一种抑制煤矸石堆自燃且提取其热量进行应用的方法与流程

本发明属于煤矸石热量利用技术领域，具体是一种抑制煤矸石堆自燃且提取其热量进行应用的方法。

背景技术：

煤矸石是煤炭开采等过程中排放量最大的工业固体废弃物之一。在自然堆积条件下，由于其特殊的理化性质，大部分煤矸石易发生自燃，这将引发矿区生态环境和安全问题。因此，如何使煤矸石堆降温散热具有重要实际意义。

目前国内外常见的煤矸石山灭火方法主要由覆盖法、挖除法、注浆法、注浆密闭和泡沫灭火法、控制燃烧法、低温惰性气体法和低温热管法。这些方法均在一定程度上起到了抑制煤矸石大规模燃烧的作用，但存在以下缺点：（1）没有“变废为宝”，煤矸石自燃温度可达上千摄氏度，这么优质的热源却没有利用起来；（2）煤矸石堆多在矿区附近沟谷里面，回填后其上部无法进行居住或建造厂房等，浪费了土地资源。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提供一种抑制煤矸石堆自燃且提取其热量进行应用的方法。

本发明采取以下技术方案：一种抑制煤矸石堆自燃且提取其热量进行应用的方法，包括以下步骤。

s100～选择无地下水渗流的场地，开挖基坑。s200～将若干组横纵排列设置的同轴套管下入到基坑中。s300～开始逐层填入煤矸石，回填时保持同轴套管直立不倾斜，一直回填至地表下0.5m，然后在其上铺设覆盖层保温，使煤矸石堆热量不会散逸到大气中。s400～覆盖层两端留两排排气孔，排气孔接地表空气源热泵进行供暖。s500～同轴套管包括同轴设置的外管和内管，通过水泵向外管和内管之间进行注水，并且从内管进行抽水，将抽出的热水进行应用。

进一步的，同轴套管的间距l=2-4米。

进一步的，基坑深5-10米。

进一步的，排气孔位于基坑顶部两端，采用空心钢管，插入煤矸石堆顶部即可。

进一步的，覆盖层厚0.5m，覆盖整个煤矸石堆顶部，覆盖层从下到上采用黏土层和混凝土层浇筑联合覆盖。

进一步的，步骤s500中，若抽出热水的温度>80℃，则接入有机朗肯发电机组进行发电；若30℃<温度<80℃，则直接供给矿区用于供暖或生活热水；若10℃<温度<30℃，则连接热泵再给矿区供暖或建温室大棚。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）同轴套管群孔布置形式，第一，整体上、浅到深都进行了全方位降温，可有效抑制煤矸石自燃；第二，充分利用了煤矸石氧化产生的热量且环保，变废为宝，可解决矿区生活用热水、冬季供暖等，也可在其上建立其他产业，比如温室大棚、温泉酒店和烘干厂等。甚至可以为矿山提供电力，目前温度足够，可持续性有待评估。

（2）同轴套管、基坑、热泵等技术均很成熟，不存在过难技术瓶颈，利用工程推广。

附图说明

图1为系统的剖面示意图（以单孔为例）；

图2系统平面示意图（群孔）；

图中1-煤矸石堆，2-基坑，3-排气孔，4-覆盖层，5-同轴套管，6-外管，7-内管。

具体实施方式

一种抑制煤矸石堆自燃且提取其热量进行应用的方法，包括以下步骤，

s100～选择无地下水渗流的场地，开挖5~10m基坑（做好基坑排水），基坑面积根据煤矸石量确定。

s200～按照图1下入同轴套管内外管，然后按图2将多个浅层同轴套管（群孔）预先布置到基坑中。

s300～开始逐层填入煤矸石，回填时保持同轴套管直立不倾斜，一直回填至地表下0.5m，然后在其上铺设覆盖层保温，使煤矸石堆热量不会散逸到大气中。

s400～覆盖层两端留两排排气孔，以排出煤矸石氧化后产生的废气。排出的废气温度比大气温度高很多，排气孔再接地表空气源热泵进行供暖；

s500～同轴套管包括同轴设置的外管和内管，外管采用钢管，内管采用绝热管，通过水泵向外管和内管之间进行注水，并且从内管进行抽水，将抽出的热水进行应用。

（1）同轴套管：组成及施工工艺参照现有油气井及中深层同轴套管。各管径大致如图1所示，可根据具体情况再调整。本发明中建议先安装好同轴套管再进行煤矸石堆填，这样的好处是省去了钻孔费用，而且不用进行水泥固浆，成本会大量降低。唯一需要注意的是回填中保持同轴套管直立不倾斜。另外，本发明中套管深只有5~10m，施工方便。同轴套管间距应保证不发生热干扰，一般情况下l1=l2=2~4m（图2）。需要说明的是，传统pvc地埋管也可以提前地热，但煤矸石温度太高，而pvc管耐热只有70℃，因此采用同轴套管形式。

（2）基坑：约5~10m深，施工及排水参照工民建基坑规范。基坑面积根据煤矸石量确定，可以开挖多个基坑，分别进行不同的应用。

（3）排气孔：位于基坑顶部两端，采用空心钢管，插入煤矸石堆顶部即可。煤矸石氧化中产生的废气会通过回填空隙不断向上运移，由于顶部有覆盖层阻挡，会从两边排气孔排出。通过排气孔集中收集废气连接空气源热泵进一步提取热量。

（4）覆盖层：厚0.5m，覆盖整个煤矸石堆顶部。从下到上可采用黏土层和混凝土层浇筑联合覆盖，目的有两个：一是保温，使煤矸石堆热量不会散逸到大气中；二是环保，防止煤矸石氧化产生的刺激气体直接大面积散到大气中，因为地表会建造温室大棚或洗浴等，这些气体对人体和空气有害，通过两端排气孔集中收集气体。

（5）发电供暖温室洗浴：将水从同轴套管内管抽至地表后，可以根据温度进行以下几种应用：若温度>80℃，则接入有机朗肯发电机组进行发电；若30℃<温度<80℃，则直接供给矿区用于供暖或生活热水；若10℃<温度<30℃，则连接热泵再给矿区供暖或建温室大棚等。

技术特征：

1.一种抑制煤矸石堆自燃且提取其热量进行应用的方法，其特征在于：包括以下步骤，

s100～选择无地下水渗流的场地，开挖基坑；

s200～将若干组横纵排列设置的同轴套管下入到基坑中；

s300～开始逐层填入煤矸石，回填时保持同轴套管直立不倾斜，一直回填至地表下0.5m，然后在其上铺设覆盖层保温，使煤矸石堆热量不会散逸到大气中；

s400～覆盖层两端留两排排气孔，排气孔接地表空气源热泵进行供暖；

s500～同轴套管包括同轴设置的外管和内管，通过水泵向外管和内管之间进行注水，并且从内管进行抽水，将抽出的热水进行应用。

2.根据权利要求1所述的抑制煤矸石堆自燃且提取其热量进行应用的方法，其特征在于：所述的同轴套管的间距l=2-4米。

3.根据权利要求1所述的抑制煤矸石堆自燃且提取其热量进行应用的方法，其特征在于：所述的基坑深5-10米。

4.根据权利要求1所述的抑制煤矸石堆自燃且提取其热量进行应用的方法，其特征在于：所述的排气孔位于基坑顶部两端，采用空心钢管，插入煤矸石堆顶部即可。

5.根据权利要求1所述的抑制煤矸石堆自燃且提取其热量进行应用的方法，其特征在于：所述的覆盖层厚0.5m，覆盖整个煤矸石堆顶部，覆盖层从下到上采用黏土层和混凝土层浇筑联合覆盖。

6.根据权利要求1所述的抑制煤矸石堆自燃且提取其热量进行应用的方法，其特征在于：所述步骤s500中，若抽出热水的温度>80℃，则接入有机朗肯发电机组进行发电；若30℃<温度<80℃，则直接供给矿区用于供暖或生活热水；若10℃<温度<30℃，则连接热泵再给矿区供暖或建温室大棚。

技术总结
本发明属于煤矸石热量利用技术领域，具体是一种抑制煤矸石堆自燃且提取其热量进行应用的方法。包括以下步骤。S100～选择无地下水渗流的场地，开挖基坑。S200～将若干组横纵排列设置的同轴套管下入到基坑中。S300～开始逐层填入煤矸石，回填时保持同轴套管直立不倾斜，一直回填至地表下0.5m，然后在其上铺设覆盖层保温，使煤矸石堆热量不会散逸到大气中。S400～覆盖层两端留两排排气孔，排气孔接地表空气源热泵进行供暖。S500～同轴套管包括同轴设置的外管和内管，通过水泵向外管和内管之间进行注水，并且从内管进行抽水，将抽出的热水进行应用。

技术研发人员：郭亮亮;周雪雨;王子红
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2021.04.07
技术公布日：2021.07.23