矿床与地热协同开采方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种矿床与地热协同开采方法及系统，其方法包括步骤：一、根据充填开采工艺进行矿块的采准、切割；二、在地面进行矿井地热开采地面系统的施工；三、进行第一分层回采，并在地下进行矿井地热开采地下系统的施工；四、进行第一分层充填，形成采热充填体；五、从第一分层以上部分从下到上依次进行各分层的开采、回采和充填，直至向上到阶段运输巷道；其系统包括矿井地热开采地面系统和矿井地热开采地下系统，矿井地热开采地下系统包括进行各分层回采时铺设的竖井立管、巷道横管和天井立管，以及进行各分层充填时形成的采热充填体。本发明专利技术设计新颖合理，在资源回收和地热开发的同时，兼顾了高温采场降温，实用性强，推广应用价值高。

Combined mining method and system for ore deposit and geothermal energy

The invention discloses a geothermal deposit and collaborative mining method and system, the method comprises the following steps: first, according to the process of filling mining ore block mining, cutting; two, the construction of mine ground system of geothermal exploitation on the ground; three, the first stoping, construction of mine geothermal system in underground mining for the first four, and underground; stratified filling, formation heat filling body; five, from the first part of the above layer from bottom to top of the hierarchical mining, stoping and filling, until up to the stage of transport roadway; the system including mine geothermal exploitation ground system and exploitation of underground mine geothermal system, mine geothermal exploitation the underground system includes laying the layered mining shaft riser, roadway cross tube and patio riser, and the formation of the layered filling mining hot filling Body. The invention has the advantages of novel and reasonable design, high temperature utilization, high practicability and wide application value when the resource recovery and the geothermal exploitation are taken into consideration.

【技术实现步骤摘要】
矿床与地热协同开采方法及系统
本专利技术属于深部矿产资源开采
，具体涉及一种矿床与地热协同开采方法及系统。
技术介绍
随着浅部矿产资源的逐渐减少和枯竭，开发深部矿产资源是国家保证资源安全、扩展经济社会发展空间的重大需求。同时，深部矿产资源开发利用也符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》提出的“深空、深海、深蓝和深地”四个领域的战略要求。超大超深矿床开采技术是“深地”探索的重要领域，是向地球深部矿产资源进军必须解决的战略科技问题，也是代表现代矿业科技发展的高端。深部矿产资源开采处于高地应力、高地温、高井深、高渗透压等特殊环境，势必给深部矿床开采带来众多科学技术难题，严重制约着矿山生产安全、效率和成本等。为此，突破超大超深矿床开采关键技术，提升深部矿产资源开发和利用能力，对于“决战深部”战略至关重要。超大超深的矿床开采将会使矿井下形成更多的采空区、引发的更多的地质灾害、环境破坏和固体废弃物排放，必将成为制约深部矿产资源可持续开发利用与矿业健康发展的重要因素。然而，要彻底缓解资源、能源、环境和安全的瓶颈制约，必须突破传统采矿技术屏障，大力发展以清洁生产、资源高效开采和废物循环利用为特征的绿色可持续资源开发模式—充填采矿技术，同时也是未来深部采矿方法发展的必然趋势。就金属矿山来说，据不完全统计，目前全世界千米矿井数目已超过150座，其中，南非深井矿山最多有76座，同时也拥有世界最大采深近4800m，平均采深已超过2000m，采深变化范围为1524m-4800m，以金矿为主；加拿大有30座超千米矿山，采深变化范围为1524m-2499m，以金、铜-镍、铜-铅-锌矿为主；我国有17座矿山采深超过千米，采深变化范围为1000m-1600m，以金、有色金属矿为主，其中夹皮沟金矿为我国典型的深井开采矿山；美国有11座超千米矿山，采深变化范围为1600m-2438m，以金、铜、银矿为主。对于超大超深矿床开采，热害现象尤为显著。世界上有许多国家先后出现矿井热害问题，如秘鲁的凯萨帕尔卡铜铅锌银矿，早在1937年就在-823米水平上打了一条32千米的疏干巷道，用以疏干矿体中的热水，1967年巷道中涌出热水，水温高达68.98℃，岩石温度为61.1℃。南非金矿矿井深度大部分超过2000米，SouthDeep金矿采深达2800m时，岩石温度达75℃；Mponeng金矿采深达4100米左右时，岩石温度达66℃。日本是矿井热害最多的国家，北海道的丰羽铅锌矿，岩石温度69-130℃，其东南侧的信浓矿体预计岩体温度可达160℃，同时存在热水和水蒸气的地热流体；鹿儿岛的菱刈金矿，水温60℃。美国的孤山铜矿，岩石温度60℃，水温36-52℃。此外，在赞比亚、墨西哥、尼加拉瓜、前捷克斯洛伐克、俄罗斯及德国等国也都发现矿井热害。据初步统计，在国外，南非西部矿井在深度3300m处气温达到50℃；日本丰羽铅锌矿由于受热水影响，在深度500m处气温高达80℃。随着矿井开采深度的增加，矿井内的温度将不断加大。根据目前对地温的认识，开采深度每增加1km，地下的岩石温度将上升25℃。据此推算，如果想要获取10000m深处的矿产资源，人类将面对250℃的岩石温度。在现在的技术条件下，这是人类不可能忍受的。对于深部矿床开采，高井温是导致热害的罪魁祸首。然而，高井温对于地热开发又是求之不得。地热作为一种可再生清洁能源，从绿色开采角度来看，地热也属于深部开采的范畴。那么，能否可以实现深部矿产资源和地热协同开采？假定可以借助深部矿产资源开采创造的开采系统，来开发地热，至少具有以下几个优势：(1)已具备一定采深，无需从地表至采深段的钻探工程，可为地热开发节省成本；(2)深部空区以具备相当规模，高温的岩石为地热开发提供源源不断的免费热源；(3)深部开采具备完成的提升运输通路，以及完备的电力、给排水系统，为地热开发过程中管路布设和动力供应提供保障；(4)对于一个既定矿山终究会开采完毕，废弃的矿山可以作为一个地热开发的工厂。因此，探索实现深部矿产资源与地热协同开采的技术很有必要，现有技术中还缺乏这样的技术。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种方法步骤新颖、实现方便、在资源回收和地热开发的同时兼顾了高温采场降温、实用性强、推广应用价值高的矿床与地热协同开采方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种矿床与地热协同开采方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、根据充填开采工艺进行矿块的采准、切割，形成天井、联络巷、阶段运输巷道、竖井和回采空间；步骤二、在地面进行矿井地热开采地面系统的施工，具体的施工过程为：在地面设置用于存储冷换热流体的集流体装置和用于存储热换热流体的蓄热流体装置，并在住宅/办公区设置用于为住宅/办公区供热的冷热交换器；在集流体装置的流体入口处连接与冷热交换器的冷换热流体出口连接的冷换热流体输送管，在集流体装置的流体出口处连接地面送流体管，在地面送流体管上连接送流体动力泵，在蓄热流体装置的流体入口处连接地面回流体管，在蓄热流体装置的流体出口连接与冷热交换器的热流体入口连接的热换热流体输送管，在热换热流体输送管上连接热换热流体输送动力泵；步骤三、进行第一分层回采，并在地下进行矿井地热开采地下系统的施工，具体的施工过程为：在竖井内铺设竖井立管，在阶段运输巷道内铺设巷道横管，并在与天井连接处设置巷道横管预留接口，在天井中铺设天井立管，同时在每个联络巷内设置天井立管预留接口；其中，所述竖井立管包括竖井送流体立管和竖井回流体立管，所述巷道横管包括巷道送流体横管和巷道回流体横管，所述天井立管包括天井送流体立管和天井回流体立管，所述竖井送流体立管与地面送流体管连接，所述竖井回流体立管与地面回流体管连接，所述巷道送流体横管与竖井送流体立管和天井送流体立管均连接，所述巷道回流体横管与竖井回流体立管和天井回流体立管均连接；步骤四、进行第一分层充填，充填时相变蓄热材料和采热管分层交替设置，并设置溜井和硬化顶，形成采热充填体，具体过程为：步骤401、在采空区安装溜井模具，并设定充填时的相变蓄热材料充填层数和采热管的层数；步骤402、输入相变蓄热材料进行充填，至需要设置采热管的高度后，在相变蓄热材料上铺设作业平板，铺设采热管，采热管铺设完成后撤掉作业平板，并将采热管与天井立管预留接口连接；步骤403、重复步骤402，直至相变蓄热材料充填层数和采热管的层数达到了步骤401设定的值；步骤404、输入硬化材料进行充填，形成硬化顶；步骤五、从第一分层以上部分从下到上依次进行各分层的开采、回采和充填，且在各分层回采时，均按照步骤三的施工过程进行矿井地热开采地下系统的施工，在各分层充填时，均按照步骤四的方法进行充填，直至向上到阶段运输巷道；步骤五中在完成第N分层的开采、回采和充填后，启动送流体动力泵和热换热流体输送动力泵，在送流体动力泵的作用下，集流体装置内的冷换热流体经过地面送流体管进入竖井送流体立管，再进入巷道送流体横管，分送到每个天井送流体立管，然后送到与天井送流体立管连接的采热管中，冷换热流体在流过采热管时吸收相变蓄热材料积蓄的地热而成为热换热流体，然后进入天井回流体立管，经过巷道回流体横管和竖井回流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种矿床与地热协同开采方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、根据充填开采工艺进行矿块的采准、切割，形成天井(1)、联络巷(2)、阶段运输巷道(3)、竖井(4)和回采空间；步骤二、在地面进行矿井地热开采地面系统的施工，具体的施工过程为：在地面设置用于存储冷换热流体的集流体装置(10)和用于存储热换热流体的蓄热流体装置(11)，并在住宅/办公区(16)设置用于为住宅/办公区(16)供热的冷热交换器(15)；在集流体装置(10)的流体入口处连接与冷热交换器(15)的冷换热流体出口连接的冷换热流体输送管(19)，在集流体装置(10)的流体出口处连接地面送流体管(12)，在地面送流体管(12)上连接送流体动力泵(13)，在蓄热流体装置(11)的流体入口处连接地面回流体管(14)，在蓄热流体装置(11)的流体出口连接与冷热交换器(15)的热换热流体入口连接的热换热流体输送管(18)，在热换热流体输送管(18)上连接热换热流体输送动力泵(17)；步骤三、进行第一分层回采，并在地下进行矿井地热开采地下系统的施工，具体的施工过程为：在竖井(4)内铺设竖井立管，在阶段运输巷道(3)内铺设巷道横管，并在与天井(1)连接处设置巷道横管预留接口(22)，在天井(1)中铺设天井立管，同时在每个联络巷(2)内设置天井立管预留接口(23)；其中，所述竖井立管包括竖井送流体立管(6‑1)和竖井回流体立管(6‑2)，所述巷道横管包括巷道送流体横管(7‑1)和巷道回流体横管(7‑2)，所述天井立管包括天井送流体立管(8‑1)和天井回流体立管(8‑2)，所述竖井送流体立管(6‑1)与地面送流体管(12)连接，所述竖井回流体立管(6‑2)与地面回流体管(14)连接，所述巷道送流体横管(7‑1)与竖井送流体立管(6‑1)和天井送流体立管(8‑1)均连接，所述巷道回流体横管(7‑2)与竖井回流体立管(6‑2)和天井回流体立管(8‑2)均连接；步骤四、进行第一分层充填，充填时相变蓄热材料(21‑1)和采热管(21‑2)分层交替设置，并设置溜井(21‑3)和硬化顶(21‑4)，形成采热充填体(21)，具体过程为：步骤401、在采空区安装溜井(21‑3)模具，并设定充填时的相变蓄热材料(21‑1)充填层数和采热管(21‑2)的层数；步骤402、输入相变蓄热材料(21‑1)进行充填，至需要设置采热管(21‑2)的高度后，在相变蓄热材料(21‑1)上铺设作业平板，铺设采热管(21‑2)，采热管(21‑2)铺设完成后撤掉作业平板，并将采热管(21‑2)与天井立管预留接口(23)连接；步骤403、重复步骤402，直至相变蓄热材料(21‑1)充填层数和采热管(21‑2)的层数达到了步骤401设定的值；步骤404、输入硬化材料进行充填，形成硬化顶(21‑4)；步骤五、从第一分层以上部分从下到上依次进行各分层的开采、回采和充填，且在各分层回采时，均按照步骤三的施工过程进行矿井地热开采地下系统的施工，在各分层充填时，均按照步骤四的方法进行充填，直至向上到阶段运输巷道(3)；步骤五中在完成第N分层的开采、回采和充填后，启动送流体动力泵(13)和热换热流体输送动力泵(17)，在送流体动力泵(13)的作用下，集流体装置(10)内的冷换热流体经过地面送流体管(12)进入竖井送流体立管(6‑1)，再进入巷道送流体横管(7‑1)，分送到每个天井送流体立管(8‑1)，然后送到与天井送流体立管(8‑1)连接的采热管(21‑2)中，冷换热流体在流过采热管(21‑2)时吸收相变蓄热材料(21‑1)积蓄的地热而成为热换热流体，然后进入天井回流体立管(8‑2)，经过巷道回流体横管(7‑2)和竖井回流体立管(6‑2)到达地面回流体管(14)，汇入蓄热流体装置(11)存储，完成矿井地热的开采，蓄热流体装置(11)内的热换热流体再在热换热流体输送动力泵(17)的作用下，经过热换热流体输送管(18)通往冷热交换器(15)进行利用；其中，N的取值为大于等于1的自然数。...

【技术特征摘要】
1.一种矿床与地热协同开采方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、根据充填开采工艺进行矿块的采准、切割，形成天井(1)、联络巷(2)、阶段运输巷道(3)、竖井(4)和回采空间；步骤二、在地面进行矿井地热开采地面系统的施工，具体的施工过程为：在地面设置用于存储冷换热流体的集流体装置(10)和用于存储热换热流体的蓄热流体装置(11)，并在住宅/办公区(16)设置用于为住宅/办公区(16)供热的冷热交换器(15)；在集流体装置(10)的流体入口处连接与冷热交换器(15)的冷换热流体出口连接的冷换热流体输送管(19)，在集流体装置(10)的流体出口处连接地面送流体管(12)，在地面送流体管(12)上连接送流体动力泵(13)，在蓄热流体装置(11)的流体入口处连接地面回流体管(14)，在蓄热流体装置(11)的流体出口连接与冷热交换器(15)的热换热流体入口连接的热换热流体输送管(18)，在热换热流体输送管(18)上连接热换热流体输送动力泵(17)；步骤三、进行第一分层回采，并在地下进行矿井地热开采地下系统的施工，具体的施工过程为：在竖井(4)内铺设竖井立管，在阶段运输巷道(3)内铺设巷道横管，并在与天井(1)连接处设置巷道横管预留接口(22)，在天井(1)中铺设天井立管，同时在每个联络巷(2)内设置天井立管预留接口(23)；其中，所述竖井立管包括竖井送流体立管(6-1)和竖井回流体立管(6-2)，所述巷道横管包括巷道送流体横管(7-1)和巷道回流体横管(7-2)，所述天井立管包括天井送流体立管(8-1)和天井回流体立管(8-2)，所述竖井送流体立管(6-1)与地面送流体管(12)连接，所述竖井回流体立管(6-2)与地面回流体管(14)连接，所述巷道送流体横管(7-1)与竖井送流体立管(6-1)和天井送流体立管(8-1)均连接，所述巷道回流体横管(7-2)与竖井回流体立管(6-2)和天井回流体立管(8-2)均连接；步骤四、进行第一分层充填，充填时相变蓄热材料(21-1)和采热管(21-2)分层交替设置，并设置溜井(21-3)和硬化顶(21-4)，形成采热充填体(21)，具体过程为：步骤401、在采空区安装溜井(21-3)模具，并设定充填时的相变蓄热材料(21-1)充填层数和采热管(21-2)的层数；步骤402、输入相变蓄热材料(21-1)进行充填，至需要设置采热管(21-2)的高度后，在相变蓄热材料(21-1)上铺设作业平板，铺设采热管(21-2)，采热管(21-2)铺设完成后撤掉作业平板，并将采热管(21-2)与天井立管预留接口(23)连接；步骤403、重复步骤402，直至相变蓄热材料(21-1)充填层数和采热管(21-2)的层数达到了步骤401设定的值；步骤404、输入硬化材料进行充填，形成硬化顶(21-4)；步骤五、从第一分层以上部分从下到上依次进行各分层的开采、回采和充填，且在各分层回采时，均按照步骤三的施工过程进行矿井地热开采地下系统的施工，在各分层充填时，均按照步骤四的方法进行充填，直至向上到阶段运输巷道(3)；步骤五中在完成第N分层的开采、回采和充填后，启动送流体动力泵(13)和热换热流体输送动力泵(17)，在送流体动力泵(13)的作用下，集流体装置(10)内的冷换热流体经过地面送流体管(12)进入竖井送流体立管(6-1)，再进入巷道送流体横管(7-1)，分送到每个天井送流体立管(8-1)，然后送到与天井送流体立管(8-1)连接的采热管(21-2)中，冷换热流体在流过采热管(21-2)时吸收相变蓄热材料(21-1)积蓄的地热而成为热换热流体，然后进入天井回流体立管(8-2)，经过巷道回流体横管(7-2)和竖井回...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘浪，张小艳，张波，孙伟博，王美，邱华富，王燕，陈柳，王湃，秦学斌，方治宇，辛杰，朱超，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61