張永亮 劉耀香 陳喜山

(1.青島理工大學黃島校區(qū)汽車學院，山東 青島 266520； 2.青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)科技發(fā)展局，山東 青島 266520)

膠東半島礦山地熱資源利用方法

張永亮1劉耀香2陳喜山1

(1.青島理工大學黃島校區(qū)汽車學院，山東 青島 266520； 2.青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)科技發(fā)展局，山東 青島 266520)

隨著礦產(chǎn)資源的大量消耗，礦山向縱深開采成為必然趨勢，隨之而來的地熱問題也越來越多地顯現(xiàn)出來；礦山地熱水既是淡水資源又蘊含熱能，極具利用價值。礦山地熱雖是綠色能源，如不能合理轉(zhuǎn)化利用，會造成井下高溫，嚴重影響生產(chǎn)效率。以礦山地熱資源循環(huán)利用為研究目的，從地溫效應調(diào)控入風流溫度、熱泵技術(shù)在金屬礦山中的應用以及地下水回灌系統(tǒng)的角度，分析了礦山地熱的利用原理及方法，建立了淺層井筒與風流熱交換模型、壓力回灌三維非穩(wěn)定流數(shù)學模型等相關(guān)理論模型，并對地熱利用方法進行試驗研究和分析，研究結(jié)果應用于膠東半島典型金屬礦山中。結(jié)果表明，對礦山地熱資源的合理利用在理論上和實際操作上具有可行性，可為我國礦業(yè)綠色能源開發(fā)探索一條可能的途徑。

礦山地熱資源 熱交換 循環(huán)利用 回灌

膠東半島礦產(chǎn)資源豐富，隨著采礦技術(shù)的發(fā)展，礦產(chǎn)資源大量消耗，大多數(shù)礦山即將或者已經(jīng)進入深部開采，這也是我國大部分地區(qū)礦山開采所面臨的共性問題。膠東位于環(huán)太平洋地熱帶的太平洋西岸高熱流帶，地熱資源豐富，地熱能不可避免地出現(xiàn)在礦山深井開采過程中。礦山地熱的表現(xiàn)形式各有不同，常見的有熱巖體散熱，地熱水滲流或者大量高溫地熱水直接涌出。這些地熱的出現(xiàn)，導致了井下高溫、高濕現(xiàn)象，礦山工作人員在惡劣的工作環(huán)境下，濕疹等職業(yè)病頻發(fā)且嚴重影響安全生產(chǎn)，嚴重降低工作效率，礦山深井熱害治理已經(jīng)成為國內(nèi)甚至全世界共同需要面對和解決的難題[1]。同時，礦山地熱水的大量流失，對礦山地質(zhì)環(huán)境也造成極大的破壞，出現(xiàn)地基承載力下降，地面下沉等現(xiàn)象。礦山井下地熱的出現(xiàn)，一方面破壞了礦山生產(chǎn)環(huán)境，另一方面又造成大量地熱資源和水資源的白白流失。作為國民經(jīng)濟的命脈，傳統(tǒng)的能源煤炭和石油在使用過程中，不僅儲量逐步減少而且造成嚴重的環(huán)境污染。因此，尋找清潔可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源勢在必行。地熱能具有無污染、儲量大、可再生的優(yōu)點，是一種極富開發(fā)前景的新能源。把礦山開采過程中出現(xiàn)的地熱資源合理轉(zhuǎn)化利用，既解決礦山熱害難題，又有效利用地熱資源這一清潔能源，將會起到一舉兩得的效果。

1 地溫效應調(diào)控風流溫度

冬季北方礦山凍井現(xiàn)象時有發(fā)生，給礦山生產(chǎn)帶來嚴重不便，而且容易發(fā)生事故；夏季地表高溫空氣進入井下，使深井作業(yè)面溫度進一步升高，加重了熱害。圍巖散熱是造成井下熱害的主要因素之一，但淺部廢棄巷道的圍巖熱量卻可以合理利用，調(diào)控入風流的溫度，解決礦山生產(chǎn)難題。在地溫效應利用方面，國內(nèi)外已有眾多學者進行了深入研究[2-5]。

利用淺層地溫效應調(diào)控入風流溫度，風流進入的礦井淺層廢棄巷道經(jīng)常具有一定的傾斜角度，以往的研究大多假設(shè)井筒是垂直的，這樣建立的熱交換理論模型難免存在誤差。在實踐檢驗的基礎(chǔ)上，假設(shè)巷道井巷斷面為圓形，傾角介于0°～90°，井巷壁面干燥，不考慮濕交換。

淺層廢棄井巷軸線周圍的冷卻圈如圖1所示為橢圓形，軸線與水平面夾角為θ(0<θ≤90°)，由橢圓周長公式，可得出井筒水平斷面的當量半徑r1和冷卻圈外側(cè)水平斷面當量半徑r2分別為

圖1 井筒周圍冷卻圈Fig.1 Schematic diagram of cooling ring around the wellbore

應用傅里葉熱傳導定律分析冷卻圈在水平方向的傳熱過程，令冷卻圈內(nèi)表面溫度為tc，外表面溫度為tn，冷卻圈由半徑為r、厚度為dr的環(huán)形薄層組成，單位時間通過長度為dy的熱流量dφ為

(1)

式中，λ為巖體導熱系數(shù)，W/(m·℃)。邊界條件：r=r1時，t=tc；r=r2時，t=tn。

對公式(1)積分，得到單位時間內(nèi)巖壁向冷卻圈外側(cè)導熱量

(2)

巖壁面積上巖壁與空氣間的對流換熱量

(3)

式中，ty為巷道內(nèi)某點平均氣溫，℃；r0為井壁半徑，m;a為放熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

圍巖和空氣的熱交換包括2個連續(xù)的過程：巖體內(nèi)熱傳導和對流熱交換，因此導熱量和對流換熱量在數(shù)值上是相等的，則有

(4)

式中，δ為井壁厚度，m。

令

由公式(4)可得

將tc代入公式(3)，則有

(5)

式(5)可作為反映礦井入風流流經(jīng)淺層廢棄巷道過程中風流和巖壁之間熱交換關(guān)系的數(shù)學模型。有了礦山變溫帶、恒溫帶和增溫帶的邊界條件，據(jù)此模型均可求出各自不同的解。

2 熱泵技術(shù)在礦山的應用

多數(shù)礦井地熱水屬于中低焓地熱資源，一般需借助熱泵設(shè)備進行高效開發(fā)利用。水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層熱資源，應用熱泵原理，通過消耗少量電能實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。礦山地熱屬于礦山二次資源范疇，而地熱水更是礦、熱、水三位一體的資源，應盡可能加以充分利用。根據(jù)膠東半島的礦山地熱地質(zhì)特征，其礦山地熱水的利用方式有以下3種，適合大范圍推廣應用。

2.1 地熱水作為熱源

采用礦山地熱水供暖，節(jié)省了常規(guī)地熱供暖的最大投資——鉆井費用，綜合經(jīng)濟效益遠遠優(yōu)于燒煤取暖。同時，井下熱水汲取到地表，也有利于深井高溫高濕環(huán)境的改善。對于地熱水初始溫度較高的礦山，可對地熱水進行熱能的多級綜合利用，通過合理的規(guī)劃布局，根據(jù)熱能的需求程度差異，建立階梯式熱水資源利用模式，充分發(fā)揮地熱水的潛力。

2.2 地熱制冷

地熱水熱能不僅可作為熱源，夏季通過熱泵設(shè)備也可以用作空調(diào)制冷的冷源，地熱制冷和太陽能制冷的原理，在技術(shù)上基本一致，都可以節(jié)省大量電力。但是利用礦山地熱水制冷則比太陽能更有優(yōu)勢：屬于礦山開采附屬資源，成本低廉；資源穩(wěn)定，無晝夜之分；不受天氣影響。因此，礦山地熱水作為夏季制冷的冷源，具有其他能源無法比擬的先天優(yōu)勢。

2.3 熱泵技術(shù)在通風系統(tǒng)的應用

礦山深井開采中，礦井較高溫回風系統(tǒng)也可應用水源熱泵技術(shù)進行開發(fā)利用[6]。膠東半島礦山回風系統(tǒng)風流溫度大多在20 ℃左右，可作為熱泵機組良好的熱源和熱匯。因此，在膠東半島的礦山推廣應用水源熱泵技術(shù)極具可行性和應用性，是一項礦山二次資源開發(fā)利用的良好項目。圖2為水源熱泵技術(shù)之一(在礦山回風側(cè)的應用)示意圖。

圖2 礦山水源熱泵系統(tǒng)(1)Fig.2 Schematic diagram of mine water source heat pump system(1)

3 礦山地熱水壓力回灌

水源熱泵技術(shù)系統(tǒng)目前已經(jīng)相當成熟，主要的技術(shù)難題集中在地下水通暢的回路系統(tǒng)。礦山地熱水汲取到地表將熱能利用后，如不能回灌到地下，將造成礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，部分地下水大量流失的礦區(qū)，已經(jīng)出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象，濱海礦山地下甚至出現(xiàn)了海水倒灌。

3.1 回灌技術(shù)原理

將滲透理論作為研究回灌技術(shù)基本原理的切入點，以連續(xù)性原理和達西定律為基礎(chǔ)，建立了三維非穩(wěn)定流數(shù)學模型[7-9]：

(6)

(7)

(8)

式中，

S為承壓含水層儲水系數(shù)；Sy為潛水含水層給水度；M為承壓含水層單元體厚度，m；B為潛水含水層單元體飽和厚度，m；kxx、kyy、kzz分別為各向?qū)灾鞣较驖B透系數(shù)，m/d；h為點(x,y,z)在t時刻的水頭值，m；W為源匯項，1/d；h0為計算域初始水頭值，m；h1為第一類邊界的水頭值，m；Ss為儲水率，1/m；t為時間，d；Ω為計算域；Γ1為第一類邊界。

以此非穩(wěn)定流數(shù)學模型為指導，張永亮，蔡嗣經(jīng)[10-11]分析了礦山巖體裂隙滲流特性，選取膠東半島典型金屬礦山進行了地熱資源利用和地下水回灌的試驗研究。

3.2 礦區(qū)地下水回灌試驗

地熱水兼具水資源和熱資源2 種寶貴資源，其價值超過了不可再生的傳統(tǒng)能源，將利用后的地表水回灌到地熱層，吸收地熱資源，再次成為地熱水，是綠色能源循環(huán)利用的良好模式。

3.2.1 回灌水質(zhì)、水量的確定

我國目前對地下水回灌的水質(zhì)還沒有明確要求。但是為防止地下水污染，對回灌水質(zhì)必須嚴格把關(guān)，礦山地下水回灌，使用的均為從地下抽取的水源，在熱能利用過程中也沒有污染源。所以，進行地下水回灌水質(zhì)問題較容易解決。

地下水回灌水量與回灌方式、管井結(jié)構(gòu)、含水層地質(zhì)結(jié)構(gòu)等條件有關(guān)，回灌水量可采用如下經(jīng)驗公式：

(9)

式中，Q為回灌水量，m3/d；k為滲透系數(shù)，m/d；h0為管井外壁動水位到不透水層高，m；H為含水層靜水位到不透水層高，m；m為承壓含水層厚度，m;r0為管徑內(nèi)半徑，m;R為影響半徑，m。

3.2.2 回灌試驗分析

回灌試驗以山東沿海典型金屬礦山為例，采用ASR法進行地下水回灌，在礦區(qū)地下水失水嚴重的漏洞區(qū)，用3口回灌井按不同時間段進行了類似的3組試驗，3口回灌井編號分別為1#，2#，3#，試驗對1#井進行回灌，通過測量另外2口井的水位變化衡量回灌效果。圖3為回灌總流量與時間變化曲線；1#井進行回灌時，2#，3#井水位變化過程見圖4。

圖3 1#井回灌總流量-時間變化曲線Fig.3 1# well return irrigation recharge total flow-time variation curve

圖4 1#井回灌時2#井、3#井水位變化曲線Fig.4 1# well return irrigation，2# well、3# well water level change curve ▲—2#井;■—3#井

從圖4可以看出，對1#井進行回灌，在16 h以內(nèi)另外2個管井水位明顯上升，回灌超過一定時間，水位基本趨于穩(wěn)定。試驗結(jié)果表明膠東半島典型礦區(qū)地下水加壓回灌能夠有效提升礦區(qū)地下水位。

4 結(jié) 論

(1)建立了礦山地熱資源利用的相關(guān)理論模型，并用實踐進行檢驗，檢驗結(jié)果表明礦山地熱的合理利用極具可行性和推廣價值。

(2)礦山地熱水在提取其熱能價值的同時，必須進行地下水回灌，一方面保障礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)不遭受破壞，造成安全事故，另一方面可利用回灌水為載體，吸收巖層熱能，重復利用。

(3)礦山地熱資源循環(huán)利用方法以地熱能的提取作為核心，創(chuàng)立礦山二次資源利用新模式，為深井高溫熱害資源化利用開辟了新的途徑。

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(責任編輯 徐志宏)

Utilization Methods of Geothermal Resources in Jiaodong Peninsula Mines

Zhang Yongliang1Liu Yaoxiang2Chen Xishan1

(1.HuangdaoCampusAutomotiveSchool，QingdaoTechnologicalUniversity，Qingdao266520，China；2.DevelopmentBureauofScienceandTechnologyofQingdaoEconomicandTechnologicalDevelopmentZone，Qingdao266520，China)

With the large consumption of mineral resources，the deep mining in the mine becomes an inevitable trend，and more and more geothermal issues are emerging with it.The mine geothermal water is fresh water resource and contains heat energy，so it is very useful.Mine geothermal water belongs to green energy.However，without reasonably utilization，it will result in underground high temperature and seriously influence the production efficiency.In order to recycle mine geothermal resources，the principle and method of utilizing geothermal resources were analyzed from aspects of regulating inlet air temperature by the ground temperature effect，applying heat pump to metal mine and the recharging system of geothermal water respectively.Then，the corresponding theoretical models were built such as the heat exchange model between shallow borehole and air，the three-dimensional unsteady-flow mathematical model of pressure recharging.Experimental research and analysis on the utilization of geothermal resources were made，and then were applied into the typical metal mines in Jiaodong peninsula.The results showed that it is feasible for rationally utilizing mine geothermal resources in theory and practice.The research explores a possible way for development of mine green energy in China.

Mine geothermal resources，Heat exchange，Cyclic utilization，Recharge

2014-01-26

國家自然科學基金項目(編號：51204100)，中國博士后科學基金項目(編號：2013M541934)，山東省博士后創(chuàng)新項目(編號：201303045)。

張永亮(1979—)，男，博士后，副教授。

TD928.5

A

1001-1250(2014)-05-158-04