CN112901262A - 一种充填体内采热管路预留***及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种充填体内采热管路预留***及设计方法，包括充填体内热源迁移半径的确定、周围岩层热源的迁移半径确定、掘巷宽度的确定。根据煤层和周围岩层的性质以及充填材料充填至采空区后形成的胶结充填体的热传导性质，合理的确定在进行布置采热***时确定采热***的采热条带宽度，使得布置的采热管道均在岩层的热源迁移的半径范围之内，保证采热管道始终位于热源内。本发明在确定采热管路在充填体内的位置同时，实现了矿井不同资源的合理化利用。
Description
技术领域
本发明属于资源枯竭型矿井井下充填开采技术领域，具体涉及一种充填体内采热管路预留***及设计方法，具体是一种利用井下充填技术合理的预留采热管路位置的***及其设计方法。
背景技术
目前随着煤炭资源的高强度开采，东部浅部煤炭资源逐渐枯竭，我国煤炭资源的发展方向主要向东部深部和西部发展。伴随着煤炭资源矿井逐渐向东部深部发展，导致我国东部浅部的百十余座矿井面临的闭坑的困境，使得大对数的矿井工人面临失业。因此在东部浅部矿井如何延续这些矿井的服务年限解决百万矿井工人的就业问题是目前亟待解决的问题。
对于目前的井下充填开采技术逐渐走向成熟，特别是长壁逐巷胶结充填技术也逐渐在山东、内蒙等地推广应用。利用井下胶结充填技术在胶结充填体内埋设采热管道，其中利用矿井原有的巷道空间布置采热管路路线。对于含有煤层的软弱岩层，在布置采热装置时尽量布置在煤层中，使得在采热的过程中，顺便开采煤炭资源储量，增加矿井效益。对于没有煤层的矿井，采热装置布置在软弱岩层中，煤层是一种特殊的软弱岩层，使得在采热的过程中，采煤与充填服务采热，充分发挥东部浅部矿井的可利用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种充填体内采热管路预留***及设计方法，解决了充填体内管道位置选择的问题，增长了东部浅部矿井的服务年限的同时，实现了煤炭资源和地热的协同开采，以充填技术服务于采煤，实现在热源处利用开采空间直接采热。
技术方案：本发明的技术方案如下：
本发明的一个目的是，提供一种充填体内采热管路预留***，在胶结充填采煤方法形成的巷道中布置采热管道，构成采热***的采热条带，实现工作面的原位采热；其中，所述采热条带的宽度在热源的迁移分布半径范围之内，即：
当煤层与周围岩层分离时，胶结充填体巷道位于煤层内，满足：
d＜R岩，d＜R胶
或，当煤层包含在周围岩层内时，胶结充填体巷道位于煤层和周围岩层之间，满足：
d＜R岩，d＜R煤，d＜R胶
其中，d为采热条带的宽度，R岩为热源在顶底板围岩中的迁移半径，R煤为热源在煤层中的迁移半径，R胶为热源在胶结充填体中的迁移半径。
进一步的，所述热源在顶底板围岩中的迁移半径R岩为热源在顶底板围岩的岩体内迁移的最大有效范围。
进一步的，所述热源在胶结充填体中的迁移半径R胶为热源在胶结充填体中迁移的最大有效范围。
进一步的，所述采热管路的布置方法为在长壁逐巷胶结充填采煤法形成的巷道中布置采热管道。
进一步的，布置采热管道的巷道包括软弱岩层、煤层的巷道。
本发明的另一个目的，是提供一种充填体内采热管路预留***的设计方法，具体是测定进行采热的煤层、周围岩层以及用于煤层内充填的胶结充填体的热传导性质，相应得到热源在周围岩层及充填体内的迁移半径，由此确定采热***的采热条带的宽度，使得布置的采热管道均在岩层的热源迁移的半径范围之内。
进一步的，所述周围岩层的热传导性质的测定是指，在进行布置采热***之前，对井下充填工作面的顶底板围岩取样，测定顶底板围岩试样的导热系数以及热源在顶底板岩层的中迁移速度v岩，将导热系数和迁移速度代入ANSYS软件中模拟得到热源在顶底板围岩的岩体内迁移的最大有效范围，即为热源在顶底板围岩中的迁移半径R岩。
进一步的，所述煤层的热传导性质的测定是指，当煤层包含在周围岩层内时，胶结充填体巷道位于煤层和周围岩层之间，在煤层取样，测定煤层试样的传热效率即导热系数以及热源在煤层中的迁移速度v煤，将导热系数和迁移速度代入ANSYS软件中模拟得到热源在煤层中迁移的最大有效范围，即为热源在煤层中的迁移半径R煤。
进一步的，所述胶结充填体的热传导性质的测定是指，在制作胶结充填体的过程中，监测胶结充填体不同养护龄期的热传导性质即导热系数以及热源在胶结充填体中的迁移速度v胶，将导热系数和迁移速度代入ANSYS软件中模拟得到热源在胶结充填体中迁移的最大有效范围，即为热源在胶结充填体中的迁移半径R胶。
进一步的，所述采热条带的宽度在热源的迁移分布半径范围之内，即：
当煤层与周围岩层分离时，胶结充填体巷道位于煤层内，满足：
d＜R岩，d＜R胶
或，当煤层包含在周围岩层内时，胶结充填体巷道位于煤层和周围岩层之间，满足：
d＜R岩，d＜R煤，d＜R胶
其中，d为采热条带的宽度，R岩为热源在顶底板围岩中的迁移半径，R煤为热源在煤层中的迁移半径，R胶为热源在胶结充填体中的迁移半径。
有益效果：本发明公开了一种充填体内采热管路预留***及设计方法，将井下充填开采技术与采热技术相结合，充分利用井下采煤空间布置采热装置和采热管道，直接在井下热源处进行采热，实现废弃矿井的二次利用。不仅缓解了东部浅部矿井闭坑的问题，而且实现了绿色资源的开发利用。通过合理的设置采热管路在热源迁移的有效半径范围之内，提高矿井地热的开采效率。本发明方法新颖，集充填、采煤、采热于一体，具有很好的推广价值。
附图说明
图1为本发明的一种充填体内采热管路预留***及设计方法流程图。
图2为本发明的一种充填体内采热管路预留***的管道布置示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种充填体内采热管路预留***及设计方法，包括充填体内热源迁移半径的确定、周围岩层热源的迁移半径确定、掘巷宽度的确定。根据煤层和周围岩层的性质以及充填材料充填至采空区后形成的胶结充填体的热传导性质，合理的确定在进行布置采热***时确定采热***的采热条带宽度，使得布置的采热管道均在岩层的热源迁移的半径范围之内，保证采热管道始终位于热源内。本发明为提供一种充填体内采热管路预留***及设计方法，确定采热管路在充填体内的位置同时，实现了矿井不同资源的合理化利用。
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明的技术方案不仅适用于所有采煤的煤层，还适用于软弱岩层，本实施例将其统称为岩层进行说明，相应的周围岩层则选用顶底板围岩。
如图1所示为一种充填体内采热管路预留***及设计方法流程图，包括顶底板围岩层的热传导性质测定、岩层热传导性质的确定以及胶结充填体的热传导性质的确定和最终确定布置采热***的采热条带宽度。
热源迁移半径是根据热源在岩体中或者在胶结充填体内部的迁移最大有效范围确定的，通过实验室模拟实验测试得出。实验室测定的参数包括导热系数和迁移速度，测定导热系数的主要目的是为了证明材料具有导热的性能，可以传输热量；测定迁移速度的目的是为了确定热源迁移的最大有效范围。测定了导热系数和迁移速度之后，将导热系数和迁移速度代入ANSYS软件中模拟得到热源在煤层、围岩及胶结充填体中迁移的最大有效范围，即为热源在煤层、围岩及胶结充填体中的迁移半径R煤、R岩、R胶。
所述顶底板围岩的热传导性质测定是指，在进行布置采热***之前，对井下充填工作面的顶底板取样，在实验室进行导热规律测试和热量迁移规律测试，测定得到顶底板岩层试样的导热性能以及热在顶底板岩层的中迁移速度v岩。
所述煤层热传导性质的确定是指，在采煤工作面取煤层试样，并在实验室进行导热规律测试和热量迁移规律测试，测定得到煤层试样的传热效率，以及热在煤样中的迁移速度v煤。
所述胶结充填体的热传导性质的测定是指，在制作胶结充填体的过程中，对胶结充填体进行导热规律测试和热量迁移规律测试，监测胶结充填体不同养护龄期的热传导性质和热在胶结充填体中的迁移速度v胶。
本发明专利的一种充填体内采热管路预留位置设计方法，包括如下步骤：
(1)在进行充填开采之前，首先进行现场的取样，对布置采热装置的岩层、顶底板围岩进行取样测试其导热规律和热量迁移规律。
(2)利用矿井原有的巷道布置采热管道，直接在采煤工作面布置采热装置，充分利用采煤的空间，实现采煤工作面的原位采热。
(3)胶结充填体在制作的过程中需要监测胶结充填体在不同的养护龄期其导热性能以及热量在胶结充填体中的迁移规律，养护龄期可选1d、3d、7d、14d、28d。
(4)根据上述步骤(1)确定的煤层顶底板围岩、布置采热装置岩层试样的导热性能以及热量迁移规律，确定热源在岩层中的迁移半径R岩。根据上述步骤(3)，分析胶结充填体在不同养护龄期条件下的导热规律和热源在胶结充填体内的迁移规律，确定热源在胶结充填体内的迁移半径R胶。所述热源在顶底板围岩中的迁移半径R岩为热源在顶底板围岩的岩体内迁移的最大有效范围，所述热源在胶结充填体中的迁移半径R胶为热源在胶结充填体中迁移的最大有效范围。热源迁移的最大有效范围可通过实验室按一定比例缩小测试和数值模拟软件模拟，测试结果与模拟结果进行相互验证，保证结果的可靠性。
(5)确定热源在采热装置所在岩层内的分布半径R岩之后，合理的设置采热条带宽度d，使得采热条带的宽度在热源的迁移分布半径范围之内，即采热条带的宽度满足下式：
d＜R岩，d＜R胶
d为采热条带宽度；R岩为热源在顶底板围岩中的迁移半径；R胶为热源在胶结充填体中的迁移半径。
所述的采热***布置方法为长壁逐巷胶结充填采煤法。
所述的采热装置布置岩层为软弱岩层，不仅仅局限于是煤层。
所述图2为一种充填体内采热管路预留***的管道布置示意图，主要包括由粉煤灰仓、添加剂仓、充填泵、蓄水池和搅拌机组成的地面充填***，地面充填***将制备好的充填料浆通过充填管路输送至井下巷道进行充填。其次地面冷水泵房将冷水通过井下充填工作面布置的冷水管路输送至工作面进行热交换，将热交换之后的热水通过热水管路输送至地面转换装置，产生的热能供农业温室和用户利用，实现地下热能资源的合理化利用。
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。
Claims (10)
1.一种充填体内采热管路预留***，其特征在于：在胶结充填采煤方法形成的巷道中布置采热管道，构成采热***的采热条带，实现工作面的原位采热；其中，所述采热条带的宽度在热源的迁移分布半径范围之内，即：
当煤层与周围岩层分离时，胶结充填体巷道位于煤层内，满足：
d＜R岩，d＜R胶
或，当煤层包含在周围岩层内时，胶结充填体巷道位于煤层和周围岩层之间，满足：
d＜R岩，d＜R煤，d＜R胶
其中，d为采热条带的宽度，R岩为热源在顶底板围岩中的迁移半径，R煤为热源在煤层中的迁移半径，R胶为热源在胶结充填体中的迁移半径。
2.根据权利要求1所述的充填体内采热管路预留***，其特征在于：所述热源在顶底板围岩中的迁移半径R岩为热源在顶底板围岩的岩体内迁移的最大有效范围。
3.根据权利要求1所述的充填体内采热管路预留***，其特征在于：所述热源在胶结充填体中的迁移半径R胶为热源在胶结充填体中迁移的最大有效范围。
4.根据权利要求1所述的充填体内采热管路预留***，其特征在于：所述采热管路的布置方法为在长壁逐巷胶结充填采煤法形成的巷道中布置采热管道。
5.根据权利要求1所述的充填体内采热管路预留***，其特征在于：布置采热管道的巷道包括软弱岩层、煤层的巷道。
6.一种充填体内采热管路预留***的设计方法，其特征在于：测定进行采热的煤层、周围岩层以及用于煤层内充填的胶结充填体的热传导性质，相应得到热源在周围岩层及充填体内的迁移半径，由此确定采热***的采热条带的宽度，使得布置的采热管道均在岩层的热源迁移的半径范围之内。
7.根据权利要求6所述的充填体内采热管路预留***的设计方法，其特征在于：所述周围岩层的热传导性质的测定是指，在进行布置采热***之前，对井下充填工作面的顶底板围岩取样，测定顶底板围岩试样的导热系数以及热源在顶底板岩层的中迁移速度v岩，将导热系数和迁移速度代入ANSYS软件中模拟得到热源在顶底板围岩的岩体内迁移的最大有效范围，即为热源在顶底板围岩中的迁移半径R岩。
8.根据权利要求6所述的充填体内采热管路预留***的设计方法，其特征在于：所述煤层的热传导性质的测定是指，当煤层包含在周围岩层内时，胶结充填体巷道位于煤层和周围岩层之间，在煤层取样，测定煤层试样的传热效率即导热系数以及热源在煤层中的迁移速度v煤，将导热系数和迁移速度代入ANSYS软件中模拟得到热源在煤层中迁移的最大有效范围，即为热源在煤层中的迁移半径R煤。
9.根据权利要求6所述的充填体内采热管路预留***的设计方法，其特征在于：所述胶结充填体的热传导性质的测定是指，在制作胶结充填体的过程中，监测胶结充填体不同养护龄期的热传导性质即导热系数以及热源在胶结充填体中的迁移速度v胶，将导热系数和迁移速度代入ANSYS软件中模拟得到热源在胶结充填体中迁移的最大有效范围，即为热源在胶结充填体中的迁移半径R胶。
10.根据权利要求6-9任一所述的充填体内采热管路预留***的设计方法，其特征在于：所述采热条带的宽度在热源的迁移分布半径范围之内，即：
当煤层与周围岩层分离时，胶结充填体巷道位于煤层内，满足：
d＜R岩，d＜R胶
或，当煤层包含在周围岩层内时，胶结充填体巷道位于煤层和周围岩层之间，满足：
d＜R岩，d＜R煤，d＜R胶
其中，d为采热条带的宽度，R岩为热源在顶底板围岩中的迁移半径，R煤为热源在煤层中的迁移半径，R胶为热源在胶结充填体中的迁移半径。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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