深部礦井煤炭-地?zé)釁f(xié)同開采系統(tǒng)研究

劉 琪 ，蘇 偉 ，張瑞瑛 ，李延朋 ，馮 緒 ，楊 亮

（中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710054）

0 引 言

經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的開采，我國(guó)淺部煤炭資源大幅減少甚至面臨枯竭，截止到2015 年我國(guó)已經(jīng)有47 對(duì) 礦 井 開 采 深 度 超 過(guò)1 000 m，并 且 每 年以10～25 m 的開采深度向深部發(fā)展[1]，煤炭資源深部開采成為必然趨勢(shì)[2-3]。伴隨著深部開采的進(jìn)行，在地溫梯度作用下深部礦井所處水平的地溫逐漸升高，從而引起礦井熱害問(wèn)題[4]。高地溫實(shí)質(zhì)是可持續(xù)利用的地?zé)崮埽咝С掷m(xù)地將深部礦井井下地?zé)崮苓M(jìn)行提取利用，不僅能夠解決煤礦熱害問(wèn)題、為煤礦安全生產(chǎn)提供保障，而且能夠?qū)崿F(xiàn)地?zé)崮芮鍧嵗?、降低碳排放和助力煤礦能源消費(fèi)低碳化發(fā)展[5-6]。

深部礦產(chǎn)和地?zé)崮芄膊?，可以直接從井下圍巖或礦物中持續(xù)取熱，阻斷地?zé)嵯蚓鹿ぷ骺臻g的傳遞，不僅能夠降低工作面降溫成本，而且能夠提升礦產(chǎn)開采效益，是自然資源綜合開發(fā)利用的重要發(fā)展趨勢(shì)[7]。GHOREISHI-MADISEH 等[8]驗(yàn)證了從地下采礦場(chǎng)收集地?zé)崮艿目尚行?，表明在采礦期間和礦山枯竭后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，都可以獲得廉價(jià)、清潔的可再生能源。張?jiān)吹萚9]提出在汛期利用廢棄礦井地下空間存儲(chǔ)洪水并吸收地?zé)崮?，在冬季抽取高溫礦井水至地面并提取熱能的井下空間和地?zé)崮芾媚Ｊ健Ｈf(wàn)志軍等[10]提出了基于井下熱儲(chǔ)層地?zé)崴椴傻拿?熱共采技術(shù)基本框架，并探討了相關(guān)科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)。畢世科等[11]根據(jù)唐口煤礦地?zé)豳Y源狀況，提出在井下鉆取地?zé)衢_采井和回灌井的模型，將地?zé)崴_采并輸送至地面進(jìn)行熱能提取和利用后，再送回井下進(jìn)行回灌。陳柳等[12]提出基于蓄熱充填體深井吸附降溫系統(tǒng)，從采空區(qū)充填體取熱為吸附式井下制冷系統(tǒng)提供熱源。ZHANG 等[13]對(duì)基于充填采礦法的礦物和地?zé)峁餐_采過(guò)程中涉及的充填體和地埋管之間的熱力傳遞過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn)。張波等[14]提出了一種基于充填采礦法的礦床－地?zé)釁f(xié)同開采系統(tǒng)，在礦井采空區(qū)充填體內(nèi)預(yù)先埋入換熱管群以提取深部地?zé)崮?。張小艷等[15-16]提出利用蓄熱/儲(chǔ)能功能性充填體提取地?zé)岬膶?shí)施方案，研究了添加石蠟和冰粒（Ice Grains）等材料對(duì)充填體熱力學(xué)性能的影響。宋健等[17]提出一種基于開挖的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源協(xié)同開采模式，以溫度為界限對(duì)地下主要資源開采模式進(jìn)行分類。張吉雄等[18]針對(duì)深部礦山圍巖熱和水熱開發(fā)，提出在井下向深部含水層鉆井取熱，利用煤炭開采后形成的采空區(qū)等區(qū)域進(jìn)行導(dǎo)熱充填體埋管取熱、儲(chǔ)水取熱、封閉空間內(nèi)流體采注取熱等地?zé)崤c煤炭協(xié)同開采方案。付海洋[19]以安居煤礦為背景，提出充填體埋管采熱和采空區(qū)儲(chǔ)水采熱為主的熱媒協(xié)同開采技術(shù)，分析了協(xié)同開采關(guān)鍵參數(shù)和工程方案設(shè)計(jì)，對(duì)充填體埋管和采空區(qū)儲(chǔ)水熱能傳導(dǎo)規(guī)律和熱能提取過(guò)程分析得出充填體埋管熱能提取效率更高。王文婕等[20]提出在巷道圍巖和頂板、底板鉆井布管后注水取熱，并將高溫水提升地面進(jìn)行利用的方式實(shí)現(xiàn)深部礦井地?zé)崮荛_發(fā)和熱害協(xié)同防治，并對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了可行性和經(jīng)濟(jì)性分析。徐宇等[21]總結(jié)提出礦井地?zé)崮軈f(xié)同開采主要有開采層蓄熱采熱、巖層采熱以及余熱回收3 種方式，開采層蓄熱采熱為在采空區(qū)充填過(guò)程中鋪設(shè)采熱管路從高溫巖體吸熱，巖層采熱為向開采巖層下方鉆井注水獲得高溫?zé)崴?，可有效阻斷地?zé)嵯蜷_采層傳遞、緩解熱害。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外在煤炭和地?zé)崮芄膊煞矫娴难芯慷酁槌椴删碌責(zé)崴岷筒煽諈^(qū)充填體埋管取熱等模式，且埋管取熱相較熱水取熱效率更高，但存在井下地?zé)崴椴?、處理和回灌工藝?fù)雜，充填體取熱不能直接對(duì)工作面降溫等問(wèn)題。因此，筆者提出一種煤炭-地?zé)釁f(xié)同開采系統(tǒng)，在預(yù)采煤層中布置換熱管群直接從中取熱為煤礦地面用熱提供熱源，不僅解決了煤炭開采面臨的熱害問(wèn)題，而且實(shí)現(xiàn)了深部礦井地?zé)崮芫C合利用。

1 煤炭-地?zé)釁f(xié)同開采基礎(chǔ)

1.1 煤層采熱可行性

沿煤層水平層面鉆孔進(jìn)行預(yù)抽煤層瓦斯和煤層注水是降低瓦斯突出和粉塵隱患的重要措施，基于煤層注水的煤層鉆孔工藝可為本系統(tǒng)在煤層中布置換熱器提供技術(shù)支撐。同軸套管換熱器較之于U 型管換熱器能增強(qiáng)流體與巖體之間換熱性能[22]，適宜應(yīng)用于中深層地源熱泵系統(tǒng)[23-24]，因此系統(tǒng)選擇同軸套管換熱器作為煤層取熱設(shè)備。利用煤層注水工藝，系統(tǒng)預(yù)先在待開采煤壁鉆取水平單向長(zhǎng)孔，在每個(gè)鉆孔內(nèi)布置單根同軸套管換熱器，實(shí)現(xiàn)從煤層中提取熱量。

1.2 煤系地層傳熱特性

1.2.1煤系地層熱物性參數(shù)特性

煤系地層物性參數(shù)和礦井地溫類型劃分見(jiàn)表1和表2[25-27]。

表1 煤系地層物性參數(shù)Table 1 Physics parameters of coal-bearing strata

表2 礦井地溫類型Table 2 Types of mine ground temperature

導(dǎo)熱系數(shù)是影響煤系地層熱量傳導(dǎo)和地溫梯度的重要參數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)越高，熱量傳導(dǎo)越強(qiáng)、地溫梯度越小。煤系地層導(dǎo)熱系數(shù)受各類礦物含量影響，巖石的導(dǎo)熱系數(shù)與其密度呈正相關(guān)、與含水率呈負(fù)相關(guān)，煤的導(dǎo)熱系數(shù)與其變質(zhì)程度、含水率、灰分含量和溫度呈正相關(guān)，平均值約為0.22 W/(m·K)，總體上煤的導(dǎo)熱系數(shù)低于巖石的導(dǎo)熱系數(shù)[27-28]。煤的比熱容隨溫度升高而增大，40 ℃時(shí)為1.002～1.358 kJ/(kg·K)。煤的導(dǎo)溫系數(shù)隨水分升高而增大，40 ℃時(shí)為0.123～0.520 m2/s。

1.2.2煤層熱儲(chǔ)特性

煤系地層各組分不同的導(dǎo)熱特性，決定了煤系地層內(nèi)部的熱量傳遞過(guò)程和熱量分布狀態(tài)。煤層底部巖層導(dǎo)熱系數(shù)較高，深部地?zé)崮芨子谙蛎簩觽鲗?dǎo)，而煤層導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，因此其內(nèi)部地溫梯度較大、溫度較高，同時(shí)加上煤層四周和頂部巖層具有一定程度的保溫作用，因此煤層熱量傳遞總體上具有存多失少的特征，使得煤層成為熱儲(chǔ)體并易發(fā)生熱害[26]。

1.3 采熱設(shè)備空間布局

考慮到本系統(tǒng)管路的空間需求，利用礦井開拓形成的井筒、井下硐室、運(yùn)輸大巷和回采工作面進(jìn)風(fēng)巷等工程，布置井下取熱系統(tǒng)管路和裝置。本系統(tǒng)采熱終端及連接管路、設(shè)備可布置于進(jìn)風(fēng)巷，這樣不僅利于煤炭-地?zé)衢_采工藝協(xié)同，而且能夠減少供冷量無(wú)效散失。

1.4 熱泵技術(shù)

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量只能自發(fā)由高溫物體傳遞到低溫物體，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，熱泵就是一種將熱量從低溫物體傳遞到高溫物體的裝置，其可以在投入較少電能的情況下獲取更多熱量，且能夠?qū)ν度牒瞳@取的能量完全輸出以加以利用，具有較高的節(jié)能價(jià)值。近年來(lái)，熱泵技術(shù)在礦井回風(fēng)、井下涌水等多種礦井余熱資源利用方面具有廣泛且成熟的應(yīng)用。

綜上所述，系統(tǒng)的應(yīng)用有完善的技術(shù)和理論基礎(chǔ)支撐，在運(yùn)行過(guò)程中不影響煤炭的正常開采，在對(duì)煤礦地?zé)崮苓M(jìn)行充分利用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層降溫，不僅解決了井下熱害問(wèn)題，而且降低了瓦斯突出和煤火災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，為煤炭開采提供有利工作環(huán)境。

2 煤炭-地?zé)釁f(xié)同開采系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

基于煤炭回采工藝，以預(yù)采煤層為取熱源，以同軸套管換熱器為取熱終端，創(chuàng)造性提出煤炭-地?zé)釁f(xié)同開采系統(tǒng)，該系統(tǒng)總體采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，包括地面熱能利用系統(tǒng)和井下取熱系統(tǒng)。熱能利用系統(tǒng)位于地面，包括熱泵機(jī)組、提升循環(huán)水管路、地面循環(huán)泵、供熱循環(huán)水管路、末端用戶和地面冷卻塔。地面熱能利用系統(tǒng)通過(guò)熱泵機(jī)組將從井下開采的低品位地?zé)崮苓M(jìn)行提升，為井筒防凍、生活熱水和建筑采暖等末端用戶提供熱源。井下取熱系統(tǒng)包括井下耦合換熱設(shè)備、井下取熱循環(huán)水管路、分水器、集水器、井下變頻循環(huán)泵、同軸套管取熱終端和智能監(jiān)控調(diào)控平臺(tái)。同軸套管換熱器水平布置于預(yù)采煤層中，用以提取煤層地?zé)崮?。井下耦合換熱設(shè)備是地面熱能利用系統(tǒng)和井下取熱系統(tǒng)的連接樞紐，實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)間熱量傳遞。

2.2 煤層采熱模式

系統(tǒng)對(duì)回采工作面前向煤層進(jìn)行地?zé)崮芴崛。瑢?shí)現(xiàn)“先采熱、后回采”的時(shí)間和空間協(xié)同。以煤層降溫后溫度分布均勻?yàn)樵瓌t，根據(jù)同軸套管換熱器取熱能力，順著回采工作面前向方向均勻劃分若干采熱工作面，在回采工作面推進(jìn)至采熱工作面之前進(jìn)行地?zé)崮荛_采，確保采熱過(guò)程對(duì)采煤過(guò)程無(wú)干擾。

為提高共采效率，可根據(jù)實(shí)際情況選用順序采熱模式或交替采熱模式。采熱模式如圖1 所示，采熱工作面均位于回采工作面之前，對(duì)于順序采熱模式，首先在采熱工作面Ⅰ布置同軸套管換熱器對(duì)該處采熱，隨著煤炭開采工作進(jìn)行，回采工作面逐漸靠近采熱工作面Ⅰ，在兩者之間達(dá)到一定安全距離前，對(duì)采熱工作面Ⅰ完成采熱，然后移除采熱設(shè)備至采熱工作面Ⅱ并對(duì)該處采熱，依次推進(jìn)實(shí)現(xiàn)各工作面順序采熱。為保證地?zé)崮艹掷m(xù)開采，可采用交替采熱模式，對(duì)回采工作面前方的采熱工作面Ⅰ和Ⅱ同時(shí)進(jìn)行采熱，隨著煤炭開采工作進(jìn)行，對(duì)采熱工作面Ⅰ完成采熱后，移除采熱設(shè)備至采熱工作面Ⅲ并對(duì)該處采熱，依次推進(jìn)多個(gè)工作面交替采熱，實(shí)現(xiàn)多個(gè)采熱工作面交替采熱，向地面持續(xù)輸出熱量。

2.3 地?zé)崮荛_采及利用

本系統(tǒng)總體采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，地?zé)崮荛_采、提升和利用涉及井下取熱循環(huán)、地?zé)崮芴嵘h(huán)和地面熱能利用循環(huán)3 個(gè)過(guò)程，如圖2 所示。

圖2 煤炭-地?zé)釁f(xié)同開采系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic of coal-geothermal collaborative exploration system

深部地?zé)崮芡ㄟ^(guò)熱傳導(dǎo)將熱量持續(xù)不斷地傳遞至煤層，分配至各采熱工作面的取熱循環(huán)水流經(jīng)布置于煤層的同軸套管換熱器，通過(guò)對(duì)流換熱的形式將煤層熱量取走實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層降溫，升溫后取熱循環(huán)水匯集于集水器并通過(guò)管路運(yùn)輸至井下耦合換熱設(shè)備，與來(lái)自地面的提升循環(huán)水換熱降溫后，經(jīng)井下變頻循環(huán)泵送至分水器并再次分配至各采熱工作面，形成井下取熱循環(huán)。

地面熱能利用系統(tǒng)提升循環(huán)水通過(guò)井下耦合換熱設(shè)備與井下取熱系統(tǒng)取熱循環(huán)水換熱升溫后，經(jīng)回水管返回地面熱泵機(jī)組，地面熱泵機(jī)組蒸發(fā)側(cè)對(duì)提升循環(huán)水提取熱量，降溫后的提升循環(huán)水在地面循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)供水管被輸送至井下提取熱量，實(shí)現(xiàn)地?zé)崮苡删轮恋孛娴奶嵘h(huán)。

地面熱泵機(jī)組冷凝側(cè)將熱量傳遞給供熱循環(huán)水，為井筒防凍、生活熱水和建筑采暖等提供熱源。當(dāng)末端用戶用熱量較小時(shí)，多余熱量傳遞給地面冷卻塔散熱系統(tǒng)，以保障系統(tǒng)運(yùn)行。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

煤炭和地?zé)釁f(xié)同開采涉及采礦、工程熱力學(xué)等多學(xué)科共同作業(yè)，且回采工作面環(huán)境復(fù)雜，因此解決相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤層地?zé)崮艹掷m(xù)開采的重要保障。

2.4.1空間協(xié)同設(shè)計(jì)

在保證對(duì)煤炭開采無(wú)干擾的前提下，利用煤炭開采形成的井巷工程，在空間上進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，為煤炭和地?zé)崮芄餐_采提供空間基礎(chǔ)。在進(jìn)行立井、巷道、硐室和進(jìn)風(fēng)巷等井下空間工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)為系統(tǒng)井下取熱系統(tǒng)設(shè)備和管路布置預(yù)留空間。依據(jù)煤層采熱傳熱模型對(duì)預(yù)采煤層進(jìn)行模擬計(jì)算，劃分采熱工作面，獲得管徑、管間距等布管參數(shù)。

2.4.2煤層鉆孔

煤層注水是采煤工作面常用且最有效的防塵措施，該工藝在回采工作面前方沿煤層鉆取與回采工作面平行的水平注水孔，然后使用防水材料封堵孔洞后向煤層內(nèi)部注水。系統(tǒng)利用煤層注水工藝，在完成煤層鉆孔后即在鉆孔內(nèi)布置同軸套管換熱器對(duì)煤層進(jìn)行取熱降溫，取熱完成將同軸套管換熱器等設(shè)備移除后，再進(jìn)行封孔和注水操作。

2.4.3高效采熱

為確保各采熱工作面交替開采，實(shí)現(xiàn)持續(xù)高效采熱，同時(shí)保證采熱過(guò)程對(duì)煤炭開采無(wú)干擾，實(shí)現(xiàn)采煤和采熱時(shí)間協(xié)同，采熱系統(tǒng)的管路、附件應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)金屬件，煤層采熱使用同軸套管換熱器[29]。如圖3 所示，該換熱器能夠進(jìn)行快捷裝配、安裝和移除，各采熱單元可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整同軸套管換熱器數(shù)量形成不同組合形式，在采熱結(jié)束后可快速移除至下一采熱工作面實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，且一旦零件發(fā)生損壞可快速加工和更換。

圖3 煤層采熱同軸套管換熱器Fig.3 Coaxial casing heat exchanger for heat extracting in coal

2.4.4智能監(jiān)控調(diào)控

本著安全、低碳、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和智慧的原則，智能監(jiān)控調(diào)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)采熱過(guò)程中取熱介質(zhì)動(dòng)態(tài)分配和智能調(diào)度。智能監(jiān)控調(diào)控平臺(tái)包括溫度傳感器、流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻循環(huán)泵和控制臺(tái)，通過(guò)該平臺(tái)可對(duì)每個(gè)采熱工作面取熱過(guò)程和取熱量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)溫度傳感器和流量計(jì)獲取一個(gè)時(shí)間段內(nèi)供回水溫差和流量，可計(jì)算出一定時(shí)間內(nèi)取熱量Qi：

式中，Qi為Δti時(shí)間內(nèi)取熱量，kJ；c為取熱介質(zhì)比熱容，kJ/(kg·℃)；Δti為第i個(gè)時(shí)間段，s；Di為Δti時(shí)間內(nèi)循環(huán)流體流量，kg/s；為Δti時(shí)間內(nèi)回水溫度，℃；Tiin為時(shí)間內(nèi)供水溫度，℃；ΔTi為Δti時(shí)間內(nèi)供回水溫差，℃。

可通過(guò)變頻循環(huán)泵調(diào)整取熱介質(zhì)循環(huán)流量以控制取熱量，各采熱工作面進(jìn)出口設(shè)置溫度傳感器、流量計(jì)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥將循環(huán)介質(zhì)差異性分配至各采熱面工作面，控制不同采熱單元取熱量。當(dāng)采熱量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，視為該工作面完成采熱。

智能監(jiān)控調(diào)控平臺(tái)包括多種優(yōu)化模型，采熱優(yōu)化模型可根據(jù)末端用戶的熱負(fù)荷需求和煤層儲(chǔ)存地?zé)崮苋萘?，?dòng)態(tài)調(diào)整熱量采集和分配；決策優(yōu)化模型對(duì)全系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)、效果以及采熱能力周期性波動(dòng)進(jìn)行綜合分析、計(jì)算，針對(duì)不同熱量應(yīng)用場(chǎng)景，提供最佳熱量開采及供應(yīng)方案。

3 煤層采熱傳熱模型

3.1 傳熱過(guò)程計(jì)算模型

煤炭-地?zé)釁f(xié)同開采涉及的傳熱過(guò)程主要包括煤系地層傳熱、同軸套管換熱器從煤層采熱。

煤系地層均存在一定的孔隙率，其內(nèi)部傳熱過(guò)程為復(fù)雜的多孔介質(zhì)傳熱，且同軸套管換熱器與煤層間的接觸熱阻也會(huì)對(duì)傳熱過(guò)程造成影響，煤層采熱涉及的傳熱過(guò)程較為復(fù)雜。因此，為提升計(jì)算效率，對(duì)煤系地層傳熱過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化：假設(shè)煤系地層為均質(zhì)介質(zhì)且各向同性，各組分的熱物性不會(huì)隨溫度變化。同軸套管換熱器從煤層采熱涉及的傳熱過(guò)程包括：煤層內(nèi)部導(dǎo)熱，同軸套管換熱器與煤層的傳熱，同軸套管換熱器外管與流入介質(zhì)的對(duì)流換熱、流入介質(zhì)與流出介質(zhì)的對(duì)流換熱。忽略同軸套管換熱器與煤層之間的接觸熱阻，簡(jiǎn)化后的傳熱過(guò)程如圖4所示。

圖4 同軸套管換熱器傳熱過(guò)程Fig.4 Heat transfer process of a coaxial casing heat exchanger

基于物理模型的幾何特性，選用圓柱坐標(biāo)系表示煤層內(nèi)部導(dǎo)熱過(guò)程[25]：

式中：kc為煤層的熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；u為煤層溫度，℃；t為時(shí)間，s；r為圓柱坐標(biāo)系中徑向坐標(biāo)，m。

管內(nèi)對(duì)流換熱過(guò)程[30]可表示為：

其中，v為介質(zhì)流速，m/s。假設(shè)流入介質(zhì)和流出介質(zhì)的溫度不沿徑向變化，流入介質(zhì)從煤層吸熱向流出介質(zhì)放熱，流入介質(zhì)傳熱過(guò)程可表示為

式中：Tin為流入介質(zhì)溫度，℃；νin為流入介質(zhì)速度，m/s；Tout為流出介質(zhì)溫度，℃；νout為流出介質(zhì)速度，m/s；r1為外管外徑，m；h為流入介質(zhì)與外管內(nèi)壁對(duì)流換熱系數(shù)，kW/(m·℃)；ρf為循環(huán)介質(zhì)的密度，kg/m3；cf為循環(huán)介質(zhì)的比熱容，kJ/(kg·℃)；λp為管道導(dǎo)熱系數(shù)，kW/(m·℃)。

流出介質(zhì)從流入介質(zhì)吸熱，流出介質(zhì)傳熱過(guò)程可表示為

3.2 采熱計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)

對(duì)于該系統(tǒng)而言，取熱主要目的是對(duì)煤層進(jìn)行冷卻，煤層采熱量計(jì)算模型可表示為：

式中：Q為煤層采熱量；Qair、Qc、Qs、Qa分別為回采工作面中風(fēng)流吸熱量、運(yùn)輸?shù)拿汉晚贩艧崃?、井巷圍巖散熱量、工作面機(jī)電設(shè)備和人員散熱量，kW；mcoal為回采工作面煤和矸運(yùn)輸量，kg/s；ccoal為煤炭比熱容，kJ/(kg·℃)；tc、t’c分別為煤層初始溫度、運(yùn)輸?shù)拿汉晚菲骄鶞囟?，℃；mair、cair分別為回采工作面風(fēng)流中干空氣的質(zhì)量流量、定壓比熱容，kg/s、kJ/(kg·℃)；cvapor為回采工作面風(fēng)流中水蒸氣的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；tf1、tf2分別為回采工作面入口、出口風(fēng)流的溫度，℃；r為水的汽化潛熱，kJ/kg；d1、d2分別為回采工作面入口、出口風(fēng)流的含濕量，g/kg(a)；λ為風(fēng)流與回采工作面巖壁的不穩(wěn)定換熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；l為回采工作面截面周長(zhǎng)，m；L為回采工作面長(zhǎng)度，m；ts為巖壁平均溫度，℃；k1、k2、k3分別為機(jī)電設(shè)備的安裝系數(shù)、同時(shí)工作系數(shù)和負(fù)荷系數(shù)；τ為機(jī)電設(shè)備每日運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，h；ps為機(jī)電設(shè)備總功率，kW；φ為同時(shí)工作人數(shù)；pr為人體散熱量，kW。

計(jì)算模型在對(duì)回采工作面進(jìn)行采熱前，根據(jù)回采工作面煤和矸運(yùn)輸量、井巷圍巖散熱量、工作面機(jī)電設(shè)備和人員散熱量、回采工作面入口風(fēng)流參數(shù)，在給定回采工作面出口風(fēng)流參數(shù)的情況下，計(jì)算出運(yùn)輸?shù)拿汉晚菲骄鶞囟?，即?jīng)吸熱冷卻后煤層平均溫度，從而結(jié)合煤層初始溫度計(jì)算出煤層采熱量，對(duì)回采工作面采熱能力進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。

對(duì)煤層采熱量計(jì)算模型各變量求一階偏導(dǎo)可知，煤炭運(yùn)輸量、煤層初始溫度、回采工作面出口風(fēng)流溫度、風(fēng)流含濕量變化量是決定煤層采熱量的關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)際采熱過(guò)程，為滿足回采工作面風(fēng)流參數(shù)，需從煤層吸熱將煤層冷卻降低至一定水平，則煤層初始溫度越高所需降溫溫差越大、煤炭運(yùn)輸量越大所需降溫負(fù)荷越大、回采工作面出口風(fēng)流溫度越低含濕量變化越小其從運(yùn)輸?shù)拿汉晚肺鼰嵩缴?，從而說(shuō)明煤層采熱量越大。

同理，從回采工作面入口到出口風(fēng)流的含濕量升高越多，說(shuō)明風(fēng)流從運(yùn)輸?shù)拿汉晚肺鼰嵩蕉啵\(yùn)輸?shù)拿汉晚房梢跃哂休^高的平均溫度，從而煤層降溫溫差越小、采熱量越低。而回采工作面實(shí)際環(huán)境多較為潮濕，風(fēng)流流經(jīng)回采工作面其含濕量一般會(huì)升高。因此，為確保降溫后煤層有足夠的冷卻能力，運(yùn)輸?shù)拿汉晚肪哂凶銐虻偷钠骄鶞囟?，不考慮任何其他形式的吸熱過(guò)程，視流經(jīng)回采工作面風(fēng)流含濕量不變，且回采工作面出口風(fēng)流等效溫度不高于28 ℃時(shí)的采熱量為煤層最大采熱量。

在實(shí)際回采工作面條件下，煤炭運(yùn)輸量、煤層初始溫度、回采工作面通風(fēng)量和入口風(fēng)流參數(shù)、回采工作面幾何參數(shù)、巖壁平均溫度均為已知量。需對(duì)回采工作面風(fēng)流與巖壁換熱過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)或計(jì)算，確定不穩(wěn)定換熱系數(shù)，并假定回采工作面出口風(fēng)流參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算煤層采熱量。

同時(shí)，同軸套管換熱器取熱能力受取熱介質(zhì)流速和進(jìn)出口溫度、管徑比、鉆孔深度等因素影響。因此，為保證取熱系統(tǒng)有足夠的取熱能力，需根據(jù)實(shí)際回采工作面煤系地層條件，提前對(duì)同軸套管換熱器取熱過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)或計(jì)算，獲取鉆孔孔徑、同軸套管換熱器管徑比、取熱介質(zhì)流速及進(jìn)出口溫度等參數(shù)。

4 結(jié) 論

1）從工藝流程和關(guān)鍵設(shè)備方面分析了煤炭-地?zé)釁f(xié)同開采的可行性，以對(duì)煤炭開采無(wú)干擾為原則，提出一種煤炭-地?zé)釁f(xié)同開采系統(tǒng)，對(duì)回采工作面前向煤層地?zé)崮苓M(jìn)行提取。該系統(tǒng)總體采用閉式循環(huán)，包括地面熱能利用系統(tǒng)和井下取熱系統(tǒng)，在預(yù)采煤層水平鉆孔并布置同軸套管換熱器提取煤層地?zé)崮埽⒂刹贾糜诘孛娴臒岜脵C(jī)組對(duì)井下開采的低品位地?zé)崮苓M(jìn)行提升利用。在對(duì)煤層降溫、解決井下熱害的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦地?zé)崮艹浞掷谩?/p>

2）秉承“先采熱、后回采”的時(shí)間和空間協(xié)同原則，預(yù)先對(duì)采熱煤層劃分采熱工作面，提出順序開采或交替開采模式可根據(jù)連續(xù)采熱需求或回采工作面實(shí)際情況進(jìn)行選用。

3）總結(jié)分析空間協(xié)同設(shè)計(jì)、煤層鉆孔、高效采熱、智能監(jiān)控調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)基于煤層注水的同軸套管換熱器布置工藝，使用快捷裝配式同軸套管散熱器進(jìn)行多種組合的高效采熱方式，構(gòu)建智能監(jiān)控調(diào)控平臺(tái)并提出多種優(yōu)化模型，構(gòu)建取熱量計(jì)算模型，根據(jù)供回水溫差和流量獲得取熱量，提出采熱工作面智能控制采熱方案，為煤炭和地?zé)崮軈f(xié)同開采工程應(yīng)用提供借鑒。

4）簡(jiǎn)化煤系地層傳熱過(guò)程，構(gòu)建煤層采熱傳熱模型，分析得出煤層初始溫度、煤炭運(yùn)輸量、回采工作面出口風(fēng)流溫度、風(fēng)流含濕量變化量是決定煤層采熱量的關(guān)鍵參數(shù)，構(gòu)建煤層采熱量計(jì)算模型，可在采熱前根據(jù)回采工作面實(shí)際情況和預(yù)設(shè)出口風(fēng)流參數(shù)對(duì)回采工作面采熱能力進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，定義回采工作面風(fēng)流含濕量不變且回采工作面出口風(fēng)流等效溫度不高于28℃時(shí)的采熱量為煤層最大采熱量，為煤層采熱量計(jì)算提供理論基礎(chǔ)。