煤-热共采模式下矿井地热水开采及智能调度技术研究

李延河，万志军，于振子，张 源，张 波，甄 正，赵 东，师 鹏

（1.平顶山天安煤业股份有限公司，河南 平顶山 467009；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3.炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室，河南 平顶山 467009；4.平顶山天安煤业股份有限公司十矿，河南 平顶山 467009）

0 引言

随着我国长期对煤炭资源的高强度开采，东部矿井浅部煤炭资源逐渐枯竭，东部矿区煤炭深井开采成为常态[1-2]。然而，深井开采伴随的井下高温环境对矿工的身体健康、设备服役性能及寿命产生不利影响，严重制约着煤矿安全高效生产[3]。因此，深井热害治理已成为矿山向深部发展的关键科学难题[4-6]。

近年来，在我国“碳达峰、碳中和”的时代背景下，矿区治霾减排持续推进，太阳能、风能、地热能等清洁资源被大力开发[7-9]。华北型煤田区赋存了丰富的中深层水热型地热资源[10-11]，鉴于此，对矿区地热水资源进行综合开发利用，通过提取地热水中的热量用于矿区供暖、洗浴等，来代替部分燃煤锅炉，不仅能有效降低碳排放、减少雾霾污染，还能够提高资源利用率、改善井下高温环境，并推进矿山可持续发展与绿色低碳转型，具有显著的社会效益、经济效益和环境效益[11-14]。

目前，针对矿井地热水开发与利用已有部分学者进行了相关研究。万志军等[15-16]提出了煤-热共采的理念与技术框架，系统地介绍了矿井地热水开采各步骤的具体工艺与地热水利用的具体方法，并提出了根据地面用热情况对地热水开采进行智能调度和调峰出力。HALL 等[17]提出在冬季将矿井地热水提取热量进行供暖，夏季将热量传入回水中进行制冷的地热水利用方法。AL-HABAIBEH 等[18]通过地源热泵利用废弃矿井中的地热水进行供暖与制冷，并分析了该系统的长期利用效率。CHUDY 等[19]计算了废弃矿井中地热水蕴含的能量，以及开发地热水资源对减少碳排放的重要作用。VERHOEVEN等[20]构建了矿井地热水开采、利用、储能、通信等多系统可持续能源结构。BAO 等[21]通过分析基岩地质、采矿条件与能源储量，计算了利用矿井地热水产生的效益。王艳艳等[22]基于模糊综合权重法构建了地热水资源梯级开发利用模式评价体系。针对矿井输水自动控制系统，宫学东等[23]以PLC 作为控制核心设计了矿井疏水自动控制系统，采用传感器监测水泵、水仓等处状态，实现了自动控制、实时监控、系统保护等功能。徐卫峰等[24]为矿井疏水与自动控制系统设计了一键自动启停、多水仓水泵联合运行流程，并利用避峰就谷运行方式减少了系统能耗。

以上研究表明，合理开发利用矿井地热水资源具有显著效益。然而地面热负荷受到季节影响，一味大量开采会导致地热储层遭受破坏，降低地热井服务年限。基于此，本文提出了基于地面热负荷的矿井地热水开采智能调度技术，分析了矿区地热水开发潜力，介绍了地热水自适应开采方法，明确了矿井热冷负荷，设计了地热水生产系统，讨论了地热水开采工业性试验效果。

1 矿井地热资源评价

1.1 矿井概况

平煤十矿位于河南省平顶山市东部，距市中心约5 km。井田东西走向长4 km，南北倾斜宽5.13 km，井田面积20.52 km2。根据矿井资料，矿井位于地温异常区，其平均地温梯度为3.4 ℃/hm，局部地温梯度高达4.6 ℃/hm。同时，区域内碳酸盐岩发育广泛，赋存大量高压岩溶热水，温度长期稳定在50～52 ℃，从而加剧了工作面高温热害；且在煤层开采过程中，还易引发突水事故。

1.2 矿井地热水资源量及开发潜力评价

为了分析矿井地热水的开发潜力，利用热储体积法，对平煤十矿、平煤十二矿北侧与首山一矿西南侧矿区内的地热资源量进行估算。根据地质数据与地层资料，设置该区域热储面积为68.98 km2、厚度为200 m、水头高度为350 m，其他参数见表1。

表1 矿区地热水参数Table 1 Parameters of geothermal water in mining area

地热水资源量计算见式（1）。

式 中：ρw为水的密度，kg/m3；cw为水的比热容，J/（kg·℃）；A为计算区域地表面积，m2；D为计算深度，m；Tw为指定体积内水的平均温度，℃；Ts为基准温度，℃。

为分析地热水开发潜力，利用估算法计算该区域地热水静态可采量，见式（2）。

式中：Qs为地热资源静态可采量，J；Re为资源回采率，无量纲，取0.15。

利用最大允许沉降法计算动态可采量，见式（3）。

式中：QD为地热流体动态可开采量，m3/a；TD为导水系数，取7.3×105m2/a；J为计算区中心水位降深，取100 m；t为开采时间，取20 a；μ为热储释放系数，无量纲，取0.1；Rk为开采区半径，取3 000 m。

结合式（1）～式（3）可得：平煤十矿地区地热水蕴藏热能为7.63×1017J，折合标煤26.1 Mt；地热水资源静态可采量为1.14×1017J，折合标煤3.9 Mt；动态地热流体可采量为1.995 8×108m3/a，即2.95×1016J/a，每年折合标煤1.01 Mt。综上，平煤十矿地热水资源储量巨大，具有较高开发潜力。

2 矿井地热水开采与智能调度

2.1 矿井地热水开采方法

为合理开采地热水资源，保证资源合理利用，需根据矿井地质条件与矿井生产条件设计矿井地热水抽采方法，如图1 所示。

图1 矿井地热水开采与利用方法Fig.1 Mining and utilization method of geothermal water in mine

首先，通过前期探放水试验确定地热储层地热水分布“甜点区”，根据该区域划分抽采靶区。依托矿井现有巷道布置，在靶区范围内选择合适巷道作为抽采巷，沿该巷底板轴向向热储层钻多个地热水抽采井，形成地热井群系统。每个地热井建设完成后需要先进行封井，随后自地热井布置保温运输管道，经缓冲保温水仓后运输至地面，保温水仓应满足容纳水泵正常运行1～2 h 抽采的全部地热水量，并划分低水位、中水位、高水位、极限水位。采用两趟输水管路（一用一备），水仓设置三组水泵（一用一备一检修），以负压抽采方法抽水。提升到地面的地热水通过地面水源热泵装置进行换热，并根据地面各处需水量与热负荷合理分配冷热水。在整个抽采过程中需实时监测地热井水压与水温变化，防止水压下降太大导致巷道底板破坏，以及水温下降太快影响地热水资源的可持续利用。提升至地面的矿井热水在换热后用于矿井地面工业广场供暖、工人洗浴以及矿井防冻，最终结合水量需求制定地热水抽采方案。

2.2 矿井地热水智能调度技术

为保证地热井服务年限，提高供热效率，实现矿井地热水开采的智能调度，提出了基于地面热负荷的矿井地热水智能调度技术，该技术主要由负荷数据库与智能调度控制系统组成。

因地面热负荷量从每日至每年都呈现较为规律性变化，但实时的负荷变化传递到系统内具有滞后性，因此将每日的负荷数据集中建立负荷数据库，基于该数据库预先确定每时刻的地热水初始需水量，以此预防负荷量在昼夜或季节更迭时发生较大变化影响系统正常工作，在负荷偏离数据库时采用自适应开采技术进行调整。

地热水开采智能调度原理如图2 所示，具体为：水仓中地热水水位一般应处于低水位至高水位间，当负荷变动时，需水量产生变化，导致水仓中水位出现较大变动，为保证水仓水量维持正常范围，通过控制水泵、管路的启停使其满足当下负荷。当需水量大于单水泵供水量时，水仓内水位下降，在下降至中水位时，开启备用泵、备用管路协同工作，在水位到达极限水位时，停止备用泵与备用管路；当单水泵供水量满足需水量时，则单泵持续运行，当水仓水位达到高水位时水泵暂停运行，在水位到低水位时重启水泵供水。若出现最大供水量无法满足预计需水量，可通过提前向地面蓄水池蓄水维持正常工作。

图2 矿井地热水开采智能调度技术原理Fig.2 The principle of intelligent scheduling technology for mine geothermal water mining

依据技术原理，构思了矿井地热水自适应开采系统，其结构如图2 和图3 所示，主要以PLC 为控制核心，辅以各类型传感器采集信息数据。为保证系统初始运行，需在系统内输入初始热（冷）负荷，该数值主要根据供暖区域热（冷）负荷需求以及区域季节气候共同确定。同时，各类传感器实时采集目标区域气温、矿井地热水水温、水量、水压等参数，并建立相关数据库。然后将数据库中的数据输入到地面监控中心，以此计算区域热（冷）负荷需求以及供给端供热量等。此外，利用工业以太网将总需水量传输到井下PLC 控制中心，通过水仓处液位传感器、防爆摄像机监测水仓容量，水泵处压力、真空度、轴温、流量传感器判断水泵状态，结合需水量的变化确定开采方案，进而调整水泵、管路、地热井电动阀门来改变生产策略。需要注意的是，数据库中的各类自动更新和迭代，从而实现矿井地热水记忆抽采、实时控采、智能调控。

图3 地热水开采智能调度系统结构Fig.3 Geothermal water mining intelligent scheduling system structure

2.3 矿井地热水开采方案

2.3.1 矿井热负荷及需水量分析

为了准确地设计整套开采方案，需要结合矿井实际用热需求，对矿井热负荷进行精准计算。经现场调研分析，冬季矿井主要用热需求为地面17 万m2建筑采暖、井筒防冻与职工洗浴，其中，职工洗浴用水为地热水沉淀净化后直接利用，不需要考虑热负荷问题。

为了保证地热水开采的智能调度，采用度时数法思想[25]，根据室外实时温湿度、太阳辐射、室内目标温度等参数，精准计算实时供暖热负荷，则冬季矿区采暖负荷计算见式（4）。

式中：Qh为冬季矿区采暖负荷，W；K为外围护结构传热系数，W/（m2·℃）；S为外围护结构面积，m2；Tt为室内目标温度，℃；To为室外温度，℃；R为太阳辐射强度，W/m2；as为外表面太阳辐射吸收系数，无量纲；aw为外表面传热系数，W/（m2·℃）。

井筒防冻所需热负荷计算见式（5）。

式中：Qa为井筒防冻所需换热负荷，kW；α为热量损失系数，无量纲，取α=1.10；G为井筒进风量，m3/s；γ为空气容重，由γ=101 325/[287×（t+273.15）]计算，kg/m3；Cp为空气定压比热容，kJ/（kg·K），取1.005 kJ/（kg·K）；Ta为井口房冷热风混合温度，℃。

该地热水开采方法通过水源热泵利用矿井地热水进行换热，以上计算为热泵制热负荷，经热泵矿井地热水所提供的热负荷计算见式（6）。

式中：Qn为矿井地热水所提供的总热负荷，kW；COP为热泵制热工况的循环性能系数，取4。

根据式（6）计算出的矿井地热水热负荷，结合进回水温差可以得到实时的需水量，计算见式（7）。

式中：Gwp为需水量，t/h；Δtwp为矿井水进回水温差，℃；GS为矿井洗浴需水量。

经调研，平煤十矿目前南工业广场与北一工业广场为主要的需热地点，其建筑外围护结构传热系数K=19.8 W/（m2·℃）、外表面太阳辐射吸收系 数as=0.48、外表面传热系数aw=23.26 W/（m2·℃）、南工业广场外围护结构面积SS=25 000 m2、北一工业广场外围护结构面积SN=1 120 m2、室内目标温度Tt=18 ℃、井口房冷热风混合温度Ta=2 ℃。为便于计算，此处取冬季负荷最大时太阳辐射强度R=381.02 W/m2、T0=-3 ℃（平均最低气温）或-7 ℃（极端最低气温），进回水温差假设为Δt wp=25 ℃，根据式（4）～式（7）计算，其极限热负荷值与需水量见表2，根据智能调度技术思想可以利用以上公式计算每一时刻需水量从而实时调整生产方式。

表2 平煤十矿地热水利用热负荷与需水量Table 2 Heat load and water demand of geothermal water utilization in Pingdingshan No.10 Mine

2.3.2 地热水开采方案

根据平煤十矿前期的地质勘查与现有的技术条件，-890 m 水平的33190 工作面和33200 工作面为地热水开采“甜点区”，选择在这两个工作面的机巷底板巷打井开采地热水。

1）地热井位置及结构设计。地热井位置主要依据探放水实验选择在热储层富水区，33190/33200 机巷底板巷全长1 350 m，共设置10 个地热井，地热井之间间隔150 m，具体布置方案如图4 所示。根据热储位置设计地热井深150 m，采用二开结构，具体如图5 所示。其中，前20 m 利用孔口管进行固井，0～70 m 为一开，直径为127 mm，采用套管水泥环护井，70～150 m 为二开，直径为113 m，采用裸眼完井。

图5 地热井井深结构示意图Fig.5 Structure diagram of geothermal well depth

2）管网布置。根据矿井巷道、硐室布置与水泵提升能力，采用梯级接力提升方式，将地热水从地热井抽出后先提升至-870 m 水仓，后经-320 m 水仓，最后通过乘人斜井提升至地面。为降低地热水输送过程中的热损耗，降低热污染，选择玻璃棉+不锈钢板的管路保温结构，保温材料厚20 mm。

3）中转水仓、水泵及热泵机组。两处水仓主要作用为汇集地热水，并起到缓冲续存的作用。-870 m水仓断面积10 m2，水仓长64 m，-320 m 水仓断面积10 m2，水仓长92 m，两处水仓处均设置三组水泵（一备一用一检修）。地面设置高温离心式水源热泵机组（两用一备）。

3 地热水开采工业性试验及评价

3.1 地热水开采工业性试验

基于地热水开采方案进行工业性试验，对平煤十矿工业广场现有供暖系统进行升级改造，采用水源热泵系统进行换热，矿井地热水开采工业性试验布置如图6 所示。为保证系统使用寿命，矿井水从南副井出来后，先输送至矿井南净水厂的沉淀池中，再运输到热泵机组进行换热供暖与洗浴，换热后排至南工业广场净化水厂的石英砂处理车间中，再运往地面用水点进行利用，南工业广场供暖总体布置如图7 所示。

图6 矿井地热水开采工业性试验布置Fig.6 Industrial test layout of geothermal water mining in mine

图7 南工业广场供暖总体布置图Fig.7 Overall heating layout of south industrial square

为验证地热水开采合理性，在地面沉淀池出口处布置了温度监测装置，在33190 机巷底板巷地热井布置了水压监测装置，采集了2021 年与2022 年冬季地面热泵进口前水温与地热井口水压数据，结果如图8 所示。由图8（a）可知，受季节影响地面水温有一定波动，但总体均在42～46 ℃，仅需使用热泵机组提升5～10 ℃的热量就能满足需要，热泵效率高，能够满足矿区17 万m2供暖、全体员工洗浴与井口防冻；由图8（b）可知，地热井水压整体呈下降趋势，但变化较小，最终稳定在1.7 MPa 左右，证明抽采方案稳定可靠。

图8 地面水温与地热井水压监测图Fig.8 Monitoring diagram of surface water temperature and geothermal well water pressure

3.2 效益分析

1）经济效益。通过地热水进行矿区供暖与洗浴，实现了矿区17 万m2的冬季供暖，与当地传统燃煤供暖15 元/m2的成本相比，地热供暖系统运行成本仅3 元/m2，每年可节约203.5 万元；经处理的地热水可满足矿区7 000 余名职工每日洗浴用水，相较于锅炉加热洗浴用水每年平均可节约328.9 万元。

2）安全效益。通过对矿井井筒进行防冻措施，可防止低温天气下井筒淋水结冰导致的井筒提升能力下降与通风断面减小的问题，大幅提升矿井安全能力。

3）环境效益。通过利用地热水资源每年大约可减少燃煤10 327 t，可实现年减少CO2排放量2.69×104t，在碳排放交易市场中按平均60 元/t 的价格计算可实现的经济效益为161.4 万元。对于温室气体减排有良好的环境效益。

4）社会效益。开发矿井地热水资源，实现了资源的最大化利用，增加了绿色能源在能源结构中的占比，是积极响应“碳达峰、碳中和”国家能源发展战略的体现，对我国能源结构调整战略具有重要推动作用。

4 结论

1）平煤十矿地热资源量丰富，且开发潜力巨大。利用热储体积法对矿井地热水资源量进行了计算，结果显示，储层地热水蕴藏热能为7.63×1017J，折合标煤26.1 Mt。利用估算法及最大沉降法对地热水开发潜力进行了评价，结果显示，其静态可采量为1.14×1017J，折合标煤3.9 Mt，动态可采量为2.95×1016J/a，折合标煤每年1.01 Mt。

2）提出了矿井地热水开采与智能调度技术，计算了矿井工业广场热负荷，基于此，设计了地热水开采方案，减小了巷道底板突水风险，实现了矿井地热水的资源化利用。

3）现场进行了矿井地热水开采工业性试验，结果表明，地热水开采利用方案稳定可靠，可满足矿区17 万m2供暖与矿井全体职工洗浴的需求，可取得直接经济效益532.4 万元，间接经济效益161.4 万元，具有良好的安全效益、经济效益、社会效益与环境效益。