一种采空区充填体提取地热能的系统及其工作方法

摘要

本发明公开了一种采空区充填体提取地热能的系统及其工作方法，主要通过在采空区充填体中布置采热管路的方式对充填体内的热能进行提取。开采步骤为：在送流管路中注入采集地热所需的储热介质，储热介质经流布置在充填体中的采热管后被加热，由回流管路输送至发电车间，储热介质经发电利用后冷却，重新循环至送流管路中，如此循环，实现对采空区充填体内热能的提取。主要系统包括送流系统、回流系统、采热系统、集热及发电系统。本发明可以实现深部矿产资源充填开采和地热开采的协同，各工艺之间的干扰较小，可以降低采场的温度，发电设备设置在井下，无需大功率提升泵，能量消耗低，是一种绿色高效的深部矿井地热能开采方法。

权利要求

1.一种采空区充填体提取地热能的系统，其特征在于：包括送流管路（8）、采热管路（7）、回流管路（9）、集热及发电系统（4）依次互联形成的循环系统，送流管路（8）和回流管路（9）在工作面处段分别位于两个不同的回采巷道中，一端连接设置于采空区充填体中的采热管路（7），另一端连接位于地下的集热及发电系统（4）；所述送流管路（8）中注入采集地热所需的储热介质；所述集热及发电系统（4）包括蓄水设备、闪蒸设备、发电设备，所述发电设备布置在井下；

该采空区充填体提取地热能的系统的工作方法为：通过在采空区充填体中布置采热管路（7）的方式对充填体内的热能进行提取：在送流管路（8）中注入采集地热所需的储热介质，储热介质经流布置在充填体中的采热管路（7）后被加热，由回流管路（9）输送至集热及发电系统（4）的发电车间，储热介质经发电利用后冷却，重新循环至送流管路（8）中，如此循环，实现对采空区充填体内热能的提取；

采用膏体充填和高水充填方法时，地热开采与充填采煤之间的工艺流程为：随着工作面的推进，间隔布置充填袋充填段（5）和开放式充填段（6），其中在开放式充填段（6）安设采热管路（7），开放式充填段（6）充填作业在两侧充填袋充填段（5）作业和采热管路（7）安装均结束后进行；采热管路（7）安装好后与回流管路（9）和送流管路（8）连接，形成完整的回路，通储热介质进行地热开采利用；

采用逐巷胶结充填开采方法时，地热开采与充填采煤之间的工艺流程为：先由综掘机掘进充填联络巷，掘进完成后在充填联络巷中安设采热管路（7），采热管路（7）安设完成以后将充填联络巷进行充填；采热管路（7）安装好后与回流管路（9）和送流管路（8）连接，形成完整的回路，通储热介质进行地热开采利用；

所述送流管路（8）和回流管路（9）均采用保温管，保温管类型为钢套钢复合型、聚氨酯型或其他型式，管径由储热介质流量确定；

所述送流管路（8）由集热及发电系统（4）前端敷设至充填采热工作面对应的工作面回采巷道Ⅰ（10），其上设置有送流泵和储热介质补充阀门；所述回流管路（9）由集热及发电系统（4）末端敷设至充填采热工作面对应的工作面回采巷道Ⅱ（11），其上设置有回流泵；所述送流管路（8）和回流管路（9）均沿矿井原有的巷道进行敷设；

所述采热管路（7）为外表面涂覆导热硅脂的导热管体；采热管路（7）为蛇形，该蛇形平面垂直工作面顶底板布置，采热管路（7）两侧弯曲处分别固定在顶底板上；

所述采热管路（7）利用采热管固定装置将蛇形采热管两侧弯曲处分别固定在顶底板上，所述采热管固定装置为一带双耳的U型套件，U型套件双耳上分别有固定用的U型套件固定孔（18.1）；U型套件套住采热管路（7），通过向顶底板打锚固杆体的形式实现对采热管路（7）的固定。

2.根据权利要求1所述的采空区充填体提取地热能的系统，其特征在于：所述储热介质为包括水、乙醇在内的高比热容低沸点的液体；采用单介质形式或双介质形式。

说明书

一种采空区充填体提取地热能的系统及其工作方法

技术领域

[0001] 本发明属于深部地热开采领域和充填开采技术领域，尤其适用于深部煤炭资源与地热资源协同共采的技术领域，具体涉及一种采空区充填体提取地热能的系统及其工作方法。

背景技术

[0002] 随着我国浅部矿产资源逐渐被消耗殆尽，开采逐渐向。但是开采深度的加大导致采场温度过高，严重影响采场作业人员的生命安全。地热不仅是一种热害，也是一种能源。在深部矿井开采的同时进行地热能的开采不仅可以降低采场温度，还能够发电。

[0003] 充填开采在开采矿产资源的同时可以实现对控制岩层的运动，减少地表沉陷，保护含水层的稳定，处理废弃物，防控灾害，是采矿技术发展的一个重要方向。探索如何利用充填开采技术实现绿色安全高效开采的同时解决热害，实现对地热能的利用具有十分重要的意义。

发明内容

[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采空区充填体提取地热能的系统及其工作方法。

[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0006] 一种采空区充填体提取地热能的方法，主要通过在采空区充填体中布置采热管路的方式对充填体内的热能进行提取。在送流管路中注入采集地热所需的储热介质，储热介质经流布置在充填体中的采热管后被加热，由回流管路输送至发电车间，储热介质经发电利用后冷却，重新循环至送流管路中，如此循环，实现对采空区充填体内热能的提取。主要包括系统：送流系统、回流系统、采热系统、集热及发电系统。

[0007] 送流系统，其具体特征为：送流系统设备包括送流管路、送流泵和储热介质补充阀门。送流管路由隔热材料组成，减少储热介质在运输过程中的热量交换。其中送流管路由集热发电系统前端敷设至充填采热工作面对应的回采巷道，管路沿矿井原有的巷道进行敷设，不新掘巷道。

[0008] 回流系统，其具体特征为：回流系统设备包括回流管路和回流泵。回流管路与送流管路材质相同，具有隔热性能。送流管路和回流管路在工作面处段分别位于两个不同的回采巷道中。回流管路由集热发电系统末端敷设至充填采热工作面对应的回采巷道，管路沿矿井原有的巷道进行敷设，不新掘巷道。

[0009] 采热系统，其具体特征为：采热系统设备包括采热管、导热硅脂、采热管固定装置、采热管与送流管路及回流管路的链接装置。其中采热管采用导热性能优良的管体，为了增加管体与充填体之间的接触密实性，增加热传导系数，在采热管周围涂导热硅脂。采热管为蛇形，其沿工作面方向布置，分别链接送流管路和回流管路。蛇形采热管蛇形平面垂直工作面顶底板布置，利用固定装置将蛇形采热管两侧弯曲处分别固定在顶底板上。这种采热管安装形式可以实现充填作业的一次性全高充填，无需分层充填和凝固等待时间。

[0010] 集热及发电系统，其具体特征为：集热及发电系统设备包括蓄水设备、闪蒸设备、发电设备。由于适宜开采的深部矿井的充填体温度一般难以达到储热介质的沸点，储热介质在吸热后难以形成蒸汽来推动发电机运转，一般采用低压闪蒸设备将储热介质气化，进而推动汽轮进行发电。除此之外，还可以不利用蒸汽进行发电，运用热膨胀能进行发电。发电机的发电原理可以是发电设备布置在井下，可以减少深井储热介质泵送困难、耗能大的问题。

[0011] 储热介质，其具体特征为：储热介质可以是水、乙醇等比热容较大且沸点较低的液体，可以采用单介质形式或双介质形式。单介质即在整个地热开采利用系统中仅采用一种储热介质，双介质即在送流管路、采热管路和回流管路中采用一种介质，在集热和发电系统中采用另一种介质。双介质形式的好处是可以在集热和发电系统中采用沸点较低、成本较高的介质，提高储热介质气化效率，在其他系统中采用便宜环保的介质，从而提高发电的效率、降低经济成本。

[0012] 地热开采与充填采煤之间的工艺流程为：充填开采方法可以是膏体充填、高水充填、逐巷胶结充填，不同的充填开采方法，对应的工艺流程有所区别。

[0013] 膏体充填和高水充填时，地热开采与充填采煤之间的工艺流程为：随着工作面的推进，间隔布置挂袋充填段和开放式充填段，其中在开放式充填段安设采热管路，开放式充填段充填作业在两侧挂袋充填作业和采热管路安装均结束后进行。采热管路安装好后与回流和送流管路连接，形成完整的回路，通储热介质，对地热开采利用。

[0014] 逐巷胶结充填开采时，地热开采与充填采煤之间的工艺流程为：先由综掘机(连续采煤机)掘进充填联络巷，掘进完成后在充填联络巷中安设采热管路，采热管路安设完成以后将充填联络巷进行充填。采热管路安装好后与回流和送流管路连接，形成完整的回路，随后通储热介质→启动送流泵→启动送流泵→进行集热及发电。

[0015] 采热管固定装置，具体特征为：固定装置为一带双耳的U型套件，U型套件双耳上分别有固定用的孔。U型套件套住采热管，通过向顶底板打锚固杆体的形式实现对采热管的固定。

[0016] 有益效果：本发明提供的一种采空区充填体提取地热能的系统及其工作方法，与现有技术相比，具有以下优势：本发明可以实现深部矿产资源充填开采和地热开采的协同，充填、采煤和采热工艺之间的干扰较小。地热开采系统的运行可以降低采场的温度，地热发电可用于矿井生产和矿区居民生活。发电设备设置在井下，送流及回流系统之间存在较小的高差，无需大功率提升泵，能量消耗低。采热系统所用的储热介质处于封闭的系统中，可循环利用，不会造成污染和浪费。地热开采系统依托现有的充填采煤生产系统，工作面无需新开掘巷道，增加成本较小，可以用于新矿井，也可以用于旧矿井的改造。综上，此采空区充填体提取地热能的方法此是一种绿色高效的深部矿井地热能开采方法。

附图说明

[0017] 图1：采热利用系统整体原理图；

[0018] 图2：膏体充填/高水充填工作面采热系统管路布置图；

[0019] 图3：逐巷胶结充填工作面采热系统管路布置图；

[0020] 图4：采热管安装固定示意图；

[0021] 图中：1-送流系统；1.1-储热介质补充阀门；1.2-送流泵；2-采热系统；3-回流系统；3.1-回流泵；4-集热及发电系统；5-充填袋充填段；6-开放式充填段；7-采热管；8-送流管路；9-回流管路；10-工作面回采巷道Ⅰ；11-工作面回采巷道Ⅱ；12-采矿机；13-充填液压支架；14-煤体；15-胶结充填体；16-间隔煤柱；17-采空区；18-U型套件；18.1-U型套件固定孔；19-工作面顶板；20-工作面底板。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

[0023] 本发明主要通过在采空区充填体中布置采热管路的方式对充填体内的热能进行提取。在送流管路中注入采集地热所需的储热介质，储热介质经流布置在充填体中的采热管后被加热，由回流管路输送至发电车间，储热介质经发电利用后冷却，重新循环至送流管路中，如此循环，实现对采空区充填体内热能的提取。主要包括系统：送流系统1、回流系统3、采热系统2、集热及发电系统4，如图1所示。

[0024] 送流系统1设备包括送流管路8、送流泵1.2和储热介质补充阀门1.1。送流管路由8隔热材料组成，减少储热介质在运输过程中的热量交换。其中送流管路8由集热发电系统4前端敷设至充填采热工作面对应的工作面回采巷道Ⅰ10中，管路沿矿井原有的巷道进行敷设，不新掘巷道。

[0025] 回流系统3包括回流管路9和回流泵3.1。回流管路9与送流管路8材质相同，具有隔热性能，均采用保温管，保温管类型可以选择钢套钢复合型、聚氨酯型或其他型式，管径由储热介质流量确定。送流管路8和回流管路9在工作面处段分别位于两个不同的回采巷道中。回流管路9由集热发电系统4末端敷设至充填采热工作面对应的工作面回采巷道Ⅱ11中，管路沿矿井原有的巷道进行敷设，不新掘巷道。

[0026] 采热系统2包括采热管7、导热硅脂、采热管固定装置、采热管与送流管路及回流管路的链接装置。其中采热管采用导热性能优良的管体，为了增加管体与充填体之间的接触密实性，增加热传导系数，在采热管周围涂导热硅脂。采热管为蛇形，其沿工作面方向布置，分别链接送流管路8和回流管路9。蛇形采热管蛇形平面垂直工作面顶底板布置，利用固定装置将蛇形采热管两侧弯曲处分别固定在顶底板上。这种采热管安装形式可以实现充填作业的一次性全高充填，无需分层充填和凝固等待时间。采热管固定装置为一带双耳的U型套件，U型套件双耳上分别有固定用的U型套件固定孔18.1。U型套件套住采热管，通过向顶底板打锚固杆体的形式实现对采热管的固定，如图4所示。

[0027] 集热及发电系统4包括蓄水设备、闪蒸设备、发电设备。由于适宜开采的深部矿井的充填体温度一般难以达到储热介质的沸点，储热介质在吸热后难以形成蒸汽来推动发电机运转，一般采用低压闪蒸设备将储热介质气化，进而推动汽轮进行发电。除此之外，还可以不利用蒸汽进行发电，运用热膨胀能进行发电。发电机的发电原理可以是发电设备布置在井下，可以减少深井储热介质泵送困难、耗能大的问题。

[0028] 储热介质可以是水、乙醇等比热容较大且沸点较低的液体，可以采用单介质形式或双介质形式。单介质即在整个地热开采利用系统中仅采用一种储热介质，双介质即在送流管路、采热管路和回流管路中采用一种介质，在集热和发电系统中采用另一种介质。双介质形式的好处是可以在集热和发电系统中采用沸点较低、成本较高的介质，提高储热介质气化效率，在其他系统中采用便宜环保的介质，从而提高发电的效率、降低经济成本。

[0029] 地热开采与充填采煤之间的工艺流程为：充填开采方法可以是膏体充填、高水充填、逐巷胶结充填，不同的充填开采方法，对应的工艺流程有所区别。

[0030] 如图2所示，膏体充填和高水充填时，地热开采与充填采煤之间的工艺流程为：随着工作面的推进，在采空区中间隔布置充填袋充填段5如挂袋充填段和开放式充填段6，其中在开放式充填段6中安设采热管路，开放式充填段6充填作业在两侧挂袋充填作业和采热管路安装均结束后进行。采热管路7安装好后与回流管路9和送流管路8连接，形成完整的回路，即可通储热介质进行地热开采利用。沿着煤体14的工作面方向，设置好充填液压支架13，采矿机12进行开采工作。

[0031] 如图3所示，逐巷胶结充填开采时，地热开采与充填采煤之间的工艺流程为：先由综掘机(连续采煤机)掘进充填联络巷，掘进完成后在间隔煤柱16两边的采空区17的充填联络巷中安设采热管路7，采热管路7安设完成以后将充填联络巷进行充填胶结充填体15。采热管路7安装好后与回流管路9和送流管路8连接，形成完整的回路，即可通储热介质进行地热开采利用。

[0032] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。