本发明属于煤炭地下气化技术领域，具体涉及一种地下隔层式煤炭原位气化开采方法及系统。
背景技术：
传统的煤炭地下原位气化技术是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用以及化学作用产生可燃气体的过程。它集建井、采煤、气化三大工艺为一体，将传统物理采煤变为化学采煤，把传统的机械化采煤变为无人化采气，具有开采流短、成本低、污染排放低、资源回收率高等优点，因此可提高煤炭利用价值，对难采煤层、低品位煤层的开采具有促进作用，带动煤炭、电力、化工等传统工业发展。
目前而言，现有的煤炭地下原位气化技术方案包括三种类型：(1)长壁式气流法煤炭地下气化技术，该技术气化通道相对较长，通道易发生堵塞，影响了气化过程的稳定性和煤气产量，容易发生安全事故；且工作面的移动是依靠自然推进，可控性差，产能较低；(2)渗透式煤炭地下气化技术，该技术裂隙渗透贯通所建立的地下气化炉气化通道短、直径小，供风阻力大，单工作面产气量小，不能分质分级提取不同热解气体，能源提取率低；服务时间短，为达到工业化生产规模，必须棋盘式布置许多钻孔，造成土地资源浪费；工业化生产气化炉建炉和运行费用高，不合适深部煤层大规模气化生产；(3)控制后退注气点煤炭地下气化技术，该技术煤层一般处于地下百米甚至千米以下，一般要将含碳较高的固态煤转化为含氢高的气化能源，通常需添加气化剂，普通气化剂到达地下后难以参加气化反应，降低气化效率；注气喷头在高温下容易损坏，产气率较低。
技术实现要素：
为了解决煤炭气化中能量耗损大、煤层受热不均匀、密闭性差，且随气化过程不断扩展，氧气与煤的接触条件变差，导致出口煤气中有效组分下降，煤气质量变差的问题，本发明提供了一种地下隔层式煤炭原位气化开采方法及系统，所采用的技术方案是：
一种地下隔层式煤炭原位气化开采方法，包括以下步骤：
1)对地下待开采煤炭面积进行评估，根据评估结果确定地面上加热井的开掘位置，由地面向地下钻掘数口加热井，所述加热井的井底位于煤炭层以下岩层，所述数口加热井合围形成的面积覆盖待开采煤炭面积；
2)由地面向地下钻掘两口生产井，所述生产井的井底位于煤炭层以上，两口所述生产井位于数口加热井合围形成的区域中；
3)两口所述生产井井底之间沿煤炭层走向挖掘一条集气巷，所述集气巷内设置有若干连通煤炭层的集气孔；
4)通过加热井井底进行加热，热量通过加热井周围的底板岩层传递给煤炭层，通过地面控热系统对加热温度进行控制；
5)煤炭层经过隔层加热后发生热解反应，反应后生成的气态产物通过集气孔收集在集气巷中；
6)在地面上向其中一口生产井内注入引流气体，引流气体流经集气巷，将热解后的气态产物通过另一口生产井带至地面上的分离系统，分离后进行存储。
优选的，所述加热井井底到煤炭层的竖直距离为100～1000米。
优选的，所述加热井的数量为四口，四口所述加热井合围构成四边形，相邻两口加热井之间的距离为100～500米。
优选的，每口所述生产井位于相邻两口加热井的连线上，两口生产井以四口加热井合围构成的四边形的中心对称设置。
优选的，所述生产井的井底位于煤炭层顶板标高位置。
优选的，未进行加热前，通过集气孔向煤炭层注入气化催化剂，所述催化剂为钾基催化剂、铁基催化剂、5％koh与3％cao的复合催化剂；所述引流气体为高温水蒸气、超临界二氧化碳。
优选的，步骤4)中通过加热井井底进行加热的方式为，地面控热系统将高热值的可燃性气体输送至加热井井底，点燃可燃性气体后对加热井周围的底板岩层进行加热。
优选的，步骤4)中所述的地面控热系统包括设置在地面上的监控中心，所述监控中心通过设置在底板岩层和煤炭层上的热电偶、压力传感器控制加热时长和加热温度。
优选的，所述热电偶分别安装在底板岩层，及煤炭层的顶板处。
一种地下隔层式煤炭原位气化开采单位循环系统，包括四口加热井、两口生产井和一条集气巷，所述加热井的井底位于地下煤炭层下方的底板岩层，所述生产井的井底位于煤炭层的上方，两口所述生产井之间连通形成集气巷，所述集气巷与煤炭层连通；两口所述生产井中，一口生产井的井口处与引流气体进气装置连接，另一口生产井的井口处与气体收集装置连接。
本发明具有以下有益效果：
1)降低了对原位煤层的扰动，安全性与密闭性更好。本发明方法不直接对煤层进行燃烧，降低了对原位煤层的开采扰动，安全性更高；对煤层下覆一定深度岩层进行加热，不直接对煤层进行处理，降低了对原位煤层的开采扰动，提高开采过程的安全性；发挥底底板岩层的传热效能，向煤层输送热量，实现煤层的热干馏分解，煤层热干馏分解产生的热解气体进入集气巷通过生产井输送回地面，密闭性更好。
2)可控制底底板岩层加热温度，实现岩层温度梯度变化，最终实现分质分级提取煤层中的不同热解气体，能源提取率更高。地面供热系统通过实时控制加热温度，实现岩层温度梯度变化，最终实现分质分级提取煤层中的不同热解气体，能源提取率更高。
3)煤层受热更为均匀，气化效率更高。本发明方法利用致密岩层岩石较好的导热性且不易受热破裂的特性，对岩层进行加热，实现向煤层均匀输送热量，煤层受热更为均匀，气化效率更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为地下隔层式煤炭原位气化单元示意图；
图2为地下隔层式煤炭原位气化空间布设示意图；
图3为地下隔层式煤炭原位气化示意图；
图4为地下隔层式煤炭原位气化平面布置图。
图中：1-加热井；2-生产井；3-集气巷。
具体实施方式
本发明是一种地下隔层式煤炭原位气化开采方法及系统，以西北地区的煤炭层为例，本发明方法适用于煤层顶底底板岩层致密且不易受热破裂或熔陷的情况，尤其对于低品质、急倾斜等煤层的开采利用方面具有广阔的应用前景。
一种地下隔层式煤炭原位气化开采方法，包括以下步骤：
1)对地下待开采煤炭面积进行评估，根据评估结果确定地面上加热井1的开掘位置，由地面向地下钻掘数口加热井1，所述加热井1的井底位于煤炭层以下岩层，所述数口加热井1合围形成的面积覆盖待开采煤炭面积；本发明的一个单位循环系统中，优选加热井1的数量为四口，四口所述加热井1合围构成四边形，本发明中的四边形为正方形，相邻两口加热井1之间的距离为100～500(具体根据当地的煤炭层地质以及煤炭赋存条件确定)，本发明中优选250米；加热井1的井底位于煤炭层下的底板岩层，距离煤炭层的竖直距离为l(通过对煤炭层底板岩性、导热特性等方面因素进行室内试验研究，根据研究加热岩石最优的传热效能及上层煤炭热解效果，确定出最优的l值)，本发明中优选竖直距离l为100～1000米。
2)由地面向地下钻掘两口生产井2，所述生产井2的井底位于煤炭层以上，两口所述生产井2位于数口加热井1合围形成的区域中；如图2所示，加热井1一共四口形成正方形，生产井2分别位于两口加热井1的连线上，并以加热井1构成的四边形的中心为对称中心对称布置；生产井2的井底位于煤炭层顶板标高位置。
3)两口所述生产井2井底之间沿煤炭层走向挖掘一条集气巷3，所述集气巷3内设置有若干连通煤炭层的集气孔；当系统未进行作业时，通过集气孔注入煤炭气化催化剂，催化剂可以选择钾基催化剂、铁基催化剂、质量分数为5％koh与质量分数为3％cao的复合催化剂，本发明中优选复合催化剂，两者会共同促进气化反应的进行，气化效率会提高30％，同时不能过量添加cao的量，会降低气化活性；当系统开始运行后，煤层热干馏分解产生的气体通过集气孔进去集气巷3，再通过生产井2输送回地面。
4)通过加热井1井底进行加热，加热温度范围为150℃～300℃，加热的方式可采用现有的电加热或者燃气加热，本发明中优选对加热井1井底进行加热的方式为，地面控热系统将高热值的可燃性气体(混合适量氧气)输送至四口加热井1的井底，点燃可燃性气体后对加热井1周围的底板岩层进行加热，利用致密岩层岩石较好的导热性且不易受热破裂的特性，加热井1产生的热量以底板岩层为介质不断向上传递，热量通过加热井1周围的底板岩层传递给煤炭层，进而达到对煤炭层“热干馏分解”的目的，并通过地面控热系统对加热温度进行控制，通过控制不同的加热温度，实现岩层温度梯度变化，最终实现分质分级提取煤炭层中的不同热解气体，提高能源提取率。
地面控热系统包括设置在地面上的监控中心，所述监控中心通过设置在底板岩层和煤炭层上的热电偶、压力传感器控制加热时长和加热温度；为确保隔层式原位气化开采的长期安全性，在待加热的底板岩层及煤炭层顶板处均安装热电偶，用来监测两处附近的温度，监控中心通过信号线接收温度信号，利用温度来判断煤炭层热解区的状况。此外，在岩层间(底板岩层和煤炭层之间)预埋温度与压力传感器，对下伏底底板岩层进行实时监测，监测在长时间加热后下伏底底板岩层的稳定性等相关问题。
5)煤炭层经过隔层加热后发生热解反应，反应后生成的气态产物通过集气孔收集在集气巷3中；由于集气巷3通过集气孔与煤炭层连通，因此煤炭层热解后产生的气体均收集在集气巷3中。
6)在地面上向其中一口生产井2内注入引流气体，引流气体的密度大于煤炭层热解后产生的热解气体的密度，引流气体可选择超临界二氧化碳、高温水蒸气，本发明中优选引流气体为高温水蒸气，高温水蒸气不会造成环境的污染且可避免热解产物在输送回地面的过程中热量损失，高温水蒸气流经集气巷3，将热解后的气态产物通过另一口生产井2带至地面上的分离系统，分离后进行存储，在地面分离系统中完成气体与其他有机物的有效分离，气体贮存于地面储气罐中，分离的其他有机物以有机液的形式贮存于储液罐中，用于其他方面。
上述方法以一个单位循环系统开采为例，也可以将多个单位循环系统结合生产，提高作业效率，例如图4加热井1的数量从四口增至六口，生产井2从两口增至三口，分别编号为加热井1号、加热井2号、加热井3号、加热井4号、加热井5号、加热井6号；生产井2的编号分别为生产井a、生产井b、生产井c。其中，加热井1号、加热井2号、加热井3号、加热井4号为一个单位循环系统，加热井3号、加热井4号、加热井5号、加热井6号为第二个单位循环系统；第一个单位循环系统工作完成后，切换至第二个单位循环系统，即：加热井3、4、5、6对煤炭层进行加热，由生产井c注入高温水蒸气，经集气巷3由生产井b运输至地面。当进行第二生产循环时，对生产井a进行封闭，防止热解气体从该井逸出，由于加热井3号和加热井4号在上一循环系统中工作，切换至下一循环系统继续工作时，可持续加热工作，实现自循环，提高效率节约成本。
一种地下隔层式煤炭原位气化开采单位循环系统，包括四口加热井1、两口生产井2和一条集气巷3，组成一个单位循环系统，多个单位循环系统可叠加用于扩大生产，所述加热井1的井底位于地下煤炭层下方的底板岩层，所述生产井2的井底位于煤炭层的上方，两口所述生产井2之间连通形成集气巷3，所述集气巷3与煤炭层连通；两口所述生产井2中，一口生产井2的井口处与进气装置连接，另一口生产井2的井口处与气体收集装置连接。
本发明发明及系统具有以下优点：
(1)安全可靠，此新型地下隔层式煤炭原位气化开采方法改变了传统的煤炭生产方式，在开采过程中可实现无人井下采煤，使煤炭生产更加安全可靠，大大降低了矿井事故及职业疾病的发生率。同时，可最大限度降低对原位煤层的扰动影响，安全性与密闭性更好。
(2)产能提高。此新型地下隔层式煤炭原位气化开采方法可在新矿区或新采区实行，也可以在老矿井中回收用传统方法不能回采的部分煤炭资源，提高资源利用率。同时，在生产过程中可以控制底底板岩层加热温度，实现岩层温度梯度变化，最终实现分质分级提取煤层中的不同热解气体，提高能源提取率。
(3)绿色环保。此新型地下隔层式煤炭原位气化开采方法将环境污染控制在源头，消除了传统开采方法煤炭运输、造气产生的烟气烟尘、灰渣排放的污染，不污染地表环境以及减少常规采煤造成的地面沉陷。
(4)带动就业。此新型地下隔层式煤炭原位气化开采方法为地方城市发展注入活力，气化工程在施工期和运行期都有大量的建筑、运输等配套性行业及服务业等第三产业的需求，带动了煤炭地下气化相关配套产业的发展，同时带动大量劳动力就业，大力发展煤化工及发电等相关产业，创造更多的就业渠道。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。
1.一种地下隔层式煤炭原位气化开采方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)对地下待开采煤炭面积进行评估，根据评估结果确定地面上加热井(1)的开掘位置，由地面向地下钻掘数口加热井(1)，所述加热井(1)的井底位于煤炭层以下岩层，所述数口加热井(1)合围形成的面积覆盖待开采煤炭面积；
2)由地面向地下钻掘两口生产井(2)，所述生产井(2)的井底位于煤炭层以上，两口所述生产井(2)位于数口加热井(1)合围形成的区域中；
3)两口所述生产井(2)井底之间沿煤炭层走向挖掘一条集气巷(3)，所述集气巷(3)内设置有若干连通煤炭层的集气孔；
4)通过加热井(1)井底进行加热，热量通过加热井(1)周围的底板岩层传递给煤炭层，通过地面控热系统对加热温度进行控制；
5)煤炭层经过隔层加热后发生热解反应，反应后生成的气态产物通过集气孔收集在集气巷(3)中；
6)在地面上向其中一口生产井(2)内注入引流气体，引流气体流经集气巷(3)，将热解后的气态产物通过另一口生产井(2)带至地面上的分离系统，分离后进行存储。
2.根据权利要求1所述的地下隔层式煤炭原位气化开采方法，其特征在于：所述加热井(1)井底到煤炭层的竖直距离为100～1000米。
3.根据权利要求1或2所述的地下隔层式煤炭原位气化开采方法，其特征在于：所述加热井(1)的数量为四口，四口所述加热井(1)合围构成四边形，相邻两口加热井(1)之间的距离为100～500米。
4.根据权利要求3所述的地下隔层式煤炭原位气化开采方法，其特征在于：每口所述生产井(2)位于相邻两口加热井(1)的连线上，两口生产井(2)以四口加热井(1)合围构成的四边形的中心对称设置。
5.根据权利要求1所述的地下隔层式煤炭原位气化开采方法，其特征在于：所述生产井(2)的井底位于煤炭层顶板标高位置。
6.根据权利要求1所述的地下隔层式煤炭原位气化开采方法，其特征在于：未进行加热前，通过集气孔向煤炭层注入气化催化剂，所述催化剂为钾基催化剂、铁基催化剂、5％koh与3％cao的复合催化剂；所述引流气体为高温水蒸气、超临界二氧化碳。
7.根据权利要求1所述的地下隔层式煤炭原位气化开采方法，其特征在于：步骤4)中通过加热井(1)井底进行加热的方式为，地面控热系统将高热值的可燃性气体输送至加热井(1)井底，点燃可燃性气体后对加热井(1)周围的底板岩层进行加热。
8.根据权利要求1所述的地下隔层式煤炭原位气化开采方法，其特征在于：步骤4)中所述的地面控热系统包括设置在地面上的监控中心，所述监控中心通过设置在底板岩层和煤炭层上的热电偶、压力传感器控制加热时长和加热温度。
9.根据权利要求8所述的地下隔层式煤炭原位气化开采方法，其特征在于：所述热电偶分别安装在底板岩层，及煤炭层的顶板处。
10.一种地下隔层式煤炭原位气化开采单位循环系统，其特征在于：包括四口加热井(1)、两口生产井(2)和一条集气巷(3)，所述加热井(1)的井底位于地下煤炭层下方的底板岩层，所述生产井(2)的井底位于煤炭层的上方，两口所述生产井(2)之间连通形成集气巷(3)，所述集气巷(3)与煤炭层连通；两口所述生产井(2)中，一口生产井(2)的井口处与引流气体进气装置连接，另一口生产井(2)的井口处与气体收集装置连接。
技术总结