深部矿井岩层地热能协同开采治理热害数值模拟

李孜军，徐宇，贾敏涛,2，刘华森，潘伟，邓义芳

(1.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙，410083；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽马鞍山，243000)

随着我国矿井开采逐渐向深部转移，矿井高温热害已成为严重制约深部资源安全高效开采的重要因素。矿井高温环境不仅会损害人体健康，引发各种生理疾病，还会造成煤岩体强度减小、瓦斯等有毒气体解吸量增加等现象，极易引起次生灾害发生[1-2]。矿井热害是深部矿井开采无法回避的难题。目前，我国100多处矿井开采深度超过700 m，其岩温大多超过35 ℃，最高温度接近50 ℃[3]。在未来10～15 a，我国50%铁矿、33%的有色金属矿、53%的煤炭资源将在1 km 以下深部开采[4]，意味着我国大量矿山将面临严重的高温热害问题。矿井采矿过程中地热虽然会引起热害，但它本质是一种热能资源，若能合理利用，则不仅能有助于井下矿物采选，而且能将热能提取用于生产和生活[5]。在传统热害治理过程中，治理措施可分为两类：一类是非机械制冷降温方法，包括通风降温、隔热疏导、控制热源、个体防护等[6-7]；另一类是机械制冷方法，通过利用不同的制冷介质传递冷量吸收井下热量，如人工制冷水/冰降温、热管降温、压缩空气制冷以及二氧化碳降温等[8-10]。但这些方法用于深部矿井热害治理时将面临成本高、效率低、冷量损失大、降温效果差等问题，难以推广应用。许多学者对矿井巷道与围岩温度进行研究发现，矿井热害决定因素是地层温度，深部矿井热害治理的关键是采取有效方法降低井巷围岩温度[11-12]。在深部矿井高原始岩温、高热导率下，采用隔热材料等措施难以有效控制巷道岩壁的温度[13-14]，因此，有必要针对深部高温矿井提出新的热害治理方法。国外针对矿井地热能利用进行了大量研究。矿井蓄积的矿井水内存在大量的低品质热能，结合热泵技术可在矿井水内获得比输入电能更多的高品质热能[15-16]。BAILEY 等[17]对英国矿井水中的采热潜能进行评估，指出其可采热能达到47.5 MW，而用于矿井水抽采与热能提取所需的电力仅为2.3 MW。BAO等[18]对密西根州1 个水淹铜矿的热储性能进行分析，发现利用该矿矿井水中的热能发电每年可满足82 000 个用户需求。MENÉNDEZ 等[19]提出利用废弃矿井巷道空间可用于水力储能同时提取矿井水热能，计算表明矿井水热能利用的二氧化碳排放系数仅为0.048 kg·kW·h-1，远小于天然气(0.204 kg·kW·h-1)和石油(0.287 kg·kW·h-1)的排放系数。目前，矿井地热资源的开采与利用已在荷兰、德国、美国等多个国家取得了较好效果[20]，但目前国内有关矿井地热能的开发研究案例尚少。深部矿井热害治理不仅是我国向深部资源开采的需要，也是促进我国矿井安全绿色高效开采的重要保障。矿井地热作为水热型地热能，其开采与利用能为矿区生产与生活提供热能带来经济价值，对于废弃矿井甚至可以作为新的生产运营方式。同时，岩层热能开采还能降低井巷围岩温度控制井下热源，起到治理矿井热害的作用。为此，本文作者提出深部矿产资源与岩层地热能协同开采的构想，并通过数值模拟手段分析岩层地热采热性能以及对矿井的降温作用。

1 地热能协同开采分析

1.1 前景与价值

地层温度随着矿井开采深度的增加逐渐升高。近年来，我国矿产资源开采逐渐向深部转移，矿井热害更加严重，热害问题成为遏制矿井深部开采的主要难题。矿井热害会降低工人劳动效率，长期在高温环境下作业将影响人体健康，引发各种生理疾病，并容易造成安全事故；此外，岩层初始岩温较高时矿井将面临更加严峻的瓦斯突出、矿石自燃等灾害。而使用传统制冷降温方法治理深部高温矿井热害时，矿井围岩热释放量大、风流初始温度高、冷量输送损失大、冷凝热排出困难等问题使得这些方法难以满足矿井降温要求。矿井地热虽然会引起矿井热害，但它也是矿井采矿过程中的一种伴生资源。若合理开采岩层中的热能，将其与矿产开采相结合，则既能获得热能用于人们生产生活，创造经济价值，又能起到降低矿井温度、治理热害的作用。同时，矿井地热开采也是废弃矿井继续生产运营的一种可选方法。矿井地热协同开采是实现资源开发与能源利用双赢及“变害为利、变废为宝”的重要举措。

地热资源作为绿色和可再生能源被各国政府所青睐，地热能的利用对于减少全球二氧化碳的排量具有重要意义。目前有关地热资源的开发已成为国内外研究的热点，其中，干热岩是地热资源中人们熟知的地热能。但干热岩埋深一般较大，开采时面临勘查钻探成本高、前期投入大、风险大、技术难度大等一系列难题。矿井地热属于水热型地热能，矿井采矿过程中协同开采地热能具有独特的开采优势。首先，通过矿井开采对矿田地质进行详细勘察，可直接为地热开采提供地质参考。其次，矿井现有的井巷措施、钻探设备、开采技术为矿井地热开采提供了良好的基础条件。矿床开采所开拓的井巷为地热开采节省了大量的地热钻探成本，矿井具备的电力、给水、运输等系统已为地热开采提供了充足的开采条件。完善的机械动力设施为开采地热的探测、掘进、管路铺设等提供了设备保障。在政策上国家制定的《地热能开发利用“十三五”规划》提出了推进矿井热能利用项目的措施。因此，无论是从资源赋存情况还是政策导向来看，矿井地热能开发利用的发展前景巨大，完全可以作为矿井生产过程中的伴生能源进行协同开采。

1.2 开采方法

图1 矿井岩层地热能协同开采示意图Fig.1 Diagram of synergetic mining of geothermal energy in mine strata

矿井岩层地热能协同开采在提取岩层热后能降低巷道围岩和矿床温度，从而起到治理矿井热害的作用，避免因高温热害带来的矿井次生灾害发生，同时，也减少了热害治理成本。图1所示为矿井岩层地热能协同开采示意图。矿井在探明地层热流分布后，以采矿层为基础向深部岩层掘出2条竖井，靠近进风井侧的竖井作为注入井，靠近回风井侧的竖井作为生产井。注入井在注入冷质时可使矿井巷道进风侧温度降低，并在风流流动下使后端巷道内温度降低。回风井中温度较高，生产井提取的热质经回风井输送至地面可减少热量损失。注入井向下掘进一定距离后，在矿井主要通风巷道下方布置与其平行的冷质注入通道用于向岩层内注入冷质。回风井侧的生产井则在热流密度较大的聚热地层水平布置热生产通道，用于抽取岩层中的热质。为有效抽采热质，热生产通道布置水平应低于冷质注入通道布置水平。

矿井开采过程中会涌出大量矿井水，将其从井下排出需要耗费大量的电量，可以直接将矿井涌水作为岩层地热能开采所需的采热工质。将储存在蓄水池中的矿井涌水通过注入通道注入岩层，并施加一定的压注压力促进水在岩层内渗流。矿井水在岩层内渗流时吸收高温岩石热量，在负压抽采下通过热生产通道将岩层内渗流水抽出，并经回风井输送至地面进行热能利用与提取。当岩层渗透率较小、采热流量较低时，采取压裂等方法增加岩层裂隙促进水在岩石内渗流。在注入通道长时间注入冷质后，注入通道附近岩石温度降低，阻止深部高温岩层向采矿层导热，并在热传导作用下，采矿层温度逐渐降低。

矿井岩层采热一段时间后，由于岩石温度降低势必导致热生产能力减小，此时，可在之前布置的注入井和生产井基础上继续向岩层深处掘进，并同样布置注入通道和热生产通道继续抽采岩层热能。在上层注入通道注水必然使下方岩层内含水量较大，因此，在下层注入通道开始注水前，应先进行一定时间的负压抽采，将注入通道周围岩层中热水采出，之后，按照进风侧压注冷质、回风侧采热的方式继续生产。以此往复，可不断采取地层热量，延长矿井采热年限。

2 数值模型

为探究岩层地热能开采的采热性能以及对矿井热害治理的效果，建立以水为采热工质的矿井岩层地热能开采多物理场耦合数值模型。

2.1 物理模型

图2所示为三维矿井岩层地热协同开采物理模型。模型中，左侧布置1 条直径为5 m 的进风竖井，新鲜风由进风竖井输送至井下标高为-900 m的1号和2号共2条间距为300 m的水平采矿巷道，采矿巷道截面积均为4 m2，断面周长均为8.3 m，巷道长度均为700 m。矿井巷道回风由右侧直径为4 m的回风竖井返回至地面。为能够抽采岩层地热能且同时降低矿井巷道围岩温度，在1号巷道靠近进风井侧的下方岩层-925 m 水平处布置1 条直径为0.5 m 的圆形冷水注入通道，回风井侧-1 000 m水平处布置1 条直径为0.8 m 的热生产通道用于抽采岩层中热水。注入通道和热生产道长度均为350 m。

图2 矿井地层采热物理模型Fig.2 Geometry model of geothermal exploitation in mines

2.2 控制方程

为合理描述矿井地热能协同开采时巷道内风流、矿井水以及岩石之间的热传递过程，建立矿井岩层地热能开采数值模型并设定以下条件：1)将岩层视为均匀多孔介质；2)忽略流体与岩石的化学、力学作用；3)忽略巷道内机械设备、人员等局部放热；4)不考虑风流自压缩放热；5)模型整体上满足局部热平衡要求。

矿井巷道内的风流动采用管道流方程控制，其动量方程和质量方程分别可表示为[21]：

式中：ρ为流体密度，kg/m3；u为巷道内中心线切线方向的横截面平均流体速度，m/s；t为时间，s；p为压力，Pa；A为管道的横截面积，m2；dh为巷道断面当量直径，m；dh=4A/Z，Z为巷道周长，m；fD为摩擦因子，与巷道形状和尺寸相关。巷道内风流呈紊流状态，fD采用Churchill 摩擦模型计算：

式中：B和C为代数符号；Re为雷诺数；e为巷道表面粗糙度，m。

矿井巷道内风流传热方程可表示为

式中：cp为比定压热容，J/(kg·K)；T为热力学温度，K；k为导热系数，W/(m·K)；Qwall为井巷岩壁与巷道风流之间的对流换热，W/m。Qwall计算式为[22]

式中：h为传热系数，W/(m2·K)；Text为巷道外岩石温度，K；Z为巷道断面周长，m。传热系数h取决于流体的物理属性和流动的特性，根据努塞尔数Nu计算[12]。

多孔介质岩层内能量守恒方程为[23]

式中：cps为岩石比热容，J/(kg·K)；Kep为岩层内导热系数，W/(m·K)；ρw为岩石密度，kg/m3。

流体在岩层多孔介质内连续性方程为[24]

式中：ε为空隙率；ρl为流体密度，kg/m3。

流体在岩层内的动量方程由达西方程表示：

式中：K为岩石渗透率，m2；μ为流体动力黏度，Pa∙s；g为重力加速度；D为流体高程，m。

2.3 模型设置

模型进回风竖井顶部水平设为对流热通量边界，地表温度设为20 ℃，外界温度设为25 ℃。模型底部边界条件如下：考虑大地热流，将热流密度设置为0.08 W/m2(方向向内)，其余边界设为绝热边界。岩层初始温度按照0.04 ℃/m 的地温梯度随岩层深度呈线性增加。矿井总通风量设定为2 355 m3/min，进回风竖井内壁表面粗糙度为15 mm，巷道内壁表面粗糙度为22 mm。采用水作为换热工质，注入通道和热生产通道直径分别为0.5 m 和0.8 m。注入通道内注入流量为108 m3/h，初始温度为25 ℃。热生产通道采用0.1 MPa 的负压对岩层中的矿井水进行抽采。岩石、空气和水的物性参数见表1。整个模型采用四面体网格剖分。为精确分析巷道温度和采热温度的变化特征，对井巷、注入通道和热生产通道处的网格进行重点细化，最终模型总网格数达到302 535个。使用COMSOL数值模拟软件对式(1)～(11)进行多物理场耦合求解。采用瞬态求解器求解矿井风流温度以及采热温度随生产时间的变化特征。

表1 数值模拟参数Table 1 Parameters used in numerical simulation

3 模拟结果与分析

3.1 矿井巷道内温度

图3所示为不同矿井生产时间时矿井巷道内风流温度变化特征。在新鲜风流经井巷过程中，当井巷围岩温度高于风流温度时，围岩向巷道内释放热量使风流温度逐渐上升，故2号巷道内风流温度随巷道长度增大逐渐升高；在矿井生产3 a 时，2号巷道进风侧的温度仅为29.6 ℃，而巷道出风侧温度上升至36.4 ℃；虽然生产初期持续通风下巷道围岩温度逐渐降低，巷道内风流升温幅度减小，但一定时间后井巷围岩温度趋于平衡，巷道内风流温度不再显著降温；矿井生产8 a 和10 a 时，2号巷道内风流温度基本相同；1号巷道0～350 m处的岩层下方持续注入冷水，阻止了深部高温岩层向上方岩层导热，并在热传导作用下1号巷道围岩温度逐渐下降，因此，1号巷道0～350 m处风流温度没有上升，但在1 号巷道350～700 m 处风流温度上升明显；在岩层注水1 a 后，1 号巷道左侧围岩温度明显低，因此，1号巷道左侧风流温度均维持在29.6 ℃左右；随着冷水继续压注，1号巷道左侧温度降低至27 ℃左右，与相同位置的2 号巷道温度最大相差5 ℃。由于1号巷道左侧风流维持在较低温度，1 号巷道右侧温度也明显比2 号巷道的低。

图3 采矿巷道内风流温度沿巷道变化曲线Fig.3 Air temperature variation curves along tunnel

图4 进风井井底温度、回风井井口温度、1号和2号巷道末端温度随时间波动曲线Fig.4 Temperature fluctuation curves in bottom of inlet shaft,top of return shaft and terminal of No.1 and No.2 tunnel

图4所示为进风井井底温度、回风井井口温度、1 号和2 号巷道末端温度随时间波动曲线。从图4可以看出：进风井井底温度、回风井出口温度、1 号和2 号巷道末端温度均在矿井生产初期显著降低，但随着生产时间延长不再发生明显变化；在进风井筒中，由于通风量大，井壁温度较低，进风井对风流的升温影响较小。矿井风流的升温主要发生在井下采掘巷道内，因此，降低井下巷道岩壁温度是治理深部矿井热害的重点。在矿井生产初期，1 号和2 号巷道内风流温度相差较小，但随着在1号巷道下方岩层持续注入冷水，巷道围岩温度降低，1号巷道末端温度快速降低且明显比2 号巷道的低。在矿井生产的0.6 a，1 号和2 号巷道末端温度分别为39.3 ℃和39.9 ℃，之后，1号巷道内温度快速降低，仅在生产3 a 时，1 号巷道末端温度下降至32.4 ℃，而2 号巷道末端温度为36.3 ℃；随后，1 号巷道末端温度稳定在31 ℃左右，比2号巷道末端温度低4 ℃。可见，岩层采热能够有效地降低整个巷道温度，起到治理矿井热害的作用。

3.2 岩层温度分布

图5所示为矿井生产10 a后进回风竖井围岩温度等值面。从图5可知：进风井顶端围岩温度低于空气初始温度，空气向围岩导热使围岩温度升高，因此，当进入竖井的风流初始温度较高时，可利用浅层低温地层对风流进行一定程度的降温；井筒围岩温度随地层深度逐渐升高，在-140 m 水平以下区域，进风井下端筒壁温度高于风流温度，井筒壁向外释放热量使井筒围岩温度低于同水平岩石温度。在回风竖井中，井底围岩温度同样高于回风风流温度，因而，井壁围岩温度降低。但在回风井顶端-350 m 以上区域，升温后的回风流温度高于井壁温度，回风流向井筒壁传递热量使回风井上端岩壁的温度升高。

图5 进回风竖井围岩温度等值面图Fig.5 Isothermal surfaces of surrounding rock in inlet and return shaft

图6所示为不同时刻1号巷道围岩竖直截面温度变化特征。从图6可知：低温水注入岩层后，注入通道四周温度逐渐降低，并随着生产时间推移，岩层内低温区域逐渐扩大；水平布置的注入通道在垂直方向与岩石接触面大，注入通道中的水更容易向上下岩层内渗流，因此，注入通道上下侧降温宽度比左右侧的大；在岩层中部450～500 m范围内，注入通道与热生产通道距离较近，岩层内渗流压力梯度大，流体流动速度快，因此，该处岩体被冷却速度最快。在热生产通道负压抽采时，抽采通道上方岩层中的水从低温区域渗流至下方高温区域，因而，抽采通道上方的岩层温度逐渐降低。但在热生产通道下方，深部岩石温度高于热生产通道附近岩石温度，因此，水在由深部高温岩层渗流至生产通道时，生产通道下方岩石温度上升。

图6 不同时刻1号巷道围岩竖直截面温度Fig.6 Surrounding rock temperature of No.1 tunnel in vertical sections at different time

图7 矿井生产6 a后1号和2号巷道围岩竖直截面温度对比图Fig.7 Comparison of surrounding rock temperature of No.1 and No.2 tunnel in vertical sections after 6 years of mine production

矿井生产6 a后，1号和2号巷道围岩温度如图7所示。从图7可见：岩层注水使1 号巷道左侧围岩温度降低，风流进入右侧巷道时温度较低，右侧围岩与风流温差较大使巷道围岩释放更多热量，因此，1 号巷道右侧围岩温度明显比巷道围岩的低；1 号巷道右侧围岩部分区域温度低于30 ℃，而2号巷道仅左边进风侧部分围岩温度低于30 ℃，右侧围岩温度均在30 ℃以上；此外，1 号巷道右侧下方岩体温度也明显比2号巷道下方的低，可见井巷下方的热能抽采也有助于巷道围岩温度降低。在布置注入通道和采热通道时，应针对性地布置在主要通风巷道岩层下方；当主要通风巷道温度降低后，在风流流动下其区域也能得到有效降温。

3.3 热采量

随着采热时间推移，岩层部分岩石温度降低，水在岩层中的对流换热减弱使热生产通道内的生产温度降低。热生产通道各处生产流体温度如图8所示。从图8可以看出：热生产通道左端采热温度随采热时间明显减小，且降温区段的范围逐渐扩大，而右端采热温度没有明显降低；生产8 a 时，热生产通道左端采热温度最低降至38.3 ℃，右端采热温度仍然为59.5 ℃；在采热初期，热生产通道两端尤其是热生产通道左端采热通量较大，之后，生产通道左端采热通量也随采热时间逐渐减小。热生产通道各处采热通量如图9所示。从图9可见：生产10 a后，热生产通道左端最大热通量由第1年的3.55 kW/m2降低至0.98 kW/m2。结合图6可知，热生产通道左端更靠近注入通道，抽采的流量更大，因此，采热初期左端采热通量更高。但热生产通道左端周围岩石温度随生产时间逐渐降低，导致采热温度降低，因此，左端采热通量逐渐减小。热生产通道右端由于离注入井较远，热生产通道附近岩石降温缓慢，故采热通量未发生明显变化。由于热生产通道左端采热通量减小，整个采热系统的采热率随着生产时间先快速增大后趋向平稳，如图10所示。

图8 热生产通道内生产流体温度Fig.8 Fluid temperature in production channel

图9 热生产通道内采热通量Fig.9 Thermal extraction efficiency in production channel

图10 系统采热率随时间变化Fig.10 Variation of system heat extraction rates of production fluid as with of time

4 经济效益分析

矿井岩层地热能协同开采的经济效益既包括采取热能所带来的直接收益，又包括治理矿井热害节约的降温成本带来的隐性收益。假设矿井布置注入通道以及热生产通道均需10 万元，生产井和采热井电机功率为5.5 kW/h，则每年电费大约为11.6万元。基于上述模拟结果对岩层开采的热能进行收益分析。当1个岩层采热通道运行10 a时，由图10中的系统采热率计算可知10 a 内总共可获得热量1.68×1015J，大概相当于5.80×104t标准煤的热量。按500 元/t 计算，单个热生产通道10 a 可产生2.90×103万元的效益。另外，假如制冷机制冷功率为60 kW/h，局部风机功率为5 kW/h，按每天运行16 h 计算，每年大约需花费电费38 万元。因此，单个热生产通道运行10 a共可获得3.28×103万元的收益。此外，矿井地热能的有效开采与利用取代了矿区传统燃煤锅炉，减少设备维护等费用，同时也起到了节能减排的作用。

5 结论

1)提出了深部矿产资源与岩层地热能协同开采的构想，矿井采矿与地层采热相结合既可以获得地热能创造经济收益，有助于节能减排，又能起到治理矿井热害的作用。矿井现有设施、设备以及掘进巷道等为矿井热能开采提供了良好的基础条件，并节约了大量采热成本。

2)矿井岩层地热能协同开采以采矿层为基础向下方高温岩层掘进注入井和生产井，并布置注入通道和热生产通道。地热能协同开采利用矿井涌水注入岩层采取地热能，同时，使井巷围岩温度降低。注入井和生产井可通过不断向岩层深处循环掘进延续矿井采热年限。

3)据建立的岩层地热能协同开采数值模型分析结果，进风井对风流升温较小，矿井风流升温主要发生在井下巷道内。注入通道向岩层内持续注入冷水使巷道围岩温度下降后，井下巷道风流温度显著降低。虽然注入通道仅降低了部分巷道围岩温度，但前端巷道风流温度降低可使后端巷道温度显著降低。相比于未进行地层采热的井巷，存在地层采热的巷道末端温度比其低4 ℃。

4)在生产初期，热生产通道靠近注入通道侧的采热通量最大，但随着生产时间延长，生产通道左侧生产温度逐渐降低，从而采热通量也相应减小。通过经济效益分析，单个热生产通道运行10 a可获得2.18×1014J的热量。