固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置，包括矿井地热开采利用装置和采场空气处理与运输装置，矿井地热开采利用装置包括进行各分层充填时形成的多层采热充填体，垂直铺设在采热充填体内的U型换热盘管和设置在地面上的分集水系统，以及用于连接所述分集水系统与U型换热盘管的供回水系统；采场层空气处理与运输装置包括地面冷水处理装置、空气处理机组和用于为矿井回采空间内送入新鲜空气的送风管；本发明专利技术还公开了一种固流耦合协同降温的矿井地热开采利用方法。本发明专利技术通过固流耦合协同降温作用，能够达到很好的采场降温效果，营造一个舒适的井下热环境；提高了地下换热系统的

Equipment and method of geothermal exploitation and utilization in coal mines with solid-liquid coupling and cooperative cooling

【技术实现步骤摘要】
固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置及方法
本专利技术属于深部矿井开采
，具体涉及一种固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置及方法。
技术介绍
随着社会发展和资源需求日益增加，浅部煤炭资源逐渐减少甚至枯竭，为保障资源安全、扩展经济社会发展空间，世界各国均已进入深部资源开采阶段。然而，随着矿井开采深度增加，由深层地温所诱发的高温热害愈加严重，已成为制约深层矿床资源安全高效开采的重要因素。现有统计资料表明，德国平均采900m，平均地温41℃，最深达1712m，最高地温达60℃；英国平均采深700m，平均地温35℃，最深达1200m，最高地温达50℃；前苏联的顿巴斯矿区最深的煤矿达到1400m，千米平均地温为30℃～40℃/1000m，个别甚至达到52℃/1000m。对于我国而言，已有140多对矿井出现不同程度的热害问题，其中有45％的矿井采掘工作面风温超过30℃，是世界上热害矿井最多的国家。研究指出，30-40℃高温的采掘工作面，其事故率是温度低于30℃时的3.6倍，矿山井下作业地点气温每超过标准(此标准选用26℃)1℃，劳动生产率就会下降6-8％。同时高温高湿的恶劣工作环境不仅影响安全生产，而且危害井下广大工人的身心健康。矿井热害已成为继瓦斯、火、水、矿压、粉尘之后的第六大灾害。因此，解决深井热害问题，调节和改善深井作业热环境已成为世界矿床安全高效开采领域中极为重要，也是亟待解决的环节。深井高温围岩是诱发井下热害的根本原因，但其内部所蕴含的丰富热量却为地热能的开发利用提供了有利条件。深层地热资源作为一种可再生能源，存储量丰富，可开发潜力巨大。做好这一方面工作，对缓解能源短缺、环境及生态问题具有重要意义。在深井开采过程中合理利用地热，可为矿区提供清洁、廉价的热能，降低矿区运营成本，提高矿业可持续性，实现资源高效开采及绿色开采。另一方面，及时高效地提取出深井地热，可有效降低围岩或充填体温度，在一定程度上为深井降温产生积极的促进作用。因此，探索实现对深部矿产开采过程中的固流耦合协同降温配合地热开采的技术很有必要，现有技术中还缺乏这样的技术。另外，在实际应用中，U型管道常被用做冷热水循环系统，其能够有效降低进、出水循环能耗，避免地下有害矿物质通过水循环腐蚀管道系统。通过在U型管道循环系统中注入低温水后，不断地吸收深井胶结充填体的高温热量，使得管道内水温上升得到高温水，最后通过水泵输送给热用户。数据表明，在地下每下降100m，温度会增加4℃，这说明地层内存在一个明显的温度梯度。因此，埋管深度越深的管段输出的热水温度越高，然而在回水过程中，不同深度埋管中不同温度的热水一同汇入总回水管后必然会导致出水温度的整体降低。从分析的角度来讲，系统温度相对于环境温度越高，越大，能量品质也就越高，能转换成所需能量效率也高；越低，虽然会得到能量，但能级太低，可利用价值有限。因此，不能直接将深层充填体换热得到的高温水与浅层充填体换热得到的低温水进行混合，否则会造成热品质降低。因此，必须要合理控制各分层埋管的出水温度，使其以较高温度汇入回水总管来供给热用户，从而有效避免高低温混合过程中能量浪费。而然，现有技术中还缺乏这样的技术方法。
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，提供一种固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置，其通过U型换热盘管和采场空气处理与运输装置共同提供冷负荷，通过固流耦合协同降温作用，能够达到很好的采场降温效果，营造一个舒适的井下热环境。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置，包括矿井地热开采利用装置和采场空气处理与运输装置，所述矿井地热开采利用装置包括进行各分层充填时形成的多层采热充填体，垂直铺设在采热充填体内的U型换热盘管和设置在地面上的分集水系统，以及用于连接所述分集水系统与U型换热盘管的供回水系统；所述分集水系统包括分水器和集水器，所述分水器上连接有多条分水支路，每条分水支路上均设置有分水器蝶阀和循环水泵，所述集水器上连接有多条集水支路，每条集水支路上均设置有集水器蝶阀和集水器温度传感器；所述供回水系统包括设置在天井和竖井内的多条换热盘管供水管和多条换热盘管回水管，所述换热盘管供水管与分水支路连接，所述换热盘管回水管与集水支路连接；所述采场层空气处理与运输装置包括地面冷水处理装置、空气处理机组和用于为矿井回采空间内送入新鲜空气的送风管；所述地面冷水处理装置包括冷水机组、冷却塔、冷却塔水箱和用于为空气处理机组换热提供所需冷水的冷水蓄水箱，所述冷水机组的冷却水进水口通过第一低温冷却水输送管和设置在第一低温冷却水输送管上的低温冷却水管流体输送动力泵与冷却塔水箱的出水口连接，所述冷水机组的冷却水出水口通过高温冷却水输送管与冷却塔的进水口连接，所述冷却塔水箱的进水口通过第二低温冷却水输送管与冷却塔的出水口连接；所述冷水蓄水箱的侧面进水口通过冷水输送管与冷水机组的冷冻水出水口连接，所述冷水蓄水箱的侧面出水口通过冷冻水回水管和设置在冷冻水回水管上的冷冻水回水管流体输送动力泵与冷水机组的冷冻水进水口连接；所述空气处理机组包括从进风口到出风口的方向依次设置的一级空气过滤器、二级空气过滤器、表冷器和送风机，所述表冷器的进水口通过低温冷冻水管与冷水蓄水箱的下出水口连接，所述表冷器的出水口通过高温冷冻水管和设置在高温冷冻水管上的高温冷冻水管流体输送动力泵与冷水蓄水箱的下进水口连接，所述送风管的一端与空气处理机组的出风口连接，所述送风管的另一端通过天井、竖井通入井下并伸入各个矿井回采空间内。上述的固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置，还包括数据测量监控装置，所述数据测量监控装置包括监控立杆、测量仪组、数据采集器和计算机，所述监控立杆的数量为多根且均匀布设在矿井回采空间内，所述测量仪组包括用于测量矿井回采空间内空气干球温度和相对湿度的的温湿度测量仪、用于测量矿井回采空间内热辐射强度的黑球温度计、用于测量矿井回采空间内空气流速的风速测量仪和用于测量回采空间内有害物浓度的有害物浓度测量仪，每根监控立杆上均布设有温湿度测量仪、黑球温度计、风速测量仪和有害物浓度测量仪，所述温湿度测量仪的输出端、黑球温度计的输出端、风速测量仪的输出端和有害物浓度测量仪的输出端均与数据采集器的输入端连接，所述数据采集器与计算机相接。上述的固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置，还包括换热盘管出口温度优化系统，所述换热盘管出口温度优化系统包括与计算机相接的控制器，设置在底层的采热充填体内且用于对底层的采热充填体的温度进行实时检测的底层胶结充填体温度传感器，设置在各层U型换热盘管入口处且用于对U型换热盘管入口处流体的温度进行实时检测的U型换热盘管入口温度传感器和用于对U型换热盘管内的流量进行调节的电磁流量调节阀，以及设置在各层U型换热盘管出口处的且用于对U型换热盘管出口处流体的温度进行实时检测的U型换热盘管出口温度传感器和用于对U型换热盘管内的温度进行调节的电磁温度调节阀；每层所述U型换热盘管的入口均通过供水管三通阀与换热盘管供水管连接，每层所述U型换热盘管的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置，其特征在于：包括矿井地热开采利用装置和采场空气处理与运输装置，所述矿井地热开采利用装置包括进行各分层充填时形成的多层采热充填体(23)，垂直铺设在采热充填体(23)内的U型换热盘管(24)和设置在地面上的分集水系统，以及用于连接所述分集水系统与U型换热盘管(24)的供回水系统；所述分集水系统包括分水器(25)和集水器(2)，所述分水器(25)上连接有多条分水支路(5)，每条分水支路(5)上均设置有分水器蝶阀(4-2)和循环水泵(31)，所述集水器(2)上连接有多条集水支路(3)，每条集水支路(3)上均设置有集水器蝶阀(4-1)和集水器温度传感器(36)；所述供回水系统包括设置在天井和竖井内的多条换热盘管供水管(33)和多条换热盘管回水管(35)，所述换热盘管供水管(33)与分水支路(5)连接，所述换热盘管回水管(35)与集水支路(3)连接；/n所述采场层空气处理与运输装置包括地面冷水处理装置、空气处理机组(17)和用于为矿井回采空间(20)内送入新鲜空气的送风管(18)；所述地面冷水处理装置包括冷水机组(13)、冷却塔(9)、冷却塔水箱(10)和用于为空气处理机组(17)换热提供所需冷水的冷水蓄水箱(6)，所述冷水机组(13)的冷却水进水口通过第一低温冷却水输送管(11-1)和设置在第一低温冷却水输送管(11-1)上的低温冷却水管流体输送动力泵(12-1)与冷却塔水箱(10)的出水口连接，所述冷水机组(13)的冷却水出水口通过高温冷却水输送管(8)与冷却塔(9)的进水口连接，所述冷却塔水箱(10)的进水口通过第二低温冷却水输送管(11-2)与冷却塔(9)的出水口连接；所述冷水蓄水箱(6)的侧面进水口通过冷水输送管(7)与冷水机组(13)的冷冻水出水口连接，所述冷水蓄水箱(6)的侧面出水口通过冷冻水回水管(14)和设置在冷冻水回水管(14)上的冷冻水回水管流体输送动力泵(12-2)与冷水机组(13)的冷冻水进水口连接；所述空气处理机组(17)包括从进风口到出风口的方向依次设置的一级空气过滤器(17-1)、二级空气过滤器(17-2)、表冷器(17-3)和送风机(17-4)，所述表冷器(17-3)的进水口通过低温冷冻水管(15)与冷水蓄水箱(6)的下出水口连接，所述表冷器(17-3)的出水口通过高温冷冻水管(16)和设置在高温冷冻水管(16)上的高温冷冻水管流体输送动力泵(12-3)与冷水蓄水箱(6)的下进水口连接，所述送风管(18)的一端与空气处理机组(17)的出风口连接，所述送风管(18)的另一端通过天井、竖井通入井下并伸入各个矿井回采空间(20)内。/n...

【技术特征摘要】
1.一种固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置，其特征在于：包括矿井地热开采利用装置和采场空气处理与运输装置，所述矿井地热开采利用装置包括进行各分层充填时形成的多层采热充填体(23)，垂直铺设在采热充填体(23)内的U型换热盘管(24)和设置在地面上的分集水系统，以及用于连接所述分集水系统与U型换热盘管(24)的供回水系统；所述分集水系统包括分水器(25)和集水器(2)，所述分水器(25)上连接有多条分水支路(5)，每条分水支路(5)上均设置有分水器蝶阀(4-2)和循环水泵(31)，所述集水器(2)上连接有多条集水支路(3)，每条集水支路(3)上均设置有集水器蝶阀(4-1)和集水器温度传感器(36)；所述供回水系统包括设置在天井和竖井内的多条换热盘管供水管(33)和多条换热盘管回水管(35)，所述换热盘管供水管(33)与分水支路(5)连接，所述换热盘管回水管(35)与集水支路(3)连接；
所述采场层空气处理与运输装置包括地面冷水处理装置、空气处理机组(17)和用于为矿井回采空间(20)内送入新鲜空气的送风管(18)；所述地面冷水处理装置包括冷水机组(13)、冷却塔(9)、冷却塔水箱(10)和用于为空气处理机组(17)换热提供所需冷水的冷水蓄水箱(6)，所述冷水机组(13)的冷却水进水口通过第一低温冷却水输送管(11-1)和设置在第一低温冷却水输送管(11-1)上的低温冷却水管流体输送动力泵(12-1)与冷却塔水箱(10)的出水口连接，所述冷水机组(13)的冷却水出水口通过高温冷却水输送管(8)与冷却塔(9)的进水口连接，所述冷却塔水箱(10)的进水口通过第二低温冷却水输送管(11-2)与冷却塔(9)的出水口连接；所述冷水蓄水箱(6)的侧面进水口通过冷水输送管(7)与冷水机组(13)的冷冻水出水口连接，所述冷水蓄水箱(6)的侧面出水口通过冷冻水回水管(14)和设置在冷冻水回水管(14)上的冷冻水回水管流体输送动力泵(12-2)与冷水机组(13)的冷冻水进水口连接；所述空气处理机组(17)包括从进风口到出风口的方向依次设置的一级空气过滤器(17-1)、二级空气过滤器(17-2)、表冷器(17-3)和送风机(17-4)，所述表冷器(17-3)的进水口通过低温冷冻水管(15)与冷水蓄水箱(6)的下出水口连接，所述表冷器(17-3)的出水口通过高温冷冻水管(16)和设置在高温冷冻水管(16)上的高温冷冻水管流体输送动力泵(12-3)与冷水蓄水箱(6)的下进水口连接，所述送风管(18)的一端与空气处理机组(17)的出风口连接，所述送风管(18)的另一端通过天井、竖井通入井下并伸入各个矿井回采空间(20)内。


2.按照权利要求1所述的固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置，其特征在于：还包括数据测量监控装置，所述数据测量监控装置包括监控立杆(21)、测量仪组、数据采集器(26)和计算机(1)，所述监控立杆(21)的数量为多根且均匀布设在矿井回采空间(20)内，所述测量仪组包括用于测量矿井回采空间(20)内空气干球温度和相对湿度的的温湿度测量仪(22-1)、用于测量矿井回采空间(20)内热辐射强度的黑球温度计(22-2)、用于测量矿井回采空间(20)内空气流速的风速测量仪(22-3)和用于测量回采空间(20)内有害物浓度的有害物浓度测量仪(22-4)，每根监控立杆(21)上均布设有温湿度测量仪(22-1)、黑球温度计(22-2)、风速测量仪(22-3)和有害物浓度测量仪(22-4)，所述温湿度测量仪(22-1)的输出端、黑球温度计(22-2)的输出端、风速测量仪(22-3)的输出端和有害物浓度测量仪(22-4)的输出端均与数据采集器(26)的输入端连接，所述数据采集器(26)与计算机(1)相接。


3.按照权利要求2所述的固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置，其特征在于：还包括换热盘管出口温度优化系统，所述换热盘管出口温度优化系统包括与计算机(1)相接的控制器(28)，设置在底层的采热充填体(23)内且用于对底层的采热充填体(23)的温度进行实时检测的底层胶结充填体温度传感器(27)，设置在各层U型换热盘管(24)入口处且用于对U型换热盘管(24)入口处流体的温度进行实时检测的U型换热盘管入口温度传感器(30)和用于对U型换热盘管(24)内的流量进行调节的电磁流量调节阀(40)，以及设置在各层U型换热盘管(24)出口处的且用于对U型换热盘管(24)出口处流体的温度进行实时检测的U型换热盘管出口温度传感器(39)和用于对U型换热盘管(24)内的温度进行调节的电磁温度调节阀(42)；每层所述U型换热盘管(24)的入口均通过供水管三通阀(37-2)与换热盘管供水管(33)连接，每层所述U型换热盘管(24)的出口均通过回水管三通阀(37-1)与换热盘管回水管(35)连接；位于底层的U型换热盘管(24)的入口处设置有供水管截止阀(38-1)，位于底层的U型换热盘管(24)的出口处设置有回水管截止阀(38-2)；所述集水器温度传感器(36)、底层胶结充填体温度传感器(27)、U型换热盘管入口温度传感器(30)和U型换热盘管出口温度传感器(39)均与控制器(28)的输入端连接，所述分水器蝶阀(4-2)、集水器蝶阀(4-1)、循环水泵(31)、电磁流量调节阀(40)、电磁温度调节阀(42)、供水管三通阀(37-2)、回水管三通阀(37-1)、供水管截止阀(38-1)和回水管截止阀(38-2)均与控制器(28)的输出端连接。


4.按照权利要求3所述的固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置，其特征在于：每条分水支路(5)上均设置有流量传感器(32)和压力表(34)，所述流量传感器(32)和压力表(34)的输出端均与控制器(28)的输入端连接。


5.按照权利要求3所述的固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置，其特征在于：垂直铺设在采热充填体(23)内的U型换热盘管(24)在竖直方向上呈蛇形布设。


6.按照权利要求1、2或3所述的固流耦合协同降温的矿井地热开采利用装置，其特征在于：所述采热充填体(23)包括分层交替设置的蓄热充填材料(23-1)，以及设置在顶部的硬化顶(23-3)和设置在蓄热充填材料(23-1)中的溜井(23-2)。


7.一种采用如权利要求2所述装置进行固流耦合协同降温的矿井地热开采利用的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、在地面上设置数据采集器(26)和与数据采集器(26)相接的计算机(1)，并进行采场空气处理与运输装置的施工；
步骤二、根据充填开采工艺进行矿块的采准、切割，形成天井、竖井和矿井回采空间(20)；
步骤三、将步骤一中施工的送风管(18)布置到矿井回采空间(20)内；
步骤四、在矿井回采空间(20)内均匀布设多根监控立杆(21)，在每根监控立杆(21)上均布设用于测量矿井回采空间(20)内空气干球温度和相对湿度的的温湿度测量仪(22-1)、用于测量矿井回采空间(20)内热辐射强度的黑球温度计(22-2)、用于测量矿井回采空间(20)内空气流速的风速测量仪(22-3)和用于测量回采空间(20)内有害物浓度的有害物浓度测量仪(22-4)，并将温湿度测量仪(22-1)、热辐射强度的黑球温度计(22-2)、风速测量仪(22-3)和有害物浓度测量仪(22-4)的输出端通过数据线与数据采集器(26)的输入端连接；
步骤五、分层进行回采和充填，形成多层采热充填体(23)，且在进行各层充填时，输入蓄热充填材料(23-1)进行充填的过程中，充填至需要设置U型换热盘管(24)的高度后，在蓄热充填材料(23-1)上铺设作业平板，铺设U型换热盘管(24)，U型换热盘管(24)铺设完成后撤掉作业平板，并将U型换热盘管(24)的入口与换热盘管供水管(33)连接，将U型换热盘管(24)的出口与换热盘管回水管(35)连接；
步骤六、打开分水器蝶阀(4-2)、循环水泵(31)和集水器蝶阀(4-1)，分水器(25)向U型换热盘管(24)内通入流体，与采热充填体(23)进行热交换，热交换后的流体流入集水器(2)中。


8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：所述固流耦合协同降...

【专利技术属性】
技术研发人员：郇超，刘浪，李圣腾，周文武，赵玉娇，李双，张波，王美，张小艳，侯东壮，于群，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61