CN114033457B - 一种解决深井矿山三高问题的巷道支护系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种解决深井矿山三高问题的巷道支护系统及方法，包括垂直巷道侧壁设置的能吸收地热的锚杆组件，还包括设置在地表的冷却池，设置在巷道内部的温差发电装置和水泵，以及连接冷却池、锚杆组件、温差发电装置和水泵的管道；从冷却池流出的冷水分成第一管道和第二管道，冷水经第一管道入水端流入锚杆组件吸收地热后变成热水从第一管道出水端流出，热水流入温差发电装置一端，冷水经第二管道直接流入温差发电装置另一端，使温差发电装置发电，带动水泵抽出巷道内的岩溶水，抽出的岩溶水再流入冷却池，从而形成一个串并联的巷道支护水流循环系统，能够同时解决深井矿山开采的三高问题。
Description
技术领域
本发明涉及深井矿山开采技术领域，尤其涉及一种解决深井矿山三高问题的巷道支护系统及方法。
背景技术
矿产资源是国家基础建设和经济发展重要的物质基础，随着浅部资源逐渐的消耗，深井矿产资源开发受到越来越多的重视。据不完全统计，目前我国已经进入或即将进入深井开采阶段的矿山已有20余座。
随着矿山进入深井开采，三高问题逐渐凸显，三高是指高地应力、高地温、高岩溶水压。进入深井开采后，仅重力引起的垂直原岩应力就会超过20MPa，由于工程开挖产生的应力集中，甚至会超过40MPa，远远大于工程岩体的抗压强度；同时，随着地温梯度的影响，每下挖1km，温度平均上升30℃，地下工作环境恶劣；由于地应力及地温的升高，岩溶水压也会升高，使得矿井突水灾害更为严重。依据矿井的开采经验，开采深度大于1km的深井，其岩溶水压将高达7MPa，相当于至少700m高的水头压力，这种情况有可能会导致隧道施工时突水事故的发生；同时，这些突水事故与浅层时的突水事故相比，具有明显的瞬时突发性和不可预测性。因此，如何在绿色环保开采的同时保证安全有效地解决深井地下矿山的三高问题，是目前深井地下开采面临的一大问题。
深井矿山开采中采用的常规巷道支护装置都能解决高地应力的问题，但同时能解决高地温和高岩溶水压的问题鲜有记载。尽管诸多学者在降低深井地温方面进行了大量研究，取得了很多有益成果，但是这些成果存在占用空间大、能耗高、系统复杂的缺点，难以在矿山实际生产中大量推广使用，且大部分研究均是将地热当成一种灾害，忽略了地热也可以作为一种新能源的属性，造成了极大的资源浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决深井矿山三高问题的巷道支护系统及方法，能够同时解决深井矿山开采的三高问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种解决深井矿山三高问题的巷道支护系统，包括垂直巷道侧壁设置的能吸收地热的锚杆组件，所述锚杆组件包括内部均为中空结构的进水管、锚杆和出水管，进水管设置在锚杆空腔内，出水管设置在锚杆空腔一侧；该巷道支护系统还包括设置在地表的冷却池，设置在巷道内部的温差发电装置和水泵，以及连接冷却池、锚杆组件、温差发电装置和水泵的管道；从冷却池流出的冷水分成第一管道和第二管道，冷水经第一管道入水端流入锚杆组件吸收地热后变成热水从第一管道出水端流出，热水流入温差发电装置一端，冷水经第二管道直接流入温差发电装置另一端，使温差发电装置发电，带动水泵抽出巷道内的岩溶水，抽出的岩溶水再流入冷却池，从而形成一个串并联的巷道支护水流循环系统以解决三高问题。
进一步地，该巷道支护系统还包括水平设置在岩体与巷道侧壁之间能吸收地热的盘管组件，所述盘管组件包括锚网、盘管以及连接锚网和盘管的挂钩；所述盘管组件与锚杆组件并联连接，冷水经第一管道入水端流入盘管吸收地热后变成热水从第一管道出水端流出，热水流入温差发电装置一端。盘管组件能进一步吸收巷道侧壁围岩的热量，与锚杆组件配合使用，提高吸收地热效率，为温差发电装置提供稳定持续的热源。
更进一步地，所述盘管的进水端和出水端之间设有防止管道堵塞阻止水流循环流通的单向阀。因巷道的围岩内可能存在大颗粒固体等杂质进入管道，从而堵塞盘管的进水端，使进水端的水压持续增大而冲开设置在进水端和出水端之间的单向阀的阀芯，使单向阀被打开，水流可以在管道内继续流通。
再进一步地，所述锚网固定在岩体与第一喷浆层之间，盘管固定在第一喷浆层与第二喷浆层之间，挂钩垂直穿过第一喷浆层将锚网和盘管分别连接起来。锚网和锚杆组件一起起支护作用，盘管主要起吸收围岩热量、降低巷道内温度的作用，结构设计简单，适用性强。
作为优选方案，所述进水管和锚杆一端留有间隙；所述进水管另一端设有进水口，进水管内侧形成进水腔，进水管外侧和锚杆内侧形成换热腔，出水管内侧形成出水腔，出水管一端设有出水口。冷水从进水口依次流入进水腔、换热腔，在换热腔内吸收围岩的热量变成热水，热水再经出水腔从出水口流出，锚杆组件不仅起到支护作用，还起到吸收围岩热量，降低巷道内温度的作用，结构设计巧妙，适用性强。
进一步地，所述第一管道分成多个并联的支管道，每个支管道上串联多个锚杆组件，以增加吸收地热的效果。多个锚杆组件形成串并联结构，可以提高吸收地热效率，为温差发电装置提供稳定持续的热源。
更进一步地，所述每个支管道上均设有防止支管道堵塞阻止水流循环流通的单向阀。因巷道的围岩内可能存在碎石等杂质进入管道，从而堵塞单个锚杆组件的进水口，在进水口和出水口之间设置单向阀，可以防止因某个锚杆组件进水口被堵塞从而引起整个支管道堵塞，从而使这个支管道上串联的其他锚杆组件都不能工作，而降低吸收地热的效率；因此设计单向阀，可以保证每个支管道上的水流循环流通。
本发明还提供了一种使用上述解决深井矿山三高问题的巷道支护系统的巷道支护方法，所述方法包括以下步骤：
1)垂直岩体打注锚杆组件，锚头位于岩体一侧，在锚杆周围注入注浆层，所述锚杆依次穿过第一喷浆层、第二喷浆层，锚杆末端通过隔热层固定，从而将锚杆组件垂直固定在巷道侧壁上；
2)在岩体另一侧与第一喷浆层之间水平铺设锚网，锚网通过锚杆组件内的锚具和垫片预固定，在第一喷浆层与第二喷浆层之间水平铺设盘管，挂钩垂直穿过第一喷浆层，挂钩一端与锚网连接，挂钩另一端与盘管连接；所述锚网、盘管均与锚杆交错布置；盘管的主管道埋在隔热层内部；
3)在地表上安装冷却池，在巷道内部安装温差发电装置和水泵，用管道依次连接冷却池、锚杆组件、盘管组件、温差发电装置和水泵；
4)冷水经第一管道入水端分别流入锚杆组件和盘管组件，冷水从锚杆组件的进水口依次流入进水腔、换热腔，在换热腔内吸收围岩的热量变成热水，热水再经出水腔从出水口流出；冷水从盘管一端流入，吸收围岩的热量变成热水，热水再从盘管另一端流出；从锚杆组件和盘管组件流出的热水分别从第一管道出水端流入温差发电装置一端，同时冷水经第二管道直接流入温差发电装置另一端，使温差发电装置在冷热水作用下发电；
5)温差发电装置带动水泵工作，抽出围岩内的高温岩溶水和发电废水，抽出的岩溶水再流入冷却池，经冷却池冷却后进入下一个循环。
本发明的优点在于：本发明通过锚杆组件起到巷道支护的功能，同时中空结构的锚杆组件还能吸收围岩的热量，通过冷却池、温差发电装置和水泵以及连接管路形成一个封闭的水流循环系统，从冷却池流出的冷水，一方面流入锚杆组件吸收围岩热量后变成热水再流入温差发电装置一端，另一方面从冷却池流出的冷水直接流入温差发电装置另一端，从而使温差发电装置发电，以带动水泵抽出围岩内的岩溶水，抽出的岩溶水经冷却池冷却后进入下一个循环，以此来解决本发明的高地应力、高地温、高岩溶水压的三高问题。
相对与现有技术，常规的巷道支护装置虽然能解决高地应力、高地温的问题，但同时能解决高地应力、高地温、高岩溶水压的问题鲜有记载。本发明开创性地提出一套巷道支护及水流循环系统，并将常规认为是灾害的地热当成一种新能源，利用其进行发电，同时将岩溶水作为整个水流循环系统的重要组成部分，使资源得到合理利用，节能环保的同时还能解决三高问题，整个系统造价成本低，安装方法简单，易于推广使用。
附图说明
图1为本发明工作原理图；
图2为本发明三维立体结构图；
图3为图2中锚杆组件平面结构图；
图4为图2中盘管组件平面结构图；
图5为图2中盘管安装立体结构图；
图中各部件标号如下：
101-岩体，102-第一管道入水端，103-单向阀，104-第一管道出水端，105-温差发电装置，106-水泵，107-地表，108-冷却池，109-第一喷浆层，110-第二喷浆层，111-隔热层，112-第一管道，113-第二管道；
200-锚杆组件，201-进水管，202-锚杆，203-垫片，204-锚具，205-进水口，206-注浆层，207-卡扣，208-出水口，209-出水管，210-进水腔，211-换热腔，212-出水腔；
300-盘管组件，301-锚网，302-盘管，303-挂钩；
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-2所示，本发明提供了一种解决深井矿山三高问题的巷道支护系统，包括垂直巷道侧壁设置的能吸收地热的锚杆组件200，水平设置在岩体101与巷道侧壁之间能吸收地热的盘管组件300，设置在地表107的冷却池108，设置在巷道内部的温差发电装置105和水泵106，以及连接冷却池108、锚杆组件200、盘管组件300、温差发电装置105和水泵106的管道。
从冷却池108流出的冷水分成第一管道112和第二管道113，冷水经第一管道入水端102分成两个支路分别流入锚杆组件200和盘管组件300，吸收地热后变成热水再从两个支路同时汇入第一管道出水端104流出，热水流入温差发电装置105一端，冷水经第二管道113直接流入温差发电装置105另一端，使温差发电装置105发电，带动水泵106抽出巷道内的岩溶水和发电废水，抽出的岩溶水再流入冷却池108，从而形成一个串并联的巷道支护水流循环系统以解决三高问题。
其中，利用冷热水进行发电的温差发电装置105和利用水泵106抽出巷道内的岩溶水属于比较成熟的现有技术，在此不再详细展开。
冷却池108蓄积水泵106输送至地表107的水，冷却方式为自然冷却，其内部配备有过滤装置，可过滤岩溶水中的杂质，尤其是大颗粒固体，避免锚杆组件200或盘管组件300堵塞，阻断水循环。同时，因冷却池108位于地表，过滤之后的冷水借助重力势能直接流入锚杆组件200、盘管组件300以及温差发电装置105，不需要再额外耗费能量，绿色环保，节约能源。
如图3所示，所述锚杆组件200包括内部均为中空结构的进水管201、锚杆202，出水管209，设置在锚杆202上部的锚头，设置在锚杆202下部的垫片203、锚具204；锚杆202底部设有缺口，进水管201穿过所述缺口沿锚杆202长度方向设置在锚杆202空腔内；出水管209为L型管，设置在锚杆202空腔一侧，进水管201与出水管209呈垂直状态，二者通过半弧形连接部连接，半弧形连接部与锚杆202底部用卡扣207卡紧。
所述进水管201和锚杆202顶部留有间隙；所述进水管201底部还设有进水口205，进水管201内侧形成进水腔210，进水管201外侧和锚杆202内侧形成换热腔211，出水管209内侧形成出水腔212，出水管209一端设有出水口208；所述第一管道112分成三个并联的支管道，每个支管道上串联多个锚杆组件200，以增加吸收地热的效果；所述每个支管道上均设有防止支管道堵塞阻止水流循环流通的多个常闭单向阀103，每个单向阀103均设置在每个锚杆组件200的进水口205和出水口208之间，管道畅通时单向阀103处于关闭状态，管道堵塞时单向阀103才会因进水口205端的水压增大而被打开，此时水流直接经单向阀103流至管道另一侧，避免单个锚杆组件200堵塞而导致整条支路瘫痪的情况发生。
进水管201、出水管209因位于锚杆202内部，承受应力较小，对材料的硬度要求较低，只需能承受高地热即可，如由高弹性软钢管制成的地热管，具有抗压、抗热和柔软度高的特点。
锚杆202由高强度、高弹性钢管制成，对巷道支护起主要作用。
卡扣207是由两个半圆部组成的圆环，两个半圆部通过螺纹连接锁紧，卡扣207选用优质玛钢材质重力铸造，一次成型，产品耐高温高压，耐磨损，使用寿命长。
锚头、垫片203、锚具204均为现有技术，在此不在赘述。
如图4-5所示，所述盘管组件300包括锚网301、盘管302以及连接锚网301和盘管302的S形金属挂钩303；所述盘管组件300与锚杆组件200并联连接，冷水经第一管道入水端102流入盘管302吸收地热后变成热水从第一管道出水端104流出，热水流入温差发电装置105一端；所述锚网301固定在岩体101与第一喷浆层109之间，盘管302固定在第一喷浆层109与第二喷浆层110之间，挂钩303垂直穿过第一喷浆层109将锚网301和盘管302分别连接起来，第一喷浆层109的厚度小于挂钩303的长度；所述盘管302的进水端和出水端之间设有防止管道堵塞阻止水流循环流通的单向阀103。
锚网301为金属锚网，属于现有技术，在此不在赘述。锚网301将巷道侧壁的岩石兜住，锚具204和垫片203对锚网301进行预固定。
盘管302为蛇形或波浪形高弹性软钢管，做成蛇形或波浪形可以增大与第一喷浆层109、第二喷浆层110的接触面积，提高吸收地热的效率。
锚杆组件200垂直插入岩体101内部，点式深入岩体101集热；盘管组件300水平铺设在岩壁表面，面式平铺集热；两者结合，实现点与面、内与外同时收集地热，可提高集热效率，起到更好的降温效果。
本发明还提供了一种使用上述解决深井矿山三高问题的巷道支护系统的巷道支护方法，所述方法包括以下步骤：
1)垂直岩体101打注锚杆组件200，锚头位于岩体101一侧，在锚杆202周围注入注浆层206以填补锚杆202与岩石之间的缝隙，所述锚杆202依次穿过第一喷浆层109、第二喷浆层110，锚杆202末端通过隔热层111固定，从而将锚杆组件200垂直固定在巷道侧壁上；
2)在岩体101另一侧水平铺设锚网301，锚网301通过锚杆组件200内的锚具204和垫片203预固定，在锚网301上端喷洒第一喷浆层109，在第一喷浆层109上端水平铺设盘管302，在盘管302上端喷洒第二喷浆层110，挂钩303垂直穿过第一喷浆层109，挂钩303一端挂接或焊接在锚网301上，挂钩303另一端与盘管302挂接；所述锚网301、盘管302均与锚杆202交错布置；盘管302的主管道埋在隔热层111内部；
3)在地表上安装冷却池108，在巷道内部安装温差发电装置105和水泵106，用管道依次连接冷却池108、锚杆组件200、盘管组件300、温差发电装置105和水泵106；
4)冷水经第一管道入水端102分别流入锚杆组件200和盘管组件300，冷水从锚杆组件200的进水口205依次流入进水腔210、换热腔211，在换热腔211内吸收围岩的热量变成热水，热水再经出水腔212从出水口208流出；冷水从盘管302一端流入，吸收围岩的热量变成热水，热水再从盘管302另一端流出；从锚杆组件200和盘管组件300流出的热水分别从第一管道出水端104流入温差发电装置105一端，同时冷水经第二管道113直接流入温差发电装置105另一端，使温差发电装置105在冷热水作用下发电；
5)温差发电装置105带动水泵106工作，抽出围岩内的高温岩溶水，抽出的岩溶水再流入冷却池108，经冷却池108冷却后进入下一个循环。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种解决深井矿山三高问题的巷道支护系统，包括垂直巷道侧壁设置的能吸收地热的锚杆组件(200)，所述锚杆组件(200)包括内部均为中空结构的进水管(201)、锚杆(202)和出水管(209)，进水管(201)设置在锚杆(202)空腔内，出水管(209)设置在锚杆(202)空腔一侧；其特征在于：该巷道支护系统还包括设置在地表的冷却池(108)，设置在巷道内部的温差发电装置(105)和水泵(106)，以及连接冷却池(108)、锚杆组件(200)、温差发电装置(105)和水泵(106)的管道；从冷却池(108)流出的冷水分成第一管道(112)和第二管道(113)，冷水经第一管道入水端(102)流入锚杆组件(200)吸收地热后变成热水从第一管道出水端(104)流出，热水流入温差发电装置(105)一端，冷水经第二管道(113)直接流入温差发电装置(105)另一端，使温差发电装置(105)发电，带动水泵(106)抽出巷道内的岩溶水和发电废水，抽出的岩溶水再流入冷却池(108)，从而形成一个串并联的巷道支护水流循环系统以解决三高问题。
2.根据权利要求1所述的解决深井矿山三高问题的巷道支护系统，其特征在于：该巷道支护系统还包括水平设置在岩体(101)与巷道侧壁之间能吸收地热的盘管组件(300)，所述盘管组件(300)包括锚网(301)、盘管(302)以及连接锚网(301)和盘管(302)的挂钩(303)；所述盘管组件(300)与锚杆组件(200)并联连接，冷水经第一管道入水端(102)流入盘管(302)吸收地热后变成热水从第一管道出水端(104)流出，热水流入温差发电装置(105)一端。
3.根据权利要求2所述的解决深井矿山三高问题的巷道支护系统，其特征在于：所述盘管(302)的进水端和出水端之间设有防止管道堵塞阻止水流循环流通的单向阀(103)。
4.根据权利要求3所述的解决深井矿山三高问题的巷道支护系统，其特征在于：所述锚网(301)固定在岩体(101)与第一喷浆层(109)之间，盘管(302)固定在第一喷浆层(109)与第二喷浆层(110)之间，挂钩(303)垂直穿过第一喷浆层(109)将锚网(301)和盘管(302)分别连接起来。
5.根据权利要求1所述的解决深井矿山三高问题的巷道支护系统，其特征在于：所述进水管(201)和锚杆(202)一端留有间隙；所述进水管(201)另一端设有进水口(205)，进水管(201)内侧形成进水腔(210)，进水管(201)外侧和锚杆(202)内侧形成换热腔(211)，出水管(209)内侧形成出水腔(212)，出水管(209)一端设有出水口(208)。
6.根据权利要求5所述的解决深井矿山三高问题的巷道支护系统，其特征在于：所述第一管道(112)分成多个并联的支管道，每个支管道上串联多个锚杆组件(200)，以增加吸收地热的效果。
7.根据权利要求6所述的解决深井矿山三高问题的巷道支护系统，其特征在于：所述每个支管道上均设有防止支管道堵塞阻止水流循环流通的单向阀(103)。
8.根据权利要求1-7中任一项所述解决深井矿山三高问题的巷道支护系统的巷道支护方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，
1)垂直岩体(101)打注锚杆组件(200)，锚头位于岩体(101)一侧，在锚杆(202)周围注入注浆层(206)，所述锚杆(202)依次穿过第一喷浆层(109)、第二喷浆层(110)，锚杆(202)末端通过隔热层(111)固定，从而将锚杆组件(200)垂直固定在巷道侧壁上；
2)在岩体(101)另一侧水平铺设锚网(301)，锚网(301)通过锚杆组件(200)内的锚具(204)和垫片(203)预固定，在锚网(301)上端喷洒第一喷浆层(109)，在第一喷浆层(109)上端水平铺设盘管(302)，在盘管(302)上端喷洒第二喷浆层(110)，挂钩(303)垂直穿过第一喷浆层(109)，挂钩(303)一端与锚网(301)连接，挂钩(303)另一端与盘管(302)连接；所述锚网(301)、盘管(302)均与锚杆(202)交错布置；盘管(302)的主管道埋在隔热层(111)内部；
3)在地表上安装冷却池(108)，在巷道内部安装温差发电装置(105)和水泵(106)，用管道依次连接冷却池(108)、锚杆组件(200)、盘管组件(300)、温差发电装置(105)和水泵(106)；
4)冷水经第一管道入水端(102)分别流入锚杆组件(200)和盘管组件(300)，冷水从锚杆组件(200)的进水口(205)依次流入进水腔(210)、换热腔(211)，在换热腔(211)内吸收围岩的热量变成热水，热水再经出水腔(212)从出水口(208)流出；冷水从盘管(302)一端流入，吸收围岩的热量变成热水，热水再从盘管(302)另一端流出；从锚杆组件(200)和盘管组件(300)流出的热水分别从第一管道出水端(104)流入温差发电装置(105)一端，同时冷水经第二管道(113)直接流入温差发电装置(105)另一端，使温差发电装置(105)在冷热水作用下发电；
5)温差发电装置(105)带动水泵(106)工作，抽出围岩内的高温岩溶水和发电废水，抽出的岩溶水再流入冷却池(108)，经冷却池(108)冷却后进入下一个循环。
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