CN110439507A - 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，包括一冷却水处理系统，一井下热能提取装置及一井下降温系统；冷却水处理系统包括一冷水池一热水池及一汇流处理器，汇流处理器分别连通冷水池热水池及井下热能提取装置；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；井下降温系统与井下热能提取装置进行热量交换；井下热能提取装置通过出水口单向地导通冷却水处理系统。通过该系统可实现对井下降温系统工作产生的热能的再利用。

Description

一种矿井工作面降温系统

技术领域

本发明涉及矿业工程领域及地热工程领域，具体涉及一种矿井工作面降温系统。

背景技术

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。目前现有的高温热害治理治理技术都存在投资大、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。

针对水源缺乏型矿井，采用地表径流河作为冷源的现有技术中的两种热害治理方法中，整个制冷系统分布均为从地表直至地底工作面，在井上地表设置冷却塔/制冰系统来实现降温系统冷凝热的排放，如果在井上设置冷却塔势必会需要井上和井下封闭的两趟管路，对于1000m深的深部矿井来说，这在工程投资和运行费用维护中耗资巨大。并且，整个输送冷量的冷冻水管路从地表到井下工作面，管路极长，沿途冷量损失特别大。此外在地表设置的冷却塔/制冰系统排除制冷时所产生的冷凝废热，在高温尤其夏天时排热困难。

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针对水源缺乏型矿井热害进行治理。

本发明提供一种矿井工作面降温系统，包括一冷却水处理系统，一井下热能提取装置及一井下降温系统。冷却水处理系统连通井下降温系统和所述井下热能提取装置，并连通地表径流河。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。井下降温系统与井下热能提取装置进行热量交换。井下热能提取装置通过出水口单向地导通冷却水处理系统。

在本发明的一个实施例中，矿井工作面降温系统还包括一设置于井下热能提取装置外部的气体控制系统，连通气相空间。气体控制系统包括一控压泵和一单向阀，用于调整井下热能提取装置的气相空间的气体压力。

在本发明的一个实施例中，井下降温系统包括换热器及风机，连通井下巷道工作面、井下热能提取装置及冷却水处理系统。

在本发明的一个实施例中，冷却水系统包括一冷水池，一热水池，一汇流处理器。其中冷水池与热水池分别与地表径流河连通，且冷水池与热水池通过管路相互连通，管路上设置有控制阀。井下热能提取装置通过管路单向连通汇流处理器。

在本发明的一个实施例中，井下热能提取装置内设置有一第一换热器，第一换热器包括一位于气相空间的气相空间换热器及一位于液相空间的液相空间换热器，两者通过一换热管路连通。第一换热器通过换热管路连通地上系统。

在本发明的一个实施例中，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和冷却水处理系统，进水口和所述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；该管路上设置有至少一第二换热器。

在本发明的一个实施例中，第二换热器设置于气相空间。

在本发明的一个实施例中，第二换热器设置于液相空间。

在本发明的一个实施例中，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。

在本发明的一个实施例中，第二换热器为两个，分别设置于气相空间和液相空间。

本发明的有益效果在于：本发明的矿井工作面降温系统利用地表径流河供给井下降温系统，无需在地面设置冷却塔等装置即可对工作面进行降温处理。并且，由于井下热能提取装置的设置，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。还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各个部件的方框示意图。

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。

图3为本发明另一个实施例的井下热能提取装置结构示意图。

图4为本发明又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 冷却水处理系统

41 冷水池

42 热水池

43 汇流处理器

11 输水管路

12 换热管路

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。

参见图1至图4，图1为本发明的矿井工作面降温系统各个部件的方框示意图，图中箭头表示水流方向。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。图3为本发明另一个实施例的井下热能提取装置结构示意图。图4为本发明又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3，一冷却水处理系统4。

其中井下热能提取装置1为一设置于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。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上设置有控制阀和至少一水泵，可控制输水管路为单向向上为地上系统0送水和送热。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。

井下热能提取装置1设置有进水口和出水口，分别设置有控制阀。进水口连通井下降温系统3的循环水管路，出水口连通冷却水处理系统4。进水口设置于气相空间上部，出水口设置于液相空间下部。进水口位置高于出水口。此外，井下热能提取装置1通过出水口单向的导通至连通冷却水处理系统4。

在一些实施例中，进水口和出水口之间通过设置在井下热能提取装置1内的管路连通，使得井下降温系统3的循环水路(冷却水循环)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，进水口与出水口之间也可以不设置管路和换热器，如本实施例，井下降温系统3的循环水(升温后的冷却水)自进水口流入，在液相空间中积蓄，自出水口流出，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。本实施例中，气相空间中介质为空气，液相空间中介质为水，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。

气体控制系统2设置于井下热能提取装置1的外部，连通井下热能提取装置1的气相空间。气体控制系统2包括一控压泵和一单向阀，可用于调整井下热能提取装置1的气相空间的气体压力。

井下降温系统3包括换热器及风机，连通井下巷道工作面、井下热能提取装置1及冷却水处理系统4。其中井下降温系统3的结构组成为现有技术，在此不予赘述。

冷却水处理系统4包括一冷水池，一热水池，一汇流处理器。其中冷水池与热水池分别与地表径流河连通，冷水池连通井下降温系统3，可自地表径流河抽取冷却水供给井下降温系统3。冷水池与热水池通过一设置有控制阀的管路相互连通，即，冷水池和热水池之间可直接进行水路输送，通过控制阀控制。汇流处理器与井下热能提取装置通过管路连通。

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的输水管路11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。由此可实现对井下热能的再利用。

在具体应用中，由冷却水处理系统4向井下降温系统3提供冷却水，井下降温系统3对矿井工作面进行吹风降温，而吸热升温后的冷却水通过循环水管路流入井下热能提取装置1。井下热能提取装置1的液相空间中是与之连通的井下降温系统3的循环水(即吸热升温后的冷却水)。井下降温系统3的循环水通过进水口进入液相空间，液相空间中的水(即来自降温系统3的冷却水)携带有降温过程中吸收的热量，通过出水口流入冷却水处理系统4。同时，气体控制系统2通过控压泵及单向阀调整气相空间气压。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向气相空间内增压时，气相空间总体积不变，内能随压力增大而增大，可实现气体的升温，间接的对液相空间中的水进行加热。液相空间中的升温水，可通过输水管路11上设置的水泵泵水至地上系统0。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，以便地上系统0对其进行转化和利用。

在冷却水处理系统4中，自井下热能提取装置流入的水通过管路进入汇流处理器，在汇流处理器中与来自冷水池中的水汇流，再流入热水池，由热水池流回地表径流河。汇流处理器可监控汇流后的水的温度，根据汇流后水的温度，决定是否开启冷水池直通热水池的管路控制阀，以使热水池的温度不致大幅超过地表径流河水温，这样排回地表径流河的水温不会大幅高过地表径流河本身的水温。以保证地表径流河中的水体环境。

在其他一些实施例中(如图3所示)，井下热能提取装置1内设置有第一换热器，第一换热器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101换热器由换热管路12连通，换热管路12内有传热介质，并连通地上系统0，且可选择的设置有控制阀和至少一水泵。

对于上述实施例，实际应用中，井下降温系统3的循环水通过进水口进入液相空间，液相空间中的水(即来自降温系统3的冷却水)携带有降温过程中吸收的热量，其与液相空间换热器进行热交换后，通过出水口流入冷却水处理系统4。液相空间换热器吸收的热能由换热管路12中的换热介质，通过水泵泵送至地上系统0。同时，气体控制系统2通过控压泵及单向阀调整气相空间气压，以利输水管路11向地上系统0进行送水。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向气相空间内增压时，气相空间总体积不变，内能随压力增大而增大，可实现气体的升温，升温的气体可通过气相空间换热器对换热管路12中的换热介质进行二次加热，热能可由换热管路12中的热介质传递至地上系统0。并且，由于液相空间的水为来自井下降温系统3的循环水，其也可对气相空间中的气体起到一定程度的升温作用。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，以便地上系统0对其进行转化和利用。

在其他一些实施例中，进水口与出水口之间可设置一第二换热器301(如图4所示)，并通过管路连通进水口与出水口。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，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，进水口与出水口之间的第二换热器301包括两个分别设置于气相空间和液相空间的换热器，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，实现对来自井下降温系统3的循环水更好的进行降温的目的。

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气体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，从而达到气相空间通过气相空间中的第二换热器301对来自井下降温系统3的循环水进行降温的目的。

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可传感器的数据，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。

本发明的有益效果在于，利用地表径流河提供冷能对矿井工作面进行降温，降温系统的循环水通过井下热能提取装置提取热能，可供给任意的地上用热/用水系统，实现了井下热能的再利用。热能提取装置可以根据具体情况，使其自然进行换热，或对装置内气相空间增压，提高换热能力，本领域技术人员可自由根据情况选择。此外，整个系统通过地表径流河提取的冷却水经过整个系统后回流到地表径流河不会对水体生态造成影响。

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：包括一冷却水处理系统，一井下热能提取装置及一井下降温系统；

所述冷却水处理系统连通所述井下降温系统和所述井下热能提取装置，；

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；所述输水管路连通一地上系统；所述井下降温系统与所述井下热能提取装置进行热量交换；所述井下热能提取装置单向地导通所述冷却水处理系统。

2.如权利要求1所述的矿井工作面降温系统，其特征在于：所述矿井工作面降温系统还包括一设置于所述井下热能提取装置外部的气体控制系统，连通所述气相空间；所述气体控制系统包括一控压泵和一单向阀，用于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：所述井下降温系统包括换热器及风机，连通井下巷道工作面、所述井下热能提取装置及所述冷却水处理系统。

4.如权利要求1所述的矿井工作面降温系统，其特征在于：所述冷却水系统包括一冷水池，一热水池，一汇流处理器；其中所述冷水池与所述热水池分别与地表径流河连通，且冷水池与热水池通过管路相互连通，管路上设置有控制阀；所述井下热能提取装置通过管路单向连通所述汇流处理器。

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内设置有一第一换热器，所述第一换热器包括一位于气相空间的气相空间换热器及一位于液相空间的液相空间换热器，两者通过一换热管路连通；所述第一换热器通过所述换热管路连通所述地上系统。

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和所述冷却水处理系统，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，该管路上设置有至少一第二换热器，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：所述第二换热器设置于所述气相空间。

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液相空间。

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。

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