一種利用深井地熱的礦井降溫系統及方法與流程

2023-06-01 07:37:06 3

本發明屬於深部礦產資源開採技術領域，具體涉及一種利用深井地熱的礦井降溫系統及方法。

背景技術：

隨著淺部礦產資源的逐漸減少和枯竭，開發深部礦產資源是國家保證資源安全、擴展經濟社會發展空間的重大需求。對於深部開採，熱害現象尤為顯著。

在深井降溫系統中，主要採用人工製冷降溫技術，通過制冷機組提供冷源(冰片或冷水)，經專用的輸冷管道輸送到採掘工作面，同工作面的溼熱空氣進行熱交換，來進行冷卻和除溼的，空氣冷卻器常用的是噴淋式空冷器和表面式空冷器。噴淋式空冷器藉助於空氣和水直接接觸使礦井風流冷卻。在表面式空冷器中，空氣經管壁與管內的冷水進行間接接觸，以使風流冷卻。不論是噴淋式空冷器還是表面式空冷器除溼能力均有限，造成礦井風流多為近飽和狀態，此外，噴淋式空冷器和表面式空冷器採用的介質均來自低溫制冷機組，造成礦井機械製冷系統能耗很大。因此，現有的礦井降溫系統存在除溼量有限及能耗大的問題。

充填採礦法屬人工支護採礦法。隨著回採工作面的推進，向採空區送入充填材料，以進行地壓管理、控制圍巖崩落和地表移動，並在形成的充填體上或在其保護下進行回採，是深部開採時控制地壓的有效措施。如能在深部開採充填材料能提取熱量，併合理用於礦井降溫系統，必將減少礦井降溫系統的能耗。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術的不足，提供一種利用深井地熱的礦井降溫系統。該系統通過設置空氣處理系統和地熱採熱系統，並在空氣處理系統中設置轉輪除溼機，從採熱充填體取地熱用於轉輪除溼機的除溼再生，節約了礦井降溫系統的能耗，解決了井下除溼難題，提高了礦井工作面的舒適性。利用採熱充填體內換熱形成的熱換熱流體對空氣加熱器中的空氣進行加熱，替代了電加熱器，節約了能耗。該系統可以很好的滿足深井降溫的需要，不但除溼能力強，而且充分利用地熱，達到了節能和舒適的目的。

為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：一種利用深井地熱的礦井降溫系統，其特徵在於：包括空氣處理系統、地熱採熱系統和地下冷水系統；

所述空氣處理系統包括行走小車和設置於行走小車上方的空氣處理裝置，所述空氣處理裝置包括位於空氣處理裝置端部的進風口和位於空氣處理裝置尾部的出風口，所述進風口和出風口之間設置有一級空氣冷卻器、一級轉輪除溼機、二級空氣冷卻器、二級轉輪除溼機、三級空氣冷卻器、擋水板和風機，所述一級空氣冷卻器位於進風口和一級轉輪除溼機之間，所述二級空氣冷卻器位於一級轉輪除溼機和二級轉輪除溼機之間，所述三級空氣冷卻器位於二級轉輪除溼機和擋水板之間，所述風機位於擋水板和出風口之間，所述一級空氣冷卻器的底部、二級空氣冷卻器的底部和三級空氣冷卻器的底部均設置有空氣冷卻器進水口和空氣冷卻器出水口，所述一級空氣冷卻器、二級空氣冷卻器和三級空氣冷卻器均與地下冷水系統連接，所述行走小車底部設置有萬向輪；所述一級轉輪除溼機和二級轉輪除溼機結構相同且均包括轉輪，所述轉輪通過隔板分為吸溼區和再生區，所述再生區左右兩側分別設置有再生空氣出口和再生空氣進口，所述再生空氣進口與再生區之間設置有空氣加熱器，所述空氣加熱器上設置有空氣加熱器進水口和空氣加熱器出水口，所述再生空氣出口與再生區之間設置有再生風機；

所述地熱採熱系統包括採熱充填體和用於將採熱充填體連接到空氣處理系統中的連接機構，所述採熱充填體包括相變蓄熱材料，從下到上依次分層設置的採熱管、隔熱管和冷卻管，以及設置在頂部的硬化頂和設置在相變蓄熱材料上的溜井，所述採熱管為多層；所述連接機構包括上分水器、上集水器、下分水器和下集水器，所述上分水器的進水口上通過第一三通管連接有進水口管，所述進水口管上連接有上三通閥，所述上分水器的出水口與冷卻管的進水口和隔熱管的進水口連接，所述上集水器的進水口與冷卻管的出水口和隔熱管的出水口連接，所述下分水器的出水口與採熱管的進水口連接，所述下集水器的進水口與採熱管的出水口連接，所述下集水器的出水口上通過第二三通管連接有出水口管，所述出水口管上連接有下三通閥；所述上分水器和下分水器之間設置有左三通閥，所述左三通閥和上集水器的出水口之間設置有右三通閥，所述左三通閥的一個埠與下分水器的進水口連接，左三通閥的另一個埠與第一三通管連接，所述右三通閥的一個埠與上集水器的出水口連接，右三通閥的另一個埠與左三通閥的第三個埠連接，右三通閥的第三個埠與第二三通管連接；所述左三通閥和下三通閥均為三通分流閥，所述右三通閥和上三通閥均為三通合流閥，所述下三通閥的一個埠與出水口管連接，下三通閥的另一個埠與空氣加熱器進水口之間設置有用於向空氣加熱器供水的熱水供水管，所述上三通閥的一個埠與進水口管連接，上三通閥的另一個埠與空氣加熱器出水口之間設置有回水管，所述熱水供水管上安裝有熱水水泵。

上述的一種利用深井地熱的礦井降溫系統，其特徵在於：所述地下冷水系統包括地下水水池、冷水供水管、冷水排水管和冷水水泵，所述冷水水泵的進水口與地下水水池連接，冷水水泵的出水口與冷水供水管連接，所述冷水供水管與空氣冷卻器進水口連接，所述冷水排水管與空氣冷卻器出水口連接。

上述的一種利用深井地熱的礦井降溫系統，其特徵在於：所述上集水器的出水口處連接有上調節閥，所述下集水器的出水口處連接有下調節閥。

上述的一種利用深井地熱的礦井降溫系統，其特徵在於：所述冷卻管採用中間進，向兩側蛇形前進，最後從兩側出的布置方式。

上述的一種利用深井地熱的礦井降溫系統，其特徵在於：所述隔熱管採用中間進，向兩側蛇形前進，最後從兩側出的布置方式。

上述的一種利用深井地熱的礦井降溫系統，其特徵在於：各層的採熱管均採用一邊進，向另一側蛇形前進，並從另一側出的布置方式。

上述的一種利用深井地熱的礦井降溫系統，其特徵在於：所述上三通閥的第三個埠連接有用於向進水口管通入冷換熱流體的管路。

另外，本發明還提供了一種採用如上述系統進行礦井降溫的方法，其特徵在於，包括以下步驟：

步驟一、根據充填開採工藝進行礦塊的採準和切割，形成天井、聯絡巷、階段運輸巷道、豎井和回採空間，將空氣處理系統送入工作面；

步驟二、進行充填，充填時相變蓄熱材料中從下到上依次分層設置有採熱管、隔熱管和冷卻管，並設置溜井和硬化頂，形成採熱充填體，所述採熱管為多層，具體過程為：

步驟201、在採空區安裝溜井模具，並設定充填時的採熱管的層數；

步驟202、輸入相變蓄熱材料進行充填，至需要設置採熱管的高度後，在相變蓄熱材料上鋪設作業平板，鋪設採熱管，採熱管鋪設完成後撤掉作業平板；

步驟203、重複步驟202，直至採熱管的層數達到了步驟一設定的值；

步驟204、輸入相變蓄熱材料進行充填，至需要設置隔熱管的高度後，在相變蓄熱材料上鋪設作業平板，鋪設隔熱管，隔熱管鋪設完成後撤掉作業平板；

步驟205、輸入相變蓄熱材料進行充填，至需要設置冷卻管的高度後，在相變蓄熱材料上鋪設作業平板，鋪設冷卻管，冷卻管鋪設完成後撤掉作業平板；

步驟206、輸入硬化材料進行充填，形成硬化頂；

步驟207、首先，在採熱充填體前設置上分水器、上集水器、下分水器和下集水器，在上分水器的進水口上通過第一三通管連接進水口管，將上分水器的出水口與冷卻管的進水口和隔熱管的進水口相連，將上集水器的進水口與冷卻管的出水口和隔熱管的出水口連接，將下分水器的出水口與採熱管的進水口連接，將下集水器的進水口與採熱管的出水口連接，在下集水器的出水口上通過第二三通管連接出水口管；然後，在上分水器和下分水器之間設置左三通閥，在左三通閥和上集水器的出水口之間設置右三通閥，並將左三通閥的一個埠與下分水器的進水口連接，將左三通閥的另一個埠與第一三通管連接，將右三通閥的一個埠與上集水器的出水口連接，將右三通閥的另一個埠與左三通閥的第三個埠連接，將右三通閥的第三個埠與第二三通管連接；

步驟三、將採熱充填體的上三通閥與空氣處理系統中的回水管連接，將採熱充填體的下三通閥與熱水供水管連接；

步驟四、向進水口管中通入冷換熱流體，冷換熱流體在流過採熱管時吸收相變蓄熱材料積蓄的地熱而成為熱換熱流體，然後進入熱水供水管中，熱換熱流體在熱水水泵的作用下進入空氣加熱器中與空氣加熱器中的空氣進行熱交換，再經回水管輸送至採熱充填體內循環利用；啟動風機，礦井要處理的空氣在風機的作用下，經進風口進入一級空氣冷卻器中進行冷卻，冷卻後的空氣進入一級轉輪除溼機進行等焓減溼處理，然後進入二級空氣冷卻器進行冷卻，接著進入二級轉輪除溼機進行等焓減溼處理，經二級轉輪除溼機等焓減溼後的空氣進入三級空氣冷卻器中冷卻，再經擋水板分離出空氣中攜帶的水滴形成低溫低溼的空氣，然後送到出風口，最後低溫低溼的空氣通過風筒或直接送入的方式進入工作面。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

1、本發明通過設置空氣處理系統和地熱採熱系統，並在空氣處理系統中設置轉輪除溼機，從採熱充填體取地熱用於轉輪除溼機的除溼再生，節約了礦井降溫系統的能耗，解決了井下除溼難題，提高了礦井工作面的舒適性。利用採熱充填體內換熱形成的熱換熱流體對空氣加熱器中的空氣進行加熱，替代了電加熱器，節約了能耗。本發明可以很好的滿足深井降溫的需要，降溫系統不但除溼能力強，而且充分利用地熱，達到了節能和舒適的目的。

2、本發明的降溫系統設計合理，實現方便，不需要設置制冷機組，具有環保的優點。

3、本發明直接從採熱充填體取熱，直接用於附近工作面的降溫，具有輸送能耗低的優點。

4、本發明採熱充填體的結構新穎，在相變蓄熱材料中設置了具有獨特布置方式的冷卻管、隔熱管和採熱管，並採用連接機構連接採熱充填體和空氣處理系統，提高了地熱開採效率，強化了工作面的降溫效果。

5、本發明的實用性強，推廣應用價值高。

綜上所述，本發明的降溫系統可以很好的滿足深井降溫的需要，該系統不但除溼能力強，而且充分利用地熱，達到了節能、舒適和環保的目的。

下面結合附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

說明書附圖

圖1為本發明系統的框架示意圖。

圖2為本發明系統的結構示意圖。

圖3為本發明轉輪除溼機的轉輪與空氣加熱器的位置關係示意圖。

圖4為本發明地熱採熱系統的立體結構示意圖。

圖5為圖4的a部放大圖。

圖6為本發明採熱充填體的內部結構示意圖。

圖7為圖6的b-b剖視圖。

圖8為圖6的c-c剖視圖。

圖9為圖6的d-d剖視圖。

圖10為圖6的e-e剖視圖。

附圖標記說明:

1—空氣處理系統；2—地熱採熱系統；3—地下冷水系統；

4—空氣冷卻器進水口；5—空氣冷卻器出水口；6—轉輪；

7—隔板；8—吸溼區；9—再生區；

10—風機；11—行走小車；12—進風口；

13—出風口；14—一級空氣冷卻器；15—一級轉輪除溼機；

16—二級空氣冷卻器；17—二級轉輪除溼機；18—三級空氣冷卻器；

19—擋水板；20—進水口管；21—採熱充填體；

21-1—相變蓄熱材料；21-2—採熱管；21-3—溜井；

21-4—硬化頂；21-5—隔熱管；21-6—冷卻管；

22—空氣加熱器；22-1—空氣加熱器進水口；

22-2—空氣加熱器出水口；24—再生風機；

25—萬向輪；26—再生空氣進口；27—再生空氣出口；

28—上分水器；29—上集水器；30—下分水器；

31—下集水器；32—左三通閥；33—右三通閥；

34—上三通閥；35—下三通閥；36—出水口管；

37—第一三通管；38—第二三通管；39—地下水水池；

40—上調節閥；41—下調節閥；42—冷水水泵；

43—熱水供水管；44—回水管；45—熱水水泵；

46—冷水供水管；47—冷水排水管。

具體實施方式

如圖1所示，本發明的利用深井地熱的礦井降溫系統，包括空氣處理系統1、地熱採熱系統2和地下冷水系統3；

如圖2所示，所述空氣處理系統1包括行走小車11和設置於行走小車11上方的空氣處理裝置，所述空氣處理裝置包括位於空氣處理裝置端部的進風口12和位於空氣處理裝置尾部的出風口13，所述進風口12和出風口13之間設置有一級空氣冷卻器14、一級轉輪除溼機15、二級空氣冷卻器16、二級轉輪除溼機17、三級空氣冷卻器18、擋水板19和風機10，所述一級空氣冷卻器14位於進風口11和一級轉輪除溼機15之間，所述二級空氣冷卻器16位於一級轉輪除溼機15和二級轉輪除溼機17之間，所述三級空氣冷卻器18位於二級轉輪除溼機17和擋水板19之間，所述風機10位於擋水板19和出風口13之間，所述一級空氣冷卻器14的底部、二級空氣冷卻器16的底部和三級空氣冷卻器18的底部均設置有空氣冷卻器進水口4和空氣冷卻器出水口5，所述一級空氣冷卻器14、二級空氣冷卻器16和三級空氣冷卻器18均與地下冷水系統3連接，所述行走小車11底部設置有萬向輪25；如圖3所示，所述一級轉輪除溼機15和二級轉輪除溼機17結構相同且均包括轉輪6，所述轉輪6通過隔板7分為吸溼區8和再生區9，所述再生區9左右兩側分別設置有再生空氣出口27和再生空氣進口26，所述再生空氣進口26與再生區9之間設置有空氣加熱器22，所述空氣加熱器22上設置有空氣加熱器進水口22-1和空氣加熱器出水口22-2，所述再生空氣出口27與再生區9之間設置有再生風機24；

如圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9和圖10所示，所述地熱採熱系統2包括採熱充填體21和用於將採熱充填體21連接到空氣處理系統1中的連接機構，所述採熱充填體21包括相變蓄熱材料21-1，從下到上依次分層設置的採熱管21-2、隔熱管21-5和冷卻管21-6，以及設置在頂部的硬化頂21-4和設置在相變蓄熱材料21-1上的溜井21-3，所述採熱管21-2為多層；所述連接機構包括上分水器28、上集水器29、下分水器30和下集水器31，所述上分水器28的進水口上通過第一三通管37連接有進水口管20，所述進水口管20上連接有上三通閥34，所述上分水器28的出水口與冷卻管21-6的進水口和隔熱管21-5的進水口連接，所述上集水器29的進水口與冷卻管21-6的出水口和隔熱管21-5的出水口連接，所述下分水器30的出水口與採熱管21-2的進水口連接，所述下集水器31的進水口與採熱管21-2的出水口連接，所述下集水器31的出水口上通過第二三通管38連接有出水口管36，所述出水口管36上連接有下三通閥35；所述上分水器28和下分水器30之間設置有左三通閥32，所述左三通閥32和上集水器29的出水口之間設置有右三通閥33，所述左三通閥32的一個埠與下分水器30的進水口連接，左三通閥32的另一個埠與第一三通管37連接，所述右三通閥33的一個埠與上集水器29的出水口連接，右三通閥33的另一個埠與左三通閥32的第三個埠連接，右三通閥33的第三個埠與第二三通管38連接；所述左三通閥32和下三通閥35均為三通分流閥，所述右三通閥33和上三通閥34均為三通合流閥，所述下三通閥35的一個埠與出水口管36連接，下三通閥35的另一個埠與空氣加熱器進水口22-1之間設置有用於向空氣加熱器22供水的熱水供水管43，所述上三通閥34的一個埠與進水口管20連接，上三通閥34的另一個埠與空氣加熱器出水口22-2之間設置有回水管44，所述熱水供水管43上安裝有熱水水泵45。

如圖2所示，本實施例中，所述地下冷水系統3包括地下水水池39、冷水供水管46、冷水排水管47和冷水水泵42，所述冷水水泵42的進水口與地下水水池39連接，冷水水泵42的出水口與冷水供水管46連接，所述冷水供水管46與空氣冷卻器進水口4連接，所述冷水排水管47與空氣冷卻器出水口5連接。

如圖3所示，本實施例中，所述上集水器29的出水口處連接有上調節閥40，所述下集水器31的出水口處連接有下調節閥41。

本實施例中，所述冷卻管21-6採用中間進，向兩側蛇形前進，最後從兩側出的布置方式。

本實施例中，所述隔熱管21-5採用中間進，向兩側蛇形前進，最後從兩側出的布置方式。

本實施例中，各層的採熱管21-2均採用一邊進，向另一側蛇形前進，並從另一側出的布置方式。

本實施例中，所述上三通閥34的第三個埠連接有用於向進水口管20通入冷換熱流體的管路。

以安徽冬瓜山銅礦開採為例，採用本發明的降溫系統進行礦井降溫的方法，包括以下步驟：

步驟一、根據充填開採工藝進行礦塊的採準和切割，形成天井、聯絡巷、階段運輸巷道、豎井和回採空間，將空氣處理系統1送入工作面；

步驟二、進行充填，充填時相變蓄熱材料21-1中從下到上依次分層設置有採熱管21-2、隔熱管21-5和冷卻管21-6，並設置溜井21-3和硬化頂21-4，形成採熱充填體21，所述採熱管21-2為多層，具體過程為：

步驟201、在採空區安裝溜井21-3模具，並設定充填時的採熱管21-2的層數；

步驟202、輸入相變蓄熱材料21-1進行充填，至需要設置採熱管21-2的高度後，在相變蓄熱材料21-1上鋪設作業平板，鋪設採熱管21-2，採熱管21-2鋪設完成後撤掉作業平板；

步驟203、重複步驟202，直至採熱管21-2的層數達到了步驟一設定的值；

步驟204、輸入相變蓄熱材料21-1進行充填，至需要設置隔熱管21-5的高度後，在相變蓄熱材料21-1上鋪設作業平板，鋪設隔熱管21-5，隔熱管21-5鋪設完成後撤掉作業平板；

步驟205、輸入相變蓄熱材料21-1進行充填，至需要設置冷卻管21-6的高度後，在相變蓄熱材料21-1上鋪設作業平板，鋪設冷卻管21-6，冷卻管21-6鋪設完成後撤掉作業平板；

步驟206、輸入硬化材料進行充填，形成硬化頂21-4；

步驟207、首先，在採熱充填體21前設置上分水器28、上集水器29、下分水器30和下集水器31，在上分水器28的進水口上通過第一三通管37連接進水口管20，將上分水器28的出水口與冷卻管21-6的進水口和隔熱管21-5的進水口相連，將上集水器29的進水口與冷卻管21-6的出水口和隔熱管21-5的出水口連接，將下分水器30的出水口與採熱管21-2的進水口連接，將下集水器31的進水口與採熱管21-2的出水口連接，在下集水器31的出水口上通過第二三通管38連接出水口管36；然後，在上分水器28和下分水器30之間設置左三通閥32，在左三通閥32和上集水器29的出水口之間設置右三通閥33，並將左三通閥32的一個埠與下分水器30的進水口連接，將左三通閥32的另一個埠與第一三通管37連接，將右三通閥33的一個埠與上集水器29的出水口連接，將右三通閥33的另一個埠與左三通閥32的第三個埠連接，將右三通閥33的第三個埠與第二三通管38連接；

步驟三、將採熱充填體21的上三通閥34與空氣處理系統1中的回水管44連接，將採熱充填體21的下三通閥35與熱水供水管43連接；

步驟四、向進水口管20中通入冷換熱流體(如冷水)，冷換熱流體在流過採熱管21-2時吸收相變蓄熱材料21-1積蓄的地熱而成為熱換熱流體，然後進入熱水供水管43中，熱換熱流體在熱水水泵45的作用下進入空氣加熱器22中與空氣加熱器22中的空氣進行熱交換，再經回水管44輸送至採熱充填體21內循環利用；啟動風機10，礦井要處理的空氣(溫度為30℃，含溼量為21.5g/kg幹空氣，相對溼度為80％)在風機10的作用下，經進風口12進入一級空氣冷卻器14中與一級空氣冷卻器14中的冷水(來自地下水水池39中的18℃低溫礦井地下水)進行間接熱溼交換，由於礦井空氣高溫高溼，露點溫度(露點溫度為26.1℃)高於冷水溫度(18℃)，空氣經一級空氣冷卻器14進行冷卻減溼處理過程成為冷卻減溼的空氣(溫度為22℃，含溼量為15.0g/kg幹空氣)，冷卻減溼的空氣進入一級轉輪除溼機15進行等焓減溼處理(經一級轉輪除溼機15等焓減溼的空氣溫度為30.3℃，含溼量為9.6g/kg幹空氣)，然後進入二級空氣冷卻器16與二級空氣冷卻器16中的冷水(來自地下水水池39中的18℃低溫礦井地下水)進行間接熱溼交換，由於空氣露點溫度較低(13.1℃)，低於冷水溫度(18℃)，空氣被等溼冷卻，間接熱溼交換後的空氣溫度為22.6℃，含溼量為9.6g/kg幹空氣，接著進入二級轉輪除溼機17進行等焓減溼處理，經二級轉輪除溼機17等焓減溼後的空氣(溫度為30.8℃，含溼量為6.2g/kg幹空氣)進入三級空氣冷卻器18，在三級空氣冷卻器18中，空氣與三級空氣冷卻器18內的冷水(來自地下水水池39中的18℃低溫礦井地下水)進行間接熱溼交換，由於空氣露點溫度較低(6.9℃)，低於冷水溫度(18℃)，空氣被等溼減溼，處理後的空氣(溫度為23.2℃，含溼量為6.2g/kg幹空氣，相對溼度為35.2％)再經擋水板19分離出空氣中攜帶的水滴形成低溫低溼的空氣，然後送到出風口12，最後低溫低溼的空氣(溫度為23.2℃，含溼量為6.2g/kg幹空氣，相對溼度為35.2％)通過風筒或直接送入的方式進入工作面。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明做任何限制，凡是根據發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍內。