深部开采矿井地热能开发与热害协同防治技术

2022-11-05王文婕张淑含

煤炭与化工 2022年9期

王文婕，张淑含

（山东科技大学安全与环境工程学院，山东青岛 266590）

0 引言

煤炭是我国的主体能源，对我国能源发展具有重要作用。而我国中东部浅部煤炭资源开采殆尽，矿井开采正逐渐由浅层向深层转变。据统计，常温带以下岩层温度随深部以1.7～3.0 ℃/100 m 的梯度增加。现有深部开采矿井的原岩温度最高达37 ℃，矿井热害严重影响了井下作业人员的身体健康与作业效率，为减少矿井热害，需投入大量成本改善井下环境。而我国地热资源总量约占全球的7.9 %，可采储量相当于4 626.5 亿t 煤，不仅功能多、用途广，还具有可再生、绿色低碳等特点，近些年来我国对地热资源的开发利用在经济和环境效益中逐渐显示出了重要的作用，但是千米级的浅部地热资源开发利用较少，这使我国的地热资源未能开发完全而造成了浪费[1-2]。

经查阅资料发现，目前大部分利用冷水降温的煤矿在使用后直接将所得温水冷却后排放，并未利用其中的能量，即目前矿井巷道降温技术与采热技术属于两个相对独立的工程。经研究发现可利用热矿协同开采的模式，在实现巷道降温的同时达到地热开采的目的。

郭平业[3]等人将矿井用水通过排水系统输送井下热能至地面，在地面建立热能综合利用系统。王志骅[4]等人选择采取密闭疏导的方法排除井下高温水并加以利用。宋健[5]等人提出了一种矿产与地热资源协同开采模式。该模式以围岩温度为标尺，将地质资源类型分类，并对应开发不同的开采模式。

经上述研究可得，深部开采矿井地热能开发与热害防治协同化，热能开发与热害防治系统既能减轻矿下高温对生产生活的影响，又实现了对地热资源的利用，提高了经济效益，响应了国家政策，为地热开采技术提供了新思路，对深部矿井热害防治技术发展具有重要意义。

1 深部开采矿井地热能开发与热害协同防治技术研究

1.1 常见矿井热害防治技术

目前国内外矿井降温技术可分为非机械制冷降温技术、机械制冷水、冰降温技术等，主要利用热泵提取的方法进行矿井采热，以实现对地热资源的利用[6]。

1.1.1 矿井降温技术

（1）冷水降温。该降温技术是目前应用较为广泛的降温方法。矿井的降温技术主要分为井下集中式、地面集中式等，而井上集中式、井上井下联合集中式系统由于需要多次水压转换，在该转换过程中会产生较大地冷损耗，使得降温效率变低。该方法对适用环境和设备要求较高，虽不受井下空间限制且维修方便，有一定的成功经验，但其需要企业投入的成本较大。

（2）冷冰降温。地面的制冰厂首先制取不同形式的冷却冰，利用风力或水力输送至融冰设备，直接将其与井下空调回水接触而形成热交换，从而降低空调回水的温度。该系统制冷效率低，电机功率与冷负荷比仅为1∶2，由于输送到井下的冷却冰未形成闭环回路，冰冷损失大，在井底融冰池与回水交换过程中损失了大量冷量。

（3）冷风降温。增加冷风量可以实现矿井降温的目的，流过巷道的风量通过对流换热的形式带走热量。增加冷风量的方式较为经济，但当风量增加时风机消耗也会大幅增加。而且我国矿用空冷器的研发较慢，现有空冷器无法完全解决空冷器防尘问题，热交换效率不高[7]。

1.1.2 采热技术

矿井余热、废热热泵提取技术可通过热泵系统实现多种低温热能的回收以及再利用，对实现地下热源的利用有重大意义。

1.2 地热开发与热害协同防治方法

本文针对上述模式提出了一种可行的改善方案，即利用注水取热的地热开采方式，在巷道围岩及顶底板处钻井铺管，在管中注入冷水，使其与岩壁进行热传递，水温升高后再将其提升至地面，经过热泵和换热站的处理进行达到既定温度后再次利用，实现了对矿井的采热，同时，冷水与岩壁所进行的热交换可使矿井的围岩温度及巷道温度在一定程度上有所下降，实现了热害治理的目的。

1.3 技术方法与步骤

该方法通过地质勘探、钻孔施工、冷却塔的设立、换热站的设立、需冷量及采热量的计算、空冷机的布置、水的加工7 个步骤实现深部开采矿井地热能开发与热害协同防治，具体方法如下。

（1）地质勘探。对于要采取该方法的煤矿进行详细的地质勘探与考察，明确该煤矿的区域地质背景，查阅该煤矿所处的浅层地温资料，根据上述资料探测地温，确立降温方法的整体框架，预先计算测量出矿井内风流的各项热力学参数以及矿井的基本数据信息。利用上述数据建立矿井模型，并确定好开采参数。应根据不同煤矿的地质问题具体分析，确保可行性与安全性。

（2）钻孔施工。施工前确定好巷道的走向、采掘工作面的具体位置及巷道截面的各项尺寸，标注地面钻井与井下钻孔的具体位置，为施工做好准备。根据地质勘探所得的煤矿原始岩温、开采深度等数据确定钻孔在围岩中的具体位置，即钻孔与巷道支护的距离。确定距离后在巷道围岩处进行纵向注水管与纵向出水管的钻孔工作。在钻孔基本完成后，将所有取热平面上的纵向注水管与纵向出水管在巷道顶板处汇交相连，自主副井返回地面进行冷水循环。钻孔完成后应首先通过瓦斯监测装置监测矿井内原有瓦斯量，确保钻井与钻孔安全。若瓦斯含量较高，可先通过纵向注水管与纵向出水管对煤矿进行瓦斯首采，直至瓦斯含量达标为止。在巷道施工的同时，进行横向水管的施工，此做法可以缩短施工时间，确保施工完成后采煤和采热可以同时进行。横向水管的施工应根据煤层厚度由上到下依次进行各分层水平井的施工，纵向注水管与各分层水平井之间采用圆弧过渡，每分层水平井的长度、数量由开采矿井的巷道长度决定，分层数量K 按照下述方法进行确定。

①根据地质资料和实际钻探资料确定煤层的真厚度M；②构建力热耦合作用下煤体渗透率演化模型，结合煤层透气性系数λ，计算深部煤层自然解吸条件下瓦斯抽放半径R；③根据煤层真厚度M 和瓦斯抽放半径R 确定分层数量K；令K=M/2R，当K＜1 时，N 取1，当K＞1 时，N 取K的整数部分[8]；若同时注水与抽水的管理较大，可在水管连接处设置阀门，阀门的安装可以提高注水效率与控制注水管水量。技术工艺方法如图1～图3 所示。

图1 技术及装备组成示意Fig.1 Technical and equipment composition

图2 巷道中井下设备布置剖面Fig.2 Underground equipment layout profile in roadway

图3 取热管路布置剖面Fig.3 Layout section of heat pipe

在横向水管施工完成后，将纵向出水管与水泵相连，确保水温度达到可利用温度后可及时抽出。注意在取热水管的进出口处安装隔热保护与密封设备，以免烫伤工人和热量散失。在进出口处安装传感器，随时监控水流温度、流速及水质等，在水流达到可利用温度时将其抽出。水管材料应由导热性好的材料等制成，此做法可以在最大程度上进行热量传递。

（3）冷却塔的设立。技术允许的情况下可在矿井地面处设立冷却塔，冷却塔的出水口应与施工完成的纵向注水管相连，确保冷却水可直接流入注水管。冷却塔的作用为使常温的水经过一系列反应后达到降低温度的目的，使水的吸热效率增加，更好的提高对于矿井热害的治理效率以及加强对于地热资源的利用。

（4）换热站的设立。在横向水管中的第一水平管处设立集中换热站，将设立好的集中换热站与纵向出水口相连，使矿井的采热经换热站后抽出地面。

（5）需冷量及采热量的计算。根据不同矿井的具体参数确定需冷量和采热量，详细需冷量与采热量的计算方法可参考相关文献[9-11]。

（6）空冷机的布置。在横向与纵向水管均施工完成后，根据计算得到的需冷量与采热量，得到应使用的巷道内制冷机或空冷机数量及功率。根据矿井内具体的巷道走向情况、矿井通风情况及巷道内人员及煤炭运输路径等确定理论布置方式、方便布置方式以及折中布置方式中最适合矿井的高效布置方法。在空冷机布置完成后将注水取热与空冷机降温联合使用，从而试验降温的效果是否达到国家标准。若矿井内各处均达到国家规定的工作温度，则热害防治的目的实现；若矿井内温度仍不达标，则应适当加大空冷机功率及改善空冷机布置方式，直至矿井内温度达到工作标准。

（7）水的加工。自纵向出水管抽出的水温度不足以直接应用于日常生活之中，应经过电能的输送后才可以达到日常使用的温度。因此应使抽出的水经过热泵加热后输送至小区等需要应用热源的地区。此过程节约了日常用水处理的能量，简化了日常用水的加工工艺，提高了地热资源开采的效率，完成了矿井地热能的开发。

整体步骤实现了深部开采矿井地热能开发与热害协同防治的目的。

2 可行性及经济性分析

2.1 可行性分析

本文利用了冷水循环吸热的方式将深部矿井热害防治与地热资源的利用相结合以实现煤矿与热能的协同开采，将采热的方法进一步改进，使之可以在一定程度上达到降温的目的，使采热步骤为降温步骤提供辅助。该项技术既能在一定程度上降低矿井巷道温度，减少热害对工人健康的影响，提高煤矿开采效率，同时实现了对地热资源的开采与利用，且采出的热能在一定程度上弥补了企业对于热害防治方面投入的成本，减少了资金的投入。同时可以改善矿区环境，例如：张双楼煤矿主要供热地点为冬季井口防冻和建筑物供暖，全年洗浴供热。供热方式为燃煤锅炉，现有供热系统年耗煤量11 970 t，年排放二氧化碳约31 122 t，年排放二氧化硫98.3 t，年氮氧化物排放量约为83.9 t，年排放烟尘约16 t，需要进行对燃煤的供热系统改造，不仅降低了燃煤锅炉的运行费用，并且可以改善矿区环境，提高了员工生活水平。

综上所述，本文为煤矿矿井的深部开采提供了一种可行的方案，可建立小型实验基地或进行模拟实验继续探索该系统在大型矿井中的稳定性。

2.2 经济性分析

（1）使用冷水降温循环的方法使得巷道以及采掘工作面的温度降低，减少了空冷机的使用台数与使用电费。

（2）冷水循环后的水经泵提升至地面后，可通过换热器与热泵加热输送。作为日常生活用水的加工水原料，原始温度由环境温度提升至较高温度，节约了部分加工水资源的费用。本文提升至地面的水经加热后还可以引入井口解决冬季入风冻井的问题，节省了人工预热风源的能量消耗。还可以利用本文得到的水加热洗浴和生活用水，或将取得的热能用于井口防冻和井上建筑供暖。以上的热能利用方法均可以对开采出的地热资源做有效的利用。

（3）在矿井的煤炭开采结束后，可根据原有矿井钻孔布置采空区回填采热钻孔。将采空区进行导热材料回填，在采空区重新布置采热，使地热资源的利用还可以继续进行。回填材料可以运用导热性较好的材料来使得热导率升高，对采空导热回填区进行钻孔取热的方式使采热工作持续。回填区钻井可根据不同煤矿的地形、地质、断层的分布、矿井的开发方式等方面来制定最优的钻井方式。此做法使地热开采不仅仅局限于煤炭开采的过程中，并且适用于日后的地热能利用，在未来可继续创造经济价值。

由于本文的冷水循环系统需在巷道围岩处钻孔，根据工程具体布置可确定不同矿井地热层所需的取热平面K、矿井巷道长度L、钻孔半径R 以及水管材料费，将上式计算得到的材料费用与施工的工程费相加，即可得到本文增加的工程投入。