一种废弃矿井地热资源再利用系统研究.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．2 F e b ．2 0 2 1 i - - 冀簧； ； j 黼繁；睾 搿麓燕搿簿搿奠。鬈搿． _ ；；． j 鬟霪鍪霉篱鬻黛耩冀黍要i { ； i 露落※寰麓瓤- 搿薯≥≯※．裴 j ※苦- - ※i ※蛙未- 一种废弃矿井地热资源再利用系统研究 浦海1 ’2 ，卞正富3 ，张吉雄4 ，许军策1 1 ．中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州2 2 l l l 6 ；2 ．新疆工程学院矿业工程与地质学院，新疆乌鲁木齐 8 3 0 0 2 3 ；3 ．中国矿业大学教育部矿山生态修复工程中心，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；4 ．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要废弃矿井的再利用对矿业产业的可持续发展起着至关重要的作用。矿井废弃后仍赋存着 丰富的资源，有潜在的积极用途，尤其是大量可再生地热资源有着巨大的应用前景。分析了国外废 弃矿井地热资源开采与利用现状，提出了一种废弃矿井地热资源利用循环系统模型，该系统利用顶 板垮落后采空区的储水优势，能够充分利用废弃矿井地热、水及空间资源，进行清洁能源的生产，避 免了矿井废弃后资源的浪费与次生灾害的发生，同时可有效地降低温室气体排放和环境污染。研 究结果表明倾向长度3 5 0m ，走向长度40 0 0m ，高度6m 近水平工作面采空区的储水能力约为 5 8 00 0 0m 3 ，静态储能约为52 0 0M w h ；考虑不同地层采空区的温度特性，设置冷热源水库，整个 系统运行时功率可达8 ．4M w ，年供能约2 49 6 0M w h ，可约为2 5 00 0 0m 2 住宅空间进行有效的 供暖或制冷。与传统化石能源煤炭相比，系统运行时每年可减少约为78 1 2t 二氧化碳排放，碳排 放系数仅为0 ．0 7 2k g ／ k W h ，降低了8 1 ％以上。此外，相关部门应建立健全废弃矿井的管理机 构，提前做好矿井关闲前再利用计划。同时，矿业企业要做好再利用的技术储备与措施，实现废弃 矿井的再利用，推动采矿区域环境恢复和经济复苏。 关键词废弃矿井；资源再利用；地热资源；采空区；清洁能源 中图分类号x 7 5 1 ；T l 5 2 9文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 0 6 7 7 1 1 I 沁s e a r c ho nar e u s em o d eo fg e o t h e r m a lr e s O u r c e si na b a n d o n e dc o a lm i n e s P UH a i l ”，B I A NZ h e n g f u 3 ，Z H A N GJ i x i o n 9 4 ，X UJ u n c e l 1 ．＆n 据‰y 如6 0 r o f o ，y 如rG ∞批如。n 池＆D e 印‰如百r 。Ⅱn d E 增；n ∞矗增，m 抽Ⅱ‰i 钾珊妙旷施n i 增＆‰ ∞2 0 9 r ，x M 抗o Ⅱ2 2 1 1 1 6 ，吼i n 。；2 ．c o z 妇℃矿 肘M 昭E 愕i n 卵 n g 。n dG e o f 9 9 y ，尉巧i n 增加痂址￡e 矽E 昭i n e e n g ，u m 咖i8 3 0 0 2 3 ，C h i n 口；3 ．M i n 如叼o ，E d ∽o ￡i o nE 增i n 舶 昭R 嬲∞r c hC P n ￡e r 加r 施n e ＆o Z D g i c o Z 尺黜幻m ￡i o n ，观溉‰讹糟毋旷胞n 垤＆死如n o z 9 9 y ，丑比 o Ⅱ2 2 1 1 1 6 ，吼i 凡o ；4 ．s c o o fo ，删懈，吼i 眦‰讹琚蚵o ，胁n 嘶 毗 加z o g y ， X m o “2 2 l l l 6 ，C h i n o A b s t r a c t T h er e u s eo fa b a n d o n e dc o a lm i n e sp l a y sav i t a lr o l ei nt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h em i n i n gi n d u s t r y ． A b a n d o n e dc o a lm i n e ss t i Uc o n t a i na b u n d a n tr e s o u r e e sw i t hp o t e n t i a U yp o s i t i v eb e n e 6 t s ，e s p e c i a l l yi nt h eg e n e r a t i o no f l a 唱ea m o u n t so fr e n e w a b l eg e o t h e 瑚a le n e 唱y ，w i t hg r e a tp r o s p e c t sf b ra p p l i c a t i o n ．T h ep a p e ra n a l y z e dt h ec u I T e n ts i t u a t i o no fg e o t h e 瑚a lr e s o u r c ee x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o ni na b a n d o n e dm i n e so v e r s e a sa n dp m p o s e dac i r c u l a t o r ys y s - t e mm o d e lf o rg e o t h e 瑚a lr e s o u r c eu t i l i z a t i o ni na b a n d o n e dm i n e sb yt a k i n ga d v a n t a g eo ft h ew a t e rs t o m g ei nt h eb a c k 一 收稿日期2 0 2 0 一1 卜2 7修回日期2 0 2 l 0 1 2 9 责任编辑郭晓炜D o I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i j c c s ．x R 2 0 ．1 8 4 5 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 9 7 4 2 9 6 ，u 1 8 0 3 1 1 8 ；国家自然科学基金中德资助项目 5 2 0 6 1 1 3 5 1 1 1 作者简介浦海 1 9 7 8 一 ，男，江苏盐城人，教授，博士生导师，博士。E m a i l h a i p u c u m t ．e d u ．c n 引用格式浦海，卞正富，张吉雄，等．一种废弃矿井地热资源再利用系统研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 1 ，4 6 2 6 7 7 6 8 7 ． P UH a i ，B I A NZ h e n g f u ，Z H A N GJ i x i o n g ，e ta 1 ．R e s e a r c ho nar e u s em o d eo fg e o t h e 肿a lr e s o u r c e si na b a n d o n e d c o a lm i n e s [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e ‘y ，2 0 2 1 ，4 6 2 6 7 7 6 8 7 ．移动阅读 万方数据 6 7 8 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 w a r dm i n i n ga r e aa f t e rt h er o o fc o l l a p s e ．M o I ℃o v e r ，t h es y s t e mc a nm a k ef h l lu s eo fg e o t h e n n a le n e r g y ，w a t e ra n ds p a c e r e s o u r c e si na b a n d o n e dm i n e st op r o d u c ec I e a ne n e r g y ，a v o i dw a s t eo fr e s o u r c e sa n dd i s a s t e r si na b a n d o n e dm i n e s ，a n d e f k c t i V e l yr e d u c eg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n sa n de n v i r o n m e n t a lp 0 1 1 u t i o n ．T h er e s e a r c hr e s u l t sr e V e a lt h a tt h ew a t e r s t o r a g ec a p a c i t yo ft h eg o a fo f ac o a ls e a mw i t haf a c e1 e n g t ho f 3 5 0m ，as t r i k el e n g t ho f 40 0 0m ，a n dah e i g h to f 6m i s5 8 00 0 0m 3 ，a n dt h es t a t i ce n e r g ys t o r a g ei s52 0 0M W h ．C o n s i d e r i n gt h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f b r e n t s t r a t am i n i n ga r e a s ，s e t t i n gu pt h ec 0 1 da n dh e a ts o u r c er e s e r v o i r s ，t h ee n t i r es y s t e mc a no p e r a t ew i t hap o w e ro f 8 ．4M W ，s u p p l y i n gt h ee n e r g yo fa b o u t2 49 6 0M W hp e ry e a ra n dp r o v i d i n ge f f b c t i v eh e a t i n go rc o o l i n gf o ra b o u t 2 5 00 0 0m 2o fr e s i d e n t i a ls p a c e ．C o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lf b s s i lf u e lc o a l ，t h es y s t e mc a nr e d u c ec a r b o nd i o x i d ee m i s ． s i o n sb ya p p r o x i m a t e l y78 1 2tp e ry e a r ，w i t hac a r b o ne m i s s i o nf a c t o ro fo n l y0 ．0 7 2k g ／ k W h ，ar e d u c t i o no f m o r et h a n81 ％．I na d d i t i o n ，s o m er e l e V a n td e p a n m e n t ss h o u l db ee s t a b l i s h e da n dt h em a n a g e m e n to fa b a n d o n e d m i n e ss h o u l db ei m p m V e d ，a n di ts h o u l db em a k ep l a n st or e u s em i n e si na d v a n c eo ft h e i rc l o s u r e ．A l s o ，i ti si m p o r t a n t f o r 山ec o a le n t e r p r i s e st om a i n t a i nt h ea p p m p r i a t et e c h n i c a lr e s o u r c e st of a c i l i t a t et h er e u s eo ft h ea b a n d o n e dm i n e s a n dp m m o t et h ee n V i r o n m e n t a la n de c o n o m i cr e c o v e r yi nt h em i n i n gr e g i o n s ． K e yw o r d s a b a n d o n e dc o a lm i n e s ；r e s o u r c er e u s e ；g e o t h e 玎I l a lr e s o u r c e s ；g o a f ；c l e a ne n e r g y 煤炭是我国一次能源重要组成部分⋯。煤炭的 使用导致了大量温室气体的释放及各种环境问题的 产生。根据巴黎气候协定，各国政府必须采取措 施提高清洁能源份额，减少化石能源，尤其是煤炭资 源的使用心J 。我国政府采取了煤炭去产能的政策， 淘汰了一批落后产能及资源枯竭的矿井和露天矿。 相比于露天矿，我国煤矿开采方式仍以地下开采为 主，产出率保持在9 0 ％左右口1 。相关研究表明仅 2 0 1 6 年，地下矿井关闭数量达20 0 0 处左右，到2 0 3 0 年数量将到达1 50 0 0 处【4J 。大量地下矿井的关闭或 废弃，势必对环境造成严重破坏，导致地下水水位下 降、水质污染、地表沉陷、采空区积水灾害、地质环境 变化和次生灾害等∞1 。同时，矿井关闭后地区经济 萧条，大量矿工失业，严重阻碍了区域社会经济的稳 定发展。为此，习近平总书记提出了要科学规划搞好 评估论证，做好关闭矿区资源整合利用的要求。因 此，探讨如何有效地再利用废弃矿井的潜在资源，实 现后矿业区域的清洁生产、生态恢复与经济复苏势在 必行。 受采矿活动的影响，地下工程围岩的初始渗透率 发生改变，致使该地区水文地质情况发生巨大的变 化∞J 。矿井关闭后，水泵停止工作，地表积水、含水 层、离层腔、溶蚀腔或老井的水将逐渐充满地下空间， 即发生地下矿井水的回弹川。且关闭后矿井水水质 急剧恶化，严重威胁地下水的循环，因此部分矿井在 关闭后仍要投人大量人力物力控制矿井水水位旧J 。 为了降低废弃矿井的维护成本，一种低碳方案是将矿 井水与热泵结合从废弃矿井水中回收能量。由于地 球持续加热，储存在矿井中的水，冬季可用于建筑供 暖，夏季可用于建筑制冷∽J 。针对此，开展了废弃矿 井地热资源开采理论与实践的研究A N D R E w 等研 究了欧美废弃矿井地热能利用状况，认为废弃矿井地 热能的再利用可为当地社区建立能源恢复能力，并提 供更多就业机会，为经济可持续发展做出贡献u0 | ； J A R D O N 等根据废弃矿井水温度分布特点提出了两 种矿井水地热能利用模式，为民居和大型公共场所进 行供暖和制冷，同时回注时采用小型涡轮发电机回收 势能⋯o ；A T H R E s H 基于地源热泵技术，提出了一种 开环通用技术，以评估利用矿井水热量应用效能，并 进行了两处商业性实践2 | ；G A R E T H 等分析了英国 废弃矿井地热能利用机遇与挑战，认为持续利用废弃 矿井地热资源必须解决各种挑战，包括调节热量、绘 制和量化资源以及了解矿井水温度不均匀性驱动因 素等3 I ；J A V I E R 等针对西班牙A s t u r i a s 废弃矿井的 地热能利用状况，分析了其利用的可行性并评估了经 济与环境效益∞J 。另一种低碳方案是将废弃矿井与 可再生清洁能源结合利用，主要用于开发地下抽水蓄 能电站 u P s H ，地下蓄水水库或压缩空气蓄能电 站 c A E s 等。顾大钊利用西部废弃矿井采空区建 立了地下水库，有效缓解了矿区地表水蒸发问题4 I ； 谢和平等初步探究了使用废弃矿井采空区作为抽水 蓄能水库的可能性心，1 5 叫⋯。然而，以往的研究过多关 注采场储水功能，却忽略了矿井地热能的开发与利 用。事实上，深部矿井采场空间具有蓄水量大、温度 稳定、焓值较高等优点，适合为周边建筑提供稳定可 持续的地热能，具有重要的经济价值和环境效益，但 我国废弃矿井地热资源利用项目仍是少数。 为此，笔者总结了国外废弃矿井地热资源的利用 现状，提出了一种利用废弃矿井不同地层采空区地热 能进行供暖和制冷的混合循环系统模型，该系统依托 万方数据 第2 期 浦海等一种废弃矿井地热资源再利用系统研究 6 7 9 于废弃矿井地热资源、水资源及空问资源，极大的提 高了废弃矿井的资源利用率。并初步评估了整个系 统的经济效益和环境效益。该研究对地热资源丰寓、 矿业发达区域综合利用矿井地热资源具有借鉴意义。 1 废弃矿井地热开采与利用 废弃矿井主要指矿产资源枯竭、不能满足安全绿 色开采要求等政策原因而关闭的矿‘井“ 】。之所以被 废弃，根源在于缺乏合理再利用方案和管理监督机 构。矿井废弃后，仍赋存种类丰富的潜在资源，决定 了其再利用模式的多样化。与其他资源如残余煤气 和空问等资源利用相比。1 卜鄄o ，地热资源属于可再产L 清洁能源，利用成本较低，符合叮持续发展的要求。 1 ．1 废弃矿井地热回收系统 废弃矿井地热资源开采常用地源热泵 H P 与开 环或闭环回路相结合，通过热泵进行空间的加热和冷 却，冬季热量从矿井水中汲取用以空间供暖，夏季热 冷 F i g ．】 1 ．1 ．2 开环系统 量转移到矿井水中用以空问制冷2 。目前，主要有 以下几种矿井地热开采系统。， 1 ．1 ．1 闭环系统 当矿井地下水源受到矸石污染时，通常采用 闭环系统开采地热资源【7 ’1 4 。。如图l a 所示，一 般采用环状钢制或聚乙烯管式热交换器 H E 浸 入到淹没的竖井中，通过热交换器内传热流体的 循环与热泵 H P 耦合，为内层循环的建筑空问供 暖或制冷。该系统的主要优点是只取热不取水， 避免了矿井水水位的下降和相关水化学处理的难 题。但由于热交换器只能通过热传导和热对流方 式采集矿井水中的热最，易受矿井水温度变化的 影响产生产热量不稳定等问题【巧。针对此， B A N K s 等提出了另一一种形式的闭循环系统 图 l 1 ， ，采用水泵将矿井水注入到地表临时水库， 用热泵进行窄问的供暖和制冷，但是该系统仍面 临着污水排放与尾水回注的问题。 a 『圳循环凹路示意 b 露火誉水池闭环叫路示意 l 翎l废弃矿井地热能利用闭环系统示意 与闭环系统相比，丌环系统更适用于水量大、水 质好的矿井水源口⋯。因此，在关闭的废弃矿井中，当 水质不存在极端p H 值、悬浮固体颗粒时，可以考虑 优先采用开环地热开采回收系统。如图2 a 所示， 通过水泵从竖井中汲取矿井水，利用管式换热器传递 给用户。经过热交换后，矿井水进行处理被排到地表 自然水域中。然而，矿井水的排放，势必会导致地下 水位下降及系统可开采总热容量的降低。与之相反， 如图2 } ， 所示，为了避免将矿井水处置到地表浪费 地下水资源，热交换之后，可将尾水熏新同注至矿井 某一水平面或另一个含水层单元【1 6 l 。图2 】， 中I 表示开环安装到同一竖井不同深度与温度处，经过热 交换后，矿井水部分或全部回注到竖井中，回注的水 通常沿着井简壁流向水泵，从井筒壁吸收热量。但由 于热量主要来源于围岩向井壁的传导，因此该系统的 持续性往往受到限制。I I 表示开环安装到另一个含 水层单元，与l 相比该系统热量来源稳定，但存在热 突破的风险，即汲水点和回注点连接过于直接，导致 出水口温度急剧降低。 1 ．1 ．3 开闭环混合系统 图3 给出了一种用于空间供暖、制冷的开闭环混 万方数据 6 8 0 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 器 H E 循环泵 流 用户 ，_ ’1 。。中 用户 。 循环泵 a 未同注“ 环系统_ i 总 b ⋯洼“ 环糸乡觅_ i 总 图2废弃矿井地热利川J f 环系统示意 } ’i g ．2S c h e I n “ ’f I i a g l ’a I no f ‘J 1 P I l P I l I ’I s y s t e n l rg t ，l l “1 P l ’n l a le n e l ．g yI l l i I i z d I i 1 1i n a h a l l I J 1 1 P I1 1 1 i f l e s 合系统，主要由矿井水回路、管式换热器、清洁水回路它们利用废弃矿外巾的水，通过热泵升级热能，并与 和热泵组成“l 。与闭环或开环系统相比，该系统主地暖循环连接实现建筑物的供暖。而有些热泵可以 管网采用开环系统，供给侧局域管网为闭环系统，能在夏季逆转水流方向进行空间制冷。27 | 。从单个建筑 够在供需两端建立人工智能化管理系统，实现供需集 到Ⅸ域供暖和制冷，系统选择和安装大小各小相同。 群问能量交换与储存。然而，无论是开环、闭环或者表l 总结了部分废弃矿井地热能源厂的运行情况。 混合环系统，矿井的竖井空问是有限的，矿井水补热 ⋯表l 可知，矿井水的温度对地热能源厂的运行功率 速率要远慢于系统采热速率∽，。同时，矿井深部地 有较大的影响，随着废弃矿井水温度的升高，供暖输 热利用途径及补热方式单一，不利于系统长期稳定运H { 功率和能效比 c P 呈增大趋势。其中，能效比 行。 足指系统生产的热量与系统运行所需要的全部能量 竺裂冷鞲 图3废弃矿井地热利，Ⅲ混合环系统示意 F 噜3s ’№1 1 a t i 1 №“ m 1 1 f } 耐麻is s f ⋯ g r ‘l “1 ‘1 1 1 1 1 a lI l t i l i z a l i 1 1i 1 1a h a n 1 0 1 1 e 【11 1 1 i I l t l s 1 ．2 废弃矿井地热资源利用 国外开展废弃矿井地热资源利用的研究较早，如 荷兰、德国、英困和加拿人等已有相关装麓从废弃矿 井水中同收地热能。这些装嚣都有一个相似的特点， 的比值。 表l己运行部分地热能源厂状况 T a b l e1 o p e r a t i o no fs o m eg e o t h e r m a le n e r g yp l a n t s 加拿大N t ，v as “，t i a 在sp r i n g h i l l 被水淹没的废弃 矿井中，建立J ，龇界上第1 座废弃矿井地热能源采集 系统。该系统采用开环设计 图2 h ，利用1 1 个热 泵，从已关闭矿J l 一1 4 0m 处抽取约1 8 ℃的水， 为1 67 0 0m 二建筑提供空间供暖，尾水回注到矿井另 一高度水平而，整个系统的能效比约为3 ．5 。同时， 由于系统抽水工作的运行，保持了矿井上层工作区域 T 燥，使上部矿井成为了地上矿业博物馆。此外，为 万方数据 第2 期 浦海等一种废弃矿井地热资源再利用系统研究 6 8 l 了解决矿井关闭后面临的经济与环境问题，荷 兰H e e r l e n 利用废弃矿井地热能，为3 5 0 栋住宅、 38 0 0m 2 商业建筑和1 62 0 0 n 2 社区建筑供暖和制 冷。2 引。系统采用开环设计，利用塑料管和钛制热交 换器，从5 口一7 5 0m 矿井处抽取3 0 ～3 5 。C 水进行冬 季供暖，夏季则从3 口一2 5 0n 深的井中抽取1 6 ～ 1 9 ℃水进行空问制冷。整个系统采用4 台功率为 7 0 0k w ，能效比为5 ．6 的热泵，提供了该区域8 0 ％的 年供能需求，为地区经济复苏和环境治理提供了重要 保障。 为了解决矿井水质的问题，英国约克郡为c a p h o u s e 废弃矿井设计了一种闭环系统 图l b ，系 统通过功率1 0 ．5k w 的热泵采集临时蓄水池的热 量 图4 a 。8 l ，为居民社区进行供暖。该系统运 行时不依赖竖井的实时供水，同时矿井水不通过换 热器或热泵，避免了系统赭石堵塞或过滤器清除的 问题。德国对M a r i e n b e I g 废弃w i s m u t 矿竖井进行 修复，并进行矿井地热再利用的研究，建立地热发 电站。该竖井深度为1 4 4m ，矿井水的温度为 1 2 ℃。整个地热发电站具有一个由矿井水加热的 二级闭环回路，处理矿井水能力为1 2 0m 3 ／h ，提供 了6 9 0k w 的热容量，并与公共热电厂并网，满足用 户高峰时期的使用。 b 西班牙A s t u “a s 矿井热泵I l 】 图4 废弃矿井地热应用部分项目 F i g ．4 P a n i a lp r 巧e c Io fg e o t h e r m a la p p h c a t i o ni 1 1 a l J a n 1 0 n e dn l i n e s 为了提高清洁能源的占比，欧盟要求相关煤炭生 产企业必须于2 0 1 8 一1 2 3 l 前关闭。西班牙的阿斯 图里亚 A s t u l ‘i a n 矿区，面积超过l4 0 0k m 2 于2 0 1 8 年底关闭，遗留了严重环境与经济问题【6 。针对此， 当局考虑矿井水温度 平均2 1 ．6 ℃ 与当地气温的 波动，设计了一种如图3 所示的开闭环混合地热利用 系统 图4 1 ， 。通过估算矿井水量和地区能源需 求，分别设计了1 ，3 ．5 ，5 和1 0M w 四种功率的系统， 并且评估了投资与管理成本，认为功率lM w 地热发 电厂在经济上不可行，3 ．5M W 地热发电厂在距离小 于1 ．5k m 的距离上是可行的，5M w 和1 0M W 的地 热发电厂在接近2k m 的距离内达到了预期的盈利能 力。 目前，国外针对废弃矿井地热能的利用多集中于 浅部，如荷兰、德国等多为2 0 0 ～6 0 0m 。与之相比， 我国现有的矿井10 0 0m 已成常态，部分矿井甚至达 到了15 0 0m 。当深度超过千米时，矿井原始围岩温 度能达到5 0 ℃左右，有些矿井温度甚至能达到6 0 ℃ 以上，地热开采潜力巨大不叮忽视P ”“’。但是，我国 废弃矿井地热资源的利用处于刚起步阶段，部分学者 开始意识到了再利用的紧迫性，而对如何进行再利用 方式的选择却缺乏详细的说明。3J 。此外，很少研究 提及深部废弃矿井地热能的利用，．且我国废弃矿井地 质条件复杂，缺少代表性示范工程的建设4 。因此， 要结合国外已有的成功经验，因地制宜提出我国废弃 矿井地热资源的利用途径。 2 废弃矿井地热开采系统设计 废弃矿井地热能的利用是一种绿色低碳选择，可 以在受矿区影响的区域创造新的经济活动，促进矿区 环境与经济的恢复。基于国外废弃矿井工程案例，笔 者总结了废弃矿井地热资源再利用时需要考虑的因 素，主要包含矿井深度、矿井水的温度、矿井水温度 随季节变化规律、矿井水的水质、矿井水的排放、废弃 矿井与潜在用户之问的距离、装机功率与供给需求、 地下空问的稳定性、矿井基础设施及矿区范围等。由 表1 可知，废弃矿井地热资源在开采技术上是可行 的，然而以往的研究与应用都只关注巷道空间储水储 热的利用，忽略了采空区储水储热的巨大潜力。1 1 。 事实上，矿井中水的储量和温度决定了矿井中可利用 的地热容量。因此，考虑到采场空问的储水能力，提 出了一种利用废弃矿井采场地热能与太阳能结合的 系统模型。 煤炭矿井一般有多个埋深不一的工作面，合理规 划利用高度不一的地层空问将会极大提高废弃矿井 万方数据 6 8 2 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 资源的利用率。如图5 所示，根据工作面埋深不同， 系统设计了浅层蓄冷水库和深层蓄热水库。系统的 循环示意图如图6 所示，可分为3 个部分，即地表用 户区域I ，浅层蓄冷区域I I 和深层储热与发电区域 I I I 。地表区域采用闭环设计，通过热交换器或热泵与 地板环路相连进行用户供暖或制冷。同时，采用r 能 量梯级利用设计，尾水可用于工业和农业生产。夏 季，由浅层水库汲取矿井水，通过换热器或热泵进行 建筑空问制冷，而尾水通过太阳能进行加热，回注到 深层热储区域，并采用小型涡轮发电机回收势能，同 时采用有机朗肯 0 R c 发电系统结合气源热泵进行 地热发电。冬季，由深部储热区汲取矿井水，通过换 热器或热泵回收地热能用于居民供暖，而尾水仍具有 一定温度可用于农业生产，最终回注到浅层蓄冷区 域。由于存在冷热源水库，系统循环时所需外部能量 小于单一热源的系统，因此该系统的能效比要大于传 统的系统。需要指出的是，有机朗肯发电系统只针对 温度大于5 0o C 矿井水。 图5系统的空间分布示意简图 F 嚼5S c l l e l l l a t i ‘ 1 i a g r a l l lo fs I J a “a I 1 阳I ‘i b u l i I _ J 1 1o “s y s I e n 1 冷凝系统 【刘6 系统循环示意 I 飞．6D i a g r a l l l f 【‘ 1 s 蹦e 1 1 1 3 系统模型参数 矿井水的温度和体积是决定废弃矿井地热能再 利用的主导因素“ l 。矿井水的温度与矿井埋深有着 直接关系，同时受地质构造特征、地层地热性质、局部 和区域地下水状况、矿井水停留时问及微生物呼吸放 热反应等影响。而矿井水的体积则受到地层岩性、煤 层厚度、地质构造、围岩渗透系数及开采方式等影响。 当温度和体积确定时，估算矿井关闭后地下储层地热 能常用的方法是体积法㈡2 l E 。 7 7 叩地7 1 1 式中，F 。为储层存储的静态能，k w h ；叼为转换系 数，7 7 0 ．0 0 02 7 k w h ／k J ；c 为矿井水的比热，c 4 ．1 8 k J ／ k g o C ；p 为矿井水的密度，p l0 0 0k g ／m 3 ；∥为矿井水的体积，m 3 ；△r 为矿井水使 用前后温度差，℃。 3 ．1 系统温度 研究废弃矿井水温度变化的规律是地热资源评 估、开采可行性和利用方案设计的基础。因此，针对 此问题，英国政府要求企业必须提交矿井水温度的数 据，用以绘制全国废弃矿井水温度图，以使地方政府、 开发商和规划者能够确定煤田热量回收和储存的潜 力b 。图7 总结了部分文献中，矿井水温度随地层 深度和季节变化规律。由图7 可知，矿井水的温度不 仅受煤层埋深的影响，也受到季节变化的影响。而深 度对矿井水温度有显著影响，当深度大于7 0 0m 时， 万方数据 第2 期 浦海等一种废弁矿外地热资源n 利用系统研究 6 8 3 矿井将具有地热开发潜力。相反，矿井水温度受季节 影响波动较小 图7 1 ，仅在夏季出现增大趋势， 而夏季地温的升高能够增加地热发电系统总发电量。 矿井深度／m a 温度随深度变化 日期 』J b 温度陋李1 T 父化 图7 矿井滥度随深度和季爷变化 F i g ．7C h a n g e st fl n i n et e n l p e r a n 】r ew i t l lt l 。p “】a n 【1 s e a s n s 3 ．2 蓄水空间 我国煤炭地下开采主要采用长壁式开采，煤层开 采之后，上覆岩层受到采动的影响垮落形成了“三 带”，即垮落带、裂隙带和位移带 图8 。垮落带和裂 隙带内存在大量的孔隙和裂隙为储水及流动提供有 力地质条件，而位移带内存在较少微裂隙不能提供有 效储水空问。因此，评估采空区储水能力时，可不考 虑位移带的影响。采用了式 2 估算整个采场储水 体积口j r l | K 。 J 用．f 小Ⅲ 2 J0 式中，K ．，为单个采空区的储水体积，n ’；日为垮落带 裂隙带高度之和，与煤层的厚度与顶板的岩。眭密切相 关，垮落带高度 且 和裂隙带高度 H 可根据经验 公式计算，m ，具体参考文献[ 3 3 ] ；，1 为储层的可用系 数，取值为o ．8 ，表示有2 0 ％库容水无法利用；f I 为采 空区长度，m ；2 、、为采窄区宽度，n ，∥’为采场储存系数， 可用垮落带岩石膨胀系数进行计算厂 1 _ 1 ／K ，K 为碎 胀系数，与顶板岩层岩性和孔隙度有关。 图8 储水空阳弦r 算不恿 F i g ．8 S ‘h e n l a t i cd i a g l ‘a n lt fw a t e rs t J I ‘a g P ’a l c u l a t i o l l 3 ．3 系统能效比 能效比 c 0 P 是衡量系统性能的关键参数之 一，反映了系统运行时能量转换的效率。评估系统的 能效比时，需考虑热泵、地下水泵、循环泵运行时所消 耗电能。基于此，可按式 3 讨‘算系统的能效比 r o P j ＆L 一 f3 1 “’ ∥l 叭 彤 h 彬㈨． 、 其中，Q ⋯，为热泵输出的热能，与选用热泵性能有 关，k w h ；形⋯。为热泵工作时消耗的电 能，k w l 、；形。，．为系统循环泵消耗电 能，k w h ；彤m 为系统抽水泵] 作时需要电 能，k w h 。热泵的电力消耗受效率的影响，而效率 反过来又取决于进入和离开热泵的水的输入和输出 温度。热泵输入和输出端温度差值越大，热泵消耗的 电能就越大，而热泵所消耗电能是指热泵系统中工作 流体在使用温度和压力下发生相变所需要的外功。 当进行供暖或制冷时，换热器中的温度‘j 使用温度差 值越小，热泵中的压缩机所需外功越小，相应的系统 能效比也就越大。同时，工作流体的性质亦能影响热 泵的能效比。此外，与潜在用户的距离过大时，循环 泵也可能消耗大量电能，进而影响系统的能效比。 4 系统评估 废弃矿井地热资源的开采与利用足后资源型城 市清洁生产强大的内生产动力，同时，提供更多就业 岗位，最终实现矿业产业绿色可持续发展。而系统评 估是废弃矿井清洁生产实践的一个重要方面，可以充 分挖掘废弃矿井地热资源利用价值，节约社会投资生 产成本。 4 ．1 储热性能 由于系统冷源和热源水库均设置在采场空 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 间，确定水库储水体积时需考虑采场几何尺寸。 根据已有研究，选取了倾向3 5 0m ，走向40 0 0m ， 煤层厚度为6m 的近水平采场区域，根据式 2 可 估算储能水库的容量。但水库的最大水位不可能 无限上涨，通常由建立在巷道中的防水墙高度来 决定。因此，确定废弃矿井采场储水体积时，除了 确定采场面积和上覆岩层膨胀系数K 外，必须考 虑防水墙的高度。系统设计时采用防水墙高度为 1 7 ．8m 【l4 。，K 值选用1 ．0 3 旧J ，则单个采空区静态 库容