一种深部超厚煤层的地下气化开采方法

本发明涉及煤炭地下气化，更具体的说是涉及一种深部超厚煤层的地下气化开采方法。

背景技术：

1、煤炭地下气化技术是通过钻孔向地下煤层注入气化剂，使煤层发生热解、燃烧、气化转化为可燃气体，在地面收集可燃气体进行利用的采煤技术，因具有较好的社会效益和经济效益，被誉为新一代采煤技术，在低品质（高硫、高灰）、急倾斜、薄煤层、深部煤层、“三下”压煤以及常规采煤技术经济不可采等滞留煤的开采利用方面具有广阔的应用前景。

2、深层超厚煤层通常指埋深在1500米以上、厚度在十几米甚至几十米的煤层，此类煤层存在地层压力比较大（通常在10mpa以上）、地温较高（＞70℃）、富含煤层气等地质特点，传统井工或机械开采由于煤层存在高应力、高地温、高渗透压以及开采扰动环境引起的围岩大变形、冲击地压、冒顶、突水等工程灾害尤为显著，开采成本较大。采用井下无人以及大型设备的无井式煤炭地下气化技术开采深部煤层无疑是一种较为理想的途径。

3、专利cn202410487696.9一种中深部煤层的地下气化资源的开采方法，公开了对中深煤层进行地质勘测获取煤层地质性质，预测可气化煤层资源量，制定煤层气化开采策略，最终按块段单元对煤层实施气化。目的在于更准确地探查可气化资源量，避免在实施地下气化时浪费人力物力和时间。

4、专利申请cn202510593858.1公开了一种深部煤层气与煤炭地下气化协同开采的方法，包括：钻设煤层气井，开采煤层气；与煤层气井间隔安全距离，钻设地下气化采出井和注入井，在注入井内设置连续油管，用于输入气化剂，对采出井进行气化燃烧，燃烧所得煤气由对应的采出井输出；同时，煤层气井的产气再次增加，进行煤层气采集；结束煤层气和煤气采集，对煤层气井逐一进行气化燃烧，燃烧所得煤气由对应的煤层气井输出。

5、专利cn201910418349.x一种巨厚煤层地下气化方法，公开了在煤层底部上方构建一条水平井，水平井上方构建一排竖直井，沟通水平井和竖直井，在水平井中下入封隔器并注入气化剂对煤层进行气化，通过设置封隔器阻止某段水平井内气化剂的注入从而保留一部分煤层不被气化，形成的预留煤柱支撑燃空区上覆岩层，防止其大面积垮落，实现深层超厚煤层的地下气化开采。

6、以上专利技术均未考虑深部超厚煤层在地下气化空间的高温、气体、煤体热破裂、围岩应力、覆岩冒落、裂隙带发育等引起的围岩大变形、冲击地压、冒顶、突水等工程灾害；以及地下气化炉难以调控，或者为避免上覆地层沉降而预留大量煤柱，造成煤层的开采率较低等问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种深部超厚煤层的地下气化开采方法。

2、一种深部超厚煤层的地下气化开采方法，具体包括：在超厚煤层中构建多条定向钻孔，以及多条竖直钻孔，这些钻孔相互组合成多个纵向和/或横向并置或错置的气化单元，对气化单元实施气化，开采深部超厚煤层，通过先上、后下对气化单元进行梯田式和/或隔层式气化，结合气化剂注入点的移动控制气化单元内燃空区扩展的宽度及高度，确保每个气化单元的稳定运行，提高煤炭开采率。

3、控制燃空区扩展的宽度及高度可以避免单个燃空区上覆岩大规模冒落造成的气化单元组（多个气化单元为一组）运行难以调控甚至整个气化区域报废，同时可以尽可能多地开采煤炭资源。

4、优选的，所述梯田式气化：相邻两个气化单元被气化后形成的燃空区因燃烧气化扩展互通（有些燃空区是借助进、出气孔互通的），具体为相邻气化单元在横向上或纵向上错置；其中，横向上错置的距离大于等于在该地层压力下煤层发生形变时煤层厚度的最小值，纵向上错置的距离在燃空区扩展高度的1/3~2/3。

5、横向上的错置可以使得燃空区的扩展在水平方向上发生弯折，而非直线扩展，弯折处的煤壁不仅可以扰动气流促进煤层气化，还可以起到支撑煤层顶板，避免燃空区在某一方向上跨度过大引起的顶板冒落。纵向上的错置，可以引导燃空区从某一气化单元向后续气化单元扩展时中心下移，避免经过长距离扩展后燃烧气化中心区域逐渐抬高造成丢煤漏煤，提高煤炭资源开采率。

6、优选的，所述隔层式气化：相邻两个气化单元被气化后形成的燃空区不是因为燃烧气化扩展互通，具体为相邻气化单元在横向上或纵向上预留一定距离，该距离大于等于在该地层压力下煤层发生形变时煤层厚度的最小值。

7、预留一定距离使得各气化单元形成的燃空区在纵、横向上有隔离煤层充当顶板或支撑煤层，不仅可以聚气保压促进气化，还可以防止燃空区大规模冒落。

8、优选的，所述地层压力下煤层发生形变时煤层厚度的最小值，通过厚跨比法经验修正获得，或测试煤岩的力学参数再计算获得，或近似为燃空区扩展宽度的0.1~0.5倍，优选0.2~0.3倍。

9、还包括，对所述深部超厚煤层中纵向分布的多个气化单元进行气化时，采用预期的气化工艺参数和气化剂喷射方式进行逆向气化，先气化位于上部煤层的气化单元，再气化位于下部煤层的气化单元；其中，所述预期的气化工艺参数和气化剂喷射方式所对应的气化燃空区扩展规律通过中试模型实验或大量的实践经验得到。

10、即通过上述相互组合的钻孔或钻井将超厚煤层人为划分为气化单元（即垂直的多个煤层），通过设置的气化通道，先气化位于浅层的气化单元（即上部煤层），再气化位于深层的气化单元（即下部煤层），此处所说的上部煤层和下部煤层可以垂直分布，也可以错开分布。当气化上层煤炭时，产生的煤灰沉降堆积在燃空区的底部（即下层煤炭的顶部），因上层煤炭气化导致的顶板小范围的错动、崩裂不会造成其下煤层的错动、崩裂或冒落，不影响下层煤炭中设置的气化通道，也就不会影响其下煤层的气化。否则，因先气化下部煤层造成燃空区跨度过大引起其上煤层（即燃空区顶部）错动、崩裂，甚至大规模冒落，破坏其中设置的气化通道，在进行其上煤层的气化时，因气化通道被破坏，煤层裂隙过于发育，气化剂流动通道发达，造成气化过程不可控、丢煤/漏煤更多，造成资源浪费。

11、优选的，所述气化剂注入点的移动为：根据气化燃空区扩展规律控制后撤气化剂注入连续管的时机及距离或更换进气孔的竖直钻孔的时机。

12、优选的，所述气化燃空区扩展规律通过中试模型实验或实践经验获取，其中，所述中试模型实验具体包括：

13、采集目标煤层或近似煤层的大块煤，拼接成模拟煤层，在模拟煤层内部构建进/出气钻孔和气化通道，控制气化工艺条件以及气化剂的喷射方式，进行模拟煤层的气化实验，获取气化燃空区的扩展规律，用于预测真实煤层气化时燃空区的宽度及高度；所述气化燃空区的扩展规律包括燃空区扩展高度、宽度及速率，与气化工艺参数、气化方式以及气化剂喷射方式之间的关系。

14、优选的，所述大块煤的体积大于等于0.5m3，或者最小边长大于等于0.8m。

15、优选的，所述气化工艺参数包括但不限于压强、气化剂组成及流量、进/出气孔口压差。

16、优选的，所述气化剂喷射方式包括但不限于直管喷射、扇形喷射、定向喷射。

17、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明取得的有益效果至少包括：

18、（1）本发明通过控制燃空区扩展的宽度及高度可以避免单个燃空区上覆岩大规模冒落造成的气化单元组（多个气化单元为一组）运行难以调控甚至整个气化区域报废，同时可以尽可能多地开采煤炭资源。

19、（2）本发明通过人为划分为气化单元、气化顺序，不会造成在下煤层的错动、崩裂或冒落等工程灾害，使气化过程可控、开采率高。