一种提取煤田火区地下高温区热能的方法

摘要

本发明公开了一种提取煤田火区地下高温区热能的方法，包括：通过自然电位法和地面探测钻孔确定热提取靶区，在热提取靶区利用注入钻孔将低温气态热媒送至热提取靶区的地下高温区中，气态热媒与高温煤岩体发生热交换后，再通过抽出钻孔将高温气态热媒抽出地表；抽取高温气态热媒的同时持续监测热提取靶区的自然电位，在热提取靶区持续存在的电位异常区内布置套管式钻孔换热器完成该区域高温煤岩与液态热媒的热交换；当抽取的气态热媒和液态热媒温度达到70℃或以下时，停止热提取作业。本发明能够实现对透气性不均匀的煤田火区地下高温区热能的高效提取，具有广泛的实用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热能提取方法，具体涉及一种提取煤田火区地下高温区热能的方法。

背景技术

煤田火灾是指地下煤层因自然或人为因素发火后，沿着煤层逐步发展成对煤炭资源和周围环境造成较大危害的大面积煤燃烧现象。煤田火区燃烧面积大、温度高，火区中也蕴藏着巨大的热量，全世界每年约有10亿吨煤炭被地下煤火烧毁，约占煤总消耗量的12.5％，产生约1000GW的能量，相当于全球500个核电站所产能量总和的2.5倍。

为提取并利用煤田火区热能，公开号为CN106026778A的专利文件公开了一种煤田火区热能可持续利用与煤火治理系统及方法，该方法提出在煤田火区内布置水平钢管并通以热载体来实现提取热能的目的，但是存在以下实际问题：1、管路换热半径相对较小，热提取效率较低；2、用于大面积煤田火区采热时则需大量埋设，工程量大且水平钻孔的难度很大，基本难以实现；3、管路难以回收，使用成本较高，适用性较低。

为提高热提取控制范围及热提取效率并减少工程量，公开号为CN105298569A的专利文件公开了一种煤田火区热能的提取与转化方法，该方法提出采用气态热媒实现对大面积煤田火区的采热，这种方法的热交换控制范围大，在具有多孔介质特性、气体流通性较好的高温区较为适用，但是煤田火区地下高温区的地质复杂，且普遍存在有煤岩压实度高、透气性较差的地质区域，所注入的气态热媒难以进入这些区域，导致无法实现与该区域中高温煤岩的有效热交换，严重影响煤田火区的热提取量和热提取效率。而当前尚无一种针对透气性不均匀的煤田火区高温区中热能的高效提取方法。

因此，本领域技术人员致力于开发一种提取煤田火区地下高温区热能的方法，在有效勘探和辨别煤田火区地下高温区不同透气性区域的基础上，结合气态热媒及液态热媒的热交换实现煤田火区地下高温区热能的高效提取。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种提取煤田火区地下高温区热能的方法，能够实现对透气性不均匀的煤田火区地下高温区热能的高效提取。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种提取煤田火区地下高温区热能的方法，通过自然电位法和地面探测钻孔确定热提取靶区，在热提取靶区利用注入钻孔将低温气态热媒送至热提取靶区的地下高温区中，气态热媒与火区高温煤岩体发生热交换后，再通过抽出钻孔将高温气态热媒抽出地表；抽取高温气态热媒的同时持续监测热提取靶区的自然电位，在热提取靶区持续存在的电位异常区域内布置套管式钻孔换热器完成该区域高温煤岩与液态热媒的热交换；当抽取的气态热媒和液态热媒温度达到70℃或以下时，停止热提取作业。

优选的，具体包括以下步骤：

A、通过自然电位法探测煤田火区电位异常区，并结合地面探测钻孔确定热提取靶区；

B、利用阻燃填充体填充覆盖热提取靶区的地表裂隙、塌陷坑等进风与出风通道；

C、在热提取靶区由地表向地下高温区施工依次钻出气态热媒的抽出钻孔及注入钻孔；

D、利用地表设置的气体增压泵将低温气态热媒增压后通入注入钻孔中，而后利用真空泵通过抽出钻孔将与高温煤岩体完成热交换的高温气态热媒抽出地表；

E、利用测温仪检测抽出钻孔出口处的气态热媒温度，当气态热媒的温度达到70℃或以下时，停止气态热媒的热提取作业；抽取高温气态热媒的同时持续监测热提取靶区的自然电位，在热提取靶区持续存在的电位异常区域内由地表向地下高温区施工钻孔并安设套管式钻孔换热器；

F、利用循环泵将液态热媒注入套管式钻孔换热器中，利用套管式钻孔换热器完成液态热媒与高温煤岩的热交换，待液态热媒与高温煤岩完成热交换后抽出；

G、利用测温仪检测钻孔换热器出口处的液态热媒温度，当液态热媒的温度达到70℃或以下时，停止液态热媒的热提取作业。

进一步的，所述电位异常区为所测电位值不等于0的区域。自然电位法是通过测定煤田火区由于温度梯度(热电位)、煤的剧烈氧化还原反应(氧化还原电位)以及火区水蒸汽运移(流动电位)所导致的电位异常(电位不等于0)而确定火区高温区位置的方法。步骤A中探测出的煤田火区电位异常区就是一开始煤田火区存在的地下高温区，即热提取靶区；步骤E中探测出的热提取靶区中持续存在的电位异常区则是在气态热媒热能提取过程中持续存在的火区高温区，即为气态热媒难以流通换热的区域，从而实现煤田火区不同透气性地质区域的有效甄别。

进一步的，步骤C中，所述注入钻孔排布在以抽出钻孔为圆心、半径为10～30m的圆周上，从而形成钻孔控制区。

优选的，所述气态热媒为惰性气体。

优选的，所述套管式钻孔换热器包括竖直设置于电位异常区钻孔中的高导热圆柱壳体，且高导热圆柱壳体内设置有沿其中心轴线延伸的内管及沿其内壁延伸的外管，内管及外管在高导热圆柱壳体的底部连通；步骤F中，利用循环泵将液态热媒从内管顶部注入，并从外管顶部抽出，液态热媒通过高导热圆柱壳体来实现与高温煤岩的热交换，并通过循环泵来控制液态热媒的流速流量。

优选的，所述液态热媒为烷基萘导热油，热稳定性好，无环境污染，可高效传热。

有益效果：本发明提供的一种提取煤田火区地下高温区热能的方法，首先通过自然电位法和地面探测钻孔确定煤田火区热提取靶区，使得对火区热能的提取具有针对性、提高热提取效率；利用阻燃填充体填充覆盖高温区的地表裂隙、塌陷坑等连接地下煤火高温区和外界环境的进风与出风通道，能够控制该区域中煤火的发展且避免热能沿通风通道散失；然后施工气态热媒的注入钻孔和抽出钻孔，注入钻孔排布在以抽出钻孔为圆心的圆周上以形成钻孔控制区，再通过注入钻孔将氮气类低温惰性气体作为气态热媒注入地下煤火高温区，气态热媒在注入钻孔和抽出钻孔之间压差的作用下与钻孔控制区内的高温煤岩完成热置换，再通过真空泵由抽出钻孔抽出地表，从而实现了对热提取靶区地下高温区中气态热媒可流通区域热能的提取，并使得该区域温度降低，治理煤火的同时也为甄别煤岩压实度高、透气性较差的区域提供参考；抽取高温热媒的同时持续监测热提取靶区的自然电位，确定其中持续存在的电位异常区，即为高温区中气态热媒无法流通和有效换热的透气性差的区域，在该区域施工钻孔并安设套管式钻孔换热器，利用钻孔换热器完成液态热媒与高温煤岩的热交换，从而实现了在有效甄别煤田火区不同地质区域的基础上对透气性不均匀的火区高温区热能的高效提取。

附图说明

图1为本发明一种提取煤田火区地下高温区热能的方法的流程图；

图2为本发明中气态热媒注入钻孔和抽出钻孔的平面排列方式示意图；

图3为本发明一种提取煤田火区地下高温区热能的系统的结构示意图(对应图2中A-A剖面)；

图中包括：1、阻燃填充体，2、火区上覆岩土层，3、注入钻孔，4、抽出钻孔，5、地下高温区，6、热提取靶区持续存在的电位异常区(即气态热媒难以流通换热的区域)，7、自然电位测试装置，8、气体增压泵，9、真空泵，10、套管式钻孔换热器，11、循环泵，12、热提取靶区，13、钻孔控制区，14、冷却器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种提取煤田火区地下高温区热能的方法，包括：通过自然电位法和地面探测钻孔确定热提取靶区12，在热提取靶区12利用注入钻孔3将低温气态热媒送至热提取靶区12的地下高温区5中，气态热媒与火区高温煤岩体发生热交换后，再通过抽出钻孔4将高温气态热媒抽出地表；抽取高温气态热媒的同时持续监测热提取靶区12的自然电位，在热提取靶区持续存在的电位异常区6内布置套管式钻孔换热器10完成该区域高温煤岩与液态热媒的热交换；当抽取的气态热媒和液态热媒温度达到70℃或以下时，停止热提取作业。

本实施例中，具体包括以下步骤：

A、利用自然电位测试装置7探测煤田火区电位异常区，并结合地面探测钻孔确定热提取靶区12；

B、利用阻燃填充体1填充覆盖热提取靶区12的地表裂隙、塌陷坑等进风与出风通道；

C、在热提取靶区12由地表向地下高温区5施工依次钻出气态热媒的抽出钻孔4及注入钻孔3，抽出钻孔4及注入钻孔3均穿过火区上覆岩土层2达到煤田火区地下高温区5；

D、如图3所示，利用地表设置的气体增压泵7将气态热媒增压后通入注入钻孔3中，而后利用真空泵8通过抽出钻孔4将与高温煤岩体完成热交换的高温气态热媒抽出地表；

E、利用测温仪检测抽出钻孔4出口处的气态热媒温度，当气态热媒的温度达到70℃或以下时，停止气态热媒的热提取作业；抽取高温气态热媒的同时持续监测热提取靶区12的自然电位，在热提取靶区持续存在的电位异常区6内由地表向地下高温区5施工钻孔并安设套管式钻孔换热器10，钻孔穿过火区上覆岩土层2达到煤田火区地下高温区5；

F、利用循环泵11将液态热媒注入套管式钻孔换热器10中，利用套管式钻孔换热器10完成液态热媒与高温煤岩的热交换，待液态热媒与高温煤岩完成热交换后抽出；

G、利用测温仪检测钻孔换热器10出口处的液态热媒温度，当液态热媒的温度达到70℃或以下时，停止液态热媒的热提取作业。

如图2所示，步骤C中，所述注入钻孔3均匀排布在以抽出钻孔4为圆心、半径为20m的圆周上，从而形成钻孔控制区13。

本实施例中，所述气态热媒为氮气，且所述阻燃填充体1采用固化泡沫，液态热媒为烷基萘导热油。

本发明中，所述电位异常区(包括煤田火区电位异常区及热提取靶区持续存在的电位异常区6)为所测电位值不等于0的区域。

本实施例中，所述套管式钻孔换热器10包括竖直设置于热提取靶区持续存在的电位异常区6钻孔中的高导热圆柱壳体，且高导热圆柱壳体内设置有沿其中心轴线延伸的内管及沿其内壁延伸的外管，内管及外管在高导热圆柱壳体的底部连通；步骤F中，利用循环泵11将液态热媒从内管顶部注入，并从外管顶部抽出，液态热媒通过高导热圆柱壳体来实现与高温煤岩的热交换；通过循环泵11来控制液态热媒的流速流量，抽取的液态热媒经冷却器14冷却后再次注入套管式钻孔换热器10完成循环采热。

本发明在采用气态热媒实现对大面积煤田火区的采热的基础上，配合使用自然电位法甄别出热提取靶区持续存在的电位异常区6，即煤岩压实度高、透气性较差、气态热媒难以进入的区域，进而通过套管式钻孔换热器10完成该区域的采热，实现了对透气性不均匀的火区高温区热能的高效提取，同时实现了火区的有效降温，达到了治理火灾的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。