高温矿井充填体蓄热释热实验模拟装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高温矿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，保温箱体内设有采场模拟区域和充填体模拟区域，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充填体，充填体包括相变蓄热材料、溜井模拟腔、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；本发明专利技术还公开了一种高温矿井充填体蓄热释热实验模拟方法。本发明专利技术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。

Experimental simulation device and method for heat storage of filling body in high temperature mine

The invention discloses a high temperature mine backfill heat release simulation device of thermal experiment, including simulation box, geothermal exploitation water cycle simulation system and the data acquisition and control system simulation box comprises a box body and a baffle insulation, thermal insulation box body is provided with a stope simulation area and filling simulation area, filling simulation of drawer type filling body the simulation box is provided with a drawer type filling area, a numerical simulation of the filling body is provided with a box body comprises a phase change material filling, chute simulation chamber, tube, thermal insulation pipe and the cooling pipe; geothermal simulation system includes heat exchanger, cooling water tank and hot water tank water circulation mining; data acquisition and control system including mining field simulation area sensor group, filling simulation area of sensors, controller and computer; the invention also discloses a high temperature mine backfill regenerative heat release experiment mode Method. The invention can be well used for the theoretical study of the heat storage of the filling body in the high temperature mine, the cooperating cooling of the stope and the geothermal mining.

【技术实现步骤摘要】
高温矿井充填体蓄热释热实验模拟装置及方法
本专利技术属于高温矿井充填
，具体涉及一种高温矿井充填体蓄热释热实验模拟装置及方法。
技术介绍
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，如果能有一套高温矿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。
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，提供一种结构简单、设计新颖合理、实现方便且成本低、使用操作方便、能够很好地进行充填体相变蓄热、换热管采热、采场协同降温试验及理论研究、实用性强、便于推广应用的高温矿井充填体蓄热释热实验模拟装置。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种高温矿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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温矿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)...

【技术特征摘要】
1.一种高温矿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所述的高温矿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所述的高温矿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所述的高温矿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所述的高温矿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所述的高温矿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...

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