深部充填矿井的矿床-地热协同开采方法探索

为了降低深部矿井充填成本,缓解热害,实现深部矿床和地热能的经济有效开发,提出了一种基于深部充填矿井的矿床-地热协同开采方法。该方法基于矿山功能性充填的学术理念,将矿井充填、热害治理与地热开采3者结合起来,利用埋管采热技术变矿井热害为地热能商品以冲抵充填成本和降温成本。构建出矿床-地热协同开采的总体方案和协同体系,提出矿床与地热开采、采场降温与地热开采以及充填体养护与地热开采3种基本协同模式,实现在治理矿井热害或开采深部矿床的过程中同步开采地热能。以上向分层充填方法为例,从时间、空间、环境和工艺4个维度阐述了矿床开采、空区充填、地热开采3个子系统之间的基本协同原理和机制,充分发挥其在不同阶段的协同增效作用,提高开采效率,降低开采成本。在理论模型方面,构建了充填体埋管换热三维数值模型和地热资源评价模型,给出采热阶段和热恢复阶段的关键控制方程以及地热资源评价指标。利用建立的模型估算了充填矿井地热能潜在利用价值,结果表明围岩温度为45℃时,尺寸为3000 m×20 m×105 m的充填采场能够以每年257.8~377.2 kW的功率为热泵系统连续提供热能(15.0~17.5℃)5.6个月,总计1.2 GW·h,确保热泵系统在寒冷冬季高效稳定地产出50℃热水,实现4600~6855 m 2办公楼的冬季供暖。矿床-地热协同开采技术在深部充填矿井的应用实现了深部矿床开采、空区治理、固废处置与可再生地热能开发的有机融合。