基于煤矿采空区的固废液废与二氧化碳的处理方法与流程

本发明属于能源与环境，具体的说，涉及一种基于煤矿采空区的固废液废与二氧化碳的处理方法。

背景技术：

1、在煤炭开采与加工利用过程中产生了大量的工业固体废弃物，如：粉煤灰、炉渣、冶炼废渣、煤矸石、工业副产石膏、电石渣等，不仅占用土地面积，同时对大气、水体和土壤等造成环境污染。

2、煤层气产业的快速发展，其排采的高盐度水（氯化钠、氯化钾）处理成本和处理量日趋增加；一些煤矿开采期间排出的水也有以氯化钠钾型为主的。目前对高盐度水除盐的方法很多，其一为电渗析除盐，此方法通过消耗电能来浓缩提取水体中的矿物质，该工产能低基本无法满足工业生产需求；其二为反渗透方法，该法装置造价昂贵、产能低、水源利用率低（50~75%）;其三是离子交换膜工艺，但该方法在大量获得纯水的同时，又大量制造出高矿化度的污水，总体上不可行。

3、现有技术中，针对煤矿采空区，已有多种充填方法，按照充填量划分包括部分充填和全部充填，按照充填材料划分包括矸石充填、水砂充填、膏体充填、高水充填等等。通过不同形式划的充填，最终的目的都是把采煤形成的地下空间充填密实，从而避免或减少地表沉陷问题。就现有的采空区充填技术而言，大多数工艺需要先制浆后充填，费时费力，工程成本较高，且对二氧化碳封存困难。因此，需要一种能同时封存高盐度废液、工业固废和含二氧化碳工业废气的处理方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于煤矿采空区的固废液废与二氧化碳的处理方法，本发明先将固废石膏粉碎成固废粉末，采用水力压裂加砂或二氧化碳泡沫压裂的方式使固废粉末和高盐度废液同时注入煤矿采空区并发生盐浸反应，浸出固废石膏中的钙离子和硫酸根离子，然后通入含二氧化碳的工业废气或液相二氧化碳，使二氧化碳溶解饱和，最后通入碱性固废，使溶液矿化生成碳酸钙胶结充填体，达到同时处理高盐度废液、工业固废和含二氧化碳工业废气的目的，具有工艺简单、操作方便、省时省力且成本低的特点。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、基于煤矿采空区的固废液废与二氧化碳的处理方法，包括如下步骤：

4、（1）在煤矿采空区上方施工地面注入井；

5、（2）采用水力压裂加砂或二氧化碳泡沫压裂的方式将高盐度废液和固废粉末同时注入煤矿采空区，使固废粉末与高盐度废液发生盐浸反应；

6、（3）实施将含二氧化碳的工业废气反复注入-排出-注入-排出煤矿采空区的循环，直至采空区内二氧化碳溶解饱和；

7、（4）采用水力压裂加砂或二氧化碳泡沫压裂的方式将工业固废注入采空区内，使采空区内的溶液发生矿化反应，形成胶结充填体。

8、步骤（1）的具体操作为：

9、①注入井一开到弯曲下沉带底部，并全井段固井；

10、②二开在下裂隙带中完钻，从弯曲下沉带到井底使用筛管完井形成筛管段。

11、所述注入井内安装有处理系统，所述处理系统包括与所述筛管段连通并直达地表以上的上管道、通过四通接头与上管道连接的注入组件；

12、注入组件包括用于注入高盐度废液与固废粉末的第一注入组件、用于注入二氧化碳的第二注入组件和用于注入工业固废的第三注入组件；

13、所述第一注入组件包括通过第一输送管道连接在四通接头的第一接头上的压裂泵、通过第一连通管道与所述第一输送管道连通的第一粉碎机；

14、所述第二注入组件包括通过第二连通管道连接在四通接头的第二接头上的三通接头、通过第二输送管道连接在三通接头的其一接头上的第二压裂泵、通过第三输送管道连接在三通接头的另一接头上的空压机；

15、所述第三注入组件包括通过第四输送管道连接在四通接头的第三接头上的第三压裂泵和通过第三连通管道与所述第四输送管道相连接的第二粉碎机。

16、所述上管道与注入井内壁之间设置有固定件；

17、所述四通接头的第一接头、第二接头、第三接头上均设置有阀门；

18、所述四通接头的第四接头连接上管道。

19、在步骤（2）中，所述固废粉末为脱硫石膏、磷石膏或钛石膏中的一种或多种；

20、所述高盐度废液为煤层气井排采水或/和煤矿生成排放的矿井水，其具体为氯化钠型盐水或/和氯化钾型盐水。

21、步骤（2）的具体施工工艺为：

22、①使用第一粉碎机对工业固废中的石膏进行粉碎，使其成为固废粉末；

23、②将第一接头上的阀门打开并保持第二接头和第三接头上的阀门关闭；

24、③使用第一压裂泵将高盐度废液注入上管道的同时使用第一粉碎机将固废粉末通过第一连通管道注入第一输送管道，使固废粉末随高盐度废液一起注入煤矿采空区内。

25、步骤（3）的具体施工工艺为：

26、①关闭第一接头上的阀门、打开第二接头上的阀门并保持第三接头上的阀门关闭；

27、②使用空压机通过第三输送管道将含二氧化碳的工业废气注入煤矿采空区内或使用第二压裂泵通过第二输送管道将液相二氧化碳注入煤矿采空区，并进行注入-排出-注入-排出的循环，直至采空区内二氧化碳溶解饱和；

28、判断二氧化碳溶解达到饱和的方法是：判断排出和注入的气体成分是否一致，若成分一致则达到饱和；若成分不一致则未达到饱和。

29、步骤（4）的具体实施工艺为：

30、①使用第二粉碎机将碱性固废进行粉碎；

31、②关闭第二接头上的阀门、打开第三接头上的阀门并保持第一接头上的阀门关闭；

32、③使用第三压裂泵将工业废液注入上管道的同时将第一粉碎机中的碱性固废通过第三连通管道注入第四输送管道，使碱性固废随工业废液一起注入煤矿采空区内。

33、若需要处理非碱性固废，则需要加入介质将非碱性固废转化为碱性固废，而后进行步骤（4）；

34、所加入的介质为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水或氧化钙中的一种或多种。

35、在步骤（4）中胶结充填体形成后，再次通入二氧化碳，在采空区内形成二氧化碳气氛，实现对充填体的养护。

36、本发明的基于煤矿采空区的固废液废与二氧化碳的处理方法利用高盐度废液与固废粉末的盐浸反应浸出钙离子和硫酸根离子，使其与二氧化碳和工业固废反应得到碳酸钙胶结充填体，可以达到同时处理高盐度废液、工业固废和含二氧化碳工业废气的目的，具有工艺简单、操作方便、省时省力且成本低的特点。

37、具体来讲，本技术的处理方法在实施时，在煤矿采空区高位处的上方施工注入井，在注入井内安装注入系统，首先使用第一粉碎机对工业固废中的石膏进行粉碎，使其成为固废粉末，打开第一接头上的阀门并保持第二接头和第三接头上的阀门关闭，使用第一压裂泵将高盐度废液注入上管道的同时使用第一粉碎机将固废粉末通过第一连通管道注入第一输送管道，使固废粉末随高盐度废液一起注入煤矿采空区内；然后关闭第一接头上的阀门、打开第二接头上的阀门并保持第三接头上的阀门关闭，使用空压机通过第三输送管道将含二氧化碳的工业废气注入煤矿采空区内或使用第二压裂泵通过第二输送管道将液相二氧化碳注入煤矿采空区，并进行注入-排出-注入-排出的循环，直至采空区内二氧化碳溶解饱和；最后，使用第二粉碎机将碱性固废进行粉碎，关闭第二接头上的阀门、打开第三接头上的阀门并保持第一接头上的阀门关闭；使用第三压裂泵将工业废液注入上管道的同时将第一粉碎机中的碱性固废通过第三连通管道注入第四输送管道，使碱性固废随工业废液一起注入煤矿采空区内。进而使碱性固废与已经溶解了二氧化碳和石膏的溶液发生矿化反应生成碳酸钙胶结充填体，增加充填强度。

38、综上所述，本发明具有工艺简单、操作方便、省时省力且成本低的特点，并且利用高盐度废液与固废石膏的盐浸反应浸出钙离子和硫酸根离子，使其与二氧化碳和工业固废反应得到碳酸钙胶结充填体，可以达到同时处理高盐度废液、工业固废和含二氧化碳工业废气的目的，可以有效地提高固废液废和二氧化碳的处理效率。