[发明专利]高温矿井充填体蓄热释热实验模拟装置及方法

说明书

本发明公开了一种高温矿井充填体蓄热释热实验模拟装置，包括模拟箱、地热开采水循环模拟系统和数据采集及温控系统，模拟箱包括保温箱体和隔板，保温箱体内设有采场模拟区域和充填体模拟区域，充填体模拟区域内设有抽屉式充填体模拟盒，抽屉式充填体模拟盒内设有充填体，充填体包括相变蓄热材料、溜井模拟腔、采热管、隔热管和冷却管；地热开采水循环模拟系统包括冷热交换器、冷水水箱和热水水箱；数据采集及温控系统包括采场模拟区域传感器组、充填体模拟区域传感器组、控制器和计算机；本发明还公开了一种高温矿井充填体蓄热释热实验模拟方法。本发明能够很好地用于进行高温矿井充填体蓄热释热、采场协同降温、地热开采的理论研究。

技术领域

本发明属于高温矿井充填技术领域，具体涉及一种高温矿井充填体蓄热释热实验模拟装置及方法。

背景技术

随着浅部矿产资源的逐渐减少和枯竭，深部开采成为必然趋势，目前我国面临深部开采的矿山约占全国矿山总数的90％。随着开采深度的逐渐增加，必将出现高地应力、高地温等诸多问题，导致开采难度加大、作业环境恶化、通风降温和生产成本急剧增加，所以深部矿山开采时，高地应力造成的安全问题、高地温带来的热害问题日益成为制约深部矿床有效开采的重要因素。

充填采矿法属人工支护采矿法。在矿房或矿块中，随着回采工作面的推进，向采空区送入充填材料，以进行地压管理、控制围岩崩落和地表移动，并在形成的充填体上或在其保护下进行回采，是深部开采时控制地压的有效措施。随着矿产资源开发过程节能减排及环保要求日益严格，无废清洁采矿是未来矿业发展的必然趋势。充填采矿法可以将地表堆积废料回填到井下，从而大大提高回采作业安全程度，提高深部资源回收率30％，且解决地表堆积废料造成的环境污染，实现绿色开采。

在利用充填法进行深部矿床开采的同时，充填材料如果采用蓄热功能材料，则可以利用其蓄热性能吸收周围围岩及采场风流热量进行蓄热，吸收地热的同时实现采场降温，即利用充填体进行地热开采并实现采场协同降温。基于这一思路，考虑到在深部矿山开采复杂地质环境中进行现场研究存在较大难度，提出一种可进行“充填体相变蓄热—热泵机组采热—采场协同降温”研究的实验系统，为深部矿山开采过程中地热的提取利用与采场降温研究提供了可能。

基于“充填体相变蓄热—热泵机组采热—采场协同降温”思想，将充填料浆与定型相变材料混合制成蓄热充填材料进行充填。地热开采系统的换热管预制在蓄热充填材料中，固化后形成充填体，蓄热时，充填体从围岩及采场吸收热量，温度升高，当温度升高至相变温度时，相变材料吸热融化，之后持续升温至接近围岩温度。释热时，换热管内冷水通过对流与管壁换热，管壁通过热传导从充填体吸热，充填体释放热量，温度逐渐降低，相变材料失热固化，之后逐渐降温至接近换热管内水温。换热管内水吸收充填体热量温度逐渐升高，不断带走充填体热量，直至释热结束。如此反复，充填体通过蓄热过程吸收围岩及采场风流热量、通过释热过程将热量传递给换热管内的水，换热管内水温升高后，再由热泵机组提取利用，实现矿山深部开采时地热的提取利用与采场的协同降温。

为了研究相变蓄热充填体在矿山深部开采时地热提取及采场降温中的应用，需要先进行理论研究，而在进行理论研究时，还需要进行大量的试验，这些试验，如果都放到矿山实际采场去做，将会耗费大量的人力物力，因此，如果能有一套高温矿井充填体蓄热释热实验模拟装置，将很好地解决上述问题，但是，现有技术中还缺乏这样的装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计新颖合理、实现方便且成本低、使用操作方便、能够很好地进行充填体相变蓄热、换热管采热、采场协同降温试验及理论研究、实用性强、便于推广应用的高温矿井充填体蓄热释热实验模拟装置。