徐宇 ，李孜軍，王君健，陳寅 ，劉華森，潘偉，賈敏濤

(1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山，243000；3.新疆喀拉通克礦業(yè)有限責任公司，新疆 阿勒泰，836500)

高地溫熱害問題是制約深部礦產(chǎn)資源安全開采的重要因素之一，其不僅顯著增加了礦井開采難度和危險性，同時也嚴重威脅井下工人的身體健康和生命安全[1-2]。傳統(tǒng)熱害治理方法在應(yīng)用于深部礦井時面臨成本高、冷量利用率低、設(shè)備維護困難、降溫效果不理想等問題[3-4]?！肮?jié)源開流”的地熱治理方針是有效治理深部礦井熱害的關(guān)鍵，而降低巷道圍巖溫度是有效控制井下熱源的重要途徑[5-6]。將礦井地熱能作為礦井生產(chǎn)過程中的伴生資源進行協(xié)同開采，在地熱能開采過程中降低井巷圍巖和礦床溫度，起到礦井熱害治理的作用，為深部礦井熱害治理提供了新思路。礦井地熱開采獲取的熱能可用于礦區(qū)生產(chǎn)和生活，為礦井創(chuàng)造新的經(jīng)濟收益。礦井地熱開采可用于資源開發(fā)與能源利用，是“變害為利，變廢為寶”的重要舉措。

謝和平等[7]指出深地礦產(chǎn)與地熱資源共采基礎(chǔ)理論是我國“十四五”期間需加強的關(guān)鍵共性基礎(chǔ)理論，是需要優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域。目前礦井地熱的利用主要可分為3 種形式：廢棄礦井地熱利用、礦井余熱回收、礦產(chǎn)地熱協(xié)同開采。廢棄礦井地熱利用通常是利用地源熱泵提取礦井涌水熱能[8-9]。例如，荷蘭海爾倫市廢棄礦井地熱系統(tǒng)可提供700 kW 的供熱功率[10]。礦井余熱回收主要是通過收集回風井中乏風熱量用于井口防凍、采暖等，在高寒地區(qū)利用價值顯著[11-12]。礦產(chǎn)地熱協(xié)同開采是在礦井開采礦產(chǎn)資源的同時，開采巖層或地下水中的熱能。萬志軍等[13]提出了煤-熱共采理論，指出煤炭開采過程中可與地熱開發(fā)和利用有機結(jié)合。ZHAO等[14]提出將傳統(tǒng)采礦掘進爆破制裂技術(shù)與增強型地熱系統(tǒng)結(jié)合，對地熱資源進行大規(guī)模的開采。劉浪等[15]提出對采空區(qū)進行功能性、結(jié)構(gòu)性填充，利用充填材料開采礦井地熱。李孜軍等[16-17]提出了礦產(chǎn)與地熱能協(xié)同開采治理熱害的構(gòu)想，并建立了礦井巖層地熱能協(xié)同開采多物理場耦合模型，對地熱開采采熱性能以及對井巷的降溫效果進行了分析。

相似模擬是以相似理論、因次分析為依據(jù)的研究具體工程規(guī)律的一種重要實驗方法，具有直觀、簡便、經(jīng)濟、快速等優(yōu)點。胡耀青等[18]從固流耦合理論出發(fā)，推導出三維固流耦合作用下的相似模擬準則。高陽等[19]采用相似實驗研究了礦井巷道掘進過程中含水構(gòu)造附近巖體滲流場、溫度場的變化規(guī)律。ZHANG等[20]建立了巷道圍巖溫度場相似試驗方法，揭示了高地溫巷道圍巖溫度分布特征及其演化規(guī)律。CHEN等[21]利用礦井圍巖傳熱相似模擬實驗系統(tǒng)研究了單裂隙流對巷道圍巖溫度場的影響。

在“雙碳”目標的背景下，礦井地熱開采逐漸被重視，礦產(chǎn)資源與地熱開采相結(jié)合的理念逐漸被大家認可。然而，目前礦井地熱開采與利用的研究主要停留在理論層面上，相關(guān)科學技術(shù)研究較少。其主要原因有礦井地熱開采現(xiàn)場實驗成本高、風險大、試驗周期長，另外，地熱開采過程中即涉及巖層熱質(zhì)傳遞，又存在風流與巷道圍巖非穩(wěn)態(tài)傳熱，是一個復雜的多物理場耦合過程，難以建立數(shù)值模型對該過程進行準確描述。本文作者擬基于相似原理、能量守恒方程、動量平衡方程等推導出用于礦井熱害治理協(xié)同地熱開采相似模擬的相似準則方程，搭建相似模擬實驗平臺開展相似實驗，并開展實驗案例研究。本研究為礦井熱害治理協(xié)同地熱開采提供研究手段與方法，可推動我國淺層地熱能的開發(fā)與利用，保障我國礦產(chǎn)資源綠色、安全、節(jié)能、高效開采。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 熱害治理協(xié)同地熱開采

高溫巖層雖然會引起礦井開采過程中的熱害問題，但它本質(zhì)上是一種體量龐大的地熱能資源。將礦井地熱作為礦井生產(chǎn)過程中的伴生資源進行合理開采，不僅能夠創(chuàng)造新的經(jīng)濟收益，還能降低井巷圍巖與礦巖溫度，起到熱害治理的效果。礦井熱害治理協(xié)同地熱開采示意圖[15]如圖1 所示。礦井在探明深部巖層大熱流密度的高溫地熱儲存區(qū)后，在礦井進風主巷下方布置注入井。收集礦井內(nèi)低溫地質(zhì)涌水，并通過注入井注入巖層，在注入水流動和巖層導熱作用下降低礦井主巷圍巖和礦巖溫度。當進風主巷圍巖被冷卻時，流經(jīng)主巷后的風流溫度降低，低溫風流在通風網(wǎng)絡(luò)中流動將全面改善井下熱環(huán)境。在冷風流與圍巖的對流換熱作用下，通風網(wǎng)絡(luò)中其他高溫巷道圍巖也將加速被冷卻。深部巖層中布置的熱生產(chǎn)井負壓抽采高溫巖層中的地質(zhì)熱水，并將抽取的熱水輸送至熱泵中轉(zhuǎn)化為高溫熱水，然后將其輸送至地面用于生活和生產(chǎn)。而熱泵運行過程中產(chǎn)生的低溫水則輸送至工作面用于降溫，冷水換熱后再輸送回蓄水池繼續(xù)用于巖層降溫采熱，如圖2所示。

圖1 礦井巖層地熱協(xié)同開采示意圖[15]Fig.1 Sketch map of synergetic mining of a mine geothermal energy system[15]

圖2 利用熱泵處理礦井水示意圖Fig.2 Sketch map of preprocessing of mine water using a heat pump

1.2 實驗系統(tǒng)設(shè)計

掌握礦井地熱開采過程中采熱流體流動傳熱特征以及其對通風巷道熱質(zhì)傳遞的影響是合理設(shè)計礦井地熱開采治理熱害工藝方法的前提和理論依據(jù)。然而，由于現(xiàn)場工程尺度大、實驗周期長、礦井地質(zhì)條件復雜等原因使得礦井地熱開采難以開展現(xiàn)場實驗，同時，礦井熱害治理協(xié)同地熱開采涉及熱-流-固多相/多場耦合，且邊界條件和初始條件復雜，通過數(shù)值模擬手段對該過程進行描述存在較大難度。相似模擬試驗是一種研究復雜物理現(xiàn)場的重要科學研究手段，其通過相似關(guān)系可得出原模型參數(shù)的變化規(guī)律。該方法具有節(jié)約實驗成本、縮短試驗周期、降低實驗風險、減少實驗工作量等優(yōu)點。為此，本文設(shè)計礦井熱害治理協(xié)同地熱利用相似模擬實驗系統(tǒng)。

在礦井地熱開采治理熱害過程中，既需考慮巷道通風非穩(wěn)態(tài)傳熱，又要關(guān)注巖層內(nèi)流體流動傳熱特征。因此，實驗系統(tǒng)需同時包含巷道通風系統(tǒng)和地熱開采系統(tǒng)。結(jié)合礦井熱害治理協(xié)同地熱開采的構(gòu)想，本文設(shè)計礦井熱害治理協(xié)同地熱利用相似模擬實驗系統(tǒng)示意圖如圖3所示。相似模擬實驗系統(tǒng)由恒溫通風系統(tǒng)、恒溫注水系統(tǒng)、負壓抽水系統(tǒng)、加熱控溫系統(tǒng)、測試箱體、多路溫度和壓力監(jiān)測系統(tǒng)、箱體保溫層等組成。通風巷道布置于測試箱體上方，其余地方用巖石相似材料填充模擬礦井巖層。恒溫恒濕機向巷道內(nèi)輸送恒定溫度和風速的氣流，利用溫度傳感器監(jiān)測巷道內(nèi)風流溫度變化。在測試箱體上方靠近巷道附近布置冷水注入管路，并由恒溫水控制機提供恒定溫度和流速的冷水注入模擬巖層。測試箱體下方布置熱生產(chǎn)管路，通過微型水泵抽取模擬巖層中的熱水。抽水系統(tǒng)中布置溫度、壓力、流量等傳感器監(jiān)測抽采管路中的溫度和流量。測試箱體下方安裝加熱元件，在實驗前將測試箱體內(nèi)的模擬材料加熱至模擬巖層溫度。測試箱體用保溫材料包裹，防止箱體向外界散失熱量。測試箱體內(nèi)布置多組溫度和壓力傳感器監(jiān)測采熱過程中巖層內(nèi)溫度和壓力變化。實驗系統(tǒng)通過設(shè)計不同注水采熱管位置、注水流量和抽采壓力等參數(shù)分析地熱系統(tǒng)關(guān)鍵運行參數(shù)等對通風巷道傳熱的影響。

圖3 礦井熱害治理協(xié)同地熱開采相似模擬實驗系統(tǒng)示意圖Fig.3 Sketch map of simulation experiment system for synergetic mining of geothermal energy to heat hazard control

2 相似模擬實驗方法

2.1 相似準則

相似模擬實驗是以相似理論作為依據(jù)，利用事物存在相似特征來研究工程規(guī)律的重要方法。根據(jù)相似定律，凡是彼此相似的現(xiàn)象，必定具有數(shù)值相同的相似準則。因此，建立相似實驗?zāi)Ｐ托枰葘С鱿嗨茰蕜t，然后，根據(jù)相似準則設(shè)定實驗相關(guān)的物理量，使各實驗參數(shù)變量與原模型參數(shù)均保持同一相似準則。本文基于方程分析法，根據(jù)描述礦井熱害治理協(xié)同地熱開采過程的微分方程推導相似準則，即根據(jù)原型和縮尺模型的兩組方程引入對應(yīng)量的比值，將比值代入原型方程并同縮尺模型方程相比較，按照兩組方程應(yīng)有相同形式的要求得出各項比例系數(shù)。

礦井熱害治理協(xié)同地熱開采涉及巷道內(nèi)風流流動、圍巖非穩(wěn)態(tài)傳熱以及巖層內(nèi)采熱流體流動傳熱等現(xiàn)象。相似模擬既要保證巷道內(nèi)流場相似、圍巖傳熱相似，也要滿足礦井巖層滲流傳熱傳質(zhì)相似，描述該過程主要采用連續(xù)性方程、動量方程及能量方程等控制方程。首先，巷道內(nèi)風流流動狀態(tài)利用納維-斯托克斯動量方程(N-S 方程)進行描述[22]：

式中：u為速度，m/s；t為時間，s；μ為流體動力黏度，Pa·s；ρ為流體密度，kg/m3；Pa為氣體壓力，Pa。

縮尺模型與原型流動相似，則各對應(yīng)方程表達式相同，因此各物理量相似比尺可由以下方程組確定：

礦井巖層內(nèi)流體流動采用達西方程和連續(xù)方程描述。

達西方程為

式中：κ為巖層滲透率，m2；Pm為多孔介質(zhì)巖層內(nèi)滲流壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2。

連續(xù)方程為

式中：S為儲水系數(shù)，1/Pa；D為高程，m。

將達西方程帶入連續(xù)方程中，式(6)可寫成

因此，各物理量相似比尺可由以下方程組確定：

根據(jù)邊界條件方程為

式中：Qs為質(zhì)量源項，kg/(m3·s)。令，得

兩邊同時除以CQs得

物理量相似比尺可確定為

能量守恒控制方程為

式中：Kp為比熱容，J/(kg·K)；T為溫度，K；αt為導熱系數(shù)，W/(m·K)。

各物理量相似比尺可確定為

綜上所述，要保證縮尺模型與原模型相似，則模型中各參數(shù)需同時滿足以下7個相似準則，如表1所示。

表1 縮尺模型與原模型相似所需滿足的相似準則Table 1 Similarity criterion between reduced-scale model and full-size model

2.2 相似比尺確定

基于前面推導得出的相似準則，確定縮尺模型與原模型相似時各個參數(shù)之間的相似比尺，從而得出縮尺模型與原模型中速度、流量、壓力、降溫幅度、時間與礦井巷道通風量、注水采熱流量、采注井壓力、巷道內(nèi)風流降溫幅度、生產(chǎn)時間等參數(shù)的相互換算關(guān)系。在實驗過程中，縮尺模型材料參數(shù)與原模型中保持一致，即Cρ=Cμ=CS=Cαt=Cg=CKp=1，其余參數(shù)相似比如下。

1) 幾何相似比尺。縮尺模型中幾何參數(shù)按等比例縮小，假設(shè)幾何縮尺比為Cl=d。

2) 溫度相似比尺。縮尺模型中風流溫度、巖層溫度、地層水溫度均與原模型溫度保持一致，即溫度參數(shù)縮尺比為1∶1。

3) 時間相似比尺。根據(jù)π8傅里葉準則得出縮尺模型中時間縮尺比為Ct=C2lCρCKp/Cαt。故Ct=Cl2=d2，即縮尺模型中模擬時間1 h 當于原模型中模擬時間d2h。

4) 速度相似比尺。由π2雷諾相似準Re=ulρ/μ，Cu=Cμ/CρCl=1/d，即縮尺模型中流速是原型d倍。

5) 滲透率相似比尺。根據(jù)π4得知Cκ=CμCl2CS/Ct=1，則縮尺模型中巖層滲透率與原模型保持一致。

6) 壓力相似比尺。根據(jù)π5可得CP=CρCgCt/Cl2CS=Ct/Cl2=1，即縮尺模型壓力與原模型壓力相同。

7) 源匯相似比。根據(jù)π6，CQ=ClCρCκCP/Cμ=ClCκCP=d，即縮尺模型中質(zhì)量源項1 kg/s相當于原模型中質(zhì)量源項dkg/s。

2.3 相似準則驗證

為驗證相似準則準確性，利用COMSOL 數(shù)值模擬軟件分別建立2個不同尺寸的幾何模型進行計算求解，原模型幾何如圖4 所示。原模型長度×寬度×高度為100 m×80 m×90 m，巷道風流初始速度為0.3 m/s、溫度為20 ℃、注入井流量為1.13 L/s、注水溫度為20 ℃、生產(chǎn)井壓力為-100 Pa。按1∶100 對原模型幾何尺寸進行縮小，縮尺模型中相關(guān)參數(shù)按2.2節(jié)相似比尺進行計算，最終縮尺模型與原模型參數(shù)如表2 所示。2 種尺寸模型的實驗時間相似比為1×104，即當原模型模擬時間為8 a，縮尺寸模型模擬時間約為7 h。

表2 縮尺寸模型與原模型參數(shù)對比Table 2 Comparison of parameters between the reduced-scale model and full-size model

圖4 原模型幾何模型Fig.4 Full-size model geometric model

圖5所示為2種尺寸模型下巷道通風以及巖層注水采熱下風流溫度、采熱流量以及巖層中溫度分布的計算結(jié)果。從圖5(a)可以看出：盡管2個模型的巷道尺寸和風流速度不同，但巷道末端平均風流在原模型時間0～8 a間的變化規(guī)律與縮尺寸模型時間0～7 h間的變化規(guī)律一致，這說明縮尺模型能夠準確反映通風巷道傳熱特征。圖5(b)所示為2種尺寸下的熱生產(chǎn)井的生產(chǎn)流量，可以看出縮尺模型中熱生產(chǎn)井生產(chǎn)流量變化趨勢與原模型的一致，且縮寸模型中生產(chǎn)流量是原模型的1/100，符合相似比尺。根據(jù)時間相似比，原模型中3 a大致相當于縮尺模型中2.6 h，圖5(c)與圖5(d)所示分別為2個時間尺度下原模型與縮尺模型巖層內(nèi)溫度分布。對比圖5(c)與圖5(d)可以看出2 個不同幾何尺寸模型在對應(yīng)時間尺度下巖層溫度分布一致，因此，縮尺模型能夠準確描述原模型巖層中流體流動傳熱。綜上所述，本文建立的礦井熱害治理協(xié)同地熱開采的相似準則是準確的。

圖5 原模型與縮尺寸模型計算結(jié)果對比Fig.5 Comparison of calculation results between reduced-scale model and full-size model

3 相似模擬實驗

3.1 實驗條件

基于建立的礦井熱害治理協(xié)同地熱開采相似準則，搭建實驗?zāi)Ｐ团c原模型幾何相似比為1∶100的相似模擬實驗系統(tǒng)。礦井熱害治理協(xié)同地熱利用相似模擬實驗系統(tǒng)主要包括實驗測試箱、風機、恒溫水溫控機、微型水泵、溫度和壓力傳感器、加熱溫控元件、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，如圖6所示。實驗箱體長度為1.0 m、寬度為0.8 m、高度為0.9 m，可模擬長度×寬度×高度為100 m×80 m×90 m 的地質(zhì)巖層。以橫截面積為19.62 m2的通風巷道為原型，制作半徑為2.5 cm、圍巖厚度2 cm 的圓形水泥管作為實驗通風巷道。實驗?zāi)Ｐ团c原模型時間相似比Ct=Cl2=10 000，因此，實驗?zāi)Ｐ椭? h 相當于原模型中416.67 d；速度相似比Cu=1/100，即實驗中速度是原模型100倍；注水井中注水量相似比CQ=100，故實驗?zāi)Ｐ椭凶⑺繎?yīng)為原模型注水量的1/100；壓力相似比CP=1，抽采井中抽采壓力與原模型的保持一致。

圖6 礦井熱害治理協(xié)同地熱開采相似模擬實驗平臺Fig.6 Simulation experiment platform for synergetic mining of geothermal energy of heat hazard control

3.2 實驗步驟

礦井熱害治理協(xié)同地熱開采相似模擬實驗的實驗步驟如下：1) 開啟測試箱體加熱系統(tǒng)將箱體內(nèi)溫度加熱至模擬巖層溫度；2) 啟動數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)實時記錄巖層溫度、巷道風流溫度、注入井和抽采井中壓力、溫度和流量等參數(shù)；3) 待巖層內(nèi)溫度穩(wěn)定后，開啟通風系統(tǒng)向巷道內(nèi)輸送恒定溫度和速度的空氣；4) 設(shè)定恒溫水控制機溫度，向注水管內(nèi)注入恒定溫度和流量的水；5) 開啟微型水泵負壓抽取巖層中的水；6) 巷道圍巖冷卻后關(guān)閉恒溫水控制機停止向巖層內(nèi)注水；7) 停止微型水泵和通風系統(tǒng)運行；8) 將監(jiān)測系統(tǒng)中記錄的數(shù)據(jù)導出，實驗結(jié)束。

3.3 實驗案例

基于搭建的礦井熱害治理協(xié)同地熱開采相似模擬實驗系統(tǒng)開展相似模擬實驗。本次實驗巷道圍巖初始溫度為40 ℃，巷道風流初始溫度為16.6 ℃，風速為8.3 m/s，總通風時間為160 min。相似模擬實驗裝置內(nèi)注水井和生產(chǎn)井位置布置如圖7 所示。由圖7 可知：注水井平行于通風巷道，位于巷道中心軸線右側(cè)10 cm處，生產(chǎn)井水平布置于巷道中央下方40 cm位置。在實驗過程中，巷道通風5 min后，注水井開始向巖層內(nèi)開始注入流量為1 L/min、溫度為20 ℃的恒溫水；實驗50 min時生產(chǎn)井開始抽取巖層中的水；59 min時注水井停止注水；160 min后停止生產(chǎn)井抽水以及巷道通風。

圖7 相似模擬實驗箱體內(nèi)注水井和抽采井布置位置Fig.7 Layout position of injection well and production well in simulation experiment equipment

在實驗過程中，通風巷道風流溫度隨時間變化如圖8所示。在巷道通風過程中，巷道出口端風流溫度隨時間快速降低，在59 min 停止注水后，巷道出口端風流溫度趨于穩(wěn)定。實驗22 min 時，巷道出口端風流溫度降溫速率增大，這是巖層注水冷卻巷道圍巖導致的，而在此之前巷道出口端風流溫度降低是由于風流與巷道圍巖換熱冷卻圍巖溫度。也就是說，巖層注水對巷道風流降溫影響在巖層注水17 min后開現(xiàn)。圖9所示為巖層內(nèi)與巷道不同距離的測點溫度變化。在巖層注水采熱時，巖層上方靠近注入井的測點溫度變化最快，降溫幅度最明顯。例如，距離巷道中線垂直下方5 cm 處1 號測點處在注水5 min 后溫度開始顯著降低，在實驗59 min 時溫度下降至21.9 ℃。而距離巷道中線25 cm 處的3號測點在實驗30 min時才開始明顯降溫。距離注水井最遠的5號測點處，在生產(chǎn)井未開始抽取熱水前，溫度沒有發(fā)生變化，而生產(chǎn)井開始抽取熱水后，測點處溫度開始降溫，這說明生產(chǎn)井抽水促進了巖層內(nèi)水流動，增強了巖層內(nèi)熱質(zhì)傳遞，導致降溫區(qū)域加速擴大。當注入井停止注水后，顯著降溫的1 號、2 號和3 號測點在熱傳導作用下溫度逐漸回升。在圍巖被風流冷卻下，更靠近巷道的1號測點溫度回升幅度小于2號測點溫度回升幅度?；谝陨戏治隹芍?，巖層注水采熱對巷道風流溫度的影響可以分為3 個階段：通風換熱階段(巷道圍巖與風流換熱被冷卻)、圍巖快速降溫階段(巷道圍巖被巖層注水快速降溫)、風流溫度穩(wěn)定階段(巷道圍巖與風流之間熱交換達到平衡狀態(tài))。

圖8 巷道進出口風流溫度隨時間的變化Fig.8 Relationship between airflow temperature and time at inlet and outlet of roadway

圖9 巖層內(nèi)與巷道不同距離的測點溫度隨時間的變化Fig.9 Relationship between temperature of measuring points and time in strata at different distances from roadway

圖10所示為實驗過程中巷道中心軸線下方巖層豎直截面溫度分布。從圖10 可見：在實驗50 min時，巖層內(nèi)主要降溫區(qū)域出現(xiàn)在巖層上方注入井附近；當生產(chǎn)井開始抽取巖層水，巖層上方中的水加速向下方巖層流動，在實驗59 min 時上方巖層降溫區(qū)域顯著擴大；隨著生產(chǎn)井繼續(xù)抽采，巖層熱量被水帶走，下方巖層溫度逐漸下降，而上方巖層在其他高溫圍巖的導熱下，低溫區(qū)域溫度出現(xiàn)回升；最終在實驗160 min時，巖層內(nèi)溫度分布較為均勻，整個截面溫度均明顯降低。圖11 所示為生產(chǎn)井水溫及產(chǎn)水量隨時間的變化關(guān)系。由圖11 可知：由于生產(chǎn)井附近巖層溫度逐漸降低，生產(chǎn)井中抽采熱水溫度隨生產(chǎn)時間逐漸下降，由剛開始的41.3 ℃降低至39.0 ℃。生產(chǎn)井在剛開始抽采時產(chǎn)水流量較大，但由于注入井停止注水，巖層中含水量減小，導致生產(chǎn)井中產(chǎn)水流量隨時間逐漸降低。最終，生產(chǎn)井抽水115 min累計產(chǎn)水量為37.54 kg。

圖10 巷道中心軸線下方巖層豎直截面溫度分布Fig.10 Temperature distribution in vertical section of rock strata below the central axis of roadway

圖11 生產(chǎn)井中水溫及產(chǎn)水量隨時間的變化Fig.11 Change of water temperature and water production rate in production well with time

圖12 所示為有無注水采熱情況下巷道內(nèi)風流升溫幅度隨通風時間的變化。從圖12 可見：在無巖層注水采熱時，巷道內(nèi)風流升溫幅度隨圍巖冷卻緩慢減小，而當巖層注水采熱時，巷道內(nèi)風流升溫幅度在巖層注水階段快速降低，在停止注水后巷道內(nèi)風流保持較小的升溫幅度；巖層注水54 min后，巷道內(nèi)風流升溫幅度比不注水的情況下小1.5 ℃。巖層注水采熱可以顯著減小巷道圍巖向風流釋放的熱量，改善巷道內(nèi)熱環(huán)境。

圖12 注水采熱對巷道內(nèi)風流升溫幅度變化的影響Fig.12 Influence of water injection and heat recovery on heating amplitude of air flow in roadway

4 結(jié)論

1) 礦井熱害治理協(xié)同地熱開采相似實驗需滿足以下相似準則：、。在原模型與縮尺模型幾何相似比Cl=d的情況下，時間相似比、速度相似比、滲透率相似比、壓力相似比和源匯項相似比分別為d2、1/d、1、1、d。

2) 基于相似準則，搭建了幾何比為1:100的礦井熱害治理協(xié)同地熱開采相似模擬實驗系統(tǒng)，利用該實驗系統(tǒng)可模擬巖層地熱開采時巷道通風換熱和巖層內(nèi)熱質(zhì)流動傳熱過程，確定合適巖層注水采熱位置、流量、時間等參數(shù)。

3) 巖層注水過程中能快速降低注入井附近巖層溫度，但對下部巖層影響較小。但當生產(chǎn)井抽水采熱時將增強巖層內(nèi)熱傳遞，使巖層內(nèi)降溫區(qū)域擴大。當巖層注水54 min，相比于巖層不注水采熱，巷道內(nèi)風流升溫幅度減小1.5 ℃。

4) 巖層注水采熱對巷道風流溫度的影響可以分為3 個階段：通風換熱階段(巷道圍巖被風流逐漸冷卻，風流升溫幅度緩慢減小)、圍巖快速冷卻階段(巷道圍巖被注入巖層的冷水快速降溫，巷道內(nèi)風流升溫幅度加速降低)、風流溫度穩(wěn)定階段(注入井停止注水，巷道圍巖向風流釋放的熱量達到穩(wěn)定狀態(tài))。