矿床与地热协同开采用采场充填降温装置及方法

摘要

本发明公开了一种矿床与地热协同开采用采场充填降温装置，包括采热充填体和用于将采热充填体连接到地热开采系统中的连接机构，采热充填体包括用于充填的相变蓄热材料，从下到上依次分层设置的采热管、隔热管和冷却管，以及设置在顶部的硬化顶和设置在相变蓄热材料上的溜井，采热管为多层；连接机构包括上分水器、上集水器、下分水器、下集水器、上三通阀、下三通阀、左三通阀和右三通阀，左三通阀和下三通阀均为三通分流阀，右三通阀和上三通阀均为三通合流阀；本发明还公开了一种矿床与地热协同开采用采场充填降温方法。本发明设计新颖合理，实现方便，功能完备，能够实现高效的地热开采并达到很好的采场降温效果，实用性强，推广应用价值高。

说明书

技术领域

本发明属于深部矿产资源开采技术领域，具体涉及一种矿床与地热协同开采用采场充填降温装置及方法。

背景技术

随着浅部矿产资源的逐渐减少和枯竭，开发深部矿产资源是国家保证资源安全、扩展经济社会发展空间的重大需求。同时，深部矿产资源开发利用也符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》提出的“深空、深海、深蓝和深地”四个领域的战略要求。超大超深矿床开采技术是“深地”探索的重要领域，是向地球深部矿产资源进军必须解决的战略科技问题，也是代表现代矿业科技发展的高端。深部矿产资源开采处于高地应力、高地温、高井深、高渗透压等特殊环境，势必给深部矿床开采带来众多科学技术难题，严重制约着矿山生产安全、效率和成本等。为此，突破超大超深矿床开采关键技术，提升深部矿产资源开发和利用能力，对于“决战深部”战略至关重要。

超大超深的矿床开采将会使矿井下形成更多的采空区、引发的更多的地质灾害、环境破坏和固体废弃物排放，必将成为制约深部矿产资源可持续开发利用与矿业健康发展的重要因素。然而，要彻底缓解资源、能源、环境和安全的瓶颈制约，必须突破传统采矿技术屏障，大力发展以清洁生产、资源高效开采和废物循环利用为特征的绿色可持续资源开发模式—充填采矿技术，同时也是未来深部采矿方法发展的必然趋势。

就金属矿山来说，据不完全统计，目前全世界千米矿井数目已超过150座，其中，南非深井矿山最多有76座，同时也拥有世界最大采深近4800m，平均采深已超过2000m，采深变化范围为1524m-4800m，以金矿为主；加拿大有30座超千米矿山，采深变化范围为1524m-2499m，以金、铜-镍、铜-铅-锌矿为主；我国有17座矿山采深超过千米，采深变化范围为1000m-1600m，以金、有色金属矿为主，其中夹皮沟金矿为我国典型的深井开采矿山；美国有11座超千米矿山，采深变化范围为1600m-2438m，以金、铜、银矿为主。

对于超大超深矿床开采，热害现象尤为显著。世界上有许多国家先后出现矿井热害问题，如秘鲁的凯萨帕尔卡铜铅锌银矿，早在1937年就在-823米水平上打了一条32千米的疏干巷道，用以疏干矿体中的热水，1967年巷道中涌出热水，水温高达68.98℃，岩石温度为61.1℃。南非金矿矿井深度大部分超过2000米，South Deep金矿采深达2800m时，岩石温度达75℃；Mponeng金矿采深达4100米左右时，岩石温度达66℃。日本是矿井热害最多的国家，北海道的丰羽铅锌矿，岩石温度69-130℃，其东南侧的信浓矿体预计岩体温度可达160℃，同时存在热水和水蒸气的地热流体；鹿儿岛的菱刈金矿，水温60℃。美国的孤山铜矿，岩石温度60℃，水温36-52℃。此外，在赞比亚、墨西哥、尼加拉瓜、前捷克斯洛伐克、俄罗斯及德国等国也都发现矿井热害。据初步统计，在国外，南非西部矿井在深度3300m处气温达到50℃；日本丰羽铅锌矿由于受热水影响，在深度500m处气温高达80℃。随着矿井开采深度的增加，矿井内的温度将不断加大。根据目前对地温的认识，开采深度每增加1km，地下的岩石温度将上升25℃。据此推算，如果想要获取10000m深处的矿产资源，人类将面对250℃的岩石温度。在现在的技术条件下，这是人类不可能忍受的。

对于深部矿床开采，高井温是导致热害的罪魁祸首。然而，高井温对于地热开发又是求之不得。地热作为一种可再生清洁能源，从绿色开采角度来看，地热也属于深部开采的范畴。那么，能否可以实现深部矿产资源和地热协同开采？假定可以借助深部矿产资源开采创造的开采系统，来开发地热，至少具有以下几个优势：(1)已具备一定采深，无需从地表至采深段的钻探工程，可为地热开发节省成本；(2)深部空区以具备相当规模，高温的岩石为地热开发提供源源不断的免费热源；(3)深部开采具备完成的提升运输通路，以及完备的电力、给排水系统，为地热开发过程中管路布设和动力供应提供保障；(4)对于一个既定矿山终究会开采完毕，废弃的矿山可以作为一个地热开发的工厂。

因此，探索实现深部矿产资源与地热协同开采的技术很有必要，现有技术中还缺乏这样的技术。

发明内容

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，提供一种设计新颖合理、实现方便、功能完备、能够实现高效的地热开采并达到很好的采场降温效果、实用性强、推广应用价值高的矿床与地热协同开采用采场充填降温装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种矿床与地热协同开采用采场充填降温装置，其特征在于：包括采热充填体和用于将采热充填体连接到地热开采系统中的连接机构，所述采热充填体包括用于充填的相变蓄热材料，从下到上依次分层设置的采热管、隔热管和冷却管，以及设置在顶部的硬化顶和设置在相变蓄热材料上的溜井，所述采热管为多层；所述连接机构包括上分水器、上集水器、下分水器和下集水器，所述上分水器的进水口上通过第一三通管连接有进水口管，所述进水口管上连接有上三通阀，所述上分水器的出水口与冷却管的进水口和隔热管的进水口连接，所述上集水器的进水口与冷却管的出水口和隔热管的出水口连接，所述下分水器的出水口与采热管的进水口连接，所述下集水器的进水口与采热管的出水口连接，所述下集水器的出水口上通过第二三通管连接有出水口管，所述出水口管上连接有下三通阀；所述上分水器和下分水器之间设置有左三通阀，所述左三通阀和上集水器的出水口之间设置有右三通阀，所述左三通阀的第一端口与下分水器的进水口连接，所述左三通阀的第三端口与第一三通管连接，所述右三通阀的第一端口与上集水器的出水口连接，所述右三通阀的第二端口与左三通阀的第二端口连接，所述右三通阀的第三端口与第二三通管连接；所述左三通阀、右三通阀、上三通阀和下三通阀的第一端口为其左侧端口，所述左三通阀、右三通阀、上三通阀和下三通阀的第二端口为其底部端口，所述左三通阀、右三通阀、上三通阀和下三通阀的第三端口为其右侧端口；所述左三通阀和下三通阀均为三通分流阀，所述左三通阀的第三端口和下三通阀的第三端口均为进口，所述左三通阀的第一端口和第二端口以及下三通阀的第一端口和第二端口均为出口；所述右三通阀和上三通阀均为三通合流阀，所述右三通阀的第一端口和第二端口以及上三通阀的第一端口和第二端口均为进口，所述右三通阀的第三端口和上三通阀的第三端口均为出口。

上述的矿床与地热协同开采用采场充填降温装置，其特征在于：所述上集水器的出水口处连接有上调节阀，所述下集水器的出水口处连接有下调节阀。

上述的矿床与地热协同开采用采场充填降温装置，其特征在于：所述冷却管采用中间进，向两侧蛇形前进，最后从两侧出的布置方式。

上述的矿床与地热协同开采用采场充填降温装置，其特征在于：所述隔热管采用中间进，向两侧蛇形前进，最后从两侧出的布置方式。

上述的矿床与地热协同开采用采场充填降温装置，其特征在于：各层的所述采热管均采用一边进，向另一侧蛇形前进，并从另一侧出的布置方式。

本发明还公开了一种方法步骤简单、设计新颖合理、实现方便、降温效果好的矿床与地热协同开采用采场充填降温方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、在采空区安装溜井模具，并设定充填时的采热管的层数；

步骤二、输入相变蓄热材料进行充填，至需要设置采热管的高度后，在相变蓄热材料上铺设作业平板，铺设采热管，采热管铺设完成后撤掉作业平板；

步骤三、重复步骤二，直至采热管的层数达到了步骤一设定的值；

步骤四、输入相变蓄热材料进行充填，至需要设置隔热管的高度后，在相变蓄热材料上铺设作业平板，铺设隔热管，隔热管铺设完成后撤掉作业平板；

步骤五、输入相变蓄热材料进行充填，至需要设置冷却管的高度后，在相变蓄热材料上铺设作业平板，铺设冷却管，冷却管铺设完成后撤掉作业平板；

步骤六、输入硬化材料进行充填，形成硬化顶；

步骤七、首先，在采热充填体前设置上分水器、上集水器、下分水器和下集水器，在上分水器的进水口上通过第一三通管连接进水口管，将上分水器的出水口与冷却管的进水口和隔热管的进水口相连，将上集水器的进水口与冷却管的出水口和隔热管的出水口连接，将下分水器的出水口与采热管的进水口连接，将下集水器的进水口与采热管的出水口连接，在下集水器的出水口上通过第二三通管连接出水口管；然后，在上分水器和下分水器之间设置左三通阀，在左三通阀和上集水器的出水口之间设置右三通阀，并将左三通阀的第一端口与下分水器的进水口连接，将左三通阀的第三端口与第一三通管连接，将右三通阀的第一端口与上集水器的出水口连接，将右三通阀的第二端口与左三通阀的第二端口连接，将右三通阀的第三端口与第二三通管连接；

步骤八、在进水口管上设置上三通阀，在出水口管上设置下三通阀。

上述的方法，其特征在于：步骤七中还在上集水器的出水口处连接有上调节阀，在下集水器的出水口处连接有下调节阀。

上述的方法，其特征在于：步骤四中的冷却管采用中间进，向两侧蛇形前进，最后从两侧出的布置方式。

上述的方法，其特征在于：步骤四中的隔热管采用中间进，向两侧蛇形前进，最后从两侧出的布置方式。

上述的方法，其特征在于：步骤四中各层的采热管均采用一边进，向另一侧蛇形前进，并从另一侧出的布置方式。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的矿床与地热协同开采用采场充填降温装置，以相变蓄热材料为蓄热载体，与采热管、隔热管和冷却管相配合，并通过连接地热开采系统，能够实现高效的地热开采并达到很好的采场降温效果。

2、本发明的矿床与地热协同开采用采场充填降温装置，在实现了地热开采的同时，还能够实现采场降温，设计新颖合理，功能完备，且实现方便。

3、本发明通过结构新颖的连接机构，能够实现多个采热充填体的连接，并能够将采热充填体连接到地热开采系统中，使用操作方便。

4、本发明矿床与地热协同开采用采场充填降温方法的方法步骤简单，设计新颖合理，实现方便，降温效果好。

5、将本发明应用在地热开采系统中，能够为矿山带来额外的能量及经济来源，并且可以延续矿山的生命周期，本发明的实用性强，推广应用价值高。

综上所述，本发明设计新颖合理，实现方便，功能完备，能够实现高效的地热开采并达到很好的采场降温效果，实用性强，推广应用价值高。

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为本发明矿床与地热协同开采用采场充填降温装置的立体图。

图2为本发明连接机构的结构示意图。

图3为本发明采热充填体的内部结构示意图。

图4为图5的A-A剖视图。

图5为图5的B-B剖视图。

图6为图5的C-C剖视图。

图7为图5的D-D剖视图。

附图标记说明:

1—采热充填体； 1-1—相变蓄热材料； 1-2—采热管；

1-3—溜井； 1-4—硬化顶； 1-5—隔热管；

1-6—冷却管； 2—连接机构； 2-1—上分水器；

2-2—上集水器； 2-3—下分水器； 2-4—下集水器；

2-5—进水口管； 2-6—第一三通管； 2-7—上三通阀；

2-8—第二三通管； 2-9—出水口管； 2-10—下三通阀；

2-11—左三通阀；2-12—右三通阀；2-13—上调节阀；

2-14—下调节阀。

具体实施方式

如图1所示，本发明的矿床与地热协同开采用采场充填降温装置，包括采热充填体1和用于将采热充填体1连接到地热开采系统中的连接机构2，结合图3和图4，所述采热充填体1包括用于充填的相变蓄热材料1-1，从下到上依次分层设置的采热管1-2、隔热管1-5和冷却管1-6，以及设置在顶部的硬化顶1-4和设置在相变蓄热材料1-1上的溜井1-3，所述采热管1-2为多层；结合图2，所述连接机构2包括上分水器2-1、上集水器2-2、下分水器2-3和下集水器2-4，所述上分水器2-1的进水口上通过第一三通管2-6连接有进水口管2-5，所述进水口管2-5上连接有上三通阀2-7，所述上分水器2-1的出水口与冷却管1-6的进水口和隔热管1-5的进水口连接，所述上集水器2-2的进水口与冷却管1-6的出水口和隔热管1-5的出水口连接，所述下分水器2-3的出水口与采热管1-2的进水口连接，所述下集水器2-4的进水口与采热管1-2的出水口连接，所述下集水器2-4的出水口上通过第二三通管2-8连接有出水口管2-9，所述出水口管2-9上连接有下三通阀2-10；所述上分水器2-1和下分水器2-3之间设置有左三通阀2-11，所述左三通阀2-11和上集水器2-2的出水口之间设置有右三通阀2-12，所述左三通阀2-11的第一端口与下分水器2-3的进水口连接，所述左三通阀2-11的第三端口与第一三通管2-6连接，所述右三通阀2-12的第一端口与上集水器2-2的出水口连接，所述右三通阀2-12的第二端口与左三通阀2-11的第二端口连接，所述右三通阀2-12的第三端口与第二三通管2-8连接；所述左三通阀2-11、右三通阀2-12、上三通阀2-7和下三通阀2-10的第一端口为其左侧端口，所述左三通阀2-11、右三通阀2-12、上三通阀2-7和下三通阀2-10的第二端口为其底部端口，所述左三通阀2-11、右三通阀2-12、上三通阀2-7和下三通阀2-10的第三端口为其右侧端口。

本实施例中，如图2所示，所述上集水器2-2的出水口处连接有上调节阀2-13，所述下集水器2-4的出水口处连接有下调节阀2-14。

本实施例中，如图5所示，所述冷却管1-6采用中间进，向两侧蛇形前进，最后从两侧出的布置方式。

本实施例中，如图6所示，所述隔热管1-5采用中间进，向两侧蛇形前进，最后从两侧出的布置方式。

本实施例中，如图7所示，各层的所述采热管1-2均采用一边进，向另一侧蛇形前进，并从另一侧出的布置方式。

本发明的矿床与地热协同开采用采场充填降温装置使用时，以相变蓄热材料为蓄热载体，与采热管1-2、隔热管1-5和冷却管1-6相配合，并通过连接地热开采系统，能够实现高效的地热开采并达到很好的采场降温效果。

本发明的矿床与地热协同开采用采场充填降温方法，包括以下步骤：

步骤一、在采空区安装溜井1-3模具，并设定充填时的采热管1-2的层数；

步骤二、输入相变蓄热材料1-1进行充填，至需要设置采热管1-2的高度后，在相变蓄热材料1-1上铺设作业平板，铺设采热管1-2，采热管1-2铺设完成后撤掉作业平板；

步骤三、重复步骤二，直至采热管1-2的层数达到了步骤一设定的值；

步骤四、输入相变蓄热材料1-1进行充填，至需要设置隔热管1-5的高度后，在相变蓄热材料1-1上铺设作业平板，铺设隔热管1-5，隔热管1-5铺设完成后撤掉作业平板；

步骤五、输入相变蓄热材料1-1进行充填，至需要设置冷却管1-6的高度后，在相变蓄热材料1-1上铺设作业平板，铺设冷却管1-6，冷却管1-6铺设完成后撤掉作业平板；

步骤六、输入硬化材料进行充填，形成硬化顶1-4；具体实施时，当相变蓄热材料1-1的硬度和强度能够达到采矿设备行走要求时，也可以不设置硬化顶1-4。

步骤七、首先，在采热充填体1前设置上分水器2-1、上集水器2-2、下分水器2-3和下集水器2-4，在上分水器2-1的进水口上通过第一三通管2-6连接进水口管2-5，将上分水器2-1的出水口与冷却管1-6的进水口和隔热管1-5的进水口相连，将上集水器2-2的进水口与冷却管1-6的出水口和隔热管1-5的出水口连接，将下分水器2-3的出水口与采热管1-2的进水口连接，将下集水器2-4的进水口与采热管1-2的出水口连接，在下集水器2-4的出水口上通过第二三通管2-8连接出水口管2-9；然后，在上分水器2-1和下分水器2-3之间设置左三通阀2-11，在左三通阀2-11和上集水器2-2的出水口之间设置右三通阀2-12，并将左三通阀2-11的第一端口与下分水器2-3的进水口连接，将左三通阀2-11的第三端口与第一三通管2-6连接，将右三通阀2-12的第一端口与上集水器2-2的出水口连接，将右三通阀2-12的第二端口与左三通阀2-11的第二端口连接，将右三通阀2-12的第三端口与第二三通管2-8连接；

步骤八、在进水口管2-5上设置上三通阀2-7，在出水口管2-9上设置下三通阀2-10。具体实施时，在相邻采热充填体1间设置连接管连接上面采热充填体1的下三通阀2-10的第二端口和下面采热充填体1的上三通阀2-7的第二端口，将多个采热充填体1连接，能够实现更多地热的开采；而且，上三通阀2-7还用于连接采热充填体1与地热开采系统中的天井送流体立管，下三通阀2-10还用于连接采热充填体1与地热开采系统中的天井回流体立管。

本实施例中，如图2所示，步骤七中还在上集水器2-2的出水口处连接有上调节阀2-13，在下集水器2-4的出水口处连接有下调节阀2-14。通过设置上调节阀2-13，能够对进入冷却管1-6和隔热管1-5的水量进行调节；通过设置下调节阀2-14，能够对进入采热管1-2的水量进行调节；进而消弱了管路转换引起的管路内水量分配不合理的问题。

本实施例中，如图5所示，步骤四中的冷却管1-6采用中间进，向两侧蛇形前进，最后从两侧出的布置方式。

本实施例中，如图6所示，步骤四中的隔热管1-5采用中间进，向两侧蛇形前进，最后从两侧出的布置方式。

本实施例中，如图7所示，步骤四中各层的采热管1-2均采用一边进，向另一侧蛇形前进，并从另一侧出的布置方式。

具体实施时，根据各分层的宽度确定冷却管1-6和隔热管1-5铺设时的管间距以及各层中采热管1-2铺设时的管间距。冷却管1-6的管间距和隔热管1-5的管间距均不大于采热管1-2的管间距，冷却管1-6铺设时，在保证矿井设备通过不被损坏前提下，尽量靠近硬化顶1-4，也可以根据实际需求布置为多层；冷却管1-6和隔热管1-5铺设时以影响区大量重叠为布置原则，采热管1-2以影响区相切或少量重叠为布置原则；这样的布置方式，能够强化采热充填体1的降温效果。

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。