控水方式，并不是将影响煤炭地下气化的含水层中赋存地下水全部排空，在该上覆充水含水层中预留一部分地下水，这样做可以将对地层的破坏降低到最小程度，从一定程度上减轻了地表沉降的强度，甚至对地表沉降没有影响。

[0028] (3)减少环境污染，降低水处理的费用。本发明采用的是降压回灌(降压回注)，一边对上覆充水含水层进行降压抽水，一边将排出水回灌入降压减排影响范围之外注水井的同一含水层内，这样不会对环境造成污染，而且也省去了水处理的费用。

[0029] (4)防止地下水对煤炭地下气化过程的破坏。例如，对于气化炉的破坏。

[0030] 通过预先对影响煤炭地下气化的含水层(例如上覆充水含水层)进行降压处理，在含水层中地下水进入气化炉时，减小了它的涌入水量，不会对气化炉的正常运行产生影响。

[0031] (5)当安装流量计和压力表后可进行水文地质参数推导计算。流量计用于观测降压排水井所抽水量(即注水水量)，压力表读数可通过换算转换为注水井水头高度。通过这些观测数据可计算推导该含水层的水文地质参数。

附图说明

[0032] 图1为本发明的煤炭地下气化气化炉地下水防控装置的一个实施例的示意图；

[0033] 图2是表示图1中的注水井的结构示意图；

[0034] 图3是图1中过滤器结构示意图；

[0035] 图4是图1中排水管道处设有回水装置情形的局部示意图。

[0036] 图1-图4中标号：

[0037] 1、地表 2、排水管道

[0038] 3、注水井 4、地下水位

[0039] 5、包网 6、井口封闭装置

[0040] 8、隔水层 7、缠丝

[0041] 9、抽水泵 10、煤层上覆充水含水层(上覆充水含水层)[0042] 11、煤层顶板隔水层 12、气化煤层

[0043] 13、过滤器 14、井管

[0044] 15、调节阀 16、降压排水井

[0045] 17、地下水流向 18、滤水孔

[0046] 19、钢筋骨架 20、回水管

[0047] 21、调节阀 22、流量计

具体实施方式

[0048] 参见附图描述本发明的具体实施方式。

[0049] 一方面，本发明提供一种煤炭地下气化气化炉地下水防控方法，该方法包括：对充水含水层(该充水含水层在图1中示出为：煤炭地下气化气化炉顶板上的上覆充水含水层10)抽水降压，将直接充水含水层的水位降至安全水位以下，该安全水位是气化炉涌水量不威胁气化安全运行时的设计水位，也可称为安全设计水位。参见图1，所述的将充水含水层的水位降至安全水位以下是指：地下水位4在安全水位深度以下，当地下水位4在安全水位深度以下逾深，则涌入气化炉的水量愈小，地下水对气化安全运行的影响亦愈小。换而言之，在对上覆充水含水层10进行抽排水之后，应至少使得降压排水井16中的地下水位4等于或小于气化炉的安全设计水位，此处水位是指降压排水井16中的上覆充水含水层的地下水水面。

[0050] 参见图1，本发明方法还包括：将充水含水层抽出的水，回注到注水层中，其中注水层与上覆充水含水层10可以是同一含水层也可以不是同一含水层。本发明方法中对上覆充水含水层10的抽排水是通过抽水泵9进行的，抽水泵9设在降压排水井16中并始终保持在地下水位4之下。进一步，在本发明的方法中，回注水是在水位影响范围以外的地区进行回注，从而达到控水防水的目的。图1示出的是注水层与上覆充水含水层10为同一含水层的情形，在此种情形下，作为最优的一种实施方式，所述的水位影响范围是将注水井3布置在(从降压排水井中井管的外径算起)距离降压排水井16的2倍影响半径以外，这样即使抽水和排水位于同一个含水层，也能规避降压排水井和注水井的地下水降落漏斗的高水头对气化区内地下水水位产生影响，达到控水防水的目的。所述的影响半径的计算公式为：，K为上覆充水含水层渗透系数，S为上覆充水含水层水位降深(水位降深是指下降前的水面与下降后的水面之间的距离)。“2倍影响半径以外”的实施方式只适用于回注到同一含水层时，如果回注的不是同一含水层，则无限制。

[0051] 另一方面，本发明还提供一种煤炭地下气化气化炉地下水防控装置，参见图1-4，本发明地下水防控装置包括：降压排水井16、注水井3、排水管道2、抽水泵9。降压排水井16穿过隔水层8通入煤炭地下气化气化炉顶板上的上覆充水含水层10中，降压排水井16仅在伸入上覆充水含水层10的部分处与上覆充水含水层10相通，所以降压排水井16仅与上覆充水含水层10有水力联系而与其他层位并未发生水力联系。注水井通入注水层中并且仅在伸入注水层的部分处与注水层相通，所以注水井3仅与注水层有水力联系而与其他层位并未发生水力联系，其中注水层与上覆充水含水层10为同一含水层或不同含水层。排水管道2的一端在降压排水井16中伸入上覆充水含水层10中，排水管道2的另一端伸入注水井3中。抽水泵9设在降压排水井16中与上覆充水含水层10相通的位置处，将上覆充水含水层10中的水泵入注水层。图1中还示出了地表1，以及在上覆充水含水层10下方的煤层顶板隔水层11、在煤层顶板隔水层11下的气化煤层9。

[0052] 换而言之，在本发明装置中，降压排水井16中抽水泵9下至过滤器13附近，上覆充水含水层10内地下水穿过过滤器13经由抽水泵9进入排水管道2，水流通过排水管道2回注至注水井3中。在进行降压排水与注水回灌过程中，可以通过地下水水位观测仪对降压排水井16中地下水水位4进行观测，这里可以利用根据水力压力控制泵转速的变频泵和/或调节阀15对抽排水量进行调节，保证降压排水井16中地下水水位4始终处于安全水位(安全水位如前所述)以下，并控制抽水泵9在地下水位4以下。图1中示出，调节阀15在排水管道2的位于降压排水井16与注水井3之间的管段处。

[0053] 参见图1，降压排水井16包括由井管14、过滤器13两部分构成的排水竖井，排水竖井的位于上覆充水含水层10中的部分为过滤器13，而排水竖井的其余部分由所述井管14构成。如图2示出的，注水井3包括由井管14和过滤器13构成的注水竖井、以及井口封闭装置6，注水竖井的位于注水层中的部分为过滤器13，而注水竖井的其余部分由井管14构成。注水井3由于需要进行带压注水，所以在注水井3的井口处安装井口密封装置6对井口进行密封。如此，在图1所示情形中，降压排水井16与注水井3只在上覆充水含水层
10处安装有过滤器13(透水)，其他部位为井管14，全部隔水。降压排水井16与注水井3只在上覆充水含水层10这一特定位置上通过过滤器13与地下水连通。

[0054] 此处安装的过滤器13可选用圆孔缠丝包网过滤器，即如图3所示的，该过滤器包括：套管、包网5、缠丝7，在套管的管壁上设置一定数量和孔径的滤水孔(圆形通孔)18，滤水孔18与上覆充水含水层10或注水层相通，围绕套管的外围缠绕缠丝7以覆盖滤水孔18、围绕套管在缠丝7上包裹包网5。所述的在滤水孔18外围进行的缠丝7、包网5处理，防止砂岩等杂物涌入井内。过滤器的滤水孔18还可以是条形通孔等形状。根据含水层岩性的不同，过滤器可选用不同结构，套管上滤水孔空隙可用圆孔和条孔等不同样式，缠丝和包网视情况可单独使用，也可结合使用。图3中还示出该包网过滤器还钢筋骨架19，缠丝7将钢筋骨架9缠绕固定在套管上。

[0055] 降压排水井16的目的是将气化区内影响煤炭地下气化的上覆充水含水层10水位降至安全水位以下，保证气化炉正常运行。所采用的抽水降压降低了上覆充水含水层10地下水承压性，减小涌入气化炉的水量。降压排水井16与注水井3同时工作，达到降压排水与回灌注水同步进行，不仅解决了地下水排放所造成的浪费与环境的破坏，更降低了抽排水造成的地表沉降的危害。为了在回灌过程中不改变地下水的水质，通常抽、注水层位为同一含水层，水文地质参数基本不变，在降压排水井16处会形成一个地下水降落漏斗，而注水井3处会形成一个与降压排水井16形状相反的降落漏斗，为了注水过程中注水井3附近的高水头不能对气化区内地下水水位产生影响，因而须将注水井3布设在降压排水井16影响范围之外。在图1示出的注水层与上覆充水含水层10为同一含水层的情形下，所述的水位影响范围之外是将注水井3布置在降压排水井16的2倍影响半径以外，影响半径如上文所述。

[0056] 在本发明装置中抽水泵9优选采用变频泵，利用变频泵和/或调节阀15来对抽排水量进行控制。参见图4，还可采用在降压排水井16出水口处设置回水装置，回水装置包括回水管20和设在回水管20中调节阀21，其中回水管20的一端在降压排水井16的出口处与排水管道2连通，回水管20的另一端伸入降压排水井16中。回水装置对降压排水井16所抽排地下水在井口进行分流，一部分经由排水管道2回注入注水井3中，一部分通过回水装置的回水管20回注入降压排水井16中。这样就可以采用价格便宜的常规的定流量水泵代替变频水泵。还可在排水管道2上布置流量计，这样就可以在试验的过程中，得到总注水量。

[0057] 需要指出，本发明的上覆充水含水层是指气化煤层以上的含水层，且该含水层的水在气化过程中会涌入气化炉中，满足该两条的含水层才为本发明中所述的上覆充水含水层。

[0058] 在本发明的方法和装置中，当降压排水的上覆充水含水层与注水回灌的含水层为同一含水层，这样做的优点有：(1)水质基本相同，回灌后，可以避免地下水资源交叉污染，不会对回灌层位水质造成污染和破坏，容易平衡；(2)水文地质参数基本相同，稳定时总抽水量可以全部回灌入注水井中。显然，如果不需考虑这些问题也可将所抽地下水回注入不同含水层。

[0059] 综上，本发明对煤炭地下气化气化炉顶板上的上覆充水含水层进行抽排水以实现抽水降压，本发明中降压排水将一部分水抽排出而不是将上覆充水含水层中水全部抽排出，煤炭地下不需考虑井下作业的安全问题，此处降压排水不需全部进行疏干，只进行降压处理即可，经济性高，并留存一部分参与地下气化过程中的气化反应。采用降压排水的控水方式，并不是将影响煤炭地下气化的上覆充水含水层中赋存地下水全部排空，在该上覆充水含水层中预留一部分地下水，这样做可以将对地层的破坏降低到最小程度，从一定程度上减轻了地表沉降的强度。本发明采用的是降压回灌(降压回注)，一边对上覆充水含水层进行降压抽水，一边将排出水回灌入降压减排影响范围之外注水井的同一含水层内，这样不会对环境造成污染，而且也省去了水处理的费用。通过预先对影响煤炭地下气化的上覆充水含水层进行降压处理，在上覆充水含水层中地下水进入气化炉时，减小了它的涌入水量，不会对气化炉的正常运行产生影响。当安装流量计(图4中示出流量计22安装在排水管道上)和压力表后可进行水文地质参数推导计算。流量计用于观测降压排水井所抽水量(即注水水量)，压力表读数可通过换算转换为注水井水头高度。通过测量这些观测数据可计算推导该上覆充水含水层的水文地质参数。

[0060] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。