深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬裝置及方法與流程

本發明屬于高溫深井開采技術領域，具體涉及一種深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬裝置及方法。

背景技術：

隨著淺部資源逐漸減少和枯竭，開采深度越來越大，目前我國面臨深部開采的礦山占全國礦山總數的90％；深部開采面臨高地應力、高地溫、高滲透壓等諸多問題，導致開采難度加大、作業環境惡化、通風降溫和生產成本急劇增加，為深部資源開采提出了嚴峻挑戰；為實現安全生產，充填技術的應用在深部資源開發中必不可少，充填采礦法可以將地表堆積廢料回填到井下，處理空區，從而大大提高回采作業安全程度，提高深部資源回收率30％，且解決地表堆積廢料造成的環境污染，實現綠色開采；而解決礦井高溫問題也己迫在眉睫，充填對采區降溫方面有一定的幫助，充填可使采場原巖暴露面積大大減小，從而降低了原巖的散熱面積，因此可以降低原巖的熱量散發；同時充填體能有效的阻止風流滲漏，在一定程度上避免廢風串聯，從而提高風流的利用率，有效的降低坑內溫度；深井充填技術面臨諸多難題，膏體充填是未來一大主要方向，傳統的水力充填工藝，料漿濃度很難提高到70％以上，且通常需要對尾砂進行分級脫泥，其結果是充填尾砂的利用率低，充入采場后的充填體需脫水，脫水時會帶走充填料中的水泥，造成水泥流失，削弱充填體的強度，且造成井下嚴重污染，提高充填料漿的濃度是解決這類問題的關鍵，但由于受管道自流輸送的限制，要想進一步提高料漿濃度，必須借助適當的設備，實現膏體充填，膏體充填料漿具有不離析、不沉淀，且采場脫水量少、甚至不脫水，充填體強度增長迅速，充填質量好、效率高、成本低，改善井下作業環境等優點，是未來充填采礦技術發展的必然趨勢。

而高溫深井下的地熱，也是亟待開發的能源，地熱能給人類帶來巨大的資源：(1)減少溫室氣體排放，提高能源效率；(2)支持環保和經濟協定發展；(3)持續研發和技術改進；(4)探索商業機會(將地熱能源與其他可再生能源相結合)。

為了研究充填采礦法在高溫深井下的應用，并通過充填體進行高溫深井下的采場降溫和地熱開采，需要先進行理論研究，而在進行理論研究時，還需要進行大量的試驗，這些試驗，如果每個都放到實際的采場去做，耗費的人力物力高，且試驗效率低，因此，如果能有一套高溫深井充填體采場降溫與地熱開采的實驗模擬裝置，將很好地解決以上問題，但是，現有技術中還缺乏這樣的裝置。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種結構簡單、設計新穎合理、實現方便且成本低、使用操作方便、使用壽命長、能夠很好地用于進行高溫深井的充填開采試驗、并用于高溫深井地熱開采的理論研究、實用性強、使用效果好、便于推廣使用的深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬裝置。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬裝置，其特征在于：包括模擬箱、溫度數據采集器和計算機，所述模擬箱包括立方體框架結構的保溫箱體，所述保溫箱體內設置有多根用于外接熱水循環系統的溫度控制管，所述保溫箱體內部上下間隔設置有多層隔板，相鄰兩層隔板之間的空間為采空及充填模擬腔，每個所述采空及充填模擬腔內設置有兩個分別向兩側抽拉的抽屜式模擬盒，所述抽屜式模擬盒內部空間用于模擬采空區、或用于充填巖石模擬未開采巖層或用于充填充填材料模擬充填區，所述抽屜式模擬盒內設置有溫度傳感器安裝腔和用于外接水冷循環系統、熱水循環系統或地熱開采循環系統的換熱盤管，所述溫度傳感器安裝腔內安裝有溫度傳感器，所述溫度傳感器的輸出端與溫度數據采集器連接，所述溫度數據采集器與計算機連接。

上述的深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬裝置，其特征在于：所述保溫箱體的底板、頂板、前側壁和后側壁由保溫板一體成型，所述保溫箱體的前側壁左側通過合頁轉動連接有由保溫板制成的左側門，所述保溫箱體的前側壁右側通過合頁轉動連接有由保溫板制成的右側門；位于相鄰兩層隔板之間的保溫箱體的前側壁內側和后側壁內側均設置有支撐槽鋼，所述支撐槽鋼內填充有保溫材料，所述溫度控制管嵌入安裝在保溫材料中。

上述的深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬裝置，其特征在于：所述支撐槽鋼的外壁上設置有用于支撐安裝抽屜式模擬盒的支撐板，所述抽屜式模擬盒的側面設置有供支撐板插入的滾輪槽，所述滾輪槽內設置有用于在支撐板上滾動的滾輪。

上述的深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬裝置，其特征在于：所述支撐板底部與支撐槽鋼之間設置有筋板。

上述的深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬裝置，其特征在于：所述抽屜式模擬盒的外壁上設置有拉手。

上述的深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬裝置，其特征在于：所述溫度數據采集器包括微處理器和為溫度數據采集器中各用電單元供電的電源模塊，以及與微處理器相接的數據存儲器和用于與計算機連接并通信的通信模塊，所述溫度傳感器與微處理器的輸入端連接，所述微處理器的輸入端還接有按鍵操作電路，所述微處理器的輸出端接有液晶顯示屏。

上述的深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬裝置，其特征在于：所述地熱開采循環系統包括依次連接的壓縮機、冷凝器、節流閥和蒸發器，所述壓縮機與蒸發器連接，所述蒸發器上連接有用于與換熱盤管連接的換熱器。

本發明還提供了一種方法步驟簡單，實現方便的深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、深井充填體采場降溫實驗模擬，具體過程為：

步驟101、在所有采空及充填模擬腔內置入內部充填有巖石的抽屜式模擬盒，模擬未開采巖層；

步驟102、在溫度控制管上外接熱水循環系統，并在模擬未開采巖層的抽屜式模擬盒內的換熱盤管上外接熱水循環系統，模擬高溫深井下的未開采巖層發熱；

步驟103、抽出緊鄰最底層的采空及充填模擬腔內的內部充填有巖石的抽屜式模擬盒后，再置入內部充填有充填材料的抽屜式模擬盒，模擬充填區；

步驟104、抽出緊鄰模擬充填區的采空及充填模擬腔內的內部充填有巖石的抽屜式模擬盒后，再置入空的抽屜式模擬盒，模擬采空區；

步驟105、在模擬充填區的抽屜式模擬盒內的換熱盤管上外接水冷循環系統，模擬充填降溫；

步驟106、溫度數據采集器對模擬未開采巖層的抽屜式模擬盒內的溫度傳感器檢測到的溫度進行周期性采樣，將采樣得到的溫度記錄為未開采巖層溫度并傳輸給計算機進行顯示；溫度數據采集器對模擬充填區的抽屜式模擬盒內的溫度傳感器檢測到的溫度進行周期性采樣，將采樣得到的溫度記錄為充填區溫度并傳輸給計算機進行顯示；溫度數據采集器對模擬采空區的抽屜式模擬盒內的溫度傳感器檢測到的溫度進行周期性采樣，將采樣得到的溫度記錄為采空區溫度并傳輸給計算機進行顯示；

步驟107、計算機存儲溫度數據采集器傳輸給其的各層未開采巖層溫度、充填區溫度和采空區溫度，供工作人員研究深井充填體采場降溫；

步驟二、深井地熱開采實驗模擬，具體過程為：

步驟201、在所有采空及充填模擬腔內置入內部充填有巖石的抽屜式模擬盒，模擬未開采巖層；

步驟202、在溫度控制管上外接熱水循環系統，并在模擬未開采巖層的抽屜式模擬盒內的換熱盤管上外接熱水循環系統，模擬高溫深井下的未開采巖層發熱；

步驟203、抽出緊鄰最底層的采空及充填模擬腔內的內部充填有巖石的抽屜式模擬盒后，再置入內部充填有充填材料的抽屜式模擬盒，模擬充填區；

步驟204、抽出緊鄰模擬充填區的采空及充填模擬腔內的內部充填有巖石的抽屜式模擬盒后，再置入空的抽屜式模擬盒，模擬采空區；

步驟205、在模擬充填區的抽屜式模擬盒內的換熱盤管上外接地熱開采循環系統，模擬地熱開采；

步驟206、溫度數據采集器對模擬未開采巖層的抽屜式模擬盒內的溫度傳感器檢測到的溫度進行周期性采樣，將采樣得到的溫度記錄為未開采巖層溫度并傳輸給計算機進行顯示；溫度數據采集器對模擬充填區的抽屜式模擬盒內的溫度傳感器檢測到的溫度進行周期性采樣，將采樣得到的溫度記錄為充填區溫度并傳輸給計算機進行顯示；溫度數據采集器對模擬采空區的抽屜式模擬盒內的溫度傳感器檢測到的溫度進行周期性采樣，將采樣得到的溫度記錄為采空區溫度并傳輸給計算機進行顯示；

步驟207、計算機存儲溫度數據采集器傳輸給其的各層未開采巖層溫度、充填區溫度和采空區溫度，供工作人員研究深井地熱開采。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

1、本發明深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬裝置的結構簡單，設計新穎合理，實現方便且成本低。

2、本發明的深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬裝置，采用了分層抽屜式結構，能夠方便地模擬出高溫深井的未開采巖層、充填區和采空區，進而真實地模擬深井充填體采場降溫，能夠很好地用于進行深井的充填開采充填體采場降溫試驗，并用于高溫深井地熱開采的理論研究。

3、本發明的深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬裝置，使用操作方便，不易出現故障，使用壽命長。

4、本發明的深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬方法的方法步驟簡單，實現方便。

5、本發明的實用性強，使用效果好，便于推廣使用。

綜上所示，本發明的設計新穎合理，實現方便且成本低，使用操作方便，使用壽命長，能夠很好地用于進行深井的充填開采充填體采場降溫試驗，并用于高溫深井地熱開采的理論研究，實用性強，使用效果好，便于推廣使用。

下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

附圖說明

圖1為本發明模擬箱的主視圖。

圖2為本發明模擬箱的側視剖視圖。

圖3為本發明抽屜式模擬盒的主視圖。

圖4為圖3的右視圖。

圖5為本發明支撐槽鋼、支撐板和筋板的連接關系示意圖。

圖6為圖5的右視圖。

圖7為本發明溫度傳感器、溫度數據采集器和計算機的連接關系示意圖。

圖8為本發明地熱開采循環系統的結構示意圖。

附圖標記說明:

1—保溫箱體； 2—溫度控制管； 3—隔板；

4—抽屜式模擬盒； 5—溫度數據采集器； 5-1—微處理器；

5-2—電源模塊； 5-3—數據存儲器； 5-4—通信模塊；

5-5—按鍵操作電路； 5-6—液晶顯示屏； 6—計算機；

7—溫度傳感器安裝腔； 8—換熱盤管； 9—溫度傳感器；

10—合頁； 11—左側門； 12—右側門；

13—支撐槽鋼； 14—保溫材料； 15—支撐板；

16—滾輪槽； 17—滾輪； 18—筋板；

19—拉手。

具體實施方式

如圖1～圖7所示，本發明的深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬裝置，包括模擬箱、溫度數據采集器5和計算機6，所述模擬箱包括立方體框架結構的保溫箱體1，所述保溫箱體1內設置有多根用于外接熱水循環系統的溫度控制管2，所述保溫箱體1內部上下間隔設置有多層隔板3，相鄰兩層隔板3之間的空間為采空及充填模擬腔，每個所述采空及充填模擬腔內設置有兩個分別向兩側抽拉的抽屜式模擬盒4，所述抽屜式模擬盒4內部空間用于模擬采空區、或用于充填巖石模擬未開采巖層或用于充填充填材料模擬充填區，所述抽屜式模擬盒4內設置有溫度傳感器安裝腔7和用于外接水冷循環系統、熱水循環系統或地熱開采循環系統20的換熱盤管8，所述溫度傳感器安裝腔7內安裝有溫度傳感器9，所述溫度傳感器9的輸出端與溫度數據采集器5連接，所述溫度數據采集器5與計算機6連接。

本實施例中，如圖1和圖2所示，所述保溫箱體1的底板、頂板、前側壁和后側壁由保溫板一體成型，所述保溫箱體1的前側壁左側通過合頁10轉動連接有由保溫板制成的左側門11，所述保溫箱體1的前側壁右側通過合頁10轉動連接有由保溫板制成的右側門12；位于相鄰兩層隔板3之間的保溫箱體1的前側壁內側和后側壁內側均設置有支撐槽鋼13，所述支撐槽鋼13內填充有保溫材料14，所述溫度控制管2嵌入安裝在保溫材料14中。

本實施例中，如圖3、圖4、圖5和圖6所示，所述支撐槽鋼13的外壁上設置有用于支撐安裝抽屜式模擬盒4的支撐板15，所述抽屜式模擬盒4的側面設置有供支撐板15插入的滾輪槽16，所述滾輪槽16內設置有用于在支撐板15上滾動的滾輪17。

本實施例中，如圖5和圖6所示，所述支撐板15底部與支撐槽鋼13之間設置有筋板18。

本實施例中，如圖3和圖4所示，所述抽屜式模擬盒4的外壁上設置有拉手19。

本實施例中，如圖7所示，所述溫度數據采集器5包括微處理器5-1和為溫度數據采集器5中各用電單元供電的電源模塊5-2，以及與微處理器5-1相接的數據存儲器5-3和用于與計算機6連接并通信的通信模塊5-4，所述溫度傳感器9與微處理器5-1的輸入端連接，所述微處理器5-1的輸入端還接有按鍵操作電路5-5，所述微處理器5-1的輸出端接有液晶顯示屏5-6。

本實施例中，如圖8所示，所述地熱開采循環系統20包括依次連接的壓縮機20-1、冷凝器20-2、節流閥20-3和蒸發器20-4，所述壓縮機20-1與蒸發器20-4連接，所述蒸發器20-4上連接有用于與換熱盤管8連接的換熱器20-5。

本發明的深井充填體采場降溫與地熱開采實驗模擬方法，包括以下步驟：

步驟一、深井充填體采場降溫實驗模擬，具體過程為：

步驟101、在所有采空及充填模擬腔內置入內部充填有巖石的抽屜式模擬盒4，模擬未開采巖層；

步驟102、在溫度控制管2上外接熱水循環系統，并在模擬未開采巖層的抽屜式模擬盒4內的換熱盤管8上外接熱水循環系統，模擬高溫深井下的未開采巖層發熱；

步驟103、抽出緊鄰最底層的采空及充填模擬腔內的內部充填有巖石的抽屜式模擬盒4后，再置入內部充填有充填材料的抽屜式模擬盒4，模擬充填區；

步驟104、抽出緊鄰模擬充填區的采空及充填模擬腔內的內部充填有巖石的抽屜式模擬盒4后，再置入空的抽屜式模擬盒4，模擬采空區；

步驟105、在模擬充填區的抽屜式模擬盒4內的換熱盤管8上外接水冷循環系統，模擬充填降溫；

步驟106、溫度數據采集器5對模擬未開采巖層的抽屜式模擬盒4內的溫度傳感器9檢測到的溫度進行周期性采樣，將采樣得到的溫度記錄為未開采巖層溫度并傳輸給計算機6進行顯示；溫度數據采集器5對模擬充填區的抽屜式模擬盒4內的溫度傳感器9檢測到的溫度進行周期性采樣，將采樣得到的溫度記錄為充填區溫度并傳輸給計算機6進行顯示；溫度數據采集器5對模擬采空區的抽屜式模擬盒4內的溫度傳感器9檢測到的溫度進行周期性采樣，將采樣得到的溫度記錄為采空區溫度并傳輸給計算機6進行顯示；

步驟107、計算機6存儲溫度數據采集器5傳輸給其的各層未開采巖層溫度、充填區溫度和采空區溫度，供工作人員研究深井充填體采場降溫；

步驟二、深井地熱開采實驗模擬，具體過程為：

步驟201、在所有采空及充填模擬腔內置入內部充填有巖石的抽屜式模擬盒4，模擬未開采巖層；

步驟202、在溫度控制管2上外接熱水循環系統，并在模擬未開采巖層的抽屜式模擬盒4內的換熱盤管8上外接熱水循環系統，模擬高溫深井下的未開采巖層發熱；

步驟203、抽出緊鄰最底層的采空及充填模擬腔內的內部充填有巖石的抽屜式模擬盒4后，再置入內部充填有充填材料的抽屜式模擬盒4，模擬充填區；

步驟204、抽出緊鄰模擬充填區的采空及充填模擬腔內的內部充填有巖石的抽屜式模擬盒4后，再置入空的抽屜式模擬盒4，模擬采空區；

步驟205、在模擬充填區的抽屜式模擬盒4內的換熱盤管8上外接地熱開采循環系統20，模擬地熱開采；

步驟206、溫度數據采集器5對模擬未開采巖層的抽屜式模擬盒4內的溫度傳感器9檢測到的溫度進行周期性采樣，將采樣得到的溫度記錄為未開采巖層溫度并傳輸給計算機6進行顯示；溫度數據采集器5對模擬充填區的抽屜式模擬盒4內的溫度傳感器9檢測到的溫度進行周期性采樣，將采樣得到的溫度記錄為充填區溫度并傳輸給計算機6進行顯示；溫度數據采集器5對模擬采空區的抽屜式模擬盒4內的溫度傳感器9檢測到的溫度進行周期性采樣，將采樣得到的溫度記錄為采空區溫度并傳輸給計算機6進行顯示；

步驟207、計算機6存儲溫度數據采集器5傳輸給其的各層未開采巖層溫度、充填區溫度和采空區溫度，供工作人員研究深井地熱開采。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。