一种利用深井地热的矿井降温系统及方法与流程

本发明属于深部矿产资源开采技术领域，具体涉及一种利用深井地热的矿井降温系统及方法。

背景技术：

随着浅部矿产资源的逐渐减少和枯竭，开发深部矿产资源是国家保证资源安全、扩展经济社会发展空间的重大需求。对于深部开采，热害现象尤为显著。

在深井降温系统中，主要采用人工制冷降温技术，通过制冷机组提供冷源(冰片或冷水)，经专用的输冷管道输送到采掘工作面，同工作面的湿热空气进行热交换，来进行冷却和除湿的，空气冷却器常用的是喷淋式空冷器和表面式空冷器。喷淋式空冷器借助于空气和水直接接触使矿井风流冷却。在表面式空冷器中，空气经管壁与管内的冷水进行间接接触，以使风流冷却。不论是喷淋式空冷器还是表面式空冷器除湿能力均有限，造成矿井风流多为近饱和状态，此外，喷淋式空冷器和表面式空冷器采用的介质均来自低温制冷机组，造成矿井机械制冷系统能耗很大。因此，现有的矿井降温系统存在除湿量有限及能耗大的问题。

充填采矿法属人工支护采矿法。随着回采工作面的推进，向采空区送入充填材料，以进行地压管理、控制围岩崩落和地表移动，并在形成的充填体上或在其保护下进行回采，是深部开采时控制地压的有效措施。如能在深部开采充填材料能提取热量，并合理用于矿井降温系统，必将减少矿井降温系统的能耗。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种利用深井地热的矿井降温系统。该系统通过设置空气处理系统和地热采热系统，并在空气处理系统中设置转轮除湿机，从采热充填体取地热用于转轮除湿机的除湿再生，节约了矿井降温系统的能耗，解决了井下除湿难题，提高了矿井工作面的舒适性。利用采热充填体内换热形成的热换热流体对空气加热器中的空气进行加热，替代了电加热器，节约了能耗。该系统可以很好的满足深井降温的需要，不但除湿能力强，而且充分利用地热，达到了节能和舒适的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种利用深井地热的矿井降温系统，其特征在于：包括空气处理系统、地热采热系统和地下冷水系统；

所述空气处理系统包括行走小车和设置于行走小车上方的空气处理装置，所述空气处理装置包括位于空气处理装置端部的进风口和位于空气处理装置尾部的出风口，所述进风口和出风口之间设置有一级空气冷却器、一级转轮除湿机、二级空气冷却器、二级转轮除湿机、三级空气冷却器、挡水板和风机，所述一级空气冷却器位于进风口和一级转轮除湿机之间，所述二级空气冷却器位于一级转轮除湿机和二级转轮除湿机之间，所述三级空气冷却器位于二级转轮除湿机和挡水板之间，所述风机位于挡水板和出风口之间，所述一级空气冷却器的底部、二级空气冷却器的底部和三级空气冷却器的底部均设置有空气冷却器进水口和空气冷却器出水口，所述一级空气冷却器、二级空气冷却器和三级空气冷却器均与地下冷水系统连接，所述行走小车底部设置有万向轮；所述一级转轮除湿机和二级转轮除湿机结构相同且均包括转轮，所述转轮通过隔板分为吸湿区和再生区，所述再生区左右两侧分别设置有再生空气出口和再生空气进口，所述再生空气进口与再生区之间设置有空气加热器，所述空气加热器上设置有空气加热器进水口和空气加热器出水口，所述再生空气出口与再生区之间设置有再生风机；

所述地热采热系统包括采热充填体和用于将采热充填体连接到空气处理系统中的连接机构，所述采热充填体包括相变蓄热材料，从下到上依次分层设置的采热管、隔热管和冷却管，以及设置在顶部的硬化顶和设置在相变蓄热材料上的溜井，所述采热管为多层；所述连接机构包括上分水器、上集水器、下分水器和下集水器，所述上分水器的进水口上通过第一三通管连接有进水口管，所述进水口管上连接有上三通阀，所述上分水器的出水口与冷却管的进水口和隔热管的进水口连接，所述上集水器的进水口与冷却管的出水口和隔热管的出水口连接，所述下分水器的出水口与采热管的进水口连接，所述下集水器的进水口与采热管的出水口连接，所述下集水器的出水口上通过第二三通管连接有出水口管，所述出水口管上连接有下三通阀；所述上分水器和下分水器之间设置有左三通阀，所述左三通阀和上集水器的出水口之间设置有右三通阀，所述左三通阀的一个端口与下分水器的进水口连接，左三通阀的另一个端口与第一三通管连接，所述右三通阀的一个端口与上集水器的出水口连接，右三通阀的另一个端口与左三通阀的第三个端口连接，右三通阀的第三个端口与第二三通管连接；所述左三通阀和下三通阀均为三通分流阀，所述右三通阀和上三通阀均为三通合流阀，所述下三通阀的一个端口与出水口管连接，下三通阀的另一个端口与空气加热器进水口之间设置有用于向空气加热器供水的热水供水管，所述上三通阀的一个端口与进水口管连接，上三通阀的另一个端口与空气加热器出水口之间设置有回水管，所述热水供水管上安装有热水水泵。

上述的一种利用深井地热的矿井降温系统，其特征在于：所述地下冷水系统包括地下水水池、冷水供水管、冷水排水管和冷水水泵，所述冷水水泵的进水口与地下水水池连接，冷水水泵的出水口与冷水供水管连接，所述冷水供水管与空气冷却器进水口连接，所述冷水排水管与空气冷却器出水口连接。

上述的一种利用深井地热的矿井降温系统，其特征在于：所述上集水器的出水口处连接有上调节阀，所述下集水器的出水口处连接有下调节阀。

上述的一种利用深井地热的矿井降温系统，其特征在于：所述冷却管采用中间进，向两侧蛇形前进，最后从两侧出的布置方式。

上述的一种利用深井地热的矿井降温系统，其特征在于：所述隔热管采用中间进，向两侧蛇形前进，最后从两侧出的布置方式。

上述的一种利用深井地热的矿井降温系统，其特征在于：各层的采热管均采用一边进，向另一侧蛇形前进，并从另一侧出的布置方式。

上述的一种利用深井地热的矿井降温系统，其特征在于：所述上三通阀的第三个端口连接有用于向进水口管通入冷换热流体的管路。

另外，本发明还提供了一种采用如上述系统进行矿井降温的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据充填开采工艺进行矿块的采准和切割，形成天井、联络巷、阶段运输巷道、竖井和回采空间，将空气处理系统送入工作面；

步骤二、进行充填，充填时相变蓄热材料中从下到上依次分层设置有采热管、隔热管和冷却管，并设置溜井和硬化顶，形成采热充填体，所述采热管为多层，具体过程为：

步骤201、在采空区安装溜井模具，并设定充填时的采热管的层数；

步骤202、输入相变蓄热材料进行充填，至需要设置采热管的高度后，在相变蓄热材料上铺设作业平板，铺设采热管，采热管铺设完成后撤掉作业平板；

步骤203、重复步骤202，直至采热管的层数达到了步骤一设定的值；

步骤204、输入相变蓄热材料进行充填，至需要设置隔热管的高度后，在相变蓄热材料上铺设作业平板，铺设隔热管，隔热管铺设完成后撤掉作业平板；

步骤205、输入相变蓄热材料进行充填，至需要设置冷却管的高度后，在相变蓄热材料上铺设作业平板，铺设冷却管，冷却管铺设完成后撤掉作业平板；

步骤206、输入硬化材料进行充填，形成硬化顶；

步骤207、首先，在采热充填体前设置上分水器、上集水器、下分水器和下集水器，在上分水器的进水口上通过第一三通管连接进水口管，将上分水器的出水口与冷却管的进水口和隔热管的进水口相连，将上集水器的进水口与冷却管的出水口和隔热管的出水口连接，将下分水器的出水口与采热管的进水口连接，将下集水器的进水口与采热管的出水口连接，在下集水器的出水口上通过第二三通管连接出水口管；然后，在上分水器和下分水器之间设置左三通阀，在左三通阀和上集水器的出水口之间设置右三通阀，并将左三通阀的一个端口与下分水器的进水口连接，将左三通阀的另一个端口与第一三通管连接，将右三通阀的一个端口与上集水器的出水口连接，将右三通阀的另一个端口与左三通阀的第三个端口连接，将右三通阀的第三个端口与第二三通管连接；

步骤三、将采热充填体的上三通阀与空气处理系统中的回水管连接，将采热充填体的下三通阀与热水供水管连接；

步骤四、向进水口管中通入冷换热流体，冷换热流体在流过采热管时吸收相变蓄热材料积蓄的地热而成为热换热流体，然后进入热水供水管中，热换热流体在热水水泵的作用下进入空气加热器中与空气加热器中的空气进行热交换，再经回水管输送至采热充填体内循环利用；启动风机，矿井要处理的空气在风机的作用下，经进风口进入一级空气冷却器中进行冷却，冷却后的空气进入一级转轮除湿机进行等焓减湿处理，然后进入二级空气冷却器进行冷却，接着进入二级转轮除湿机进行等焓减湿处理，经二级转轮除湿机等焓减湿后的空气进入三级空气冷却器中冷却，再经挡水板分离出空气中携带的水滴形成低温低湿的空气，然后送到出风口，最后低温低湿的空气通过风筒或直接送入的方式进入工作面。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过设置空气处理系统和地热采热系统，并在空气处理系统中设置转轮除湿机，从采热充填体取地热用于转轮除湿机的除湿再生，节约了矿井降温系统的能耗，解决了井下除湿难题，提高了矿井工作面的舒适性。利用采热充填体内换热形成的热换热流体对空气加热器中的空气进行加热，替代了电加热器，节约了能耗。本发明可以很好的满足深井降温的需要，降温系统不但除湿能力强，而且充分利用地热，达到了节能和舒适的目的。

2、本发明的降温系统设计合理，实现方便，不需要设置制冷机组，具有环保的优点。

3、本发明直接从采热充填体取热，直接用于附近工作面的降温，具有输送能耗低的优点。

4、本发明采热充填体的结构新颖，在相变蓄热材料中设置了具有独特布置方式的冷却管、隔热管和采热管，并采用连接机构连接采热充填体和空气处理系统，提高了地热开采效率，强化了工作面的降温效果。

5、本发明的实用性强，推广应用价值高。

综上所述，本发明的降温系统可以很好的满足深井降温的需要，该系统不但除湿能力强，而且充分利用地热，达到了节能、舒适和环保的目的。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

说明书附图

图1为本发明系统的框架示意图。

图2为本发明系统的结构示意图。

图3为本发明转轮除湿机的转轮与空气加热器的位置关系示意图。

图4为本发明地热采热系统的立体结构示意图。

图5为图4的a部放大图。

图6为本发明采热充填体的内部结构示意图。

图7为图6的b-b剖视图。

图8为图6的c-c剖视图。

图9为图6的d-d剖视图。

图10为图6的e-e剖视图。

附图标记说明:

1—空气处理系统；2—地热采热系统；3—地下冷水系统；

4—空气冷却器进水口；5—空气冷却器出水口；6—转轮；

7—隔板；8—吸湿区；9—再生区；

10—风机；11—行走小车；12—进风口；

13—出风口；14—一级空气冷却器；15—一级转轮除湿机；

16—二级空气冷却器；17—二级转轮除湿机；18—三级空气冷却器；

19—挡水板；20—进水口管；21—采热充填体；

21-1—相变蓄热材料；21-2—采热管；21-3—溜井；

21-4—硬化顶；21-5—隔热管；21-6—冷却管；

22—空气加热器；22-1—空气加热器进水口；

22-2—空气加热器出水口；24—再生风机；

25—万向轮；26—再生空气进口；27—再生空气出口；

28—上分水器；29—上集水器；30—下分水器；

31—下集水器；32—左三通阀；33—右三通阀；

34—上三通阀；35—下三通阀；36—出水口管；

37—第一三通管；38—第二三通管；39—地下水水池；

40—上调节阀；41—下调节阀；42—冷水水泵；

43—热水供水管；44—回水管；45—热水水泵；

46—冷水供水管；47—冷水排水管。

具体实施方式

如图1所示，本发明的利用深井地热的矿井降温系统，包括空气处理系统1、地热采热系统2和地下冷水系统3；

如图2所示，所述空气处理系统1包括行走小车11和设置于行走小车11上方的空气处理装置，所述空气处理装置包括位于空气处理装置端部的进风口12和位于空气处理装置尾部的出风口13，所述进风口12和出风口13之间设置有一级空气冷却器14、一级转轮除湿机15、二级空气冷却器16、二级转轮除湿机17、三级空气冷却器18、挡水板19和风机10，所述一级空气冷却器14位于进风口11和一级转轮除湿机15之间，所述二级空气冷却器16位于一级转轮除湿机15和二级转轮除湿机17之间，所述三级空气冷却器18位于二级转轮除湿机17和挡水板19之间，所述风机10位于挡水板19和出风口13之间，所述一级空气冷却器14的底部、二级空气冷却器16的底部和三级空气冷却器18的底部均设置有空气冷却器进水口4和空气冷却器出水口5，所述一级空气冷却器14、二级空气冷却器16和三级空气冷却器18均与地下冷水系统3连接，所述行走小车11底部设置有万向轮25；如图3所示，所述一级转轮除湿机15和二级转轮除湿机17结构相同且均包括转轮6，所述转轮6通过隔板7分为吸湿区8和再生区9，所述再生区9左右两侧分别设置有再生空气出口27和再生空气进口26，所述再生空气进口26与再生区9之间设置有空气加热器22，所述空气加热器22上设置有空气加热器进水口22-1和空气加热器出水口22-2，所述再生空气出口27与再生区9之间设置有再生风机24；

如图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，所述地热采热系统2包括采热充填体21和用于将采热充填体21连接到空气处理系统1中的连接机构，所述采热充填体21包括相变蓄热材料21-1，从下到上依次分层设置的采热管21-2、隔热管21-5和冷却管21-6，以及设置在顶部的硬化顶21-4和设置在相变蓄热材料21-1上的溜井21-3，所述采热管21-2为多层；所述连接机构包括上分水器28、上集水器29、下分水器30和下集水器31，所述上分水器28的进水口上通过第一三通管37连接有进水口管20，所述进水口管20上连接有上三通阀34，所述上分水器28的出水口与冷却管21-6的进水口和隔热管21-5的进水口连接，所述上集水器29的进水口与冷却管21-6的出水口和隔热管21-5的出水口连接，所述下分水器30的出水口与采热管21-2的进水口连接，所述下集水器31的进水口与采热管21-2的出水口连接，所述下集水器31的出水口上通过第二三通管38连接有出水口管36，所述出水口管36上连接有下三通阀35；所述上分水器28和下分水器30之间设置有左三通阀32，所述左三通阀32和上集水器29的出水口之间设置有右三通阀33，所述左三通阀32的一个端口与下分水器30的进水口连接，左三通阀32的另一个端口与第一三通管37连接，所述右三通阀33的一个端口与上集水器29的出水口连接，右三通阀33的另一个端口与左三通阀32的第三个端口连接，右三通阀33的第三个端口与第二三通管38连接；所述左三通阀32和下三通阀35均为三通分流阀，所述右三通阀33和上三通阀34均为三通合流阀，所述下三通阀35的一个端口与出水口管36连接，下三通阀35的另一个端口与空气加热器进水口22-1之间设置有用于向空气加热器22供水的热水供水管43，所述上三通阀34的一个端口与进水口管20连接，上三通阀34的另一个端口与空气加热器出水口22-2之间设置有回水管44，所述热水供水管43上安装有热水水泵45。

如图2所示，本实施例中，所述地下冷水系统3包括地下水水池39、冷水供水管46、冷水排水管47和冷水水泵42，所述冷水水泵42的进水口与地下水水池39连接，冷水水泵42的出水口与冷水供水管46连接，所述冷水供水管46与空气冷却器进水口4连接，所述冷水排水管47与空气冷却器出水口5连接。

如图3所示，本实施例中，所述上集水器29的出水口处连接有上调节阀40，所述下集水器31的出水口处连接有下调节阀41。

本实施例中，所述冷却管21-6采用中间进，向两侧蛇形前进，最后从两侧出的布置方式。

本实施例中，所述隔热管21-5采用中间进，向两侧蛇形前进，最后从两侧出的布置方式。

本实施例中，各层的采热管21-2均采用一边进，向另一侧蛇形前进，并从另一侧出的布置方式。

本实施例中，所述上三通阀34的第三个端口连接有用于向进水口管20通入冷换热流体的管路。

以安徽冬瓜山铜矿开采为例，采用本发明的降温系统进行矿井降温的方法，包括以下步骤：

步骤一、根据充填开采工艺进行矿块的采准和切割，形成天井、联络巷、阶段运输巷道、竖井和回采空间，将空气处理系统1送入工作面；

步骤二、进行充填，充填时相变蓄热材料21-1中从下到上依次分层设置有采热管21-2、隔热管21-5和冷却管21-6，并设置溜井21-3和硬化顶21-4，形成采热充填体21，所述采热管21-2为多层，具体过程为：

步骤201、在采空区安装溜井21-3模具，并设定充填时的采热管21-2的层数；

步骤202、输入相变蓄热材料21-1进行充填，至需要设置采热管21-2的高度后，在相变蓄热材料21-1上铺设作业平板，铺设采热管21-2，采热管21-2铺设完成后撤掉作业平板；

步骤203、重复步骤202，直至采热管21-2的层数达到了步骤一设定的值；

步骤204、输入相变蓄热材料21-1进行充填，至需要设置隔热管21-5的高度后，在相变蓄热材料21-1上铺设作业平板，铺设隔热管21-5，隔热管21-5铺设完成后撤掉作业平板；

步骤205、输入相变蓄热材料21-1进行充填，至需要设置冷却管21-6的高度后，在相变蓄热材料21-1上铺设作业平板，铺设冷却管21-6，冷却管21-6铺设完成后撤掉作业平板；

步骤206、输入硬化材料进行充填，形成硬化顶21-4；

步骤207、首先，在采热充填体21前设置上分水器28、上集水器29、下分水器30和下集水器31，在上分水器28的进水口上通过第一三通管37连接进水口管20，将上分水器28的出水口与冷却管21-6的进水口和隔热管21-5的进水口相连，将上集水器29的进水口与冷却管21-6的出水口和隔热管21-5的出水口连接，将下分水器30的出水口与采热管21-2的进水口连接，将下集水器31的进水口与采热管21-2的出水口连接，在下集水器31的出水口上通过第二三通管38连接出水口管36；然后，在上分水器28和下分水器30之间设置左三通阀32，在左三通阀32和上集水器29的出水口之间设置右三通阀33，并将左三通阀32的一个端口与下分水器30的进水口连接，将左三通阀32的另一个端口与第一三通管37连接，将右三通阀33的一个端口与上集水器29的出水口连接，将右三通阀33的另一个端口与左三通阀32的第三个端口连接，将右三通阀33的第三个端口与第二三通管38连接；

步骤三、将采热充填体21的上三通阀34与空气处理系统1中的回水管44连接，将采热充填体21的下三通阀35与热水供水管43连接；

步骤四、向进水口管20中通入冷换热流体(如冷水)，冷换热流体在流过采热管21-2时吸收相变蓄热材料21-1积蓄的地热而成为热换热流体，然后进入热水供水管43中，热换热流体在热水水泵45的作用下进入空气加热器22中与空气加热器22中的空气进行热交换，再经回水管44输送至采热充填体21内循环利用；启动风机10，矿井要处理的空气(温度为30℃，含湿量为21.5g/kg干空气，相对湿度为80％)在风机10的作用下，经进风口12进入一级空气冷却器14中与一级空气冷却器14中的冷水(来自地下水水池39中的18℃低温矿井地下水)进行间接热湿交换，由于矿井空气高温高湿，露点温度(露点温度为26.1℃)高于冷水温度(18℃)，空气经一级空气冷却器14进行冷却减湿处理过程成为冷却减湿的空气(温度为22℃，含湿量为15.0g/kg干空气)，冷却减湿的空气进入一级转轮除湿机15进行等焓减湿处理(经一级转轮除湿机15等焓减湿的空气温度为30.3℃，含湿量为9.6g/kg干空气)，然后进入二级空气冷却器16与二级空气冷却器16中的冷水(来自地下水水池39中的18℃低温矿井地下水)进行间接热湿交换，由于空气露点温度较低(13.1℃)，低于冷水温度(18℃)，空气被等湿冷却，间接热湿交换后的空气温度为22.6℃，含湿量为9.6g/kg干空气，接着进入二级转轮除湿机17进行等焓减湿处理，经二级转轮除湿机17等焓减湿后的空气(温度为30.8℃，含湿量为6.2g/kg干空气)进入三级空气冷却器18，在三级空气冷却器18中，空气与三级空气冷却器18内的冷水(来自地下水水池39中的18℃低温矿井地下水)进行间接热湿交换，由于空气露点温度较低(6.9℃)，低于冷水温度(18℃)，空气被等湿减湿，处理后的空气(温度为23.2℃，含湿量为6.2g/kg干空气，相对湿度为35.2％)再经挡水板19分离出空气中携带的水滴形成低温低湿的空气，然后送到出风口12，最后低温低湿的空气(温度为23.2℃，含湿量为6.2g/kg干空气，相对湿度为35.2％)通过风筒或直接送入的方式进入工作面。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。