本发明专利技术公开了一种废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法，属于地热资源开发和利用领域。选择煤矿典型长臂开采工作面，根据工作面的各项参数计算采空区覆岩两带倒漏斗状梯形结构体积，并根据两带平均碎涨系数/空隙率，计算出单个所选典型工作面采空区上覆两带空隙即储水体积；调查废弃煤矿基本参数，将井筒、巷道和采场工作面采空区的空隙储水体积之和判断为废弃煤矿矿井水热储总体积；最后利用废弃煤矿矿井水热储总体积通过热力计算评估废弃煤矿矿井水热储静态潜能。该方法估计精准、误差小，对废弃矿井内部不同井、巷和采场情况综合考虑，可用于快速估算废弃矿井储热能力，为废弃煤矿地热开发利用过程中的抽水试验和工程设计提供基础数据参考。程设计提供基础数据参考。程设计提供基础数据参考。
【技术实现步骤摘要】
一种废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法
[0001]本专利技术涉及一种热储潜能计算方法，尤其适用于废弃被淹矿井使用的一种废弃被淹煤矿 矿井水热储潜能计算方法，属于地热资源开发和利用领域。
技术介绍
[0002]我国对关闭/废弃煤矿资源开发利用的研究起步较晚，基础理论和关键技术薄弱，相关理 论研究和技术创新迫在眉睫。
[0003]在废弃煤矿资源化利用的诸多模式中，利用废弃煤矿的固有属性将其与可再生能源开发 利用相结合的研究与实践引起了广泛关注。目前，该类研究与实践的形式主要有四种：地面 太阳能和风能发电、矿井水热储地热开发、井下抽水电站和压缩空气储能。其中，与热泵技 术相结合的废弃被淹煤矿地热开发模式具有其独特优势。一方面，废弃煤矿被淹后矿井水常 年温度基本恒定，形成大体积量的中低焓地热储层；另一方面，废弃矿井的前期开采作业及 相应配套井巷设施提供了一种类似新型开挖式中低焓地热开发模式，不仅降低了钻井及维护 成本，而且改善了热储层的渗透特性，极大地提高了废弃煤矿地热资源开发利用的技术、经 济可行性。然而，对该类热储开发潜能及可行性的认识不足制约了上述废弃煤矿井下水热型 热储的大规模开发利用，具体技术问题则是煤矿井下采掘作业形成的井、巷和采场空间即热 储体积的难以确定，尤其是废弃采空区空隙储水体积。
[0004]针对废弃煤矿，传统方法均通过全寿命周期内矿井开采煤炭总体积考虑地面沉降等效估 算废弃/被淹煤矿井下空隙即储水容积，该方法忽略了大量采准巷道(尤其是永久支护岩巷)， 误差较大；相对精细化的研究则多按照双重多孔介质处理井下采掘作业空间，较少区分井筒 (井)、巷道(巷)和采场(采空区)结构差异导致的复杂空隙特征。目前较多的研究聚焦于 煤矿采空区。以煤矿地下水库建设为例，基于该理念的库容、储水系数确定技术与方法虽然 统筹考虑了井下采空区上覆岩层的空隙空间，但不能有效捕获冒落带和裂隙带空隙垂向分布 变化特征，且缺乏对井、巷空间的综合分析，存在着生产与废弃矿井间的差异。例如，基于 生产矿井的煤矿地下水库建设出于安全性考虑需时刻监测水库水位，并以此考虑库容和坝体 设计，而废弃矿井则近似认为矿井在废弃后排水即停止，矿井全部被淹后水位逐渐回升反弹 至井筒封闭位置，无需过多考虑水位监测及相应安全问题。
技术实现思路
[0005]针对上述技术的不足之处，充分考虑煤矿井、巷和采场尤其是采空区上覆冒落带和裂隙 带垂向空隙结构的差异性，结合矿井水基本热力、工况参数提出一种步骤简单，估算精度高 的废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术的废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法，其步骤为：
[0007]a、选择矿井中典型的长臂开采工作面，根据长臂开采工作面的各项参数计算采空区覆岩 两带倒漏斗状梯形结构体积，并根据两带平均碎涨系数/空隙率，计算出单个所选
典型工作面 采空区上覆两带空隙即储水体积；
[0008]b、调查废弃煤矿基本参数，分别计算废弃煤矿井筒、巷道和采场工作面采空区的空隙储 水体积，之后计算井筒、巷道和采场工作面采空区的空隙储水体积之和，即为废弃煤矿矿井 水热储总体积；
[0009]c、利用废弃煤矿矿井水热储总体积计算废弃煤矿矿井水热储静态潜能，并可以进一步开 展后续节能减排分析。
[0010]进一步，单个所选典型工作面采空区上覆两带空隙即储水体积的具体步骤为：
[0011]首先基于空间守恒采矿损伤不变量方程，建立地面/岩层沉降与煤层采高、两带高度间的 理论关系式；其次基于岩石碎涨特性，分析岩石碎胀系数与空隙率参数关系，带入前述沉降 与两带垂向高度间理论关系式获得冒落带和裂隙带碎涨系数/空隙率与相应高度关系；
[0012]为了消去较难获得的岩层沉降参数，在冒落带和裂隙带碎涨系数随垂向高度分别呈线性 增加和对数衰减变化规律假设基础上，建立相应坐标系推导冒落带和裂隙带碎涨系数随高度 变化的函数关系式，并得到相应高度范围内平均碎涨系数的关系式；其中冒落带和裂隙带高 度采用已有文献或国家行业标准中的经验公式，考虑坚硬、中硬、软弱和极软四种不同岩性 计算确定；
[0013]结合采空区覆岩两带空间范围近似呈对称性倒漏斗状梯形结构假设，选择矿井典型长臂 开采工作面，确定长臂开采工作面走向和倾向长度、采高、煤层倾角及相对应地面沉降高度， 计算采空区覆岩两带倒漏斗状梯形结构体积，并根据两带平均碎涨系数/空隙率，计算出单个 所选典型工作面采空区上覆两带空隙即储水体积。
[0014]进一步，首先调查废弃煤矿基本参数，然后对废弃煤矿中的每个工作面均使用步骤a的 方法计算计算采空区空隙储水体积并进行累加；其中在资料缺失或不足情况下通过已开采原 煤量的体积等效选择a步骤典型工作面进行类比计算工作面数量，通过a步骤确定单个工作 面采空区空隙储水体积后乘以工作面数量近似分析，最后统筹考虑井筒、巷道和采场工作面 采空区的空隙储水体积，三者之和为废弃煤矿矿井水热储总体积。
[0015]进一步，调查废弃煤矿基本参数，包括井筒形式、数量、直径和深度；生产时期井下永 久支护巷道类型、断面形式与长度；矿井全生命周期内开采工作面数量、走向长度、倾向长 度、煤层采高、煤层倾角及顶底板岩性；井筒空隙即储水体积确定；由于巷道参数的获取会 存在一定的困难与不确定性，除根据矿井资料相对精确地获得所需参数后计算永久巷道空隙 储水体积外，还可以将标准掘进巷道作为参考采用废弃煤矿生产时期平均巷道掘进率指标估 算巷道长度，进而计算巷道空隙即储水体积；工作面参数也可采用两种方式：根据矿井资料 相对精确地获得所需工作面参数，并针对每个工作面采用步骤a方法计算采空区空隙储水体 积后进行累加；或者在资料缺失或不足情况下通过已开采原煤量的体积等效选择a步骤典型 工作面进行类比计算工作面数量，通过a步骤确定单个工作面采空区空隙储水体积后乘以工 作面数量近似分析。
[0016]进一步，利用下式计算废弃煤矿矿井水热储静态潜能：
[0017]E
s
＝ηc
w
ρ
w
V
w
ΔT＝ηc
w
ρ
w
V
w
(T
w
‑
T0)
[0018]式中：E
s
为矿井水热储静态潜能，kWh；η为能量转换系数，取值1/3600＝0.0002778；c
w
、 ρ
w
和V
w
分别为矿井水比热、密度和体积，其中c
w
＝4.18kJ/(kg
·
℃)，ρ
w
＝
1000kg/m3， V
w
为前述b步骤计算所得矿井水热储总体积，T
w
为矿井水热储开采位置的温度，根据开采位 置深度和矿井地温梯度计算，T0为参考温度，以热力学中热的概念为基础定义为理想状态 下从热源可获取的的最大可用功，
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法，其特征在于步骤为：a、选择矿井中典型的长臂开采工作面，根据长臂开采工作面的各项参数计算采空区覆岩两带倒漏斗状梯形结构体积，并根据两带平均碎涨系数/空隙率，计算出单个所选典型工作面采空区上覆两带空隙即储水体积；b、调查废弃煤矿基本参数，分别计算废弃煤矿井筒、巷道和采场工作面采空区的空隙储水体积，之后计算井筒、巷道和采场工作面采空区的空隙储水体积之和，即为废弃煤矿矿井水热储总体积；c、利用废弃煤矿矿井水热储总体积计算得到废弃煤矿矿井水热储静态潜能，并可以进一步开展后续节能减排分析。2.根据权利要求1所述的废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法，其特征在于单个所选典型工作面采空区上覆两带空隙即储水体积的具体步骤为：首先基于空间守恒采矿损伤不变量方程，建立地面/岩层沉降与煤层采高、两带高度间的理论关系式；其次基于岩石碎涨特性，分析岩石碎胀系数与空隙率参数关系，带入前述沉降与两带垂向高度间理论关系式获得冒落带和裂隙带碎涨系数/空隙率与相应高度关系；为了消去较难获得的岩层沉降参数，在冒落带和裂隙带碎涨系数随垂向高度分别呈线性增加和对数衰减变化规律假设基础上，建立相应坐标系推导冒落带和裂隙带碎涨系数随高度变化的函数关系式，并得到相应高度范围内平均碎涨系数的关系式；其中冒落带和裂隙带高度采用已有文献或国家行业标准中的经验公式，考虑坚硬、中硬、软弱和极软四种不同岩性计算确定；结合采空区覆岩两带空间范围近似呈对称性倒漏斗状梯形结构假设，选择矿井典型长臂开采工作面，确定长臂开采工作面走向和倾向长度、采高、煤层倾角及相对应地面沉降高度，计算采空区覆岩两带倒漏斗状梯形结构体积，并根据两带平均碎涨系数/空隙率，计算出单个所选典型工作面采空区上覆两带空隙即储水体积。3.根据权利要求2所述的废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法，其特征在于：首先调查废弃煤矿基本参数，然后对废弃煤矿中的每个工作面均使用步骤a的方法计算计算采空区空隙储水体积并进行累加；其中在资料缺失或不足情况下通过已开采原煤量的体积等效选择a步骤典型工作面进行类比计算工作面数量，通过a步骤确定单个工作面采空区空隙储水体积后乘以工作面数量近似分析，最后统筹考虑井筒、巷道和采场工作面采空区的空隙储水体积，三者之和为废弃煤矿矿井水热储总体积。4.根据权利要求3所述的废弃被淹煤矿矿井水热储潜能计算方法，其特征在于：调查废弃煤矿基本参数，包括井筒形式、数量、直径和深度；生产时期井下永久...
【专利技术属性】
技术研发人员：褚召祥，李晓昭，李福清，高蓬辉，张东海，王义江，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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