矿山地热防控与利用研究进展

郭平业，卜墨华，张 鹏，何满潮✉

1) 中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 北京 100083 2) 中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院, 北京100083

矿产资源是支撑社会经济发展的重要动力，多年来，随着矿产资源的需求量增加和开采强度的不断增大，浅部资源日趋枯竭，矿山开采即将或已经进入深部开采阶段[1-2]. 目前，煤炭资源开采深度达到1500 m，有色金属矿开采深度超过4350 m[3].统计资料表明，我国煤炭总储量的73.2%埋深超过1000 m，而在未来10～15年，53%的煤炭资源将在1000 m以下深度开采[4]，且我国煤矿开采深度以平均10～15 m·a-1的速度增加，超过1000 m深的矿井已有49处[5]；我国目前超千米深的金属矿山约32座，且未来10年内，1/3的金属矿山开采深度将达到或超过1000 m，其中最大的开采深度可达到2000～3000 m[6].

随着开采深度逐渐增加，矿山地热造成的高温热害问题日趋严重[7-9]，其与矿井涌水、瓦斯、冒顶、粉尘一同被称为矿山五大灾害. 此外，矿山地热也是一种可再生的绿色低品位热能，是浅层–中层地热能的一部分[10-11]，对其开发利用不仅有助于井下矿物采选，而且提取的热能可用于矿区生产和生活[12]. 鉴于此，本文基于已有研究成果，归纳了矿山地热的致灾形式，回顾了目前矿井热害的防控技术，总结了矿山地热的主要利用方法，旨在为我国矿井热害治理及资源化利用提供借鉴.

1 矿山地热致灾形式

受区域深部热背景、岩石热导率和地下水活动等影响，不同地区的矿井地温梯度变化不一样[13-14]，我国煤矿纵向温度场可以概化为线性、非线性和异常3种典型分布模式[15]，即随着开采深度增加，原岩温度通常会呈现线性或非线性增加趋势. 因此，煤炭资源进入深部开采后，不可避免的面临矿山地热带来的诸多问题. 本文将矿山地热致灾形式分为加剧煤岩体性质劣化、诱发支护结构失效和导致高温高湿环境3类，具体包括加剧围岩变形破坏、诱发吸附瓦斯溢出、降低锚杆锚固强度、加剧锚护材料腐蚀、损害工人身心健康、降低工人工作效率和增加机械设备故障率7种具体的灾害形式(图1).

图1 矿山地热致灾形式Fig.1 Forms of disasters caused by mine geothermal energy

1.1 加剧煤岩体性质劣化

1.1.1 加剧围岩变形破坏

温度是影响岩石物理力学性质的重要因素[16]，已有研究表明，温度每变化1 ℃可以产生0.4～0.5 MPa的地应力. 因此，深部高温环境必然会引起围岩软化大变形，从而导致巷道塌方灾害. 李剑光等[17-18]通过开展不同温度(-20～50 ℃)后软岩相似材料单轴压缩试验，研究了材料的变形、强度特性和破坏形式，结果表明，随着温度升高，软岩相似材料的弹性模量及峰值强度整体呈现下降趋势. 此外，该作者还研究了温度对软岩蠕变特性的影响，得到了软岩蠕变总量、起始蠕变量、瞬时热应变和蠕变速率随着温度升高而增大的结论. 查文华等[19]开展了煤系砂质泥岩在25～55 ℃温度下的力学特性实验，结果表明，随着温度升高，砂质泥岩力学性质逐渐劣化. 马占国等[20]研究发现在25～100 ℃温度区间内，煤的强度和弹性模量呈现减小趋势，而应变先增加后减小. 何满潮与郭平业[21]应用自主研发的深部煤岩温压耦合实验系统，开展了煤样和泥岩温压耦合状态下的力学实验，得到了煤样和泥岩温压耦合状态下的应力应变关系，分析了弹性模量、峰值应变和峰值强度等力学参数的变化特征，揭示了层理角度对温压耦合作用下泥岩力学性质的影响规律(图2). 总之，研究温压耦合作用下深部软岩的力学特性及损伤演化机制，对于深部工程塌方事故防治及矿山安全生产具有重要意义.

图2 不同层理角度泥岩在不同温度下的力学性质[21]. (a) 应力应变曲线；(b) 峰值应力；(c) 峰值应变；(d) 弹性模量Fig.2 Mechanical properties of mudstone with different bedding angles at different temperatures[21] : (a) stress–strain curves; (b) peak stress; (c) peak strain; (d) elastic modulus

1.1.2 诱发吸附瓦斯溢出

深部煤岩体处于高温高压耦合状态下，大量研究表明，温度和压力是煤层吸附瓦斯逸出的重要诱因[22-27]，瓦斯逸出的直接后果是煤与瓦斯突出和爆炸灾害增多. 因此，掌握掘进工作面瓦斯逸出随矿山压力和温度的变化规律，对于煤炭资源安全开采是十分重要的. 目前，大多数研究表明，压力一定时，随着温度的不断升高，吸附瓦斯逸出量也逐渐增加(图3和图4). 当温度一定时，随着压力增加，煤层吸附瓦斯逸出量逐渐减小并趋于一个稳定值，但是随着压力继续增加，煤体内部开始出现微裂缝，微裂缝会相互连通，这些连通的结构有助于瓦斯的运移，从而使瓦斯逸出量增加[28-32].

图3 升温过程体积分数及累计气体量的变化曲线[21]Fig.3 Variation curves of the volume fraction and cumulative gas volume during the heating process[21]

图4 温度压力耦合作用下吸附气体逸出过程[23]Fig.4 Escape process of adsorbed gas under the coupling of temperature and pressure[23]

1.2 诱发支护结构失效

1.2.1 降低锚杆锚固力

树脂锚杆在巷道围岩支护中占据着不可替代的重要地位. 煤矿资源进入深部开采后，高温高湿环境会严重影响锚固材料的锚固效果，进一步导致支护结构失稳，诱发巷道崩塌事故. 胡滨等[33]研究表明，温度对树脂锚杆锚固性能影响显著，随着钻孔温度升高，树脂锚杆锚固力呈现明显递减规律. 王继勇等[34]采用国家标准和煤炭行业标准的检验方法，研究了树脂材料凝胶时间的变化，结果表明，随着温度升高，凝胶时间显著下降，且温度每升高10 ℃，树脂材料的凝胶时间降低1/2，甚至2/3以上. 张盛等[35]通过开展室内实验，得到了孔壁温度升高会降低树脂锚杆锚固力的结论. 康红普等[36]研究发现，树脂锚杆锚固力在25 ℃时最大，而当温度升高至45、65、85 ℃时，锚杆锚固力分别下降了16%、34.3%、66.3%. 康长豪[37]应用泥岩和水泥确定的混合比例制作锚杆锚固混合试件模型，重点研究了不同温度对锚杆锚固性能的影响，结果表明，在25～60 ℃温度区间内，锚固体强度随温度升高而衰减的速率约为0.74 MPa·℃-1；当温度达到60 ℃时，锚固体的强度只有25 ℃下的60%左右. 总之，深部高温高湿环境会导致树脂锚杆锚固力下降，尤其是在30～40 ℃之后，锚固力下降更为明显(图5).

图5 树脂锚杆锚固力随温度的变化[35,37-40]Fig.5 Variation in the pullout force of resin anchor with temperature[35,37-40]

1.2.2 导致锚护材料腐蚀

煤矿巷道主要采用锚杆、锚索、锚网、钢带等锚护材料对围岩进行支护，这些材料的腐蚀会导致支护结构过早失效[41-45]，从而诱发巷道围岩失稳塌方、冲击地压、片帮等重大安全事故. 深部支护结构不仅受地下水侵蚀作用，而且长期处于密闭潮湿、永久浸泡、干湿交替的复杂环境，锚护材料自身、应力水平、空气环境(温度、湿度、氧气、大气污染物)、地下水部分(侵蚀介质、pH值)、微生物(细菌、真菌)、围岩体、灌浆体、防腐材料等都会对锚固系统产生腐蚀劣化[43]. 在众多影响因素中，温度对材料的腐蚀起到催化作用. 图6是不同温度下的6种锚杆材料(Split set、I-Beam、Williams、Std. Swellex、Swellex Pm 24和Sellex Mn 24)的腐蚀速率，从图中看出，25 ℃时各个锚杆的腐蚀速率无明显差异，随着温度增加腐蚀速率呈现指数增加趋势[44]. 图7是不同地下水离子浓度(1倍，10倍，100倍)下温度对锚杆腐蚀速率的影响，可以看出，不同离子浓度条件下，锚杆腐蚀速率随着温度增加显著增加，在25～45 ℃温度时，腐蚀速率与温度成正比，当温度超过65 ℃时，腐蚀速率逐渐降低[45]. 由此可见，随着煤矿开采深度增加，矿井内温度显著增加，无疑将加剧锚护材料的腐蚀(腐蚀速度、程度).

图6 不同温度下的锚杆腐蚀速率[44]Fig.6 Corrosion rates of rock bolts with temperature[44]

图7 不同地下水离子浓度(1倍，10倍，100倍)下温度对锚杆腐蚀速率的影响[45]Fig.7 Effect of temperature on the corrosion rate of bolts under different groundwater ion concentrations (1×, 10×, and 100×) [45]

1.3 导致高温高湿环境

1.3.1 对工人的影响

高温高湿环境对工人的生理(健康)、心理(舒适感)和行为(工作效率)都会造成影响[46]. 短时间内，工人会感觉闷热、大汗不止、身体疲劳、胸闷等不适感；长时间作业，工人中枢神经系统失调，肌肉活动能力降低，同时产生精神恍惚、头昏、虚脱、呕吐等中暑症状，严重的直接导致死亡. 此外，长期在高温高湿环境中作业，工人会患风湿病、皮肤病、皮肤癌、心脏病及泌尿系统和消化系统等疾病，还会使人产生心绪不宁、心情浮燥、精神萎靡，诱发工人精神方面的疾病[47-52]. 研究表明，气温每增加1 ℃，矿井生产效率则降低6%～8%，当温度超过30 ℃时，每增加1 ℃工效成倍降低，温度达到35 ℃以上时，工作效率只有20%[53].

1.3.2 对机械设备的影响

机械设备在井下高温高湿的环境中运行，环境温度、湿度超过规定的限值，一方面导致设备自身散热困难；另一方面，湿度过高可能导致机械设备腐蚀、电缆漏电等. 从而导致机械设备工作效率下降、故障频率增加、引发安全事故，给安全生产带来巨大压力. 资料显示，机械设备在相对湿度90%以上及温度在30～34 ℃环境中工作时，其事故率比低于30 ℃的环境高3.6倍.

2 矿井热害防控技术

2.1 非人工降温技术

目前，应用于矿井降温的非人工制冷技术有很多，本文对这些技术进行了总结和分类，将其分为热源控制技术、热湿环境调控技术和个体防护技术3类（图8），下面对这3类技术进行详细介绍.

图8 非人工制冷降温技术Fig.8 Nonartificial refrigeration cooling technology

2.1.1 热源控制技术

通常将引起矿井环境温度升高的因素统称为井下热源，深部矿井热源包括巷道围岩、矿石和木材氧化、运行中的机械设备、井下高温涌水、炸药爆炸、空气自然压缩、人体及照明设备、水泥水化等. 因此，可以通过清除热源或减少热源散热的方法实现降温[54-55]，主要的方法有：

(1) 减少氧化放热：尽量用电驱动力代替井下燃油设备动力；及时清理井下废弃的木材和含硫矿石；对含硫围岩喷涂隔热材料进行绝氧隔离等.

(2) 减少机械放热：将机械设备安置在距离掘进工作面较远的位置；将设备放置在回风巷道；大型机电硐室散热量大，需设置专用回风巷道等.

(3) 围岩隔热：矿井热量的40%源于围岩散热，因此在开挖时，可以采用隔热材料喷涂岩壁对其进行隔热，如硬质聚氨酯泡沫、膨胀珍珠岩、玻化微珠、蛭石、发泡聚苯乙烯泡沫等[56]. 邹声华等[57]报道了一种掘进巷道隔热分流排热降温技术，该技术适用于以围岩散热为主的高温矿井，通过在巷道周壁一定距离设置隔热板，将巷道和风流一分为二，隔热板内是工人工作场所，隔热板与围岩之间为排热风流，其在唐洞煤矿的应用中效果显著.

(4) 热水防治：矿井高温涌水不仅会造成高温高湿的工作环境，还会烫伤工人，增加机械设备故障率，加剧支护结构腐蚀，因此需要及时对矿井涌水进行封堵和疏排.

(5) 减少压风管道升温：由于压风管道距离过长，风流会在沿程升温，影响降温效果，因此需要选择合适的风筒尺寸及材料.

2.1.2 热湿环境调控技术

通风降温是矿井热害防治中普遍采用的降温技术[58-59]，一般情况下可以降低工作面温度1～3 ℃，主要的方法有：

(1) 改进通风方式：对于煤矿而言，采煤工作面通风方式一般有“U”形、“E”形、“W”形、“Y”形，针对不同矿区，在矿山设计中应充分考虑热害情况，对各类通风方式的预期降温效果进行评估，结合经济性、适用性选择最优的通风方式[6].

(2) 避开局部热源：矿井下的矿石氧化放热、机械设备放热、热水散热等均会给风流加热，影响风筒出口温度，降低降温效果. 因此需要对矿井局部热源进行分析，在有针对性的采取减少热量排放的同时，将压风管路尽量避开这些热源.

(3) 增加通风风量：增加通风风量是最为简单且有效的降温措施，但是风量的增加存在可行的界限，资料显示，最经济的通风量为巷道空间体积的0.56～0.84倍，井下工作面掘进风速一般以1～1.5 m·s-1为宜.

(4) 预冷风流：在风流作用于矿井热环境前，让其经过一段有水喷雾的巷道，将其进一步冷却，可以达到良好降温效果的同时，起到除尘作用，但是其同时也导致环境湿度升高. 20世纪70年代，东北大学提出了一种应用低岩温巷道冷却风流的降温技术，通过现场实际测试，风流通过低温岩层预冷后温度下降3～5 ℃.

此外，在工作范围较小、工作人员较少、需冷量小的掘进工作面，可以通过喷洒水雾实现降温；对于湿度较高的高温巷道，可以应用NaCl溶液、LiBr溶液、CaCl2溶液对环境空气进行除湿[55].

2.1.3 个体防护技术

在一些开采环境恶劣的矿井，受技术和经济条件限制，热源控制技术和热湿环境控制技术无法应用或应用不便时，需要为工作人员提供冷却服. 目前，冷却服的制冷介质有液体、气体和固体，其制冷成本约为其他制冷方式的20%左右. 例如澳大利亚研制的水冷式、空冷式高温防护服；南非矿业工会设计的内层为水袋背心、外层为绝热夹克的冷却衣；美国ILc公司制造的以液体介质和冰水作为制冷介质的波罗太空背心；南非加尔德-来特公司研制的干冰背心；德勒格尔公司的液体介质和CO2干冰混合背心等在生产实践中均取得了不错的效果[55,59].

2.2 人工制冷降温技术

当矿山进入深部开采后，热害逐渐严重，非人工制冷降温技术无法满足降温要求，需要采用人工降温技术进行制冷降温. 人工制冷降温系统的发展已经经历了一个世纪之久，1920年巴西莫劳约理赫(Morro.Velho)金矿(采深2000 m，原岩温度50 ℃)建立了世界上第一个矿井空调系统；60年代南非开始在大型矿井中采用集中式空调降温，1985年11月首次采用冰作为载冷剂，该系统的制冷能力达628 MW；1989年建成了压缩空气制冷空调系统. 针对煤矿热害治理，1923年，英国彭德尔顿煤矿第一次在采区安设制冷机对工作面进行降温；1924年，德国拉德博德(Radlod)煤矿(采深968 m，原岩温度44 ℃)建立了世界首个煤矿空调系统；1977年，苏联采用分布式制冷机，对高温煤矿工作面进行降温. 1989年，波兰研发了应用于煤矿工作面的涡流管式制冷机. 相比之下，直到1964年，我国首次在淮南九龙岗矿安装了矿井局部制冷降温系统[60-64]；1976年，平煤一矿戊十采区的一个采煤工作面进行了首次机械制冷降温工作；1984年，山东新汶矿务局孙村矿建立了我国第一套井下集中式制冷降温系统；1994年，新汶孙村矿建成了我国第一个地面集中式制冷系统；1995年，平煤五矿建立了井下集中式降温系统. 到了21世纪，随着我国科学技术的发展，多种矿井降温技术被用于热害治理，例如：山东新汶孙村矿于2004年首次成功采用人工制冰降温技术，并推广至全国；2006年，平煤六矿建成了地面制冷降温系统；2006—2009年，平煤四矿和平煤十一矿先后建成了热–电–乙二醇矿井降温系统；2007—2008年，赵楼矿安装完成井下集中永久降温系统.

人工制冷降温系统本质上是一个能量搬运系统，即将工作面的热量通过各种方式搬运到地表进行利用或排放. 因此，人工制冷降温系统主要包括排热系统、制冷系统、输冷系统和降温系统4部分(图9)，排热系统的功能是将制冷系统的冷凝热排放至外部环境，制冷系统的功能是借助外力通过制冷循环将从冷源获得的低品位冷能转为高品位冷能，输冷系统的功能是通过工质将冷能输送至各个采掘工作面，降温系统的功能是在需要降温的地点利用各种手段冷却降温点的空气温度从而达到降温效果.

图9 人工制冷降温系统的构成 (Tcond: 冷凝温度; Tevap: 蒸发温度;Wref: 制冷机功率; Wpump: 水泵功率; Wair: 空冷器功率; ΔE: 沿程损失冷量; Qeff : 有效制冷量)Fig.9 Composition of artificial refrigeration cooling system (Tcond:condensate temperature; Tevap: evaporation temperature; Wref :refrigerator power; Wpump: pump power; Wair: power of air cooler; ΔE:cooling loss; Qeff : effective refrigerating capacity)

何满潮与郭平业[65]根据矿井降温系统冷量输运方式(即制冷工质)不同将人工制冷降温系统分成气冷式、冰冷式和水冷式3类，包括压缩空气制冷降温、冰制冷降温、地面集中制冷降温、地面排热井下集中降温、回风排热井下集中降温、地面热电联产制冷降温和热害资源化利用等制冷系统，下面对这些系统进行详细介绍.

2.2.1 气冷式制冷降温系统

压缩空气制冷降温系统制冷原理如图10所示，首先在地表将空气进行绝热压缩后变成高温高压的液态，然后进入冷却器对高温高压的液态空气进行冷却后变成常温高压的液态空气，接着将常温高压的液态空气输送至井下，在井下进入膨胀机对常温高压的液态空气进行绝热膨胀后变为低温空气，最后低温空气换热后将冷量送至工作面进行降温[66-67]. 该系统的主要优点有系统简单，应用灵活，输冷管道少，承压小，对管道材质要求低；可以保证工作面冷量分布合理，降温效果好；空气制冷机无需电力驱动，解决了井下设备防爆问题；同时空气既是制冷剂又是载冷剂，对井下环境无污染. 其缺点是空气压缩制冷降温系统的制冷量有限，在获得相同制冷量的情况下，需要扩大设备规模，从而导致初投资和运行费用增加；同时如果输冷距离太长，不可避免造成冷量损失ΔE增加. 因此，很少有全矿井采用压缩空气制冷降温系统，如果能充分发挥其优点，在需冷量不大的小型矿井或需要局部地点降温的矿井具有良好的应用前景.

图10 压缩空气制冷降温系统制冷原理Fig.10 Principles of the compressed air refrigeration cooling system

2.2.2 冰冷式制冷降温系统

冰制冷降温系统原理如图11所示，首先在井上利用制冰机制取颗粒状冰或泥状冰水混合物，通过风力或水力输送至井下的融冰池，在融冰池通过相变将冰中的所有以潜热形势存在的冷量释放出来制成低温水，然后将低温冷水输送至工作面，再利用空冷器或喷雾形式对采掘工作面进行降温[68-72]. 冰的蓄冷量高于水，单位体积的制冷量是水的4～5倍，这使得其具有显著的降温效果，而且冷源装置设置在地面，克服了冷凝热排放困难的缺点，井下系统设置简单，操作与维修方便.该系统的缺点是输冰过程中冰块容易堆集造成管道堵塞或破裂，对输冰管道产生过高的静水压力，因此对于不同冰的形状和输送方式，在输送过程中要适时调整输冰速度、压缩空气量及水压力；输冰过程中的冷损ΔE较大，影响有效制冷量Qeff；该系统制冷机组蒸发侧需要提供较低的温度Tevap，从而需要增加制冷机组功率Wref，导致冷凝温度Tcond增加；该系统运行会产生大量废水，对水排放系统的要求较高. 尽管如此，目前对于3000 m以下的矿井降温系统，综合考虑制冷效果和运行费用，即使冰制冷系统初投资较高，但其仍是较为经济的选择方案. 因此，随着矿产资源的开采深度不断增加，对于热害严重，需冷量大的矿井，冰制冷降温系统具有良好的发展前景.

图11 冰制冷降温系统原理Fig.11 Principles of the ice-cooling system

2.2.3 水冷式制冷降温系统

(1) 地面集中制冷降温系统.

地面集中制冷降温系统原理如图12所示，首先在井上利用制冷机组制出低温冷水，输送至井下，然后通过高低压换热器将高压水体中的冷量通过对流方式传给低压水体，最后将低温低压的水体输送至采掘工作面，再利用空冷器进行降温[73-76]. 该制冷系统的制冷机组布置在地面，不需要采取防爆措施；可以忽略冷却水端的冷量损失ΔE，且避免了冷凝热排放困难. 应用于浅层矿产资源开采时，制冷机组与热交换器之间的距离短，输冷管道较短，从而冷冻水沿程冷损ΔE较小，且水头压力小，能够达到不错的制冷效果；但是对于埋深较大的矿井，制冷机组与热交换器之间的距离显著增加，导致ΔE相应增加，Qeff随之降低，制冷效果不佳，而且水头压力过大对承压管道和设备的要求增加.

图12 地面集中制冷降温系统原理Fig.12 Principles of the ground centralized refrigeration cooling system

地面热电联产制冷降温系统属于地面排热井下集中降温系统的一种，其运行过程中冷量的损失与地面排热井下集中降温系统一致(图13)，其特点在于将电厂废弃余热输送到溴化锂制冷机里进行一级制冷，再进入乙二醇螺杆制冷机里进行二级制冷，制取-5～-3.4 ℃的乙二醇溶液，冷却的乙二醇溶液通过供冷管道送入井下换冷供应室冷却水，被冷却的水经空冷器产生冷风，送入高温工作面进行降温. 该系统运行过程实现了“变废为宝，绿色环保”，符合我国节能减排、保护环境、发展资源节约型和环境友好型经济的方针，适用于高瓦斯、高地热矿井，是我国今后矿井热害治理的重要发展方向之一[76-77].

图13 地面热电联产制冷降温系统原理Fig.13 Principles of the ground cogeneration refrigeration cooling system

(2) 回风排热井下集中降温系统.

回风排热井下集中降温系统原理如图14所示，该系统是将地面集中制冷模式引用到矿井井下，机组冷却水出水通过喷淋设施在井下回风中进行冷却，有时需要局部通风机，利用风流与水的换热作用加强冷却效果[78-80]. 与地面集中制冷降温系统一样，该系统可以忽略冷却水端的冷量损失ΔE，不同的是该系统制冷机组与空冷器之间的距离缩短，输水管路相应变短，冷量损失ΔE减小，还避免了静水高压问题. 但是其依靠矿井回风带走的冷凝热有限，导致冷凝热排放困难，影响其制冷效果. 此外，该降温系统的运行需要满足冷却水的回水温度大于或等于回风风流的初始温度这一条件，因此其适用于回风温度较低或需要局部制冷降温的采掘工作面.

图14 回风排热井下集中降温系统原理Fig.14 Principles of the return air exhaust heating underground centralized refrigeration cooling system

(3) 地面排热井下集中降温系统.

地面排热井下集中降温系统原理如图15所示，该系统同样是将制冷机组放置在井下，不同的是制冷机组将冷量输送至工作面，同时将吸收的冷凝热返回地面冷却塔，并通过地面冷却塔进行冷凝热的排放[81-82]. 因此，该系统除了具有回风排热井下集中降温系统的优点外，对冷凝热的排放效果相对较好，应用于浅部开采时具有良好的制冷效果. 但是其在应用于深部矿井时，冷却塔与制冷机组之间的距离会显著增加，冷却水端的冷量损失ΔE增加；制冷机组的回水温度较低时，在输送至冷却塔沿途中会出现明显的温升，进一步造成冷量损失. 因此，地面排热井下集中降温系统通常适用于需冷量不大或开采深度不大的热害矿井.

图15 地面排热井下集中降温系统原理Fig.15 Principles of surface heat dissipation and the underground centralized refrigeration cooling system

(4) 深井热害资源化利用系统.

针对已有降温系统存在的问题，结合煤矿生产工艺系统特点，何满潮提出了深井热害治理与矿井热能综合利用系统(High temperature exchange machinery system, HEMS). 图16是HEMS降温系统技术原理图，利用矿井各水平现有涌水，通过能量提取系统从中提取冷量，然后运用提取出的冷量与工作面高温空气进行换热作用，降低工作面环境温度及湿度，并且以矿井涌水为介质将工作面热害转换为热能输送到井上代替燃煤锅炉进行供热. 如图16所示，整个工艺系统分井上和井下两部分，井下部分由HEMS-T换热工作站、HEMS-Ⅰ制冷工作站及HEMS-Ⅱ降温工作站组成；井上部分由HEMS-T换热工作站、HEMS-Ⅲ热能利用工作站、洗浴供热及井口HEMS-Ⅱ-Shaft防冻工作站组成[83-87]. 该系统实现了井下热害资源化、变废为宝，在有效改善井下热环境的同时，提取井下热能代替井上燃煤锅炉供热，解决了深部矿区面临的热害和环境污染两个问题，在矿井涌水充足的深部高温矿井，具有良好的应用前景.

图16 HEMS降温系统技术原理图[83-87]Fig.16 Principles of the high temperature exchange machinery cooling system

3 矿山地热利用

在“碳中和，碳达峰”的时代背景下，近年来矿山地热作为一种可再生、绿色的浅层–中层地热资源而受到广泛关注. 目前，关于矿山地热开发利用的研究可根据矿井是否关停分成2类，即关停/废弃矿井地热资源利用[88-89]和开采中的矿井地热利用，本文重点对后者进行介绍. 并将开采中的矿井地热利用分成3种：矿井水热能利用、矿井回风热能利用和围岩热能直接利用.

3.1 矿井水热能利用

煤矿开采过程中，矿井水通常会被作为废水排出，然而实际上矿井水通过在地层裂隙中流动，长期与岩体进行对流换热，使其蕴含着丰富的低品位热能，而且随着矿井开采深度增加、开采规模扩大，矿井水量和温度均会增加. 因此，矿井水可以作为稳定的冷热源，具有很高的开采价值. 图17是一种矿井水热能利用系统的原理图，应用水源热泵提取矿井水中的热量用于建筑物供暖、洗浴供暖和井口防冻等. 该系统工作时，首先从取水井提取矿井水至地表蓄水池，经过滤处理后流经换热器，换热器将矿井水中的热量送往蒸发器，然后蒸发器内的低温低压制冷剂吸收热量变成低压蒸汽，被压缩机压缩成高温高压气体，并在冷凝器内被液化，释放的热量用于热用户，最后被液化的制冷剂又被膨胀阀处理成低温低压的液体，进入蒸发器进行下一次热力循环. 而在换热器内被提取热量的矿井水被进一步过滤处理，可作为矿区工业、农业和生活用水.

图17 矿井水热能利用原理图Fig.17 Principles of the thermal energy utilization of mine water

多年来，学者们从理论研究、数值模拟和现场实践等方面对矿井水热能利用方法与技术进行了广泛研究，取得了丰硕成果[90-94]. 例如：田伟等[95]针对龙固矿井高温(45 ℃)高盐度(900 mg·L-1)的矿井水，探讨了矿井水余热资源的利用方式，并提出了矿井水的处理净化方法；赵志钊等[96]以山东省济宁梁宝寺煤矿为例，给出了矿井回风、矿井水、洗浴废水、冷却水(风)废热回收量的计算方法；李科燃[97]针对唐家会矿厂区原有供热系统能力不足的问题，提出了一种矿井水热源利用方法；刘家柱[98]针对潘二矿现有矿井水处理利用与供暖方式存在的问题，论证了矿井水热能替代燃煤锅炉供暖和矿井生产的可行性；He等[99]在研究张双楼煤矿热害问题时，将井下热害变废为宝，将其作为热能资源进行利用，针对矿井水的水质问题发明了HEMS三防换热器(防污、防堵、防腐)，利用HEMS-Ⅲ机组建立了地面热能利用系统(图16)，解决了矿区21.56×104m2的建筑供热，年节约燃煤1.197万吨；徐坤等[100]针对刘店煤矿在生产中需要供热、同时排放大量低品位余废热量的情况，提出了适合于该矿的综合热泵供热方案. 毕世科等[101]提出了一种利用矿井原有井巷工程进行矿井地热水开采的模型，根据矿区多种余热资源的赋存情况，提出了矿山地热资源综合利用方案，结果表明唐口矿山地热资源可服务于矿山和周边14×104m2的住宅供暖.

3.2 矿井回风热能利用

煤炭开采过程中，需要不断的向巷道及工作面提供新鲜空气，新鲜冷风会与巷道围岩进行热交换，同时井下设备运行也会将热量释放到空气中，使得矿井回风中蕴含着一定可利用的热能[102-103].矿井回风热能利用技术在我国煤矿应用广泛，针对矿井环境、回风量、回风温度等的不同，矿井回风热能利用技术类型多种多样，提取的热量可以用于井筒防冻、建筑采暖等[104-105]. 向艳蕾等[106]对目前矿井回风热能利用技术进行了详细总结，包括矿井回风利用方式、利用技术及相关技术的优缺点. 接下来，本文对目前最主要的热管式换热技术和热泵取热技术(直蒸式浅焓取热乏风热泵技术、直冷式深焓取热乏风热泵技术和喷淋式表焓取热乏风热泵技术)进行详细介绍.

3.2.1 热管式换热技术

热管式换热装置的原理如图18所示，该装置以热管作为主要元件，相变热管具有高效的传热性能和等温特性，主要依靠相变潜热实现热量的转移[107-108]. 将蒸发端与矿井回风管道连接，冷凝端与井口进风管道连接，当矿井回风经过蒸发端，热管内的液态低温工质吸收矿井回风中热量迅速汽化并流向冷凝端，然后在冷凝端被矿井新风冷却成液态，重新流回蒸发端，而吸收热量的矿井新风将热量沿着进风管道用于井口防冻. 该技术系统简单，初投资和运行费用较低，但是回收热量较少，通常只能用于井口防冻[106].

图18 热管换热装置原理图Fig.18 Principles of heat pipe heat exchange device

3.2.2 热泵取热技术

(1) 直蒸式浅焓取热乏风热泵技术.

直蒸式矿井乏风热泵技术的原理如图19所示，该技术是在矿井排风口处建设回风换热室，并在换热室侧边布置乏风换热器，该换热器充当热泵系统的蒸发器. 当矿井回风经过乏风换热器，首先完成低温低压制冷工质吸热汽化过程，然后被压缩机压缩成高温高压气体，再经过冷凝器放热变成高压液体，放出的热量供给热用户，最后高压液体经过膨胀阀后回到乏风换热器，进入下一次热力循环. 该技术系统简单，运行过程中能量损失较低，取热效果显著，满足矿井防冻用热的同时，可以用于建筑物和洗浴供暖. 但是，如果矿井回风量较大或取热量大时，需要增加机组数量，可能会受到矿区场地限制. 此外，即使有足够的场地，换热器数量的增多和换热面积的增加会增大回风阻力，对通风机的运行造成不利影响的同时，无形中也增加了运行和维护成本[106-107].

图19 直蒸式热泵技术原理Fig.19 Technical principles of the direct steam heat pump

(2) 直冷式深焓取热乏风热泵技术.

直冷式深焓取热乏风热泵技术是在直蒸式浅焓取热乏风热泵技术上的改进，其工作原理如图20所示. 在矿井排风口处建设回风换热室，并在换热室侧边布置乏风换热器，将其通过防冻液管路与直冷式乏风热泵机组的蒸发器连接，防冻液提取回风中的热量流经蒸发器，蒸发器内的制冷剂吸收热量被气化流向压缩机，而降温后的防冻液重新回到乏风换热器. 热泵机组内，气化的制冷剂被压缩机压缩成高温高压气体，再经过冷凝器放热变成高压液体，放出的热量供给热用户，而高压液体经过膨胀阀后回到蒸发器，进入下一次热力循环. 该技术系统简单，取热效率高，乏风取热后温度可低至-15 ℃，相对传统技术取热量提高2倍以上[106-107].

图20 直冷式热泵技术原理Fig.20 Technical principles of the direct cooling heat pump

(3) 喷淋式表焓取热乏风热泵技术.

喷淋式表焓取热乏风热泵技术原理如图21所示. 该技术将淋水换热器布置在回风井口处，矿井回风在回风扩散塔内变为低速、稳定的风流，实现水滴与风流的充分接触，从而使风流中的热量传递给水. 换热后的水进入集水池，经过处理后送往热泵机组，而降温后的矿井回风排至大气. 热泵机组的运行原理与上述一致，通过压缩机做功，制冷剂在直冷式乏风热泵机组的蒸发器与冷凝器之间进行热量的传递，最终将热量供给热用户，并进入下一次热力循环. 该技术在提取热量的同时对矿井通风机的运行起到降噪作用，并且对矿井回风进行除尘，一定程度上避免了大气环境污染. 但是该技术系统投资成本较高，换热效率较低，且回风低于12 ℃时，在严寒地区设备稳定性较差. 此外，循环水体杂质过多，影响系统设备的长期稳定运行[106-107].

图21 喷淋式热泵技术原理Fig.21 Technical principles of the spray heat pump

3.3 围岩热能利用

由上述可知，矿井水和矿井回风热能的利用实际上属于矿山地热的间接利用. 相比于矿井水和矿井回风，巷道围岩内蕴含着更为丰富的热能，如果能对其热能直接提取，一方面可以实现深部矿产资源和清洁地热能资源的协同开发利用，另一方面围岩热能被不断提取，可以直接降低巷道围岩的散热量，达到对井巷降温的目的，这既是当前矿山地热利用的研究热点，也是未来的研究方向之一.

近年来，已经有学者对围岩热能直接利用进行研究，李孜军等[109]提出了一种矿井岩层地热能协同开采多物理场耦合模型，该技术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. 此外，近年来在地表浅层地热能的开采中，各种形式的地埋管换热器已经被广泛应用[110-111]，如图22是一种应用地埋管换热器提取围岩热能的系统图，通过在煤矿巷道围岩内钻孔，将地埋管换热器布置在巷道围岩内，并采用水或者有机质作为换热工质，将蕴藏在围岩中的热能提取至热泵机组，热泵机组提取高温工质中的热量用于热用户，并将降温后的低温工质重新送回地埋管换热器，继续提取围岩热能. 该方法能够直接高效的提取围岩热能，实现矿井巷道空间的有效利用，同时不影响煤炭资源的正常开采，提取的热量可以用于井口防冻、矿区洗浴供暖和建筑物供暖，有效减少一次性能源的消耗，有助于煤炭资源的绿色开采和可持续发展，一举多得. 基于此，一些研究将充填采矿与地热资源开采相结合，利用蓄热/储能功能性充填体提取地热的方法，通过在采空区充填体内布置地埋管换热器，提取围岩热能[112-115]，该方法既丰富了充填材料的功能属性，又拓展了矿井降温的新方法. Ghoreishi-Madiseh等[116]开展了回填矿场布置热交换管提取围压热能的数值和实验研究，证明该方法不仅可以在采矿工作期间使用，还可以在矿山关闭后继续运行.

图22 围岩热能提取系统图Fig.22 System of thermal energy extraction from surrounding rock

在此基础上，对于采光条件优良或风能充足的矿区，还可以考虑多种清洁能源协同利用，以实现矿区多源耦合供热模式. 例如图23是一种多种清洁能源协同利用系统图，通过地源热泵技术从矿井围岩中提取热能，并将热能用于热用户，采用风能发电和光伏发电/集热，生产的电能可以直接用于用户，也可以为水泵、热泵机组等供电，生产的热能则可以作为围岩热能的有效补充，整个系统的运行可以实现一次性能源的零排放，有助于煤炭资源绿色开采和可持续发展.

图23 多种清洁能源协同利用系统图Fig.23 System of coordinated utilization of various clean energy sources

4 结论

本文从矿山地热的致灾形式、热害防控技术和热能利用方法3个方面，对相关文献进行了归纳总结. 主要结论如下：

(1) 矿山地热的致灾形式有加剧煤岩体性质劣化、诱发支护结构失效和导致高温高湿环境3类，具体包括加剧围岩变形破坏、诱发吸附瓦斯溢出、降低锚杆锚固强度、加剧锚护材料腐蚀、损害工人身心健康、降低工人工作效率和增加机械设备故障率七方面.

(2) 热害控制技术有非人工降温技术和人工降温技术两种，其中非人工降温技术分为热源控制技术、热湿环境调控技术和个体防护技术3类；根据制冷工质不同，可以将热工制冷降温系统分成气冷式、冰冷式和水冷式3大类，包括压缩空气制冷降温、冰制冷降温、地面集中制冷降温、地面排热井下集中降温、回风排热井下集中降温、地面热电联产制冷降温和热害资源化利用等制冷系统.

(3) 目前矿山地热利用主要方式是通过提取矿井涌水和矿井回风中的热能用于井口防冻、洗浴供热和建筑物供暖，容易受到矿井条件等的限制.而通过地埋管等不同形式的换热器，直接提取井下巷道围岩中的热能，结合井上的风、光等清洁能源，实现矿区多源耦合供热模式是未来矿山地热利用发展的方向之一.