深井熱害治理及地熱能利用研究現狀

陳 軍

(朔州市山陰縣安監局，山西 朔州 036000)

開采進入深部以后，對安全生產的研究主要集中在兩個方面：圍巖溫度的分布及圍巖應力的分布。二者的持續升高極大增加了研究難度，來自于高溫的難點在于井田面積過大時降溫效率過低，主要原因在于供冷線路長，冷損多；來自于高應力的難點在于如何根據煤層質軟的特點實現安全支護和安全采掘。為改善礦井生產環境，國內外學者做了不懈的努力，積累了豐富的經驗。

早在20世紀初，世界范圍內就已出現礦井熱害問題，并有學者對礦井熱環境進行了研究，建于1920年的巴西毛勒.約爾赫(Morro.Velho)金礦(采深2 000 m，原巖溫度50 ℃)是世界上首個采用空氣調節的礦井，1924年德國Radbod煤礦(采深968 m，原巖溫度44 ℃)建立了世界首個煤礦空調系統。至20世紀70年代末，南非、德國、英國、蘇聯等國家已大規模采用礦井空調系統，80年代以后制冷降溫則成為深井降溫的主要手段[1-2].

我國對礦井熱環境的研究起步較晚。1964年，淮南九龍崗礦采用制冷降溫進行局部降溫實驗。隨后，撫順分院與中科院長沙礦冶研究所在蘇制4F10型活塞冷水機組的基礎上聯合研制JKT-20型礦用冷風機，在部分熱害礦井得到良好的應用。

經過半個多世紀的發展，各種降溫系統和方法被提出，如今所面臨的主要問題則是降溫投資與降溫效果的不平衡，即達到良好的降溫效果必須花費巨大的投資。國內外學者把熱泵技術和余熱利用應用于井下降溫，做了大量研究實踐，以井下涌出的高溫裂隙水或回風大巷中的廢熱為熱源，利用熱泵將其熱量品位提高之后進行地面生活區的供暖或制冷[3-4].

中國礦井熱害分類見表1.

表1 中國礦井分類[5](按溫度)表

1 高溫巷道溫度場研究方法

巷道的掘進打破了巖層原有的熱平衡狀態，風流自始至終都在與巷道圍巖發生著熱交換，調熱圈的大小隨風流溫度的變化而變化，調熱圈的變化本質上是圍巖的非穩態導熱過程。巷道圍巖溫度場的研究方法主要包括：理論分析計算、現場測定、物理相似模擬試驗和數值模擬試驗4種。

1.1 理論分析計算

巷道圍巖導熱微分方程的正確建立，是實現理論分析的首要條件。學者在理論分析方面持相同的假設條件，即：1) 巷道圍巖是均質的，且各向同性，熱物理參數為常數。2) 圍巖的原始巖溫為常數，僅隨深度變化。3) 礦內巷道為一個無限大的空心圓柱體，沿水平巷道的長度方向巖體的溫度梯度為零。4) 風流溫度不隨時間發生變化,為穩態溫度場。

1.2 現場測定

圍巖調熱圈范圍隨通風時間的增加而逐漸擴大，在同一斷面對巷幫打不同深度的鉆孔，放入測溫探頭，封孔穩定一段時間后讀取測溫結果，鉆孔實測法可直觀得出巷道圍巖溫度分布情況以及調熱圈隨通風時間增加的變化情況。現場測定的結果可以證明理論計算的正確性。褚召祥，朱庭浩等[6-7]諸多學者都采用過該方法對所研究巷道圍巖溫度分布進行了測定，并且各實測結果與對應的理論分析及數值模擬結果都很接近。

1.3 物理相似模擬試驗

模擬研究是各領域學科揭示不同規律的一個重要且可靠的手段，模擬研究分為物理模擬和相似模擬。物理模擬在模型中重新建造與真實對象中相同的物理場，只是相應于模型比例其絕對值有所改變；相似模擬是在模型中用另一種物理場代替真實對象中的一種物理場。高溫巷道圍巖傳熱規律的研究多采用物理模擬相似實驗進行研究，根據相似性原理，對應的兩個系統滿足相似的條件有兩個：1) 描述兩個系統對應點的各物理量之間分別保持一個常數—相似常數。2) 描述兩個系統對應點的動態發展規律的基本物理議程相同，也就是說各相似常數間保持一定的關系，即相似準則。對于井巷溫度場的模擬試驗，其難度在于溫度場相似準則的推導，張源[8]基于圍巖溫度場相似準則，設計的高地溫巷道熱環境相似模擬實驗系統，通過巷道圍巖噴注隔熱材料降溫模擬實驗研究了高地溫巷道圍巖溫度場及演化規律。

1.4 數值模擬試驗

數值模擬試驗相比較以上3種研究方法是最簡便經濟的，但其準確性需依邊界條件的設置、考慮因素的多寡而定。計算機技術的迅速發展，使得數值模擬可以實現對各種物理場的研究[9-10]. 現今幾乎所有學者對溫度場的研究都離不開數值模擬，而數值模擬試驗的結果只有與以上3種方法的研究結果相對應，才能說明試驗的有效性。總的來說，4種研究方法互為補充，促進完善，是溫度場研究歷程中不可或缺的手段。

2 深井熱環境熱源定性分析

地溫隨開采深度的增加而升高，礦井熱環境的形成因素有多種，主要分為內在因素和外在因素。內在因素包括：地面氣候變化、空氣自壓縮；外在因素包括：地熱、機電設備散熱、煤巖運輸散熱、礦井涌水散熱等；其它因素還可能有礦井開采距離長、風量偏低等，見圖1. 在不同的情況礦下這些因素所起到的主次作用不同，因此在礦井的不同地方的主要熱源也會發生相應的變化。

圖1 深井熱環境影響因素圖

2.1 地面氣候

地面氣溫的變化對于深井空氣環境的影響非常大，將其周期性的變化看做正弦曲線來計算其溫度，但計算誤差比較大。隨著技術的發展，現在已很少采用計算的方式求地面溫度，通過對地面井下各測站氣溫的測定即可確定對降溫(空調)系統的調節程度。冬夏溫差大，氣溫過低時則需將進風流加熱處理；溫度過高時則需提高降溫(空調)系統功率。

對于空氣自壓縮所引起的風流溫升的計算方法，因為計算壓入式通風與抽出式通風井底處溫度的結果有明顯區別，多在建井初期制冷設備選型時作為參考數據使用。

2.2 巷道圍巖散熱

原巖溫度取決于溫度梯度與埋藏深度，地溫梯度主要取決于巖石的熱導率與大地熱流值。對于多數深井來說，圍巖釋放到風流中的熱量占整個礦井內所有釋放熱量的75%以上[8]. 因此，針對圍巖的降溫研究被普遍認為是深井熱害治理的一個突破口。

圍巖與井下風流的熱交換是一個復雜的不穩定換熱過程。在采掘初期，新暴露面的圍巖以很快的速率向空氣傳遞熱量，隨著巖壁逐漸被風流冷卻，巖壁向空氣的傳熱就逐漸減少，最后巖壁的溫度趨近于空氣的溫度。由于巷道壁內的熱流動是不穩定的，因此巖體內部溫度場的分布、空氣的溫度也在不斷地發生著變化。但是散熱量是礦井降溫(空調)系統選型重要指標，現今采用一定假設條件進行計算：

1) 巷道為圓形橫截面。

2) 巷道所開鑿的巖體是均質并各向同性。

3) 巷道初揭開時，巖溫與該處的初始巖溫相等。

4) 整個巷道的圓周上傳熱條件不變。

5) 巷道內空氣為恒溫。

6) 圍巖所散發熱量全部傳遞給風流。

對于不同通風時間，其傳熱量亦不相同，楊德源[2]給出了詳細的計算方法。

2.3 機電設備散熱

科技的發展程度與煤炭(電力)的需求量互為正比關系，一定程度上促進了采掘機電設備的規模化和先進化。機電設備運行的放熱是惡化工作面氣候的一個重要因素，見圖2. 某礦回采工作面各熱源散熱量所占比例，近一半的熱量來自機械散熱。因此，加強對機電設備的降溫(換熱)也是改善工作面環境的有效手段。

圖2 某礦回采工作面各熱源散熱量比例圖

2.4 礦井涌水散熱

深部裂隙水溫度多高于原始巖溫1～3 ℃，可直接或間接與巷內風流發生換熱，使風流溫度升高，可根據涌水量、涌水溫度及其在離開某巷段的出水溫度，計算該段巷道涌水放熱量。

2.5 其他熱源

除了上述熱源之外，還有氧化散熱、人員散熱、運出的煤及矸石散熱、采空區漏風帶的熱量等，都對巷道氣候環境起到加溫的作用，受采掘面推進速度、噴霧降塵量等因素的影響，其散熱總量較低，各礦區可根據現場地熱情況進行散熱量的計算。

3 深井熱環境主要熱源的定量分析與速算方法

熱害礦井內散熱源主要以圍巖散熱與機電散熱為主，因此，根據其熱交換特點列出井下圍巖散熱量與機電散熱量的計算方法[11-12]. 通過準確計算散熱量，可為礦井選用合適的降溫方式以及降溫設備。

3.1 圍巖與風流的熱交換

對于高溫礦井，常溫風流在巷道中不斷被加熱，直至巷道圍巖與風流不存在溫差。一般來說，巷道圍巖放熱可用下式計算：

Qτ=KτUL(tgu-tB)

式中：

Qτ—圍巖散熱量，W；

Kτ—圍巖與井下風流熱交換系數，W/(m2·℃)，其值的大小取決于巖石的導熱系數、比熱、巷道斷面尺寸、通風時間和風量等諸多因素。

U—井巷周長，m；

L—井巷長度，m；

tgu—井巷始末兩端的平均原始溫度，℃.

tB—流經井巷始末兩端的平均溫度，℃.

根據Щербань礦井熱交換理論導出的不穩定熱交換系數Kτ有以下幾種計算方法：

1) 通風時間小于1年的巷道在巷道水分蒸發強烈時：

2) 對于通風時間1～10年的巷道：

其中，當巷道水分蒸發強烈時：

3) 對于通風時間10～50年以上的巷道：

其中，當巷道水分蒸發強烈時：

式中：

R0—巷道當量半徑，m，取0.564S1/2；

a—巖體導溫系數，m3/s；

λ—巖體熱導率，W/(m2·℃)；

τ—巷道通風時間，s；

ρ—巖石密度，kg/m3；

c—巖石的比熱容，J/(kg·℃)；

λ—巖石的導熱系數，W/(m2·℃)；

α、b—風流放熱系數，W/(m2·℃)，可分別用下式計算：

式中：

vB—風速，m/s；

ε—巷道壁粗糙度系數，取值查表2可得。

表2 不同巷道及壁面情況的ε值的取值范圍表

3.2 機電設備散熱計算

機電設備的放熱成為增加井下環境溫度主要因素之一，尤其在回采工作面。不同設備的放熱量計算方法如下：

1) 采掘機械放熱。實測表明，約80%的機械散熱會傳給風流，放熱量Qcj為：

Qcj=0.8kcjNcj

式中：

Qcj—機電設備放熱，kW；

kcj一設備的時間利用系數；

Ncj—采掘機械電機消耗的功率，kW；

設備放熱量的15%～25%用于風流溫升，所以，由采掘機械放熱引起的溫升Δt為：

2) 提升設備工作時放熱量。提升設備工作時的放熱量Qt為：

Qt=(1-ηt)ktNt

式中：

ηt—提升機工作效率；

kt—設備的時間利用系數；

Nt—設備功率，kW.

3) 通風機工作時放熱量。

對風流的加熱QB為：

QB=0.564NB

引起的風流溫升ΔtB為：

式中：

NB—通風機配用電機功率，kW；

V′B—風量，m3/min.

4 熱害治理—降溫措施研究

開采進入深部以后，井下作業條件惡化，熱害問題嚴重影響了工人健康及深部煤炭資源的安全高效開采，我國熱害礦區只能依據自身情況，因地制宜，設計或引進合適的降溫系統。降溫措施主要分為非機械制冷降溫和機械制冷降溫兩大類。

4.1 非機械制冷降溫

非機械制冷降溫主要方法及適用條件見表3.

優化設計礦井開拓布置及通風線路，并適當增大風量等非機械降溫方法都有助于降低熱害治理的難度，但是其降溫幅度有限，對于深井并趨于規模化開采的礦區，以上措施可在局部或作為機械制冷降溫的輔助措施。

4.2 機械制冷降溫

機械制冷降溫主要方法及適用條件見表4.

4.3 降溫系統分析

壓縮空氣制冷降溫系統裝置龐大，制冷能力有限，無法滿足深井降溫，現多不采用。制冷水降溫已經是一種比較成熟的礦井降溫技術，國內外使用較為廣泛，但該系統的冷凝熱排放問題明顯，尤其是井下冷凝熱的排放，能直接影響制冷系統的制冷效率。制冰系統在融冰速度慢、融冰池體積過大和輸冰管道堵塞上的問題比較明顯。對于空冷器轉換效率低，冷凍水供回水管道冷損過大的問題則是制冷水和制冰系統共有的問題。

表3 非機械制冷降溫方法概述[13,14] 表

表4 機械制冷降溫方法概述[15-17] 表

根據現場降溫經驗，傳統的非機械降溫措施和單一的機械降溫措施皆無法滿足降溫要求，多措施聯合降溫將是改善深井熱環境的重要思路。目前，各降溫系統能耗高，效率低，究其根本因素是煤礦礦區面積大，輸冷線路過長，致使冷損過大，這也是與金屬礦不同之處，所以金屬礦的輸冷管道的設計可有效降低冷量損失[18]. 新汶集團新巨龍礦區采用的分區集中降溫，實現了制冷系統隨采場的改變而實現“邁步”移動，使制冷負荷中心始終靠近采區，在地面條件允許的情況下，該方法能降低冷損，提高工作面降溫效率。一般來說，現場所需制冷系統應具有低功耗、高能效的特點，但此技術瓶頸有待突破。從對單個礦區進行各系統經濟技術比較來確定最佳的降溫方案，到降溫聯合礦井廢熱資源的利用，到降溫聯合深井熱害礦區的地熱資源的有效利用，隨著研究范圍的逐漸擴大，熱害礦井地熱能的有效利用成為降低成本、改善礦區生態環境的一種有效措施。

5 熱泵技術在深井的熱資源利用分析

煤田地熱資源的價值隨采深增加而愈來明顯，對于深井熱害礦區，其地熱能品位較低，統稱為淺層地熱資源，一般需要通過熱泵技術將其品位提高后加以利用，淺層地熱資源主要作為熱泵的低溫熱源用于供熱，地熱資源分級見表5.

表5 地熱資源溫度分級[19] 表

熱泵可將低品位的熱能經過電力做功而輸出高品位熱能，制冷與制熱兩種模式，蒸汽壓縮式熱泵原理見圖3. 其中，蒸發器使經膨脹閥流入的制冷劑液體汽化，以吸收被冷卻對象的熱量，實現制冷；從蒸發器中吸收的放熱量連同壓縮機消耗功所轉化的熱量在冷凝器中被冷區介質帶走，以實現制熱[20].

圖3 蒸汽壓縮式熱泵原理示意圖

因具有節能、環保、高效的優點，國內外許多礦區采用熱泵技術將礦井涌水中的熱量品位提高后利用，并取得一定的經濟效益[21]. 礦井的安全高效生產離不開安全適宜的工作環境以及資源的高效利用。對于深井熱害煤田，按其采區或某一區域對應地面或井下位置安設熱泵工作站，是對井下資源的充分利用。取代具有污染性的燃煤鍋爐供熱，既有經濟效益，又有環境效益，而且在礦區服務年限到達之后，廢棄礦井也可作為儲熱系統用于地熱能的提取，對于該系統的設計和應用，仍需大量的研究和調研。

6 結 語

通過對溫度場研究方法的論述，說明了研究方法的完善性。理論分析與現場測定互為指導，二者是物理模擬和數值模擬的基礎，4種研究方法互為補充。深井熱源的分析是礦井需冷量計算的根本基礎，對于現代化礦井，圍巖散熱與機電散熱是工作面的主要熱源。制冷系統主要問題以及技術瓶頸某種程度上阻礙了深井降溫工作的高效開展。熱泵技術在地熱資源利用方面能實現一定的經濟效益和環境效益，隨著技術的改進，熱泵在以后的礦井地熱治理中亦能占重要角色。