胶东半岛矿山地热资源利用方法

张永亮 刘耀香 陈喜山

(1.青岛理工大学黄岛校区汽车学院，山东 青岛 266520； 2.青岛经济技术开发区科技发展局，山东 青岛 266520)

胶东半岛矿山地热资源利用方法

张永亮1刘耀香2陈喜山1

(1.青岛理工大学黄岛校区汽车学院，山东 青岛 266520； 2.青岛经济技术开发区科技发展局，山东 青岛 266520)

随着矿产资源的大量消耗，矿山向纵深开采成为必然趋势，随之而来的地热问题也越来越多地显现出来；矿山地热水既是淡水资源又蕴含热能，极具利用价值。矿山地热虽是绿色能源，如不能合理转化利用，会造成井下高温，严重影响生产效率。以矿山地热资源循环利用为研究目的，从地温效应调控入风流温度、热泵技术在金属矿山中的应用以及地下水回灌系统的角度，分析了矿山地热的利用原理及方法，建立了浅层井筒与风流热交换模型、压力回灌三维非稳定流数学模型等相关理论模型，并对地热利用方法进行试验研究和分析，研究结果应用于胶东半岛典型金属矿山中。结果表明，对矿山地热资源的合理利用在理论上和实际操作上具有可行性，可为我国矿业绿色能源开发探索一条可能的途径。

矿山地热资源 热交换 循环利用 回灌

胶东半岛矿产资源丰富，随着采矿技术的发展，矿产资源大量消耗，大多数矿山即将或者已经进入深部开采，这也是我国大部分地区矿山开采所面临的共性问题。胶东位于环太平洋地热带的太平洋西岸高热流带，地热资源丰富，地热能不可避免地出现在矿山深井开采过程中。矿山地热的表现形式各有不同，常见的有热岩体散热，地热水渗流或者大量高温地热水直接涌出。这些地热的出现，导致了井下高温、高湿现象，矿山工作人员在恶劣的工作环境下，湿疹等职业病频发且严重影响安全生产，严重降低工作效率，矿山深井热害治理已经成为国内甚至全世界共同需要面对和解决的难题[1]。同时，矿山地热水的大量流失，对矿山地质环境也造成极大的破坏，出现地基承载力下降，地面下沉等现象。矿山井下地热的出现，一方面破坏了矿山生产环境，另一方面又造成大量地热资源和水资源的白白流失。作为国民经济的命脉，传统的能源煤炭和石油在使用过程中，不仅储量逐步减少而且造成严重的环境污染。因此，寻找清洁可再生能源代替传统能源势在必行。地热能具有无污染、储量大、可再生的优点，是一种极富开发前景的新能源。把矿山开采过程中出现的地热资源合理转化利用，既解决矿山热害难题，又有效利用地热资源这一清洁能源，将会起到一举两得的效果。

1 地温效应调控风流温度

冬季北方矿山冻井现象时有发生，给矿山生产带来严重不便，而且容易发生事故；夏季地表高温空气进入井下，使深井作业面温度进一步升高，加重了热害。围岩散热是造成井下热害的主要因素之一，但浅部废弃巷道的围岩热量却可以合理利用，调控入风流的温度，解决矿山生产难题。在地温效应利用方面，国内外已有众多学者进行了深入研究[2-5]。

利用浅层地温效应调控入风流温度，风流进入的矿井浅层废弃巷道经常具有一定的倾斜角度，以往的研究大多假设井筒是垂直的，这样建立的热交换理论模型难免存在误差。在实践检验的基础上，假设巷道井巷断面为圆形，倾角介于0°～90°，井巷壁面干燥，不考虑湿交换。

浅层废弃井巷轴线周围的冷却圈如图1所示为椭圆形，轴线与水平面夹角为θ(0<θ≤90°)，由椭圆周长公式，可得出井筒水平断面的当量半径r1和冷却圈外侧水平断面当量半径r2分别为

图1 井筒周围冷却圈Fig.1 Schematic diagram of cooling ring around the wellbore

应用傅里叶热传导定律分析冷却圈在水平方向的传热过程，令冷却圈内表面温度为tc，外表面温度为tn，冷却圈由半径为r、厚度为dr的环形薄层组成，单位时间通过长度为dy的热流量dφ为

(1)

式中，λ为岩体导热系数，W/(m·℃)。边界条件：r=r1时，t=tc；r=r2时，t=tn。

对公式(1)积分，得到单位时间内岩壁向冷却圈外侧导热量

(2)

岩壁面积上岩壁与空气间的对流换热量

(3)

式中，ty为巷道内某点平均气温，℃；r0为井壁半径，m;a为放热系数，W/(m2·℃)。

围岩和空气的热交换包括2个连续的过程：岩体内热传导和对流热交换，因此导热量和对流换热量在数值上是相等的，则有

(4)

式中，δ为井壁厚度，m。

令

由公式(4)可得

将tc代入公式(3)，则有

(5)

式(5)可作为反映矿井入风流流经浅层废弃巷道过程中风流和岩壁之间热交换关系的数学模型。有了矿山变温带、恒温带和增温带的边界条件，据此模型均可求出各自不同的解。

2 热泵技术在矿山的应用

多数矿井地热水属于中低焓地热资源，一般需借助热泵设备进行高效开发利用。水源热泵技术是利用地球表面浅层热资源，应用热泵原理，通过消耗少量电能实现热能转移的一种技术。矿山地热属于矿山二次资源范畴，而地热水更是矿、热、水三位一体的资源，应尽可能加以充分利用。根据胶东半岛的矿山地热地质特征，其矿山地热水的利用方式有以下3种，适合大范围推广应用。

2.1 地热水作为热源

采用矿山地热水供暖，节省了常规地热供暖的最大投资——钻井费用，综合经济效益远远优于烧煤取暖。同时，井下热水汲取到地表，也有利于深井高温高湿环境的改善。对于地热水初始温度较高的矿山，可对地热水进行热能的多级综合利用，通过合理的规划布局，根据热能的需求程度差异，建立阶梯式热水资源利用模式，充分发挥地热水的潜力。

2.2 地热制冷

地热水热能不仅可作为热源，夏季通过热泵设备也可以用作空调制冷的冷源，地热制冷和太阳能制冷的原理，在技术上基本一致，都可以节省大量电力。但是利用矿山地热水制冷则比太阳能更有优势：属于矿山开采附属资源，成本低廉；资源稳定，无昼夜之分；不受天气影响。因此，矿山地热水作为夏季制冷的冷源，具有其他能源无法比拟的先天优势。

2.3 热泵技术在通风系统的应用

矿山深井开采中，矿井较高温回风系统也可应用水源热泵技术进行开发利用[6]。胶东半岛矿山回风系统风流温度大多在20 ℃左右，可作为热泵机组良好的热源和热汇。因此，在胶东半岛的矿山推广应用水源热泵技术极具可行性和应用性，是一项矿山二次资源开发利用的良好项目。图2为水源热泵技术之一(在矿山回风侧的应用)示意图。

图2 矿山水源热泵系统(1)Fig.2 Schematic diagram of mine water source heat pump system(1)

3 矿山地热水压力回灌

水源热泵技术系统目前已经相当成熟，主要的技术难题集中在地下水通畅的回路系统。矿山地热水汲取到地表将热能利用后，如不能回灌到地下，将造成矿山地质结构破坏，部分地下水大量流失的矿区，已经出现地面沉降现象，滨海矿山地下甚至出现了海水倒灌。

3.1 回灌技术原理

将渗透理论作为研究回灌技术基本原理的切入点，以连续性原理和达西定律为基础，建立了三维非稳定流数学模型[7-9]：

(6)

(7)

(8)

式中，

S为承压含水层储水系数；Sy为潜水含水层给水度；M为承压含水层单元体厚度，m；B为潜水含水层单元体饱和厚度，m；kxx、kyy、kzz分别为各向导性主方向渗透系数，m/d；h为点(x,y,z)在t时刻的水头值，m；W为源汇项，1/d；h0为计算域初始水头值，m；h1为第一类边界的水头值，m；Ss为储水率，1/m；t为时间，d；Ω为计算域；Γ1为第一类边界。

以此非稳定流数学模型为指导，张永亮，蔡嗣经[10-11]分析了矿山岩体裂隙渗流特性，选取胶东半岛典型金属矿山进行了地热资源利用和地下水回灌的试验研究。

3.2 矿区地下水回灌试验

地热水兼具水资源和热资源2 种宝贵资源，其价值超过了不可再生的传统能源，将利用后的地表水回灌到地热层，吸收地热资源，再次成为地热水，是绿色能源循环利用的良好模式。

3.2.1 回灌水质、水量的确定

我国目前对地下水回灌的水质还没有明确要求。但是为防止地下水污染，对回灌水质必须严格把关，矿山地下水回灌，使用的均为从地下抽取的水源，在热能利用过程中也没有污染源。所以，进行地下水回灌水质问题较容易解决。

地下水回灌水量与回灌方式、管井结构、含水层地质结构等条件有关，回灌水量可采用如下经验公式：

(9)

式中，Q为回灌水量，m3/d；k为渗透系数，m/d；h0为管井外壁动水位到不透水层高，m；H为含水层静水位到不透水层高，m；m为承压含水层厚度，m;r0为管径内半径，m;R为影响半径，m。

3.2.2 回灌试验分析

回灌试验以山东沿海典型金属矿山为例，采用ASR法进行地下水回灌，在矿区地下水失水严重的漏洞区，用3口回灌井按不同时间段进行了类似的3组试验，3口回灌井编号分别为1#，2#，3#，试验对1#井进行回灌，通过测量另外2口井的水位变化衡量回灌效果。图3为回灌总流量与时间变化曲线；1#井进行回灌时，2#，3#井水位变化过程见图4。

图3 1#井回灌总流量-时间变化曲线Fig.3 1# well return irrigation recharge total flow-time variation curve

图4 1#井回灌时2#井、3#井水位变化曲线Fig.4 1# well return irrigation，2# well、3# well water level change curve ▲—2#井;■—3#井

从图4可以看出，对1#井进行回灌，在16 h以内另外2个管井水位明显上升，回灌超过一定时间，水位基本趋于稳定。试验结果表明胶东半岛典型矿区地下水加压回灌能够有效提升矿区地下水位。

4 结 论

(1)建立了矿山地热资源利用的相关理论模型，并用实践进行检验，检验结果表明矿山地热的合理利用极具可行性和推广价值。

(2)矿山地热水在提取其热能价值的同时，必须进行地下水回灌，一方面保障矿区地质结构不遭受破坏，造成安全事故，另一方面可利用回灌水为载体，吸收岩层热能，重复利用。

(3)矿山地热资源循环利用方法以地热能的提取作为核心，创立矿山二次资源利用新模式，为深井高温热害资源化利用开辟了新的途径。

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(责任编辑 徐志宏)

Utilization Methods of Geothermal Resources in Jiaodong Peninsula Mines

Zhang Yongliang1Liu Yaoxiang2Chen Xishan1

(1.HuangdaoCampusAutomotiveSchool，QingdaoTechnologicalUniversity，Qingdao266520，China；2.DevelopmentBureauofScienceandTechnologyofQingdaoEconomicandTechnologicalDevelopmentZone，Qingdao266520，China)

With the large consumption of mineral resources，the deep mining in the mine becomes an inevitable trend，and more and more geothermal issues are emerging with it.The mine geothermal water is fresh water resource and contains heat energy，so it is very useful.Mine geothermal water belongs to green energy.However，without reasonably utilization，it will result in underground high temperature and seriously influence the production efficiency.In order to recycle mine geothermal resources，the principle and method of utilizing geothermal resources were analyzed from aspects of regulating inlet air temperature by the ground temperature effect，applying heat pump to metal mine and the recharging system of geothermal water respectively.Then，the corresponding theoretical models were built such as the heat exchange model between shallow borehole and air，the three-dimensional unsteady-flow mathematical model of pressure recharging.Experimental research and analysis on the utilization of geothermal resources were made，and then were applied into the typical metal mines in Jiaodong peninsula.The results showed that it is feasible for rationally utilizing mine geothermal resources in theory and practice.The research explores a possible way for development of mine green energy in China.

Mine geothermal resources，Heat exchange，Cyclic utilization，Recharge

2014-01-26

国家自然科学基金项目(编号：51204100)，中国博士后科学基金项目(编号：2013M541934)，山东省博士后创新项目(编号：201303045)。

张永亮(1979—)，男，博士后，副教授。

TD928.5

A

1001-1250(2014)-05-158-04