深井热资源的利用研究

摘 要：随着矿井开采向深部的延深，深井热资源将会越来越丰富。文章阐述了深井热资源的形成原因，并将主要的深井热资源进行了详细的分类，并给出了合理的利用方法。一方面使得深井热资源得到了利用，另一方面也减少了深井热资源对矿井安全生产及人员健康的影响，实现矿井和谐健康发展。

关键词：地热；安全生产；人员健康

随着采矿工业的发展，矿井逐年向深部延伸，地温也随之上升。根据我国目前地温观测统计资料，每延伸100m，地温将上升（1.8～4.4）℃，随着的深井热资源也越来越丰富，如何合理地利用深井热资源是目前国内外亟需解决的难题，随着矿井向深部的延深，深井热必然影响到深部矿井采掘工作面的安全开采。因此，从能源利用和安全生产的角度来讲，合理的利用深井热资源都是现阶段及未来亟需考虑的问题。深井热资源主要为地下热水、岩层地热以及其他组成热源组成[1]。

1 深井热资源的成因

深井热资源的成因概括起来可以分为天然因素和人为因素，其中天然因素起着关键性的作用。

1.1 天然因素[2]

天然因素是指地球表面和内部原来所具有的，而不是由于人类的生产活动所产生的，这就是地表气温和地温，而地下热水属于地温的范畴。从天然因素而言，后者起着关键性的作用。

1.1.1 地表气温

矿井进风风流的温度是由矿井所在地的气候和气象条件决定的，也是由矿井所在地的地理条件决定的。四季周期性的变化，也将影响到矿井进风风流的温度，矿井内风流的温度也将呈现周期性的变化。在夏季，如果氣温高于岩温，岩壁从空气中吸热而升温，反之，在冬季则岩壁向空气散热而降温。岩壁中随着地表气温周期性变化而发生温度变化的部分，称之为“调热圈”。调热圈对井下气温起着调节作用。它的厚度在进风风流的始端最厚，随着井巷的延伸逐渐变薄，以至完全消失。过了调热圈消失点以后，井下气温也就不再受到地表周期性变化的影响。

1.1.2 地温[3]

地球是一个庞大的热库，储藏着无穷无尽的热能，并且不断地把热量由上部地壳传导散发到空间，同时又接受太阳的辐射热量。地温带从浅至深可以分为变温带、恒温带及增温带。

由于增温带是随着深度的增加而地温升高，深井内的热资源也就越丰富。随着地温的升高，也使矿井内的风流上升，而形成深井热害。矿床地质勘探时，测定原始岩温、恒温带的深度和温度、地温梯度以及岩石热导率等原始数据对于地热资源的研究至关重要，同时也为深井热害的治理提供了有力的理论基础和技术支撑。

1.1.3 地下热水

大气降水渗入地下，在一定的地质条件下，因受地球内部热能的影响而形成温度不同的地下热水，故地下热水也属于地温的范畴。但是因其是与岩石导热完全不同的特殊载体，因此单独予以阐述。在水平或倾斜较缓的含水层，地热热水的运动具有较小的渗透速度，一般与围岩处于相对平衡状态，在这种情况下形成地壳的正常水热运动，形成一定的地热资源；而当地下热水沿倾角陡峭的裂隙或断层上升时，多数情况下都具有很大的运动速度。由于水温来不及适应远距离围岩的温度，因此形成局部地热异常带，形成丰富的地热资源。如沿断裂及构造破碎带上涌至地表，则形成温泉，但是有时也能涌入矿井，而形成深井热害。热水在流动的过程中，将热量传递给周围的岩石使地温增加，形成丰富的深井热资源[4]。

1.2 人为因素

人为因素只要是由于人类生产活动而产生的，也就是矿床经建设和开采以后在矿井中产生的热资源。这些热资源主要有：机电设备生热、空气受压缩放热、顶板岩石下沉及采落矿岩散热、氧化放热、混凝土水化作用放热、凿岩爆破生热以及人体散热等，这些都是因为人为因素而形成的热资源，这些热资源具有很强的不确定性，分布不集中，如果处理不好，也会形成深井热害，以致严重威胁矿井的安全生产。

2 深井热资源的利用

2.1 地下热水的利用

深井地下热水，既是造成深井热害，威胁矿井安全生产和人员身心健康的热源，又是可以利用的宝贵的热资源。这种热资源，可以作为能源，为广大工农业生产和社会福利事业所利用，又可作为生活用水、饮用水和医疗用水的水源[5]。

2.2 地热的利用

当前利用地热主要是利用废旧巷道或采空区（应有一定长度）作为冬季矿井的进风道，使进风流在其中进行充分的热交换，提高进风温度，防止井筒和巷道的冰冻。

在我国北方许多矿区冬季地面气温很低，在进风风筒和巷道内，当其围岩壁面有水时，就会出现冰冻现象，致使通风断面减小，风阻增大，矿井通风条件恶化。冰冻严重时，还会造成卡罐、坠罐、落冰伤人和风、水管道冻裂等事故，给运输、提升装置的正常运行带来困难，威胁矿井安全生产，影响人员的身心健康，降低劳动生产率。

利用地温预热进风温度，可以省去锅炉蒸汽预热的基本建设工程和设备的投资，节省锅炉用煤，安全可靠，易于管理。根据矿井地温预热矿井进风流的经验可概括为以下几点：

（1）对现有矿井事先应该对废旧巷道井巷和采空区切实调查清楚。为了更好地利用地热，尽可能选用干燥、岩石稳固、所处位置较深、没有积水的巷道做预热巷道，还要清除其中的杂物、废石，进行必要的维修。

（2）利用地温预热的矿井，其总风量应比矿井正常通风量大15%～20%，预热后的热空气除供井下使用外，其余热空气送至提升井口，防止井筒冻结。

（3）利用地热预热矿井进风流的调热巷道，应尽量采用多分支并联巷道网络或大断面的巷道。通过上述这种方式，可以减少通风阻力，降低风速，从而达到节约矿井扇风机的能耗，增加空气与围岩壁面的热交换面积和效果，减少高速气流吹扬岩壁粉尘，污染矿井风流。

（4）为了克服预热巷道网的通风阻力，当矿井主要扇风机能力有限，不能平衡由于调热巷道而增加的阻力时，一般可在井下安设辅扇，辅扇的风量和风压应作选型计算；如果用多台并联在不同分支巷道中的辅扇，还应注意它们联合运转的合理性。务必使之在预热巷道网络中不出现循环风流以及不出现风量损失。当全矿主扇能力有足够的备用量时，也可采用主扇来克服预热巷道网的阻力。

（5）提升井口房应当密闭和保温，防止热量的扩散，以防达不到良好的预热效果[6]。

（6）对于新建矿井，由于地热资源还不能利用，初期开采用临时措施，如锅炉蒸汽预热，等到出现温度较高的废弃巷道可资利用时，再实行地温预热。

（7）如果尚未掘到温度较高的深部巷道时，需要利用接近地面的调热巷道，地温较低，尤其是经过冬季通风冷却，巷道附近岩体散失大量热量，为了保持巷道预热效果，应当在炎热的夏季继续通风，利用夏季地表的高温气体，使巷道附近的岩体温度较快地回升，秋季加以封闭，把热量贮存在巷道内，待冬季启封后，即可再次利用[7]。

（8）如果是具有地下热水的矿井，也可在接近地表的调热巷道内设置热水的散热器，使预热巷道内的温度升高，以达到能保证矿井进风流的冷、热风混合处的温度保持在2℃以上。散热器的多少，依据地下热水的温度高低来决定。

（9）就浅层地热而言，浅层地热能的利用，主要是通过热泵技术的热交换方式，将赋存于地层中的低位热源转化为可以利用的高位热源，既可以供热，又可以制冷。目前浅层地热能的可经济利用的深度一般小于200m[8]。

（10）对于深层地热而言，采用“热-电-冷”联合运行，实现能源的可持续发展，即将热能转化为电能，进而提供冷源。

2.3 人为因素产生的热资源利用

人为因素产生的热资源，从消极的角度来说，应该属于热害的范畴，这部分热资源應该尽量采用各种各样的方式消除，目前这部分资源利用的方法尚在研究阶段，有待进一步研究和开发利用。

3 结束语

为了更好的进行深井热资源研究与利用，建议以下几点。

（1）深井热资源在冬季利用的方式已经相当成熟，但是夏季地热资源的利用方法尚在初级阶段，有待进一步进行这方面的重点研究工作[9]。

（2）人为因素中的深井热资源利用方法，引起分布范围广，有待进一步做深入的研究。

（3）深井热资源主要为地热和地下热水资源。在以后的深井热资源的研究工作中，科研机构及矿山企业应重点进行这方面的研究工作。

（4）加强国家性的深井热资源实验室的建设。利用实验室的条件，完善现有的基础资料及经验数据的取得，为合理为矿山提供合理的深井热资源利用方式和装备。

（5）加强深井热资源利用研究人员的培养。

参考文献

[1]煤炭工业部.煤矿安全规程[S].北京：煤炭工业出版社，2011.

[2]张国枢.通风安全学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.

[3]杨世铭，陶文铨.传热学[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]Grumman DJ， Butkus AS. The ice storage option. ASHRAE J， Vol.1， 29-33， 1998.

[5]Horibe，A.； Inaba， H.； Haruki， N.： 2001， Melting heat transfer of flowing ice slurry in a pipe， in：S. Fukusako （Ed.）， 4th Workshop on ice slurries， Osaka， Japan， pp.145-152，2001.

[6]Roy， S.K.； Avanic， B.L.： Turbulent heat transfer with phase change suspensions， Int. J.Heat Mass Transfer 44， pp.2277-2285， 2001.

[7]Ben Lakhdar， M.A.； Guilpart， J.； Lallemand， A.： Experimental study and calculation method of heat transfer coefficient when using ice slurries as secondary refrigerant， Heat and Technology 17，no.2， pp.49-55，1999.

[8]Stamatiou， E.； Kawaji， M.； Goldstein， V.： Ice fraction measurements in ice slurry flow through a vertical rectangular channel heated from one side， Proceedings of the Fifth IIR Workshop on Ice Slurries， Stockholm， Sweden， May 30-31，2002.

[9]Kawaji， M.； Stamatiou， E.； Hong， R.； Goldstein， V.： Ice slurry flow and heat transfer characteristics in vertical rectangular channels and simulation of mixing in a storage tank， Proceedings of the 4th IIR Workshop on Ice Slurries， Osaka， Japan，2001.

作者简介：李虎虎（1985-），男，山西吕梁，本科学历，2004年毕业于山西煤炭职业技术学院，现在山东能源淄矿集团正通煤业公司高家堡矿井通防管理部工作，主要从事矿井降温、矿井瓦斯治理以及矿井防灭火等工作。