深部開采礦井地熱能開發與熱害協同防治技術

王文婕，張淑含

（山東科技大學 安全與環境工程學院，山東 青島 266590）

0 引 言

煤炭是我國的主體能源，對我國能源發展具有重要作用。而我國中東部淺部煤炭資源開采殆盡，礦井開采正逐漸由淺層向深層轉變。據統計，常溫帶以下巖層溫度隨深部以1.7～3.0 ℃/100 m 的梯度增加。現有深部開采礦井的原巖溫度最高達37 ℃，礦井熱害嚴重影響了井下作業人員的身體健康與作業效率，為減少礦井熱害，需投入大量成本改善井下環境。而我國地熱資源總量約占全球的7.9 %，可采儲量相當于4 626.5 億t 煤，不僅功能多、用途廣，還具有可再生、綠色低碳等特點，近些年來我國對地熱資源的開發利用在經濟和環境效益中逐漸顯示出了重要的作用，但是千米級的淺部地熱資源開發利用較少，這使我國的地熱資源未能開發完全而造成了浪費[1-2]。

經查閱資料發現，目前大部分利用冷水降溫的煤礦在使用后直接將所得溫水冷卻后排放，并未利用其中的能量，即目前礦井巷道降溫技術與采熱技術屬于兩個相對獨立的工程。經研究發現可利用熱礦協同開采的模式，在實現巷道降溫的同時達到地熱開采的目的。

郭平業[3]等人將礦井用水通過排水系統輸送井下熱能至地面，在地面建立熱能綜合利用系統。王志驊[4]等人選擇采取密閉疏導的方法排除井下高溫水并加以利用。宋健[5]等人提出了一種礦產與地熱資源協同開采模式。該模式以圍巖溫度為標尺，將地質資源類型分類，并對應開發不同的開采模式。

經上述研究可得，深部開采礦井地熱能開發與熱害防治協同化，熱能開發與熱害防治系統既能減輕礦下高溫對生產生活的影響，又實現了對地熱資源的利用，提高了經濟效益，響應了國家政策，為地熱開采技術提供了新思路，對深部礦井熱害防治技術發展具有重要意義。

1 深部開采礦井地熱能開發與熱害協同防治技術研究

1.1 常見礦井熱害防治技術

目前國內外礦井降溫技術可分為非機械制冷降溫技術、機械制冷水、冰降溫技術等，主要利用熱泵提取的方法進行礦井采熱，以實現對地熱資源的利用[6]。

1.1.1 礦井降溫技術

（1）冷水降溫。該降溫技術是目前應用較為廣泛的降溫方法。礦井的降溫技術主要分為井下集中式、地面集中式等，而井上集中式、井上井下聯合集中式系統由于需要多次水壓轉換，在該轉換過程中會產生較大地冷損耗，使得降溫效率變低。該方法對適用環境和設備要求較高，雖不受井下空間限制且維修方便，有一定的成功經驗，但其需要企業投入的成本較大。

（2）冷冰降溫。地面的制冰廠首先制取不同形式的冷卻冰，利用風力或水力輸送至融冰設備，直接將其與井下空調回水接觸而形成熱交換，從而降低空調回水的溫度。該系統制冷效率低，電機功率與冷負荷比僅為1∶2，由于輸送到井下的冷卻冰未形成閉環回路，冰冷損失大，在井底融冰池與回水交換過程中損失了大量冷量。

（3）冷風降溫。增加冷風量可以實現礦井降溫的目的，流過巷道的風量通過對流換熱的形式帶走熱量。增加冷風量的方式較為經濟，但當風量增加時風機消耗也會大幅增加。而且我國礦用空冷器的研發較慢，現有空冷器無法完全解決空冷器防塵問題，熱交換效率不高[7]。

1.1.2 采熱技術

礦井余熱、廢熱熱泵提取技術可通過熱泵系統實現多種低溫熱能的回收以及再利用，對實現地下熱源的利用有重大意義。

1.2 地熱開發與熱害協同防治方法

本文針對上述模式提出了一種可行的改善方案，即利用注水取熱的地熱開采方式，在巷道圍巖及頂底板處鉆井鋪管，在管中注入冷水，使其與巖壁進行熱傳遞，水溫升高后再將其提升至地面，經過熱泵和換熱站的處理進行達到既定溫度后再次利用，實現了對礦井的采熱，同時，冷水與巖壁所進行的熱交換可使礦井的圍巖溫度及巷道溫度在一定程度上有所下降，實現了熱害治理的目的。

1.3 技術方法與步驟

該方法通過地質勘探、鉆孔施工、冷卻塔的設立、換熱站的設立、需冷量及采熱量的計算、空冷機的布置、水的加工7 個步驟實現深部開采礦井地熱能開發與熱害協同防治，具體方法如下。

（1）地質勘探。對于要采取該方法的煤礦進行詳細的地質勘探與考察，明確該煤礦的區域地質背景，查閱該煤礦所處的淺層地溫資料，根據上述資料探測地溫，確立降溫方法的整體框架，預先計算測量出礦井內風流的各項熱力學參數以及礦井的基本數據信息。利用上述數據建立礦井模型，并確定好開采參數。應根據不同煤礦的地質問題具體分析，確保可行性與安全性。

（2）鉆孔施工。施工前確定好巷道的走向、采掘工作面的具體位置及巷道截面的各項尺寸，標注地面鉆井與井下鉆孔的具體位置，為施工做好準備。根據地質勘探所得的煤礦原始巖溫、開采深度等數據確定鉆孔在圍巖中的具體位置，即鉆孔與巷道支護的距離。確定距離后在巷道圍巖處進行縱向注水管與縱向出水管的鉆孔工作。在鉆孔基本完成后，將所有取熱平面上的縱向注水管與縱向出水管在巷道頂板處匯交相連，自主副井返回地面進行冷水循環。鉆孔完成后應首先通過瓦斯監測裝置監測礦井內原有瓦斯量，確保鉆井與鉆孔安全。若瓦斯含量較高，可先通過縱向注水管與縱向出水管對煤礦進行瓦斯首采，直至瓦斯含量達標為止。在巷道施工的同時，進行橫向水管的施工，此做法可以縮短施工時間，確保施工完成后采煤和采熱可以同時進行。橫向水管的施工應根據煤層厚度由上到下依次進行各分層水平井的施工，縱向注水管與各分層水平井之間采用圓弧過渡，每分層水平井的長度、數量由開采礦井的巷道長度決定，分層數量K 按照下述方法進行確定。

①根據地質資料和實際鉆探資料確定煤層的真厚度M；②構建力熱耦合作用下煤體滲透率演化模型，結合煤層透氣性系數λ，計算深部煤層自然解吸條件下瓦斯抽放半徑R；③根據煤層真厚度M 和瓦斯抽放半徑R 確定分層數量K；令K=M/2R，當K＜1 時，N 取1，當K＞1 時，N 取K的整數部分[8]；若同時注水與抽水的管理較大，可在水管連接處設置閥門，閥門的安裝可以提高注水效率與控制注水管水量。技術工藝方法如圖1～圖3 所示。

圖1 技術及裝備組成示意Fig.1 Technical and equipment composition

圖2 巷道中井下設備布置剖面Fig.2 Underground equipment layout profile in roadway

圖3 取熱管路布置剖面Fig.3 Layout section of heat pipe

在橫向水管施工完成后，將縱向出水管與水泵相連，確保水溫度達到可利用溫度后可及時抽出。注意在取熱水管的進出口處安裝隔熱保護與密封設備，以免燙傷工人和熱量散失。在進出口處安裝傳感器，隨時監控水流溫度、流速及水質等，在水流達到可利用溫度時將其抽出。水管材料應由導熱性好的材料等制成，此做法可以在最大程度上進行熱量傳遞。

（3）冷卻塔的設立。技術允許的情況下可在礦井地面處設立冷卻塔，冷卻塔的出水口應與施工完成的縱向注水管相連，確保冷卻水可直接流入注水管。冷卻塔的作用為使常溫的水經過一系列反應后達到降低溫度的目的，使水的吸熱效率增加，更好的提高對于礦井熱害的治理效率以及加強對于地熱資源的利用。

（4）換熱站的設立。在橫向水管中的第一水平管處設立集中換熱站，將設立好的集中換熱站與縱向出水口相連，使礦井的采熱經換熱站后抽出地面。

（5）需冷量及采熱量的計算。根據不同礦井的具體參數確定需冷量和采熱量，詳細需冷量與采熱量的計算方法可參考相關文獻[9-11]。

（6）空冷機的布置。在橫向與縱向水管均施工完成后，根據計算得到的需冷量與采熱量，得到應使用的巷道內制冷機或空冷機數量及功率。根據礦井內具體的巷道走向情況、礦井通風情況及巷道內人員及煤炭運輸路徑等確定理論布置方式、方便布置方式以及折中布置方式中最適合礦井的高效布置方法。在空冷機布置完成后將注水取熱與空冷機降溫聯合使用，從而試驗降溫的效果是否達到國家標準。若礦井內各處均達到國家規定的工作溫度，則熱害防治的目的實現；若礦井內溫度仍不達標，則應適當加大空冷機功率及改善空冷機布置方式，直至礦井內溫度達到工作標準。

（7）水的加工。自縱向出水管抽出的水溫度不足以直接應用于日常生活之中，應經過電能的輸送后才可以達到日常使用的溫度。因此應使抽出的水經過熱泵加熱后輸送至小區等需要應用熱源的地區。此過程節約了日常用水處理的能量，簡化了日常用水的加工工藝，提高了地熱資源開采的效率，完成了礦井地熱能的開發。

整體步驟實現了深部開采礦井地熱能開發與熱害協同防治的目的。

2 可行性及經濟性分析

2.1 可行性分析

本文利用了冷水循環吸熱的方式將深部礦井熱害防治與地熱資源的利用相結合以實現煤礦與熱能的協同開采，將采熱的方法進一步改進，使之可以在一定程度上達到降溫的目的，使采熱步驟為降溫步驟提供輔助。該項技術既能在一定程度上降低礦井巷道溫度，減少熱害對工人健康的影響，提高煤礦開采效率，同時實現了對地熱資源的開采與利用，且采出的熱能在一定程度上彌補了企業對于熱害防治方面投入的成本，減少了資金的投入。同時可以改善礦區環境，例如：張雙樓煤礦主要供熱地點為冬季井口防凍和建筑物供暖，全年洗浴供熱。供熱方式為燃煤鍋爐，現有供熱系統年耗煤量11 970 t，年排放二氧化碳約31 122 t，年排放二氧化硫98.3 t，年氮氧化物排放量約為83.9 t，年排放煙塵約16 t，需要進行對燃煤的供熱系統改造，不僅降低了燃煤鍋爐的運行費用，并且可以改善礦區環境，提高了員工生活水平。

綜上所述，本文為煤礦礦井的深部開采提供了一種可行的方案，可建立小型實驗基地或進行模擬實驗繼續探索該系統在大型礦井中的穩定性。

2.2 經濟性分析

（1）使用冷水降溫循環的方法使得巷道以及采掘工作面的溫度降低，減少了空冷機的使用臺數與使用電費。

（2）冷水循環后的水經泵提升至地面后，可通過換熱器與熱泵加熱輸送。作為日常生活用水的加工水原料，原始溫度由環境溫度提升至較高溫度，節約了部分加工水資源的費用。本文提升至地面的水經加熱后還可以引入井口解決冬季入風凍井的問題，節省了人工預熱風源的能量消耗。還可以利用本文得到的水加熱洗浴和生活用水，或將取得的熱能用于井口防凍和井上建筑供暖。以上的熱能利用方法均可以對開采出的地熱資源做有效的利用。

（3）在礦井的煤炭開采結束后，可根據原有礦井鉆孔布置采空區回填采熱鉆孔。將采空區進行導熱材料回填，在采空區重新布置采熱，使地熱資源的利用還可以繼續進行。回填材料可以運用導熱性較好的材料來使得熱導率升高，對采空導熱回填區進行鉆孔取熱的方式使采熱工作持續。回填區鉆井可根據不同煤礦的地形、地質、斷層的分布、礦井的開發方式等方面來制定最優的鉆井方式。此做法使地熱開采不僅僅局限于煤炭開采的過程中，并且適用于日后的地熱能利用，在未來可繼續創造經濟價值。

由于本文的冷水循環系統需在巷道圍巖處鉆孔，根據工程具體布置可確定不同礦井地熱層所需的取熱平面K、礦井巷道長度L、鉆孔半徑R 以及水管材料費，將上式計算得到的材料費用與施工的工程費相加，即可得到本文增加的工程投入。

3 結 論

本文通過理論分析、技術設計及可行性、經濟性分析等方面，系統研究了深部開采礦井地熱能開發與熱害協同防治技術，為礦井熱害防治提供新思路。

（1）深部開采礦井地熱能開發與熱害協同防治技術在防治礦井熱害的同時實現了地熱資源的利用，既能減少礦用制冷機的大量使用，又能進行高效的地熱能開發，技術應用方面可行有效。

（2）協同開采技術在節省制冷耗費的同時為礦井生產提供了地熱能源，極大地減少了礦井生產的經濟支出。在礦井生產方面提供了新思路，值得推廣使用。