深井熱資源的利用研究

摘 要：隨著礦井開采向深部的延深，深井熱資源將會越來越豐富。文章闡述了深井熱資源的形成原因，并將主要的深井熱資源進(jìn)行了詳細(xì)的分類，并給出了合理的利用方法。一方面使得深井熱資源得到了利用，另一方面也減少了深井熱資源對礦井安全生產(chǎn)及人員健康的影響，實現(xiàn)礦井和諧健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：地?zé)?；安全生產(chǎn)；人員健康

隨著采礦工業(yè)的發(fā)展，礦井逐年向深部延伸，地溫也隨之上升。根據(jù)我國目前地溫觀測統(tǒng)計資料，每延伸100m，地溫將上升（1.8～4.4）℃，隨著的深井熱資源也越來越豐富，如何合理地利用深井熱資源是目前國內(nèi)外亟需解決的難題，隨著礦井向深部的延深，深井熱必然影響到深部礦井采掘工作面的安全開采。因此，從能源利用和安全生產(chǎn)的角度來講，合理的利用深井熱資源都是現(xiàn)階段及未來亟需考慮的問題。深井熱資源主要為地下熱水、巖層地?zé)嵋约捌渌M成熱源組成[1]。

1 深井熱資源的成因

深井熱資源的成因概括起來可以分為天然因素和人為因素，其中天然因素起著關(guān)鍵性的作用。

1.1 天然因素[2]

天然因素是指地球表面和內(nèi)部原來所具有的，而不是由于人類的生產(chǎn)活動所產(chǎn)生的，這就是地表氣溫和地溫，而地下熱水屬于地溫的范疇。從天然因素而言，后者起著關(guān)鍵性的作用。

1.1.1 地表氣溫

礦井進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的溫度是由礦井所在地的氣候和氣象條件決定的，也是由礦井所在地的地理條件決定的。四季周期性的變化，也將影響到礦井進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的溫度，礦井內(nèi)風(fēng)流的溫度也將呈現(xiàn)周期性的變化。在夏季，如果氣溫高于巖溫，巖壁從空氣中吸熱而升溫，反之，在冬季則巖壁向空氣散熱而降溫。巖壁中隨著地表氣溫周期性變化而發(fā)生溫度變化的部分，稱之為“調(diào)熱圈”。調(diào)熱圈對井下氣溫起著調(diào)節(jié)作用。它的厚度在進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的始端最厚，隨著井巷的延伸逐漸變薄，以至完全消失。過了調(diào)熱圈消失點以后，井下氣溫也就不再受到地表周期性變化的影響。

1.1.2 地溫[3]

地球是一個龐大的熱庫，儲藏著無窮無盡的熱能，并且不斷地把熱量由上部地殼傳導(dǎo)散發(fā)到空間，同時又接受太陽的輻射熱量。地溫帶從淺至深可以分為變溫帶、恒溫帶及增溫帶。

由于增溫帶是隨著深度的增加而地溫升高，深井內(nèi)的熱資源也就越豐富。隨著地溫的升高，也使礦井內(nèi)的風(fēng)流上升，而形成深井熱害。礦床地質(zhì)勘探時，測定原始巖溫、恒溫帶的深度和溫度、地溫梯度以及巖石熱導(dǎo)率等原始數(shù)據(jù)對于地?zé)豳Y源的研究至關(guān)重要，同時也為深井熱害的治理提供了有力的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1.1.3 地下熱水

大氣降水滲入地下，在一定的地質(zhì)條件下，因受地球內(nèi)部熱能的影響而形成溫度不同的地下熱水，故地下熱水也屬于地溫的范疇。但是因其是與巖石導(dǎo)熱完全不同的特殊載體，因此單獨予以闡述。在水平或傾斜較緩的含水層，地?zé)釤崴倪\動具有較小的滲透速度，一般與圍巖處于相對平衡狀態(tài)，在這種情況下形成地殼的正常水熱運動，形成一定的地?zé)豳Y源；而當(dāng)?shù)叵聼崴貎A角陡峭的裂隙或斷層上升時，多數(shù)情況下都具有很大的運動速度。由于水溫來不及適應(yīng)遠(yuǎn)距離圍巖的溫度，因此形成局部地?zé)岙惓?，形成豐富的地?zé)豳Y源。如沿斷裂及構(gòu)造破碎帶上涌至地表，則形成溫泉，但是有時也能涌入礦井，而形成深井熱害。熱水在流動的過程中，將熱量傳遞給周圍的巖石使地溫增加，形成豐富的深井熱資源[4]。

1.2 人為因素

人為因素只要是由于人類生產(chǎn)活動而產(chǎn)生的，也就是礦床經(jīng)建設(shè)和開采以后在礦井中產(chǎn)生的熱資源。這些熱資源主要有：機(jī)電設(shè)備生熱、空氣受壓縮放熱、頂板巖石下沉及采落礦巖散熱、氧化放熱、混凝土水化作用放熱、鑿巖爆破生熱以及人體散熱等，這些都是因為人為因素而形成的熱資源，這些熱資源具有很強(qiáng)的不確定性，分布不集中，如果處理不好，也會形成深井熱害，以致嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。

2 深井熱資源的利用

2.1 地下熱水的利用

深井地下熱水，既是造成深井熱害，威脅礦井安全生產(chǎn)和人員身心健康的熱源，又是可以利用的寶貴的熱資源。這種熱資源，可以作為能源，為廣大工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會福利事業(yè)所利用，又可作為生活用水、飲用水和醫(yī)療用水的水源[5]。

2.2 地?zé)岬睦?/p>

當(dāng)前利用地?zé)嶂饕抢脧U舊巷道或采空區(qū)（應(yīng)有一定長度）作為冬季礦井的進(jìn)風(fēng)道，使進(jìn)風(fēng)流在其中進(jìn)行充分的熱交換，提高進(jìn)風(fēng)溫度，防止井筒和巷道的冰凍。

在我國北方許多礦區(qū)冬季地面氣溫很低，在進(jìn)風(fēng)風(fēng)筒和巷道內(nèi)，當(dāng)其圍巖壁面有水時，就會出現(xiàn)冰凍現(xiàn)象，致使通風(fēng)斷面減小，風(fēng)阻增大，礦井通風(fēng)條件惡化。冰凍嚴(yán)重時，還會造成卡罐、墜罐、落冰傷人和風(fēng)、水管道凍裂等事故，給運輸、提升裝置的正常運行帶來困難，威脅礦井安全生產(chǎn)，影響人員的身心健康，降低勞動生產(chǎn)率。

利用地溫預(yù)熱進(jìn)風(fēng)溫度，可以省去鍋爐蒸汽預(yù)熱的基本建設(shè)工程和設(shè)備的投資，節(jié)省鍋爐用煤，安全可靠，易于管理。根據(jù)礦井地溫預(yù)熱礦井進(jìn)風(fēng)流的經(jīng)驗可概括為以下幾點：

（1）對現(xiàn)有礦井事先應(yīng)該對廢舊巷道井巷和采空區(qū)切實調(diào)查清楚。為了更好地利用地?zé)?，盡可能選用干燥、巖石穩(wěn)固、所處位置較深、沒有積水的巷道做預(yù)熱巷道，還要清除其中的雜物、廢石，進(jìn)行必要的維修。

（2）利用地溫預(yù)熱的礦井，其總風(fēng)量應(yīng)比礦井正常通風(fēng)量大15%～20%，預(yù)熱后的熱空氣除供井下使用外，其余熱空氣送至提升井口，防止井筒凍結(jié)。

（3）利用地?zé)犷A(yù)熱礦井進(jìn)風(fēng)流的調(diào)熱巷道，應(yīng)盡量采用多分支并聯(lián)巷道網(wǎng)絡(luò)或大斷面的巷道。通過上述這種方式，可以減少通風(fēng)阻力，降低風(fēng)速，從而達(dá)到節(jié)約礦井扇風(fēng)機(jī)的能耗，增加空氣與圍巖壁面的熱交換面積和效果，減少高速氣流吹揚巖壁粉塵，污染礦井風(fēng)流。

（4）為了克服預(yù)熱巷道網(wǎng)的通風(fēng)阻力，當(dāng)?shù)V井主要扇風(fēng)機(jī)能力有限，不能平衡由于調(diào)熱巷道而增加的阻力時，一般可在井下安設(shè)輔扇，輔扇的風(fēng)量和風(fēng)壓應(yīng)作選型計算；如果用多臺并聯(lián)在不同分支巷道中的輔扇，還應(yīng)注意它們聯(lián)合運轉(zhuǎn)的合理性。務(wù)必使之在預(yù)熱巷道網(wǎng)絡(luò)中不出現(xiàn)循環(huán)風(fēng)流以及不出現(xiàn)風(fēng)量損失。當(dāng)全礦主扇能力有足夠的備用量時，也可采用主扇來克服預(yù)熱巷道網(wǎng)的阻力。

（5）提升井口房應(yīng)當(dāng)密閉和保溫，防止熱量的擴(kuò)散，以防達(dá)不到良好的預(yù)熱效果[6]。

（6）對于新建礦井，由于地?zé)豳Y源還不能利用，初期開采用臨時措施，如鍋爐蒸汽預(yù)熱，等到出現(xiàn)溫度較高的廢棄巷道可資利用時，再實行地溫預(yù)熱。

（7）如果尚未掘到溫度較高的深部巷道時，需要利用接近地面的調(diào)熱巷道，地溫較低，尤其是經(jīng)過冬季通風(fēng)冷卻，巷道附近巖體散失大量熱量，為了保持巷道預(yù)熱效果，應(yīng)當(dāng)在炎熱的夏季繼續(xù)通風(fēng)，利用夏季地表的高溫氣體，使巷道附近的巖體溫度較快地回升，秋季加以封閉，把熱量貯存在巷道內(nèi)，待冬季啟封后，即可再次利用[7]。

（8）如果是具有地下熱水的礦井，也可在接近地表的調(diào)熱巷道內(nèi)設(shè)置熱水的散熱器，使預(yù)熱巷道內(nèi)的溫度升高，以達(dá)到能保證礦井進(jìn)風(fēng)流的冷、熱風(fēng)混合處的溫度保持在2℃以上。散熱器的多少，依據(jù)地下熱水的溫度高低來決定。

（9）就淺層地?zé)岫?，淺層地?zé)崮艿睦茫饕峭ㄟ^熱泵技術(shù)的熱交換方式，將賦存于地層中的低位熱源轉(zhuǎn)化為可以利用的高位熱源，既可以供熱，又可以制冷。目前淺層地?zé)崮艿目山?jīng)濟(jì)利用的深度一般小于200m[8]。

（10）對于深層地?zé)岫?，采用“?電-冷”聯(lián)合運行，實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，即將熱能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而提供冷源。

2.3 人為因素產(chǎn)生的熱資源利用

人為因素產(chǎn)生的熱資源，從消極的角度來說，應(yīng)該屬于熱害的范疇，這部分熱資源應(yīng)該盡量采用各種各樣的方式消除，目前這部分資源利用的方法尚在研究階段，有待進(jìn)一步研究和開發(fā)利用。

3 結(jié)束語

為了更好的進(jìn)行深井熱資源研究與利用，建議以下幾點。

（1）深井熱資源在冬季利用的方式已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是夏季地?zé)豳Y源的利用方法尚在初級階段，有待進(jìn)一步進(jìn)行這方面的重點研究工作[9]。

（2）人為因素中的深井熱資源利用方法，引起分布范圍廣，有待進(jìn)一步做深入的研究。

（3）深井熱資源主要為地?zé)岷偷叵聼崴Y源。在以后的深井熱資源的研究工作中，科研機(jī)構(gòu)及礦山企業(yè)應(yīng)重點進(jìn)行這方面的研究工作。

（4）加強(qiáng)國家性的深井熱資源實驗室的建設(shè)。利用實驗室的條件，完善現(xiàn)有的基礎(chǔ)資料及經(jīng)驗數(shù)據(jù)的取得，為合理為礦山提供合理的深井熱資源利用方式和裝備。

（5）加強(qiáng)深井熱資源利用研究人員的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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[8]Stamatiou， E.； Kawaji， M.； Goldstein， V.： Ice fraction measurements in ice slurry flow through a vertical rectangular channel heated from one side， Proceedings of the Fifth IIR Workshop on Ice Slurries， Stockholm， Sweden， May 30-31，2002.

[9]Kawaji， M.； Stamatiou， E.； Hong， R.； Goldstein， V.： Ice slurry flow and heat transfer characteristics in vertical rectangular channels and simulation of mixing in a storage tank， Proceedings of the 4th IIR Workshop on Ice Slurries， Osaka， Japan，2001.

作者簡介：李虎虎（1985-），男，山西呂梁，本科學(xué)歷，2004年畢業(yè)于山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，現(xiàn)在山東能源淄礦集團(tuán)正通煤業(yè)公司高家堡礦井通防管理部工作，主要從事礦井降溫、礦井瓦斯治理以及礦井防滅火等工作。