煤-熱共采模式下礦井地熱水開采及智能調度技術研究

李延河，萬志軍，于振子，張 源，張 波，甄 正，趙 東，師 鵬

（1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467009；2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；3.煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467009；4.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南 平頂山 467009）

0 引言

隨著我國長期對煤炭資源的高強度開采，東部礦井淺部煤炭資源逐漸枯竭，東部礦區(qū)煤炭深井開采成為常態(tài)[1-2]。然而，深井開采伴隨的井下高溫環(huán)境對礦工的身體健康、設備服役性能及壽命產生不利影響，嚴重制約著煤礦安全高效生產[3]。因此，深井熱害治理已成為礦山向深部發(fā)展的關鍵科學難題[4-6]。

近年來，在我國“碳達峰、碳中和”的時代背景下，礦區(qū)治霾減排持續(xù)推進，太陽能、風能、地熱能等清潔資源被大力開發(fā)[7-9]。華北型煤田區(qū)賦存了豐富的中深層水熱型地熱資源[10-11]，鑒于此，對礦區(qū)地熱水資源進行綜合開發(fā)利用，通過提取地熱水中的熱量用于礦區(qū)供暖、洗浴等，來代替部分燃煤鍋爐，不僅能有效降低碳排放、減少霧霾污染，還能夠提高資源利用率、改善井下高溫環(huán)境，并推進礦山可持續(xù)發(fā)展與綠色低碳轉型，具有顯著的社會效益、經濟效益和環(huán)境效益[11-14]。

目前，針對礦井地熱水開發(fā)與利用已有部分學者進行了相關研究。萬志軍等[15-16]提出了煤-熱共采的理念與技術框架，系統(tǒng)地介紹了礦井地熱水開采各步驟的具體工藝與地熱水利用的具體方法，并提出了根據地面用熱情況對地熱水開采進行智能調度和調峰出力。HALL 等[17]提出在冬季將礦井地熱水提取熱量進行供暖，夏季將熱量傳入回水中進行制冷的地熱水利用方法。AL-HABAIBEH 等[18]通過地源熱泵利用廢棄礦井中的地熱水進行供暖與制冷，并分析了該系統(tǒng)的長期利用效率。CHUDY 等[19]計算了廢棄礦井中地熱水蘊含的能量，以及開發(fā)地熱水資源對減少碳排放的重要作用。VERHOEVEN等[20]構建了礦井地熱水開采、利用、儲能、通信等多系統(tǒng)可持續(xù)能源結構。BAO 等[21]通過分析基巖地質、采礦條件與能源儲量，計算了利用礦井地熱水產生的效益。王艷艷等[22]基于模糊綜合權重法構建了地熱水資源梯級開發(fā)利用模式評價體系。針對礦井輸水自動控制系統(tǒng)，宮學東等[23]以PLC 作為控制核心設計了礦井疏水自動控制系統(tǒng)，采用傳感器監(jiān)測水泵、水倉等處狀態(tài)，實現了自動控制、實時監(jiān)控、系統(tǒng)保護等功能。徐衛(wèi)峰等[24]為礦井疏水與自動控制系統(tǒng)設計了一鍵自動啟停、多水倉水泵聯(lián)合運行流程，并利用避峰就谷運行方式減少了系統(tǒng)能耗。

以上研究表明，合理開發(fā)利用礦井地熱水資源具有顯著效益。然而地面熱負荷受到季節(jié)影響，一味大量開采會導致地熱儲層遭受破壞，降低地熱井服務年限。基于此，本文提出了基于地面熱負荷的礦井地熱水開采智能調度技術，分析了礦區(qū)地熱水開發(fā)潛力，介紹了地熱水自適應開采方法，明確了礦井熱冷負荷，設計了地熱水生產系統(tǒng)，討論了地熱水開采工業(yè)性試驗效果。

1 礦井地熱資源評價

1.1 礦井概況

平煤十礦位于河南省平頂山市東部，距市中心約5 km。井田東西走向長4 km，南北傾斜寬5.13 km，井田面積20.52 km2。根據礦井資料，礦井位于地溫異常區(qū)，其平均地溫梯度為3.4 ℃/hm，局部地溫梯度高達4.6 ℃/hm。同時，區(qū)域內碳酸鹽巖發(fā)育廣泛，賦存大量高壓巖溶熱水，溫度長期穩(wěn)定在50～52 ℃，從而加劇了工作面高溫熱害；且在煤層開采過程中，還易引發(fā)突水事故。

1.2 礦井地熱水資源量及開發(fā)潛力評價

為了分析礦井地熱水的開發(fā)潛力，利用熱儲體積法，對平煤十礦、平煤十二礦北側與首山一礦西南側礦區(qū)內的地熱資源量進行估算。根據地質數據與地層資料，設置該區(qū)域熱儲面積為68.98 km2、厚度為200 m、水頭高度為350 m，其他參數見表1。

表1 礦區(qū)地熱水參數Table 1 Parameters of geothermal water in mining area

地熱水資源量計算見式（1）。

式 中：ρw為水的密度，kg/m3；cw為水的比熱容，J/（kg·℃）；A為計算區(qū)域地表面積，m2；D為計算深度，m；Tw為指定體積內水的平均溫度，℃；Ts為基準溫度，℃。

為分析地熱水開發(fā)潛力，利用估算法計算該區(qū)域地熱水靜態(tài)可采量，見式（2）。

式中：Qs為地熱資源靜態(tài)可采量，J；Re為資源回采率，無量綱，取0.15。

利用最大允許沉降法計算動態(tài)可采量，見式（3）。

式中：QD為地熱流體動態(tài)可開采量，m3/a；TD為導水系數，取7.3×105m2/a；J為計算區(qū)中心水位降深，取100 m；t為開采時間，取20 a；μ為熱儲釋放系數，無量綱，取0.1；Rk為開采區(qū)半徑，取3 000 m。

結合式（1）～式（3）可得：平煤十礦地區(qū)地熱水蘊藏熱能為7.63×1017J，折合標煤26.1 Mt；地熱水資源靜態(tài)可采量為1.14×1017J，折合標煤3.9 Mt；動態(tài)地熱流體可采量為1.995 8×108m3/a，即2.95×1016J/a，每年折合標煤1.01 Mt。綜上，平煤十礦地熱水資源儲量巨大，具有較高開發(fā)潛力。

2 礦井地熱水開采與智能調度

2.1 礦井地熱水開采方法

為合理開采地熱水資源，保證資源合理利用，需根據礦井地質條件與礦井生產條件設計礦井地熱水抽采方法，如圖1 所示。

圖1 礦井地熱水開采與利用方法Fig.1 Mining and utilization method of geothermal water in mine

首先，通過前期探放水試驗確定地熱儲層地熱水分布“甜點區(qū)”，根據該區(qū)域劃分抽采靶區(qū)。依托礦井現有巷道布置，在靶區(qū)范圍內選擇合適巷道作為抽采巷，沿該巷底板軸向向熱儲層鉆多個地熱水抽采井，形成地熱井群系統(tǒng)。每個地熱井建設完成后需要先進行封井，隨后自地熱井布置保溫運輸管道，經緩沖保溫水倉后運輸至地面，保溫水倉應滿足容納水泵正常運行1～2 h 抽采的全部地熱水量，并劃分低水位、中水位、高水位、極限水位。采用兩趟輸水管路（一用一備），水倉設置三組水泵（一用一備一檢修），以負壓抽采方法抽水。提升到地面的地熱水通過地面水源熱泵裝置進行換熱，并根據地面各處需水量與熱負荷合理分配冷熱水。在整個抽采過程中需實時監(jiān)測地熱井水壓與水溫變化，防止水壓下降太大導致巷道底板破壞，以及水溫下降太快影響地熱水資源的可持續(xù)利用。提升至地面的礦井熱水在換熱后用于礦井地面工業(yè)廣場供暖、工人洗浴以及礦井防凍，最終結合水量需求制定地熱水抽采方案。

2.2 礦井地熱水智能調度技術

為保證地熱井服務年限，提高供熱效率，實現礦井地熱水開采的智能調度，提出了基于地面熱負荷的礦井地熱水智能調度技術，該技術主要由負荷數據庫與智能調度控制系統(tǒng)組成。

因地面熱負荷量從每日至每年都呈現較為規(guī)律性變化，但實時的負荷變化傳遞到系統(tǒng)內具有滯后性，因此將每日的負荷數據集中建立負荷數據庫，基于該數據庫預先確定每時刻的地熱水初始需水量，以此預防負荷量在晝夜或季節(jié)更迭時發(fā)生較大變化影響系統(tǒng)正常工作，在負荷偏離數據庫時采用自適應開采技術進行調整。

地熱水開采智能調度原理如圖2 所示，具體為：水倉中地熱水水位一般應處于低水位至高水位間，當負荷變動時，需水量產生變化，導致水倉中水位出現較大變動，為保證水倉水量維持正常范圍，通過控制水泵、管路的啟停使其滿足當下負荷。當需水量大于單水泵供水量時，水倉內水位下降，在下降至中水位時，開啟備用泵、備用管路協(xié)同工作，在水位到達極限水位時，停止備用泵與備用管路；當單水泵供水量滿足需水量時，則單泵持續(xù)運行，當水倉水位達到高水位時水泵暫停運行，在水位到低水位時重啟水泵供水。若出現最大供水量無法滿足預計需水量，可通過提前向地面蓄水池蓄水維持正常工作。

圖2 礦井地熱水開采智能調度技術原理Fig.2 The principle of intelligent scheduling technology for mine geothermal water mining

依據技術原理，構思了礦井地熱水自適應開采系統(tǒng)，其結構如圖2 和圖3 所示，主要以PLC 為控制核心，輔以各類型傳感器采集信息數據。為保證系統(tǒng)初始運行，需在系統(tǒng)內輸入初始熱（冷）負荷，該數值主要根據供暖區(qū)域熱（冷）負荷需求以及區(qū)域季節(jié)氣候共同確定。同時，各類傳感器實時采集目標區(qū)域氣溫、礦井地熱水水溫、水量、水壓等參數，并建立相關數據庫。然后將數據庫中的數據輸入到地面監(jiān)控中心，以此計算區(qū)域熱（冷）負荷需求以及供給端供熱量等。此外，利用工業(yè)以太網將總需水量傳輸到井下PLC 控制中心，通過水倉處液位傳感器、防爆攝像機監(jiān)測水倉容量，水泵處壓力、真空度、軸溫、流量傳感器判斷水泵狀態(tài)，結合需水量的變化確定開采方案，進而調整水泵、管路、地熱井電動閥門來改變生產策略。需要注意的是，數據庫中的各類自動更新和迭代，從而實現礦井地熱水記憶抽采、實時控采、智能調控。

圖3 地熱水開采智能調度系統(tǒng)結構Fig.3 Geothermal water mining intelligent scheduling system structure

2.3 礦井地熱水開采方案

2.3.1 礦井熱負荷及需水量分析

為了準確地設計整套開采方案，需要結合礦井實際用熱需求，對礦井熱負荷進行精準計算。經現場調研分析，冬季礦井主要用熱需求為地面17 萬m2建筑采暖、井筒防凍與職工洗浴，其中，職工洗浴用水為地熱水沉淀凈化后直接利用，不需要考慮熱負荷問題。

為了保證地熱水開采的智能調度，采用度時數法思想[25]，根據室外實時溫濕度、太陽輻射、室內目標溫度等參數，精準計算實時供暖熱負荷，則冬季礦區(qū)采暖負荷計算見式（4）。

式中：Qh為冬季礦區(qū)采暖負荷，W；K為外圍護結構傳熱系數，W/（m2·℃）；S為外圍護結構面積，m2；Tt為室內目標溫度，℃；To為室外溫度，℃；R為太陽輻射強度，W/m2；as為外表面太陽輻射吸收系數，無量綱；aw為外表面?zhèn)鳠嵯禂担琖/（m2·℃）。

井筒防凍所需熱負荷計算見式（5）。

式中：Qa為井筒防凍所需換熱負荷，kW；α為熱量損失系數，無量綱，取α=1.10；G為井筒進風量，m3/s；γ為空氣容重，由γ=101 325/[287×（t+273.15）]計算，kg/m3；Cp為空氣定壓比熱容，kJ/（kg·K），取1.005 kJ/（kg·K）；Ta為井口房冷熱風混合溫度，℃。

該地熱水開采方法通過水源熱泵利用礦井地熱水進行換熱，以上計算為熱泵制熱負荷，經熱泵礦井地熱水所提供的熱負荷計算見式（6）。

式中：Qn為礦井地熱水所提供的總熱負荷，kW；COP為熱泵制熱工況的循環(huán)性能系數，取4。

根據式（6）計算出的礦井地熱水熱負荷，結合進回水溫差可以得到實時的需水量，計算見式（7）。

式中：Gwp為需水量，t/h；Δtwp為礦井水進回水溫差，℃；GS為礦井洗浴需水量。

經調研，平煤十礦目前南工業(yè)廣場與北一工業(yè)廣場為主要的需熱地點，其建筑外圍護結構傳熱系數K=19.8 W/（m2·℃）、外表面太陽輻射吸收系 數as=0.48、外表面?zhèn)鳠嵯禂礱w=23.26 W/（m2·℃）、南工業(yè)廣場外圍護結構面積SS=25 000 m2、北一工業(yè)廣場外圍護結構面積SN=1 120 m2、室內目標溫度Tt=18 ℃、井口房冷熱風混合溫度Ta=2 ℃。為便于計算，此處取冬季負荷最大時太陽輻射強度R=381.02 W/m2、T0=-3 ℃（平均最低氣溫）或-7 ℃（極端最低氣溫），進回水溫差假設為Δt wp=25 ℃，根據式（4）～式（7）計算，其極限熱負荷值與需水量見表2，根據智能調度技術思想可以利用以上公式計算每一時刻需水量從而實時調整生產方式。

表2 平煤十礦地熱水利用熱負荷與需水量Table 2 Heat load and water demand of geothermal water utilization in Pingdingshan No.10 Mine

2.3.2 地熱水開采方案

根據平煤十礦前期的地質勘查與現有的技術條件，-890 m 水平的33190 工作面和33200 工作面為地熱水開采“甜點區(qū)”，選擇在這兩個工作面的機巷底板巷打井開采地熱水。

1）地熱井位置及結構設計。地熱井位置主要依據探放水實驗選擇在熱儲層富水區(qū)，33190/33200 機巷底板巷全長1 350 m，共設置10 個地熱井，地熱井之間間隔150 m，具體布置方案如圖4 所示。根據熱儲位置設計地熱井深150 m，采用二開結構，具體如圖5 所示。其中，前20 m 利用孔口管進行固井，0～70 m 為一開，直徑為127 mm，采用套管水泥環(huán)護井，70～150 m 為二開，直徑為113 m，采用裸眼完井。

圖5 地熱井井深結構示意圖Fig.5 Structure diagram of geothermal well depth

2）管網布置。根據礦井巷道、硐室布置與水泵提升能力，采用梯級接力提升方式，將地熱水從地熱井抽出后先提升至-870 m 水倉，后經-320 m 水倉，最后通過乘人斜井提升至地面。為降低地熱水輸送過程中的熱損耗，降低熱污染，選擇玻璃棉+不銹鋼板的管路保溫結構，保溫材料厚20 mm。

3）中轉水倉、水泵及熱泵機組。兩處水倉主要作用為匯集地熱水，并起到緩沖續(xù)存的作用。-870 m水倉斷面積10 m2，水倉長64 m，-320 m 水倉斷面積10 m2，水倉長92 m，兩處水倉處均設置三組水泵（一備一用一檢修）。地面設置高溫離心式水源熱泵機組（兩用一備）。

3 地熱水開采工業(yè)性試驗及評價

3.1 地熱水開采工業(yè)性試驗

基于地熱水開采方案進行工業(yè)性試驗，對平煤十礦工業(yè)廣場現有供暖系統(tǒng)進行升級改造，采用水源熱泵系統(tǒng)進行換熱，礦井地熱水開采工業(yè)性試驗布置如圖6 所示。為保證系統(tǒng)使用壽命，礦井水從南副井出來后，先輸送至礦井南凈水廠的沉淀池中，再運輸到熱泵機組進行換熱供暖與洗浴，換熱后排至南工業(yè)廣場凈化水廠的石英砂處理車間中，再運往地面用水點進行利用，南工業(yè)廣場供暖總體布置如圖7 所示。

圖6 礦井地熱水開采工業(yè)性試驗布置Fig.6 Industrial test layout of geothermal water mining in mine

圖7 南工業(yè)廣場供暖總體布置圖Fig.7 Overall heating layout of south industrial square

為驗證地熱水開采合理性，在地面沉淀池出口處布置了溫度監(jiān)測裝置，在33190 機巷底板巷地熱井布置了水壓監(jiān)測裝置，采集了2021 年與2022 年冬季地面熱泵進口前水溫與地熱井口水壓數據，結果如圖8 所示。由圖8（a）可知，受季節(jié)影響地面水溫有一定波動，但總體均在42～46 ℃，僅需使用熱泵機組提升5～10 ℃的熱量就能滿足需要，熱泵效率高，能夠滿足礦區(qū)17 萬m2供暖、全體員工洗浴與井口防凍；由圖8（b）可知，地熱井水壓整體呈下降趨勢，但變化較小，最終穩(wěn)定在1.7 MPa 左右，證明抽采方案穩(wěn)定可靠。

圖8 地面水溫與地熱井水壓監(jiān)測圖Fig.8 Monitoring diagram of surface water temperature and geothermal well water pressure

3.2 效益分析

1）經濟效益。通過地熱水進行礦區(qū)供暖與洗浴，實現了礦區(qū)17 萬m2的冬季供暖，與當地傳統(tǒng)燃煤供暖15 元/m2的成本相比，地熱供暖系統(tǒng)運行成本僅3 元/m2，每年可節(jié)約203.5 萬元；經處理的地熱水可滿足礦區(qū)7 000 余名職工每日洗浴用水，相較于鍋爐加熱洗浴用水每年平均可節(jié)約328.9 萬元。

2）安全效益。通過對礦井井筒進行防凍措施，可防止低溫天氣下井筒淋水結冰導致的井筒提升能力下降與通風斷面減小的問題，大幅提升礦井安全能力。

3）環(huán)境效益。通過利用地熱水資源每年大約可減少燃煤10 327 t，可實現年減少CO2排放量2.69×104t，在碳排放交易市場中按平均60 元/t 的價格計算可實現的經濟效益為161.4 萬元。對于溫室氣體減排有良好的環(huán)境效益。

4）社會效益。開發(fā)礦井地熱水資源，實現了資源的最大化利用，增加了綠色能源在能源結構中的占比，是積極響應“碳達峰、碳中和”國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的體現，對我國能源結構調整戰(zhàn)略具有重要推動作用。

4 結論

1）平煤十礦地熱資源量豐富，且開發(fā)潛力巨大。利用熱儲體積法對礦井地熱水資源量進行了計算，結果顯示，儲層地熱水蘊藏熱能為7.63×1017J，折合標煤26.1 Mt。利用估算法及最大沉降法對地熱水開發(fā)潛力進行了評價，結果顯示，其靜態(tài)可采量為1.14×1017J，折合標煤3.9 Mt，動態(tài)可采量為2.95×1016J/a，折合標煤每年1.01 Mt。

2）提出了礦井地熱水開采與智能調度技術，計算了礦井工業(yè)廣場熱負荷，基于此，設計了地熱水開采方案，減小了巷道底板突水風險，實現了礦井地熱水的資源化利用。

3）現場進行了礦井地熱水開采工業(yè)性試驗，結果表明，地熱水開采利用方案穩(wěn)定可靠，可滿足礦區(qū)17 萬m2供暖與礦井全體職工洗浴的需求，可取得直接經濟效益532.4 萬元，間接經濟效益161.4 萬元，具有良好的安全效益、經濟效益、社會效益與環(huán)境效益。