CN207113275U - 一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，包括模拟箱、地热开采水循环模拟系统和数据采集及温控系统，模拟箱包括保温箱体和隔板，保温箱体内位于隔板上方的区域为采场模拟区域，位于隔板下方的区域为充填体模拟区域，充填体模拟区域内设有抽屉式充填体模拟盒，抽屉式充填体模拟盒内设有相变蓄热材料、充填区传感器安装管、采热管、隔热管和冷却管；地热开采水循环模拟系统包括冷热交换器、冷水水箱和热水水箱；数据采集及温控系统包括采场模拟区域传感器组、充填体模拟区域传感器组、控制器和计算机。本实用新型设计新颖合理，能够很好地用于进行高温矿井充填体蓄热释热、采场协同降温、地热开采的理论研究，实用性强。

Description

一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置

技术领域

本实用新型属于高温矿井充填技术领域，具体涉及一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置。

背景技术

随着浅部矿产资源的逐渐减少和枯竭，深部开采成为必然趋势，目前我国面临深部开采的矿山约占全国矿山总数的90％。随着开采深度的逐渐增加，必将出现高地应力、高地温等诸多问题，导致开采难度加大、作业环境恶化、通风降温和生产成本急剧增加，所以深部矿山开采时，高地应力造成的安全问题、高地温带来的热害问题日益成为制约深部矿床有效开采的重要因素。

充填采矿法属人工支护采矿法。在矿房或矿块中，随着回采工作面的推进，向采空区送入充填材料，以进行地压管理、控制围岩崩落和地表移动，并在形成的充填体上或在其保护下进行回采，是深部开采时控制地压的有效措施。随着矿产资源开发过程节能减排及环保要求日益严格，无废清洁采矿是未来矿业发展的必然趋势。充填采矿法可以将地表堆积废料回填到井下，从而大大提高回采作业安全程度，提高深部资源回收率30％，且解决地表堆积废料造成的环境污染，实现绿色开采。

在利用充填法进行深部矿床开采的同时，充填材料如果采用蓄热功能材料，则可以利用其蓄热性能吸收周围围岩及采场风流热量进行蓄热，吸收地热的同时实现采场降温，即利用充填体进行地热开采并实现采场协同降温。基于这一思路，考虑到在深部矿山开采复杂地质环境中进行现场研究存在较大难度，提出一种可进行“充填体相变蓄热—热泵机组采热—采场协同降温”研究的实验系统，为深部矿山开采过程中地热的提取利用与采场降温研究提供了可能。

基于“充填体相变蓄热—热泵机组采热—采场协同降温”思想，将充填料浆与定型相变材料混合制成蓄热充填材料进行充填。地热开采系统的换热管预制在蓄热充填材料中，固化后形成充填体，蓄热时，充填体从围岩及采场吸收热量，温度升高，当温度升高至相变温度时，相变材料吸热融化，之后持续升温至接近围岩温度。释热时，换热管内冷水通过对流与管壁换热，管壁通过热传导从充填体吸热，充填体释放热量，温度逐渐降低，相变材料失热固化，之后逐渐降温至接近换热管内水温。换热管内水吸收充填体热量温度逐渐升高，不断带走充填体热量，直至释热结束。如此反复，充填体通过蓄热过程吸收围岩及采场风流热量、通过释热过程将热量传递给换热管内的水，换热管内水温升高后，再由热泵机组提取利用，实现矿山深部开采时地热的提取利用与采场的协同降温。

为了研究相变蓄热充填体在矿山深部开采时地热提取及采场降温中的应用，需要先进行理论研究，而在进行理论研究时，还需要进行大量的试验，这些试验，如果都放到矿山实际采场去做，将会耗费大量的人力物力，因此，如果能有一套一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，将很好地解决上述问题，但是，现有技术中还缺乏这样的装置。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低，使用操作方便，使用寿命长，能够很好地用于进行高温矿井充填体蓄热释热、采场协同降温、地热开采的理论研究，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：包括模拟箱、地热开采水循环模拟系统和数据采集及温控系统，所述模拟箱包括立方体框架结构的保温箱体和设置在保温箱体内中部的隔板，所述隔板上设置有通风孔，所述保温箱体内位于隔板上方的区域为采场模拟区域，所述保温箱体内位于隔板下方的区域为充填体模拟区域，位于采场模拟区域的保温箱体为由顶部保温板、左侧保温板、右侧保温板、前侧保温板和后侧保温板构成的底部开口箱体，位于采场模拟区域的保温箱体的左侧保温板上设置有采场进风口，所述采场进风口上从远离保温箱体到靠近保温箱体的位置依次设置有表冷器、空气加热器和空气加湿器，所述表冷器的冷媒输入管路上设置有用于对冷媒流量进行调节的冷媒流量电磁阀，位于采场模拟区域的保温箱体的右侧保温板上设置有采场出风口，所述采场出风口上设置有引风机，位于采场模拟区域的保温箱体的顶部保温板内壁上、左侧保温板内壁上、右侧保温板内壁上、前侧保温板内壁上和后侧保温板内壁上均设置有加热腔，位于充填体模拟区域的保温箱体为由底部保温板、左侧保温板、右侧保温板和后侧保温板构成的前开口箱体，位于充填体模拟区域的保温箱体的左侧保温板内壁上、右侧保温板内壁上和后侧保温板内壁上均设置有加热腔，所述加热腔内设置有碳纤维电热板和用于对所述加热腔内的温度进行实时检测的加热腔温度传感器，所述采场模拟区域内设置有采场区传感器安装管，所述充填体模拟区域内设置有抽屉式充填体模拟盒，所述抽屉式充填体模拟盒内设置有充填体，所述充填体包括相变蓄热材料和设置在相变蓄热材料中的溜井模拟腔，以及从下到上依次分层设置在相变蓄热材料中的采热管、隔热管和冷却管，所述相变蓄热材料中还设置有充填区传感器安装管，所述抽屉式模拟盒的外壁上设置有拉手和进回水连接机构，位于充填体模拟区域的保温箱体的左侧保温板上转动连接有左侧门，位于充填体模拟区域的保温箱体的右侧保温板上转动连接有右侧门；

所述地热开采水循环模拟系统包括冷热交换器、用于存储冷水的冷水水箱和用于存储热水的热水水箱，所述冷水水箱的入水口通过冷水输送管与冷热交换器的冷水出口连接，所述冷水水箱的出水口通过地面送水管和设置在地面送水管上的送水动力泵与进回水连接机构连接，所述热水水箱的进水口通过地面回水管与进回水连接机构连接，所述热水水箱的出水口通过热水输送管和设置在热水输送管上的热水输送动力泵与冷热交换器的热水入口连接；

所述数据采集及温控系统包括采场模拟区域传感器组、充填体模拟区域传感器组、控制器和与控制器相接的计算机，所述采场模拟区域传感器组包括设置在所述采场进风口上靠近保温箱体位置处的进风温度传感器、进风湿度传感器和进风风速传感器，以及设置在所述采场出风口上靠近保温箱体位置处的出风温度传感器、出风湿度传感器和出风风速传感器，所述加热腔温度传感器的输出端、进风温度传感器的输出端、进风湿度传感器的输出端和进风风速传感器的输出端，以及出风温度传感器的输出端、出风湿度传感器的输出端和出风风速传感器的输出端均与控制器的输入端连接；所述充填体模拟区域传感器组包括布设在相变蓄热材料内且用于对充填体模拟区域内的温度进行实时检测的多个充填体温度传感器、设置在地面送水管与进回水连接机构连接位置处且用于对进水温度进行实时检测的进水温度传感器和设置在地面回水管与进回水连接机构连接位置处且用于对回水温度进行实时检测的回水温度传感器，多个所述充填体温度传感器的信号线均通过充填区传感器安装管引出到抽屉式充填体模拟盒外，所述充填体温度传感器的输出端、进水温度传感器的输出端和回水温度传感器的输出端均与控制器的输入端连接；所述冷媒流量电磁阀、送水动力泵和热水输送动力泵均与控制器的输出端连接，所述控制器的输出端还接有用于对空气加热器的通断电进行控制的第一继电器、用于对空气加湿器的通断电进行控制的第二继电器、用于对引风机进行变频控制的变频器和用于对碳纤维电热板的通断电进行控制的第三继电器，所述第一继电器串联在空气加热器的供电回路中，所述第二继电器串联在空气加湿器的供电回路中，所述引风机与变频器的输出端连接，所述第三继电器串联在碳纤维电热板的供电回路中。

上述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：位于采场模拟区域的保温箱体的顶部保温板、左侧保温板、右侧保温板、前侧保温板和后侧保温板，以及位于充填体模拟区域的保温箱体的底部保温板、左侧保温板、右侧保温板和后侧保温板一体成型；位于充填体模拟区域的保温箱体的左侧保温板上通过合页转动连接有左侧门，位于充填体模拟区域的保温箱体的右侧保温板上通过合页转动连接有右侧门。

上述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：所述加热腔由槽钢制成。

上述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：位于充填体模拟区域的保温箱体的左侧槽钢和右侧槽钢的外壁上均设置有用于支撑安装抽屉式充填体模拟盒的支撑板，所述抽屉式模拟盒的侧面设置有供支撑板插入的滚轮槽，所述滚轮槽内设置有用于在支撑板上滚动的滚轮。

上述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：所述支撑板底部与槽钢之间设置有筋板。

上述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：所述进回水连接机构包括上分水器、上集水器、下分水器和下集水器，所述上分水器的进水口上通过第一三通管连接有进水口管，所述进水口管上连接有进水阀，所述上分水器的出水口与冷却管的进水口和隔热管的进水口连接，所述上集水器的进水口与冷却管的出水口和隔热管的出水口连接，所述下分水器的出水口与采热管的进水口连接，所述下集水器的进水口与采热管的出水口连接，所述下集水器的出水口上通过第二三通管连接有出水口管，所述出水口管上连接有回水阀；所述冷水水箱的出水口通过地面送水管和设置在地面送水管上的送水动力泵与进水口管连接，所述热水水箱的进水口通过地面回水管与出水口管连接；所述上分水器和下分水器之间设置有左三通阀，所述左三通阀和上集水器的出水口之间设置有右三通阀，所述左三通阀的第一端口与下分水器的进水口连接，所述左三通阀的第三端口与第一三通管连接，所述右三通阀的第一端口与上集水器的出水口连接，所述右三通阀的第二端口与左三通阀的第二端口连接，所述右三通阀的第三端口与第二三通管连接；所述左三通阀和右三通阀的第一端口为其左侧端口，所述左三通阀和右三通阀的第二端口为其底部端口，所述左三通阀和右三通阀的第三端口为其右侧端口；所述左三通阀为三通分流阀，所述左三通阀的第三端口为进口，所述左三通阀的第一端口和第二端口为出口；所述右三通阀为三通合流阀，所述右三通阀的第一端口和第二端口均为进口，所述右三通阀的第三端口为出口。

上述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：所述上集水器的出水口处连接有上调节阀，所述下集水器的出水口处连接有下调节阀。

上述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：所述冷却管和隔热管均采用中间进，向两侧蛇形前进，最后从两侧出的布置方式；各层的采热管均采用一侧进，向另一侧蛇形前进，并从另一侧出的布置方式。

上述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：所述控制器包括微控制器模块以及与微控制器模块相接的数据存储器和用于与计算机连接并通信的通信模块，所述加热腔温度传感器的输出端、进风温度传感器的输出端、进风湿度传感器的输出端、进风风速传感器的输出端、出风温度传感器的输出端、出风湿度传感器的输出端、出风风速传感器的输出端、充填体温度传感器的输出端、进水温度传感器的输出端和回水温度传感器的输出端均与微控制器模块的输入端连接，所述微控制器模块的输入端还接有按键操作电路，所述冷媒流量电磁阀、送水动力泵、热水输送动力泵、第一继电器、第二继电器、变频器和第三继电器均与微控制器模块的输出端连接，所述微控制器模块的输出端还接有液晶显示屏。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型的结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低。

2、本实用新型采用了抽屉式结构，能够方便地模拟出高温矿井的充填区；采用了由表冷器、空气加热器和空气加湿器、引风机等构成的简单的空气调节系统，能够真实地模拟采场风流特性，进而真实地模拟高温矿井充填体蓄热释热及采场降温过程，能够很好地用于进行高温矿井地热开采的理论研究。

3、本实用新型采用了保温箱体内侧布置碳纤维电热板的结构，能够方便地模拟出高温矿井未开采矿体及围岩发热，进而真实地模拟采场风流与顶部未开采矿体、围岩的换热，以及充填体与采场风流、围岩的换热，能够很好地用于进行高温矿井充填体蓄热释热、采场协同降温、地热开采的理论研究。

4、本实用新型的使用操作方便，不易出现故障，使用寿命长。

5、本实用新型的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所示，本实用新型的结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低，使用操作方便，使用寿命长，能够很好地用于进行高温矿井充填体蓄热释热、采场协同降温、地热开采的理论研究，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图(图中未示出数据采集及温控系统)。

图2为本实用新型模拟箱的内部结构示意图。

图3为本实用新型抽屉式模拟盒的主视图。

图4为图3的右视图。

图5为本实用新型支撑槽钢、支撑板和筋板的连接关系示意图。

图6为图5的右视图。

图7为本实用新型充填体的内部结构示意图。

图8为图7的C-C剖视图。

图9为图7的D-D剖视图。

图10为图7的E-E剖视图。

图11为图7的F-F剖视图。

图12为本实用新型进回水连接机构的结构示意图。

图13为本实用新型数据采集及温控系统的电路原理框图。

附图标记说明:

1—保温箱体； 2—采场模拟区域； 3—充填体模拟区域；

4—碳纤维电热板； 5—隔板； 6—抽屉式模拟盒；

7—合页； 8—左侧门； 9—右侧门；

10—槽钢； 11—支撑板； 12—滚轮槽；

13—滚轮； 14—筋板； 15—拉手；

16—采场区传感器安装管； 17—热水输送动力泵； 18—热水输送管；

19—冷媒流量电磁阀； 20—加热腔温度传感器； 21—进回水连接机构；

21-1—上分水器； 21-2—上集水器； 21-3—下分水器；

21-4—下集水器； 21-5—进水口管； 21-6—第一三通管；

21-7—进水阀； 21-8—第二三通管； 21-9—出水口管；

21-10—回水阀； 21-11—左三通阀； 21-12—右三通阀；

21-13—上调节阀； 21-14—下调节阀； 22—相变蓄热材料；

23—表冷器； 24—空气加热器； 25—空气加湿器；

26—引风机； 27—充填区传感器安装管； 28—采热管；

29—进风温度传感器； 30—进风湿度传感器； 31—进风风速传感器；

32—控制器； 32-1—控制器； 32-2—数据存储器；

32-3—通信模块； 32-4—按键操作电路； 32-5—液晶显示屏；

33—计算机； 34—隔热管； 35—冷却管；

36—冷热交换器； 37—冷水水箱； 38—热水水箱；

39—冷水输送管； 40—出风温度传感器； 41—出风湿度传感器；

42—出风风速传感器； 43—第一继电器； 44—第二继电器；

45—变频器； 46—第三继电器； 47—进水温度传感器；

48—回水温度传感器； 49—充填体温度传感器； 50—溜井模拟腔。

具体实施方式

如图1～图11以及图13所示，本实用新型的深井充填体蓄热释热实验模拟装置，包括模拟箱、地热开采水循环模拟系统和数据采集及温控系统，所述模拟箱包括立方体框架结构的保温箱体1和设置在保温箱体1内中部的隔板5，所述隔板5上设置有通风孔，所述保温箱体1内位于隔板5上方的区域为采场模拟区域2，所述保温箱体1内位于隔板5下方的区域为充填体模拟区域3，位于采场模拟区域2的保温箱体1为由顶部保温板、左侧保温板、右侧保温板、前侧保温板和后侧保温板构成的底部开口箱体，位于采场模拟区域2的保温箱体1的左侧保温板上设置有采场进风口，所述采场进风口上从远离保温箱体1到靠近保温箱体1的位置依次设置有表冷器23、空气加热器24和空气加湿器25，所述表冷器23的冷媒输入管路上设置有用于对冷媒流量进行调节的冷媒流量电磁阀19，位于采场模拟区域2的保温箱体1的右侧保温板上设置有采场出风口，所述采场出风口上设置有引风机26，位于采场模拟区域2的保温箱体1的顶部保温板内壁上、左侧保温板内壁上、右侧保温板内壁上、前侧保温板内壁上和后侧保温板内壁上均设置有加热腔，位于充填体模拟区域3的保温箱体1为由底部保温板、左侧保温板、右侧保温板和后侧保温板构成的前开口箱体，位于充填体模拟区域3的保温箱体1的左侧保温板内壁上、右侧保温板内壁上和后侧保温板内壁上均设置有加热腔，所述加热腔内设置有碳纤维电热板4和用于对所述加热腔内的温度进行实时检测的加热腔温度传感器20，所述采场模拟区域2内设置有采场区传感器安装管16，所述充填体模拟区域3内设置有抽屉式充填体模拟盒6，所述抽屉式充填体模拟盒6内设置有充填体，所述充填体包括相变蓄热材料22和设置在相变蓄热材料22中的溜井模拟腔50，以及从下到上依次分层设置在相变蓄热材料22中的采热管28、隔热管34和冷却管35，所述相变蓄热材料22中还设置有充填区传感器安装管27，所述抽屉式模拟盒6的外壁上设置有拉手15和进回水连接机构21，位于充填体模拟区域3的保温箱体1的左侧保温板上转动连接有左侧门8，位于充填体模拟区域3的保温箱体1的右侧保温板上转动连接有右侧门9；

所述地热开采水循环模拟系统包括冷热交换器36、用于存储冷水的冷水水箱37和用于存储热水的热水水箱38，所述冷水水箱37的入水口通过冷水输送管39与冷热交换器36的冷水出口连接，所述冷水水箱37的出水口通过地面送水管12和设置在地面送水管12上的送水动力泵13与进回水连接机构21连接，所述热水水箱38的进水口通过地面回水管14与进回水连接机构21连接，所述热水水箱38的出水口通过热水输送管18和设置在热水输送管18上的热水输送动力泵17与冷热交换器36的热水入口连接；

所述数据采集及温控系统包括采场模拟区域传感器组、充填体模拟区域传感器组、控制器32和与控制器32相接的计算机33，所述采场模拟区域传感器组包括设置在所述采场进风口上靠近保温箱体1位置处的进风温度传感器29、进风湿度传感器30和进风风速传感器31，以及设置在所述采场出风口上靠近保温箱体1位置处的出风温度传感器40、出风湿度传感器41和出风风速传感器42，所述加热腔温度传感器20的输出端、进风温度传感器29的输出端、进风湿度传感器30的输出端和进风风速传感器31的输出端，以及出风温度传感器40的输出端、出风湿度传感器41的输出端和出风风速传感器42的输出端均与控制器32的输入端连接；所述充填体模拟区域传感器组包括布设在相变蓄热材料22内且用于对充填体模拟区域3内的温度进行实时检测的多个充填体温度传感器49、设置在地面送水管12与进回水连接机构21连接位置处且用于对进水温度进行实时检测的进水温度传感器47和设置在地面回水管14与进回水连接机构21连接位置处且用于对回水温度进行实时检测的回水温度传感器48，多个所述充填体温度传感器49的信号线均通过充填区传感器安装管27引出到抽屉式充填体模拟盒6外，所述充填体温度传感器49的输出端、进水温度传感器47的输出端和回水温度传感器48的输出端均与控制器32的输入端连接；所述冷媒流量电磁阀19、送水动力泵13和热水输送动力泵17均与控制器32的输出端连接，所述控制器32的输出端还接有用于对空气加热器24的通断电进行控制的第一继电器43、用于对空气加湿器25的通断电进行控制的第二继电器44、用于对引风机26进行变频控制的变频器45和用于对碳纤维电热板4的通断电进行控制的第三继电器46，所述第一继电器43串联在空气加热器24的供电回路中，所述第二继电器44串联在空气加湿器25的供电回路中，所述引风机26与变频器45的输出端连接，所述第三继电器46串联在碳纤维电热板4的供电回路中。

具体实施时，所述空气加热器24为空气电加热器，所述空气加湿器25为干蒸汽式空气加湿器，所述引风机26为变频引风机。

通过在保温箱体1内顶部以及左右侧壁和后壁上均设置加热腔，并在加热腔内设置碳纤维电热板4，能够更好地模拟工程实际中的高温矿井环境。所述采场模拟区域2的送风温度由表冷器23和空气加热器24进行调节，所述采场模拟区域2的送风湿度由空气加湿器25进行调节，所述采场模拟区域2的风速由引风机26进行调节。所述控制器32能够根据进风温度传感器29和出风温度传感器40检测到的信号，实现对表冷器23的冷媒流量和空气加热器24的通断电的控制；所述控制器32能够根据进风湿度传感器30和出风湿度传感器41检测到的信号，实现对空气加湿器25的通断电的控制；所述控制器32能够根据进风风速传感器31和出风风速传感器42检测到的信号，通过变频器45实现对引风机26的变频控制，维持预定的采场模拟区域2的温度、湿度和风速。

本实施例中，位于采场模拟区域2的保温箱体1的顶部保温板、左侧保温板、右侧保温板、前侧保温板和后侧保温板，以及位于充填体模拟区域3的保温箱体1的底部保温板、左侧保温板、右侧保温板和后侧保温板一体成型；如图1所示，位于充填体模拟区域3的保温箱体1的左侧保温板上通过合页7转动连接有左侧门8，位于充填体模拟区域3的保温箱体1的右侧保温板上通过合页7转动连接有右侧门9。

本实施例中，如图2所示，所述加热腔由槽钢10制成。

本实施例中，如图2和图3所示，位于充填体模拟区域3的保温箱体1的左侧槽钢10和右侧槽钢10的外壁上均设置有用于支撑安装抽屉式充填体模拟盒6的支撑板11，所述抽屉式模拟盒6的侧面设置有供支撑板11插入的滚轮槽12，所述滚轮槽12内设置有用于在支撑板11上滚动的滚轮13。

本实施例中，如图2和图5所示，所述支撑板11底部与槽钢10之间设置有筋板14。

本实施例中，如图12所示，所述进回水连接机构21包括上分水器21-1、上集水器21-2、下分水器21-3和下集水器21-4，所述上分水器21-1的进水口上通过第一三通管21-6连接有进水口管21-5，所述进水口管21-5上连接有进水阀21-7，所述上分水器21-1的出水口与冷却管35的进水口和隔热管34的进水口连接，所述上集水器21-2的进水口与冷却管35的出水口和隔热管34的出水口连接，所述下分水器21-3的出水口与采热管28的进水口连接，所述下集水器21-4的进水口与采热管28的出水口连接，所述下集水器21-4的出水口上通过第二三通管21-8连接有出水口管21-9，所述出水口管21-9上连接有回水阀21-10；所述冷水水箱37的出水口通过地面送水管12和设置在地面送水管12上的送水动力泵13与进水口管21-5连接，所述热水水箱38的进水口通过地面回水管14与出水口管21-9连接；所述上分水器21-1和下分水器21-3之间设置有左三通阀21-11，所述左三通阀21-11和上集水器21-2的出水口之间设置有右三通阀21-12，所述左三通阀21-11的第一端口与下分水器21-3的进水口连接，所述左三通阀21-11的第三端口与第一三通管21-6连接，所述右三通阀21-12的第一端口与上集水器21-2的出水口连接，所述右三通阀21-12的第二端口与左三通阀21-11的第二端口连接，所述右三通阀21-12的第三端口与第二三通管21-8连接；所述左三通阀21-11和右三通阀21-12的第一端口为其左侧端口，所述左三通阀21-11和右三通阀21-12的第二端口为其底部端口，所述左三通阀21-11和右三通阀21-12的第三端口为其右侧端口；所述左三通阀21-11为三通分流阀，所述左三通阀21-11的第三端口为进口，所述左三通阀21-11的第一端口和第二端口为出口；所述右三通阀21-12为三通合流阀，所述右三通阀21-12的第一端口和第二端口均为进口，所述右三通阀21-12的第三端口为出口。

本实施例中，如图12所示，所述上集水器21-2的出水口处连接有上调节阀21-13，所述下集水器21-4的出水口处连接有下调节阀21-14。

本实施例中，如图9和图10所示，所述冷却管35和隔热管34均采用中间进，向两侧蛇形前进，最后从两侧出的布置方式；如图11所示，各层的采热管28均采用一侧进，向另一侧蛇形前进，并从另一侧出的布置方式。

本实施例中，如图13所示，所述控制器32包括微控制器模块32-1以及与微控制器模块32-1相接的数据存储器32-2和用于与计算机33连接并通信的通信模块32-3，所述加热腔温度传感器20的输出端、进风温度传感器29的输出端、进风湿度传感器30的输出端、进风风速传感器31的输出端、出风温度传感器40的输出端、出风湿度传感器41的输出端、出风风速传感器42的输出端、充填体温度传感器49的输出端、进水温度传感器47的输出端和回水温度传感器48的输出端均与微控制器模块32-1的输入端连接，所述微控制器模块32-1的输入端还接有按键操作电路32-4，所述冷媒流量电磁阀19、送水动力泵13、热水输送动力泵17、第一继电器43、第二继电器44、变频器45和第三继电器46均与微控制器模块32-1的输出端连接，所述微控制器模块32-1的输出端还接有液晶显示屏32-5。

采用本实用新型进行深井充填体蓄热释热实验模拟的方法，包括以下步骤：

步骤一、首先，在抽屉式充填体模拟盒6内充填相变蓄热材料22，设置溜井模拟腔50，并在相变蓄热材料22中从下到上依次分层设置采热管28、隔热管34和冷却管35，形成充填体；然后，在相变蓄热材料22中设置充填区传感器安装管27，并布设多个充填体温度传感器49，再将多个所述充填体温度传感器49的信号线均通过充填区传感器安装管27引出到抽屉式充填体模拟盒6外；

步骤二、开启表冷器23、空气加热器24、空气加湿器25和引风机26，进风温度传感器29、进风湿度传感器30和进风风速传感器31分别对采场进风口处的温度、湿度和风速进行检测并将检测到的信号传输给控制器32，控制器32将其接收到的采场进风口处的温度、湿度和风速分别对应与采场进风口处预设温度、湿度和风速比较，当检测到的采场进风口处的温度小于采场进风口处预设温度时，控制器32通过控制冷媒流量电磁阀19，加大表冷器23的冷媒流量，并通过控制第一继电器43，接通空气加热器24的供电回路；当检测到的采场进风口处的温度大于采场进风口处预设温度时，控制器32通过控制冷媒流量电磁阀19，减小表冷器23的冷媒流量，并通过控制第一继电器43，断开空气加热器24的供电回路；当检测到的采场进风口处的湿度小于采场进风口处预设湿度时，控制器32通过控制第二继电器44，接通空气加湿器25的供电回路；当检测到的采场进风口处的湿度大于采场进风口处预设湿度时，控制器32通过控制第二继电器44，断开空气加湿器25的供电回路；当检测到的采场进风口处的风速小于采场进风口处预设风速时，控制器32通过变频器45对引风机26进行变频调速，加快风机26的转速；当检测到的采场进风口处的风速大于采场进风口处预设风速时，控制器32通过变频器45对引风机26进行变频调速，减慢风机26的转速；进而模拟高温矿井下采场的进风流状态；

步骤三、所述控制器32通过控制第三继电器46，接通碳纤维电热板4的供电回路，碳纤维电热板4开始加热，加热腔温度传感器20对所述加热腔内的温度进行实时检测并将检测到的信号传输给控制器32，控制器32将其接收到的加热腔检测温度与加热腔预设温度进行比较，当加热腔检测温度大于加热腔预设温度时，控制器32通过控制第三继电器46，断开碳纤维电热板4的供电回路，碳纤维电热板4停止加热；当加热腔检测温度小于加热腔预设温度时，控制器32通过控制第三继电器46，接通碳纤维电热板4的供电回路，碳纤维电热板4开始加热；进而模拟高温矿井下的未开采矿体及围岩发热；

步骤四、将抽屉式充填体模拟盒6置入充填体模拟区域3内，模拟高温矿井井下采场底部的充填体；

步骤五、步骤一中形成的充填体开始吸收围岩及采场风流热量，蓄热过程开始，充填体温度逐渐升高至相变蓄热材料22的相变温度，开始相变蓄热，相变过程结束后，充填体温度继续升高，直至蓄热过程结束；所述充填体蓄热同时，所述控制器32对多个充填体温度传感器49检测到的温度进行周期性采样，将采样得到的温度记录为充填体温度并传输给计算机33，显示蓄热过程中充填体的温度变化过程；所述控制器32对出风温度传感器40、出风湿度传感器41和出风风速传感器42分别检测到的采场出风口处的温度、湿度和风速进行周期性采样，将采样得到的采场出风口处的温度、湿度和风速分别进行记录并传输给计算机33，显示充填体蓄热过程中采场模拟区域2进出口的风流状态；

步骤六、蓄热过程结束后，所述控制器32控制送水动力泵13和热水输送动力泵17启动，冷水水箱37内的冷水通过地面送水管12和进回水连接机构21进入采热管28、隔热管34和冷却管35，在采热管28、隔热管34和冷却管35中流动时，不断吸收充填体热量，充填体释热，温度逐渐降低至相变温度，开始相变释热，相变过程结束后，充填体温度继续降低，直至释热过程结束；采热管28内的水吸收热量，温度逐渐升高，最后再通过进回水连接机构21流出，并通过地面回水管14流入热水水箱38；所述充填体释热同时，所述控制器32对充填体温度传感器49、进水温度传感器47和回水温度传感器48检测到的温度进行周期性采样，将采样得到的温度分别记录为充填体温度、进水温度和回水温度并传输给计算机33，显示释热过程中充填体温度、进水温度和回水温度的变化过程；同时，所述控制器32对进风温度传感器29、进风湿度传感器30和进风风速传感器31分别检测到的采场进风口处的温度、湿度和风速进行周期性采样，并对出风温度传感器40、出风湿度传感器41和出风风速传感器42分别检测到的采场出风口处的温度、湿度和风速进行周期性采样，将采样得到的采场进风口处的温度、湿度和风速以及采场出风口处的温度、湿度和风速分别进行记录并传输给计算机33，显示充填体释热过程中采场模拟区域2进出口的风流状态；

步骤七、计算机33存储充填体蓄热、释热过程中控制器32传输给其的充填体温度、进水温度和回水温度，以及采场模拟区域2进出口风流的温度、湿度和风速，供工作人员开展高温矿井充填体蓄热、释热过程及采场协同降温研究。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：包括模拟箱、地热开采水循环模拟系统和数据采集及温控系统，所述模拟箱包括立方体框架结构的保温箱体(1)和设置在保温箱体(1)内中部的隔板(5)，所述隔板(5)上设置有通风孔，所述保温箱体(1)内位于隔板(5)上方的区域为采场模拟区域(2)，所述保温箱体(1)内位于隔板(5)下方的区域为充填体模拟区域(3)，位于采场模拟区域(2)的保温箱体(1)为由顶部保温板、左侧保温板、右侧保温板、前侧保温板和后侧保温板构成的底部开口箱体，位于采场模拟区域(2)的保温箱体(1)的左侧保温板上设置有采场进风口，所述采场进风口上从远离保温箱体(1)到靠近保温箱体(1)的位置依次设置有表冷器(23)、空气加热器(24)和空气加湿器(25)，所述表冷器(23)的冷媒输入管路上设置有用于对冷媒流量进行调节的冷媒流量电磁阀(19)，位于采场模拟区域(2)的保温箱体(1)的右侧保温板上设置有采场出风口，所述采场出风口上设置有引风机(26)，位于采场模拟区域(2)的保温箱体(1)的顶部保温板内壁上、左侧保温板内壁上、右侧保温板内壁上、前侧保温板内壁上和后侧保温板内壁上均设置有加热腔，位于充填体模拟区域(3)的保温箱体(1)为由底部保温板、左侧保温板、右侧保温板和后侧保温板构成的前开口箱体，位于充填体模拟区域(3)的保温箱体(1)的左侧保温板内壁上、右侧保温板内壁上和后侧保温板内壁上均设置有加热腔，所述加热腔内设置有碳纤维电热板(4)和用于对所述加热腔内的温度进行实时检测的加热腔温度传感器(20)，所述采场模拟区域(2)内设置有采场区传感器安装管(16)，所述充填体模拟区域(3)内设置有抽屉式充填体模拟盒(6)，所述抽屉式充填体模拟盒(6)内设置有充填体，所述充填体包括相变蓄热材料(22)和设置在相变蓄热材料(22)中的溜井模拟腔(50)，以及从下到上依次分层设置在相变蓄热材料(22)中的采热管(28)、隔热管(34)和冷却管(35)，所述相变蓄热材料(22)中还设置有充填区传感器安装管(27)，所述抽屉式模拟盒(6)的外壁上设置有拉手(15)和进回水连接机构(21)，位于充填体模拟区域(3)的保温箱体(1)的左侧保温板上转动连接有左侧门(8)，位于充填体模拟区域(3)的保温箱体(1)的右侧保温板上转动连接有右侧门(9)；

所述地热开采水循环模拟系统包括冷热交换器(36)、用于存储冷水的冷水水箱(37)和用于存储热水的热水水箱(38)，所述冷水水箱(37)的入水口通过冷水输送管(39)与冷热交换器(36)的冷水出口连接，所述冷水水箱(37)的出水口通过地面送水管(12)和设置在地面送水管(12)上的送水动力泵(13)与进回水连接机构(21)连接，所述热水水箱(38)的进水口通过地面回水管(14)与进回水连接机构(21)连接，所述热水水箱(38)的出水口通过热水输送管(18)和设置在热水输送管(18)上的热水输送动力泵(17)与冷热交换器(36)的热水入口连接；

所述数据采集及温控系统包括采场模拟区域传感器组、充填体模拟区域传感器组、控制器(32)和与控制器(32)相接的计算机(33)，所述采场模拟区域传感器组包括设置在所述采场进风口上靠近保温箱体(1)位置处的进风温度传感器(29)、进风湿度传感器(30)和进风风速传感器(31)，以及设置在所述采场出风口上靠近保温箱体(1)位置处的出风温度传感器(40)、出风湿度传感器(41)和出风风速传感器(42)，所述加热腔温度传感器(20)的输出端、进风温度传感器(29)的输出端、进风湿度传感器(30)的输出端和进风风速传感器(31)的输出端，以及出风温度传感器(40)的输出端、出风湿度传感器(41)的输出端和出风风速传感器(42)的输出端均与控制器(32)的输入端连接；所述充填体模拟区域传感器组包括布设在相变蓄热材料(22)内且用于对充填体模拟区域(3)内的温度进行实时检测的多个充填体温度传感器(49)、设置在地面送水管(12)与进回水连接机构(21)连接位置处且用于对进水温度进行实时检测的进水温度传感器(47)和设置在地面回水管(14)与进回水连接机构(21)连接位置处且用于对回水温度进行实时检测的回水温度传感器(48)，多个所述充填体温度传感器(49)的信号线均通过充填区传感器安装管(27)引出到抽屉式充填体模拟盒(6)外，所述充填体温度传感器(49)的输出端、进水温度传感器(47)的输出端和回水温度传感器(48)的输出端均与控制器(32)的输入端连接；所述冷媒流量电磁阀(19)、送水动力泵(13)和热水输送动力泵(17)均与控制器(32)的输出端连接，所述控制器(32)的输出端还接有用于对空气加热器(24)的通断电进行控制的第一继电器(43)、用于对空气加湿器(25)的通断电进行控制的第二继电器(44)、用于对引风机(26)进行变频控制的变频器(45)和用于对碳纤维电热板(4)的通断电进行控制的第三继电器(46)，所述第一继电器(43)串联在空气加热器(24)的供电回路中，所述第二继电器(44)串联在空气加湿器(25)的供电回路中，所述引风机(26)与变频器(45)的输出端连接，所述第三继电器(46)串联在碳纤维电热板(4)的供电回路中。

2.按照权利要求1所述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：位于采场模拟区域(2)的保温箱体(1)的顶部保温板、左侧保温板、右侧保温板、前侧保温板和后侧保温板，以及位于充填体模拟区域(3)的保温箱体(1)的底部保温板、左侧保温板、右侧保温板和后侧保温板一体成型；位于充填体模拟区域(3)的保温箱体(1)的左侧保温板上通过合页(7)转动连接有左侧门(8)，位于充填体模拟区域(3)的保温箱体(1)的右侧保温板上通过合页(7)转动连接有右侧门(9)。

3.按照权利要求1所述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：所述加热腔由槽钢(10)制成。

4.按照权利要求3所述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：位于充填体模拟区域(3)的保温箱体(1)的左侧槽钢(10)和右侧槽钢(10)的外壁上均设置有用于支撑安装抽屉式充填体模拟盒(6)的支撑板(11)，所述抽屉式模拟盒(6)的侧面设置有供支撑板(11)插入的滚轮槽(12)，所述滚轮槽(12)内设置有用于在支撑板(11)上滚动的滚轮(13)。

5.按照权利要求4所述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：所述支撑板(11)底部与槽钢(10)之间设置有筋板(14)。

6.按照权利要求1所述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：所述进回水连接机构(21)包括上分水器(21-1)、上集水器(21-2)、下分水器(21-3)和下集水器(21-4)，所述上分水器(21-1)的进水口上通过第一三通管(21-6)连接有进水口管(21-5)，所述进水口管(21-5)上连接有进水阀(21-7)，所述上分水器(21-1)的出水口与冷却管(35)的进水口和隔热管(34)的进水口连接，所述上集水器(21-2)的进水口与冷却管(35)的出水口和隔热管(34)的出水口连接，所述下分水器(21-3)的出水口与采热管(28)的进水口连接，所述下集水器(21-4)的进水口与采热管(28)的出水口连接，所述下集水器(21-4)的出水口上通过第二三通管(21-8)连接有出水口管(21-9)，所述出水口管(21-9)上连接有回水阀(21-10)；所述冷水水箱(37)的出水口通过地面送水管(12)和设置在地面送水管(12)上的送水动力泵(13)与进水口管(21-5)连接，所述热水水箱(38)的进水口通过地面回水管(14)与出水口管(21-9)连接；所述上分水器(21-1)和下分水器(21-3)之间设置有左三通阀(21-11)，所述左三通阀(21-11)和上集水器(21-2)的出水口之间设置有右三通阀(21-12)，所述左三通阀(21-11)的第一端口与下分水器(21-3)的进水口连接，所述左三通阀(21-11)的第三端口与第一三通管(21-6)连接，所述右三通阀(21-12)的第一端口与上集水器(21-2)的出水口连接，所述右三通阀(21-12)的第二端口与左三通阀(21-11)的第二端口连接，所述右三通阀(21-12)的第三端口与第二三通管(21-8)连接；所述左三通阀(21-11)和右三通阀(21-12)的第一端口为其左侧端口，所述左三通阀(21-11)和右三通阀(21-12)的第二端口为其底部端口，所述左三通阀(21-11)和右三通阀(21-12)的第三端口为其右侧端口；所述左三通阀(21-11)为三通分流阀，所述左三通阀(21-11)的第三端口为进口，所述左三通阀(21-11)的第一端口和第二端口为出口；所述右三通阀(21-12)为三通合流阀，所述右三通阀(21-12)的第一端口和第二端口均为进口，所述右三通阀(21-12)的第三端口为出口。

7.按照权利要求6所述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：所述上集水器(21-2)的出水口处连接有上调节阀(21-13)，所述下集水器(21-4)的出水口处连接有下调节阀(21-14)。

8.按照权利要求1所述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：所述冷却管(35)和隔热管(34)均采用中间进，向两侧蛇形前进，最后从两侧出的布置方式；各层的采热管(28)均采用一侧进，向另一侧蛇形前进，并从另一侧出的布置方式。

9.按照权利要求1所述的一种深井充填体蓄热释热实验模拟装置，其特征在于：所述控制器(32)包括微控制器模块(32-1)以及与微控制器模块(32-1)相接的数据存储器(32-2)和用于与计算机(33)连接并通信的通信模块(32-3)，所述加热腔温度传感器(20)的输出端、进风温度传感器(29)的输出端、进风湿度传感器(30)的输出端、进风风速传感器(31)的输出端、出风温度传感器(40)的输出端、出风湿度传感器(41)的输出端、出风风速传感器(42)的输出端、充填体温度传感器(49)的输出端、进水温度传感器(47)的输出端和回水温度传感器(48)的输出端均与微控制器模块(32-1)的输入端连接，所述微控制器模块(32-1)的输入端还接有按键操作电路(32-4)，所述冷媒流量电磁阀(19)、送水动力泵(13)、热水输送动力泵(17)、第一继电器(43)、第二继电器(44)、变频器(45)和第三继电器(46)均与微控制器模块(32-1)的输出端连接，所述微控制器模块(32-1)的输出端还接有液晶显示屏(32-5)。