深井熱資源的利用研究

摘 要：隨著礦井開采向深部的延深，深井熱資源將會越來越豐富。文章闡述了深井熱資源的形成原因，并將主要的深井熱資源進行了詳細的分類，并給出了合理的利用方法。一方面使得深井熱資源得到了利用，另一方面也減少了深井熱資源對礦井安全生產及人員健康的影響，實現礦井和諧健康發展。

關鍵詞：地熱；安全生產；人員健康

隨著采礦工業的發展，礦井逐年向深部延伸，地溫也隨之上升。根據我國目前地溫觀測統計資料，每延伸100m，地溫將上升（1.8～4.4）℃，隨著的深井熱資源也越來越豐富，如何合理地利用深井熱資源是目前國內外亟需解決的難題，隨著礦井向深部的延深，深井熱必然影響到深部礦井采掘工作面的安全開采。因此，從能源利用和安全生產的角度來講，合理的利用深井熱資源都是現階段及未來亟需考慮的問題。深井熱資源主要為地下熱水、巖層地熱以及其他組成熱源組成[1]。

1 深井熱資源的成因

深井熱資源的成因概括起來可以分為天然因素和人為因素，其中天然因素起著關鍵性的作用。

1.1 天然因素[2]

天然因素是指地球表面和內部原來所具有的，而不是由于人類的生產活動所產生的，這就是地表氣溫和地溫，而地下熱水屬于地溫的范疇。從天然因素而言，后者起著關鍵性的作用。

1.1.1 地表氣溫

礦井進風風流的溫度是由礦井所在地的氣候和氣象條件決定的，也是由礦井所在地的地理條件決定的。四季周期性的變化，也將影響到礦井進風風流的溫度，礦井內風流的溫度也將呈現周期性的變化。在夏季，如果氣溫高于巖溫，巖壁從空氣中吸熱而升溫，反之，在冬季則巖壁向空氣散熱而降溫。巖壁中隨著地表氣溫周期性變化而發生溫度變化的部分，稱之為“調熱圈”。調熱圈對井下氣溫起著調節作用。它的厚度在進風風流的始端最厚，隨著井巷的延伸逐漸變薄，以至完全消失。過了調熱圈消失點以后，井下氣溫也就不再受到地表周期性變化的影響。

1.1.2 地溫[3]

地球是一個龐大的熱庫，儲藏著無窮無盡的熱能，并且不斷地把熱量由上部地殼傳導散發到空間，同時又接受太陽的輻射熱量。地溫帶從淺至深可以分為變溫帶、恒溫帶及增溫帶。

由于增溫帶是隨著深度的增加而地溫升高，深井內的熱資源也就越豐富。隨著地溫的升高，也使礦井內的風流上升，而形成深井熱害。礦床地質勘探時，測定原始巖溫、恒溫帶的深度和溫度、地溫梯度以及巖石熱導率等原始數據對于地熱資源的研究至關重要，同時也為深井熱害的治理提供了有力的理論基礎和技術支撐。

1.1.3 地下熱水

大氣降水滲入地下，在一定的地質條件下，因受地球內部熱能的影響而形成溫度不同的地下熱水，故地下熱水也屬于地溫的范疇。但是因其是與巖石導熱完全不同的特殊載體，因此單獨予以闡述。在水平或傾斜較緩的含水層，地熱熱水的運動具有較小的滲透速度，一般與圍巖處于相對平衡狀態，在這種情況下形成地殼的正常水熱運動，形成一定的地熱資源；而當地下熱水沿傾角陡峭的裂隙或斷層上升時，多數情況下都具有很大的運動速度。由于水溫來不及適應遠距離圍巖的溫度，因此形成局部地熱異常帶，形成豐富的地熱資源。如沿斷裂及構造破碎帶上涌至地表，則形成溫泉，但是有時也能涌入礦井，而形成深井熱害。熱水在流動的過程中，將熱量傳遞給周圍的巖石使地溫增加，形成豐富的深井熱資源[4]。

1.2 人為因素

人為因素只要是由于人類生產活動而產生的，也就是礦床經建設和開采以后在礦井中產生的熱資源。這些熱資源主要有：機電設備生熱、空氣受壓縮放熱、頂板巖石下沉及采落礦巖散熱、氧化放熱、混凝土水化作用放熱、鑿巖爆破生熱以及人體散熱等，這些都是因為人為因素而形成的熱資源，這些熱資源具有很強的不確定性，分布不集中，如果處理不好，也會形成深井熱害，以致嚴重威脅礦井的安全生產。

2 深井熱資源的利用

2.1 地下熱水的利用

深井地下熱水，既是造成深井熱害，威脅礦井安全生產和人員身心健康的熱源，又是可以利用的寶貴的熱資源。這種熱資源，可以作為能源，為廣大工農業生產和社會福利事業所利用，又可作為生活用水、飲用水和醫療用水的水源[5]。

2.2 地熱的利用

當前利用地熱主要是利用廢舊巷道或采空區（應有一定長度）作為冬季礦井的進風道，使進風流在其中進行充分的熱交換，提高進風溫度，防止井筒和巷道的冰凍。

在我國北方許多礦區冬季地面氣溫很低，在進風風筒和巷道內，當其圍巖壁面有水時，就會出現冰凍現象，致使通風斷面減小，風阻增大，礦井通風條件惡化。冰凍嚴重時，還會造成卡罐、墜罐、落冰傷人和風、水管道凍裂等事故，給運輸、提升裝置的正常運行帶來困難，威脅礦井安全生產，影響人員的身心健康，降低勞動生產率。

利用地溫預熱進風溫度，可以省去鍋爐蒸汽預熱的基本建設工程和設備的投資，節省鍋爐用煤，安全可靠，易于管理。根據礦井地溫預熱礦井進風流的經驗可概括為以下幾點：

（1）對現有礦井事先應該對廢舊巷道井巷和采空區切實調查清楚。為了更好地利用地熱，盡可能選用干燥、巖石穩固、所處位置較深、沒有積水的巷道做預熱巷道，還要清除其中的雜物、廢石，進行必要的維修。

（2）利用地溫預熱的礦井，其總風量應比礦井正常通風量大15%～20%，預熱后的熱空氣除供井下使用外，其余熱空氣送至提升井口，防止井筒凍結。

（3）利用地熱預熱礦井進風流的調熱巷道，應盡量采用多分支并聯巷道網絡或大斷面的巷道。通過上述這種方式，可以減少通風阻力，降低風速，從而達到節約礦井扇風機的能耗，增加空氣與圍巖壁面的熱交換面積和效果，減少高速氣流吹揚巖壁粉塵，污染礦井風流。

（4）為了克服預熱巷道網的通風阻力，當礦井主要扇風機能力有限，不能平衡由于調熱巷道而增加的阻力時，一般可在井下安設輔扇，輔扇的風量和風壓應作選型計算；如果用多臺并聯在不同分支巷道中的輔扇，還應注意它們聯合運轉的合理性。務必使之在預熱巷道網絡中不出現循環風流以及不出現風量損失。當全礦主扇能力有足夠的備用量時，也可采用主扇來克服預熱巷道網的阻力。

（5）提升井口房應當密閉和保溫，防止熱量的擴散，以防達不到良好的預熱效果[6]。

（6）對于新建礦井，由于地熱資源還不能利用，初期開采用臨時措施，如鍋爐蒸汽預熱，等到出現溫度較高的廢棄巷道可資利用時，再實行地溫預熱。

（7）如果尚未掘到溫度較高的深部巷道時，需要利用接近地面的調熱巷道，地溫較低，尤其是經過冬季通風冷卻，巷道附近巖體散失大量熱量，為了保持巷道預熱效果，應當在炎熱的夏季繼續通風，利用夏季地表的高溫氣體，使巷道附近的巖體溫度較快地回升，秋季加以封閉，把熱量貯存在巷道內，待冬季啟封后，即可再次利用[7]。

（8）如果是具有地下熱水的礦井，也可在接近地表的調熱巷道內設置熱水的散熱器，使預熱巷道內的溫度升高，以達到能保證礦井進風流的冷、熱風混合處的溫度保持在2℃以上。散熱器的多少，依據地下熱水的溫度高低來決定。

（9）就淺層地熱而言，淺層地熱能的利用，主要是通過熱泵技術的熱交換方式，將賦存于地層中的低位熱源轉化為可以利用的高位熱源，既可以供熱，又可以制冷。目前淺層地熱能的可經濟利用的深度一般小于200m[8]。

（10）對于深層地熱而言，采用“熱-電-冷”聯合運行，實現能源的可持續發展，即將熱能轉化為電能，進而提供冷源。

2.3 人為因素產生的熱資源利用

人為因素產生的熱資源，從消極的角度來說，應該屬于熱害的范疇，這部分熱資源應該盡量采用各種各樣的方式消除，目前這部分資源利用的方法尚在研究階段，有待進一步研究和開發利用。

3 結束語

為了更好的進行深井熱資源研究與利用，建議以下幾點。

（1）深井熱資源在冬季利用的方式已經相當成熟，但是夏季地熱資源的利用方法尚在初級階段，有待進一步進行這方面的重點研究工作[9]。

（2）人為因素中的深井熱資源利用方法，引起分布范圍廣，有待進一步做深入的研究。

（3）深井熱資源主要為地熱和地下熱水資源。在以后的深井熱資源的研究工作中，科研機構及礦山企業應重點進行這方面的研究工作。

（4）加強國家性的深井熱資源實驗室的建設。利用實驗室的條件，完善現有的基礎資料及經驗數據的取得，為合理為礦山提供合理的深井熱資源利用方式和裝備。

（5）加強深井熱資源利用研究人員的培養。

參考文獻

[1]煤炭工業部.煤礦安全規程[S].北京：煤炭工業出版社，2011.

[2]張國樞.通風安全學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2000.

[3]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]Grumman DJ， Butkus AS. The ice storage option. ASHRAE J， Vol.1， 29-33， 1998.

[5]Horibe，A.； Inaba， H.； Haruki， N.： 2001， Melting heat transfer of flowing ice slurry in a pipe， in：S. Fukusako （Ed.）， 4th Workshop on ice slurries， Osaka， Japan， pp.145-152，2001.

[6]Roy， S.K.； Avanic， B.L.： Turbulent heat transfer with phase change suspensions， Int. J.Heat Mass Transfer 44， pp.2277-2285， 2001.

[7]Ben Lakhdar， M.A.； Guilpart， J.； Lallemand， A.： Experimental study and calculation method of heat transfer coefficient when using ice slurries as secondary refrigerant， Heat and Technology 17，no.2， pp.49-55，1999.

[8]Stamatiou， E.； Kawaji， M.； Goldstein， V.： Ice fraction measurements in ice slurry flow through a vertical rectangular channel heated from one side， Proceedings of the Fifth IIR Workshop on Ice Slurries， Stockholm， Sweden， May 30-31，2002.

[9]Kawaji， M.； Stamatiou， E.； Hong， R.； Goldstein， V.： Ice slurry flow and heat transfer characteristics in vertical rectangular channels and simulation of mixing in a storage tank， Proceedings of the 4th IIR Workshop on Ice Slurries， Osaka， Japan，2001.

作者簡介：李虎虎（1985-），男，山西呂梁，本科學歷，2004年畢業于山西煤炭職業技術學院，現在山東能源淄礦集團正通煤業公司高家堡礦井通防管理部工作，主要從事礦井降溫、礦井瓦斯治理以及礦井防滅火等工作。