一种多水平深井降温及地热利用系统及工艺的制作方法

本发明属于煤矿深部资源开采技术领域，具体涉及一种多水平深井降温及地热利用系统及工艺。

背景技术：

随着我国浅部煤矿资源的衰竭，深部矿产资源的开采势在必行。但随煤矿开采深度的增加，地温越来越高。矿井深度超过1000m以后，地温普遍超过50℃，高地温产生的热害问题严重影响了煤矿工人的身心健康，并制约着煤矿的安全高效生产。

目前矿井深部降温，主要采用两种方式：一是在地面建立大型降温系统，通过专用管道向井下输送冷水或冰块，在采场进行热交换后，再输送回地表进行重复冷却使用，以此降低采场范围内的温度，但是该方法系统庞大，设备投资高，矿井深度大，提升运输困难，运营成本高，且使用水作热交换介质，热交换效率低，不足以满足大型矿井的需求；二是采用局部降温措施，通过优化采区布置、通风方式，增加局部冷却设施等进行降温，但是该方法效率低，降温效果不明显，仅适用于采场范围较小的条件。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多水平深井降温及地热利用系统及工艺，这是一种利用深井多水平进行矿井降温和地热利用的系统，该系统具有设备运营成本低、降温范围广、降温效果显著、地热利用率高、单位能耗低、安全可靠等优点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多水平深井降温及地热利用系统，从深井由下往上依次包括深井采热系统、浅部换热系统及高温水提升系统；

所述深井采热系统位于矿井深部水平，在深井处进行热量采集；包括吸热管路，以及连接所述吸热管路的进口端的导热流体下送管路、连接所述吸热管路的出口端的导热流体提升管路；所述导热流体提升管路上设置有水泵；

所述浅部换热系统位于矿井浅部水平，利用深井采热系统采集的热量对水进行加热；包括蓄热水池和其内部设置的对其进行加热的散热管路，所述散热管路的进口端与所述导热流体提升管路相连，所述散热管路的出口端与所述导热流体下送管路相连；所述蓄热水池为密闭空间，进水端外部设有进水泵与进水阀门；

所述高温水提升系统上下分别连接地表与浅部换热系统，将浅部换热系统中加热后的热水提升至地表；包括设置在蓄热水池外部的出水阀门和高温水提升管路，所述出水阀门连接有设置在蓄热水池外部的出水泵；地表连接有热水利用系统。

进一步的，所述矿井深部水平位于地表下2000m以深，所述矿井浅部水平位于地表下800～1000m深度。

进一步的，所述吸热管路为密闭管路，其内导热流体为利用水作导流介质、相变材料微颗粒作吸热材料，所述相变材料根据所处深部水平地温条件而定，相变温度较所述矿井深部水平位置的地温低5～10℃，所述相变材料微颗粒直径集中分布于1～5μm，在导热流体中浓度为50～60％。

进一步的，所述导热流体下送管路上设置有流量计。

进一步的，所述吸热管路上设置有温度传感器。

进一步的，所述蓄热水池内设有温度传感器和液位仪。

进一步的，所述出水阀门连接有设置在蓄热水池内部的流量计。

进一步的，所述深井采热系统应用于深井逐巷胶结充填工作面，所述吸热管路由固定在回采巷道顶板中央的直线段、布置在逐巷胶结充填工作面联络巷顶板中央的往复段和紧贴煤壁连接两工作面联络巷内管路的连接段组成；两工作面联络巷内管路间隔距离视胶结充填采煤工艺而定，一般间距20～40m。

进一步的，所述散热管路布置在蓄热水池底部，距离水池底0.5m，管路呈“s”环形布置，间距10m。具体散热管路的尺寸，与蓄热水池的尺寸有关，可以根据实际情况需要多少热量具体而定。

上述的一种多水平深井降温及地热利用系统，其工艺流程包括以下步骤：

1)所述深井采热系统应用于深井逐巷胶结充填工作面，在深井逐巷胶结充填工作面联络巷回采后，随支护的进行安装吸热管路，吸热管路布置在工作面联络巷顶板中央，相邻两个工作面联络巷回采完毕后，连通两个联络巷内的吸热管路；

2)根据逐巷胶结充填工艺，待工作面内第一个循环联络巷回采完毕后，将吸热管路(5)的进口端与导热流体下送管路、出口端与导热流体提升管路相连接，导热流体下送管路与导热流体提升管路的上端与浅部换热系统)蓄热水池内的散热管路相连接，构成闭合回路；

3)根据深部水平实际地温条件，选择合适相变温度的相变材料，配置成一定浓度的导热流体，添加到整条管路内，吸热管路在深部水平进行吸热，利用设置的温度传感器监测管路内导热流体温度，经过一段时间的吸热，温度升高到设定值，启动水泵进行循环，将吸热管路内加热后的导热流体循环至蓄热水池内散热管路，散热管路内冷却的导热流体循环至吸热管路；

4)通过设置的温度传感器监测蓄热水池内水温，待散热管路将蓄热水池内的水加热至一定温度后，启动出水泵，经高温水提升系统将热水提至地表，供地表热水利用系统利用，蓄热水池内水位由液位仪监测，待水位降低至下限，启动进水泵，为蓄热水池供给凉水；

5)重复步骤3)～4)，可以通过深部矿井的多个水平，将地热能转化为水的热能，从而进行长期利用。

有益效果：本发明提供的一种多水平深井降温及地热利用系统及工艺，与现有技术相比，具有以下优势：

(1)利用矿井多个水平，将地热转化为水的热能，降低设备成本和提升运输困难，方便井上利用；

(2)相比于地表来说，在井下建造热交换水池，储热保温效果好，热量损失少；

(3)导热流体为水作导流介质、相变材料微颗粒作吸热材料，相比于单纯用水或冰来说，吸热量大，效率更高，能充分吸收深井地热；

(4)相变材料在井下水池进行散热，无需采用机械降温，显著减少降温成本；

(5)吸热管路跟随逐巷胶结充填工作面回采而安装，管路布置简单，覆盖范围广，且对管路磨损小，即使工作面回采完毕，该系统也可以长期利用。

附图说明

图1是本发明系统的整体框架示意图；

图2是本发明系统的整体结构示意图；

图3是本发明深井采热系统示意图；

图中：1、深井采热系统，2、浅部换热系统，3、高温水提升系统，4、地表，5、吸热管路，6-1、导热流体下送管路，6-2、导热流体提升管路，7-1、温度传感器，7-2、温度传感器，7-3、温度传感器，8-1、流量计，8-2、流量计，9、水泵，10、蓄热水池，11、散热管路，12-1、进水泵，12-2、出水泵，13-1、进水阀门，13-2、出水阀门，14、液位仪，15、高温水提升管路。

具体实施方式

本发明公开了一种多水平深井降温及地热利用系统及工艺，该系统包括深井采热系统、浅部换热系统及高温水提升系统。所述深井采热系统包括吸热管路、导热流体提升管路、导热流体下送管路、水泵、温度传感器，所述浅部换热系统包括散热管路、蓄热水池、进水泵、进水阀门、温度传感器、液位仪，所述高温水提升系统包括出水泵、流量计、出水阀门、高温水提升管路。所述导热流体利用水作导流介质、相变材料作吸热材料，显著提高了采热效率及采热量。本发明系统结构简单，可长期使用，利用矿井多水平持续降温、效果显著，降温范围广，地热利用率高，单位能耗低，有效解决了深井采煤工作面温度过高的问题，为井下工作人员提供舒适的作业环境。

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种多水平深井降温及地热利用系统，包括深井采热系统1、浅部换热系统2及高温水提升系统3；

所述深井采热系统1位于矿井深部水平，地表下2000m以深；包括吸热管路5，连接其进口端的导热流体下送管路6-1、连接其出口端的导热流体提升管路6-2，所述吸热管路上设置有温度传感器7-1和7-2，所述导热流体下送管路6-1上设置有流量计8-1、所述导热流体提升管路上设置有水泵9；

所述浅部换热系统2位于矿井浅部水平，地表下800～1000m深度；包括蓄热水池10和对其进行加热的散热管路11，所述蓄热水池10为密闭空间，进水端设有进水泵12-1与进水阀门13-1，水池内设有温度传感器7-3和液位仪14；

所述高温水提升系统3连接浅部换热系统2与地表4，包括出水阀门13-2和高温水提升管路15，所述出水阀门13-2连接有流量计8-2与出水泵12-2，地表4连接有热水利用系统。

所述吸热管路5为密闭管路，其内导热流体为利用水作导流介质、相变材料微颗粒作吸热材料，所述相变材料根据所处深部水平地温条件而定，相变温度较深部水平地温低5～10℃，所述相变材料微颗粒直径集中分布于1～5μm，在导热流体中浓度为50～60％。

所述深井采热系统1应用于深井逐巷胶结充填工作面，所述吸热管路5由固定在回采巷道顶板中央的直线段、布置在逐巷胶结充填工作面联络巷顶板中央的往复段和紧贴煤壁连接两工作面联络巷内管路的连接段组成。两工作面联络巷内管路间隔距离视胶结充填采煤工艺而定，一般间距20～40m。

所述散热管路11布置在蓄热水池底部，距离水池底0.5m，管路呈“s”环形布置，间距10m。

所述导热流体下送管路6-1、导热流体提升管路6-2、高温水提升管路15均为隔热材料制成，以减少流体在输送过程中的热量损失。

本发明的一种多水平深井降温及地热利用系统，工艺流程包括以下步骤：

1)所述深井采热系统1应用于深井逐巷胶结充填工作面，在深井逐巷胶结充填工作面联络巷回采后，随支护的进行安装吸热管路5，吸热管路5布置在工作面联络巷顶板中央，相邻两个工作面联络巷回采完毕后，连通两个联络巷内的吸热管路；

2)根据逐巷胶结充填工艺，待工作面内第一个循环联络巷回采完毕后，将吸热管路(5)的进口端与导热流体下送管路6-1、出口端与导热流体提升管路6-2相连接，导热流体下送管路6-1与导热流体提升管路6-2的上端与浅部换热系统2蓄热水池10内的散热管路11相连接，构成闭合回路；

3)根据深部水平实际地温条件，选择合适相变温度的相变材料，配置成一定浓度的导热流体，添加到整条管路内，吸热管路5在深部水平进行吸热，利用设置的温度传感器7-1、7-2监测管路内导热流体温度，经过一段时间的吸热，温度升高到设定值，启动水泵9进行循环，将吸热管路5内加热后的导热流体循环至蓄热水池10内散热管路11，散热管路11内冷却的导热流体循环至吸热管路5；

4)通过设置的温度传感器7-3监测蓄热水池10内水温，待散热管路11将蓄热水池10内的水加热至一定温度后，启动出水泵12-2，经高温水提升系统3将热水提至地表4，供地表热水利用系统利用，蓄热水池10内水位由液位仪14监测，待水位降低至下限，启动进水泵12-1，为蓄热水池10供给凉水；

5)重复步骤3)～4)，可以通过深部矿井的多个水平，将地热能转化为水的热能，从而进行长期利用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。