CN110630309A - 一种煤矿井用压裂丛式井压缩空气储能通风系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种煤矿井用压裂丛式井压缩空气储能通风系统，涉及地下热能换热通风技术领域，包括压裂丛式井换热系统、井下通风换热系统和低沸点工质换热系统，所述的压裂丛式井换热系统通过一定直径的管道与井下通风换热系统相连设有混合风箱，流经换热器换热升温后的工质与流经压裂丛式井换热系统换热升温后的工质在混合风箱内充分混合后送入地下煤矿井，工质经井下通风换热系统末端换热器最终以适宜温度排至大气。本发明高效利用地热能进行煤矿井换热通风，解决了目前矿井通风中存在的一些问题，更加经济环保。
Description
技术领域
本发明涉及地下热能换热通风技术领域，特别是涉及一种煤矿井用压裂丛式井压缩空气储能通风系统。
背景技术
在煤矿开采过程中，煤矿井下的有害气体会随着煤矿井的加深而增多，为保证煤矿井下工作的工作人员生命安全，需要不断注入新鲜空气。在冬季，煤矿井下温度较低，需要注入达到人体所能接受温度的新鲜空气，而地上热泵和换热器虽能满足换热需求，但是存在体积大、较难施工、机器长期置于室外易损坏、未能达到预期换热温度等问题。
地热资源是一种极具影响力的可再生清洁能源，其具有稳定且不受昼夜温差和季节温度的影响、利用率较高、使用安全、运行成本低等优越性，对环境十分友好。
我国的地热能源储量相对比较丰富，总储存量大约占全球地热能源储量的7.9％，其中可以开采利用地热能源储量的能量相当于4626.5亿t标准燃煤。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了针对现有技术中煤矿井下换热通风系统中使用的热泵换热器体积大、机器易损坏等造成的施工不便、达不到预期换热效果、资金浪费等问题，严重影响煤矿井下施工以及矿井工人的安全等问题，本发明提供一种煤矿井用压裂丛式井压缩空气储能通风系统。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种煤矿井用压裂丛式井压缩空气储能通风系统，包括压裂丛式井换热系统、井下通风换热系统和低沸点工质换热系统，压裂丛式井换热系统和低沸点工质换热系统通过混合风箱与井下通风换热系统相连，其中，
压裂丛式井换热系统用于加热经空压机压缩后的自然环境中的冷空气，冷空气经过该压裂从式井换热系统加热后使其温度达到20℃以上，并利用井下空间将大量加热后的压缩空气进行储能；
井下通风换热系统用于矿井通风的主系统，该系统将经压裂从式井换热系统和低沸点工质换热系统加热后的热空气经送风井送入矿井中，再从回风井排出，以满足矿井生产的需要；
以及低沸点工质换热系统用于对回风井的回风余热进行利用，通过该系统可以利用换热器将回风的余热转移到低沸点工质中，再将加热后的低沸点工质泵送至另外一个换热器，该换热器也用于加热来自自然环境中的冷空气，从而实现回风余热的利用；
且流经低沸点工质换热系统换热升温后的工质与流经压裂丛式井换热系统换热升温后的工质在混合风箱内充分混合后送入井下通风换热系统内的地下煤矿井，混合后的工质经井下通风换热系统末端的换热器热交换后排至大气。
进一步，所述压裂丛式井换热系统内含三个子系统，包括注入系统、热交换系统和排出系统，注入系统与热交换系统的注入端相连，用于注入热交换工质；热交换系统用于实现工质与浅层岩石体的热交换；排出系统与热交换系统的排出端相连，用于将经过热交换的工质输送到混合风箱内。
具体的，所述注入系统包括空气压缩机、阀门、注入管、隔传导型材料一和工质一；所述热交换系统包括浅层岩石体和热交换压裂井孔；所述排出系统包括排出管、隔传导型材料二和工质二；隔传导型材料一填充在注入管的外壁与浅层岩石体之间，隔传导型材料二填充在排出管的外壁与浅层岩石体之间，所述注入管为两个，所述注入管和排出管末端均位于浅层岩石体内部，且所述注入管末端均通过压裂的方式形成用于与排出管末端连通的热交换压裂井孔；外部工质经阀门和空气压缩机注入到注入管内形成工质一，工质一流经热交换压裂井孔进行热交换后排出到排出管内形成工质二。
所述热交换压裂井孔是将在排出系统末端与注入系统末端之间的岩石体进行压裂从而将两系统连通所形成的缝隙，采用此结构可以减少钻井施工量。
所述的压裂丛式井换热系统采取下述方案：
步骤1：根据地质勘探结果，选取合适位置且质地紧密的浅层岩石体(如花岗岩、变质岩等)，依据所需换热量、地热梯度计算出的井径、井深和井距在此处施工所需的三口井。
步骤2：在两口井的末端与其夹在中间的一口井的末端进行压裂连通，形成热交换压裂井孔。
步骤3：建立注入系统，在两口注入井井内安装注入管，填充隔传导型材料一。
步骤4：建立排出系统，在两口注入井中间的一口井内安装排出管，填充隔传导型材料二。
步骤5：注入系统通过管道与地上相连设有空气压缩机、阀门，排出系统与井下通风换热系统通过一定直径的管道相连并设有送风机、阀门、混合风箱。
进一步，所述井下通风换热系统包括送风机一、送风机二、送风机三、换热器一、换热器二、混合风箱、工质三、工质四、工质五和工质六，送风机一设置在排出管的出口端，将所述的工质二抽入混合风箱；所述的换热器一的入口端与送风机三相连；所述的换热器一的出口端与混合风箱相连，所述的换热器一与混合风箱之间形成工质四；所述的混合风箱与地下煤矿井始端通过管道相连；所述的换热器二与通过送风机二与地下煤矿井末端相连；送风机三用于输入工质三，工质三经换热器一后形成工质四，工质四与工质二混合后进入地下煤矿井形成工质五，工质五经送风机二和换热器二形成工质六排出。
进一步，所述低沸点工质换热系统设置在换热器一与换热器二之间，且在低沸点工质换热系统内有低沸点工质循环。
所述工质六为经矿井通风后排至大气的气体。
本发明的有益效果是：
1.节约能源，充分利用浅层地热能；
2.节省地上空间，外观整洁美观，不易损坏；
3.井径较小，不会对地面建筑造成影响；
4.有效提高换热能力，使换热工质达到所需换热温度；
5.不同温度工质在混合风箱内充分混合，提高换热速度，增加系统寿命；
6.地下管材外填充隔传导型材料，管材耐腐蚀、耐高压、耐高温，系统使用年限较长；
7.所需施工的三口井均为直井，便于在钻井时添加润滑剂，易于施工。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为一种煤矿井用压裂丛式井压缩空气储能通风系统图；
图中：1-空气压缩机、2-阀门、3a-注入管一、3b-注入管二、4-工质一、5- 隔传导型材料一、6-热交换压裂井孔、7-浅层岩石体、8-隔传导型材料二、9-工质二、10-排出管、11-送风机一、12-阀门、13-阀门、14-工质五、15-地下煤矿井、16-送风机二、17-阀门、18-换热器二、19-工质三、20-送风机三、21-阀门、 22-换热器一、23-工质四、24-阀门、25-混合风箱、26-低沸点工质、27-工质六、 28-两管道不相交处。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明的一种煤矿井用压裂丛式井压缩空气储能通风系统，包括压裂丛式井换热系统、井下通风换热系统和低沸点工质换热系统，压裂丛式井换热系统和低沸点工质换热系统通过混合风箱25与井下通风换热系统相连，其中，
压裂丛式井换热系统用于加热经空压机压缩后的自然环境中的冷空气，冷空气经过该压裂从式井换热系统加热后使其温度达到20℃以上，并利用井下空间将大量加热后的压缩空气进行储能；
井下通风换热系统用于对回风井的回风余热进行利用，通过该系统可以利用换热器将回风的余热转移到低沸点工质中，再将加热后的低沸点工质泵送至另外一个换热器，该换热器也用于加热来自自然环境中的冷空气，从而实现回风余热的利用；
以及低沸点工质换热系统用于矿井通风的主系统，该系统将经压裂从式井换热系统和低沸点工质换热系统加热后的热空气经送风井送入矿井中，再从回风井排出，以满足矿井生产的需要；
所述的压裂丛式井换热系统通过一定直径的管道与井下通风换热系统相连设有混合风箱25，流经换热器一22换热升温后的工质四23与流经压裂丛式井换热系统换热升温后的工质二9在混合风箱25内充分混合后送入地下煤矿井15，工质五14经井下通风换热系统末端换热器最终以工质六27排至大气。
所述压裂丛式井换热系统内含三个子系统，包括注入系统、热交换系统和排出系统，注入系统与热交换系统的注入端相连，用于注入热交换工质；热交换系统用于实现工质与浅层岩石体7的热交换；排出系统与热交换系统的排出端相连，用于将经过热交换的工质输送到混合风箱25内。
具体的，注入系统包括空气压缩机1、阀门2、注入管、隔传导型材料一5 和工质一4；所述热交换系统包括浅层岩石体7和热交换压裂井孔6；所述排出系统包括排出管10、隔传导型材料二8和工质二9；隔传导型材料一5填充在注入管的外壁与浅层岩石体7之间，隔传导型材料二8填充在排出管10的外壁与浅层岩石体7之间，本实施例中所述注入管为两个，分别为注入管一3a和注入管二3b，所述注入管一3a、注入管二3b和排出管10末端均位于浅层岩石体 7内部，且所述注入管一3a和注入管二3b末端均通过压裂的方式形成用于与排出管10末端连通的热交换压裂井孔6；外部工质经阀门2和空气压缩机1注入到注入管一3a和注入管二3b内形成工质一4，工质一4流经热交换压裂井孔6 进行热交换后排出到排出管10内形成工质二9。
所述热交换压裂井孔6是将在排出系统末端与注入系统末端之间的岩石体进行压裂从而将两系统连通所形成的缝隙，采用此结构可以减少钻井施工量。
所述的压裂丛式井换热系统采取下述实施方式：
1、根据地质勘探结果，选取合适位置且质地紧密的浅层岩石体7(如花岗岩、变质岩等)，依据所需换热量、地热梯度计算出的井径、井深和井距在此处施工所需的三口井。
2、在两口井的末端与其夹在中间的一口井的末端进行压裂连通，形成热交换压裂井孔6。
3、在两口注入井井内安装注入管一3a和注入管二3b，并进行水泥加固，注入管一3a和注入管二3b的管外均填充隔传导型材料一5，形成注入系统。
4、在中间的一口井内部安装排出管10，并进行水泥加固，排出管10外填充隔传导型材料二8，形成排出系统。
5、将根据所需换热量计算出的工质一4、工质二9的工质量一次性注入注入管一3a和注入管二3b、排出管10、热交换压裂井孔6中。
6、注入系统顶部连接空气压缩机1、阀门2，排出系统末端与井下通风换热系统连接并设有混合风箱25、阀门12、送风机一11。
所述的井下通风换热系统包括送风机一11、送风机二16、送风机三20、换热器一22、换热器二18、混合风箱25、工质三19、工质四23、工质五14和工质六27，送风机一11设置在排出管10的出口端，将所述的工质二9抽入混合风箱25，混合风箱25与送风机一11之间的管路上设有阀门12；所述的换热器一22的入口端与送风机三20相连，且二者之间设有阀门21；所述的换热器一 22的出口端与混合风箱25相连并在二者之间设有阀门24，所述的换热器一22 与混合风箱25之间形成工质四23；所述的混合风箱25与地下煤矿井15始端通过管道相连，且在二者之间的管道上设有阀门13；所述的换热器二18与通过送风机二16与地下煤矿井15末端相连，且换热器二18与送风机二16之间到的管道上设有阀门17；所述的低沸点工质换热系统，在换热器一22与换热器二 18之间有低沸点工质26循环。图中28处表示两管道不相交处。
所述的工质一4经空气压缩机1进入注入管3流至热交换压裂井孔6经浅层岩石体7换热升温变成工质二9进入排出管10，所述的工质二9经送风机11 进入混合风箱25，所述的工质三19经送风机20进入换热器一22换热升温变成工质四23进入混合风箱25，所述的工质四23与工质二9在混合风箱25内充分混合变成工质五14后注入地下煤矿井15，所述的工质五14流至地下煤矿井15 末端经送风机16进入换热器二18换热升温变成工质六27。
本发明采用地热压缩空气储能的原理解决了怎样的问题目前冬季矿井通风传统空气源热泵加热能耗高、燃煤锅炉加热不节能且污染物排放超标等突出问题。本发明中所述的地热资源是煤矿井通风加热的主要热源，利用该系统可以将地热能转移到矿井通风中，以满足冬季矿井通风对温度的要求，此外，所需施工的三口井均为直井，便于钻井时添加润滑剂，易于施工。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (7)
1.一种煤矿井用压裂丛式井压缩空气储能通风系统，其特征在于：包括压裂丛式井换热系统、井下通风换热系统和低沸点工质换热系统，压裂丛式井换热系统和低沸点工质换热系统通过混合风箱与井下通风换热系统相连，其中，
压裂从式井换热系统用于加热经空压机压缩后的自然环境中的冷空气；
低沸点工质换热系统用于对回风井的回风余热进行利用；
以及井下通风换热系统是用于矿井通风的主系统，该系统将经压裂从式井换热系统和低沸点工质换热系统加热后的热空气经送风井送入矿井中，再从回风井排出；
且流经低沸点工质换热系统换热升温后的工质与流经压裂丛式井换热系统换热升温后的工质在混合风箱内充分混合后送入井下通风换热系统内的地下煤矿井，混合后的工质经井下通风换热系统末端的换热器热交换后排至大气。
2.如权利要求1所述的煤矿井用压裂丛式井压缩空气储能通风系统，其特征在于：所述压裂丛式井换热系统内含三个子系统，包括注入系统、热交换系统和排出系统，注入系统与热交换系统的注入端相连，用于注入热交换工质；热交换系统用于实现工质与浅层岩石体的热交换；排出系统与热交换系统的排出端相连，用于将经过热交换的工质输送到混合风箱内。
3.如权利要求2所述的煤矿井用压裂丛式井压缩空气储能通风系统，其特征在于：所述注入系统包括空气压缩机、阀门、注入管、隔传导型材料一和工质一；所述压裂从式井热交换系统包括浅层岩石体和热交换压裂井孔；所述排出系统包括排出管、隔传导型材料二和工质二；隔传导型材料一填充在注入管的外壁与浅层岩石体之间，隔传导型材料二填充在排出管的外壁与浅层岩石体之间，所述注入管为两个，所述注入管和排出管末端均位于浅层岩石体内部，且所述注入管末端均通过压裂的方式形成用于与排出管末端连通的热交换压裂井孔；外部工质经阀门和空气压缩机注入到注入管内形成工质一，工质一流经热交换压裂井孔进行热交换后排出到排出管内形成工质二。
4.如权利要求3所述的煤矿井用压裂丛式井压缩空气储能通风系统，其特征在于：所述热交换压裂井孔是将在排出系统末端与注入系统末端之间的岩石体进行压裂从而将两系统连通所形成的缝隙。
5.如权利要求3所述的煤矿井用压裂丛式井压缩空气储能通风系统，其特征在于：所述井下通风换热系统包括送风机一、送风机二、送风机三、换热器一、换热器二、混合风箱、工质三、工质四、工质五和工质六，送风机一设置在排出管的出口端，将所述的工质二抽入混合风箱；所述的换热器一的入口端与送风机三相连；所述的换热器一的出口端与混合风箱相连，所述的换热器一与混合风箱之间形成工质四；所述的混合风箱与地下煤矿井始端通过管道相连；所述的换热器二与通过送风机二与地下煤矿井末端相连；送风机三用于输入工质三，工质三经换热器一后形成工质四，工质四与工质二混合后进入地下煤矿井形成工质五，工质五经送风机二和换热器二形成工质六排出。
6.如权利要求5所述的煤矿井用压裂丛式井压缩空气储能通风系统，其特征在于：所述低沸点工质换热系统设置在换热器一与换热器二之间，且在低沸点工质换热系统内有低沸点工质循环。
7.如权利要求5所述的煤矿井用压裂丛式井压缩空气储能通风系统，其特征在于：所述工质六为经矿井通风后排至大气温度的气体。
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