摘要
随着矿井开采深度的增加,回采工作面热害问题日益严重,给井下工作人员的健康与安全带来了威胁,降低了煤炭资源的开采效率,其中高温煤层的散热是造成工作面热害的主要原因;同时煤层内部存储的热能资源具有一定的利用价值,因此研究将回采工作面的热害治理与热能利用相结合具有重要意义。平顶山煤矿因其特殊的地质条件,井下热害问题严重,煤层温度较高。本文以平煤矿区回采工作面为研究背景,综合采用现场调研、理论分析、实验室试验以及数值模拟的方法,对高温煤层的降温与采热技术进行探索与研究。主要研究成果如下:(1)收集整理平煤矿区的地质资料,分析了矿区地温梯度异常的原因;对工作面的通风参数、煤层温度进行现场测定;对工作面煤层传热进行分析及散热量的计算,证实了高温煤层散热是造成工作面热害的主要原因,并且高温煤层的储热具有利用价值。(2)基于单井循环水源热泵技术,进行超前工作面煤层循环水换热机理的研究,分析煤层内部渗流与温度场的关系,确定煤的导热系数是影响热量传递的主要参数;对工作面煤样进行含水率的测定,采用稳态平板法开展不同含水率的煤导热系数测定试验,得出了煤的导热系数随含水率的增加而增加的规律。(3)根据工作面煤层参数以及煤的热学特征参数,使用COMSOL数值模拟软件建立煤层循环水换热的物理模型,提出了计算模型的控制方程和边界条件,进行煤层循环水降温与采热效果的模拟研究,得出煤层温度场随时间的变化情况以及抽采水流温度的变化特征;模拟分析了不同水流流速以及钻孔间距的情况下,煤层温度场及抽采水温变化规律。(4)根据回采工作面地质及生产技术条件,结合数值模拟不同方案结果以及工作面降温需求,确定了最佳钻孔及注水参数;制定了超前工作面煤层循环水降温与采热的工艺方案;模拟分析得出开采低温煤层可使工作面环境温度下降约2-3℃;采用热储法计算出矿区煤层热能储量为4.92×10~(15)J,确定煤层具有丰富的地热资源;提出了工作面煤层的热能利用方案,对高温煤层的降温与采热技术进行经济及社会影响的综合评价。该论文有图47幅,表15个,参考文献69篇。