深部矿山地热与煤炭资源协同开发技术体系研究

张吉雄，汪集暘，周 楠✉，孔彦龙，朱存利，刘恒凤

1) 中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部实验室，徐州 221116 2) 中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

煤炭资源属于不可再生的一次性能源，随着中国煤炭资源的高强度开采，以东部矿井为主的浅部煤炭资源逐渐枯竭，导致矿井的开采深度递增[1–3]. 同时，伴随着地温的增加. 据统计，当煤炭开采深度达到1000 m时，围岩温度可达到35～45 ℃[4]，且以1～3 ℃/100 m的梯度在增加，深部煤炭资源开发面临的高温环境也成为煤炭开采的一种常态. 同时深部矿山热量作为地热能的重要组成部分，属于煤炭开采过程中伴生的可再生能源且储量丰富[5–6]，在中国未来能源领域具有较大的发展潜力[7]，因此，地热能在深部煤炭资源开发中应被重点关注.

近年来，中国十分重视并鼓励清洁能源的开发与利用，同时出台了一系列相关法规政策有力地规范并保障地热产业有序的开采[8]. 深部矿山地热能是地热开发的一部分，但是，深部矿山的地热问题，多年来主要以热害治理为目标，开展了系列的理论与技术研究工作. 而将深部矿山地热作为资源开采的研究甚少，主要集中于余热的利用[9–12]，较少涉及到矿山地热与煤炭资源进行系统开发应用方面的研究.

本文首先提出了深部矿山地热与煤炭资源协同开发的思路，给出了地热与煤炭资源协同开发的基本内涵与关键，探讨了地热与煤炭资源协同开发的关键科学问题，构建了以岩热和水热为主的深部矿山地热与煤炭资源协同开发的技术体系，主要包括深部矿山地热与煤炭资源协同开发系统优化方法、深部矿山地热与煤炭资源协同开采方法、深部大空间煤基固废吸热功能材料研发、多场环境下采场岩层移动特征及其控制技术、低品位热能的高效传输及阶梯利用技术和地热与煤炭协同开发系统智能监测技术，以期为中国深部矿山地热与煤炭资源协同开发提供理论与技术参考.

1 深部矿山地热与煤炭协同开发的工程背景

1.1 深部矿山煤炭资源开发现实性

据统计，中国煤炭资源埋深超过1000 m的储量超2.86万亿吨，占总储量的51.34%[13]；随着煤炭资源不断开发深部矿山的数量不断增加，2004年中国超千米矿井不足8 处，而截至目前超千米的矿井已达到60 余处[14]. 同时，深部矿山的开采深度也正以8～25 m·a–1的速度增加. 中国超千米矿井分布见表1[15–17]. 山东新汶矿业集团的孙村煤矿是开采深度最大的煤矿，开采深度已达到1500 m[17].超千米矿井目前主要分布在华东和华中地区，但是随着浅部资源的不断开采，中国各区域矿井也将进入深部开采[18–19].

表1 中国不同地区部分矿井数量采深分布表Table 1 Mining depth of mines sampled from different areas in China

1.2 深部矿山地热能开采可行性

地热能可以分为浅层地热能、水热型地热能和干热岩型地热能，三者地热能储量丰富[20]，其中浅层地热能相当于95亿吨标准煤，水热型地热能相当于8530亿吨标准煤，干热岩相当于860万亿吨标准煤[6]. 深部矿山地热多属于水热型地热，是煤炭开采过程中伴生的可再生资源，且温度受煤炭资源开采深度的影响，中国大部分地区的矿井地温数值与矿井的深度呈正相关关系，最高温度超过50 ℃. 中国部分矿井围岩温度随开采深度的变化分布如图1所示，其中矿山地热温度范围在25～80 ℃之间，属于低品位热能资源.

图1 中国部分矿井围岩温度与开采深度分布Fig.1 Distribution of mine temperatures and mining depths in China

煤炭浅部开采时，围岩温度较低，主要以煤炭开采为主. 深部开采时围岩温度较高，可适时同时布置地热与煤炭开发系统；同时在深部矿山的已有空间内，可布置钻井采热系统，开采矿山开采标高以下的深部地热. 基于此，可将深部矿山资源自浅到深，划分为采煤区、热煤共采区和采热区. 深部矿山地热能与煤炭资源分区如图2所示.

图2 深部矿山地热与煤炭资源分区Fig.2 Division of deep mine resources

2 深部矿山地热与煤炭协同开发内涵及科学问题

2.1 地热与煤炭协同开发内涵

深部矿山地热与煤炭资源协同开发的原则是将矿山地热视为与煤炭同等重要的资源，实现其与煤炭资源的共同开发[21]，因此其内涵为在同一个井田范围内，在资源勘探、储量评估、开拓系统布置、开采方法选择及采后空间维护等方面，将深部地热与煤炭资源共同勘探、规划与开发，从而达到地热与煤炭资源综合开发利用的目的. 矿山规划地热与煤炭资源协同开发流程如图3所示.

图3 地热与煤炭资源协同开发的内涵Fig.3 Connotation of collaborative mining of geothermal energy and coal resources

由图可知，首先同步勘查规划区域煤炭及地热能储量，根据分级标准综合评估可采资源量. 其次，设计矿井开拓系统时，优化布置地热开采系统. 同时，在布置煤炭开采巷道系统时，利用煤炭开采空间构造煤系地层地热开发空间，或利用采动裂隙构造深部地热开采空间，布置地热开采系统，实现煤炭开采热害防治. 在煤炭资源开采的后期，随着煤炭资源开采完毕，地热能作为可再生能源仍然可以持续开采. 实现上述目标，需重点研究深部矿山地热源分布特征及补给规律、采场能量传导与演化规律，以及低品位地热能传热传质机理为主的三大科学问题.

2.2 地热与煤炭协同开发科学问题

2.2.1 深部矿山地热源分布特征及补给规律

掌握深部矿山地热源分布及补给规律是深部热能开采的基础. 通过研究热源分布和补给规律，以评价深部矿山地热能的质量、数量、赋存状况等. 不仅可以对地热储量进行预测，同时还能够进行地热能的开发可行性评价，以便正确评估矿井的地热能潜力，对资源开采做出科学规划，如图4所示为深部矿山地热源分布及补给方式示意图.

图4 深部地热源分布及补给方式示意图Fig.4 Distribution of deep mine geothermal sources and recharge mode

深部矿山地热源分布及补给规律研究主要分为以下两部分.

（1）采前地热与煤炭资源分布规律：地热与煤炭资源协同开发规划阶段，岩层处于原始状态，通过钻孔测温、水质调查、地球物理以及地球化学等勘探手段，对井田深部热源、深部地温场、区域地质构造等进行勘探分析，得出深部矿山热源分布、质量、数量及赋存状况.

（2）采后地热能补给规律：地热与煤炭协同开采后，地热采场及其周围区域内形成低温区，而为了达到热平衡，高温区周围的岩体会通过热传导的形式，向低温区供给热量；煤炭开采形成的采动裂隙，有利于导通近煤系地层含水层，进而产生水热补给；断层、陷落柱等构造沟通深部承压高温含水层，将深部地热传导至协同开采区域. 因此，需综合考虑补给来源、煤系地层围岩传热效率、地热流体补给规律等.

2.2.2 采场能量传导与演化规律

由于煤炭资源的开采扰动造成顶板垮落、围岩裂隙发育，增加了围岩暴露面积，形成多个低温分散热源，且分散热源距离煤层远近不同，随地热的开采相互之间形成温度差，使得热源温度分布不均匀，因此研究深部矿山地热与煤炭资源协同开发采场能量传导与演化规律是深部热能开采的关键.

通过研究采场能量传导和演化规律，根据不同的采热方法，可确定多热源的供热规律，热源、导热空间或通道、热能载体之间的能量交换机制，分析地热采场能量传导规律[22]，揭示热源温度变化、导热材料、热能载体循环速度温度等对热能提取效率的影响，形成地热采场热能提取范围、效率、周期、恢复期等计算方法. 若以垮落法开采工作面形成的垮落带、裂隙带作为热能采场，则随着煤层顶板不断垮落下沉，岩石空隙与热能载体在采场内的分布将随时间而发生变化，该变化过程将影响热源与热能载体之间的热交换过程.

2.2.3 低品位地热能传热传质机理

热源与取热介质之间的热能传输主要依靠传导进行，不可避免存在热能传输损失[23]，降低了低品位地热能的传输效率，因此需要研究井下分散热源的高效热传导问题. 井下热能自提取后，需要经历运输、转换等过程，最终到达用户处进行利用[24].而热能输送距离、能量转换方式同样对热能传导效率起着至关重要的作用，因此需要研究低品位地热能的传热传质机理.

针对低品位地热能传热传质机理，主要围绕井下分散低温热源的高效热传导、热能低损耗运输等进行研究. 通过掌握地热与煤炭资源采场裂隙发育机理与能量演化规律，分析井下分散热源分布规律，研究分散热源与取热介质之间的热能传导机制，揭示热源温度、间距、裂隙大小等因素对热能提取效率的影响，研究低品位地热能高效提取工艺，形成低品位地热能高效热交换设计方法；研究热能输送过程能量耗散规律，分析温度、输送距离等对热能传输效率的影响，研发低品位地热能高效输送技术与装备，如图5所示.

图5 低品位地热能传热传质基本框架图Fig.5 Basic framework of heat- and mass-transferring mechanism of low-grade geothermal energy

3 深部矿山地热与煤炭协同开发技术构成

3.1 地热与煤炭协同开发技术思路

矿山井下主要以煤系地层及深部含水层为热源，分为岩热和水热. 利用充填法或垮落法管理顶板开采时，构造煤系地层地热开发系统. 充填法管理顶板开采时，以吸热型材料形成的充填体内布置采热管路，并与主管路构成采热系统进行地热开采. 垮落法管理顶板开采时，顶板由于失去煤体的支撑而垮落，对上覆岩层形成垮落带、裂隙带范围进行密封，在密闭圈内布置导热介质采注系统进行地热开采. 此外，亦可利用垮落法开采工作面回采之后的采空区空间进行储水并提取地热. 地热与煤炭协同开发技术思路如图6所示.

图6 地热与煤炭资源协同开发思路图Fig.6 Collaborative mining of geothermal energy and coal resources

以上地热开采方法均可同时开采深部含水层热能，构造深部地热开采系统：结合煤炭开采底板裂隙发育情况，根据已有井巷硐室位置，设计钻井选址，由开采水平向深部含水层钻进地热钻井，布置生产井与回灌井，开采深部含水层水热能.

3.2 地热与煤炭协同开发技术框架

地热与煤炭协同开发需要从勘探规划、协同开发、低热利用和智能监测四个阶段进行研究，开发六项关键技术，如图7所示.

图7 地热与煤炭资源协同开发技术框架图Fig.7 Technical framework of the collaborative mining of geothermal energy and coal resources

其中四个阶段主要研究深部矿山地热探测评价技术、深部矿山地热与煤炭资源协同开采方法、深部大空间煤基固废吸热功能材料研发、多场环境下采场岩层移动特征及其控制技术、低品位热能的高效传输及阶梯利用技术以及协同开发系统智能监测技术.

4 深部矿山地热与煤炭协同开发的关键技术

4.1 深部矿山地热与煤炭资源协同开发系统优化方法

深部矿山地热与煤炭资源协同开发系统优化是对地热与煤炭资源协同高效开采的关键，有助于提高地热与煤炭资源协同开采的效率. 目前，矿山的地质勘探与评价往往单方面考虑煤炭与地热能开采的储量、质量、赋存条件等[25]，因而系统设计时，也是单独优化煤炭开发时井田开拓、采区准备和回采巷道布置或单独设计地热能钻场布置.但是在地热与煤炭资源协同开采过程中，采煤和采热活动相互影响，相互制约，单方面的规划不能满足需求，因而需要研究深部矿山地热与煤炭资源协同开发规划技术，该技术将兼顾地热与煤炭资源的协同开采的系统布置方式，同时考虑地热与煤炭资源开采的系统布置、开采方法、空间变形、能量传递等，最大限度开采自然资源，合理利用井下空间，避免采煤和采热系统空间、时间上的相互影响. 深部矿山地热与煤炭资源协同开发系统优化技术框架如图8所示.

由图8可知，从整体系统角度看，采热系统与采煤系统是子系统并行作业的工作方式，它们既需要各自系统的优化，又需要整体系统的协调[24].整个地热与煤炭协同开发系统的优化需要考虑地质条件、地热与煤炭资源储量级别、地热与煤炭资源赋存情况、采煤后裂隙发育、采热后热能补给情况等多种因素，结合采煤方法、采热方法的系统布置要求，规划开采面布置位置、大小、数量，以及拟采用的采煤、采热方法，通过整体系统优化和煤炭资源开发、地热能开发等子系统之间的多次迭代优化，最终实现深部地热与煤炭协同开发系统的整体最优化.

图8 深部矿山地热与煤炭资源协同开发系统优化框架Fig.8 Optimization framework of the collaborative mining system of geothermal energy and coal resources in deep mines

4.2 深部矿山地热与煤炭资源协同开采方法

深部地热与煤炭资源协同开采方法主要包括：充填埋管采热法、采空区储水采热法、采动区封闭采热法和深部原位钻井采热法.

4.2.1 充填埋管采热法

充填埋管采热法主要是利用充填开采工作面的导热充填体传递围岩热量，并由热能提取管路中的取热介质提取地热能的过程.

随采煤充填工作面推进，在吸热充填体内预埋热能提取管路. 当工作面开采结束后进行地热开采，将取热介质注入热能提取管路系统中，随着取热介质在管道内的循环，不断与周围环境发生热交换并逐步升温，当温度到达热能利用阈值时，将热的取热介质提取至地表并加以利用，其技术原理如图9所示.

图9 充填埋管采热法原理示意图Fig.9 Schematic of the buried pipe heat recovery method in backfilled stopes

充填埋管采热法的关键在于导热充填材料以及埋管的布置方式，研发抗变形易换热的管路及介质、井下热能温度智能在线监测装备等关键装备也是支撑充填埋管采热法智能化自动化方向的必备条件.

4.2.2 采空区储水采热法

采空区储水采热法主要是利用垮落法管理顶板开采后形成的采空区进行储水并提取地热能的一种技术.

垮落法管理顶板开采时，在工作面四周构筑人工坝体挡墙，与相邻工作面间留设的煤柱共同构成防渗储水空间，利用采空区顶板裂隙渗透水或人工补给水，形成采空区密闭储水空间，储水与高温岩体热交换并逐步升温，当温度达到地热能利用阈值时，将热水提取至地表并加以利用，其技术原理图如图10所示.

图10 采空区储水采热法原理示意图Fig.10 Schematic of the water storage and heat recovery method in goaf

为保证采空区储水采热法的高效实施，需要研发自动化构筑人工坝体挡墙装备、冷水智能补给装备、采空区密闭水库温度实时监测装备等关键装备. 同时，采空区内水岩时空分布情况、水循环方式、热能提取周期等内容也是采空区储水采热法安全高效实施必须考虑的关键因素.

4.2.3 采动区封闭采热法

采动区封闭采热法主要是在工作面上覆岩层构造高效密闭空腔，利用超临界二氧化碳等流体采注进行采热作业的过程.

在煤炭资源开采完之后，通过计算、实测等方式得出垮落法开采“三带”高度，确定取热空腔区域范围，进而注浆封闭形成可以存放气体和液体的存储腔体，为煤系地热的开采提供封闭的取热空间，在取热腔体内布设超临界二氧化碳等流体采注系统，利用高效换热的流体作为取热介质将地热提取出来，进行地热利用，其技术原理示意图如图11所示.

图11 采动区封闭采热法原理示意图Fig.11 Schematic of the heat recovery method in the closed fracture and caving zones

4.2.4 深部原位钻井采热法

深部原位钻井采热法是以煤层下方含水层水热为研究对象的采热方法，通过利用煤炭开采或煤炭与地质资源协同开采系统和空间向深部含水层打生产井和回灌井进行提取热能的一种技术.

在赋存含水层深部矿井，通过煤炭资源开采空间向深部含水层钻生产井，提取以水热为主的热能资源，同时为了保证地下水的平衡，通过回灌井向深部含水层注入等量的处理之后的矿井冷水，待一定循环周期，水温达到平衡之后，再通过生产井对含水层热源进行提取. 为了保证含水层热能提取的高效性，可在煤炭开采空间同时布置多对生产井和回灌井，其技术原理如图12所示.

图12 深部原位钻井采热法示意图Fig.12 Schematic of in-situ drilling for the heat recovery method in deep aquifers

4.3 深部大空间煤基固废吸热功能材料研发

在充填埋管采热法中，为实现热能的高效富集与传输，充填区大空间内的材料导热性能是关键之一. 目前煤矿充填材料主要以煤矸石或煤矸石制作的胶结料为主[25]，具有量大、支撑强度高等优点，但其导热性能较金属等材料差，难以分散低温热源的热量进行有效提取，不完全满足地热与煤炭资源协同开发中的导热需求. 因此，需要改变传统充填材料的导热性能. 其中以煤基固废中的煤矸石、粉煤灰等为主要材料，通过高导热性材料（如石墨等）改性，制作专用导热充填材料，通过试验研究不同配比专用导热材料在温度、应力、渗透压等共同作用下的流动性、力学性质及导热性能的变化规律，使其在流体状态下具有较好的流动性，能够到达地热采场的分散热源，在固体状态下具有良好的力学性能和导热性能，有效支撑围岩并高效提取其中的热量. 其中掺石墨的改性充填材料导热系数如图13所示，其中y为导热系数，G为石墨的体积掺量. 在一定掺量范围内，随石墨体积掺量的增加，充填材料导热系数不断提高.

图13 石墨改性煤基固废材料导热系数Fig.13 Thermal conductivity of graphite-modified coal-based solid waste materials

4.4 多场环境下采场岩层移动特征及其控制技术

地热与煤炭的协同开采过程中，采煤与采热活动相互影响，相互制约. 地热开采带来温度场的冷热变化，给围岩提供热应力，使之更加脆弱[26–28]，同时改变流体温度，影响流体物性；煤炭开采引起采动岩层移动与应力释放，使热采场应力重新分布，导致采场能量变化，对导热空间或通道及热能载体通道产生影响，改变孔隙裂隙形态，影响流体渗流作用；地热流体沿采动孔隙裂隙发生流动，对孔隙裂隙造成应力影响，同时通过热传导作用进行热量补给. 地热与煤炭资源协同开采空间应力场、渗流场、温度场之间的作用机理如图14所示.地热与煤炭多场耦合下的岩层移动规律需进一步研究.

图14 应力场、渗流场、温度场之间的作用机理Fig.14 Influence mechanism of stress field, seepage field, and temperature field

为保证地热与煤炭协同开发安全高效进行，需要分析围岩应力场、温度场、裂隙场等演化规律，研究温度场、应力场和渗流场耦合作用下深部地热与煤炭采场的围岩变化规律，分析导热空间或通道及热能载体通道的长期稳定性，研究导热空间或通道的变形控制方法，并提出热能载体通道的设计方法.

4.5 低品位热能的高效传输及阶梯利用技术

针对深部矿山低品位热源的特点，通过热泵技术提高热能质量，围绕地热与煤炭协同开发系统的煤系地层地热及深部含水层地热等，研究不同温度和形式热能的直接利用、间接利用方法与工艺[29–30]，研发高能效比的高温热泵. 建立深部矿山低品位热能的综合利用体系，考虑矿区内和周边地区的工业、民用等用热需求，遵循用户距离“先近后远”的原则，按照能级匹配的方式实现梯级利用[31]. 考虑传热原件耐腐蚀性和利用技术成熟度，做好经济效益分析和对比[29]. 其中低品位热能的高效阶梯利用模式如图15所示.

图15 低品位热能高效阶梯利用模式Fig.15 High-efficiency stepped utilization mode of low-grade heat energy

矿井低品位热能主要表现形式为煤系地层及深部含水层提取的热水或其他导热介质，温度为25～80 ℃，提取出来的矿井热源在地表通过水源热泵提质，加热至70～90 ℃，进而展开阶梯利用.在第一阶段，50～90 ℃的热能可以用于石油行业的气体分馏、居民生活取暖、衣物烘干等；在第二阶段，30～50 ℃热能可用于洗浴热水与旅游疗养等；第三阶段，0～30 ℃的热能可用于温室大棚、水产养殖、夏季制冷等，阶梯利用过后的低温热源经处理后排出. 高效阶梯利用模式促使多系统联合高效运行，将提取的低品位热能充分利用.

4.6 地热与煤炭协同开发智能监测技术

深部矿山地热与煤炭资源协同开采系统设备构成多而复杂，采热系统和采煤系统既独立运行又相互关联，协调联动控制必须准确、及时且要求逻辑紧密，对可能发生的故障、工作环境变化都能及时响应，并予以处理. 因此，地热与煤炭协同开采智能监测与控制系统需要引入智能化协调控制技术、远程高速实时通信技术、矿井虚拟现实技术等，从而确保地热与煤炭资源协同开采系统的整体安全稳定运行. 地热与煤炭协同开发智能监测系统如图16所示.

图16 地热与煤炭协同开发智能监测系统Fig.16 Intelligent monitoring and control system for the collaborative mining of geothermal energy and coal resources

地热与煤炭协同开采系统智能监测系统采用模块化智能监控，各模块的智能监控分别利用井上下计算机、工作面无线或有线通讯系统、传感系统、监控系统以及各种自动化智能设备，通过实时采集、存储、分析各种参数并进行反馈调控，从而实现地热与煤炭资源智能化协同开采.

5 结论

本文为了研究深部矿山地热与煤炭资源的协同开发，提出了深部矿山地热与煤炭资源协同开发的内涵，创新了地热与煤炭资源协同开发的技术思路，同时构建了地热与煤炭协同开发的技术框架，提出了深部矿山地热与煤炭协同开发的关键技术，得出如下结论：

（1）阐述了深部矿山地热与煤炭资源协同开发的原则与内涵，提出了地热与煤炭资源协同开发的科学问题，主要包括深部矿山地热源分布特征及补给规律、深部矿山地热与煤炭资源协同开发采场能量传导与演化规律和低品位地热能传热传质机理.

（2）创新了深部矿山地热与煤炭资源协同开发的技术思路，提出了以岩热和水热为主的研究对象，并阐述了充填埋管采热、采空区储水采热、采动区封闭采热和深部原位钻井采热四种采热方法.

（3）针对深部矿山地热与煤炭资源协同开发的关键技术问题，提出了深部矿山地热探测评价技术、深部矿山地热与煤炭资源协同开采方法、深部大空间煤基固废吸热功能材料、多场环境下采场岩层移动特征及其控制技术、低品位热能的高效传输及梯级利用技术及热煤协同开发系统智能监测技术，构建了深部矿山地热与煤炭资源协同开发的技术框架.