CN115030775A - 一种矿山地热循环利用协同热害治理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿山地热循环利用协同热害治理系统及方法，系统包括地热抽采井、地热水提升管路、水处理站、地热资高效利用系统，其中：所述地热抽采井设置于地热储层中，用于开采地热储层内的地热资源；所述地热水提升管路一端与地热抽采井井口处连接，另一端与位于地面工业广场的水处理站连接；所述水处理站的出口连接地热资高效利用系统；所述地热资高效利用系统的末端连接有冷水回路，冷水回路的另一端连接至矿井回采工作面，冷水回路用于将取热后的低温水输送至矿井回采工作面。本发明在充分开采与利用矿山地热资源利用的基础上，实现了冷水下井、煤层注冷，降低了煤岩层温度。
Description
技术领域
本发明属于矿井热害治理协同地热开采技术领域，具体涉及一种矿山地热循环利用协同热害治理系统及方法。
背景技术
高地温矿井的数量随着矿井开采深度的增加逐渐增多。近年来，我国矿产资源开采水平逐渐向深部转移，进而导致矿井热害问题愈发严重，矿业热害问题成为遏制矿井深部开采的重要难题。矿井热害导致工人长期在在高温环境下进行工作，除了影响人体健康外还会诱发各种心理疾病，进而导致生产工作效率低，甚至容易造成安全事故。此外，由于岩石运移及热水上涌等问题导致的岩层初始温度较高，进而造成工作面温度温度高、瓦斯突出、煤体自燃等一系列安全问题。而使用传统的机械式制冷降温方法治理深部高温矿井热害时，矿井围岩热释放量大、风流初始温度高、冷量输送损失大、冷凝热排困难、运城成本高等问题使得这些方法难以满足矿井降温要求。
在传统热害治理过程中主要可以分为两类措施：机械式制冷和非机械式制冷。其中非机械式制冷主要包括：通风降温、隔热疏导、控制热源、个体防护等；机械式制冷则是通过矿井空调的方式进行矿井降温。但这些方法用于深部矿井热害治理时将面临成本高、效率低、冷量损失大、降温效果差等问题，很难实现矿井内部的大范围推广应用。许多学者对矿井岩层与温度的关系进行研究，发现矿井热害主要决定因素是地层温度，而形成岩层高温的原因又各部相同，深部矿井热害治理的关键是针对性的采取措施降低岩层温度。
深部矿井热害问题是制约深部矿井安全高效开采的重要因素之一，单纯的矿井降温投入高昂，局限性大，因此把矿井热害治理与地热开采利用相结合不仅是一种“釜底抽薪式”的降温技术，更是开发清洁能源的新途径。然而，目前关于矿井地热开采利用协同热害治理的研究主要存在于理论个层面，相关的工艺方法和技术研究较少。矿山地热虽然会引起矿井热害，但它也是煤系资源开采过程中的一种伴生能源。若合理开采深部岩层中的地热资源，将其与矿产开采相结合，既能获得地热能用于生产生活创造经济价值，又能起到降低矿井温度治理热害的作用。同时，矿井地热开始也煤系伴生地热资源矿井的一条新的生产运营道路。实现煤热共采是资源开发与能源利用的双赢，是“变害为利、变废为宝”的重要举措。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种矿山地热循环利用协同热害治理系统及方法，以实现煤热共采。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种矿山地热循环利用协同热害治理系统，包括地热抽采井、地热水提升管路、水处理站、地热资高效利用系统，其中：
所述地热抽采井设置于地热储层中，用于开采地热储层内的地热资源；
所述地热水提升管路一端与地热抽采井井口处连接，另一端与位于地面工业广场的水处理站连接；
所述水处理站的出口连接地热资高效利用系统；
所述地热资高效利用系统的末端连接有冷水回路，冷水回路的另一端连接至矿井回采工作面，冷水回路用于将取热后的低温水输送至矿井回采工作面。
所述地热水提升管路的材质为聚氨酯材料，地热水提升管路上设置有第一水泵，地热抽采井的出水端设置有高压水头。
所述矿井回采工作面内沿煤层倾向设置有多个注冷通道，贯穿整个矿井回采工作面，注冷通道的注水口与冷水回路连接，且冷水回路中设置有第一临时水仓，第一临时水仓与注水口之间设置有高压水头和第二水泵，注冷通道的出水口处设置有第二临时水仓，第二临时水仓与出水口之间设置有第三水泵，第二临时水仓与设置于地热储层的地热回灌井相连接。
所述注冷通道出口端沿矿井回采工作面走向方向设置有聚水槽，聚水槽与第二临时水仓连接。
所述第二临时水仓内设置有污水处理设备。
所述地热资源高效利用系统包括相互连通的板式换热器、水源热泵、储水箱。
一种矿山地热循环利用协同热害治理方法，包括以下步骤；
步骤一，构筑矿山地热循环利用协同热害治理系统：
步骤二，地热抽采井开采地热储层内的地热水资源；
步骤三，开采的地热水资源经过地热资源高效利用系统处理后转化为热水；
步骤四，开采的地热水资源经过地热资源高效利用系统处理后产生的低温水，通过冷水回路，输送至第一临时水仓内；
步骤五，第一临时水仓内的水注入注冷通道中，向煤岩层内注入冷质；
步骤六，矿井回采工作面及巷道内风流温度监测：利用温度检测仪监测矿井工作巷道内风流温度，当温度检测仪采集的数据温度小于温度阈值时，停止煤岩层内注冷水，否则执行步骤五；
步骤七，注冷通道内的水回灌至地热储层内：矿井回采工作面中的注冷通道内热交换后的通过聚水槽收集后统一输送至第二临时水仓内，然后通过地热回灌井，回灌至地热储层内，实现地热资源的循环利用。
所述步骤一包括以下步骤：
步骤11，在矿井回采工作面的巷道内竖直向下掘进地热抽采井；
步骤12，在地热抽采井井口处布置地热水资源提升管路，并延伸至地面工业广场；
步骤13，在地面工业广场搭建地热资源高效利用系统；
步骤14，在地热资源高效利用系统末端铺设冷水回路；
步骤15，在矿井回采工作面内沿煤层倾向布置多个注冷通道，在注冷通道的注水口一侧构筑第一临时水仓，在出水口处搭建第二临时水仓；
步骤16，在矿井最低水平水仓内竖直向下掘进地热回灌井，地热回灌井与第二临时水仓相连接。
所述步骤二中，地热资源抽采井采用多井位联合抽采的方式，使地热储层内的地热水资源通过地热水资源提升管路输送至地面工业广场。
所述步骤五中，第一临时水仓通过冷水回路将低温水注入注冷通道内，冷质持续流入煤岩层之中，注冷通道周侧煤岩层温度降低，同时，冷质持续注入煤层，注冷通道周侧岩层降温区域扩大，矿井回采工作面及巷道围岩温度随之降低，矿井回采工作面及巷道内风流温度得到降温。
有益效果：本发明提供的一种矿山地热循环利用协同热害治理系统及方法，通过设置井下热储层取热、井上地热利用、冷水下井、煤层注冷、尾水回灌等技术体系，在充分开采与利用矿山地热资源利用的基础上，实现了冷水下井、煤层注冷，降低了煤岩层温度。并且阻止了矿井底部地热能向采矿层的传导，同时，随着冷水注入时间的延长，注入通道副井岩石降温区域逐渐扩大，内部风流温度得到有效的降温，矿井热害治理得到明显改善，为矿井热害治理和煤热共采同步进行提供了有效途径，有利于促进我国深部矿井安全绿色高效开采，同时推动我国矿山地热能的开发与利用，便于推广使用。
附图说明
图1为本发明的一种矿山地热循环利用协同热害治理系统的结构示意图；
图2为矿井回采工作面和注冷通道的结构示意图；
图3为地热资源高效利用系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种矿山地热循环利用协同热害治理系统，包括地热抽采井2、地热水提升管路5、水处理站6、地热资高效利用系统7，其中：
地热抽采井2设置于地热储层1中，用于开采地热储层1内的地热资源；
地热水提升管路5一端与地热抽采井2井口处连接，另一端与位于地面工业广场8的水处理站6连接；
水处理站6的出口连接地热资高效利用系统7，用于处理地热抽采井2开采的地热水资源，处理后的地热水资源输送至地热资源高效利用系统7中；
地热资高效利用系统7的末端连接有冷水回路12，冷水回路12的另一端连接至矿井回采工作面10，冷水回路12用于将取热后的低温水输送至矿井回采工作面10。
地热抽采井2布置于回采工作面10的地热资源富集区，采用多井联合布置的方式，井口处安装有地热水提升管路5，开采而出的地热水通过第一水泵3沿着地热水提升管路5输送至地面。
地热水提升管路5的材质为聚氨酯材料，可以有效防止热量的散失，地热水提升管路5上设置有第一水泵3，地热抽采井2的出水端设置有高压水头4。通过第一水泵3将矿井地热水提升至地面的地热资源高效利用系统7。
矿井回采工作面10内沿煤层倾向设置有多个注冷通道9，贯穿整个矿井回采工作面10，构成首个煤体低温层，煤体低温层可通过布置多层注冷通道12实现由下向上多层布置。
注冷通道9的注水口与冷水回路12连接，且冷水回路12中设置有第一临时水仓13，第一临时水仓13安装在矿井回采工作面10停采线处，用于临时储存低温水，第一临时水仓13与注水口之间设置有高压水头18和第二水泵14，高压水头18用于控制冷水回路中的冷水流量；注冷通道9的出水口处设置有第二临时水仓15，第二临时水仓15与出水口之间设置有第三水泵16，第二临时水仓15与设置于地热储层1的地热回灌井17相连接。
注冷通道9出口端沿矿井回采工作面10走向方向设置有聚水槽19，聚水槽19与第二临时水仓15连接。注冷通道9出口端让其自由流出，通过聚水槽19统一收集换热后的尾水。
聚水槽19布置在注冷通道9末端的煤体下方，用于收集注冷通道内自由流出的换热尾水及煤壁的渗水。
第二临时水仓15布置在地热回灌井17附近，是将多个聚水槽19收集的换热尾水进行统一储存与处理。
第二临时水仓15内设置有污水处理设备。
地热回灌井17布置于矿井最低水平的水仓内，竖直向下掘进至地热储层1中，将处理后的换热尾水直接回灌至地热储层1内。
地热资源高效利用系统7包括相互连通的板式换热器71、水源热泵72、储水箱73。板式换热器71用于地热水的一次处理与地热水利用后的尾水处理，首先提取热量确保水温达到水源热泵72的最佳适宜温度，使水源热泵72COP达到最佳值，其次，对尾水进行进一步的降温处理，使其作为冷水输送至井下；水源热泵72将地热水温度加热到预定值，用于矿区供暖、洗浴及井口防冻等功能，其次对产生的尾水进行取热处理后输送至板式换热器71内；储水箱73用于储集热泵加热后的高温水。
本发明的一种矿山地热循环利用协同热害治理方法，包括以下步骤：
(1)构筑矿山地热循环利用协同热害治理系统，具体如下：
(11)通过三维地质勘探及瞬变电磁勘探技术，确定矿井工作面10巷道内地热资源富集区，在矿井回采工作面10巷道的地热资源富集区内竖直向下掘进地热抽采井2，地热抽采井的数量按照地热资源富集区密集程度进一步确定；
(12)在地热抽采井2井口至地面工业广场8布设地热水提升管路5，有效利用矿井的生产运输系统，同时地热水提升管路5所用材料为聚氨酯，可以防止运输途中热量的散失；
(13)在地面工业广场8搭建地热资源高效利用系统7，所述的地热资源高效利用系统主要由：板式换热器71、水源热泵72、储水箱73组成；
(14)利用地热水提升管路5将板式换热器71、水源热泵72、储水箱73相互连通，末端直接通过冷水回路12连接至第二水泵13，输送至井下；
(15)冷水注入第一临时水仓13，通过第二水泵11进行输送，通过第三水泵14进行注冷；
(16)在矿井回采工作面10内沿煤层倾向方向布置顺层钻孔，每个顺层钻孔确保贯穿回采工作面，顺层钻孔作为注冷通道9用于注入冷质实现煤岩体降温；
(17)在注冷通道9末端搭建聚水槽19，用于收集注冷通道9中流出的冷质；
(18)在矿井最低水平的水仓内竖直向下掘进地热回灌井17，用于回灌冷质。
(2)地热抽采井开采地热储层内的地热水资源；通过各个工作面的三维地质勘探数据与瞬变电磁数据，确定地热资源富集区，根据地热资源富集区的位置，采用多井位联合布置的方式布置地热抽采井2，源源不断的抽采热储层内的地热资源的同时可以减少底部热源向上传导，使上方岩层降温效果显著，明显降低采煤工作面作业温度。
(3)开采的地热水资源经过地热资源高效利用系统处理后转化为热水；地热抽采井2抽采的地热资源经过地热水提升管路5，输送至地面，运输至地面的地热水资源经过地热资源高效利用系统7处理后产生的热水，其中热水储存于储水箱73内用于供暖、洗浴、井口防冻等，而产生的冷水则通过冷水回路运送至井下，作为矿井回采工作面的生产用水与热害治理的冷质，利用后将换热后的尾水通过聚水槽19输送至第二临时水仓15，通过第二临时水仓15内水处理设备将换热后的尾水处理后统一回灌至热储层1内。
(4)第一临时水仓内的水注入注冷通道中，向煤岩层内注入冷质；第一临时水仓13内的低温水通过第三水泵14向注冷通道9内注入冷质，通过第三水泵14控制冷质在煤岩层中流动速度，注冷通道9周侧岩层温度会随之冷质的不断流动而降低，也有效地阻止了工作面周围岩层热源向煤层的热传导，同时，冷质持续注入煤层，注冷通道9周侧岩层降温区域扩大，矿井回采工作面10及巷道围岩温度随之降低，矿井回采工作面10及巷道内风流温度得到降温，实现矿井降温的目的。
(5)矿井回采工作面及巷道内风流温度监测：矿井工作面及巷道内风流温度监测：利用温度检测仪监测矿井工作巷道内风流温度。当温度检测仪采集的数据温度小于温度阈值时，停止岩层内注冷水，否则执行步骤(4)。
(6)注冷通道9内的换热尾水回灌至地热储层1内：矿井回采工作面10内的注冷通道9中的冷质通过注冷通道9后汇聚于聚水槽19内，然后统一流向第二临时水仓15内，冷质在第二临时水仓15内经过水处理设备处理后通多地热回灌井17回灌至地热储层1内，实现地热资源的循环利用。
以次往复，不断的提取热储层内的地热资源，将低品质热源高效利用，进而通过冷水下井的方式实现煤层注冷、矿井降温的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种矿山地热循环利用协同热害治理系统，其特征在于：包括地热抽采井(2)、地热水提升管路(5)、水处理站(6)、地热资高效利用系统(7)，其中：
所述地热抽采井(2)设置于地热储层(1)中，用于开采地热储层(1)内的地热资源；
所述地热水提升管路(5)一端与地热抽采井(2)井口处连接，另一端与位于地面工业广场(8)的水处理站(6)连接；
所述水处理站(6)的出口连接地热资高效利用系统(7)；
所述地热资高效利用系统(7)的末端连接有冷水回路(12)，冷水回路(12)的另一端连接至矿井回采工作面(10)，冷水回路(12)用于将取热后的低温水输送至矿井回采工作面(10)。
2.根据权利要求1所述的矿山地热循环利用协同热害治理系统，其特征在于：所述地热水提升管路(5)的材质为聚氨酯材料，地热水提升管路(5)上设置有第一水泵(3)，地热抽采井(2)的出水端设置有高压水头(4)。
3.根据权利要求1所述的矿山地热循环利用协同热害治理系统，其特征在于：所述矿井回采工作面(10)内沿煤层倾向设置有多个注冷通道(9)，贯穿整个矿井回采工作面(10)，注冷通道(9)的注水口与冷水回路(12)连接，且冷水回路(12)中设置有第一临时水仓(13)，第一临时水仓(13)与注水口之间设置有高压水头(18)和第二水泵(14)，注冷通道(9)的出水口处设置有第二临时水仓(15)，第二临时水仓(15)与出水口之间设置有第三水泵(16)，第二临时水仓(15)与设置于地热储层(1)的地热回灌井(17)相连接。
4.根据权利要求3所述的矿山地热循环利用协同热害治理系统，其特征在于：所述注冷通道(9)出口端沿矿井回采工作面(10)走向方向设置有聚水槽(19)，聚水槽(19)与第二临时水仓(15)连接。
5.根据权利要求3或4所述的矿山地热循环利用协同热害治理系统，其特征在于：所述第二临时水仓(15)内设置有污水处理设备。
6.根据权利要求1所述的矿山地热循环利用协同热害治理系统，其特征在于：所述地热资源高效利用系统(7)包括相互连通的板式换热器(71)、水源热泵(72)、储水箱(73)。
7.一种基于权利要求1所述系统的矿山地热循环利用协同热害治理方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，构筑矿山地热循环利用协同热害治理系统；
步骤二，地热抽采井(2)开采地热储层(1)内的地热水资源；
步骤三，开采的地热水资源经过地热资源高效利用系统(7)处理后转化为热水；
步骤四，开采的地热水资源经过地热资源高效利用系统(7)处理后产生的低温水，通过冷水回路(12)，输送至第一临时水仓(13)内；
步骤五，第一临时水仓(13)内的水注入注冷通道(9)中，向煤岩层内注入冷质；
步骤六，矿井回采工作面(10)及巷道内风流温度监测：利用温度检测仪监测矿井工作巷道内风流温度，当温度检测仪采集的数据温度小于温度阈值时，停止煤岩层内注冷水，否则执行步骤五；
步骤七，注冷通道(9)内的水回灌至地热储层(1)内：矿井回采工作面(10)中的注冷通道(9)内热交换后的通过聚水槽(19)收集后统一输送至第二临时水仓(15)内，然后通过地热回灌井(17)，回灌至地热储层(1)内，实现地热资源的循环利用。
8.根据权利要求7所述的矿山地热循环利用协同热害治理方法，其特征在于：所述步骤一包括以下步骤：
步骤11，在矿井回采工作面(10)的巷道内竖直向下掘进地热抽采井(2)；
步骤12，在地热抽采井(2)井口处布置地热水资源提升管路(5)，并延伸至地面工业广场(8)；
步骤13，在地面工业广场(8)搭建地热资源高效利用系统(7)；
步骤14，在地热资源高效利用系统(7)末端铺设冷水回路(12)；
步骤15，在矿井回采工作面(10)内沿煤层倾向布置多个注冷通道(9)，在注冷通道(9)的注水口一侧构筑第一临时水仓(13)，在出水口处搭建第二临时水仓(15)；
步骤16，在矿井最低水平水仓内竖直向下掘进地热回灌井(17)，地热回灌井(17)与第二临时水仓(15)相连接。
9.根据权利要求7所述的矿山地热循环利用协同热害治理方法，其特征在于：所述步骤二中，地热资源抽采井(2)采用多井位联合抽采的方式，使地热储层(1)内的地热水资源通过地热水资源提升管路(5)输送至地面工业广场(8)。
10.根据权利要求7所述的矿山地热循环利用协同热害治理方法，其特征在于：所述步骤五中，第一临时水仓(13)通过冷水回路(12)将低温水注入注冷通道(9)内，冷质持续流入煤岩层之中，注冷通道(9)周侧煤岩层温度降低，同时，冷质持续注入煤层，注冷通道(9)周侧岩层降温区域扩大，矿井回采工作面(10)及巷道围岩温度随之降低，矿井回采工作面(10)及巷道内风流温度得到降温。
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