深井热资源的利用研究

摘 要：随着矿井开采向深部的延深，深井热资源将会越来越丰富。文章阐述了深井热资源的形成原因，并将主要的深井热资源进行了详细的分类，并给出了合理的利用方法。一方面使得深井热资源得到了利用，另一方面也减少了深井热资源对矿井安全生产及人员健康的影响，实现矿井和谐健康发展。

关键词：地热；安全生产；人员健康

随着采矿工业的发展，矿井逐年向深部延伸，地温也随之上升。根据我国目前地温观测统计资料，每延伸100m，地温将上升（1.8～4.4）℃，随着的深井热资源也越来越丰富，如何合理地利用深井热资源是目前国内外亟需解决的难题，随着矿井向深部的延深，深井热必然影响到深部矿井采掘工作面的安全开采。因此，从能源利用和安全生产的角度来讲，合理的利用深井热资源都是现阶段及未来亟需考虑的问题。深井热资源主要为地下热水、岩层地热以及其他组成热源组成[1]。

1 深井热资源的成因

深井热资源的成因概括起来可以分为天然因素和人为因素，其中天然因素起着关键性的作用。

1.1 天然因素[2]

天然因素是指地球表面和内部原来所具有的，而不是由于人类的生产活动所产生的，这就是地表气温和地温，而地下热水属于地温的范畴。从天然因素而言，后者起着关键性的作用。

1.1.1 地表气温

矿井进风风流的温度是由矿井所在地的气候和气象条件决定的，也是由矿井所在地的地理条件决定的。四季周期性的变化，也将影响到矿井进风风流的温度，矿井内风流的温度也将呈现周期性的变化。在夏季，如果馕赂哂谘椅拢岩壁从空气中吸热而升温，反之，在冬季则岩壁向空气散热而降温。岩壁中随着地表气温周期性变化而发生温度变化的部分，称之为“调热圈”。调热圈对井下气温起着调节作用。它的厚度在进风风流的始端最厚，随着井巷的延伸逐渐变薄，以至完全消失。过了调热圈消失点以后，井下气温也就不再受到地表周期性变化的影响。

1.1.2 地温[3]

地球是一个庞大的热库，储藏着无穷无尽的热能，并且不断地把热量由上部地壳传导散发到空间，同时又接受太阳的辐射热量。地温带从浅至深可以分为变温带、恒温带及增温带。

由于增温带是随着深度的增加而地温升高，深井内的热资源也就越丰富。随着地温的升高，也使矿井内的风流上升，而形成深井热害。矿床地质勘探时，测定原始岩温、恒温带的深度和温度、地温梯度以及岩石热导率等原始数据对于地热资源的研究至关重要，同时也为深井热害的治理提供了有力的理论基础和技术支撑。

1.1.3 地下热水

大气降水渗入地下，在一定的地质条件下，因受地球内部热能的影响而形成温度不同的地下热水，故地下热水也属于地温的范畴。但是因其是与岩石导热完全不同的特殊载体，因此单独予以阐述。在水平或倾斜较缓的含水层，地热热水的运动具有较小的渗透速度，一般与围岩处于相对平衡状态，在这种情况下形成地壳的正常水热运动，形成一定的地热资源；而当地下热水沿倾角陡峭的裂隙或断层上升时，多数情况下都具有很大的运动速度。由于水温来不及适应远距离围岩的温度，因此形成局部地热异常带，形成丰富的地热资源。如沿断裂及构造破碎带上涌至地表，则形成温泉，但是有时也能涌入矿井，而形成深井热害。热水在流动的过程中，将热量传递给周围的岩石使地温增加，形成丰富的深井热资源[4]。

1.2 人为因素

人为因素只要是由于人类生产活动而产生的，也就是矿床经建设和开采以后在矿井中产生的热资源。这些热资源主要有：机电设备生热、空气受压缩放热、顶板岩石下沉及采落矿岩散热、氧化放热、混凝土水化作用放热、凿岩爆破生热以及人体散热等，这些都是因为人为因素而形成的热资源，这些热资源具有很强的不确定性，分布不集中，如果处理不好，也会形成深井热害，以致严重威胁矿井的安全生产。

2 深井热资源的利用

2.1 地下热水的利用

深井地下热水，既是造成深井热害，威胁矿井安全生产和人员身心健康的热源，又是可以利用的宝贵的热资源。这种热资源，可以作为能源，为广大工农业生产和社会福利事业所利用，又可作为生活用水、饮用水和医疗用水的水源[5]。

2.2 地热的利用

当前利用地热主要是利用废旧巷道或采空区（应有一定长度）作为冬季矿井的进风道，使进风流在其中进行充分的热交换，提高进风温度，防止井筒和巷道的冰冻。

在我国北方许多矿区冬季地面气温很低，在进风风筒和巷道内，当其围岩壁面有水时，就会出现冰冻现象，致使通风断面减小，风阻增大，矿井通风条件恶化。冰冻严重时，还会造成卡罐、坠罐、落冰伤人和风、水管道冻裂等事故，给运输、提升装置的正常运行带来困难，威胁矿井安全生产，影响人员的身心健康，降低劳动生产率。

利用地温预热进风温度，可以省去锅炉蒸汽预热的基本建设工程和设备的投资，节省锅炉用煤，安全可靠，易于管理。根据矿井地温预热矿井进风流的经验可概括为以下几点：

（1）对现有矿井事先应该对废旧巷道井巷和采空区切实调查清楚。为了更好地利用地热，尽可能选用干燥、岩石稳固、所处位置较深、没有积水的巷道做预热巷道，还要清除其中的杂物、废石，进行必要的维修。

（2）利用地温预热的矿井，其总风量应比矿井正常通风量大15%～20%，预热后的热空气除供井下使用外，其余热空气送至提升井口，防止井筒冻结。

（3）利用地热预热矿井进风流的调热巷道，应尽量采用多分支并联巷道网络或大断面的巷道。通过上述这种方式，可以减少通风阻力，降低风速，从而达到节约矿井扇风机的能耗，增加空气与围岩壁面的热交换面积和效果，减少高速气流吹扬岩壁粉尘，污染矿井风流。

（4）为了克服预热巷道网的通风阻力，当矿井主要扇风机能力有限，不能平衡由于调热巷道而增加的阻力时，一般可在井下安设辅扇，辅扇的风量和风压应作选型计算；如果用多台并联在不同分支巷道中的辅扇，还应注意它们联合运转的合理性。务必使之在预热巷道网络中不出现循环风流以及不出现风量损失。当全矿主扇能力有足够的备用量时，也可采用主扇来克服预热巷道网的阻力。