CN110131909A - 采空区热量收集换热系统以及收集换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采空区热量收集换热系统以及收集换热方法，采空区热量收集换热系统包括：采空集水区，采空集水区设置在采空区内且用于蓄水以获取热能，采空集水区上设置有集水进口和集水出口；集水进口和集水出口通过设有第一循环泵的第一循环管道连通；储水池，储水池上设置有储水进口和储水出口，储水进口和储水出口通过设有第二循环泵的第二循环管道连通；第二循环管道用于为待加热装置提供热量；热泵装置，热泵装置设置在地表下，热泵装置包括蒸发端和冷凝端；蒸发端用于与第一循环管道进行热交换，冷凝端用于与第二循环管道进行热交换。本发明提供一种采空区热量收集换热系统以及收集换热方法，提高热量利用率及降低能量消耗。

Description

采空区热量收集换热系统以及收集换热方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，更具体地，涉及一种采空区热量收 集换热系统以及收集换热方法。

背景技术

随着社会经济的发展，我国的能源需求量一直呈上升趋势，在未来 相当长一段时间内，还无法降低对化石能源的依赖程度，尤其是煤炭消 费占能源消费的比重将居高不下，不可再生资源的承压程度及环境容量 压力将严重制约社会经济发展，充分利用可再生能源，减少对化石能源 的依赖程度，具有极其重要的意义。国家高度重视地热开发利用，尤其 是浅层地热的开发利用得到高度重视，并在北方地区得到了大面积的推 广，利用浅层地热以解决冬季采暖问题。

一般来说，浅层地热又名浅层地温能，是指地表以下一定深度范围 内(一般为恒温带至200m埋深)，温度低于25℃，在当前技术经济条 件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源。浅层地热能是地热资源 的一部份，也是一种特殊的矿产资源，浅层地热能量主要来源于地球梯 度增温。浅层地热一般以水为载能工质，由载能工质将地热带到地面。由于浅层地热为低品位能源，不能直接利用，还需通过热泵技术进行采 集后，方可为建筑物供暖。较常规供暖技术节能50％到60％，运行费用 降低约30％到40％。

煤炭开采形成巨大的地下空间，尤其是开采形成的采空区，由于长 期处于封闭状态，采空区本身形成了一个巨大的低温地热库；另外，采 空区由于面积很大，与围岩能够进行充分的热交换，具有大量开发利用 浅层地热的潜力，充分利用采空区地热具有非常重要的意义。

由于大型矿井井田面积较大，矿井一般采用分区式通风，矿井乏风 排出口距离进风井筒或地面建筑较远，且浅层地热为低品位热源，热能 输送成本高；利用矿井排水为热源，受矿井水排水量及排口位置的限制， 不能得到充分利用。采空区作为最大的浅层地热源，没有得到利用。由 于矿井采空区面积很大，其地热开发潜力也很大，但矿井乏风热源及排 水热源都不能将采空区所含地热加以带出地面，采空区热源没有得到开 发利用。

因此，需要一种采空区热量收集换热系统以及收集换热方法，来解 决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种采空区热量收集换热系统以 及收集换热方法，充分收集和利用采空区内热量，提高热量利用率，降 低能量消耗，节约煤炭资源，避免环境污染。

基于上述目的本发明提供的一种采空区热量收集换热系统，包括：

采空集水区，所述采空集水区设置在采空区内且用于蓄水以获取热 能，所述采空集水区上设置有集水进口和集水出口；所述集水进口和所 述集水出口通过设有第一循环泵的第一循环管道连通；

热泵装置，所述热泵装置设置在地表下，所述热泵装置包括蒸发端 和冷凝端；所述蒸发端用于与所述第一循环管道进行热交换，所述冷凝 端用于为待加热装置提供热量。

优选地，所述采空区热量收集换热系统还包括：储水池，所述储水 池设置在地表，所述储水池上设置有储水进口和储水出口，所述储水进 口和所述储水出口通过设有第二循环泵的第二循环管道连通；所述第二 循环管道用于与所述冷凝端进行热交换，以便为所述待加热装置提供热 量。

优选地，所述集水进口和所述集水出口之间的水平距离不小于200m。

优选地，所述集水出口在所述采空集水区上的位置以及所述集水进 口在所述采空集水区上的位置均低于所述采空集水区内蓄水的水位线位 置。

优选地，所述采空集水区内设置有过滤沉淀层。

本发明还提供一种收集换热方法，采用如上述的采空区热量收集换 热系统，步骤包括：

(1)在采空区内设置采空集水区，所述采空集水区用于蓄水以获取 热能，在所述采空集水区上设置集水进口和集水出口；将所述集水进口 和所述集水出口通过设有第一循环泵的第一循环管道连通；

(2)在地表下设置热泵装置，所述热泵装置包括蒸发端和冷凝端， 驱动所述热泵装置，使所述蒸发端与所述第一循环管道进行热交换，使 所述冷凝端为待加热装置提供热量。

优选地，所述的收集换热方法还包括：(3)在地表上设置储水池， 在所述储水池上设置储水进口和储水出口，将所述储水进口和所述储水 出口通过设有第二循环泵的第二循环管道连通；使所述第二循环管道与 所述冷凝端进行热交换，以便为所述待加热装置提供热量。

优选地，在步骤(1)中还包括：将所述集水进口和所述集水出口之 间的水平距离设置为不小于200m。

优选地，在步骤(1)中还包括：将所述集水出口在所述采空集水区 上的位置以及所述集水进口在所述采空集水区上的位置均设置为低于所 述采空集水区内蓄水的水位线位置。

另外，优选地，在步骤(3)中还包括：在地表下设置硐室，将所述 热泵装置安装在所述硐室内。

从上面所述可以看出，本发明提供的采空区热量收集换热系统以及 收集换热方法，与现有技术相比，具有以下优点：首先，采空集水区设 置在井下采空区，因采空区具有较大的涌水量，当大量的矿井水逐渐积 累，在采空集水区内形成巨大蓄水量时，可以作为天然的热源，而且， 地热可通过采空集水区与蓄水进行换热，为热源的持续供给提供保证，通过采空区热量收集换热系统可以节约煤炭资源，避免环境污染。其次， 采空区热量收集换热系统在运行过程中，通过水循环形式从采空集水区 提取热量，采空集水区的热能通过水为介质输送到地面提供给热泵装置， 循环泵仅用于克服管道及换热器阻力做功，克服提升高度所需做功为零， 通过系统低位以及闭路设计，达到零高度提升的目的，最大程度降低水 循环所需动力，实现低能耗目的，节能运行。最后，地热可通过采空集 水区内蓄水作为载能工质，以便被热泵装置收集，为热源的持续供给提 供保证，充分收集和利用采空区内热量，提高热量利用率，降低能量消 耗，节约煤炭资源，避免环境污染。

附图说明

通过下面结合附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术 优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1为本发明具体实施例中采用的采空区热量收集换热系统的示意 图。

其中附图标记：

10：采空集水区；11：集水进口；12：集水出口；

13：第一循环管道；14：第一循环泵；20：热泵装置；

21：蒸发端；22：冷凝端；30：待加热装置；

40：储水池；41：储水出口；42：储水进口；

43：第二循环管道；44：第二循环泵。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体 实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用 相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、 “左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分 别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

图1为本发明具体实施例中采用的采空区热量收集换热系统的示意 图。如图1所示，采空区热量收集换热系统包括：采空集水区10、储水 池40和热泵装置20。

采空集水区10设置在采空区内且用于蓄水以获取热能，采空集水区 10上设置有集水进口11和集水出口12；集水进口11和集水出口12通 过设有第一循环泵14的第一循环管道13连通。

热泵装置20设置在地表下，热泵装置20包括蒸发端21和冷凝端22； 蒸发端21用于与第一循环管道13进行热交换，冷凝端22用于为待加热 装置30提供热量，如直接与用水器连接提供热水，或与其他水管等进行 热交换。

采空集水区10蓄水以获取热能，通过热泵装置20提取采空集水区 10内热能，并将其进行放大处理，传递给待换热装置30(如提供热量给 回风井、建筑供暖或采暖用水等)。采空集水区10和热泵装置20设置 在井下采空区，因采空区具有较大的涌水量，当大量的矿井水逐渐积累， 在采空集水区内形成巨大蓄水量时，可以作为天然的热源，而且，地热 可通过采空集水区10内蓄水作为载能工质，以便被热泵装置20收集， 为热源的持续供给提供保证，充分收集和利用采空区内热量，提高热量 利用率，降低能量消耗，节约煤炭资源，避免环境污染。

在本实施例中，选择与进风井或建筑物等用热地点水平距离较近的 采空区，利用现有井筒或施工钻孔等连通采空区附近的巷道，在采空区 下部对外出口砌筑防水密闭，用来密闭采空区，以便采空区蓄水，通常 情况下，采空区具有一定的涌水量，密闭后逐渐积累大量的矿井水。为 进一步降低水循环过程中所需的动力，实现低能耗水循环的目的，储水池40设置在地表面上或地表面下。

为提高采空区热量收集换热系统运行可靠性，防止循环泵吸空或气 蚀现象严重，优选地，采空区热量收集换热系统还包括：储水池20，储 水池20设置在地表，储水池40上设置有储水出口41和储水进口42，储 水出口41和储水进口42通过设有第二循环泵44的第二循环管道43连 通；第二循环管道43用于与冷凝端22进行热交换，以便为待加热装置 30提供热量。

在本实施例中，第一循环管道13和第二循环管道43的输送能力均 与热泵装置20的制热能力相匹配，第一循环管道13包括第一供水段和 第一回水段，第一供水段连通集水出口12和蒸发端21的进口，第一回 水段连通蒸发端21的出口和集水进口11，第一循环泵14设置在第一供 水段上；第二循环管道43包括第二供水段和第二回水段，第二供水段连 通储水出口41和冷凝端22的进口，第二回水段连通冷凝端22的出口和 储水进口42，第二循环泵44设置在第二供水段上；第一循环泵14的驱 动能力和第二循环泵44的驱动能力均与热泵装置20的制热能力相匹配。

在向用户供给洗浴热水时，由于洗浴热水不能循环，系统补水量很 大，如洗浴用水硬度较大，容易在热泵冷凝器的内形成结垢，为进一步 提高热量利用率，降低能量消耗，在本实施例中，在热泵装置20和待加 热装置30之间设置第一换热器(未示出)，第一换热器包括第一接入端、 第一接出端、第二接入端和第二接出端；第一接入端和第一接出端均与第一循环管道13连通，第二接入端和第二接出端通过设有第三循环泵的 第三循环管道连接，第一循环管道13可与第三循环管道可进行热交换， 第三循环管道用于为待加热装置30提供热量。

优选地，集水进口11和集水出口12之间的水平距离不小于200m。 通过控制集水进口11和集水出口12之间的水平距离，使采空集水区10 的进水和蓄水能够充分混合，降低采空集水区10的出水温度的波动性。

在本实施例中，集水进口11和集水出口12之间的水平距离可根据 采空集水区10储水面积、围岩温度及围岩向采空集水区10传热速度而 定。通常，水平距离保持200米以上，换热后的回水通过集水进口11进 入采空集水区10后，进水冲击采空集水区10内蓄水，冲刷带起泥浆引 起蓄水混浊，通过增加集水进口11和集水出口12之间的水平距离，使 进水在采空集水区10内经过较长距离的横向流动，可与采空集水区10 内的蓄水充分混合，经过吸收地热、沉淀过滤后，再从集水出口12进入 第一循环管道13，来保证出水的稳定性。

为避免采空区内遗煤自燃，采空集水区10上设置有防火密闭结构(未 示出)。通过设置防火密闭结构提供采空集水区的安全性能。

在本实施例中，在采空集水区10的外部设置防火密闭墙，防火密闭 墙上设置有措施管、监控管等管道。

另外，第一循环管道13贯穿巷道处的周边设置有支护装置(未示出)。 通过设置支护装置，可以防止采空集水区10上方的巷道顶板冒落，影响 正常供水。

在本实施例中，第一循环管道13在向地面延伸时，贯穿巷道底板， 在第一循环管道13的贯穿巷道周边设置支护装置，第一循环管道13能 够正常使用，支护装置包括但不限于锚杆、锚喷、锚网支护。

优选地，集水出口12在采空集水区10上的位置以及集水进口11在 采空集水区10上的位置均低于采空集水区10内蓄水的水位线位置。通 过进一步限定集水进口11、集水出口12在采空集水区10上的位置，可 避免第一循环泵14发生气蚀现象，延长使用寿命，采空集水区10在出 水时，出水高度为零，节省循环水泵的使用量，降低耗电量，同时保持 第一循环管道13持续运行，为热泵装置20持续供热。

在本实施例中，第一循环泵14设置位置低于采空集水区10的正常 水位，在保持采空集水区10内具有较高水位而且第一循环泵14具有较 低设置位置时，可以保证第一循环泵10的吸水口为正压，有效防止气蚀 现象；同时防止吸入空气及杂物；通常，集水进口11及集水出口12均 设置在防火密闭墙的中上部，防止管口被堵或吸入泥浆或沉淀物。

为实现对蓄水的净化，避免堵塞管道及装置，优选地，采空集水区 10内设置有过滤沉淀层(未示出)。过滤沉淀层用于对蓄水进行沉淀过 滤以及吸附净化。

在本实施例中，采空集水区10内铺设有矸石，矸石在采空集水区10 的底部形成过滤沉淀层，对蓄水进行沉淀过滤以及吸附净化。

下面介绍采空区热量收集换热系统的使用过程。

采空集水区10蓄水以获取热能，蓄水从集水出口12进入第一循环 管道13，第一循环管道13内蓄水被热泵装置20的蒸发端21提取，经过 放大处理后传递给冷凝端22；然后，释放热量后的蓄水从集水进口11 回到采空集水区10，以便进入下一循环。同时，储水从储水进口42进入 第二循环管道43，第二循环管道43内储水从热泵装置20的冷凝端22 提取热量，然后释放热量给待加热装置30，然后，释放热量后的储水从 储水进口42回到储水池20，以便进入下一循环。

本发明还提供一种收集换热方法，采用如上述的采空区热量收集换 热系统，步骤包括：

(1)在采空区内设置采空集水区10，采空集水区10用于蓄水以获 取热能，在采空集水区10上设置集水进口11和集水出口12；将集水进 口11和集水出口12通过设有第一循环泵14的第一循环管道13连通；

(2)在地表下设置热泵装置20，热泵装置20包括蒸发端21和冷凝 端22，驱动热泵装置20，使蒸发端21与第一循环管道13进行热交换， 使冷凝端22为待加热装置30提供热量。

采空集水区10和热泵装置20设置在井下采空区，因采空区具有较 大的涌水量，当大量的矿井水逐渐积累，在采空集水区内形成巨大蓄水 量时，可以作为天然的热源，而且，地热可通过采空集水区10内蓄水作 为载能工质，以便被热泵装置20收集，为热源的持续供给提供保证，充 分收集和利用采空区内热量，提高热量利用率，降低能量消耗，节约煤 炭资源，避免环境污染。

为提高采空区热量收集换热系统运行可靠性，防止循环泵吸空或气 蚀现象严重，优选地，收集换热方法还包括：(3)在地表上设置储水池 40，储水池40上设置有储水出口41和储水进口42，储水出口41和储水 进口42通过设有第二循环泵44的第二循环管道43连通；使第二循环管 道43与冷凝端22进行热交换，以便为待加热装置30提供热量。

优选地，在步骤(1)中还包括：将集水进口11和集水出口12之间 的水平距离设置为不小于200m。通过控制集水进口11和集水出口12之 间的水平距离，使采空集水区10的进水和蓄水能够充分混合，降低采空 集水区10的出水温度的波动性。

在步骤(1)中还包括：在第一循环管道13贯穿巷道处的周边设置 有支护装置。通过设置支护装置，可以防止采空集水区10上方的巷道顶 板冒落，影响正常供水。

优选地，在步骤(1)中还包括：将集水出口在采空集水区上的位置 以及集水进口在采空集水区上的位置均设置为低于采空集水区内蓄水的 水位线位置。通过进一步限定集水进口11、集水出口12在采空集水区 10上的位置，可避免第一循环泵14发生气蚀现象，延长使用寿命，采空 集水区10在出水时，出水高度为零，节省循环水泵的使用量，降低耗电量，同时保持第一循环管道13持续运行，为热泵装置20持续供热。

另外，优选地，在步骤(3)中还包括：在地表下设置硐室，将热泵 装置20安装在硐室内。将热泵装置20安装在硐室内，方便作业人员进 行设置，同时为热泵装置20提供相对密封环境，延长热泵装置20的使 用寿命。通常，受硐室空间限制，应采用单位体积功率相对较大的热泵 装置，例如输入功率为100～200kw。第一循环泵13也可以设置在硐室内 或靠近热泵装置20设置。

下面结合具体实施例介绍采空区热量收集换热系统的使用过程。

某矿井为减少井下运输距离，进一步减少进风阻力，在井田中央单 独施工了斜长约700米的辅助运输斜井，并在斜井井口设置联建楼等建 筑。为解决冬季采暖问题，需安装电加热装置作为采暖系统，但因进风 量为10000mm³/min，用电量巨大，整个采暖系统运行费用很高。由于该 独立运输斜井作为回风斜井位于井田中央，无法设置矿井排水口及配套污水厂，与回风井相距2公里以上，取矿井乏风热源输送距离远，水输 送投资成本及用电成本高。矿井斜井底有一已储水的采空区，采空区储 存矿井水约80万立方米，水温常年恒定在15℃，采空区涌水量也较大， 主要用于井下工作面生产用水，工作面的部分排水也排入采空区，以便 净化过滤后再使用。通过对该采空区中矿井水取热，用于井筒及地面建 筑冬季采暖。

将采空区的出口封闭，形成采空集水区，防火密闭墙上的管路作为 集水进口，矿井水通过集水进口打入采空集水区，在防火密闭墙上设置 集水出口，集水进口和集水出口之间水平距离为300m；集水进口和集水 出口之间通过设有第一循环泵的第一循环管道连通。在地表设置储水池， 储水进口和储水出口通过设有第二循环泵的第二循环管道连通。

以联络巷为硐室，安装4台输入功率共800kw的螺杆式热泵机组， 螺杆式热泵机组的蒸汽端与第一循环管道连接，冷凝端与第二循环管道 连接，以便形成水循环进行热交换。

采空集水区10蓄水以获取热能，蓄水从集水出口12进入第一循环 管道13，第一循环管道13内蓄水被热泵装置20的蒸发端21提取，经过 放大处理后传递给冷凝端22；然后，释放热量后的蓄水从集水进口11 回到采空集水区10，以便进入下一循环。同时，储水从储水进口42进入 第二循环管道43，第二循环管道43内储水从热泵装置20的冷凝端22 提取热量，然后释放热量给待加热装置30，然后，释放热量后的储水从 储水进口42回到储水池20，以便进入下一循环。

从上面的描述和实践可知，本发明提供的采空区热量收集换热系统 以及收集换热方法，与现有技术相比，具有以下优点：首先，采空集水 区设置在井下采空区，因采空区具有较大的涌水量，当大量的矿井水逐 渐积累，在采空集水区内形成巨大蓄水量时，可以作为天然的热源，而 且，地热可通过采空集水区与蓄水进行换热，为热源的持续供给提供保 证，通过采空区热量收集换热系统可以节约煤炭资源，避免环境污染。 其次，采空区热量收集换热系统在运行过程中，通过水循环形式从采空 集水区提取热量，采空集水区的热能通过水为介质输送到地面提供给热 泵装置，循环泵仅用于克服管道及换热器阻力做功，克服提升高度所需 做功为零，通过系统低位以及闭路设计，达到零高度提升的目的，最大程度降低水循环所需动力，实现低能耗目的，节能运行。最后，地热可 通过采空集水区内蓄水作为载能工质，以便被热泵装置收集，为热源的 持续供给提供保证，充分收集和利用采空区内热量，提高热量利用率， 降低能量消耗，节约煤炭资源，避免环境污染。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实 施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的主旨之内，所做的任何 修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采空区热量收集换热系统，其特征在于，包括：

采空集水区，所述采空集水区设置在采空区内且用于蓄水以获取热能，所述采空集水区上设置有集水进口和集水出口；所述集水进口和所述集水出口通过设有第一循环泵的第一循环管道连通；

热泵装置，所述热泵装置设置在地表下，所述热泵装置包括蒸发端和冷凝端；所述蒸发端用于与所述第一循环管道进行热交换，所述冷凝端用于为待加热装置提供热量。

2.根据权利要求1所述的采空区热量收集换热系统，其特征在于，所述采空区热量收集换热系统还包括：储水池，所述储水池设置在地表，所述储水池上设置有储水进口和储水出口，所述储水进口和所述储水出口通过设有第二循环泵的第二循环管道连通；所述第二循环管道用于与所述冷凝端进行热交换，以便为所述待加热装置提供热量。

3.根据权利要求1或2所述的采空区热量收集换热系统，其特征在于，所述集水进口和所述集水出口之间的水平距离不小于200m。

4.根据权利要求1或2所述的采空区热量收集换热系统，其特征在于，所述集水出口在所述采空集水区上的位置以及所述集水进口在所述采空集水区上的位置均低于所述采空集水区内蓄水的水位线位置。

5.根据权利要求1或2所述的采空区热量收集换热系统，其特征在于，所述采空集水区内设置有过滤沉淀层。

6.一种收集换热方法，其特征在于，采用如权利要求1至5任一项所述的采空区热量收集换热系统，步骤包括：

(1)在采空区内设置采空集水区，所述采空集水区用于蓄水以获取热能，在所述采空集水区上设置集水进口和集水出口；将所述集水进口和所述集水出口通过设有第一循环泵的第一循环管道连通；

(2)在地表下设置热泵装置，所述热泵装置包括蒸发端和冷凝端，驱动所述热泵装置，使所述蒸发端与所述第一循环管道进行热交换，使所述冷凝端为待加热装置提供热量。

7.根据权利要求6所述的收集换热方法，其特征在于，

所述采空区热量收集换热系统的收集换热方法还包括：(3)在地表上设置储水池，在所述储水池上设置储水进口和储水出口，将所述储水进口和所述储水出口通过设有第二循环泵的第二循环管道连通；使所述第二循环管道与所述冷凝端进行热交换，以便为所述待加热装置提供热量。

8.根据权利要求6或7所述的收集换热方法，其特征在于，

在步骤(1)中还包括：将所述集水进口和所述集水出口之间的水平距离设置为不小于200m。

9.根据权利要求6或7所述的收集换热方法，其特征在于，

在步骤(1)中还包括：将所述集水出口在所述采空集水区上的位置以及所述集水进口在所述采空集水区上的位置均设置为低于所述采空集水区内蓄水的水位线位置。

10.根据权利要求6或7所述的收集换热方法，其特征在于，

在步骤(3)中还包括：在地表下设置硐室，将所述热泵装置安装在所述硐室内。