[发明专利]固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置及方法

说明书

本发明公开了一种固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置，包括矿井地热开采利用装置和采场空气处理与运输装置，矿井地热开采利用装置包括进行各分层充填时形成的多层采热充填体，垂直铺设在采热充填体内的U型换热盘管和设置在地面上的分集水系统，以及用于连接所述分集水系统与U型换热盘管的供回水系统；采场层空气处理与运输装置包括地面冷水处理装置、空气处理机组和用于为矿井回采空间内送入新鲜空气的送风管；本发明还公开了一种固流耦合协同降温的矿井地热开采利用方法。本发明通过固流耦合协同降温作用，能够达到很好的采场降温效果，营造一个舒适的井下热环境；提高了地下换热系统的值，实用性强，推广应用价值高。

技术领域

本发明属于深部矿井开采技术领域，具体涉及一种固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置及方法。

背景技术

随着社会发展和资源需求日益增加，浅部煤炭资源逐渐减少甚至枯竭，为保障资源安全、扩展经济社会发展空间，世界各国均已进入深部资源开采阶段。然而，随着矿井开采深度增加，由深层地温所诱发的高温热害愈加严重，已成为制约深层矿床资源安全高效开采的重要因素。现有统计资料表明，德国平均采900m，平均地温41℃，最深达1712m，最高地温达60℃；英国平均采深700m，平均地温35℃，最深达1200m，最高地温达50℃；前苏联的顿巴斯矿区最深的煤矿达到1400m，千米平均地温为30℃～40℃/1000m，个别甚至达到52℃/1000m。对于我国而言，已有140多对矿井出现不同程度的热害问题，其中有45％的矿井采掘工作面风温超过30℃，是世界上热害矿井最多的国家。研究指出，30-40℃高温的采掘工作面，其事故率是温度低于30℃时的3.6倍，矿山井下作业地点气温每超过标准(此标准选用26℃)1℃，劳动生产率就会下降6-8％。同时高温高湿的恶劣工作环境不仅影响安全生产，而且危害井下广大工人的身心健康。矿井热害已成为继瓦斯、火、水、矿压、粉尘之后的第六大灾害。因此，解决深井热害问题，调节和改善深井作业热环境已成为世界矿床安全高效开采领域中极为重要，也是亟待解决的环节。

深井高温围岩是诱发井下热害的根本原因，但其内部所蕴含的丰富热量却为地热能的开发利用提供了有利条件。深层地热资源作为一种可再生能源，存储量丰富，可开发潜力巨大。做好这一方面工作，对缓解能源短缺、环境及生态问题具有重要意义。在深井开采过程中合理利用地热，可为矿区提供清洁、廉价的热能，降低矿区运营成本，提高矿业可持续性，实现资源高效开采及绿色开采。另一方面，及时高效地提取出深井地热，可有效降低围岩或充填体温度，在一定程度上为深井降温产生积极的促进作用。

因此，探索实现对深部矿产开采过程中的固流耦合协同降温配合地热开采的技术很有必要，现有技术中还缺乏这样的技术。

另外，在实际应用中，U型管道常被用做冷热水循环系统，其能够有效降低进、出水循环能耗，避免地下有害矿物质通过水循环腐蚀管道系统。通过在U型管道循环系统中注入低温水后，不断地吸收深井胶结充填体的高温热量，使得管道内水温上升得到高温水，最后通过水泵输送给热用户。数据表明，在地下每下降100m，温度会增加4℃，这说明地层内存在一个明显的温度梯度。因此，埋管深度越深的管段输出的热水温度越高，然而在回水过程中，不同深度埋管中不同温度的热水一同汇入总回水管后必然会导致出水温度的整体降低。从分析的角度来讲，系统温度相对于环境温度越高，越大，能量品质也就越高，能转换成所需能量效率也高；越低，虽然会得到能量，但能级太低，可利用价值有限。因此，不能直接将深层充填体换热得到的高温水与浅层充填体换热得到的低温水进行混合，否则会造成热品质降低。因此，必须要合理控制各分层埋管的出水温度，使其以较高温度汇入回水总管来供给热用户，从而有效避免高低温混合过程中能量浪费。而然，现有技术中还缺乏这样的技术方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置，其通过U型换热盘管和采场空气处理与运输装置共同提供冷负荷，通过固流耦合协同降温作用，能够达到很好的采场降温效果，营造一个舒适的井下热环境。