一种解决深井热害治理与综合利用问题的系统 

一种解决深井热害治理与综合利用问题的系统 

张浩达,侯墨楚,刘骐畅,于析微,谢欢 

河北工程大学 河北省邯郸市 056000

摘要：由于井下开采会使地下水流失，我们可以通过开采前进行水库建设蓄水，所储蓄的水可作为地面景观用水、水泵用水等工业用水等，当开采时会产生工业废水，我们将其流入废水池，然后处理后到水库，煤矿开采后进行充填，利用充填体发热+地热的特性，并利用这种性质，需埋管降温保障充填体强度，然后利用地面水库水泵循环水降温，充填体固化后，利用管道热交换供热；若有多余产能可利用地下水库与地上水库进行抽水蓄能发电。

深井热害治理与综合利用系统该整体分为两个系统，分别为换热系统和换水系统，换热系统有地下深井充填体和地上热转换和地下水库与地表水库热转换两大部分；换水系统有地下水库与地表水库的水转换和地下工业废水与地表水转换两大部分。通过换水、换热进行深井热害的综合利用，结合了地表水库和地下水库与深井，实现解决部分问题的目的，该系统设计合理，运用后可以达到很好的效果。

关键字：深井热害 水循环 换热 换水 地下水库 地表水库

1 研究背景

目前，矿产资源需求的增加与矿山资源开发技术的日益完善，使得地温场异常以及复杂开采条件的矿山己逐步进入设计和开采阶段，并且己有生产矿井的开采深度也逐渐向深部延伸。这就造成了随着矿井开采深度的增加，地温不断升高，岩体散热量不断增加，空气自压缩放热越发明显，同时矿山生产的机械化程度不断提高，机械散热量显著增加的现象，有些生产矿井己出现了不同程度的热害问题。而且如今，大量的地下水正在被开采，地下水水位急剧下降，水位降落漏斗

面积不断扩大，漏斗中心地下水埋深已降至近百米，再加上不少地方还有大量的矿坑废井， 这为地下水库的建立提供了一个良好的外部条件。

70 年代，我国在千米深矿井下遇到的岩温和水温达到，开采深度平均每年约增加 10m，地温问题日渐突出。目前，我国已有 65 座矿井出现了不同程度的热害，其中采掘工作面气温超过 30℃的矿井有 35 座。由于各国的开采条件，技术以及管理水平有很大差异，各国划定的深井“临界深度”指标差别较大，其概念和定义也不尽相同。我国认为深度大于 650m，且出现地压现象严重或高温热害的矿井称为深井。深井矿山的地温场的研究和热害控制对于矿山开采和技术管理水平的提高意义非凡。

2 设计原理

2.1 设计思路

井下开采会使地下水流失，开采前进行水库建设蓄水可作为地面景观用水、水泵用水等工业用水等，开采时废水流入废水池，处理后到水库，开采后，充填，根据充填体发热+地热特性，需埋管降温保障充填体强度，利用地面水库水泵循环水降温，充填体固化后，利用管道热交换供热；若有多余产能可利用地下水库与地上水库进行抽水蓄能发电。

2.2结构设计

该整体分为几个系统，分别为换热系统和换水系统，换热系统有地下深井充填体和地上热转换和地下水库与地表水库热转换两大部分；换水系统有地下水库与地表水库的水转换和地下工业废水与地表水转换两大部分。

当开采煤矿，达到一定深度考虑到深井热害问题，为保证工作机器与作业人员安全稳定的目的，需要进行降温，此时可以将地下热量与地面进行热交换，当开采煤矿时，需要工业用水，此时可以由地下水库进行补给，产生的工业废水抽取到地面以上进行处理后再次排放到地下或者作为其他用处，地下水库可以为地面进行水量的补充，可以进行抽水蓄能发电， 当地表水过多时可以将水引入地下水库；煤矿开采完毕后将形成深井煤坑，此时进行充填， 又由于地热原因，充填体发热，我们在深井中埋放管道作为地下与地上热交换的途径，地埋管有外管道和内管道，两个管道分别作为流入水和流出水管道，再结合地上热泵、循环泵等进行地下与地上的热交换。

为了进行换热，我们首先通过水泵利用地埋管外管道向深层进行灌水，所进入的水不断深入，吸收发热的充填体热量，然后通过地埋管内管道出水，通过循环泵进行一个水的循环， 改过程可以实现不断的换热，热水通过热泵进行供热。

为了实现水的转换，我们利用地表水库、地下水库的建设进行完成，地下水库工程中最重要的是确定其库容。在这过程中应考虑以下因素：1.地下水库的库容应与能够引蓄充库水源的水量相适应。2.地下水库的最高蓄水位，不得超过易招致盐碱化、沼泽化、危害建筑物安全与恶化环境的临界水位。3.在地下水库运行期间，因开采造成的最低水位，应在提取机的有效提取的深度内，且应考虑使其在效率最高的情况下工作。4.在最高和最低水位之间，由四周所围成的空间，正是地下水库实际有效的调蓄水量的蓄水岩层体积，也可以称作“有效库容区”，而真正的蓄水容积，为该区岩体所具有的总有效空隙。5.地下水库库容的确立应满足技术经济合理的要求。

初步设计煤巷与地下水库之间连接通水管道，使用水循环设施对采煤需要用水和地下水库之间进行一个水的连接利用，通过注水回灌管道来连接地下水库和地上水库，能够保证地上水库和地下水库的水交换，设有注水点可对地下水库进行水量储存。

地下水库建设的原理就是将煤层开采引起的漏失水资源储存在采空区中，同时将井下生产过程中产生的污水回灌到采空区中，防止矿井水外排导致的水源蒸发损失;最终利用采空区研石的过滤、吸附与净化作用(图 3，恢复水资源的再利用价值，实现水资源的保护和循环利用。

系统一般适用于对潜水含水层的人工补给，需要一定的地面作为蓄水入渗池，通过渗透层补给含水层；当含水层上方缺乏良好渗透层时，对于上覆弱透水层比较薄的承压含水层或地下水埋藏较深的潜水含水层，需要开挖渗透沟渠或设置渗透砂井，制造人工渗透带增加入渗； 当承压含水层上覆弱透水层较厚时，可以采用管井进行灌注（灌注井法），由于灌注井法补给的水没有经过土壤渗透层的净化，要求灌注的水具有良好的水质，以免造成含水层污染。通常这三种方法都是综合使用的，以求达到对含水层的最有效补给；我们将这几种情况进行结合并且与深井煤矿结合在一起。

我们将地下水库和地上水库联系起来，并结合深层煤矿采集情况，充分利用地下环境与资源来解决深井热害问题，并得到综合治理利用的效果，

开采煤矿时，可通过连接地下水库的供水管进行供水，保证开采煤矿的需要，所产生的工业废水再排放到地上通过处理后作为工业用水使用等。

煤层不断开采后会形成采空区，为了合理利用资源，将其人为形成地下水库，利用煤层作为煤柱坝体，在人工修建人工坝体来保证地下水库的稳健运行，地下水库和地下水库之间通过建设水流通导管来实现水库之间的水的相互流向、周转储存。地下水库和地面通过注水回灌管道连接，为了使地上水库和地下水库之间可以相互补充，保证水的供给需求及水量的合理储存，在开采煤层时可以利用地下水库的水量来向煤巷提供水，开采后形成的废水通过不断过滤来释放到地下水库中，二者之间通过通水管道来连接，保证二者之间的水量转换。煤矿地下水库坝体由煤柱坝体和人工坝体组成。煤柱坝体充分利用工作面开采保留的安全煤柱；人工坝体位于煤柱坝体之间，通过人工坝体将煤柱坝体连接，共同构成地下水库的坝体。

地下水库坝体结构特殊，具有非均质、非连续和变断面特征；且受矿压、水压和矿震等综合影响。煤柱作为地下水库坝体的主要组成部分，影响因素包括： 

（1）煤柱上覆岩层岩性。煤层顶底板岩性不仅影响煤柱的应力状态，也影响煤柱的强度。当煤柱覆岩坚硬时，煤柱宽度相对较小。

（2）煤柱的强度。煤柱坝体所受的应力不应超过坝体材料的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。煤柱强度不仅与煤体的力学性质和弱面结构、顶底板岩层力学性质、煤柱侧向地应力等因素有关，而且与煤柱留设长度、宽度和高度有关。

（3）开采深度。地表移动变形与工作面采深成反比，采深越大，地表变形越小。

（4）采高。采高越大，地表移动变形越大，移动范围也越大，煤柱宽度越大。

（5）煤层倾角。随着工作面煤层倾角的增大，采动影响发育到地表时，地表移动盆地 相应向采区的下山方向移动，工作面留设的保护煤柱宽度也要增大。

（6）能够承受库内水体压力要求。水库内矿井水的高度不同，地下坝所承受的水压不同。煤柱坝体必须能够承受库内最大库容情况下水体对煤壁所施加的水压。

（7）满足防渗要求。通过对煤柱渗透性进行测量，对煤柱体实施防渗工程，满足地下 水库坝体的耐久性和渗透性要求。坝体的渗透性系数要小于 1.0×10−6cm/s。

煤矿分布式地下水库的导流方法主要包括：对已形成的多个地下水库选定导流位置，导流位置的选定需考虑地下水库的储水能力、防渗性能等；在选定的导流位置设置单向流的导流孔的步骤，使地下水库间连通形成分布式地下水库；为防止悬浮物堵塞管道，在所设置的导流孔两端布设防护网。

矿井水不外排的主要途径包括两种:一是煤炭开采后地下水保持原态，即隔水层没有遭到破坏;另一种是在地下寻找合适空间将矿井水储存。

浅部煤层开采后，部分隔水层很难保持完整和不受破坏，因而难以保持原态。为实现开采的安全，要将矿井水外排或转移储存。为了不外排，必然要在地下寻求合适空间储水，而对于煤炭开采，大量的采空区为其提供了空间条件。

通过对采空区加以人工干预，实施相应的防渗和强化工程，将矿井水储存至采空区，实现矿井水不外排，不仅消除了矿井水安全隐患，同时也实现了矿井水储存于井下，避免了排至地表蒸发引起的水资源浪费和矿井水外排对地表生态的污染。

2.3换热方法

假设法

对于深井换热系统而言，井口至井底的温差较大，在不同深度，内外套管内的流体温度不同，与周边岩石(土)的换热量也有显著不同.针对这一特点，Beier(2014)、Beier 等(2014)提出了一套可以同时模拟换热器内部管道和周边土壤温度瞬态变化的解析解方法.其技术思路为， 将温度、钻孔半径、深度和时间 4 个变量转换为无量纲数；然后分别构建下行管道、上行管道、固井水泥和周边土壤四个分区上的传热控制方程上下行管道中的温度，主要受对流传热控制；固井水泥和土壤中的温度，则主要受热传导控制.将这些偏微分方程组联立之后，利用数值拉普拉斯变换法求得解析解.通过和沙箱实验获得的实测数据(Beier etal, 2011)进行比较， 该解析解可以很好地同时预测换热管的进出水温度和换热管周边的岩石(土)温度，其准确性已经得到了验证。

数值法

将土壤和井内套管分别作为两个相互耦合的连续介质.令 Ts 为土壤温度，其受热传导与热对流的双重影响.令 ρf、ρs 和 cf、cs 分别代表流体 f 和岩石(土)s 的密度和比热容.给定地下水的 Darcy 流速为 v, 地埋管周边土壤中的热传导和热对流过程受控制方程控制，公式为 ：

假设法

对于深井换热系统而言，井口至井底的温差较大，在不同深度，内外套管内的流体温度不同，与周边岩石(土)的换热量也有显著不同.针对这一特点，Beier(2014)、Beier 等(2014)提出了一套可以同时模拟换热器内部管道和周边土壤温度瞬态变化的解析解方法.其技术思路为， 将温度、钻孔半径、深度和时间 4 个变量转换为无量纲数；然后分别构建下行管道、上行管道、固井水泥和周边土壤四个分区上的传热控制方程上下行管道中的温度，主要受对流传热控制；固井水泥和土壤中的温度，则主要受热传导控制.将这些偏微分方程组联立之后，利用数值拉普拉斯变换法求得解析解.通过和沙箱实验获得的实测数据(Beier etal, 2011)进行比较， 该解析解可以很好地同时预测换热管的进出水温度和换热管周边的岩石(土)温度，其准确性已经得到了验证。

数值法

将土壤和井内套管分别作为两个相互耦合的连续介质.令 Ts 为土壤温度，其受热传导与热对流的双重影响.令 ρf、ρs 和 cf、cs 分别代表流体 f 和岩石(土)s 的密度和比热容.给定地下水的 Darcy 流速为 v, 地埋管周边土壤中的热传导和热对流过程受控制方程控制，公式为 ：

其中，Λs 是水动力作用下的热量扩散系数；Hs 指热量生成或者消耗的源汇项；考虑土壤和套管之间存在热交换，上述控制方程的边界条件为：

令 Ωk 指代套管中的不同部分，对上下行水管，有 k=i1, o1，管道中的热传递主要受管道中循环水 r 按照流速 u 运动时的热对流控制.深井换热器中的上，下行管路，或是管路周边的水泥部分，其控制方程为 ：

对应于 k=i1, o1，式(3)在边界 Γk 上的边界条件为：

其中，循环水的水动力热扩散系数 Λr 定义为 ：

管道周边的水泥区域(k=g1, g2,  …)透水性差，忽略其热对流过程，则有：

对应于 k=g1 时，式(6)在边界 Γk 上的边界条件为 ：

利用公式(3)、公式(6)和公式(1)分别描述上下行管路、固井水泥区域以及岩石(土)中的传热过程.将以上公式联立，采用有限元方法进行空间离散，以进口端

的温度作为边界条件，便可求解得到换热管中的温度 Ti1、To1，水泥区域温度 Tg 以及岩石(土)中温度 Ts 随空间和时间的变化过程.其中，采用双连续介质法进行空间离散.对深井换热器中的管道和水泥，采用一维线段单元进行空间差分，形成一个连续体.而对岩石(土)区域，采用三维棱柱单元，形成第二个连续体.将上述两个连续体离散后的控制方程组装在一个线性方程组中，通过 Picard 迭代求得收敛数值解。

4 创新特点

（1）充分利用开采完煤矿的深井，利用地热能对地上进行热转换；

（2）联合地表水库、地下水库和煤矿深井，实现水的充分利用和合理使用，保证了开采的工作进行，又降低了危害的影响程度；

（3）采矿产生的废水可通过该系统很好的进行处理利用；

（4）根据充填体发热、地热特性，进行地面的热交换，合理开发利用资源；

（5）将水的上下导流利用，借用水势进行发电，充分利用资源。

5 应用前景

深井降温系统与热泵系统结合所产生的新型深井热泵技术，没有任何污染，可以取代锅炉燃烧带来的有害气体排放。由于地下围岩的温度高于风温并稳定，所以换热效果较之以往的降温系统会更加的明显，并且运行效率高，因此是一项绿色环保、高效节能的使用技术。在井下收集的大量热量可以用于供暖和生活用水，当热量不能够将热水加热到需要温度时， 也可在系统中添加辅助热源以满足用户需要，可见，这种方案具有明显的经济性。对于全国的深井矿区，如果能够广泛使用这种深井地源热泵技术，对于缓解能源紧张、提高能源利用率、保护环境都有着积极的作用。该技术完全符合国家“节能减排”的需要，对建设现代化新型的煤矿具有重要的意义。

结合深井、地下水库、地表水库，综合利用各系统特性，可以有效提高经济效益，解决当前国家面临的问题。

项目编号：22E50128D，一种利用深井热害治理与综合利用的系统，河北省大中学生科技创新能力培育专项