深井充填体采场降温与地热开采实验模拟装置及方法与流程

本发明属于高温深井开采技术领域，具体涉及一种深井充填体采场降温与地热开采实验模拟装置及方法。

背景技术：

随着浅部资源逐渐减少和枯竭，开采深度越来越大，目前我国面临深部开采的矿山占全国矿山总数的90％；深部开采面临高地应力、高地温、高渗透压等诸多问题，导致开采难度加大、作业环境恶化、通风降温和生产成本急剧增加，为深部资源开采提出了严峻挑战；为实现安全生产，充填技术的应用在深部资源开发中必不可少，充填采矿法可以将地表堆积废料回填到井下，处理空区，从而大大提高回采作业安全程度，提高深部资源回收率30％，且解决地表堆积废料造成的环境污染，实现绿色开采；而解决矿井高温问题也己迫在眉睫，充填对采区降温方面有一定的帮助，充填可使采场原岩暴露面积大大减小，从而降低了原岩的散热面积，因此可以降低原岩的热量散发；同时充填体能有效的阻止风流渗漏，在一定程度上避免废风串联，从而提高风流的利用率，有效的降低坑内温度；深井充填技术面临诸多难题，膏体充填是未来一大主要方向，传统的水力充填工艺，料浆浓度很难提高到70％以上，且通常需要对尾砂进行分级脱泥，其结果是充填尾砂的利用率低，充入采场后的充填体需脱水，脱水时会带走充填料中的水泥，造成水泥流失，削弱充填体的强度，且造成井下严重污染，提高充填料浆的浓度是解决这类问题的关键，但由于受管道自流输送的限制，要想进一步提高料浆浓度，必须借助适当的设备，实现膏体充填，膏体充填料浆具有不离析、不沉淀，且采场脱水量少、甚至不脱水，充填体强度增长迅速，充填质量好、效率高、成本低，改善井下作业环境等优点，是未来充填采矿技术发展的必然趋势。

而高温深井下的地热，也是亟待开发的能源，地热能给人类带来巨大的资源：(1)减少温室气体排放，提高能源效率；(2)支持环保和经济协定发展；(3)持续研发和技术改进；(4)探索商业机会(将地热能源与其他可再生能源相结合)。

为了研究充填采矿法在高温深井下的应用，并通过充填体进行高温深井下的采场降温和地热开采，需要先进行理论研究，而在进行理论研究时，还需要进行大量的试验，这些试验，如果每个都放到实际的采场去做，耗费的人力物力高，且试验效率低，因此，如果能有一套高温深井充填体采场降温与地热开采的实验模拟装置，将很好地解决以上问题，但是，现有技术中还缺乏这样的装置。

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中的不足，提供一种结构简单、设计新颖合理、实现方便且成本低、使用操作方便、使用寿命长、能够很好地用于进行高温深井的充填开采试验、并用于高温深井地热开采的理论研究、实用性强、使用效果好、便于推广使用的深井充填体采场降温与地热开采实验模拟装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种深井充填体采场降温与地热开采实验模拟装置，其特征在于：包括模拟箱、温度数据采集器和计算机，所述模拟箱包括立方体框架结构的保温箱体，所述保温箱体内设置有多根用于外接热水循环系统的温度控制管，所述保温箱体内部上下间隔设置有多层隔板，相邻两层隔板之间的空间为采空及充填模拟腔，每个所述采空及充填模拟腔内设置有两个分别向两侧抽拉的抽屉式模拟盒，所述抽屉式模拟盒内部空间用于模拟采空区、或用于充填岩石模拟未开采岩层或用于充填充填材料模拟充填区，所述抽屉式模拟盒内设置有温度传感器安装腔和用于外接水冷循环系统、热水循环系统或地热开采循环系统的换热盘管，所述温度传感器安装腔内安装有温度传感器，所述温度传感器的输出端与温度数据采集器连接，所述温度数据采集器与计算机连接。

上述的深井充填体采场降温与地热开采实验模拟装置，其特征在于：所述保温箱体的底板、顶板、前侧壁和后侧壁由保温板一体成型，所述保温箱体的前侧壁左侧通过合页转动连接有由保温板制成的左侧门，所述保温箱体的前侧壁右侧通过合页转动连接有由保温板制成的右侧门；位于相邻两层隔板之间的保温箱体的前侧壁内侧和后侧壁内侧均设置有支撑槽钢，所述支撑槽钢内填充有保温材料，所述温度控制管嵌入安装在保温材料中。

上述的深井充填体采场降温与地热开采实验模拟装置，其特征在于：所述支撑槽钢的外壁上设置有用于支撑安装抽屉式模拟盒的支撑板，所述抽屉式模拟盒的侧面设置有供支撑板插入的滚轮槽，所述滚轮槽内设置有用于在支撑板上滚动的滚轮。

上述的深井充填体采场降温与地热开采实验模拟装置，其特征在于：所述支撑板底部与支撑槽钢之间设置有筋板。

上述的深井充填体采场降温与地热开采实验模拟装置，其特征在于：所述抽屉式模拟盒的外壁上设置有拉手。

上述的深井充填体采场降温与地热开采实验模拟装置，其特征在于：所述温度数据采集器包括微处理器和为温度数据采集器中各用电单元供电的电源模块，以及与微处理器相接的数据存储器和用于与计算机连接并通信的通信模块，所述温度传感器与微处理器的输入端连接，所述微处理器的输入端还接有按键操作电路，所述微处理器的输出端接有液晶显示屏。

上述的深井充填体采场降温与地热开采实验模拟装置，其特征在于：所述地热开采循环系统包括依次连接的压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器，所述压缩机与蒸发器连接，所述蒸发器上连接有用于与换热盘管连接的换热器。

本发明还提供了一种方法步骤简单，实现方便的深井充填体采场降温与地热开采实验模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、深井充填体采场降温实验模拟，具体过程为：

步骤101、在所有采空及充填模拟腔内置入内部充填有岩石的抽屉式模拟盒，模拟未开采岩层；

步骤102、在温度控制管上外接热水循环系统，并在模拟未开采岩层的抽屉式模拟盒内的换热盘管上外接热水循环系统，模拟高温深井下的未开采岩层发热；

步骤103、抽出紧邻最底层的采空及充填模拟腔内的内部充填有岩石的抽屉式模拟盒后，再置入内部充填有充填材料的抽屉式模拟盒，模拟充填区；

步骤104、抽出紧邻模拟充填区的采空及充填模拟腔内的内部充填有岩石的抽屉式模拟盒后，再置入空的抽屉式模拟盒，模拟采空区；

步骤105、在模拟充填区的抽屉式模拟盒内的换热盘管上外接水冷循环系统，模拟充填降温；

步骤106、温度数据采集器对模拟未开采岩层的抽屉式模拟盒内的温度传感器检测到的温度进行周期性采样，将采样得到的温度记录为未开采岩层温度并传输给计算机进行显示；温度数据采集器对模拟充填区的抽屉式模拟盒内的温度传感器检测到的温度进行周期性采样，将采样得到的温度记录为充填区温度并传输给计算机进行显示；温度数据采集器对模拟采空区的抽屉式模拟盒内的温度传感器检测到的温度进行周期性采样，将采样得到的温度记录为采空区温度并传输给计算机进行显示；

步骤107、计算机存储温度数据采集器传输给其的各层未开采岩层温度、充填区温度和采空区温度，供工作人员研究深井充填体采场降温；

步骤二、深井地热开采实验模拟，具体过程为：

步骤201、在所有采空及充填模拟腔内置入内部充填有岩石的抽屉式模拟盒，模拟未开采岩层；

步骤202、在温度控制管上外接热水循环系统，并在模拟未开采岩层的抽屉式模拟盒内的换热盘管上外接热水循环系统，模拟高温深井下的未开采岩层发热；

步骤203、抽出紧邻最底层的采空及充填模拟腔内的内部充填有岩石的抽屉式模拟盒后，再置入内部充填有充填材料的抽屉式模拟盒，模拟充填区；

步骤204、抽出紧邻模拟充填区的采空及充填模拟腔内的内部充填有岩石的抽屉式模拟盒后，再置入空的抽屉式模拟盒，模拟采空区；

步骤205、在模拟充填区的抽屉式模拟盒内的换热盘管上外接地热开采循环系统，模拟地热开采；

步骤206、温度数据采集器对模拟未开采岩层的抽屉式模拟盒内的温度传感器检测到的温度进行周期性采样，将采样得到的温度记录为未开采岩层温度并传输给计算机进行显示；温度数据采集器对模拟充填区的抽屉式模拟盒内的温度传感器检测到的温度进行周期性采样，将采样得到的温度记录为充填区温度并传输给计算机进行显示；温度数据采集器对模拟采空区的抽屉式模拟盒内的温度传感器检测到的温度进行周期性采样，将采样得到的温度记录为采空区温度并传输给计算机进行显示；

步骤207、计算机存储温度数据采集器传输给其的各层未开采岩层温度、充填区温度和采空区温度，供工作人员研究深井地热开采。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明深井充填体采场降温与地热开采实验模拟装置的结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低。

2、本发明的深井充填体采场降温与地热开采实验模拟装置，采用了分层抽屉式结构，能够方便地模拟出高温深井的未开采岩层、充填区和采空区，进而真实地模拟深井充填体采场降温，能够很好地用于进行深井的充填开采充填体采场降温试验，并用于高温深井地热开采的理论研究。

3、本发明的深井充填体采场降温与地热开采实验模拟装置，使用操作方便，不易出现故障，使用寿命长。

4、本发明的深井充填体采场降温与地热开采实验模拟方法的方法步骤简单，实现方便。

5、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所示，本发明的设计新颖合理，实现方便且成本低，使用操作方便，使用寿命长，能够很好地用于进行深井的充填开采充填体采场降温试验，并用于高温深井地热开采的理论研究，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明模拟箱的主视图。

图2为本发明模拟箱的侧视剖视图。

图3为本发明抽屉式模拟盒的主视图。

图4为图3的右视图。

图5为本发明支撑槽钢、支撑板和筋板的连接关系示意图。

图6为图5的右视图。

图7为本发明温度传感器、温度数据采集器和计算机的连接关系示意图。

图8为本发明地热开采循环系统的结构示意图。

附图标记说明:

1—保温箱体； 2—温度控制管； 3—隔板；

4—抽屉式模拟盒； 5—温度数据采集器； 5-1—微处理器；

5-2—电源模块； 5-3—数据存储器； 5-4—通信模块；

5-5—按键操作电路； 5-6—液晶显示屏； 6—计算机；

7—温度传感器安装腔； 8—换热盘管； 9—温度传感器；

10—合页； 11—左侧门； 12—右侧门；

13—支撑槽钢； 14—保温材料； 15—支撑板；

16—滚轮槽； 17—滚轮； 18—筋板；

19—拉手。

具体实施方式

如图1～图7所示，本发明的深井充填体采场降温与地热开采实验模拟装置，包括模拟箱、温度数据采集器5和计算机6，所述模拟箱包括立方体框架结构的保温箱体1，所述保温箱体1内设置有多根用于外接热水循环系统的温度控制管2，所述保温箱体1内部上下间隔设置有多层隔板3，相邻两层隔板3之间的空间为采空及充填模拟腔，每个所述采空及充填模拟腔内设置有两个分别向两侧抽拉的抽屉式模拟盒4，所述抽屉式模拟盒4内部空间用于模拟采空区、或用于充填岩石模拟未开采岩层或用于充填充填材料模拟充填区，所述抽屉式模拟盒4内设置有温度传感器安装腔7和用于外接水冷循环系统、热水循环系统或地热开采循环系统20的换热盘管8，所述温度传感器安装腔7内安装有温度传感器9，所述温度传感器9的输出端与温度数据采集器5连接，所述温度数据采集器5与计算机6连接。

本实施例中，如图1和图2所示，所述保温箱体1的底板、顶板、前侧壁和后侧壁由保温板一体成型，所述保温箱体1的前侧壁左侧通过合页10转动连接有由保温板制成的左侧门11，所述保温箱体1的前侧壁右侧通过合页10转动连接有由保温板制成的右侧门12；位于相邻两层隔板3之间的保温箱体1的前侧壁内侧和后侧壁内侧均设置有支撑槽钢13，所述支撑槽钢13内填充有保温材料14，所述温度控制管2嵌入安装在保温材料14中。

本实施例中，如图3、图4、图5和图6所示，所述支撑槽钢13的外壁上设置有用于支撑安装抽屉式模拟盒4的支撑板15，所述抽屉式模拟盒4的侧面设置有供支撑板15插入的滚轮槽16，所述滚轮槽16内设置有用于在支撑板15上滚动的滚轮17。

本实施例中，如图5和图6所示，所述支撑板15底部与支撑槽钢13之间设置有筋板18。

本实施例中，如图3和图4所示，所述抽屉式模拟盒4的外壁上设置有拉手19。

本实施例中，如图7所示，所述温度数据采集器5包括微处理器5-1和为温度数据采集器5中各用电单元供电的电源模块5-2，以及与微处理器5-1相接的数据存储器5-3和用于与计算机6连接并通信的通信模块5-4，所述温度传感器9与微处理器5-1的输入端连接，所述微处理器5-1的输入端还接有按键操作电路5-5，所述微处理器5-1的输出端接有液晶显示屏5-6。

本实施例中，如图8所示，所述地热开采循环系统20包括依次连接的压缩机20-1、冷凝器20-2、节流阀20-3和蒸发器20-4，所述压缩机20-1与蒸发器20-4连接，所述蒸发器20-4上连接有用于与换热盘管8连接的换热器20-5。

本发明的深井充填体采场降温与地热开采实验模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、深井充填体采场降温实验模拟，具体过程为：

步骤101、在所有采空及充填模拟腔内置入内部充填有岩石的抽屉式模拟盒4，模拟未开采岩层；

步骤102、在温度控制管2上外接热水循环系统，并在模拟未开采岩层的抽屉式模拟盒4内的换热盘管8上外接热水循环系统，模拟高温深井下的未开采岩层发热；

步骤103、抽出紧邻最底层的采空及充填模拟腔内的内部充填有岩石的抽屉式模拟盒4后，再置入内部充填有充填材料的抽屉式模拟盒4，模拟充填区；

步骤104、抽出紧邻模拟充填区的采空及充填模拟腔内的内部充填有岩石的抽屉式模拟盒4后，再置入空的抽屉式模拟盒4，模拟采空区；

步骤105、在模拟充填区的抽屉式模拟盒4内的换热盘管8上外接水冷循环系统，模拟充填降温；

步骤106、温度数据采集器5对模拟未开采岩层的抽屉式模拟盒4内的温度传感器9检测到的温度进行周期性采样，将采样得到的温度记录为未开采岩层温度并传输给计算机6进行显示；温度数据采集器5对模拟充填区的抽屉式模拟盒4内的温度传感器9检测到的温度进行周期性采样，将采样得到的温度记录为充填区温度并传输给计算机6进行显示；温度数据采集器5对模拟采空区的抽屉式模拟盒4内的温度传感器9检测到的温度进行周期性采样，将采样得到的温度记录为采空区温度并传输给计算机6进行显示；

步骤107、计算机6存储温度数据采集器5传输给其的各层未开采岩层温度、充填区温度和采空区温度，供工作人员研究深井充填体采场降温；

步骤二、深井地热开采实验模拟，具体过程为：

步骤201、在所有采空及充填模拟腔内置入内部充填有岩石的抽屉式模拟盒4，模拟未开采岩层；

步骤202、在温度控制管2上外接热水循环系统，并在模拟未开采岩层的抽屉式模拟盒4内的换热盘管8上外接热水循环系统，模拟高温深井下的未开采岩层发热；

步骤203、抽出紧邻最底层的采空及充填模拟腔内的内部充填有岩石的抽屉式模拟盒4后，再置入内部充填有充填材料的抽屉式模拟盒4，模拟充填区；

步骤204、抽出紧邻模拟充填区的采空及充填模拟腔内的内部充填有岩石的抽屉式模拟盒4后，再置入空的抽屉式模拟盒4，模拟采空区；

步骤205、在模拟充填区的抽屉式模拟盒4内的换热盘管8上外接地热开采循环系统20，模拟地热开采；

步骤206、温度数据采集器5对模拟未开采岩层的抽屉式模拟盒4内的温度传感器9检测到的温度进行周期性采样，将采样得到的温度记录为未开采岩层温度并传输给计算机6进行显示；温度数据采集器5对模拟充填区的抽屉式模拟盒4内的温度传感器9检测到的温度进行周期性采样，将采样得到的温度记录为充填区温度并传输给计算机6进行显示；温度数据采集器5对模拟采空区的抽屉式模拟盒4内的温度传感器9检测到的温度进行周期性采样，将采样得到的温度记录为采空区温度并传输给计算机6进行显示；

步骤207、计算机6存储温度数据采集器5传输给其的各层未开采岩层温度、充填区温度和采空区温度，供工作人员研究深井地热开采。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本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。