[發明專利]一種高溫高濕礦井地熱循環降溫方法

在審

• 申請號: 202210068974.8
• 申請日: 2022-01-21
• 公開（公告）號: CN114382541A
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 李賢忠;衡帥;林俊峰;郝世剛;張小東;杜鋒;于建新
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: E21F17/00
• 分類號: E21F17/00;E21F3/00;F25B30/06
• 代理公司: 鄭州萬創知識產權代理有限公司 41135
• 代理人: 任彬

1.一種高溫高濕礦井地熱循環降溫方法，其特征在于：包括以下步驟：

S1、通過勘探確定礦井開采高溫熱源區域，優先選取靠近采掘工作面的區域作為高溫熱源的施工區域，根據高溫熱源區域的大小及儲熱量，確定水源熱泵、溫差發電器及制冷系統的規模并布置設備；

其中，高溫熱源區域儲熱量可采用地熱溫標方法進行估算，結合現場資源勘探，確定該區域熱提取效率R_R，熱提取效率R_R的計算公式如下：

式中，m為從高溫熱源區域鉆孔口到水源熱泵的質量流速，單位為kg/s；H_WH、H₀分別為孔口和最終參考溫度狀態下焓值，單位為kJ/kg；Q_R為高溫熱源區域總含熱量；

S2、根據上述步驟S1中選取的施工區域的地質狀況確定出鉆孔的布置位置，根據制冷系統的制冷量和高溫熱源區域的熱源分布確定施工區域的鉆孔施工參數，并在施工區域內施工平行鉆孔；

S3、在上述步驟S2中施工的平行鉆孔內敷設可供導熱液循環的U型導熱管路，同時在平行鉆孔內敷設注漿管和回漿管，通過注漿管對平行鉆孔的全孔段進行密封；

S4、將上述步驟S3中平行鉆孔內密封完畢的所有U型導熱管路分別通過冷液注入管和熱液導出管集中，集中后的冷熱管路連接在上述步驟S1中布置的水源熱泵上；

S5、根據上述步驟S1中水源熱泵、溫差發電器和制冷系統的規模和布置位置，將溫差發電器同時與上述步驟S4中集中連接冷熱管路后的水源熱泵和制冷系統連接，最終通過溫差發電器輸出的高溫液體輸送到地面用水系統、低溫液體輸送到工作面降溫系統。

2.根據權利要求1所述的一種高溫高濕礦井地熱循環降溫方法，其特征在于：所述步驟S1中，水源熱泵和溫差發電器的選擇滿足煤礦安全標準及井下電氣安全標準，并安裝在同一專用井下硐室中。

3.根據權利要求1所述的一種高溫高濕礦井地熱循環降溫方法，其特征在于：所述步驟S2中，施工區域的地質狀況包括：當高溫熱源的施工區域內有高溫含水層時，優先將鉆孔布置在含水層中；當高溫熱源的施工區域內沒有含水層的條件下，將鉆孔布置在巖層穩定的高溫區域。

4.根據權利要求1所述的一種高溫高濕礦井地熱循環降溫方法，其特征在于：所述步驟S2中，所述鉆孔施工參數包括鉆孔數量、鉆孔長度、孔徑、傾角和方位角；根據后期制冷量需求和高溫熱源區域規模確定出鉆孔數量，根據高溫熱源區域的熱源分布確定出鉆孔長度、孔徑、傾角和方位角。

5.根據權利要求1所述的一種高溫高濕礦井地熱循環降溫方法，其特征在于：所述步驟S3中，所述U型導熱管路在平行鉆孔內緊貼鉆孔內壁敷設，U型導熱管路為呈螺旋狀的進、回兩通路的金屬管材。

6.根據權利要求1所述的一種高溫高濕礦井地熱循環降溫方法，其特征在于：所述步驟S3中，對平行鉆孔的全孔段密封包括高溫熱源區域段和孔口封堵區域段的密封，其中高溫熱源區域段采用添加導熱纖維的水泥砂漿進行注漿密封，孔口封堵區域段采用保溫材料聚氨酯進行密封；全孔段密封要求鉆孔內部完全密封，不留孔洞。

7.根據權利要求1所述的一種高溫高濕礦井地熱循環降溫方法，其特征在于：所述步驟S3中，依據平行鉆孔內密封完畢的U型導熱管路與高溫巖體之間的熱量轉換關系，計算得到U型導熱管路的單孔熱流量，為水源熱泵、溫差發電器規模的設計提供基礎數據支持；其中單孔熱流量的計算公式為：

式中，Φ為熱流量，表示單位時間內通過某一給定面積A的熱量，t_w表示礦井高溫巖層高溫區域的溫度，t_f表示U型導熱管內部流體的溫度，表示每一層材料的導熱熱阻，為高溫巖體部分對流換熱熱阻，為低溫流體的對流換熱熱阻。

8.根據權利要求1所述的一種高溫高濕礦井地熱循環降溫方法，其特征在于：所述步驟S4中，所有U型導熱管路的進液口通過冷液注入管連接集中，所有U型導熱管路的出液口通過熱液導出管連接集中，且熱液導出管的外壁上敷設一層保溫材料。

9.根據權利要求1所述的一種高溫高濕礦井地熱循環降溫方法，其特征在于：所述步驟S5中，水源熱泵通過電源線、第一冷液管和第一熱液管連接溫差發電器，同時將礦井涌水通過過濾器和礦井涌水輸水管路導入水源熱泵。