CN109945534A - 一种矿井热能***及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采矿技术，具体而言，涉及一种矿井热能***及施工方法，所述矿井包括多个位于地下的巷道，所述巷道四周为围岩，所述巷道内设置有多个锚杆以及/或者锚索，所述热能***包括连通管路与多个换热机构，所述连通管路将所述换热机构连通至热泵机组形成热循环***，所述换热机构设置于各所述巷道的围岩中，所述换热机构集成设置在围岩中的锚杆以及/或者锚索，所述换热机构包括集成换热管路，所述集成换热管路具有输入口和输出口，所述输入口连通所述连通管路上游，所述输出口连通所述连通管路下游，本方案充分利用巷道围岩中的热能，满足矿井周边提供热能需求，节能减排，改变了传统煤炭供热方式对环境的污染。

Description

一种矿井热能***及施工方法

技术领域

本发明涉及采矿技术领域，具体而言，涉及一种矿井热能***及施工方法。

背景技术

随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅层煤炭资源日益减少，很多矿山相继进入深层煤炭资源开采状态。而随着开采深度的增加，地温增高，使得矿井空气温度升高，巷道围岩蕴含大量的中低温地热能，开发潜力巨大，且热源稳定，不受外界条件干扰。我国大部分矿井井口以及矿井周边的生活区需要供热，原有主要的供热方式是燃煤锅炉，燃煤锅炉环境污染严重，为满足供热需求，降低环境污染，故提出本申请。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿井热能***及施工方法，其能够利用矿井巷道围岩的热能，满足矿井周边的热能需求。

本发明的实施例是这样实现的：

一种矿井热能***，所述矿井包括多个位于地下的巷道，所述巷道四周为围岩，所述巷道内设置有多个锚杆以及/或者锚索，所述热能***包括连通管路与多个换热机构，所述连通管路将所述换热机构连通至热泵机组形成热循环***；

所述换热机构设置于各所述巷道的围岩中，所述换热机构集成设置在围岩中的锚杆以及/或者锚索，所述换热机构包括集成换热管路，所述集成换热管路具有输入口和输出口，所述输入口连通所述连通管路上游，所述输出口连通所述连通管路下游。

优选的，在本发明的一种实施例中，上述集成换热管路设置在所述锚杆以及/或者锚索内部。

优选的，在本发明的一种实施例中，上述连通管路的上游部分包括相互连通的上游连接管和上游分支管；

所述上游连接管沿所述巷道的长度方向延伸设置，所述上游分支管与所述锚杆以及/或者锚索一一对应设置，所述上游分支管与其对应的输入口连通。

优选的，在本发明的一种实施例中，上述连通管路的下游部分包括相互连通的下游连接管和下游分支管；

所述下游连接管沿所述巷道的长度方向延伸设置，所述上游分支管与所述锚杆以及/或者锚索一一对应设置，所述下游分支管与其对应的输出口连通。

优选的，在本发明的一种实施例中，上述输入口和所述输出口位于围岩外侧的锚杆以及/或者锚索的端部。

优选的，在本发明的一种实施例中，上述集成换热管路内设置有温度传感器和水压传感器；

所述锚杆托盘以及/或者锚索托盘集成有用于显示温度和水压的显示器。

优选的，在本发明的一种实施例中，上述巷道顶部设置有表层换热部；

所述表层换热部包括喷浆层、安装网以及蛇形盘绕设置在所述安装网上的暖管，所述喷浆层覆盖所述安装网及暖管并将所述安装网和暖管固定在所述巷道顶部；

所述暖管的两端分别连通所述连通管路上游和所述连通管路下游。

优选的，在本发明的一种实施例中，上述安装网的设置有用于放置暖管的暖管座；

所述暖管通过绑扎带固定连接所述安装网。

一种施工方法，包括：

在掘进施工完成后的巷道围岩上间隔开设多个锚杆孔或锚索孔；

对配置有集成换热机构的锚索或锚杆进行逐个安装；

截取安装网段，在截取后的安装网上标记出锚杆或托盘位置；

在标记有锚杆或托盘位置的安装网上铺设暖管，铺设中避开标记的锚杆或托盘位置；

将安装有暖管的安装网从巷道的一侧沿巷道顶部铺设至巷道的另一侧，安装已经铺设有安装网和暖管处的锚索或锚杆的托盘，并进行预紧；

最后留出管头进行喷浆作业，形成覆盖安装网及暖管的喷浆层。

本发明实施例的有益效果是：

充分利用巷道围岩中的热能，满足矿井周边提供热能需求，节能减排，改变了传统煤炭供热方式对环境的污染。换热机构集成设置在围岩中的锚杆以及/或者围岩中，连通管路将换热机构连通至热泵机组形成热循环***，热泵机组进一步提升从换热机构内流出液体的温度，高温度液体用于满足矿井周边的热能需求。锚杆以及/或者锚索具有固定巷道围岩的作用，换热机构与巷道内的锚杆或锚索相结合，充分利用矿井巷道内的原有结构，减少热能***管路耗材，减少施工量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例结构示意图；

图2为本发明实施例表层换热部结构示意图；

图3为本发明实施例表层换热部侧面结构示意图。

图标：1－巷道；2－换热机构；21－集成换热管路；22－输入口；23－输出口；3－热泵机组；4－上游连接管；5－上游分支管；6－下游连接管；7－下游分支管；8－供热终端；9－表层换热部；91－安装网；92－暖管；93－螺纹套；94－锚杆孔；95－绑扎带；96－暖管座；97－定位钉；98－喷浆层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参照图1所示，本实施例提供一种矿井热能***，矿井包括多个位于地下的巷道1，巷道1四周为围岩，围岩相对的两侧以及/或者围岩的顶部分别沿巷道1的长度方向排列设置有多个锚杆以及/或者锚索。热能***包括连通管路与多个换热机构2，连通管路将换热机构2连通至热泵机组3形成热循环***，热泵机组3设置在矿井外，热泵机组3连接供热终端8，供热终端8可以是矿井附近的生活区、矿井井口或洗浴区。

换热机构2包括集成换热管路21，集成换热管路21设置在锚杆以及/或者锚索内部，集成换热管路21具有输入口22和输出口23，输入口22接通连通管路上游，输出口23接通连通管路下游，输入口22和输出口23位于围岩外侧的锚杆以及/或者锚索的端部。

连通管路的上游部分包括相互连通的上游连接管4和上游分支管5，上游连接管4沿巷道1的长度方向延伸设置，上游分支管5与锚杆以及/或者锚索一一对应设置，上游分支管5与其对应的输入口22连通；连通管路的下游部分包括相互连通的下游连接管6和下游分支管7，下游连接管6沿巷道1的长度方向延伸设置，上游分支管5与锚杆以及/或者锚索一一对应设置，下游分支管7与其对应的输出口23连通。

热能***用液体作为热能的载体，液体可以为水，液体从热泵机组3内流出，先流入上游连接管4，上游连接管4通过连通阀连通上游分支管5，液体经过连通阀进入上游分支管5，通过上游分支管5进入集成换热管路21内，集成换热管路21位于围岩内，液体在集成换热管路21内充分吸收围岩的热量后，液体从输出口23流出集成换热管路21进入下游分支管7，液体通过下游分支管7流入下游连接管6，下游连接管6连通热泵机组3，热泵机组3进一步提升从下游连接管6流出液体的温度，提升温度后的液体从热泵机组3流出，流向供热终端8，为供热终端8提供热能；液体通过管路从供热终端8进行回流，流向热泵机组3，然后通过热泵机组3再次流入上游连接管4，完成循环。

本方案充分利用巷道1围岩中的热能，满足矿井周边提供热能需求，节能减排，改变了传统煤炭供热方式对环境的污染。换热机构2集成设置在围岩中的锚杆以及/或者围岩中，连通管路将换热机构2连通至热泵机组3形成热循环***，热泵机组3进一步提升从换热机构2内流出液体的温度，高温度液体用于满足矿井周边的热能需求。锚杆以及/或者锚索具有固定巷道1围岩的作用，换热机构2与巷道1内的锚杆或锚索相结合，充分利用矿井巷道1内的原有结构，减少热能***管路耗材，减少施工量。热循环***还可以降低巷道1围岩的温度，保证围岩温度适合工作生产。

实施例2

请参照图1所示，本实施例提供一种矿井热能***，矿井包括多个位于地下的巷道1，巷道1四周为围岩，围岩相对的两侧以及/或者围岩的顶部分别沿巷道1的长度方向排列设置有多个锚杆以及/或者锚索。热能***包括连通管路与多个换热机构2，连通管路将换热机构2连通至热泵机组3形成热循环***，热泵机组3设置在矿井外，热泵机组3连接供热终端8，供热终端8可以是矿井附近的生活区、矿井井口或洗浴区。

换热机构2包括集成换热管路21，集成换热管路21设置在锚杆以及/或者锚索内部，集成换热管路21具有输入口22和输出口23，输入口22接通连通管路上游，输出口23接通连通管路下游，输入口22和输出口23位于围岩外侧的锚杆以及/或者锚索的端部，集成换热管路21内设置有温度传感器和水压传感器，锚杆托盘以及/或者锚索托盘集成有用于显示温度和水压的显示器，通过每个锚杆托盘以及或者锚索托盘上的显示器可查集成换热管路21内的压强和温度，从而可进一步估测围岩温度。热能***还包括有中控器，中控器电性连接热泵机组3并控制热泵机组3的开关；显示器具有无线信号发送功能，显示器电性连接中控器，并将集成换热管路21内温度和水压信息传输至中控器。中控器设置有警报装置，在中空器设置有压强和温度范围，当集成换热管路21内压强和温度高于中控器设置的上限时，中控器控制警报装置进行警报。

在上述原理的基础上，中控器可连接显示模块，显示当前热泵机组3工作状况、集成换热管路21中压强和温度，同时基于集成换热管路21中液体的温度监控巷道1围岩的温度。

可以理解的是，以上实施例中所述在各个换热机构2均设置有温度或压力传感器，并在各个换热机构2上设置有数据采集终端(所述显示器只是一种示例，实质上可以理解这是一个包括数据连接接口、处理器、存储器和数据通讯接口的智能终端)，以此，便可以利用分布在巷道内的多个换热机构2上的智能终端，来检测基于液相或固相上的温度与压力数据，且这个数据是深入至巷道围岩一定深度的数据。这些智能终端可以均赋予一个识别码，以便于标识其位置，如此便可以将这些智能终端采集温度与压力数据进行有效收集，比如可形成实时更新的围岩热力分布图，与围岩力学监测***整合后便可以有效与全面地监测巷道围岩的应力状况，有效监测应力集中情况，避免事故造成的重大损害。

实施例3

结合图1－3所示，在上述结构和原理的基础上，本实施例提供一种矿井热能***，沿巷道1长度方向，在巷道1两侧的围岩上对应排列设置有多个锚杆以及/或者锚索，热能***包括连通管路与多个换热机构2，连通管路将换热机构2连通至热泵机组3形成热循环***，热泵机组3设置在矿井外，热泵机组3连接供热终端8，供热终端8可以是矿井附近的生活区、矿井井口或洗浴区。换热机构2包括集成换热管路21，集成换热管路21设置在锚杆以及/或者锚索内部，集成换热管路21具有输入口22和输出口23，输入口22和输出口23位于围岩外侧的锚杆以及/或者锚索的端部，输入口22接通连通管路上游，输出口23接通连通管路下游。

连通管路的上游部分包括上游连接管4和上游分支管5，上游分支管5与锚杆以及/或者锚索一一对应设置，上游连接管4沿巷道1的长度方向延伸设置，上游分支管5与其对应的输入口22连通，上游连接管4通过连接头连通巷道内全部的上游分支管5，上游连接管4一端做封堵设计，上游连接管4的另一端从巷道内引出连接热泵机组；连通管路的下游部分包括相互连通的下游连接管6和下游分支管7，下游连接管6沿巷道1的长度方向延伸设置，上游分支管5与锚杆以及/或者锚索一一对应设置，下游分支管7与其对应的输出口23连通。

巷道1顶部选择设置有表层换热部9，表层换热部9可主要包括喷浆层98、安装网91和暖管92。安装网91可以是巷道面层用于提供固定作用的铁丝网，其中安装网91上可以设置多个暖管座96，这些暖管座96可以顺暖管92布置路径进行分布，比如呈回形分布，暖管座96可选择为一种塑料材质的卡子，暖管座96可以保护暖管92，尽可能避免暖管92受到挤压变形。

一种实施例中，暖管座96可以选择设置有用于容纳暖管92的凹陷部，暖管92放置在暖管座96上。将绑扎带95穿过安装网91上的网孔，绑扎带95将暖管92与暖管座96固定连接。

为了避免暖管92受到挤压变形，还有一种选择是，将安装网91的材质选择为片状钢带形式，如此可以避免线性钢条与管材配合中的应力集中问题。可在一个安装网91网络的指定边上规则地设置U形折弯，以便于来固定暖管92，比如，一个安装网91矩形或四边形网络的两个纵向边上的中点位置均设U形折弯，以U形折弯固定横向地回转布置的暖管92，以此，便可以省下专用的暖管座96，而安装网91只需要规模化批量生产即可，只是安装暖管92时有选择的使用即可。

安装网91外形可选择为矩形，具体尺寸可以根据生产情况确定，安装网91的四个角一种选择是，分别设置有用于配合定位钉97的螺纹套93，安装网91铺设在巷道1顶部后，安装网91对应巷道1顶部的两侧分别设置有锚杆孔94，喷浆层98覆盖安装网91及暖管92并将安装网91和暖管92固定在巷道1顶部；暖管92具有进口和出口，暖管92的进出两端分别与连通管路上游和连通管路下游连通，连通管路与热泵机组连通。

表层换热部9施工时，将固定有暖管92的安装网91铺设在巷道1顶部，定位钉97穿过螺纹套93并深入巷道1围岩内，定位钉97对安装的四个角进行定位，锚杆穿过锚杆孔94进入巷道1围岩内，锚杆的托盘对安装网91进一步固定，喷浆层98采用水泥浆，喷浆层98覆盖安装网91及暖管92，水泥浆透过安装网91粘附在巷道1顶部，喷浆层98固定安装网91的同时，对暖管92具有保温作用。

本实施例中，所说安装网91为行业中用于加固巷道的铁丝网，也就是说，基于现有加固材料来铺设换热***，且在安装网91外设置喷浆层进行表面加固，即对巷道表面加固的同时，实施了表层换热***的固定，也可以喷浆层材料中加入保湿材料，这样也就能提高换热效率。所以说安装网91还可以选择由围岩一侧底边通铺到另一侧底边，这样施工上会有一定便利性，只需要现场截取定长的安装网91便可以，这种方式下，安装网91的固定便可以由锚索或锚杆的托盘直接压固在围岩面上，而暖管92的布置也不仅限于在巷道顶部，其可以随安装网91进行铺设，避开锚索或锚杆的托盘即可。

而对于这种表层换热部9，由于液体的受热效应，可考虑是，靠近围岩两侧底边为低温的液体入口，低温的液体的主管可以沿巷道两侧底边布设。而表层换热部9吸热后的液体出口则可以设置在巷道顶部，接低温的液体的主管可以设置在巷道顶部进行固定。液体温度上升后会提升到巷道顶部，会利用热力学原理进行自动循环，不需要再外加循环动力。

本方案中，巷道1沿巷道1的长度方向铺设有多个表层换热部9，每个表层换热部9内的暖管92两端别与连通管路上游和连通管路下游连通。换热***可对巷道1表面及巷道1围岩内部进行换热，并且换热***充分与巷道1内结构相结合。

本申请的一实施例的施工方法可以是，

配置集成有换热机构的锚索或锚杆，以及配置安装网与暖管；

在巷道掘进施工完成后，先在巷道围岩面上间隔地开设多个锚索或锚杆孔；

逐个进行锚索或锚杆的安装，但不安装托盘；

按巷道侧及顶的长度和来截取出多个安装网段，之后在巷道底面上平铺这种安装网段；在安装网段上标记出托盘位置；

取两卷暖管分别由安装网段两侧向安装网中部进行回字形铺设，铺设中避开标记的托盘位置；

安装网为金属材质，具有一定韧性和刚性，完成铺管后的安装网一端侧抵住一侧的巷道底边，之后顺巷道围岩面拱起，并将另一侧抵住另一侧的巷道底边，完成一个拱形预固定；

之后，安装已经铺设有安装网和暖管处的锚索或锚杆的托盘，并完成锚索或锚杆的预紧；

最后留出管头或完成接管后进行喷浆作业，形成外层喷浆层，完成施工。

依据上述结构的换热***以及换热***施工方法，由于将换热***的施工完全集成于原有的巷道加固施工作业，施工步骤不会增加，可节省施工周期和施工成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种矿井热能***，所述矿井包括多个位于地下的巷道，所述巷道四周为围岩，所述巷道内设置有多个锚杆以及/或者锚索，其特征在于，所述热能***包括连通管路与多个换热机构，所述连通管路将所述换热机构连通至热泵机组形成热循环***；

所述换热机构设置于各所述巷道的围岩中，所述换热机构集成设置在围岩中的锚杆以及/或者锚索，所述换热机构包括集成换热管路，所述集成换热管路具有输入口和输出口，所述输入口连通所述连通管路上游，所述输出口连通所述连通管路下游。

2.根据权利要求1所述的热能***，其特征在于，所述集成换热管路设置在所述锚杆以及/或者锚索内部。

3.根据权利要求1所述的热能***，其特征在于，所述连通管路的上游部分包括相互连通的上游连接管和上游分支管；

所述上游连接管沿所述巷道的长度方向延伸设置，所述上游分支管与所述锚杆以及/或者锚索一一对应设置，所述上游分支管与其对应的输入口连通。

4.根据权利要求1所述的热能***，其特征在于，所述连通管路的下游部分包括相互连通的下游连接管和下游分支管；

所述下游连接管沿所述巷道的长度方向延伸设置，所述上游分支管与所述锚杆以及/或者锚索一一对应设置，所述下游分支管与其对应的输出口连通。

5.根据权利要求1所述的热能***，其特征在于，所述输入口和所述输出口位于围岩外侧的锚杆以及/或者锚索的端部。

6.根据权利要求1所述的热能***，其特征在于，所述集成换热管路内设置有温度传感器和水压传感器；

所述锚杆托盘以及/或者锚索托盘集成有用于显示温度和水压的显示器。

7.根据权利要求1所述的热能***，其特征在于，所述巷道顶部设置有表层换热部；

所述表层换热部包括喷浆层、安装网以及蛇形盘绕设置在所述安装网上的暖管，所述喷浆层覆盖所述安装网及暖管并将所述安装网和暖管固定在所述巷道顶部；

所述暖管的两端分别连通所述连通管路上游和所述连通管路下游。

8.根据权利要求7所述的热能***，其特征在于，所述安装网的设置有用于放置暖管的暖管座；

所述暖管通过绑扎带固定连接所述安装网。

9.一种施工方法，其特征在于，包括：

在掘进施工完成后的巷道围岩上间隔开设多个锚杆孔或锚索孔；

对配置有集成换热机构的锚索或锚杆进行逐个安装；

截取安装网段，在截取后的安装网上标记出锚杆或托盘位置；

在标记有锚杆或托盘位置的安装网上铺设暖管，铺设中避开标记的锚杆或托盘位置；

将安装有暖管的安装网从巷道的一侧沿巷道顶部铺设至巷道的另一侧，安装已经铺设有安装网和暖管处的锚索或锚杆的托盘，并进行预紧；

最后留出管头进行喷浆作业，形成覆盖安装网及暖管的喷浆层。