張永亮 劉耀香 陳喜山

(1.青島理工大學(xué)黃島校區(qū)汽車學(xué)院，山東 青島 266520； 2.青島經(jīng)濟(jì)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?zé)豳Y源利用方法

張永亮1劉耀香2陳喜山1

(1.青島理工大學(xué)黃島校區(qū)汽車學(xué)院，山東 青島 266520； 2.青島經(jīng)濟(jì)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(shì)，隨之而來(lái)的地?zé)釂栴}也越來(lái)越多地顯現(xiàn)出來(lái)；礦山地?zé)崴仁堑Y源又蘊(yùn)含熱能，極具利用價(jià)值。礦山地?zé)犭m是綠色能源，如不能合理轉(zhuǎn)化利用，會(huì)造成井下高溫，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。以礦山地?zé)豳Y源循環(huán)利用為研究目的，從地溫效應(yīng)調(diào)控入風(fēng)流溫度、熱泵技術(shù)在金屬礦山中的應(yīng)用以及地下水回灌系統(tǒng)的角度，分析了礦山地?zé)岬睦迷砑胺椒?，建立了淺層井筒與風(fēng)流熱交換模型、壓力回灌三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型等相關(guān)理論模型，并對(duì)地?zé)崂梅椒ㄟM(jìn)行試驗(yàn)研究和分析，研究結(jié)果應(yīng)用于膠東半島典型金屬礦山中。結(jié)果表明，對(duì)礦山地?zé)豳Y源的合理利用在理論上和實(shí)際操作上具有可行性，可為我國(guó)礦業(yè)綠色能源開發(fā)探索一條可能的途徑。

礦山地?zé)豳Y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(jìn)入深部開采，這也是我國(guó)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?zé)釒У奶窖笪靼陡邿崃鲙В責(zé)豳Y源豐富，地?zé)崮懿豢杀苊獾爻霈F(xiàn)在礦山深井開采過(guò)程中。礦山地?zé)岬谋憩F(xiàn)形式各有不同，常見的有熱巖體散熱，地?zé)崴疂B流或者大量高溫地?zé)崴苯佑砍?。這些地?zé)岬某霈F(xiàn)，導(dǎo)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(yán)重影響安全生產(chǎn)，嚴(yán)重降低工作效率，礦山深井熱害治理已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)甚至全世界共同需要面對(duì)和解決的難題[1]。同時(shí)，礦山地?zé)崴拇罅苛魇?，?duì)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?zé)岬某霈F(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?zé)豳Y源和水資源的白白流失。作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，傳統(tǒng)的能源煤炭和石油在使用過(guò)程中，不僅儲(chǔ)量逐步減少而且造成嚴(yán)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(shì)在必行。地?zé)崮芫哂袩o(wú)污染、儲(chǔ)量大、可再生的優(yōu)點(diǎn)，是一種極富開發(fā)前景的新能源。把礦山開采過(guò)程中出現(xiàn)的地?zé)豳Y源合理轉(zhuǎn)化利用，既解決礦山熱害難題，又有效利用地?zé)豳Y源這一清潔能源，將會(huì)起到一舉兩得的效果。

1 地溫效應(yīng)調(diào)控風(fēng)流溫度

冬季北方礦山凍井現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，給礦山生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重不便，而且容易發(fā)生事故；夏季地表高溫空氣進(jìn)入井下，使深井作業(yè)面溫度進(jìn)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(fēng)流的溫度，解決礦山生產(chǎn)難題。在地溫效應(yīng)利用方面，國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者進(jìn)行了深入研究[2-5]。

利用淺層地溫效應(yīng)調(diào)控入風(fēng)流溫度，風(fēng)流進(jìn)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(shí)踐檢驗(yàn)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(zhǎng)公式，可得出井筒水平斷面的當(dāng)量半徑r1和冷卻圈外側(cè)水平斷面當(dāng)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(yīng)用傅里葉熱傳導(dǎo)定律分析冷卻圈在水平方向的傳熱過(guò)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(shí)間通過(guò)長(zhǎng)度為dy的熱流量dφ為

(1)

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

對(duì)公式(1)積分，得到單位時(shí)間內(nèi)巖壁向冷卻圈外側(cè)導(dǎo)熱量

(2)

巖壁面積上巖壁與空氣間的對(duì)流換熱量

(3)

式中，ty為巷道內(nèi)某點(diǎn)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(gè)連續(xù)的過(guò)程：巖體內(nèi)熱傳導(dǎo)和對(duì)流熱交換，因此導(dǎo)熱量和對(duì)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(fēng)流流經(jīng)淺層廢棄巷道過(guò)程中風(fēng)流和巖壁之間熱交換關(guān)系的數(shù)學(xué)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(yīng)用

多數(shù)礦井地?zé)崴畬儆谥械挽实責(zé)豳Y源，一般需借助熱泵設(shè)備進(jìn)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(yīng)用熱泵原理，通過(guò)消耗少量電能實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。礦山地?zé)釋儆诘V山二次資源范疇，而地?zé)崴堑V、熱、水三位一體的資源，應(yīng)盡可能加以充分利用。根據(jù)膠東半島的礦山地?zé)岬刭|(zhì)特征，其礦山地?zé)崴睦梅绞接幸韵?種，適合大范圍推廣應(yīng)用。

2.1 地?zé)崴鳛闊嵩?/p>

采用礦山地?zé)崴┡?，?jié)省了常規(guī)地?zé)峁┡淖畲笸顿Y——鉆井費(fèi)用，綜合經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于燒煤取暖。同時(shí)，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(duì)于地?zé)崴跏紲囟容^高的礦山，可對(duì)地?zé)崴M(jìn)行熱能的多級(jí)綜合利用，通過(guò)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?zé)崴臐摿Α?/p>

2.2 地?zé)嶂评?/p>

地?zé)崴疅崮懿粌H可作為熱源，夏季通過(guò)熱泵設(shè)備也可以用作空調(diào)制冷的冷源，地?zé)嶂评浜吞?yáng)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?zé)崴评鋭t比太陽(yáng)能更有優(yōu)勢(shì)：屬于礦山開采附屬資源，成本低廉；資源穩(wěn)定，無(wú)晝夜之分；不受天氣影響。因此，礦山地?zé)崴鳛橄募局评涞睦湓?，具有其他能源無(wú)法比擬的先天優(yōu)勢(shì)。

2.3 熱泵技術(shù)在通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用

礦山深井開采中，礦井較高溫回風(fēng)系統(tǒng)也可應(yīng)用水源熱泵技術(shù)進(jìn)行開發(fā)利用[6]。膠東半島礦山回風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流溫度大多在20 ℃左右，可作為熱泵機(jī)組良好的熱源和熱匯。因此，在膠東半島的礦山推廣應(yīng)用水源熱泵技術(shù)極具可行性和應(yīng)用性，是一項(xiàng)礦山二次資源開發(fā)利用的良好項(xiàng)目。圖2為水源熱泵技術(shù)之一(在礦山回風(fēng)側(cè)的應(yīng)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?zé)崴畨毫毓?/h2>

水源熱泵技術(shù)系統(tǒng)目前已經(jīng)相當(dāng)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?zé)崴橙〉降乇韺崮芾煤?，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(diǎn)，以連續(xù)性原理和達(dá)西定律為基礎(chǔ)，建立了三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型[7-9]：

(6)

(7)

(8)

式中，

S為承壓含水層儲(chǔ)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(diǎn)(x,y,z)在t時(shí)刻的水頭值，m；W為源匯項(xiàng)，1/d；h0為計(jì)算域初始水頭值，m；h1為第一類邊界的水頭值，m；Ss為儲(chǔ)水率，1/m；t為時(shí)間，d；Ω為計(jì)算域；Γ1為第一類邊界。

以此非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型為指導(dǎo)，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(jìn)行了地?zé)豳Y源利用和地下水回灌的試驗(yàn)研究。

3.2 礦區(qū)地下水回灌試驗(yàn)

地?zé)崴婢咚Y源和熱資源2 種寶貴資源，其價(jià)值超過(guò)了不可再生的傳統(tǒng)能源，將利用后的地表水回灌到地?zé)釋?，吸收地?zé)豳Y源，再次成為地?zé)崴?，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(guó)目前對(duì)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(duì)回灌水質(zhì)必須嚴(yán)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(guò)程中也沒有污染源。所以，進(jìn)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(yàn)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(dòng)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(yàn)分析

回灌試驗(yàn)以山東沿海典型金屬礦山為例，采用ASR法進(jìn)行地下水回灌，在礦區(qū)地下水失水嚴(yán)重的漏洞區(qū)，用3口回灌井按不同時(shí)間段進(jìn)行了類似的3組試驗(yàn)，3口回灌井編號(hào)分別為1#，2#，3#，試驗(yàn)對(duì)1#井進(jìn)行回灌，通過(guò)測(cè)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(shí)間變化曲線；1#井進(jìn)行回灌時(shí)，2#，3#井水位變化過(guò)程見圖4。

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

圖4 1#井回灌時(shí)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(duì)1#井進(jìn)行回灌，在16 h以內(nèi)另外2個(gè)管井水位明顯上升，回灌超過(guò)一定時(shí)間，水位基本趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)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?zé)豳Y源利用的相關(guān)理論模型，并用實(shí)踐進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明礦山地?zé)岬暮侠砝脴O具可行性和推廣價(jià)值。

(2)礦山地?zé)崴谔崛∑錈崮軆r(jià)值的同時(shí)，必須進(jìn)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(fù)利用。

(3)礦山地?zé)豳Y源循環(huán)利用方法以地?zé)崮艿奶崛∽鳛楹诵?，?chuàng)立礦山二次資源利用新模式，為深井高溫?zé)岷Y源化利用開辟了新的途徑。

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(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51204100)，中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：2013M541934)，山東省博士后創(chuàng)新項(xiàng)目(編號(hào)：201303045)。

張永亮(1979—)，男，博士后，副教授。

TD928.5

A

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