CN110397466A - 一种矿井工作面降温系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿井工作面降温系统，包括气体控制系统，矿井涌水处理系统，井下热能提取装置及井下降温系统。其中井下降温系统连通井下巷道工作面及井下热能提取装置，井下降温系统包括第一降温换热器及第二降温换热器。第一降温换热器与主冷源，第二降温换热器与次冷源分别进行热交换。井下热能提取装置为一设置于地下的密闭容置空间结构，外壁由井下岩壁包围，内部包括气相空间和液相空间，井下热能提取装置内设置有一第一换热器，第一换热器通过一换热管路连接一地上系统。井下热能提取装置连通矿井涌水处理系统，作为主冷源。气体控制系统作为次冷源。本发明通过涌水与回风系统联合为降温系统提供冷源，在冷源缺乏的矿井也能够实现运行。

Description

一种矿井工作面降温系统

技术领域

本发明涉及矿井井下热能利用技术，特别涉及一种利用矿井涌水供给降温系统，并能够将降温系统吸收的热量和矿井回风的热量再利用的系统。

背景技术

深部煤炭资源是我国未来的主体能源，目前，我国中东部大部分矿井已经进入深部开采，随着开采深度加深，围岩温度随之增加，加之机电设备散热等因素，深部矿井环境普遍过高，大部分中东部矿井采煤工作面温度超过35℃，相对湿度高达100％，高温高湿环境不仅仅危害工人身心健康，还会诱发围岩高温大变形、吸附瓦斯溢出、腐蚀支护结构失效等次生灾害。目前高温热害治理治理技术主要有德国水冷技术和南非的冰冷技术，都存在投资大、运行费用高等问题，且是一个耗能系统，为此，根据不同煤矿的特点提出具体的热害治理方法至关重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种矿井工作面降温系统，包括一气体控制系统，一矿井涌水处理系统，一井下热能提取装置及一井下降温系统。其中井下降温系统连通井下巷道工作面及井下热能提取装置，井下降温系统包括第一降温换热器及第二降温换热器。第一降温换热器与主冷源进行热交换，第二降温换热器与次冷源进行热交换。井下热能提取装置为一设置于地下的密闭容置空间结构，外壁由井下岩壁包围，内部包括气相空间和液相空间，井下热能提取装置内设置有一第一换热器，第一换热器通过一换热管路连接一地上系统。井下热能提取装置连通矿井涌水处理系统，井下热能提取装置通过第一降温换热器与井下降温系统进行热交换，作为井下降温系统的主冷源。气体控制系统的通风道通过第二降温换热器与井下降温系统进行热交换，作为井下降温系统的次冷源。

在本发明的一个方面，气体控制系统连通气相空间；气体控制系统还包括一控压泵和一单向阀，以调整井下热能提取装置的气相空间的气体压力。

在本发明的一个方面，矿井涌水处理系统直接连通井下降温系统，与第一降温换热器进行热交换。

在本发明的一个方面，换热管路位于井下热能提取装置内的一端，且伸入液相空间的液面下，使液相空间通过换热管路连通地上系统。

在本发明的一个方面，井下热能提取装置还设置有一输水管路，输水管路伸入至液相空间；输水管路连通地上系统；输水管路上设置有一控制阀。

在本发明的一个方面，井下热能提取装置在气相空间和液相空间分别设置有进水口和出水口，分别连通井下降温系统的循环水管路，进水口和出水口之间通过设置在井下热能提取装置内的管路连通，使通过井下热能提取装置的井下降温系统循环水管路形成闭环；该管路上设置有至少一第二换热器。

在本发明的一个方面，第二换热器为两个，分别设置于气相空间和液相空间。

在本发明的一个方面，第二换热器设置于气相空间。

在本发明的一个方面，第二换热器设置于液相空间。

在本发明的一个方面，第二换热器设置于横跨气相空间和液相空间的位置，以同时与气相空间及液相空间进行换热。

本发明的有益效果在于，本发明的矿井工作面降温系统可在对井下工作面降温的同时，将井下热能收集利用供给任何地上用热系统，清洁无污染，节能减排。并且实现了井下热能的再利用，解决了井下热能浪费的问题。

附图说明

图1为本发明的矿井工作面降温系统的示意图；

图2为本发明一个实施例的井下热能提取装置结构示意图；

其中，附图标记说明如下：

0 地上系统

1 井下热能提取装置

2 气体控制系统

3 井下降温系统

4 矿井涌水处理系统

11 输水管路

12 换热管路

13 进水口

14 出水口

31 循环水管路

101 液相空间换热器

102 气相空间换热器

301 第二换热器

具体实施方式

以下将结合附图，通过本发明的具体实施例对本发明所提供的技术方案进行详细说明，以供本领域技术人员对本发明进行更明确的了解。需要说明的是，以下实施例所提供的技术方案及说明书附图仅供对本发明进行说明使用，并非用于对本发明加以限制。其中相同的元件将以相同的附图标记加以说明。以下实施例及附图中，与本发明非直接相关的元件均已省略而未示出；且附图中各元件间的尺寸关系仅为求容易了解，非用以限制实际比例。

参见图1和图2，图1为本发明的矿井工作面降温系统的示意图，图中箭头表示液体/气体的流向；图2为本发明一个实施例的井下热能提取装置结构示意图。本实施例提供一种矿井工作面降温系统，包括一井下热能提取装置1，一气体控制系统2，一井下降温系统3，一矿井涌水处理系统4。

其中井下降温系统3连通井下巷道工作面及井下热能提取装置1，井下降温系统3包括第一降温换热器(图中未示出)及第二降温换热器(图中未示出)。第一降温换热器与主冷源进行热交换，第二降温换热器与次冷源进行热交换。井下降温系统3用于对矿井工作面进行吹风降温，其结构与功能与现有技术大致相同，在此不予赘述。

在本发明中，井下热能提取装置1连通矿井涌水处理系统4，通过第一降温换热器与井下降温系统3进行热交换，作为井下降温系统3的主冷源。气体控制系统2连通井下降温系统3及矿井的回风巷道，通过第二降温换热器与井下降温系统3进行热交换，作为井下降温系统3的次冷源。

气体控制系统2包括通风道，通风道包括矿井新风系统的送风巷道及回风巷道，第二降温换热器在气体控制系统2的通风道中与矿井回风进行热交换，井下降温系统3的循环水吸收降温作业产生的热量升温后，通过该通风道进行一次降温。之后，循环水通过循环水管路31流经/注入(根据不同的实施例，详见下述)井下热能提取装置1，与井下热能提取装置进行热量交换，进行二次降温。

在一些实施例中，矿井涌水处理系统4可直接连通井下降温系统3，与第一降温换热器进行热交换。

本发明的矿井工作面降温系统中，井下热能提取装置1为一设置于深层地下的密闭容置空间结构，外层由井下岩壁包围。本实施例中井下热能提取装置1为一立方体形或圆柱形，当然本领域技术人员可根据实际需要调整设计其形态，比如若将密闭容置空间形成在一段现成巷道或井下空间内，则其外形可以选择为适配该段巷道或井下空间的形状即可，本发明并不以此为限。

井下热能提取装置1内部上层可为气相空间，下层可为液相空间，其中可选择设置有第一换热器，第一换热器可包括分别设置在气相空间的气相空间换热器102和设置在液相空间的液相空间换热器101，气相空间换热器102和液相空间换热器101由换热管路12连通，换热管路12连接一地上系统0，在连接地上系统的一侧还可以设置有一水泵。另有一输水管路11设置于井下热能提取装置1内部，一端伸入液相空间，另一端伸出井下热能提取装置1外部，并连接地上系统0。输水管路11可以选择设置有一控制阀及至少一个水泵，可随时调整进出井下热能提取装置1内部液相空间的水量。

井下热能提取装置1在气相空间换热器102和液相空间换热器101相对的一侧可选择设置有进水口13和出水口14，分别设置有控制阀，并连通井下降温系统3的循环水管路31，进水口13设置于气相空间上部，出水口14设置于液相空间下部。进水口13位置高于出水口14。在一些实施例中(如本实施例)，进水口13和出水口14之间可选择通过设置在井下热能提取装置1内的管路连通，并在该管路上设置有换热器，使得井下降温系统3的循环水路通过井下热能提取装置1内部并形成完整闭环。实际应用中，进水口13与出水口14之间也可以不设置管路，井下降温系统3的循环水自进水口13注入，在液相空间中积蓄，自出水口14流出，也可形成循环水路的闭环。本领域技术人员可根据实际情况进行调整。

如上述提及的，在一些实施例中，进水口13与出水口14之间可设置至少一个一第二换热器301，并通过管路连通进水口13与出水口14。在实际应用中，第二换热器301可以位于气相空间，也可以位于液相空间；在一些实施例中，第二换热器301还可以位于气相空间和液相空间之间。这样，可以通过此第二换热器301，同时与气相空间中的空气和/或液相空间中的水进行换热。在一些改进实施例中(如本实施例)，进水口13与出水口14之间的至少一个第二换热器301包括两个分别设置于气相空间和液相空间的第二换热器301，可分别与气相空间中的空气和液相空间中的水进行换热，以达到更高的换热效率。

此外，井下热能提取装置1在与出水口14相对的一侧连通矿井涌水处理系统4，并设置有单向阀和控制阀，矿井涌水可自此流入井下热能提取装置1。矿井涌水处理系统4可通过在液相空间底部设置入水口连通井下热能提取装置1，以将矿井涌水通入井下热能提取装置1形成液相空间。

本实施例中，气体控制系统2设置于井下热能提取装置1的外部包括一控压泵和一单向阀，且连通矿井回风巷道，可选择的将矿井回风收集投入井下热能提取装置1，或选择直接采用其他气体(如空气)投入井下热能提取装置1，以调整井下热能提取装置1的气相空间的气体压力。

本实施例中，气相空间中介质可为来自回风巷道的矿井回风，也可为其他的任意气体，液相空间中介质可为来自矿井涌水处理系统4的矿井涌水。在其他一些实施例中，气相空间介质可由本领域技术人员根据需要选择其他气体介质，本发明并不以此为限。

地上系统0可以为任意的用热/用水系统，与井下热能提取装置1的换热管路12相连，可直接利用井下热能提取装置1输送的水和热能。在一些实施例中，地上系统0可以是一独立的水热处理系统，对井下热能提取装置1输送至地面的水和热进行处理、储存，供其他装置系统使用。由此可实现对矿井涌水和井下热能的再利用。在一实施例中，地上系统0可替换为矿井浅层涌水区，矿井浅层涌水区也可与地上蓄水装置联用，由矿井浅层涌水作为冷源向下进入井下热能提取装置1，间接或直接换热后再输送至地上蓄水装置进行热量利用。

在具体应用中，矿井涌水处理系统4可选择连通井下降温系统3(图中未示出)，为井下降温系统3提供用于使井下巷道降温的作业用水。这部分作业用水，是井下降温系统3在给其连通的井下巷道作业面进行降温时使用的作业用水，也即，井下降温系统3的作业用水，可部分或全部来源于矿井涌水处理系统4。

井下热能提取装置1的液相空间中是与之连通的矿井涌水处理系统4输送来的矿井涌水(可为温度低的浅层矿区的涌水或地表浅层地下水，向下经管道输送至热能提取装置1)。井下降温系统3的循环水管路31经过液相空间，通过设置于液相空间中的第二换热器301使循环水管路中的循环水与液相空间中的水进行热交换，令井下降温系统3的循环水降温，液相空间中的水还可再与液相空间换热器101进行热交换，液相空间换热器101获得的热能由换热管路12中的换热介质(在本实施例中为来自矿井涌水系统的矿井涌水)连接地上系统0一侧设置的水泵泵水，输送至地上系统0。在这一过程中，循环水管路中的循环水在井下降温系统3-井下热能提取装置1之间循环，井下降温系统3的换热器将井下降温系统产生的热量交换给循环水，循环水升温，流至井下热能提取装置1后由第二换热器301将热量交换至井下热能提取装置内，循环水降温，再回流至井下降温系统3。这里的循环水管路中的循环水，其可以是经过降温作业后升温的作业用水，也可以是来自矿井涌水处理系统4，还可以是预先充入的其他来源的水，或是其他的换热介质，在此不做具体限定。

同时，气相空间中为空气，与气相空间中的第二换热器301接触而能吸收井下降温系统3的循环水的热量，升温的气体可与气相空间换热器102进行热交换，气相空间换热器102获得的热能用于对与液相空间换热器101连通的换热管路12进行二次加热，热能由换热管路12中的热介质(即来自矿井涌水系统4中的矿井涌水)传递至地上系统0。并且，由于液相空间的水也吸收第二换热器301热量，同时也可对气相空间中的气体造成一定的升温作用。由此，可以实现井下热能提取装置1，对井下降温系统3交换出的热能对地上系统0的输送，以便进行转化和利用。

在一实施例中，第二换热器301设置于井下热能提取装置1的液相空间的最低位置。这是由于从矿井涌水系统4通入的冷水也会在最低位置进入，液相空间中水温是由低向高不断增高，至气相空间的顶层，温度会达到较高温度。第二换热器301位于液相空间的最低位置，能便于向液相空间中的底层低温水传导热量，从而实现井下降温系统3的循环水的降温。

此外，由气体控制系统2通过控压泵及单向阀向气相空间内控制通入矿井回风以调整气相空间气压，由于井下热能提取装置1为外壁由岩壁包围的刚性结构，气体控制系统2向气相空间内减压时，气相空间总体积不变，内能随压力减小而减小，也可实现气体的降温，从而达到通过气相空间对第二换热器301进行二次降温的目的。

在其他一些实施例中，连通液相空间换热器101和气相空间换热器102的换热管路12，其上端连通地上系统0，下端还伸入至液相空间，在其下端可安装一补水控制阀，可以变更为单向向上送水的方式向地上系统0送水和送热。即，换热管路12中的传热介质，为液相空间中的水。达到对地上系统0的水和热的输送，由一条管路同时完成的目的。

在一些实施例中，井下热能提取装置1中，在各部分，包括气相空间及或液相空间中，还可选择设置压力传感器及温度传感器；同时各管路上控制阀、水泵或气泵等控制部件可设置为能够远程控制；这样，可利用一中控计算机采集各传感器的数据，并据此控制各远程控制部件的运作，从而控制整个矿井工作面降温系统的运行状态。

利用上述实施例的井下热能提取装置，为地上系统0提供用水(地上系统0可以为任意的用热/用水系统)。一种实施方法可以是，比如在冬季，井下作业区的温度仍是35℃以上(涌水和空气的温度)，而地上气温在0℃以下，设置在地表的蓄水装置中的水温度在0℃左右。这时，可利用冬季运行策略，将地表的蓄水装置中水通过一地表水供水管路直接送至井下热能提取装置1中，这时，热能提取装置1的气体控制系统可进行卸压，液相空间的体积可尽量增大，而气相空间的体积缩小，以便于低温水占井下热能提取装置1的大部分体积，如此可利用井下热能提取装置1对井下降温系统3进行快速换热，最快速的方式是直接中和，比如，地表0℃左右的水直接与矿井涌水系统4送入的35℃以上水中和为所需的15-17℃或更低温度的水，只要控制地表水流入量与矿井涌水系统4流入水的量比即可。

这里，需要注意，热能提取装置1中的压力控制可以是间隙性的，其中，比如井下降温系统3向该热能提取装置1注水时，该地表水供水管路为关闭或限流状态，以避免水压过大。或者这时，气体控制系统可向外快速卸压(进行气相降温)，或者以输水管路11向地表快速泵水，以降低热能提取装置1内的水压，甚至可降为负压，以提高井下降温系统3的水流速度，从而提升降温效率。而单需要输水管路11向地表泵水以降低热能提取装置1内温度时，可加大地表水供水管路向下供水量，以抵消泵水扬程，降低输水管路11向地表泵水的功率消耗。当然，一种更理想的控制状态是，井下降温系统3通过换热器与热能提取装置1内的水进行换热，而热能提取装置1内的水经加热可自然上升，顺输水管路11自然回至地表的蓄水装置中。这样，矿井工作面涌水也可通过输水管路11向地上蓄水装置输送，输水管路11的底端可位于液相空间偏上的位置，底端可位于热能提取装置1中部位置，或中部偏下位置。输水管路11的底端还可以连接一软管，软管吸水端可通过一浮体使得软管吸水端基本位于液相空间顶部高温区，以便于热量高的水可通过浮力和虹吸作用向上输送。以此排出矿井工作面涌水。

这其中的换热管路12，可在地上需要较高温度时，维持液相空间的水压及气相空间较高气压，将井下较高温度的热水供应至地上进行使用。可根据理想气体状态方程：PV＝nRT；在密闭容器中，体积V，物质的量n，以及常数R都是固定不变的，方程变形为：P＝nRT/V，压强P与气体温度T成正比；可利用控制地表水流入量，将气相空间压力加大，这时气相空间温度可快速的大幅提升，可将换热管路12中的水从35℃加热至更高温并向上供给，以满足地表用热需求。

另一种实施方法可以是，比如在夏季，井下作业区的温度仍是35℃以上(涌水和空气的温度)，而地上气温也在35℃以下，地表浅层地下水或矿井浅层涌水区水在15-17℃左右，这时可将井下热能提取装置1的冷源替换为地表浅层地下水或矿井浅层涌水区，由此向井下热能提取装置1内供水，提供冷源，经热能提取装置1升温后的水可经输水管路11送至地表使用，也可以送至地表浅层或矿井浅层。这时，可维持气相空间压力，以快速吸收热量后经换热管路12向地上输送，提升换热效率。

通过以上实施例的说明，本领域技术人员可以理解，本发明的有益效果在于：使用矿井涌水供给矿井工作面降温系统，直接利用井下资源，无需在地上设置冷却塔等装置即可对工作面进行降温；通过矿井涌水与矿井回风系统(对应本发明气体控制系统)联合使用，为降温系统提供冷源，在冷源缺乏的矿井也能够实现高效节能运行；降温系统吸收的热能，通过井下热能提取装置，可被任意的地上用热/用水系统利用，实现了井下热能的再利用。矿井回风通入井下热能提取装置，这部分热能也被井下热能提取装置回收利用，提高了井下热能的利用率。

以上为本发明的一些实施例，仅为对本发明做解释说明之用，并非用于限制本发明。凡运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求书所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种矿井工作面降温系统，其特征在于：包括一气体控制系统，一矿井涌水处理系统，一井下热能提取装置及一井下降温系统；

其中，

所述井下降温系统连通井下巷道工作面及井下热能提取装置，井下降温系统包括第一降温换热器及第二降温换热器；第一降温换热器与主冷源进行热交换，第二降温换热器与次冷源进行热交换；

所述井下热能提取装置为一设置于地下的密闭容置空间结构，外壁由井下岩壁包围，内部包括气相空间和液相空间，所述井下热能提取装置内设置有一第一换热器，所述第一换热器通过一换热管路连接一地上系统；

所述井下热能提取装置连通所述矿井涌水处理系统，所述井下热能提取装置通过所述第一降温换热器与所述井下降温系统进行热交换，作为所述井下降温系统的主冷源；

所述气体控制系统的通风道通过所述第二降温换热器与所述井下降温系统进行热交换，作为所述井下降温系统的次冷源。

2.如权利要求1所述的矿井工作面降温系统，其特征在于：所述气体控制系统连通所述气相空间；所述气体控制系统还包括一控压泵和一单向阀，以调整所述井下热能提取装置的所述气相空间的气体压力。

3.如权利要求1所述的矿井工作面降温系统，其特征在于：所述矿井涌水处理系统直接连通所述井下降温系统，与所述第一降温换热器进行热交换。

4.如权利要求1所述的矿井工作面降温系统，其特征在于：所述换热管路位于所述井下热能提取装置内的一端，且伸入所述液相空间的液面下，使所述液相空间通过所述换热管路连通所述地上系统。

5.如权利要求1所述的矿井工作面降温系统，其特征在于，所述井下热能提取装置还设置有一输水管路，所述输水管路伸入至所述液相空间；所述输水管路连通所述地上系统；所述输水管路上设置有一控制阀。

6.如权利要求1所述的矿井工作面降温系统，其特征在于：所述井下热能提取装置在气相空间和液相空间分别设置有进水口和出水口，分别连通所述井下降温系统的循环水管路，所述进水口和所述出水口之间通过设置在所述井下热能提取装置内的管路连通，且该管路上设置有至少一第二换热器，该管路使通过所述井下热能提取装置的所述井下降温系统循环水管路形成闭环。

7.如权利要求6所述的矿井工作面降温系统，其特征在于：所述第二换热器为两个，分别设置于所述气相空间和所述液相空间。

8.如权利要求6所述的矿井工作面降温系统，其特征在于：所述第二换热器设置于所述气相空间。

9.如权利要求6所述的矿井工作面降温系统，其特征在于：所述第二换热器设置于所述液相空间。

10.如权利要求6所述的矿井工作面降温系统，其特征在于：所述第二换热器设置于横跨所述气相空间和所述液相空间的位置，以同时与气相空间及液相空间进行换热。