平煤股份八礦地熱水綜合利用研究與應用

王中偉,汪國華,李白鶴,李金龍

(平頂山平煤設計院有限公司， 河南 平頂山市 467000)

1 概 述

平煤股份八礦部分采掘工作面水壓在4 MPa以上、放水孔溫度高達52℃、環境溫度超過33℃，屬高水壓和地溫異常高的地區。隨著開采深度的增加，高水壓和高溫度的威脅將越來越大。較高的采掘工作面水壓嚴重威脅著礦井的安全生產，異常高的環境溫度既影響工人的身心健康和勞動效率，也增加煤炭開采的成本。

另外，地熱作為一種寶貴、潔凈和‘可再生’的資源，目前廣泛應用于取暖、礦泉水生產、發電、養殖、種植、浴療、印染等行業，其綜合開發利用符合“節約能源、降低消耗、控制污染、減少排放”的政策綱領，對于促進礦井持續、和諧、健康發展具有重要意義。

1 礦井概況

1.1 生產概況

平煤股份八礦始建于1966年，1984年全面建成投產，原設計生產能力3.0 Mt/a，2011年核定生產能力3.6 Mt/a。2014年進行二水平初步設計修改，設計生產能力4.0 Mt/a，可采資源量為101.57 Mt，儲量備用系數取1.3，服務年限20 a。

礦井為立井多水平開拓方式，一水平標高-430 m，二水平標高-693 m。

目前礦井生產區域由一水平正逐步向二水平過渡。二水平各煤組開采標高為：丁組-470～-550 m，戊組-500～-720 m，己組-600～-910 m。

1.2 地溫梯度和地溫

(1) 地溫梯度。礦區恒溫帶深度為25 m，溫度17.2℃。根據恒溫帶深度、實測數據，推算礦區平均地溫梯度3.9℃/100m。

(2) 地溫。根據總體生產布局及接替，八礦將逐步進入二水平，二水平開采標高-470～-910 m，埋深550～1000 m，根據地溫梯度推算地溫38℃～55℃，屬二級熱害區。

2 井下熱水綜合利用方案

2.1 方案概述

首先，根據生產區域及地溫情況，通過物探選擇熱水利用工程實施區域；其次，根據物探結果，結合圍巖滲透系數、水頭標高等因素布置地熱井，將地熱水導出；最后選擇合適位置建立熱水倉、泵房及輸水井，將地熱水排至地面，地面建立儲水池及排水管路，供地面洗浴、餐飲、冬季采暖等用水。

2.2 熱水利用工程實施區域的選擇

根據生產區域及地溫情況，選擇在-693 m西大巷進行熱水利用工程，為探明己組西大巷煤層底板80～150 m范圍內寒武灰巖的賦水性情況，劃分貧、富水區域，采用瞬變電磁法[1]和直流充電法[2]兩種探測技術，自西7點開始由東往西探測，探測長度2320 m，瞬變電磁測探點距10 m，共完成物理點數為295個；直流充電法測探點距60～140 m，共完成37站260個物理點。

探測結果：富水區域位于西7點往西140～210 m、330～385 m、505～588 m、690～760 m、815～865 m、1300～1400 m和1998～2060 m段；其它區域賦水性相對較弱。

2.3 地熱井布置

(1) 地熱井位置及個數[3]。根據探測情況，在-693 m西大巷2900 m范圍內布置4眼地熱井，其位置為西7點往西160，560，1320，2010 m處。具體位置如圖1所示。

(2) 地熱井結構[4]。井深280 m，開口直徑216 mm，揭穿太原組薄層灰巖、砂巖、砂質泥巖和煤層互層(平均83 m)，并進入寒武系灰巖5 m(井深88 m處)后變徑為152 mm，沿寒武系灰巖鉆進112 m(井深200 m處)后變徑為110 mm，沿寒武系灰巖繼續鉆進約80 m(井深280 m處)，待見寒武系中統徐莊組中部的灰和深灰色層狀泥質條帶白云質灰巖以及鮞狀白云質灰巖與黃綠色砂質泥巖互層終止鉆進。為防止因煤層開采導致巖層變形而破壞地熱井，地熱井在太原組巖層下套管，套管直徑為177.8 mm，地熱井結構如圖2所示。

圖1地熱井平面位置

圖2 地熱井結構

2.4 輸水井

2.4.1 輸水井位置的選擇

輸水井的位置選擇考慮的主要因素為：

(1) 地面場地盡量開闊平整，有利于管路布置及施工；

(2) 場地內沒有高壓線等有礙安全的建筑物或構筑物；

(3) 落底以后便于與泵房的連接，且不應施工影響西大巷的安全與穩定；

(4) 應盡量避開受采動影響的區域。

根據上述主要因素，經實地調研，輸水井選在八礦綠化隊院內，坐標為X=37075，Y=46110，Z=+137。如圖3所示。

2.4.2 輸水井結構

輸水井深度840 m，井壁結構采用雙層管結構，外層為護壁管，內層為輸水管，管外全井段水泥封固。其主要特征見表1。

圖3 輸水方案

名稱深度/m直徑/mm材質輸水井0～60(表土段)Φ80060～840(基巖段)Φ600護壁管0～60(表土段)Φ700×10雙螺旋鋼管60～840(基巖段)Φ426×14雙螺旋鋼管輸水管0～840Φ325×16無縫鋼管

2.5 水倉、水泵房及變電所[5]

2.5.1 水倉及水泵房位置的選擇

根據經驗資料，考慮鉆孔影響半徑約20 m，泵房距離鉆孔中心20 m，結合地熱井布置位置，考慮到管路布置及其消耗量，將水泵房及水倉布置在輸水井西側。具體位置如圖3所示。

2.5.2 水倉及水泵房布置

(1) 水倉容積及布置形式。該水倉主要儲存熱水，考慮水倉保溫、水倉清理及地面供水范圍及水量，為節約工程量，布置一條水倉，容積按600 m3。如圖3所示。

(2) 斷面及支護方式。水倉采用半圓拱斷面，凈寬×凈高=3.0 m×2.5 m，長度92 m，采用錨網噴+砌碹支護方式；泵房采用半圓拱斷面，凈寬×凈高=5.4 m×5.7 m，長度21 m，采用錨網索噴支護方式；變電所采用半圓拱斷面，凈寬×凈高=5.4 m×4.2 m，長度18 m，采用錨網索噴支護方式。

2.6 輸水設備選型及供配電

2.6.1 輸水設備選型

選用MD420-93×10型煤礦用耐磨多級離心泵2臺，額定流量420 m3/h，吸程5.5 m，額定揚程930 m。

2.6.2 供配電

電源：在水泵房附近新建一個泵房變電所，電源引自八礦二水平中央變電所。

電壓等級：高壓采用6 kV、低壓采用1140/660 V、照明及手持式用電設備采用127 V供電。

為實現井下熱水利用系統排水自動化，設置排水泵站綜合自動化控制系統。在排水泵的出口管路安裝有電動閘閥，總出水管路上安裝壓力與流量傳感器。水倉設液位計連續測量水倉水位，作為自動調節的參考反饋量。

排水泵站綜合自動化控制系統采用防爆PLC控制，能根據井下水倉水位自動起停水泵，工作泵故障時，備用水泵自動投入。同時，該系統能通過通訊接口與八礦現礦井綜合自動化系統相連，以實現水泵運行參數上傳和遠程控制。

3 效益分析

3.1 投資概算

工程總投資1943.12萬元。其中：礦建工程360.34萬元；土建工程62.14萬元；設備及工器具購置289.31萬元；安裝工程157.49萬元；其他費用66.28萬元；預備費37.42萬元；輸水井鉆井工程造價970.14萬元。

3.2 效益分析

(1) 經濟效益。實驗表明，該區域單孔地熱井可采地熱水量為30.60 m3/h，本次共布置4眼280 m深度的地熱井，合計可采地熱水量2937.6 m3/d，預測地熱水溫度為38℃～55℃，每年可節約資金或增加收入1009.31萬元，在地熱井服務20年內可節約資金或增加收入20186.13萬元。

(2) 社會效益。地熱水利用后，使礦區擺脫了燃煤鍋爐供暖，保護了礦區環境，每年可減少因燃煤而排放的粉塵約115.38 t、SO2約999.96 t、CO約435.88 t、NO2約76.92 t、煤灰渣約6153.6 t。

4 結 論

(1) 由于己組底板灰巖水壓力高、水量大，礦井采掘活動受到威脅，通過該項目的實施，地熱水既得到綜合利用，又起到疏水降壓的作用，一舉多得。

(2) 該項目能實現全自動遠程控制，維護、維修工作量很小，可降低工人勞動強度，減少人力資源投入。

(3) 通過工程實驗表明，利用地熱水每年可節約資金或增加收入1009.31萬元，減少因燃煤而排放的粉塵約115.38 t，SO2約999.96 t，CO約435.88 t，NO2約76.92 t,煤灰渣約6153.6 t,取得了良好的經濟和社會效益。

參考文獻：

[1]DZ/T 0187-1997.地面瞬變電磁法技術規程[S].

[2]地質礦產部.DZ/T 0186-1997.直流充電法技術規程[S].

[3]DZ/T 0260-2014.地熱鉆探技術規程[S].

[4]張建中.地熱井成井井身結構優化設計分析[C]. 中國科技縱橫[A].北京：中國科技縱橫出版社，2014.

[5]張榮立，何國緯，李 鐸，等.采礦工程設計手冊(中、下冊)[M].北京：煤炭工業出版社，2003.