矿井地热综合利用

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现代企业教育
ＭＯＤＥＲＮ
ＥＮＴＥＲＰＲＩＳＥ
ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ
万 方数据
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风井中增加喷淋，可以净化风流，降低噪声，减少环境污染，节 能减排效果最好。喷淋系统主要设备包括喷淋换热器（喷嘴、连 接管路、挡水板）一套。自动控制系统—套。ＢＱＳ３００／６０／１１０Ｎ水泵 ２台，ＱＫＳ４０１）－６２—１２０水泵２台，管路系统一套。 三、方案实施
锚杆钢材，规格由２５×２４００ｒａｍ。极限拉断力枷ＫＮ。屈服力为２０９４ＫＮ，
延伸率１７％。杆尾螺纹规格Ｍ２７。锚杆配件：采用高强锚杆螺母 Ｍ２７×３，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，托盘采用拱形高强 度托盘，承载能力不小于４０ｔ。锚杆外露长度为３０～５０ｒａｍ。锚杆均 使用配套标准螺母紧固，每根锚杆锚固力２００ＫＮ；锚杆设计间排 距为８００
一、前言 地源热泵是利用地球表面浅层地能资源作为冷、热源进行能 量转换的系统。地表浅层地能资源的温度一年四季相对稳定。冬 季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的空调冷 热源。通过地源热泵的冷热交换，将地表储存的大量能量进行转 换，为矿井实施冬天制热夏天制冷，可节约大量能源，是将来矿 井节能减排的发展方向。下面以新矿集团孙村煤矿通风机为例介 绍矿井地热综合利用系统情况。 二、矿井地热综合利用工程情况 矿井地热综合利用系统由水源热泵系统和回风井热能回收系 统组成。 １、水源热泵系统 冬季，孙村矿付立井井口通风量１００００ ｍ３／ｍｉｎ－ｌ１０００ｍ３／ｍｉｎ，根 段经常出现构件被剪断、拉穿现象，铸钢托盘局部出现破碎现 象。
从以上几点可以看出，等强锚杆很难适应高应力、大变形的 巷道支护需要，特别是岩层强度较低的复合顶条件下回采巷道支 护的需要，仅靠加密支护参数和多次支护是难以解决的。 根据围岩的自然特征、物理化学性质，及工程中所处的应力 状态，将复杂地质条件围岩（也称软岩）分成五类。其中有一类 为高地应力软岩，在高地应力状态下出现显著变形和破坏的一类 岩体，这是深部开采出现的普遍问题。有些矿区，巷道围岩强度 并不低，在浅部开采时，巷道围岩变形量小．维护容易。但随着 开采深度增加，围岩变形越来越大，破坏也愈加显著．不仅出现 了软弱、破碎岩体变形的特征，而且冲击地压等动力灾害现象也 时有发生。还有一类为节理化软岩，岩体的变形特征和强度特征 主要由结构控制的一类软岩。具体的表现是岩块强度本身不低， 但岩体内节理、层理、裂隙发育，导致岩体的整体强度小，稳定 性差。这类岩体多发生在地质构造带，如断层、褶典等构造附近。 在上述围岩中开掘巷道。有以下变形特点： ①巷道围岩变形的时间效应。巷道围岩变形量大，有明显的 时间性。围岩变形变得比较稳定后。围岩还以一定的速度长期处 于流变状态。 ②巷道围岩的空间效应。巷道来压方向多表现为四周来压。 巷道开挖后不仅顶板、两帮易发生显著变形和破坏，底板也往往 出现强烈变形和破坏，如不对底板采取有效的控制措施，则强烈 底臌会加剧两帮和顶板的变形和破坏。 ③巷道围岩的易受扰动性。围岩变形对应力的变化非常敏 感，受震动、邻近巷道掘进或回采工作面采动影响后，围岩变形 和破坏均有明显增加。围岩的稳定性与巷道断面形状、施工工艺
其中： ｈ。：回风温度为２２０Ｃ，相对湿度为９５％时的焓，Ｋｊ／ｋｇ； ｈ，：回风温度为１２＂Ｃ，相对湿度为１００％时的焓，Ｋｊ／ｋｇ； 。Ｐ：回风平均空气密度，ｋｇ／ｍ３； ｖ：回风量。ｍ３／Ｓ． 从以上初步估算可以看出，可以从回风中提取的理论热量远 大于水源热泵所需要的热量，利用矿井回风的热量可以有效的解 决热泵机组的热源问题。 ２、实施情况 根据工程周期短、不影响矿井正常通风的实际情况，本设计 在通风机出风Ｉ：Ｉ后整体吊装喷淋室换热器，喷淋换热器在地面加 工完后一次性安装于出风口上。 喷淋换热器系统按设计要求设置，供水水源来自矿井地源热 泵系统排出的凉水。经喷淋交换后，在扩散塔内进入收集水池。 经处理后进入水源热泵进水管，为水源热泵提供２０００ｋＷ稳定热
Ｘ
８００ｍｍ。施工中，采用锚杆钻机或风钻进行打眼，钻
头选用由３６ｍｍ柱齿钻头，采用两支树脂锚固剂，锚固长度不小 于９６０ｍｍ。顶板采用ＢＨＷ一２８０—３．００型锚带，铺设金属菱形网。 两帮采用・Ｗ・型钢护板护顶护帮，护板规格：厚度５ｍｍ，宽２８０ｔｕｒｎ， 长度３００ｍｍ． 使用该锚杆后，经过认真观测，巷道顶板支护强度增大，巷 道两帮变形由原来的４８０ｍｍ减少为２２０ｍｍ，巷道高度变形由原来 的５２０ｒａｍ减少为１２０ｍｍ，在变形中，两帮以煤中部分变形较大，巷 道高度的变形中，以底板鼓起为主。近期的观察中，没有锚杆断 裂现象，顶板锚带变形不明显。巷道后路的维护中，以卧底为主， 没有再进行复棚加固或锚索加固。大大减少了巷道后路的维护工 作量，减少了维护费用，保证了安全生产。 ４．结论 总体来讲，虽然采用高强度锚杆初期投资较高，但巷道成型 后，维护量小，维护费用低。总体费用比采用全螺纹等强锚杆支 护巷道费用大大降低。口
ｏｃ；
喷淋对通风系统的阻力，理论计算为１ １ ６．ＳＰａ，实际测量为
６０Ｐａ。
（二）水源热泵方案
１、现状 ａ．冬季，付立井井口通风量１００００ｍ３／ｍｉｎ一１１０００ ｍＶｍｉｎ； ｂ．冬季，新泰地区孙村煤矿冬季温度一１２ ｏＣ； ｃ．冬季。保证孙村煤矿付立井井口不结冰温度应高于４ ｅ．副立井候车室面积：１９０００ｍｍ×６５００ｒａｍ； ２、设备选型 为保障煤矿的安全生产，考虑煤矿运行成本。设备选取最小 热负荷在４０００ＫＷ以上。因此选用螺杆式水源热泵机组ＳＧＨＰｌ４００Ａ 型３台。 四、矿井热能综台利用系统运行状况分析 Ｉ、当环境温度０℃左右时。运行螺杆式水源热泵机组 ＳＧＨＰｌ４００Ａ型ｌ台即可满足需求，一台机组满负荷需水量１０９ｍ３／ｈ． 制热量１３７５ＫＷ。矿井水经机组循环一次，水温下降８℃左右（即 水温２２℃的矿井水经机组循环一次后，水温下降到１４℃）ｏ
（一）喷淋方案
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通过水源热泵与喷淋地热回收实现矿井低热综合利用，是地 热利用的一个成功典例。不仅实现了矿井水的热能回收还实现了 对矿井回风热能的回收，而且可除去回风中的煤尘和灰尘，降低 了回风对环境的污染，此项技术在国内首创，具有广阔的推广前 景。 注：本文作者张相龙现就读于山东科技大学资源管理系工业 工程硕士研究生。口
源。
３、喷淋实验数据：主要试验数据如下：
环境温度℃
２３ １０ １０ １０
流最ｍ３／分
．５０ ２【）０
进水温度℃
８
喷淋出水温度℃ 加
１９ １９ｏ．７５
ｘ
１４ １５ １４
３０天×１０小时×０．５２元／ｋｗｈ＝２．６９万元
姗１
４００
总运行电费：３．２３＋２．６９＝５．９２万元。 采用水源热泵供暖后，年运行费用共计：７６．３５＋８．９２＝８２．２７ 万元。 ３、经济及社会效益分析 （１）使用水源热泵供热系统．每年减少煤用量２２８５吨，减少 一氧化碳排放５０余吨、碳氢化合物１吨、氮氧化物８．５吨、二氧 化硫３８．５吨，粉尘３余吨，环保效益显著。 （２）使用水源热泵供热系统，减少原煤投入２２８５吨，年节约 资金投入：２２８５吨×４８０元，顿＝１０９．６８万元。
２、回风井热能回收系统
由于孙村矿矿井涌水量较小，相对可提取的热能较少，不足 以满足北立井水源热泵系统的热能要求。通过技术人员多方调 研，发现回风中含有大量热能，其回风在冬季可以保持在温度 ２２０Ｃ，相对湿度９５％以上，风量较大且稳定一般方量在９５００ｍ３／分 （即１５８ｍ／秒）以上，也是可利用的热能载体，利用目前喷淋换热 的常规技术。可以吸收回风中的部分热能，以满足水源热泵系统 的热源供应要求。可为水源热泵系统提供２０００ｋＷ稳定热源。而且 等因素都有关系。 ３．采取措施 经过矿调研研究。决定在该巷道的施工中，试用“ＭＧ一５００” 型锚杆。配合使用ＢＨＷ一２８０—３．００型锚带。 支护材料特征：该锚杆的杆体为左旋无纵筋螺纹钢筋，专用
源水池内矿井水—个循环时问为１５００÷１０９ｍ３／ｈ＝１３．７６ｈ，现两次开 泵时间间隔最长一次为１３小时，此种情况下，源水温度能够维持
在１８＇Ｕ一２０℃之间，矿井水能够满足供暖需求。 ２、当环境温度在０℃—．５℃左右时。运行螺杆式水源热泵 机组ＳＧＨＰｌ４００Ａ型２台方可满足需求。２台机组满负荷需水量 ２１８ｍ３／ｈ，制热量２７５０ＫＷ。１５００ｍ３源水池内矿井水一个循环时间 为１５００÷２１８ｍ３Ｒａ＝６．８８ｈ，此时，距下一次开泵时间还有一段时间， 此时，可运行喷淋系统，喷淋系统流量控制在２６０—３００ｍＶｈ，源 水经喷淋系统循环一次温度升高５—６℃，此种情况下源水温度能 够维持在１６℃一１８℃之间。能够满足供暖需求。 ３、当环境温度低于一５℃时。运行螺杆式水源热泵机组 ＳＧＨＰｌ４００Ａ型３台方可满足需求。３台机组满负荷需水量３２７ｍ３／ｈ， 制热量４０５０ＫＷ。１５００ｍ３源水池内矿井水一个循环时间为１５００÷ ３２７ｍ３／ｈ－＿．４．５ｈ，距下一次开泵时间还有一段时间，此种情况下，可 长时运行喷淋系统，源水温度能够始终维持在１ ８ ｏＣ左右。 五、效益分析 Ｉ、水源热泵系统运行费用 水源热泵系统运行电费： 模式ｌ：室外温度大于ｏ℃。主机运行ｌ台。运行系数为ｏ．５， 运行天数为３０天。电费节约６．３６万元。 模式２：室外温度０℃一一５℃。主机运行２台，运行系数为 Ｏ．７，运行天数为６０天。电费节约３５．６３万元 模式３：室外温度一５。Ｃ以下。主机运行３台。运行系数为０．９， 运行天数为３０天。电费节约３４．３６万元 总运行电费：６．３６＋３５．６３＋３４．３６＝７６．３５元 ２、风井热能回收系统运行费用 （１）室外温度０＂Ｃ一一５℃，喷淋系统每天运行６小时，运行 天数为６０天，负荷需用系数为０．７５。 则运行电费： ２３０ＫＷ ｘ ｏ．７５×印天×６小时×０．５２元／ｋｗｈ＝３．２３万元 （２）室外温度低一５℃，喷淋系统每天运行１０小时，运行天 数为３０天，负荷需用系数为０，７５。