矿井地热资源综合化应用研究

董宪伟，张九零，侯欣然

（1．河北联合大学，河北 唐山063009；2．河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山063009）

1 概述

导致矿井地热的原因有很多，主要因素有四种，分别是矿区大气环境、围岩散热、机电设备散热、矿物氧化散热以及空气自压缩热。除了这些主要因素之外，导致矿井地热的还有一些次要因素，如地表大气状态、地下热水涌出、矿物散热、人体散热、爆破热以及电缆电线散热等［1］。矿井热源包含两类，即相对热源，由高温围岩和热水产生；绝对热源，由机电设备、风流自压缩以及各种化学反应等产生［2］。

2 地热计算

在地热作用下，高温围岩会产生传热。放射性元素（比如铀、钍等）的衰变是地热的主要来源。这些放射性元素衰变所产生的总热能值，目前还没有准确的数据，但一些研究人员对此会有相关的估计。研究人员侯德封等认为，随着与地表距离的逐渐增加，井下原始岩温会随之上升，总地热能值至少为2．14×1021J／a。原始岩温随深度而上升的速度称为地温梯度，原始岩温的具体数值由温度梯度与埋藏深度决定，地温梯度的大小由岩石的热导率与大地热流值决定［3］。

由于矿井热害中的热交换属于不稳定的复杂过程。所以，在计算围岩散热量时，常用类似于稳定传热的公式来计算，这样计算就更为方便。

高温热水成为矿井热害的重要来源，其放热量跟周围环境温湿度有一定的关系。水温和水量两个参数的大小主要决定了井下热水的放热量，该放热量会影响矿内的空气，热量通过热传导和蒸发与空气发生热湿交换，总热交换同时也在进行，但其推动力是焓差而不是温差。所以，在计算热水和风流的换热时，应计算其潜热交换［4－5］。

应采取如下措施解决大量热水涌出：集中用隔热管道将其排走，或者用加盖板的水沟排走。

3 河北省某矿水源热泵方案设计

3．1 设计原则及技术路线

本方案充分利用矿井的余热资源，实现冬季井口防冻、工业场地建筑供暖及浴室洗浴热水加热、联合建筑的供暖及制冷。为减少矿井水的热量损失，需在排水渠加设盖板等保温措施。矿井水经由主井、副井排水管道排至排水渠，由排水渠进入矿井水沉淀池，在此处水稍作沉淀处理，沉淀处理过的水再进入泵房中的缓冲池里，经过滤器把大颗粒悬浮物过滤出去，然后在循环泵的带动下输送至热泵机房，在这里热泵机组完成热量提取，最后矿井水被排至二级沉淀池下游。各个系统的热泵机组集中设置在工业场地的热泵机房内。系统流程图见图1。

图1 水源热泵系统流程图Fig．1 Flow chart of water source heat pump system

3．2 热泵子系统设计

1）井口防冻系统

井口防冻系统要求的温度较低，最终进风温度不小于2℃即可满足要求。采用37℃的热水加热新风，这样既能减少能源消耗，又可满足井口防冻的要求。在满足井口防冻要求的前提下，由于离心机组的能效比远高于螺杆机组，所以充分考虑系统效率，本方案选择3台离心式水源热泵机组，其中一台机组作备用。离心式热泵机组矿井水侧的供出水温度为10／5℃，供暖循环水侧的供回水温度为40／35℃。

采用矿井水余热实现井口防冻，空气加热室内的末端散热器需进行改造。主、副井的空气加热室内设备拆除，安装9台65 000m3／h低温水工业热风器（主井3台，副井6台）。改造过后的设备，将室外空气温度－18．4℃加热后，温度升高至15℃以上。因为加热后的风温较低，所以为满足井口防冻的热负荷，需增大加热的风量，但受风道截面积的限制，仅采用空气加热室加热的原风道可能无法满足井口防冻的要求，为此，可新增加风道直接送风至副井井口房。由于加热风量增大，空气加热室的进风百页窗也需改造以增大进风面积。最终，经空气加热室和井口房新风机组加热，新风与未加热的冷风混合，混合后进入井筒的新风温度不小于2℃。这样在井口原有空气加热室改造的基础上，工业热风机组既保证井口防冻的工艺要求，同时还可以降低工程土建投资。

2）联合建筑供暖及制冷

根据负荷计算，联合建筑总建筑面积32 232．4 m2，总供暖负荷约1 838．2kW，制冷负荷约3 223．2 kW。由于该矿的矿井排水量大，而且水质良好，冬季可用作热源水，夏季可用作冷却水。考虑到冬季联合建筑的供暖需求，该系统选用半封闭螺杆水源热泵机组提取13℃矿井水的热量，制取45℃的供暖循环水，通过供暖循环水在末端风机盘管的循环，实现联合建筑供暖。冬季水源热泵机组的热源侧的供回水温度为10／5℃，供热循环水侧的供回水温度为45／40℃。夏季利用矿井水冷却制取7℃的低温冷冻循环水，通过冷冻循环水在末端风机盘管中的循环实现建筑制冷。热泵机组选用全热回收型，在夏季制冷时，回收冷凝热加热职工浴室用水，可以满足夏季洗浴加热负荷，洗浴专用加热机组可以停开，充分利用废热资源制取洗浴热水，可节约大量电能。为实现联合建筑供暖及制冷，原有的采暖系统需改造为风机盘管系统。

3）工业场地职工浴室洗浴热水加热系统

洗浴用水包括淋浴用水和池浴用水。淋浴供水温度45℃，池浴供水温度45～60℃。现场调研资料得知，每天池浴用水量约240m3，水温60℃。每天淋浴用水量约360m3，水温45℃。

根据热负荷现状，本方案制取洗浴热水采用梯级加热的方式。洗浴水先利用空压机的余热进行预热，然后储存在300m3的压风机房的低温热水蓄水箱中，通过水泵输送至热泵机房的300m3洗浴热水加热箱，再利用水源热泵机组将洗浴水循环加热至45℃或以上。加热好的热水根据需要直接供至联合建筑的地下水箱内，联合建筑的原有淋浴系统无需改造，只需简单改造池浴水供水系统。

通过和现场沟通，了解到如下情况：通过调整工作流程，可利用45℃的热水满足池浴的要求，池浴水将不需要由45℃加热至60℃，将节约大量的能源。为此，方案建议通过调整工作流程，使用45℃的热水满足池浴的要求。

4）工业场地采暖系统

该矿工业广场区域现有采暖面积为142 420．54 m2，预计未来增加58 267．41m2，合计采暖面积为200 687．95m2。现有建筑中包括办公室、值班室等供暖要求较高的场所，也有大部分供暖要求不高的空间。根据初步设计，已建工程采暖负荷为8．5 MW，选煤厂采暖负荷为2．6MW，去除联合建筑采暖负荷，合计采暖负荷为9．3MW。系统选用5台（其中1台备用）半封闭螺杆水源热泵机组提取13℃矿井水的热量，制取55～65℃的供暖循环水，冬季供全矿建筑供暖。

5）矿井水处理系统

矿井排水含有大量的杂质颗粒，为满足机组的需求，矿井排水进入机组之前，先经过粗效过滤器进行过滤，再经过自清洗过滤器进行过滤，使进入机组的杂质颗粒小于1mm。矿井水循环泵房设置在矿井水沉淀池附近。

过滤器工作原理如图2所示：未处理的矿井水进入过滤器，水中的杂质沉积使滤网进出水侧产生压差，压差开关监测进出水口压差变化值，达到设定值时，电控器输出控制信号发出动作指令：首先电动机带动除污刷旋转，完成清洗滤芯，然后控制阀起作用打开排污阀排污，整个清洗过程持续数十秒，接下来会进入下一个过滤工序。此清洗过程扬程损失约1%，流量损失3%，不影响系统正常运转。

图2 自清洗过滤器原理及结构示意图Fig．2 Self－cleaning filter principle and structure diagram

4 结论

利用水源热泵技术，开发利用这些矿区的地热资源，实现了供暖、洗浴、制冷等多种功能，该系统运行费用仅为燃煤系统的1／3左右，年可节约运行费用381．5万元。地热资源的综合化应用，既有助于矿井的安全生产，减轻矿井热害，改善井下工作环境，又有利于改善矿区的能源消费结构，减轻环境污染和增加企业经济效益，带动以余热资源利用为龙头的循环经济产业链，推进绿色矿区建设。

［1］ 周 静，刘锡明，张国华．黑龙江省煤矿高温热害分析及防治措施［J］．中国矿业，2009，18（5）：104－106，109．

［2］ 舒孝国，肖福坤 ．深部矿井内热源分析［J］．煤炭科技，2006（7）：105－107．

［3］ 余恒昌 ．矿山地热与热害治理［M］．北京：煤炭工业出版社，1991：37－40．

［4］ 袁东升 ．矿山热灾害防治［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2008：98－99．

［5］ 许光泉，王伟宁，张海涛．淮南矿区深部热害分析及热水资源化研究［J］．中国煤炭，2009，35（10）：114－116，132．