平煤股份八矿地热水综合利用研究与应用

2018-05-10王中伟汪国华李白鹤李金龙

采矿技术 2018年1期

王中伟,汪国华,李白鹤,李金龙

(平顶山平煤设计院有限公司，河南平顶山市 467000)

1 概述

平煤股份八矿部分采掘工作面水压在4 MPa以上、放水孔温度高达52℃、环境温度超过33℃，属高水压和地温异常高的地区。随着开采深度的增加，高水压和高温度的威胁将越来越大。较高的采掘工作面水压严重威胁着矿井的安全生产，异常高的环境温度既影响工人的身心健康和劳动效率，也增加煤炭开采的成本。

另外，地热作为一种宝贵、洁净和‘可再生’的资源，目前广泛应用于取暖、矿泉水生产、发电、养殖、种植、浴疗、印染等行业，其综合开发利用符合“节约能源、降低消耗、控制污染、减少排放”的政策纲领，对于促进矿井持续、和谐、健康发展具有重要意义。

1 矿井概况

1.1 生产概况

平煤股份八矿始建于1966年，1984年全面建成投产，原设计生产能力3.0 Mt/a，2011年核定生产能力3.6 Mt/a。2014年进行二水平初步设计修改，设计生产能力4.0 Mt/a，可采资源量为101.57 Mt，储量备用系数取1.3，服务年限20 a。

矿井为立井多水平开拓方式，一水平标高-430 m，二水平标高-693 m。

目前矿井生产区域由一水平正逐步向二水平过渡。二水平各煤组开采标高为：丁组-470～-550 m，戊组-500～-720 m，己组-600～-910 m。

1.2 地温梯度和地温

(1) 地温梯度。矿区恒温带深度为25 m，温度17.2℃。根据恒温带深度、实测数据，推算矿区平均地温梯度3.9℃/100m。

(2) 地温。根据总体生产布局及接替，八矿将逐步进入二水平，二水平开采标高-470～-910 m，埋深550～1000 m，根据地温梯度推算地温38℃～55℃，属二级热害区。

2 井下热水综合利用方案

2.1 方案概述

首先，根据生产区域及地温情况，通过物探选择热水利用工程实施区域；其次，根据物探结果，结合围岩渗透系数、水头标高等因素布置地热井，将地热水导出；最后选择合适位置建立热水仓、泵房及输水井，将地热水排至地面，地面建立储水池及排水管路，供地面洗浴、餐饮、冬季采暖等用水。

2.2 热水利用工程实施区域的选择

根据生产区域及地温情况，选择在-693 m西大巷进行热水利用工程，为探明己组西大巷煤层底板80～150 m范围内寒武灰岩的赋水性情况，划分贫、富水区域，采用瞬变电磁法[1]和直流充电法[2]两种探测技术，自西7点开始由东往西探测，探测长度2320 m，瞬变电磁测探点距10 m，共完成物理点数为295个；直流充电法测探点距60～140 m，共完成37站260个物理点。

探测结果：富水区域位于西7点往西140～210 m、330～385 m、505～588 m、690～760 m、815～865 m、1300～1400 m和1998～2060 m段；其它区域赋水性相对较弱。

2.3 地热井布置

(1) 地热井位置及个数[3]。根据探测情况，在-693 m西大巷2900 m范围内布置4眼地热井，其位置为西7点往西160，560，1320，2010 m处。具体位置如图1所示。

(2) 地热井结构[4]。井深280 m，开口直径216 mm，揭穿太原组薄层灰岩、砂岩、砂质泥岩和煤层互层(平均83 m)，并进入寒武系灰岩5 m(井深88 m处)后变径为152 mm，沿寒武系灰岩钻进112 m(井深200 m处)后变径为110 mm，沿寒武系灰岩继续钻进约80 m(井深280 m处)，待见寒武系中统徐庄组中部的灰和深灰色层状泥质条带白云质灰岩以及鲕状白云质灰岩与黄绿色砂质泥岩互层终止钻进。为防止因煤层开采导致岩层变形而破坏地热井，地热井在太原组岩层下套管，套管直径为177.8 mm，地热井结构如图2所示。

图1地热井平面位置

图2 地热井结构

2.4 输水井

2.4.1 输水井位置的选择

输水井的位置选择考虑的主要因素为：

(1) 地面场地尽量开阔平整，有利于管路布置及施工；

(2) 场地内没有高压线等有碍安全的建筑物或构筑物；

(3) 落底以后便于与泵房的连接，且不应施工影响西大巷的安全与稳定；

(4) 应尽量避开受采动影响的区域。

根据上述主要因素，经实地调研，输水井选在八矿绿化队院内，坐标为X=37075，Y=46110，Z=+137。如图3所示。

2.4.2 输水井结构

输水井深度840 m，井壁结构采用双层管结构，外层为护壁管，内层为输水管，管外全井段水泥封固。其主要特征见表1。

图3 输水方案

名称深度/m直径/mm材质输水井0～60(表土段)Φ80060～840(基岩段)Φ600护壁管0～60(表土段)Φ700×10双螺旋钢管60～840(基岩段)Φ426×14双螺旋钢管输水管0～840Φ325×16无缝钢管

2.5 水仓、水泵房及变电所[5]

2.5.1 水仓及水泵房位置的选择

根据经验资料，考虑钻孔影响半径约20 m，泵房距离钻孔中心20 m，结合地热井布置位置，考虑到管路布置及其消耗量，将水泵房及水仓布置在输水井西侧。具体位置如图3所示。

2.5.2 水仓及水泵房布置

(1) 水仓容积及布置形式。该水仓主要储存热水，考虑水仓保温、水仓清理及地面供水范围及水量，为节约工程量，布置一条水仓，容积按600 m3。如图3所示。

(2) 断面及支护方式。水仓采用半圆拱断面，净宽×净高=3.0 m×2.5 m，长度92 m，采用锚网喷+砌碹支护方式；泵房采用半圆拱断面，净宽×净高=5.4 m×5.7 m，长度21 m，采用锚网索喷支护方式；变电所采用半圆拱断面，净宽×净高=5.4 m×4.2 m，长度18 m，采用锚网索喷支护方式。