CN114608219A - 一种高温矿井水资源冷热转换循环利用系统 - Google Patents

一种高温矿井水资源冷热转换循环利用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温矿井水资源冷热转换循环利用系统，包括抽水回灌系统、地下一级冷热交互系统、地下二级冷热交互系统、地上一级冷热交互系统、地上二级冷热交互系统、智能控制系统；整体构成简单，使用更加方便；水热循环充分利用矿井水资源和地热资源，能够解决热害以及高涌水问题；采用井下抽采含水层冷水的方法，能够更充分地利用水资源，能够减少供水成本；水循环管路布设简单，排水成本低；排水进入地下水库解决了冷凝热无处排放的问题。

Description

一种高温矿井水资源冷热转换循环利用系统
技术领域
本发明涉及高温矿井水资源循环利用技术领域领域，具体涉及一种高温矿井水资源冷热转换循环利用系统。
背景技术
随着煤炭开采进入深部阶段，矿井面临着高地温及大量涌水的危害；为了缓解高温和高涌水，煤矿投入巨大的成本解决问题，但是目前的现状为：
1、治理高温和涌水分别使用不同的系统和设备，井下投资量大，设备多系统繁琐，且生产管理复杂。
2、对作为矿井地下资源的矿井水和地热利用不充分、不到位，通常会忽略掉其中一者的利用价值，在治理热害、治理涌水的同时难以兼顾利用地温、利用井下涌水，不能将两者相结合进行治理和利用。
3、通常地面向井下供水线路较长，井下供水成本高。
4、通常井下降温采用局部制冷机降温的方法，其制冷机冷凝热无处排放，且制冷机利用过后的水温度较低，长距离提取热量散失较大，地面提取的热量相对较少。
5、井下排水管路复杂，排水成本高，排出井水处理成本高。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种高温矿井水资源冷热转换循环利用系统，能够有效缓解高温、高涌水的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种高温矿井水资源冷热转换循环利用系统，包括抽水回灌系统、地下一级冷热交互系统、地下二级冷热交互系统、地上一级冷热交互系统、地上二级冷热交互系统、智能控制系统；所述抽水回灌系统包括含水层抽采井、含水层抽采井水泵、含水层回灌井、回灌井水泵；所述含水层抽采井水泵用于将含水层抽采井内的恒温含水层冷水输送给地下一级冷热交互系统，所述地下一级冷热交互系统包括空气源热泵机组，所述空气源热泵机组用于与从含水层抽采井内输送来的恒温含水层冷水进行热交换形成次高温热水，并向工作面提供冷空气；所述地下二级冷热交互系统包括水压增压泵二、地下水库，所述水压增压泵二用于将经过空气源热泵机组热交换过后形成的次高温热水水输送到与地下水库连通的地下水库注射井内，次高温水在地下水库内与水库中的多孔介质进行对流换热形成高温热水；所述地上一级冷热交互系统包括地下水库抽水泵、水源热泵机组、净水机组，所述地下水库抽水泵用于抽取注射井内的高温热水并经过净水机组净化后输送给水源热泵机组进行热交换形成冷水；所述地上二级冷热交互系统包括制冷机组，所述制冷机组与水源热泵机组连通，用于与水源热泵机组输送来的冷水进行换热，将冷水换热形成热水，并将地面空气换热形成冷风输送给空气源热泵机组，所述回灌井水泵用于将经制冷机组换热形成的热水输送到含水层回灌井内；所述智能控制系统包括总信息处理器，所述总信息处理器与含水层抽采井水泵、回灌井水泵、水压增压泵二、空气源热泵机组、地下水库抽水泵、水源热泵机组、净水机组、制冷机组电连接。
优选地，所述空气源热泵机组的进水口连接有水压增压泵一，所述水压增压泵一的进水口与含水层抽采井水泵的出水口连通；所述水压增压泵一与总信息处理器电连接。
优选地，所述含水层抽采井水泵连接有含水层抽采井水泵阀门控制器，所述水压增压泵一连接有水压增压泵控制器，所述含水层抽采井水泵阀门控制器、水压增压泵控制器与总信息处理器电连接。
优选地，所述空气源热泵机组连接有风温传感器，所述风温传感器与总信息处理器电连接。
优选地，所述地下水库连通有地下水库抽水井，所述地下水库抽水井与地下水库抽水泵的进水口连通。
优选地，所述水压增压泵二的进水口与工作面废水管道连通。
优选地，所述地下水库抽水泵连接有地下水库抽水泵阀门控制器，所述水源热泵机组连接有水温传感器，所述空气源热泵机组的上游进水口处设置有水压传感器，所述地下水库抽水泵阀门控制器、水温传感器、水压传感器与总信息处理器电连接。
本发明的有益效果在于：
1.本发明整体构成简单，使用更加方便。
2.本发明的水热循环充分利用矿井水资源和地热资源，能够解决热害以及高涌水问题。
3.本发明采用井下抽采含水层冷水的方法，能够更充分地利用水资源，能够减少供水成本。
4.本发明的水循环管路布设简单，排水成本低。
5.本发明的排水进入地下水库解决了冷凝热无处排放的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明各子系统关系流程图；
图2为本发明主要设备与水循环关系示意图；
图3为本发明整体构成示意图；
附图标记说明：
1、含水层回灌井；2、回灌井水泵；3、制冷机组；4、净水机组；5、水源热泵机组；6、地下水库抽水泵7、地下水库抽水泵阀门控制器；8、水温传感器；9、地下水库抽水井；10、地下水库；11、地下水库注射井；12、水压增压泵二；13、高温工作面；14、风温传感器；15、空气源热泵机组；16、水压传感器；17、水压增压泵一；18、水压增压泵控制器；19、含水层抽采井水泵；20、含水层抽采井水泵阀门控制器；21、含水层抽采井；22、含水层；23、总信息处理器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，本实例提供一种高温矿井水资源冷热转换循环利用系统，包括抽水回灌系统、地下一级冷热交互系统、地下二级冷热交互系统、地上一级冷热交互系统、地上二级冷热交互系统和智能控制系统。
抽水回灌系统用于提取含水层冷水，利用冷水冷量，制冷高温工作面空气，收集矿井水并且提取地下水库热量。
地下一级冷热交互系统利用含水层抽出冷水对工作面降温，并将用后的次高温热水通入下一级系统。
地下二级冷热交互系统作为水仓和热储，收集矿井废水和上一级用水并使其升温，初步净化矿井水，为地上一级系统提供热水。
地上一级冷热交互系统，用于抽采地下二级系统热水能量，并对水流再次净化，为下一级系统提供冷水。
地上二级冷热交互系统，由上一级提供冷水制冷风通入井下，并将用后的水流通入抽水回灌系统的回灌井中。
智能控制系统，通过总信息处理器与地上和井下各个传感器、控制器进行通讯，主要用于对设备工作效果进行调节，使得风温和水温达到设定要求。
所述抽水回灌系统包括含水层抽采井21、含水层抽采井水泵19、含水层回灌井1、回灌井水泵2；所述含水层抽采井水泵19用于将含水层抽采井21内的恒温含水层冷水输送给地下一级冷热交互系统，所述地下一级冷热交互系统包括空气源热泵机组15，所述空气源热泵机组15用于与从含水层抽采井21内输送来的恒温含水层冷水进行热交换形成次高温热水，并向工作面提供冷空气；所述地下二级冷热交互系统包括水压增压泵二12、地下水库10，所述水压增压泵二12用于将经过空气源热泵机组15热交换过后形成的次高温热水水输送到与地下水库10连通的地下水库注射井11内，次高温水在地下水库10内与水库中的多孔介质进行对流换热形成高温热水；所述地上一级冷热交互系统包括地下水库抽水泵6、水源热泵机组5、净水机组4，所述地下水库抽水泵6用于抽取注射井内的高温热水并经过净水机组4净化后输送给水源热泵机组5进行热交换形成冷水；所述地上二级冷热交互系统包括制冷机组3，所述制冷机组3与水源热泵机组5连通，用于与水源热泵机组5输送来的冷水进行换热，将冷水换热形成热水，并将地面空气换热形成冷风输送给空气源热泵机组15，所述回灌井水泵2用于将经制冷机组3换热形成的热水输送到含水层回灌井1内；所述智能控制系统包括总信息处理器23，所述总信息处理器23与含水层抽采井水泵19、回灌井水泵2、水压增压泵二12、空气源热泵机组15、地下水库抽水泵6、水源热泵机组5、净水机组4、制冷机组3电连接。
所述空气源热泵机组15的进水口连接有水压增压泵一17，所述水压增压泵一17的进水口与含水层抽采井水泵19的出水口连通；所述水压增压泵一17与总信息处理器23电连接。所述含水层抽采井水泵19连接有含水层抽采井水泵阀门控制器20，所述水压增压泵一17连接有水压增压泵控制器18，所述含水层抽采井水泵阀门控制器20、水压增压泵控制器18与总信息处理器23电连接。所述空气源热泵机组15连接有风温传感器14，所述风温传感器14与总信息处理器23电连接。
所述地下水库10连通有地下水库抽水井9，所述地下水库抽水井9与地下水库抽水泵6的进水口连通。所述水压增压泵二12的进水口与工作面废水管道连通。
所述地下水库抽水泵6连接有地下水库抽水泵阀门控制器7，所述水源热泵机组5连接有水温传感器8，所述空气源热泵机组15的上游进水口处设置有水压传感器16，所述地下水库抽水泵阀门控制器7、水温传感器8、水压传感器16与总信息处理器23电连接。
选择近地表处于地下100m-250m内恒温层中的含水层，保证其冷量足够，并且保证对含水层22进行抽采时，不会对其相邻隔水层及上覆岩层造成较大的扰动。
含水层抽采井21的钻孔位置选择时，需要避开软弱岩层、陷落柱、断层等能够通过现有技术勘测出来的地质构造，保证钻井的强度和生产的安全；水压增压泵控制器18由本领域技术人员根据含水层水自流压力选择现有型号产品，保证其阀门的承压强度足够。
含水层回灌井1和含水层抽采井21的位置投影在地面不同位置，本领域人员根据现场情况采用现有方式确定含水层回灌井1和含水层抽采井21的间隔，保证含水层抽采井21的热水对抽采出的冷水温度没有影响。
空气源热泵机组15与所述含水层抽采井21用管道相连接，利用抽采的含水层水的冷量来制冷高温工作面13的空气；
空气源热泵15的上游管道设有水压增压泵一17，用来调整水压适应热泵的入口水压要求；空气源热泵机组15设置在回采巷道进风口处的硐室中，保证进入工作面的风流是冷风。
地下水库注射井11经过水压增压泵二12与空气源热泵机组15用管道相连。
地下水库10起到一部分水仓的作用，作为大型热储，可以为注入的水流提供巨大的热量；矿井工作面涌水及废水通过管道排入地下水库中，地下水库10兼有净化污水的作用；地下水库10在整个系统中起到缓冲地下系统和地上系统水量差的作用；
地下水库抽水井9由本领域技术人员根据现有地下水库10的现有参数，设置在地下水库10中受力情况较好的隔水墙附近；地下水库注射井11采用单井设置，位置由本领域技术人员根据地下水库的现有的参数设置在地下水库10的边界的中央，地下水库抽水井9和地下水库注射井11设置在地下水库10的间距较大的相对的两边界上。
地下水库抽水泵6和地下水库抽水井9用管道相连，抽采热水管道通过井筒到达地面，由净水器4对水流二次净化，由水源热泵机组5提取利用热量；
水源热泵机组5和制冷机组2的热量利用方式为：通过室内暖气系统提供的冷水和从井下抽采出的热水进行热交换来实现供暖或者提供热水，利用过的矿井水被冷却，通入到制冷机组2和地面空气进行热交换，得到制冷空气提供给井下。
净水机4采用现有的能够净化重金属粒子的净水机，能够保证回灌水源不污染含水层，保护地下水资源。
制冷机组3和上述水源热泵机组5用管道相连，利用水源热泵机组5排出冷水和地面空气做热交换，向井下提供冷风，并将利用后的水通向含水层回灌井。
智能控制系统包括温度传感器、水压传感器、阀门控制器以及总信息处理器23；其中阀门控制器包括：含水层抽采井水泵阀门控制器20，用于调整含水层抽采井水泵19上的阀门开度；水压增压泵控制器18用于调整水压增压泵一17的功率；地下水库抽水泵阀门控制器7，用于调整地下水库抽水泵6上的阀门的开度；水压传感器16位于空气源热泵机组15上游进水口处，向总信息处理器23反馈入口水压；温度传感器包括：风温传感器14、水温传感器8，所述风温传感器14位于上述空气源热泵机组15出风口处，向总信息处理器23反馈出风口吹出的风温；水温传感器8位于所述水源热泵机组5入水口处，向总信息处理器23反馈入水口水温。
空气源热泵机组15出风口处的风温传感器14获得风温并将信号传递给总信息处理器23，总信息处理器23依据风温传感器14信号通过含水层抽采井水泵阀门控制器20调节含水层抽采井水泵19上的阀门开度从而调整进入空气源热泵机组15的冷水流量，通过调节水流量调节热泵的制冷功率，如果风温超过本领域技术人员根据实际情况设置的最高温度此温度值为本领域技术人员采用现有方式获得的温度值，则增大含水层抽采井水泵19上阀门的开度，如果温度较小，小于设置的最小温度此温度值为本领域技术人员采用现有方式获得的温度值，则减小含水层抽采井水泵19上阀门的开度，调整后的风温信号由风温传感器14反馈至总信息处理器23，形成反馈回路，调整温度至本领域技术人员设置的最大温度和最小温度之间。
空气源热泵机组15上游入水口处的水压传感器16获得水压并将信号传递给总信息处理器23，总信息处理器23依据空气源热泵15设置传递调节信号给水压增压泵控制器18，来调节水压增压泵一17的功率从而改变管路内水压，增大功率则调大输入水压，降低功率则调小输入水压，水压改变之后的水压信号由水压传感器16反馈至总信息处理器23，形成反馈回路，在总信息处理器23内由本领域技术人员根据现有方式设置有一个最大水压值，一个最小水压值；调整水压，使水压处于最大水压值、最小水压值之间。
水源热泵机组5入口处的水温传感器8获得进水口处水温，并将水温信号传递至总信息处理器23，总信息处理器23遵循如下处理逻辑：当进水口水温低于某一设置水温时，地下水库抽水泵阀门控制器7调节地下水库抽水泵6上的阀门的开闭程度，减小抽采流量，直至温度回升至该设定的最低阈值之上，水温传感器8反馈温度到总信息处理器23，当温度升高到设定的最高阈值之上时，总信息处理器23重新调节地下水库抽水泵6上的阀门的开闭程度，增大抽采流量，实现反馈调节；保证水温处于设定的最低阈值和最高阈值之间。
本实例的含水层回灌井1回灌井水泵2、制冷机组3、净水机组4、水源热泵机组5、地下水库抽水泵6、地下水库抽水泵阀门控制器7、水温传感器8、地下水库抽水井9、地下水库10、地下水库注射井11、水压增压泵二12、高温工作面13、风温传感器14、空气源热泵机组15、水压传感器16、水压增压泵控制器18、水压增压泵一17、含水层抽采井水泵19、含水层抽采井水泵阀门控制器20、含水层抽采井21、含水层22、总信息处理器23均采用本领域技术人员所熟知的现有产品或结构，其相互之间的连接或控制方式也采用本领域技术人员所熟知的现有连接方式或控制方式，在此不再作详细描述。
本实施例利用矿井上覆含水层的水体冷温量，通过空气源热泵机组对高温矿井工作面进行降温，由地下水库充分收集矿井水资源与地热资源，并对矿井水进行净化，由地面水源热泵机组提取其热量，回收过热量的冷水再经制冷机组利用冷量后，回灌进入含水层中；整体构成简单，使用更加方便；水热循环充分利用矿井水资源和地热资源，能够解决热害以及高涌水问题；采用井下抽采含水层冷水的方法，能够更充分地利用水资源，能够减少供水成本；水循环管路布设简单，排水成本低；排水进入地下水库解决了冷凝热无处排放的问题。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种高温矿井水资源冷热转换循环利用系统，其特征在于，包括抽水回灌系统、地下一级冷热交互系统、地下二级冷热交互系统、地上一级冷热交互系统、地上二级冷热交互系统、智能控制系统；所述抽水回灌系统包括含水层抽采井(21)、含水层抽采井水泵(19)、含水层回灌井(1)、回灌井水泵(2)；所述含水层抽采井水泵(19)用于将含水层抽采井(21)内的恒温含水层冷水输送给地下一级冷热交互系统，所述地下一级冷热交互系统包括空气源热泵机组(15)，所述空气源热泵机组(15)用于与从含水层抽采井(21)内输送来的恒温含水层冷水进行热交换形成次高温热水，并向工作面提供冷空气；所述地下二级冷热交互系统包括水压增压泵二(12)、地下水库(10)，所述水压增压泵二(12)用于将经过空气源热泵机组(15)热交换过后形成的次高温热水水输送到与地下水库(10)连通的地下水库注射井(11)内，次高温水在地下水库(10)内与水库中的多孔介质进行对流换热形成高温热水；所述地上一级冷热交互系统包括地下水库抽水泵(6)、水源热泵机组(5)、净水机组(4)，所述地下水库抽水泵(6)用于抽取注射井内的高温热水并经过净水机组(4)净化后输送给水源热泵机组(5)进行热交换形成冷水；所述地上二级冷热交互系统包括制冷机组(3)，所述制冷机组(3)与水源热泵机组(5)连通，用于与水源热泵机组(5)输送来的冷水进行换热，将冷水换热形成热水，并将地面空气换热形成冷风输送给空气源热泵机组(15)，所述回灌井水泵(2)用于将经制冷机组(3)换热形成的热水输送到含水层回灌井(1)内；所述智能控制系统包括总信息处理器(23)，所述总信息处理器(23)与含水层抽采井水泵(19)、回灌井水泵(2)、水压增压泵二(12)、空气源热泵机组(15)、地下水库抽水泵(6)、水源热泵机组(5)、净水机组(4)、制冷机组(3)电连接。
2.如权利要求1所述的一种高温矿井水资源冷热转换循环利用系统，其特征在于，所述空气源热泵机组(15)的进水口连接有水压增压泵一(17)，所述水压增压泵一(17)的进水口与含水层抽采井水泵(19)的出水口连通；所述水压增压泵一(17)与总信息处理器(23)电连接。
3.如权利要求2所述的一种高温矿井水资源冷热转换循环利用系统，其特征在于，所述含水层抽采井水泵(19)连接有含水层抽采井水泵阀门控制器(20)，所述水压增压泵一(17)连接有水压增压泵控制器(18)，所述含水层抽采井水泵阀门控制器(20)、水压增压泵控制器(18)与总信息处理器(23)电连接。
4.如权利要求1所述的一种高温矿井水资源冷热转换循环利用系统，其特征在于，所述空气源热泵机组(15)连接有风温传感器(14)，所述风温传感器(14)与总信息处理器(23)电连接。
5.如权利要求1所述的一种高温矿井水资源冷热转换循环利用系统，其特征在于，所述地下水库(10)连通有地下水库抽水井(9)，所述地下水库抽水井(9)与地下水库抽水泵(6)的进水口连通。
6.如权利要求1所述的一种高温矿井水资源冷热转换循环利用系统，其特征在于，所述水压增压泵二(12)的进水口与工作面废水管道连通。
7.如权利要求1所述的一种高温矿井水资源冷热转换循环利用系统，其特征在于，所述地下水库抽水泵(6)连接有地下水库抽水泵阀门控制器(7)，所述水源热泵机组(5)连接有水温传感器(8)，所述空气源热泵机组(15)的上游进水口处设置有水压传感器(16)，所述地下水库抽水泵阀门控制器(7)、水温传感器(8)、水压传感器(16)与总信息处理器(23)电连接。
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