高溫采空區地熱抽采方法及抽采效果控制因素研究

閆璟泓，王方田，張少華，張 源，胡劍寧，刁望杰

(1.中國礦業大學 孫越崎學院，江蘇 徐州 221116； 2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

隨著我國煤炭資源開采強度的不斷加大，淺部資源日益減少，中東部礦區及西部新建礦井埋深超過1 000 m的煤炭資源占比達50%以上[1]。采深增加，地溫也會逐漸升高，我國煤田地溫梯度每100 m升高2.5～3.0 ℃，其中恒溫帶深度10～50 m，溫度為15～17 ℃[2]。據此推算，我國大部分礦井垂深1 000 m處圍巖溫度可達35～45 ℃，而部分地熱資源豐富的礦井，采深僅400～500 m即可達較高的地溫。在高地溫環境中人的中樞神經容易失調，從而出現精神恍惚、疲勞、周身無力等身體反應，這種工作狀態易誘發安全事故[3-4]。同時，礦井地熱作為一種煤系伴生資源，其賦存廣泛且可穩定供能，若將其變廢為寶，作為資源合理開發利用，則能大幅度減少生產經營成本。將采空區視為熱儲，提取礦井地熱資源，為周邊建筑提供穩定可持續的地熱能，具有重要的經濟價值和環境效益，有利于實現“碳達峰、碳中和”目標。

目前，在礦井地熱資源開發利用方面，David Banks等[5]探討了英國本土礦井水熱利用的開閉環系統及其優劣性。何滿潮等[6]設計了HEMS深井降溫系統，通過礦井涌水和高溫工作面換熱，在降溫的同時提取利用了礦井地熱資源；萬志軍等[7]通過向開采水平下鉆井并注射高壓水壓裂干熱巖，建設井下的EGS系統(增強型地熱系統)來提取利用礦井地熱資源；薛攀源等[8]在巷道設計埋管充填體，通過管內流體與圍巖的換熱來提取礦井地熱資源；浦海等[9]提出通過廢棄礦井蓄水儲熱開發礦井地熱資源；朱冬冬[10]介紹了國內礦井煤礦熱泵應用的3種系統：回風源、水源及空氣源熱泵系統。近年來，我國對地熱資源利用提出了新的要求，其中“十四五”規劃要求因地制宜利用地熱能，國家能源局要求2025年地熱能利用量要比2020年提高50%。為順應國家政策及綠色開采理念，應充分開發利用礦井地熱資源。

筆者創新提出一種煤礦采空區抽水回注提取礦井地熱資源的方法，該方法包括地上水源熱泵機組及地下采空區取熱系統。利用改造過的采空區抽采地熱資源可充分利用礦井煤系伴生資源。建立采空區滲流場—溫度場耦合模型，確定影響抽采效果的有關因素，研究抽采取熱過程中采空區溫度場變化，設計正交模擬試驗研究各因素影響程度，可為深井地熱開發提供一種有效技術途徑。

1 采空區地熱水抽采技術原理

煤層采空后上覆頂板垮落，在采空區內堆積大量碎脹巖體。由于高溫礦井采空區空間巨大，地溫高，其中的破碎巖體儲有大量熱能，且采空區圍巖能夠持續對破碎巖體傳熱，使采空區成為一種穩定的熱儲。為提取采空區熱能，提出一種采空區抽采回注方法，該方法基于低溫注射流體在破碎巖體中的滲流與對流換熱特性，通過不斷向采空區內注入冷流并抽出熱流實現連續取熱，如圖1所示。

圖1 抽水回注方法示意圖

1.1 地下采空區取熱系統

1)礦井廢水及抽采水處理

將工作面廢水或含水層涌水引入礦井廢水預處理站中對其進行初步凈化。需預先探明礦井水主要污染物，根據污染物成分設置具體處理程序。設置預處理步驟是為了減少礦井廢水在輸送過程中對設備及管路的腐蝕，從而提高設備服務年限。若預處理后的礦井水腐蝕性仍較強，可在輸水管路內部添加防腐蝕層來減輕腐蝕。

2)采空區冷流注射熱流抽采

由注射泵將預處理過的礦井水輸入采空區中。低溫水會和采空區破碎巖體進行熱交換，在抽采井處由抽采水泵定壓抽采。

因采空區對礦井水有一定的凈化作用，由抽采泵采出的熱水中腐蝕物質及懸浮物含量少[11]，可在井下采用真空泵抽采地熱水，并在地面設置過濾設施，對抽采熱水中的砂石等雜質進行過濾。

3)采空區防滲處理

抽采前需參考煤礦地下水庫防滲技術對采空區進行防水防滲處理。煤柱壩體除承受采動應力、水的軟化作用及儲水壓力外，還承受采空區流體運移壓力。因此，在地下水庫煤柱壩體防滲技術的基礎上，需額外考慮流體在采空區內滲流對煤柱壩體的影響。需要建設密封墻來封堵工作面左右兩側巷道，密封墻采用地下水庫常用的“T”型結構[12]，采用工字鋼和混凝土等材料構建，用錨桿將其與煤柱相連接，并在煤柱與密封墻連接處噴涂混凝土或防滲材料。密封墻主要起承載水壓及防滲作用，對采空區儲水性能要求較低，主要考慮流體運動對密封墻及人工壩體的影響，可采用相似實驗或數值模擬實驗方法對采空區滲流進行研究。

1.2 地上水源熱泵機組

采出熱流經井筒由地面機組設備提升至地上，通過水源熱泵技術間接換熱(取熱不取水)將采出熱流的低品位能轉為高品位能[13]，為地面供暖。由于抽采水源與淺層地下水、生活用水的溫度和成分差異較大，需要根據抽采熱流水溫、水質、流量等對熱泵機組組件進行改造[14]，以提高熱能利用效率。

2 采空區地熱水抽采多場演化數值模擬

2.1 模型假設

為了減少計算量，在滿足計算精度的前提下，對采空區模型進行簡化：

1)注入采空區內部的流體為單相流(純水)，流體在采空區內流動滿足達西定律，注入采空區的流體通過對流換熱方式進行熱交換。

2)采空區及其頂底板巖層不會與注入的純水發生化學反應，從采空區地下水庫抽采出的仍是純水，不包含砂石等雜質。

3)采空區孔隙率固定，不受流體流動和熱膨脹的影響。將外部圍巖及煤柱壩體視為滲透率極小的固體。

4)將采空區與補熱圍巖的導熱視為連續巖體內部熱交換，不考慮接觸熱阻。

2.2 采空區抽采系統模型

采空區抽采系統模型底面為300 m×1 500 m的長方形。采空區導水裂隙達70 m，由上到下分為3層：斷裂帶(50 m)、垮落帶Ⅰ(10 m)、垮落帶Ⅱ(10 m)，如圖2所示。

由采空區破碎巖體孔隙率分布特征[15-16]，將采空區每層的破碎巖體分為3個區域：斷裂帶包括煤柱支撐區、壓密區、大孔隙率區；垮落帶包括壓密區、大孔隙率區、小孔隙率區。具體孔隙率見表1。在垮落帶Ⅱ布置抽采井及回注井，設置兩者井長同為200 m。為體現出圍巖補熱效果[17]，采用3 000 m×2 000 m×200 m的長方體模擬表示采空區補熱圍巖。

表1 各區域孔隙率與粒徑

2.3 數學模型

采空區地下水庫能量守恒方程：

ΔU=Qw+Qp-W

(1)

ΔU=cmmmΔTm

(2)

冷流吸放熱公式：

Qw=cwmwΔT1

(3)

Dupuit方程：

(4)

圍巖補充熱量：

Qp=A2hΔT2t

(5)

由公式(3)、(4)可得冷流抽采熱量方程：

(6)

將式(2)、(3)、(6)代入式(1)中可得采空區溫差與抽采溫差關系：

(7)

式中：ΔU為采空區損失熱量，J；Qw為冷流采熱量，J；Qp為圍巖補熱量，J；W為做功量，J；cm為采空區破碎巖體的比熱容，J/(kg·K)；cw為冷流比熱容，J/(kg·K)；mm為采空區巖體質量，kg；mw為冷流質量，kg；ΔT1=Tw1-Tw2，為注射抽采溫差，K；ΔT2=Tp-Tm，為圍巖與采空區地下水庫溫差，K；ρw為冷流密度，kg/m3；p為抽采壓力，Pa；A1為冷流流經截面面積，m2；A2為采空區地下水庫與圍巖接觸面積，m2；vw為冷流平均流速，m/s；L為冷流路徑長度，m；h為圍巖與采空區地下水庫的表面傳熱系數，W/(m2·K)；k為采空區地下水庫的滲透率，m2；ΔTm為采空區溫差，K。

由文獻[18-19]得水熱耦合控制方程：

(8)

hA2(Tp-T)

(9)

Ce=(1-θ)ρmCm+θρwCw

(10)

λe=(1-θ)λm+θλw

(11)

(12)

式中：θ為孔隙率；v為流體速度矢量，m/s2；T為多孔介質溫度(采空區巖體及冷流)，K;Tp為圍巖溫度，K；Cm、Cp、Ce分別為采空區巖體、圍巖及多孔介質比熱容，J/(kgK)；λm、λp、λe、λw分別為采空區地下水庫、圍巖、多孔介質及水的導熱系數,W/(m·K)；ρm、ρp分別為采空區巖體、圍巖密度，kg/m3；A2為圍巖與采空區巖體接觸面積，m2。

結合式(7)～(12)，可以確定影響抽采溫差的相關因素。設采空區尺寸、傳熱系數、孔隙率等參數為定值，則抽采壓力p、初始溫度T0、注射溫度Tw1、注射流量v0、抽采井及注射井長度Lg1、Lg2同為抽采溫度的影響因素。然后，著重研究抽采壓力p、注射溫度Tw1、注射流量v0及抽采井長度Lg1四因素對抽采溫度的影響程度。

2.4 邊界條件

1)達西定律邊界條件

垮落帶Ⅰ處設置抽采井定壓抽采，在相對面設置回注井定流注射，剩余面作封閉處理。

2)多孔介質傳熱邊界條件

設置注射井為線熱源；設采空區初始溫度為333.15 K，梯度為0.03 K/hm(目前國內最大采深礦井的采空區尚未達到此溫度，但隨采深的增大，采空區可能達到該溫度，作者在此處做合理假設外推)。具體參數見表2。

表2 介質參數

2.5 網格剖分及無效化驗證

網格數目為15萬～35萬個時模擬結果差異較大，為40萬～70萬個時模擬結果變化較小，溫度差異在0.2 K以內，如圖3所示。采用45萬個網格數目剖分采空區模型可減少計算量，同時能保證計算精度。

圖3 網格無效化驗證圖

3 數值模擬結果及分析

3.1 采空區溫度場變化規律

參考地熱系統的常用參數[20]，結合煤礦開采實際情況，對該系統賦予合理的注射流量、注射溫度、抽采壓力。設置各注射井流量為0.06 m3/s，注射溫度為283 K(礦井淺部含水層涌水溫度為15 ℃左右)，抽采井的抽采壓力為0.3 MPa，對采空區溫度場變化規律進行研究。采空區溫度變化情況如圖4所示。

圖4 采空區溫度—時間變化圖

由圖4可以看出，采空區內冷鋒的發展趨勢，冷鋒首先在注射井附近出現，隨抽采的進行逐漸向抽采井發展，靠近注射井的破碎巖體溫度降低，且采空區平均溫度下降，抽采壽命降低。

冷鋒首先從大孔隙率區域發展至抽采井，在孔隙率大的區域發展速度較快，具有較好的導流作用。

3.2 影響因素探究

采用正交試驗方法，探究由2.3節分析得出的四因素(抽采壓力p、注射溫度Tw1、注射流量v0及抽采井長度Lg1)對抽采溫度的影響程度。

對各因素在合理區間內取值，設計四因素四水平的16組實驗，見表3。將注射溫度設置為283～307 K，代表不同情況：淺部含水層涌水溫度為15 ℃左右、工作面廢水溫度為35 ℃左右及兩種水相混合得到的水溫為15～35 ℃。抽采壓力、抽采井長度及注射流量參數設定，選擇參數在合理的范圍內浮動，符合工程實際。

表3 各組實驗方案

3.2.1 各影響因素指標

根據表3各組設置參數進行模擬，得到各組實驗的抽采溫度在0～30 a時間內的變化情況，并根據數據進行繪圖，如圖5所示。

圖5 各實驗抽采溫度—時間變化曲線

由圖5可知，各實驗在0～5 a內均達到333.4 K的較高抽采溫度，隨后呈不同趨勢下降。不同實驗保持較高溫度的時間不同，且呈不同趨勢下降。其中注射流量小的實驗抽采溫度隨抽采時間變化較小，抽采溫度較高。

由各組實驗30 a時的抽采溫度終值對影響因素進行方差分析，結果見表4。

由表4可知，各因素對抽采溫度的影響程度排序：注射流量對抽采溫度影響程度最大，后面依次為注射溫度、抽采井長度及抽采壓力。

3.2.2 流量對抽采溫度的影響

由上述結果分析抽采溫度受注射流量影響情況，將不同注射溫度的結果分為4組，抽采溫度—注射流量變化曲線如圖6所示。

圖6 30 a時抽采溫度—注射流量變化曲線

由圖6可以看出，不同注射溫度下的幾組曲線有相同的變化趨勢：在0.02 m3/s的注射流量下，所有注射溫度下的抽采溫度同為332.5 K，隨注射流量的增大，抽采溫度減小，減小趨勢先增大后減緩。其他3個因素對該趨勢無明顯影響。

注射流量較大，則在采空區熱儲中吸熱的流體較多，且較大流速使冷流未充分換熱就由抽采井抽出，使抽熱溫度降低，總采熱量降低。

在較小的流速下適當提高注射流量，可取得較高的抽采溫度，若持續提高注射流量，會使抽采溫度大幅下降。因此，根據地面熱泵機組對熱流流量及抽采溫度的需求，選擇合理的注射流量，以取得較好的取熱效果。

3.2.3 注射溫度對抽采溫度的影響

基于上述30 a時的實驗結果，分析抽采溫度受注射溫度的影響情況，將不同注射流量的結果分為4組，抽采溫度—注射溫度變化曲線如圖7所示。

圖7 30 a時抽采溫度—注射溫度變化曲線

由圖7可以看出，不同注射流量下的幾組曲線有相同的變化趨勢，增高注射溫度則抽采溫度增高，在0.02 m3/s的流量下，抽采溫度隨注射溫度增高較為平穩，在其他抽采流量下，抽采溫度增高趨勢隨流量增大而增高。

在小注射流量下，進入采空區的換熱流體少，隨著注射溫度下降，其抽采溫度下降較緩；在大注射流量下冷流循環量大，較低的注射溫度(較大溫差)使采空區溫度下降快，外部圍巖不能及時補充熱量，抽采溫度大幅度下降。抽采井長度及抽采壓力的無序變化則對該抽采溫度變化趨勢無明顯影響。

4 結論

1)提出了一種抽采煤礦采空區地熱資源的方法，包括礦井水預處理、采空區冷流注入熱流采出、采空區防滲、水源熱泵等技術方法。

2)研究了采空區溫度場變化規律：冷鋒首先從大孔隙率區域發展到抽采井附近，而壓密區域平均溫度變化較小。

3)建立采熱數學模型探究影響抽采效果的因素，并設計正交試驗，采用方差分析法研究各因素影響程度，從大到小排序：注射流量、注射溫度、抽采井長度、抽采壓力。其中注射流量起主導作用。

4)降低注射流量可提高抽采溫度。選擇合理的抽采溫度，可滿足熱泵要求且保持較高抽采效率(采空區曲線斜率)，可取得較好的經濟效益。