平煤股份八礦地熱水綜合利用研究與應(yīng)用

王中偉,汪國華,李白鶴,李金龍

(平頂山平煤設(shè)計院有限公司， 河南 平頂山市 467000)

1 概 述

平煤股份八礦部分采掘工作面水壓在4 MPa以上、放水孔溫度高達52℃、環(huán)境溫度超過33℃，屬高水壓和地溫異常高的地區(qū)。隨著開采深度的增加，高水壓和高溫度的威脅將越來越大。較高的采掘工作面水壓嚴重威脅著礦井的安全生產(chǎn)，異常高的環(huán)境溫度既影響工人的身心健康和勞動效率，也增加煤炭開采的成本。

另外，地熱作為一種寶貴、潔凈和‘可再生’的資源，目前廣泛應(yīng)用于取暖、礦泉水生產(chǎn)、發(fā)電、養(yǎng)殖、種植、浴療、印染等行業(yè)，其綜合開發(fā)利用符合“節(jié)約能源、降低消耗、控制污染、減少排放”的政策綱領(lǐng)，對于促進礦井持續(xù)、和諧、健康發(fā)展具有重要意義。

1 礦井概況

1.1 生產(chǎn)概況

平煤股份八礦始建于1966年，1984年全面建成投產(chǎn)，原設(shè)計生產(chǎn)能力3.0 Mt/a，2011年核定生產(chǎn)能力3.6 Mt/a。2014年進行二水平初步設(shè)計修改，設(shè)計生產(chǎn)能力4.0 Mt/a，可采資源量為101.57 Mt，儲量備用系數(shù)取1.3，服務(wù)年限20 a。

礦井為立井多水平開拓方式，一水平標高-430 m，二水平標高-693 m。

目前礦井生產(chǎn)區(qū)域由一水平正逐步向二水平過渡。二水平各煤組開采標高為：丁組-470～-550 m，戊組-500～-720 m，己組-600～-910 m。

1.2 地溫梯度和地溫

(1) 地溫梯度。礦區(qū)恒溫帶深度為25 m，溫度17.2℃。根據(jù)恒溫帶深度、實測數(shù)據(jù)，推算礦區(qū)平均地溫梯度3.9℃/100m。

(2) 地溫。根據(jù)總體生產(chǎn)布局及接替，八礦將逐步進入二水平，二水平開采標高-470～-910 m，埋深550～1000 m，根據(jù)地溫梯度推算地溫38℃～55℃，屬二級熱害區(qū)。

2 井下熱水綜合利用方案

2.1 方案概述

首先，根據(jù)生產(chǎn)區(qū)域及地溫情況，通過物探選擇熱水利用工程實施區(qū)域；其次，根據(jù)物探結(jié)果，結(jié)合圍巖滲透系數(shù)、水頭標高等因素布置地熱井，將地熱水導出；最后選擇合適位置建立熱水倉、泵房及輸水井，將地熱水排至地面，地面建立儲水池及排水管路，供地面洗浴、餐飲、冬季采暖等用水。

2.2 熱水利用工程實施區(qū)域的選擇

根據(jù)生產(chǎn)區(qū)域及地溫情況，選擇在-693 m西大巷進行熱水利用工程，為探明己組西大巷煤層底板80～150 m范圍內(nèi)寒武灰?guī)r的賦水性情況，劃分貧、富水區(qū)域，采用瞬變電磁法[1]和直流充電法[2]兩種探測技術(shù)，自西7點開始由東往西探測，探測長度2320 m，瞬變電磁測探點距10 m，共完成物理點數(shù)為295個；直流充電法測探點距60～140 m，共完成37站260個物理點。

探測結(jié)果：富水區(qū)域位于西7點往西140～210 m、330～385 m、505～588 m、690～760 m、815～865 m、1300～1400 m和1998～2060 m段；其它區(qū)域賦水性相對較弱。

2.3 地熱井布置

(1) 地熱井位置及個數(shù)[3]。根據(jù)探測情況，在-693 m西大巷2900 m范圍內(nèi)布置4眼地熱井，其位置為西7點往西160，560，1320，2010 m處。具體位置如圖1所示。

(2) 地熱井結(jié)構(gòu)[4]。井深280 m，開口直徑216 mm，揭穿太原組薄層灰?guī)r、砂巖、砂質(zhì)泥巖和煤層互層(平均83 m)，并進入寒武系灰?guī)r5 m(井深88 m處)后變徑為152 mm，沿寒武系灰?guī)r鉆進112 m(井深200 m處)后變徑為110 mm，沿寒武系灰?guī)r繼續(xù)鉆進約80 m(井深280 m處)，待見寒武系中統(tǒng)徐莊組中部的灰和深灰色層狀泥質(zhì)條帶白云質(zhì)灰?guī)r以及鮞狀白云質(zhì)灰?guī)r與黃綠色砂質(zhì)泥巖互層終止鉆進。為防止因煤層開采導致巖層變形而破壞地熱井，地熱井在太原組巖層下套管，套管直徑為177.8 mm，地熱井結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1地熱井平面位置

圖2 地熱井結(jié)構(gòu)

2.4 輸水井

2.4.1 輸水井位置的選擇

輸水井的位置選擇考慮的主要因素為：

(1) 地面場地盡量開闊平整，有利于管路布置及施工；

(2) 場地內(nèi)沒有高壓線等有礙安全的建筑物或構(gòu)筑物；

(3) 落底以后便于與泵房的連接，且不應(yīng)施工影響西大巷的安全與穩(wěn)定；

(4) 應(yīng)盡量避開受采動影響的區(qū)域。

根據(jù)上述主要因素，經(jīng)實地調(diào)研，輸水井選在八礦綠化隊院內(nèi)，坐標為X=37075，Y=46110，Z=+137。如圖3所示。

2.4.2 輸水井結(jié)構(gòu)

輸水井深度840 m，井壁結(jié)構(gòu)采用雙層管結(jié)構(gòu)，外層為護壁管，內(nèi)層為輸水管，管外全井段水泥封固。其主要特征見表1。

圖3 輸水方案

名稱深度/m直徑/mm材質(zhì)輸水井0～60(表土段)Φ80060～840(基巖段)Φ600護壁管0～60(表土段)Φ700×10雙螺旋鋼管60～840(基巖段)Φ426×14雙螺旋鋼管輸水管0～840Φ325×16無縫鋼管

2.5 水倉、水泵房及變電所[5]

2.5.1 水倉及水泵房位置的選擇

根據(jù)經(jīng)驗資料，考慮鉆孔影響半徑約20 m，泵房距離鉆孔中心20 m，結(jié)合地熱井布置位置，考慮到管路布置及其消耗量，將水泵房及水倉布置在輸水井西側(cè)。具體位置如圖3所示。

2.5.2 水倉及水泵房布置

(1) 水倉容積及布置形式。該水倉主要儲存熱水，考慮水倉保溫、水倉清理及地面供水范圍及水量，為節(jié)約工程量，布置一條水倉，容積按600 m3。如圖3所示。

(2) 斷面及支護方式。水倉采用半圓拱斷面，凈寬×凈高=3.0 m×2.5 m，長度92 m，采用錨網(wǎng)噴+砌碹支護方式；泵房采用半圓拱斷面，凈寬×凈高=5.4 m×5.7 m，長度21 m，采用錨網(wǎng)索噴支護方式；變電所采用半圓拱斷面，凈寬×凈高=5.4 m×4.2 m，長度18 m，采用錨網(wǎng)索噴支護方式。

2.6 輸水設(shè)備選型及供配電

2.6.1 輸水設(shè)備選型

選用MD420-93×10型煤礦用耐磨多級離心泵2臺，額定流量420 m3/h，吸程5.5 m，額定揚程930 m。

2.6.2 供配電

電源：在水泵房附近新建一個泵房變電所，電源引自八礦二水平中央變電所。

電壓等級：高壓采用6 kV、低壓采用1140/660 V、照明及手持式用電設(shè)備采用127 V供電。

為實現(xiàn)井下熱水利用系統(tǒng)排水自動化，設(shè)置排水泵站綜合自動化控制系統(tǒng)。在排水泵的出口管路安裝有電動閘閥，總出水管路上安裝壓力與流量傳感器。水倉設(shè)液位計連續(xù)測量水倉水位，作為自動調(diào)節(jié)的參考反饋量。

排水泵站綜合自動化控制系統(tǒng)采用防爆PLC控制，能根據(jù)井下水倉水位自動起停水泵，工作泵故障時，備用水泵自動投入。同時，該系統(tǒng)能通過通訊接口與八礦現(xiàn)礦井綜合自動化系統(tǒng)相連，以實現(xiàn)水泵運行參數(shù)上傳和遠程控制。

3 效益分析

3.1 投資概算

工程總投資1943.12萬元。其中：礦建工程360.34萬元；土建工程62.14萬元；設(shè)備及工器具購置289.31萬元；安裝工程157.49萬元；其他費用66.28萬元；預(yù)備費37.42萬元；輸水井鉆井工程造價970.14萬元。

3.2 效益分析

(1) 經(jīng)濟效益。實驗表明，該區(qū)域單孔地熱井可采地熱水量為30.60 m3/h，本次共布置4眼280 m深度的地熱井，合計可采地熱水量2937.6 m3/d，預(yù)測地熱水溫度為38℃～55℃，每年可節(jié)約資金或增加收入1009.31萬元，在地熱井服務(wù)20年內(nèi)可節(jié)約資金或增加收入20186.13萬元。

(2) 社會效益。地熱水利用后，使礦區(qū)擺脫了燃煤鍋爐供暖，保護了礦區(qū)環(huán)境，每年可減少因燃煤而排放的粉塵約115.38 t、SO2約999.96 t、CO約435.88 t、NO2約76.92 t、煤灰渣約6153.6 t。

4 結(jié) 論

(1) 由于己組底板灰?guī)r水壓力高、水量大，礦井采掘活動受到威脅，通過該項目的實施，地熱水既得到綜合利用，又起到疏水降壓的作用，一舉多得。

(2) 該項目能實現(xiàn)全自動遠程控制，維護、維修工作量很小，可降低工人勞動強度，減少人力資源投入。

(3) 通過工程實驗表明，利用地熱水每年可節(jié)約資金或增加收入1009.31萬元，減少因燃煤而排放的粉塵約115.38 t，SO2約999.96 t，CO約435.88 t，NO2約76.92 t,煤灰渣約6153.6 t,取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

參考文獻：

[1]DZ/T 0187-1997.地面瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程[S].

[2]地質(zhì)礦產(chǎn)部.DZ/T 0186-1997.直流充電法技術(shù)規(guī)程[S].

[3]DZ/T 0260-2014.地熱鉆探技術(shù)規(guī)程[S].

[4]張建中.地熱井成井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析[C]. 中國科技縱橫[A].北京：中國科技縱橫出版社，2014.

[5]張榮立，何國緯，李 鐸，等.采礦工程設(shè)計手冊(中、下冊)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.