CN113626991B - 一种废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法，属于地热资源开发和利用领域。选择煤矿典型长臂开采工作面，根据工作面的各项参数计算采空区覆岩两带倒漏斗状梯形结构体积，并根据两带平均碎涨系数/空隙率，计算出单个所选典型工作面采空区上覆两带空隙即储水体积；调查废弃煤矿基本参数，将井筒、巷道和采场工作面采空区的空隙储水体积之和判断为废弃煤矿矿井水热储总体积；最后利用废弃煤矿矿井水热储总体积通过热力计算评估废弃煤矿矿井水热储静态潜能。该方法估计精准、误差小，对废弃矿井内部不同井、巷和采场情况综合考虑，可用于快速估算废弃矿井储热能力，为废弃煤矿地热开发利用过程中的抽水试验和工程设计提供基础数据参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种热储潜能计算方法，尤其适用于废弃被淹矿井使用的一种废弃被淹煤矿 矿井水热储潜能计算方法，属于地热资源开发和利用领域。
背景技术
我国对关闭/废弃煤矿资源开发利用的研究起步较晚，基础理论和关键技术薄弱，相关理 论研究和技术创新迫在眉睫。
在废弃煤矿资源化利用的诸多模式中，利用废弃煤矿的固有属性将其与可再生能源开发 利用相结合的研究与实践引起了广泛关注。目前，该类研究与实践的形式主要有四种：地面 太阳能和风能发电、矿井水热储地热开发、井下抽水电站和压缩空气储能。其中，与热泵技术相结合的废弃被淹煤矿地热开发模式具有其独特优势。一方面，废弃煤矿被淹后矿井水常 年温度基本恒定，形成大体积量的中低焓地热储层；另一方面，废弃矿井的前期开采作业及 相应配套井巷设施提供了一种类似新型开挖式中低焓地热开发模式，不仅降低了钻井及维护 成本，而且改善了热储层的渗透特性，极大地提高了废弃煤矿地热资源开发利用的技术、经济可行性。然而，对该类热储开发潜能及可行性的认识不足制约了上述废弃煤矿井下水热型 热储的大规模开发利用，具体技术问题则是煤矿井下采掘作业形成的井、巷和采场空间即热 储体积的难以确定，尤其是废弃采空区空隙储水体积。
针对废弃煤矿，传统方法均通过全寿命周期内矿井开采煤炭总体积考虑地面沉降等效估 算废弃/被淹煤矿井下空隙即储水容积，该方法忽略了大量采准巷道(尤其是永久支护岩巷)， 误差较大；相对精细化的研究则多按照双重多孔介质处理井下采掘作业空间，较少区分井筒(井)、巷道(巷)和采场(采空区)结构差异导致的复杂空隙特征。目前较多的研究聚焦于 煤矿采空区。以煤矿地下水库建设为例，基于该理念的库容、储水系数确定技术与方法虽然 统筹考虑了井下采空区上覆岩层的空隙空间，但不能有效捕获冒落带和裂隙带空隙垂向分布变化特征，且缺乏对井、巷空间的综合分析，存在着生产与废弃矿井间的差异。例如，基于 生产矿井的煤矿地下水库建设出于安全性考虑需时刻监测水库水位，并以此考虑库容和坝体 设计，而废弃矿井则近似认为矿井在废弃后排水即停止，矿井全部被淹后水位逐渐回升反弹 至井筒封闭位置，无需过多考虑水位监测及相应安全问题。
发明内容
针对上述技术的不足之处，充分考虑煤矿井、巷和采场尤其是采空区上覆冒落带和裂隙 带垂向空隙结构的差异性，结合矿井水基本热力、工况参数提出一种步骤简单，估算精度高 的废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法。
为实现上述技术目的，本发明的废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法，其步骤为：
a、选择矿井中典型的长臂开采工作面，根据长臂开采工作面的各项参数计算采空区覆岩 两带倒漏斗状梯形结构体积，并根据两带平均碎涨系数/空隙率，计算出单个所选典型工作面 采空区上覆两带空隙即储水体积；
b、调查废弃煤矿基本参数，分别计算废弃煤矿井筒、巷道和采场工作面采空区的空隙储 水体积，之后计算井筒、巷道和采场工作面采空区的空隙储水体积之和，即为废弃煤矿矿井 水热储总体积；
c、利用废弃煤矿矿井水热储总体积计算废弃煤矿矿井水热储静态潜能，并可以进一步开 展后续节能减排分析。
进一步，单个所选典型工作面采空区上覆两带空隙即储水体积的具体步骤为：
首先基于空间守恒采矿损伤不变量方程，建立地面/岩层沉降与煤层采高、两带高度间的 理论关系式；其次基于岩石碎涨特性，分析岩石碎胀系数与空隙率参数关系，带入前述沉降 与两带垂向高度间理论关系式获得冒落带和裂隙带碎涨系数/空隙率与相应高度关系；
为了消去较难获得的岩层沉降参数，在冒落带和裂隙带碎涨系数随垂向高度分别呈线性 增加和对数衰减变化规律假设基础上，建立相应坐标系推导冒落带和裂隙带碎涨系数随高度 变化的函数关系式，并得到相应高度范围内平均碎涨系数的关系式；其中冒落带和裂隙带高度采用已有文献或国家行业标准中的经验公式，考虑坚硬、中硬、软弱和极软四种不同岩性 计算确定；
结合采空区覆岩两带空间范围近似呈对称性倒漏斗状梯形结构假设，选择矿井典型长臂 开采工作面，确定长臂开采工作面走向和倾向长度、采高、煤层倾角及相对应地面沉降高度， 计算采空区覆岩两带倒漏斗状梯形结构体积，并根据两带平均碎涨系数/空隙率，计算出单个 所选典型工作面采空区上覆两带空隙即储水体积。
进一步，首先调查废弃煤矿基本参数，然后对废弃煤矿中的每个工作面均使用步骤a的 方法计算计算采空区空隙储水体积并进行累加；其中在资料缺失或不足情况下通过已开采原 煤量的体积等效选择a步骤典型工作面进行类比计算工作面数量，通过a步骤确定单个工作面采空区空隙储水体积后乘以工作面数量近似分析，最后统筹考虑井筒、巷道和采场工作面 采空区的空隙储水体积，三者之和为废弃煤矿矿井水热储总体积。
进一步，调查废弃煤矿基本参数，包括井筒形式、数量、直径和深度；生产时期井下永 久支护巷道类型、断面形式与长度；矿井全生命周期内开采工作面数量、走向长度、倾向长 度、煤层采高、煤层倾角及顶底板岩性；井筒空隙即储水体积确定；由于巷道参数的获取会存在一定的困难与不确定性，除根据矿井资料相对精确地获得所需参数后计算永久巷道空隙 储水体积外，还可以将标准掘进巷道作为参考采用废弃煤矿生产时期平均巷道掘进率指标估 算巷道长度，进而计算巷道空隙即储水体积；工作面参数也可采用两种方式：根据矿井资料 相对精确地获得所需工作面参数，并针对每个工作面采用步骤a方法计算采空区空隙储水体 积后进行累加；或者在资料缺失或不足情况下通过已开采原煤量的体积等效选择a步骤典型 工作面进行类比计算工作面数量，通过a步骤确定单个工作面采空区空隙储水体积后乘以工作面数量近似分析。
进一步，利用下式计算废弃煤矿矿井水热储静态潜能：
Es＝ηcwρwVwΔT＝ηcwρwVw(Tw-T0)
式中：Es为矿井水热储静态潜能，kWh；η为能量转换系数，取值1/3600＝0.0002778；cw、 ρw和Vw分别为矿井水比热、密度和体积，其中cw＝4.18kJ/(kg·℃)，ρw＝1000kg/m3， Vw为前述b步骤计算所得矿井水热储总体积，Tw为矿井水热储开采位置的温度，根据开采位 置深度和矿井地温梯度计算，T0为参考温度，以热力学中热的概念为基础定义为理想状态 下从热源可获取的的最大可用功，
进一步，计算废弃煤矿矿井水热储静态潜能采用三种不同工况方案：地区最热月平均温 度、最冷月平均温度和全年平均温度衡量计算。实际情况下，不论Tw和T0如何取值，一般水 热型热储地热能开发所需的热泵技术中ΔT＝5℃，即矿井水所含地热能提取后进出水温差一 般为5℃。
有益效果：
本发明充分考虑煤矿井、巷和采场尤其是采空区上覆冒落带和裂隙带垂向空隙结构的差 异性，矿井水基本热力、工况参数步骤简单，估计精准误差小，对废弃矿井的各种内部情况 综合考虑，可以快速有效用于估算废弃矿井储热能力，为废弃煤矿地热开发利用过程中的抽水试验和工程设计提供基础数据参考。
附图说明
图1为本发明废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法的流程示意图；
图2为为单个工作面开采后岩层垮落、两带碎涨与空隙分布示意图；
图3为两带空间范围梯形结构模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
本发明的废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法，首先计算覆岩类型影响的煤矿采空区 上覆冒落带和裂隙带空隙储水体积，然后通过体积法计算矿井水热力参数的废弃煤矿矿井水 温热型热储潜能。
具体步骤如下：
a、首先基于空间守恒采矿损伤不变量方程，建立地面/岩层沉降与煤层采高、两带高度 间的理论关系式；其次基于岩石碎涨特性，分析岩石碎胀系数与空隙率参数关系，带入前述 沉降与两带垂向高度间理论关系式获得冒落带和裂隙带碎涨系数/空隙率与相应高度关系；为 了消去较难获得的岩层沉降参数，在冒落带和裂隙带碎涨系数随垂向高度分别呈线性增加和 对数衰减变化规律假设基础上，建立相应坐标系推导冒落带和裂隙带碎涨系数随高度变化的 函数关系式，并得到相应高度范围内平均碎涨系数的具体计算式；在上述结果中作为已知量 的冒落带和裂隙带高度采用已有文献或国家行业标准中的经验公式，考虑坚硬、中硬、软弱和极软四种不同岩性计算确定；进一步结合采空区覆岩两带空间范围近似呈对称性倒漏斗状 梯形结构假设，选择矿井典型长臂开采工作面，确定其走向和倾向长度、采高、煤层倾角及 相对应地面沉降高度，计算采空区覆岩两带倒漏斗状梯形结构体积，并根据两带平均碎涨系 数/空隙率，计算单个所选典型工作面采空区上覆两带空隙即储水体积。
b、调查废弃煤矿基本参数，包括井筒形式、数量、直径和深度；生产时期井下永久支护 巷道类型、断面形式与长度；矿井全生命周期内开采工作面数量、走向长度、倾向长度、煤 层采高、煤层倾角及顶底板岩性。其中，井筒参数资料最容易获取，进一步井筒空隙即储水体积可以确定；巷道参数的获取会存在一定的困难与不确定性，除根据矿井资料相对精确地 获得所需参数后计算永久巷道空隙储水体积外，还可以通过选择某标准掘进巷道，以其为参 考采用废弃煤矿生产时期平均巷道掘进率指标(生产1万吨煤炭所需掘进的巷道总进尺数/ 长度)估算巷道长度，进而计算巷道空隙即储水体积；同样工作面参数也可采用两种方式，一方面可以根据矿井资料相对精确地获得所需工作面参数，并针对每个工作面采用步骤a方 法计算采空区空隙储水体积后进行累加；另一方面在资料缺失或不足情况下通过已开采原煤 量的体积等效选择a步骤典型工作面进行类比计算工作面数量，通过a步骤确定单个工作面采空区空隙储水体积后乘以工作面数量近似分析。最后统筹考虑井筒、巷道和采场工作面采 空区的空隙储水体积，三者之和为废弃煤矿矿井水热储总体积。
c、采用式Es＝ηcwρwVwΔT＝ηcwρwVw(Tw-T0)计算废弃煤矿矿井水热储静态潜能。 其中，Es为矿井水热储静态潜能，kWh；η为能量转换系数，取值1/3600＝0.0002778；cw、ρw和Vw分别为矿井水比热、密度和体积，其中cw＝4.18kJ/(kg·℃)，ρw＝1000kg/m3，Vw为前述b步骤计算所得矿井水热储总体积。Tw为矿井水热储开采位置的温度，根据开采位置 深度和矿井地温梯度计算。T0为参考温度，以热力学中热的概念为基础定义为理想状态下 从热源可获取的的最大可用功(能量)，这里可采用三种不同工况方案：地区最热月平均温度、最冷月平均温度和全年平均温度衡量计算。实际情况下，不论Tw和T0如何取值，一般水热型 热储地热能开发所需的热泵技术中ΔT＝5℃，即矿井水所含地热能提取后进出水温差一般为 5℃。在通过a、b步骤确定矿井水热储体积后，结合本步骤即可得到矿井水热储潜能，并可 以进一步开展后续节能减排分析。
图1为本发明的主要步骤、流程及逻辑关系示意图。主要分为三部分，分别为：A-采空 区两带空隙储水体积计算，B-废弃煤矿井、巷、采空区调查及空隙储水体积计算，C-废弃煤 矿矿井水热储潜能计算。每项主步骤又包含若干子步骤，其中：A1-空间守恒采矿损伤不变量 方程，A2-两带碎涨系数与高度关系，A3-两带平均碎涨系数计算，A4-经验公式计算两带高度， A5-建立坐标系，推导两带垂向碎涨系数与高度间线性和对数函数表达式，A6-空隙率与碎涨 系数关系推导，A7-选择典型工作面，基于倒梯形结构假设计算两带空间体积，结合两带空隙参数计算两带内空隙即储水体积，B1-废弃煤矿调查，B2-井筒调查，包括形式、数量、直径、 深度参数获取，计算井筒空隙储水体积，B3-巷道调查，包括永久支护巷道类型、断面、长度 参数获取，计算巷道空隙储水体积，B3’-或者选择典型巷道参数通过矿井全寿命周期内(生 产期)平均巷道掘进率指标估算巷道长度及后续空隙储水体积，B4-工作面调查，包括矿井全 寿命周期内(生产期)所开采工作面总数量、走向和倾向长度、煤层采高和倾角、顶板岩性 参数获取，计算采场空隙储水体积，B4’-或者选择典型工作面通过已开采原煤体积等效确定 类比工作面数量及后续空隙储水体积，C1-矿井水热力参数确定，C2-矿井水热储开采温度工 况确定，C3-结合矿井水热储体积及热力参数计算热储潜能。
图2为单个工作面开采后岩层垮落、两带碎涨与空隙分布示意图，图3为两带空间范围 梯形结构模型示意图，图2和图3是步骤a计算工作面采空区上覆两带空隙即储水体积的基 础。
下面结合附图中的具体实施例对本发明作进一步的描述：
(1)采空区两带空隙储水体积计算
长壁开采煤矿工作面采空区空隙主要存在于冒落带与裂隙带(储水/气空间)已成为本领 域共识。将冒落带和裂隙带区别分析，以图2所示冒落带为例，基于采矿空间守恒矿损伤不 变量方程可得
A(Hm+Hc)＝A(hc+Sf)→Hm+Hc＝hc+Sf (1)
式(1)中，A工作面开采区域面积，考虑在高度方向上的一致性可消去，Hm为煤层采高； Hc为冒落带高度，hc为直接顶冒落后破碎岩体高度，Sf为裂隙带底界未冒落岩层沉降量。
类似地，当研究对象为裂隙带时，将裂隙带岩层沉降量Sf类比为冒落带计算时的采高， 得到：
A(Sf+Hf)＝A(hf+Smax)→Sf+Hf＝hf+Smax (2)
式(2)中，Hf为裂隙带高度，hf为裂隙带破碎沉降后高度，Smax为地表最大沉降量。
根据碎涨系数定义，岩体碎涨后体积增大，在相同面积A时采用高度衡量冒落带和裂隙 带岩体碎涨前后关系为
式(3)和(4)中，和/>分别为冒落带和裂隙带破碎岩体平均垂向碎涨系数。将式(3)和(4) 分别代入式(1)和(2)中，可以得到两带平均碎涨系数为
冒落带：
裂隙带：
式(5)和(6)中，煤层采高Hm为已知，Smax可通过地面沉降观测较容易获得，中间量Sf理 论上可以通过现场钻孔开展岩移实验观测获得，但成本较高，这里将其视为中间变量考虑如 何消去，Hc和Hf通过文献和国家标准采用以下经验公式计算确定：
对于单一煤层，式(7)退化为
式(7)和(8)中，C1～C4为经验拟合系数，受覆岩岩性影响，其取值见表1所示。
表1冒落带和裂隙带高度计算经验公式参数取值
为了获得式(5)和(6)中两带平均碎涨系数的具体计算式，消去较难获得的部分中间变量 参数Sf，基于图2建立用于分析两带碎涨系数随高度变化关系的坐标系：
冒落带：文献研究已经表明，冒落带碎涨系数上部大、下部小，存在与垂向高度间正相 关变化规律。因此，以Okh坐标系为参考假设二者间线性关系为
裂隙带：文献研究已经表明，裂隙带范围内煤岩碎涨系数自裂隙带底界向上呈减小趋势， 满足对数函数衰减规律，以O’kh坐标系为参考假设二者间关系为
需要说明的是，建立上述两式的坐标系虽然不同，存在一些差异，但在端点处物理参数 连续并且应符合实际情况。其中，在冒落带下缘边界与煤层底板接触位置、裂隙带顶界岩体 不存在或极少存在采动裂隙，即碎胀系数k＝1；煤矿采空区冒落带和裂隙带之间没有明显的 分界线，认为裂隙带底界破碎岩体的碎胀系数与冒落带顶界岩块的碎胀系数相等，即k'c＝k′f。 基于式(9)和(10)可以获得应入系数m和n间的关系为
对式(9)在(0，Hm+Hc)范围内积分求平均值并结合式(5)可得：
对式(10)在(0，Hf)范围内积分求平均值并结合式(6)可得：
联立上述三式(11)-(13)，方程组中m、n和Sf为三个未知量，其余参数视为已知量，方 程组封闭，可求解得出m、n和Sf的表达式如下。
在获得式(14)的基础上，就可以得到两带碎涨系数与高度间函数关系式(9)、(10)和平均 碎涨系数计算式(12)、(13)。以后续计算步骤所需的式(12)、(13)为例，其具体计算式为
进一步根据碎涨系数的定义，建立空隙率与碎涨系数间的关系如下：
式(17)中，Vi为煤岩体破碎前的初始体积；Vb为破碎煤岩体积；ΔV＝Vp＝Vb-Vi为由于煤岩碎涨导致增加的体积即空隙体积；k为煤岩碎涨系数。
在上述计算步骤完成的基础上，以2016年关闭的某煤矿为例，选择某典型长臂开采工作 面为例，近水平煤层采高3m，走向长度800m，倾向长度200m，截止2019年底(闭井后约4 年)，其地面最大累计沉降约0.141m，计算某煤矿单个采空区采动/废弃空间参数如表2所示。
表2某煤矿单工作面采空区采动/废弃空间参数
基于已有文献对采空区覆岩两带空间范围近似呈对称性倒漏斗状梯形结构假设，其模型 示意图如图3所示。冒落带和裂隙带空间范围倒漏斗状梯形结构体积计算公式为：
冒落带：
裂隙带：
式(15)和(16)中，Vc和Vf分别为冒落带和裂隙带空间范围梯形结构体积；La和Lb分别为 工作面倾向和走向长度，以前面所选择工作面为例La＝200，Lb＝800；a1和b1分别为冒落 带梯形结构顶界沿倾向和走向边长，a2和b2分别为裂隙带梯形结构顶界沿倾向和走向边长， 采用下式计算：
a1＝La-2hccotφ (20)
b1＝Lb-2hccotφ (21)
a2＝a1-2hfcotφ (22)
b2＝b1-2hfcotφ (23)
式中，φ为岩层破断角，根据矿井提供资料一般约50～60°，这里取平均值55°。
进一步，可以确定单个工作面废弃采空区两带空隙储水体积为：
式中，Vpc和Vpf分别为冒落带和裂隙带空隙储水体积，Vc和Vf分别为冒落带和裂隙带空间 形成的倒漏斗状梯形结构体积，和/>分别为冒落带和裂隙带垂向平均空隙率。根据上述分 析可以确定某煤矿单工作面采空区空隙储水体积参数如表3所示。至此，单个工作面采空区 两带空隙储水体积计算结束。
表3某煤矿储水体积参数估算(800m×200m×3m尺寸工作面)
(2)废弃煤矿井、巷、采空区调查及空隙储水体积计算
调查废弃煤矿井筒基本参数，包括井筒形式(立斜井)、数量、直径和深度。以所选择的 上述废弃煤矿为例，矿井共布置主井、副井和东西风井共4个立井井筒。主井：井筒净直径 8m，井深564m；副井：井筒净直径6m，井深548m；风井：东西两风井井筒净直径6m，井深457m。假设矿井关闭后井筒封闭处位置高度可忽略，计算井筒空隙储水体积为
V井＝＝3.14×42×564+3.14×32×548+2×3.14×32×457≈69651m3 (25)
调查废弃煤矿巷道基本参数，包括永久支护巷道类型、断面、长度。同样以所选择的上 述废弃煤矿为例，工作面临时支护巷道基本随回采作业结束而坍塌，与工作面采空区空隙统 筹考虑，这里仅考虑岩巷永久支护巷道，主要有井底车场及硐室巷道、东西进回风运输大巷和部分采区巷道。经调查后统计计算巷道空隙储水体积，V巷＝13.2万m3，如表4所示。当矿 井资料缺失或不允许开展详细调查时可通过原煤产量结合矿井巷道掘进率指标估算永久支护 巷道长度及空隙储水体积。
表4某废弃煤矿永久支护巷道空隙储水体积调查计算
调查废弃煤矿工作面基本参数，包括矿井全寿命周期内(生产期)所开采工作面总数量、 每个已开采工作面走向和倾向长度、煤层采高和倾角、顶板岩性。当矿井资料缺失或不允许 开展详细调查时，同样可以根据已开采原煤体积等效确定类比工作面数量及后续空隙储水体 积。在本实施例中该步骤采用后者。根据矿井统计资料，所假定废弃煤矿自建井至关闭共开采原煤6.44×107吨，考虑原煤密度约1500kg/m3，以前期选择的典型800m×200m×3m尺寸 工作面为参考，约等效类比为Vcoal/Vface＝6.44/1.5×107/(800×200×3)≈89.4个该工作 面。则该废弃煤矿工作面采空区总空隙储水体积为
V面＝3.88×105×89.4≈3.469×107m3 (26)
则该废弃煤矿井、巷、采空区空隙储水总体积为
V＝V井+V巷+V面＝69651+132079+3.469×107≈3.49×107m3 (27)
该步骤计算结果表明，相对于煤矿采空区空隙储水体积，所选择废弃煤矿井巷空间形成 的储水体积较小，不足0.5个所假定800m×200m×3m尺寸工作面采空区空隙储水体积。
(3)废弃煤矿矿井水热储潜能计算
除储水体积外，矿井水形成热储的温度是评价废弃矿井地热热储潜能的另一关键因素。 受地温梯度影响，热储暨矿井水温度与煤层埋深有直接关系。综合考虑热储温度和体积，计 算潜能如下：
Es＝ηcwρwVwΔT＝ηcwρwVw(Tw-T0) (28)
式(28)中，η＝1/3600＝0.0002778，cw＝4.18kJ/(kg·℃)，ρw＝1000kg/m3，Vw为前述b步骤计算所得矿井水热储总体积V≈3.48×107m3，Tw为矿井水热储开采位置的温度，根据开采位置深度和矿井地温梯度按下式计算
式(29)中，Tcon和Zcon分别为为恒温带温度和深度，Tg为矿井地温梯度，Zw为矿井水热储 开采位置深度。式(28)中T0为参考温度，它的确定可以采取三种不同方案：矿井所在地区地区最热月平均温度、最冷月平均温度和全年平均温度，可通过当地气象资料查询获取。本实 施例采用ΔT＝5℃计算，可计算矿井水热储潜能如下：
基于上述计算结果，该废弃煤矿井下热水型热储的地热能储量巨大，约2×108kWh，可等 效转化为1.95×107m3天然气、5.54×104m3石油或1.04×105吨标准煤当量传统化石能源。进 一步考虑废弃矿井所在地区冬季12、1和2月近100天供暖期，夏季6-9月近120天制冷期 共约5280h的年运行利用时长，计算热储利用系统输出功率约38MW，大致相当于一座装机容量4万千瓦小型火力发电机组。此外，相对于传统化石燃料的高碳排放(0.204～0.287 kg/(kWh))，该热储利用可减少碳排放80％以上(0.048kg/(kWh))，年减少碳排放可达3万 吨，减排效果显著。
Claims (5)
1.一种废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法，其特征在于步骤为：
a、选择矿井中典型的长壁开采工作面，根据长壁开采工作面的各项参数计算采空区覆岩两带倒漏斗状梯形结构体积，并根据两带平均碎胀系数/空隙率，计算出单个所选典型工作面采空区上覆两带空隙即储水体积；
b、调查废弃煤矿基本参数，分别计算废弃煤矿井筒、巷道和采场工作面采空区的空隙储水体积，之后计算井筒、巷道和采场工作面采空区的空隙储水体积之和，即为废弃煤矿矿井水热储总体积；
c、利用废弃煤矿矿井水热储总体积计算得到废弃煤矿矿井水热储静态潜能，并可以进一步开展后续节能减排分析；
单个所选典型工作面采空区上覆两带空隙即储水体积的具体步骤为：
首先基于空间守恒采矿损伤不变量方程，建立地面/岩层沉降与煤层采高、两带高度间的理论关系式；其次基于岩石碎涨特性，分析岩石碎胀系数与空隙率参数关系，带入前述沉降与两带垂向高度间理论关系式获得冒落带和裂隙带碎胀系数/空隙率与相应高度关系；
为了消去难获得的岩层沉降参数，在冒落带和裂隙带碎胀系数随垂向高度分别呈线性增加和对数衰减变化规律假设基础上，建立相应坐标系推导冒落带和裂隙带碎胀系数随高度变化的函数关系式，并得到相应高度范围内平均碎胀系数的关系式；其中冒落带和裂隙带高度考虑坚硬、中硬、软弱和极软四种不同岩性计算确定；
结合采空区覆岩两带空间范围近似呈对称性倒漏斗状梯形结构假设，选择矿井典型长壁开采工作面，确定长壁开采工作面走向和倾向长度、采高、煤层倾角及相对应地面沉降高度，计算采空区覆岩两带倒漏斗状梯形结构体积，并根据两带平均碎胀系数/空隙率，计算出单个所选典型工作面采空区上覆两带空隙即储水体积。
2.根据权利要求1所述的废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法，其特征在于：首先调查废弃煤矿基本参数，然后对废弃煤矿中的每个工作面均使用步骤a的方法计算计算采空区空隙储水体积并进行累加；其中在资料缺失或不足情况下通过已开采原煤量的体积等效选择a步骤典型工作面进行类比计算工作面数量，通过a步骤确定单个工作面采空区空隙储水体积后乘以工作面数量近似分析，最后统筹考虑井筒、巷道和采场工作面采空区的空隙储水体积，三者之和为废弃煤矿矿井水热储总体积。
3.根据权利要求2所述的废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法，其特征在于：调查废弃煤矿基本参数，包括井筒形式、数量、直径和井筒的深度；生产时期井下永久支护巷道类型、断面形式与长度；矿井全生命周期内开采工作面数量、走向长度、倾向长度、煤层采高、煤层倾角及顶底板岩性；井筒空隙即储水体积确定；根据矿井资料获得所需参数后计算永久巷道空隙储水体积，将标准掘进巷道作为参考采用废弃煤矿生产时期平均巷道掘进率指标估算巷道长度，进而计算巷道空隙即储水体积；工作面参数采用两种方式：根据矿井资料相对精确地获得所需工作面参数，并针对每个工作面采用步骤a方法计算采空区空隙储水体积后进行累加；或者在资料缺失或不足情况下通过已开采原煤量的体积等效选择a步骤典型工作面进行类比计算工作面数量，通过a步骤确定单个工作面采空区空隙储水体积后乘以工作面数量近似分析。
4.根据权利要求1所述的废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法，其特征在于利用下式计算废弃煤矿矿井水热储静态潜能：
Es＝ηcwρwVwΔT＝ηcwρwVw(Tw-T0)
式中：Es为矿井水热储静态潜能，kWh；η为能量转换系数，取值1/3600＝0.0002778；cw、ρw和Vw分别为矿井水比热、密度和体积，其中cw＝4.18kJ/(kg·℃)，ρw＝1000kg/m3，Vw为前述b步骤计算所得矿井水热储总体积，Tw为矿井水热储开采位置的温度，根据开采位置深度和矿井地温梯度计算，T0为参考温度，以热力学中热的概念为基础定义为理想状态下从热源可获取的的最大可用功。
5.根据权利要求4所述的废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法，其特征在于计算废弃煤矿矿井水热储静态潜能采用三种不同工况方案：地区最热月平均温度、最冷月平均温度和全年平均温度衡量计算；实际情况下，不论Tw和T0如何取值，水热型热储地热能开发所需的热泵技术中ΔT＝5℃，即矿井水所含地热能提取后进出水温差为5℃。
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