深部矿井煤炭−地热协同开采系统研究

在煤炭资源深部开采趋势下,矿井高温热害问题日益严重,引起矿井高温热害的热源实质为可持续利用的地热能,在进行煤炭开采的同时将深部矿井地热能提取并进行资源化利用,是建设绿色矿山、降低矿井碳排放的创新途径。总结了国内外深部矿产和地热能共采现状,从工艺流程和关键设备方面分析了煤炭−地热协同开采的可行性,最终提出一种煤炭−地热协同开采系统。该系统总体采用闭式循环,包括地面热能利用系统和井下取热系统,通过在预采煤层水平钻孔并布置同轴套管换热器提取煤层地热能,并由地面热泵机组将从井下开采的低品位地热能进行利用。秉承“先采热、后回采”的时间和空间协同原则,预先在回采工作面前向划分采热工作面,提出顺序采热、交替采热2种模式,确保采热过程对采煤过程无干扰。分析了空间协同设计、煤层钻孔、高效采热和智能监控调控等关键技术,对煤炭开采和地热能提取进行井下空间协同设计,提出基于煤层注水的同轴套管换热器布置工艺,使用快捷装配式同轴套管换热器可进行多种组合实现高效采热,构建智能监控调控平台并提出相关优化模型,构建取热量计算模型,提出智能控制采热方式。简化煤系地层传热过程,构建煤层采热传热模型,可根据回采工作面实际情况和出口风流参数对回采工作面采热能力进行计算评估。根据煤层采热传热模型,分析得出煤层初始温度、煤炭运输量、回采工作面出口风流温度、风流含湿量变化量是决定煤层采热量的关键参数。定义回采工作面风流含湿量不变且回采工作面出口风流等效温度不高于28℃时的采热量为煤层最大采热量。系统的应用将会使深部矿井热害资源化,不仅解决了煤炭开采热害问题,而且实现了深部矿井地热能综合利用。

煤-热共采模式下地热水非常规开采数值模拟研究

在我国“碳达峰、碳中和”时代背景下,开展矿井地热水资源开发利用实现煤-热共采的研究具有重要战略意义。然而,目前煤-热共采技术尚不成熟,针对矿井地热水抽采的研究还需进一步补充。因此,基于煤-热共采理论及技术框架,提出了一种地热水井下非常规开采方法。分析了矿区热储形成机制,采用热储体积法对矿区地热水资源量进行了估算,评价了矿井地热水开发潜力。同时,数值模拟了地热水非常规开采模式下的热储温度场及生产井水温变化。分析了生产井群参数对热储层温度场及生产井水温的影响,并与常规地热水生产方法进行了对比。最后,讨论了矿井地热水开采利用所产生的社会、经济效益。结果显示:①矿区地热水静态可采量为1.14×10^(17)J,折合标煤3.9 Mt。动态可采量为2.95×10^(16)J/a,折合标煤1.01 Mt/a。②生产井水温受回灌水温的影响较大,与回灌方式的关系不大,且回灌水温对生产井水温的影响主要体现在生产后期。③随着生产速率的增加,生产井群热突破时间提前,且在热突破点之后的温降速率加快。④均衡生产对生产井的服务年限具有有益作用。⑤通过调整非常规开采模式的生产策略可实现生产井群的协调开采,延长生产井群的开采期限,使其平均温降速率小于常规开采模式下的生产井温降速率。⑥矿井地热开发系统建成后,可实现煤矿17万m^(2)的供暖及全矿职工的洗浴,每年减少燃煤10327 t,减少CO_(2)排放量26900 t,为企业创造693.8万元的经济效益。因此,针对水热型高温矿井,实施井下地热水非常规开采具有一定的可行性。通过合理布置生产井群分布,科学制定生产策略,可实现矿井地热水的高效开采。

煤-热共采模式下矿井地热水开采及智能调度技术研究

为响应我国“碳达峰、碳中和”战略目标,实现能源绿色清洁转型,开发深部矿井地热资源具有重要意义。以平煤十矿为背景,利用热储体积法,评价了矿区地热水开发潜力,结果显示矿区地热水蕴藏热能7.63×10^(17)J,折合标煤26.1 Mt,动态地热流体可采量折合标煤1.01 Mt/a,具有较高开发潜力。基于此,在煤-热共采理论及框架的基础上,提出了矿井地热水开采方法,并提出了一种基于地面热负荷的地热水开采智能调度技术。通过计算矿区热负荷,设计了矿井地热水开采方案,并进行了现场工业性实验。实验结果表明,开发利用矿井地热水可满足平煤十矿矿区17万m^(2)的冬季供暖及7000余名职工日常洗浴,同时可减少燃煤约10327 t/a,折合CO_(2)排放量2.69×10^(4)t/a,为企业带来693.8万元的经济效益。因此,深部矿井地热水开采具有良好的安全效益、经济效益、社会效益与环境效益,可为我国“双碳”目标的实现贡献力量。

双碳背景下“煤-水-热”正效协同共采理论与技术构想

双碳目标下,煤炭企业绿色低碳化发展已成为我国能源革命的迫切需求。煤炭生产在大力发展节能提效技术的基础上,消除水害与热害隐患的负面影响,主动激励伴生资源的潜在正面效应发挥能源替代功能是实现矿山可持续性绿色开采的有效举措。基于我国煤矿资源特点,首先提出了一种集约型煤水热多资源正效协同开采模式,剖析了该模式的内涵与基本协同模式,对全生命周期煤炭开采伴生资源控制-利用-储存形成矿区资源产供储一体产业链。通过阐述顶板水高效精准疏放、季节性含水层储能、低焓热能高效提取与梯级利用、深部地热原位开采和矿井水深部地质封存等关键技术及科学问题,提出了以煤炭开采低碳零碳融合为核心的全生命周期煤水热共采技术体系。针对系统运行优化管理,考虑以碳排放与经济性为双重目标配置优化开采工艺与运行策略的协同度。最后以陕西榆林小纪汗煤矿为分析案例,初步基于遗传算法构建煤水热共采模式下矿区资源多目标配置优化模型,评估了系统运行节能减排效益,结果表明:利用小纪汗矿伴生风/水资源年节能率可达50.2%,减少矿区生产用能总二氧化碳排放量24.2%,节能减排效果显著。通过实现矿业负效应资源的正向转换,拓展伴生资源对矿区综合能源体系的增环补链作用以实现煤水热正效协同共采,对煤炭行业助力实现双碳目标具有参考意义。

淮南煤田刘庄矿区A组煤底板灰岩地热资源特征分析

对淮南煤田刘庄矿区A组煤底板灰岩地热资源进行了调查研究,建立了地热概念模型。研究区煤层底板灰岩具有典型的热传导型层状热储特征,通过钻探与测井取得热储层顶底板温度,估算其地热资源储量为171.17×10^(16) J,折合标准煤58.48×106 t;抽水试验结果表明热储层富水性弱,涌水量小且热损失大致出水温度低。提出进一步详查及煤热共采等建议。