在“双碳”目标驱动下，我国将逐步减少对煤炭、石油等化石能源的依赖，向发展清洁、绿色、低碳能源转型^[1−2]. 开展煤田地热资源评价及开发利用技术研究，对优化能源结构、加快推进社会经济绿色低碳高质量发展和助力 “双碳”目标实现意义重大^[3−5]. 济宁煤田总面积约为1030 km²，累计探明煤炭资源储量位41.6 亿吨，分布13处矿山，是我国主要煤炭基地之一，对社会经济发展做出了重要贡献. 煤田开采深度为−150～−1700 m，经过长期持续开采，浅部资源日趋枯竭，已向深部延伸开采，煤矿开采热害严重^[6−13]，并在矿井下形成了大面积采空区，其内赋存丰富的水热资源^[14−18]. 部分矿山已达设计生产年限面临关闭，矿山井下形成的巷道、采空区，工业广场分布的主井、副井、充填孔、巷道井、直排井，排水管道及办公楼、宿舍楼等采矿设施，为矿山地热资源开发利用示范工程建设提供了便利条件.

国外矿山地热利用研究较早，20 世纪俄罗斯顿巴斯煤矿利用水源热泵技术将矿井水温度提升后，用于建筑采暖^[19]；荷兰海尔伦市利用靠近城区的废弃矿井作为蓄热系统，提取矿井涌水中恒温热量对市区多座大型建筑供暖（制冷），供暖（制冷）总面积为8×10⁵ m² 左右，该项目为欧洲乃至全球废弃矿井地热能开发利用发挥了示范作用^[20]；加拿大安威廉姆斯矿采用开放式循环系统提取封闭矿井积水的热能，结合热泵技术为矿区周边小区夏季制冷和冬季供热^[21]；Banks等^[22]估算了英国埃格雷蒙特废弃矿井地热静态储能量；Bailey等^[23]针对英国废弃矿井水排放问题，探讨了回收地热能的可能性，研究发现，矿井水中每小时可回收4.10×10¹² J的热能，而处理矿井水所需电能仅为2.3 MW·h；Farr等^[24]利用南威尔士废弃矿井水排放及地温数据，估算出该地区矿井每小时可产生约6.22×10¹² J的地热能，可为约6500 户住宅进行供暖或制冷；Menéndez等^[25]评估了Asturian废弃矿井地热能的利用潜力，显示矿井地热能利用可为该地区减少80%左右的碳排放量.

我国煤田地热资源勘查始于20世纪70年代，原中国科学院地质研究所地热研究室与原煤炭工业部合作，先后对河北开滦、山东兖州东滩、平顶山和龙口煤矿等进行系统研究，构建了煤田地热学的理论系统框架，阐述了矿区地温分布规律及类型，建立了矿山稳态测温与近似稳态测温方法^[26]；余恒昌^[12]把矿山地热与井下热害治理结合，指出地热水和矿井乏风可以作为地热载体直接利用；张吉雄等^[8]研究了深部矿井地热资源发展潜力以及地热与煤炭资源开采的现状，利用煤炭资源采后空间及生产系统，提出了充填埋管采热、采空区储水采热、采动区封闭采热及深部原位钻井采热4种采热方法；田伟等^[27]针对龙固矿井高温高盐度的矿井水，探讨了矿井水余热资源利用方式，并提出了矿井水处理净化方法；李科燃^[28]针对唐家会矿区原有供热系统能力不足的问题，提出了一种矿井水热源利用方法；万志军等^[29]分析了平顶山煤田矿区热储形成机制，估算了地热水资源量，评价了矿井地热水开发潜力；毕世科等^[30]提出了一种利用矿井原有井巷工程进行矿井地热水开采模型，根据矿区多种余热资源赋存情况，提出了矿山地热资源综合利用方案，结果表明唐口矿山地热资源可服务于矿山和周边1.4×10⁵ m²的住宅供暖.

目前，我国煤田区地热资源评价尚未系统开展，关闭/废弃矿井的地热资源开发利用整体处于试验阶段^[31]，本文以济宁煤田为研究对象，根据煤田勘探、生产资料，评价了矿山地热资源量、可采资源量和开发利用潜力；提出了矿山地热开发利用技术；同时，以典型煤矿为例，根据矿山井下巷道开拓空间、副井、充填孔、巷道井和直排井分布特征，地面排水管道及工业广场建筑物供暖条件，阐述了煤田地热开发技术，为矿山地热能综合利用及推广提供依据.

1.   煤田地热地质条件

1.1   地质背景

济宁煤田位于济宁市中部，总面积约1030 km²，主要分布奥陶纪马家沟群灰岩，石炭—二叠纪泥岩、砂岩，侏罗纪砂岩和第四纪松散岩层，整体为一向斜构造，轴向北东，向西南倾伏，地层倾角平缓，一般在3°～10° 之间，向斜南北两翼发育煤层、煤系地层及奥陶纪地层露头. 受印支与燕山期构造运动影响，区内断裂构造发育，近南北向主要有孙氏店、八里铺、岱庄和济宁断裂，东西向主要有长沟、菏泽和凫山断裂，如图1 所示. 煤田东南部大面积分布燕山期岩浆岩，岩性为细粒橄榄辉长岩，成层状侵入在侏罗系上部，平均厚度为90.86 m.

图  1  济宁煤田地质图

Figure  1.  Geological map of the Jining Coalfield

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1.2   大地热流

煤田内大地热流60～70 mW·m⁻²，总体呈现西高东低的趋势，高于中国（60.4 mW·m⁻²）和全球（64.7 mW·m⁻²）大陆平均热流，为地热异常区^[32−33]，地热资源丰富.

1.3   地温特征

1.3.1   地温梯度特征

济宁煤田地温梯度值在0.013～0.026 ℃·m^‒1 之间，如图2所示，总体上由东北向西南呈增加趋势，A11-6号钻孔位靠近地下水补给区，地下水循环径流条件较好、盖层厚度较小，地温梯度值低，为0.013 ℃·m^‒1；X28、C3-5、C11-5和D27-4号钻孔靠近区域性大断裂、盖层厚度较大，远离地下水补给区，地温梯度值大于0.024 ℃·m^‒1 .

图  2  济宁煤田地温梯度等值线图

Figure  2.  Contour map of the geothermal gradient in the Jining coalfield

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1.3.2   垂向地温变化特征

根据济宁煤田12 眼测温孔资料，垂向地温分布特征如下：

（1）多数测温孔地温梯度接近0.02～0.03 ℃·m^‒1地温与深度基本呈直线相关，表现为正常大地热流传导为主的地热系统，如图3 所示.

图  3  济宁煤田勘查孔垂向测温曲线图

Figure  3.  Vertical temperature measurement curve map of exploration boreholes in the Jining coalfield

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（2）靠近地热水补给区的A11-6、A7-1、A12-5和JR1号钻孔上段测温曲线表现出“下凹”线型，表明有低温地下水侧向径流通过.

（3）靠近孙氏店深大断裂的C3-5和10-8号钻孔测温曲线表现出“下凸”线型，表明孙氏店断裂切割深度大，充分沟通深部热源，深循环地热水沿断裂破碎带上涌，使测温孔深部增温较大，呈“下凸”型^[34−36].

1.4   煤田热储层特征

1.4.1   热储层

根据煤田勘查和生产资料，济宁煤田石炭—二叠系厚度为234.69～602.83 m，埋深为229.88～918.07 m. 可采煤层为3（3_上）、3_下、6、10_下、15_上、16、17 等，平均总厚度为3.1～12.0 m，开采深度为−150～−1300 m. 采空区面积约90 km²，呈层状分布，总厚度为3.10～11.51 m. 分布3 煤层顶底板砂岩导水裂隙带和三灰、十灰、十三灰、十四灰等裂隙岩溶含水层段，水位埋深为−2.0～35.05 m，单井涌水量为0.02～443.32 m³·d⁻¹. 以矿山为单元，将煤矿开采以及排水后腾出来的空间作为“热储层”，采空区及其导水裂隙带形成了巨大的储水储热空间，生产大巷沟通了各采区之间的水力联系，为主要导水通道，形成了矿山井下“热储层”系统. 各矿山热储层厚度（已采煤层导水裂隙带）计算公式^[37−38]如式（1）所示：

其中：$ {H_{\text{f}}} $为导水裂隙带最大高度，m；M为累计开采煤层厚度，m；n为煤层层数. 经计算各矿山热储层厚度（导水裂隙带高度）为26.92～69.19 m. 目前“热储层”中排水总量约为4148 m³·h⁻¹，温度为26～42 ℃，煤田中蕴藏地热资源丰富，如表1 所示，“热储层”剖图如图4 所示，剖面位置如图1 所示.

表  1  济宁煤田各矿山地热资源赋存特征一览表

Table  1.  Geothermal resource occurrence characteristics of various mines in the Jining Coalfield

Mine number	Coal-bearing strata characteristics			Minable coal seam characteristics			Height of water conducting fracture zone/m	Mine drainage volume/ (m3·h−1)	Temperature/℃
	Thickness/m	Buried depth/m		Minable coal seam	Total thickness/m	Mining depth/m
1	400.50	626.50		3 (3上), 3下, 6, 10下, 15上, 16, 17	11.51	−200–−1000	47.89	80.1	26
2	557.57	604.15		3上1, 3上, 3下, 6、15上, 16, 17	7.97	−200–−1000	34.73	300.0	26
3	363.74	229.88		3上, 3下, 6, 16上, 17	5.02	−150–−800	29.83	54.8	26
4	380.90	567.52		3, 16, 17	8.78	−180–−1300	69.19	69.3	26
5	578.09	603.71		3 (3上), 3下, 6, 10下, 15上, 16, 17	12.00	−650–−1300	49.71	155.5	42
6	602.83	422.20		3上, 3下, 15上, 16上, 17	5.89	−120–−1000	34.11	594.7	31
7	325.49	918.07		3上, 3下	3.10	−820–−1500	34.91	172.3	36
8	498.72	432.03		3上, 3下, 6、10下, 15上, 16上, 17	10.26	−560–−1200	43.24	204.2	32
9	512.34	457.39		3上, 3下, 6, 10下, 12下, 15上, 16上, 17	10.32	−400–−1300	39.27	625.0	30.3
10	234.69	294.00		10下, 12下, 15上, 16上, 17	4.43	−150～−400	26.92	200.0	26.3
11	406.56	718.60		3上, 10下, 12下, 16上, 17	5.93	−200～−1200	34.31	705.3	36
12	397.79	659.27		10下, 12下, 16上, 17	9.39	−200～−1200	60.34	767.0	36
13	354.57	426.75		3上, 3 (3下), 12下, 16, 17	10.46	−270～−950	56.63	220.0	27

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图  4  济宁煤田“热储层”剖面图

Figure  4.  Profile of the “Thermal Reservoir” in the Jining Coalfield

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1.4.2   盖层

济宁煤田“热储”盖层厚度为229.88～918.07 m，层状连续性好，主要为第四系、侏罗系和石炭—二叠系石盒子群等，这些岩石密度较小，质地较软，导热性能差，不利于地热传导上升运移，是热的不良导体，共同组成了采煤空间、矿井排水空间和导水裂隙带等“热储层”的保温盖层.

1.4.3   水源

济宁煤田地热水主要源于大气降水入渗形成的浅层地下水，通过煤系地层露头基岩面孔隙、节理、裂隙和断裂等导水通道深循环补给，地下水深循环过程中被周围高温岩体加热至“热储层”，形成地热水. 煤田内断裂构造发育，深部奥灰地热水可通过断裂构造上涌，补给“热储层”地热水，如图4 所示.

1.4.4   热源

地球内部蕴藏着巨大的热能，无时无刻不在向外释放热量，济宁煤田大地热流值为60～70 mW·m⁻²，高于中国大陆平均热流值，是地热形成的有利位置，大地热流传导聚热是本区的主要热源. 孙氏店、济宁、嘉祥和凫山等深大断裂沟通了上地幔、地壳深部和浅部热流及地热流体的联系，深循环地下水获取深部热流后，沿高渗透性断裂破碎带向浅部运移聚集，导热断裂对流聚热是本区热源之一. 另外，在中新生代沉积了巨厚的松散、半固结状沉积物，在不断压实、成岩过程中，会产生一定物理‒化学热，也为本区提供了部分热源，研究区热源条件较好.

2.   煤田地热资源及潜力评价

采用热储法估算济宁煤田各矿山内储存的地热资源量^[39]，计算公式如式（2～4）所示：

其中，Q为热储中储存的热量，J；Q_r为岩石中储存的热量，J；Q_w为水中储存的热量，J；A为计算区面积，m²；d为热储层厚度，m；$ {\rho _{\text{r}}} $、$ {\rho _{\text{w}}} $分别为热储岩石和地热水密度，kg·m⁻³；C_r、C_w分别为热储岩石和地热水的比热，J·kg⁻¹·℃⁻¹；φ为热储岩石的空隙度，量纲为一；t_r：热储温度，℃；t₀为当地年平均气温，℃；S为弹性释水系数，量纲为一；H为计算起始点以上高度，即水面到热储顶板距离，m.

计算面积A、热储温度t_r、当地年平均气温t₀和水面到热储顶板距离H根据各矿山地质、水文地质勘查数据取值；热储层厚度d按前述煤层导水裂隙带高度取值；孔隙度φ依据济宁煤田主采3煤层顶底板砂岩样品物理力学测试报告取值，弹性释水系数S根据煤田采区疏干放水资料估算，对浅埋的1、2、3、4、6、10、11、12、13 号矿山孔隙度取值为0.067 ，弹性释水系数取值为0.0000692 ，对深埋的5、7、8、9 号矿山孔隙度取值为0.061 ，弹性释水系数取值为0.0000651 ；砂岩的比热容C_r、密度$ {\rho _{\text{r}}} $，水的比热容C_w、密度$ {\rho _{\text{w}}} $依据《地热资源评价方法及估算规程》（DZ/T 0331—2020）^[41]和研究区热储层实际情况取值.

地热可采资源量Q_R采用回收率法进行计算，公式为$ {Q_{\text{R}}} = RQ $，R为回收率. 根据《地热资源评价方法及估算规程》^[40]，对于较松散砂岩孔隙型热储，孔隙率大于20%时，回收率R可取25%；对于以固结砂岩和花岗岩为代表的火成岩型裂隙热储，回收率可取5～10%. 含煤地层主要为各类泥岩、砂岩互层，煤田地热资源开发优先保障煤炭开采，部分地热资源无法动用，因此评价中可采系数R取值10%^[1].

经计算，济宁煤田各煤矿岩石中储存的总热量为9.32×10¹⁴ kJ，水中储存的总热量为1.16×10¹⁴ kJ，总地热资源量为1.05×10¹⁵ kJ，折合标煤3.60×10⁷ t，评价结果详见表2 . 可采热储量为1.05×10¹⁴ kJ，折合标煤3.60×10⁶ t，可减少CO₂ 排放量 8.59×10⁶ t. 本次计算孔隙度采用钻孔岩样物理力学测试结果，相对煤矿开采后形成导水裂隙带的孔隙度偏小，煤田地热资源量评价结果偏保守，煤田内各矿山可采地热资源量为1.06×10¹²～2.26×10¹³ kJ，平均可采资源量潜力为6.82×10¹⁰～3.13×10¹¹ kJ·km⁻²，目前各矿山地热开发利用程度低，开发利用潜力较大.

表  2  济宁煤田各矿山地热资源量计算结果一览表

Table  2.  Calculation results of geothermal resources in various mines of the Jining Coalfield

Mine number	A/km2	d/m	$ {\rho _{\text{r}}} $/ (kg·m−3)	Cr/ (J·kg−1·℃−1)	φ	tr/℃	t0/℃	S	H/m	Cw/ (J·kg−1·℃−1)	$ {\rho _{\text{w}}} $/ (kg·m−3)	Qr/kJ	QW/kJ	Q/kJ
1	12.4	47.89	2600	878	0.067	26	15.8	0.0000692	591.45	4180	996.78	1.29×1013	1.71×1012	1.46×1013
2	65.62	34.73	2600	878	0.067	26	15.8	0.0000692	569.10	4180	996.78	4.95×1013	6.60×1012	5.61×1013
3	14.69	29.83	2600	878	0.067	26	15.8	0.0000692	206.54	4180	996.78	9.52×1012	1.26×1012	1.08×1013
4	10.05	69.19	2600	878	0.067	26	15.8	0.0000692	560.00	4180	996.78	1.51×1013	2.00×1012	1.71×1013
5	72.22	49.71	2600	878	0.061	42	15.8	0.0000651	596.19	4180	991.44	2.02×1014	2.41×1013	2.26×1014
6	56.59	34.11	2600	878	0.067	31	15.8	0.0000692	415.87	4180	995.34	6.25×1013	8.28×1012	7.08×1013
7	76.79	34.91	2600	878	0.061	36	15.8	0.0000651	905.54	4180	993.69	1.16×1014	1.41×1013	1.30×1014
8	87.11	43.24	2600	878	0.061	32	15.8	0.0000651	428.70	4180	995.03	1.31×1014	1.56×1013	1.46×1014
9	105.05	39.27	2600	878	0.061	30.3	15.8	0.0000651	459.39	4180	995.65	1.28×1014	1.54×1013	1.44×1014
10	15.57	26.92	2600	878	0.067	26.3	15.8	0.0000692	294.27	4180	996.78	9.37×1012	1.24×1012	1.06×1013
11	66.75	34.31	2600	878	0.067	36	15.8	0.0000692	714.27	4180	993.69	9.85×1013	1.32×1013	1.12×1014
12	27.02	60.34	2600	878	0.067	36	15.8	0.0000692	654.94	4180	993.69	7.01×1013	9.27×1012	7.94×1013
13	20.52	56.63	2600	878	0.067	26.8	15.8	0.0000692	426.75	4180	996.78	2.72×1013	3.60×1012	3.08×1013

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3.   煤田地热开发利用及储能技术

济宁煤田矿井主采煤层底板埋深为150～1700 m，井下温度常年恒定，蕴含着大量低品位能源. 生产矿山地热能源一般随着矿井水、矿井回风等排放而散失在环境中，造成能源浪费；闭坑矿山地热能深埋于地下采空区和采煤巷道中，尚未被大规模开发利用. 在“双碳”目标的驱动下，矿山地热作为一种绿色、可再生的资源受到广泛关注. 目前生产矿山地热资源开发利用技术应用研究较多，闭坑矿山地热资源开发利用整体处于试验阶段，本文将生产矿山热能利用技术总结为矿井回风热能利用和矿井排水余热利用2种；将闭坑矿山地热利用技术分为“取热不取水”和“取热不耗水”2种.

3.1   矿井回风热能利用技术

针对生产矿井回风恒温（一般乏风温度在18～25 ℃）回风量较大、回风口小、风速快等特点，为了充分利用矿井回风中蕴含的热量，选用喷淋式热交换器，提取矿井回风中的热量至汇水池，通过除砂、过滤，将汇水池中的循环水输送到热泵机组提取水中的热量，之后循环水再重新送入矿井回风热交换器进行热交换，循环往复. 热泵所提取的热量用于工业广场建筑供暖、井筒保温和洗浴等，清洁环保无污染，可有效降低矿山生产耗能，如图5 所示. 例如在济宁梁宝寺煤矿，赵志钊等^[41]提出采用1台离心式全热回收水源热泵机组，3台螺杆空气源热泵机组和3台离心式水源热泵机组提取矿井回风、矿井水中的低品位热能，转变为供热热能，为矿区部分厂房、办公、宿舍等面积约8.7×10⁴ m²的建筑供暖，并提供井筒保温、洗浴等生产、生活必备的热源，节约了生产成本，保障了煤矿企业的绿色生产.

图  5  矿井回风余热利用技术流程图

Figure  5.  Technical flowchart for utilizing mine return air heat recovery

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3.2   矿井排水余热利用技术

矿井水长期与围岩进行传导和对流换热，其中蕴含着丰富的低品位热能，具有很高的开采价值. 目前多数矿山在生产过程中，利用高扬程的卧泵将矿井水提升至地表沉积池，经水处理后用于矿山生产、生活用水或达标排放，造成能源浪费. 为充分开发利用矿井水地热资源，本文在已有矿井水水资源利用的基础上提出矿井水余热利用方案：将沉淀池中的矿井水经过除砂、过滤，输送至板式换热器提取热量后，矿井水按原处置工艺流程利用或达标排放. 板式换热器提取的热量经热泵机组辅热后，用于工业广场建筑供暖、洗浴等，实现节能减排，促进矿山绿色低碳高质量发展，如图6 所示. 例如在济宁煤田唐口煤矿，毕世科等^[31]提出综合开发利用井下地热水和矿井水水热资源，可满足矿山和周边1.4×10⁵ ｍ²的住宅供暖.

图  6  矿井水余热利用技术流程图

Figure  6.  Technical flowchart for utilizing mine water heat recovery

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3.3   闭坑矿山“取热不取水”地热开发利用技术

矿山闭坑时，井下分布大面积的采空区和生产巷道，其内赋存丰富的地热资源. 井下水仓、排水管，主井、副井、充填孔和直排井等采煤设施将不再使用. 为充分利用已有采煤设施和开发利用地热资源，闭坑矿山“取热不取水”地热开发利用技术方案为：①改造利用井下巷道、排水管道、充填孔等设施. 调查矿山采煤大巷、工作面、排水管道、充填孔、主井、副井等分布特征，利用采煤巷道，改建井下排水管道、使其相互连接，形成多环路封闭管路；保留改造主（副）井内的矿山排水管道，使其成为抽水井，改造充填孔，使其成为回灌井，并连接到井下管路中，改建成封闭的井下换热系统.②改建地面供暖设施. 将矿山工业广场建筑物由传统暖气片+空调的供暖制冷方式，改为节能的风机盘管供暖制冷；并相应改建供暖管网.③能源站建设. 根据井下密闭系统换热量和地面建筑物供暖需求，在矿山已有车间内，建设安装循环泵、热泵机组、软化水装置等供暖设施，接入井下换热系统和地面供管网，并进行运行调试. 井下换热系统与外界只进行换热，不发生水量交换，实现闭坑矿山“取热不取水”地热开发利用模式.

供暖时利用循环泵将抽水井中的循环热水输送至热泵机组提取热量，循环水降温变冷，经地面管道、回灌井注入井下封闭管道，汲取采煤工作面和巷道中的热量升温加热，再经抽水井重复利用. 地源热泵提取的热量用于建筑供暖，实现闭坑矿山“取热不取水”地热开发利用，如图7 所示.

图  7  闭坑矿山“取热不取水”地热开发利用模式图

Figure  7.  Schematic diagram of the “heat extraction without water extraction” geothermal development and utilization model for closed mines

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3.4   闭坑矿山“取热不耗水”地热开发利用技术

当矿山闭坑后，停止排水，地下热水会快速淹没巷道、采空区、导水裂隙带和各含水层，矿山中储存大量地热水，为充分利用这部分地热资源，闭坑矿山“取热不耗水”地热开发利用技术方案为：①改造利用井下排水管道、充填孔、巷道井，保留改造主（副）井内的矿山排水管道、充填孔和巷道井，并对排水管、充填孔及巷道井底部，安装滤水管，将主（副）井内排水管或巷道井改造成为抽水井，充填孔改造成为回灌井，如图8 所示.②改建地面供暖设施，将矿山工业广场建筑物由暖气片+空调的供暖制冷方式改为风机盘管供暖制冷，改建相应的供暖管网.③能源站建设，根据改造后抽灌井的采灌量、温度和地面建筑物供暖需求，建设能源站，安装板式换热器、热泵机组、循环泵、软化水装置等供暖设施，接入改造后的抽灌井和地面供暖管网，并进行运行调试. 抽水井开采的热水经板式换热器取热后，通过封闭管道、回灌井，100%同层回灌至矿山采空区和巷道“热储层”中，板换器提取的热量用于工业广场建筑供暖，实现闭坑矿山“取热不耗水”的地热开发利用新模式，如图9 所示.

图  8  充填孔改造前后对照图. (a) 改造前;(b) 改造后

Figure  8.  Comparison chart before and after filling hole renovation: (a)before modification; (b)after modification

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图  9  闭坑矿山“取热不耗水”地热开发利用模式图

Figure  9.  Schematic diagram of the “heat extraction withoutwater extraction” geothermal development and utilization model for closed mines

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3.5   煤田地热储能技术

目前，济宁煤田煤矿开采形成地下采空区面积约为90 km²，各矿山可采煤层总厚度为3.1～12 m，平均为7.8 m，煤矿开采后将形成大面积的采空区、导水裂隙带和地下巷道系统，汇水面积较大，其内将充满地热水资源，采空区赋存地热水体积约为7.02×10⁸ m³，温度一般为26～31 ℃，地热水热容量大，温度适中，采空区及巷道围岩为石炭—二叠纪砂岩、泥岩，导热性较差，适合储能. 利用地源热泵技术，冬季矿山地热水供暖过程中将室内的冷量通过循环液带入“热储层”进行储存，以便夏季制冷使用；夏季制冷的同时将室内热量带入“热储层”储存，以便冬季供暖使用；周而复始，热量在“热储层”中实现跨季节储存和使用. 若冬夏两季“热储层”储能温差按4 ℃估算，“热储层”每年可利用的地热储能约为1.17×10¹³ kJ，折合标准煤约为4.0×10⁵ t.

4.   案例分析

4.1   技术方案

为科学开发利用矿区地热资源，本文以济宁煤田内某典型闭坑煤矿为例，阐明煤田地热开发技术. 该矿山共有地下采空区11 个，面积为15.91 km²，其中3_上 煤层采空区7 个，埋深为269～595 m，面积为13.41 km²；3_下 煤层采空区3 个，埋深为259～469 m，面积为2.46 km²；16 煤层采空区1 个，埋深为479～514 m，面积为0.04 km². 累计动用资源储量为5.92×10⁷ t，煤体的密度为1500 kg·m⁻³，考虑体积转换系数为0.25^[18] ，地下采空区储水量约为9.87×10⁶ m³，温度为26 ℃，适宜采用地源热泵技术^[42−43]，取热不耗水、同层回灌技术^[44−46]，实现采灌均衡可持续开发利用矿山地热资源. 根据矿山井下巷道开拓空间，主、副、风井，充填孔、巷道井和直排井分布特征（图10），地面排水管道及工业广场建筑物供暖改造条件（图11），地热资源开发利用技术流程为：通过资料收集获取矿井涌水量、水温、水位埋深等水文地质参数；对井上、井下进行踏勘，掌握工业广场需要供暖建筑物的面积和分布情况，并对巷道井和充填孔井下安装滤水井管，将其改造成为抽水和回灌井；副井内敷设有矿山排水管道，直排孔是矿山已往排水孔，连接矿山−580 m水平巷道，在不影响矿山闭坑封井的前提下，充分利用副井内排水管和直排孔，将其改成观测孔，长期监测巷道、采空区水位、温度变化特征；根据矿井水水样分析测试资料，评价地热流体质量；进行地源热泵系统设计和地热供暖示范工程设备选型安装，包括：能源站建筑、板式换热器、热泵主机、冷却塔、循环泵、旋流除砂器、定压补水装置，热源侧供热管网、负荷侧供热管网、建筑末端风机盘管、集控系统等选型安装和调试. 冬季地下温度较高，供暖时由巷道井抽取采区和巷道内储存的26 ℃地热水，输送至能源站，经板式换热器取热和地源热泵辅热后，对建筑物末端采用风机盘管进行供暖. 被提取温度的地热尾水，通过管道和充填孔，100%回灌至地下采空区，实现矿山“取热不耗水、尾水同层100%回灌”的地热开发利用新模式，如图12 所示. 夏季室内温度较高，制冷时板式换热器和冷却塔吸取由风机盘管、地源热泵循环液携带的室内热量，巷道井抽取采空区和巷道内地热水通过板式换热器被加热后，部分热量通过充填孔回灌至地下采空区进行储存，待下一个供暖季供暖利用，部分热量经冷却塔散热到室外空气中.

图  10  矿山采空区、巷道分布图

Figure  10.  Distribution map of goaf and roadways in closed mines

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图  11  工业广场地热供暖平面布置图

Figure  11.  Layout plan of geothermal heating for the Industrial Plaza

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图  12  煤田地热资源开发利用流程图

Figure  12.  Flow chart for the development and utilization of coalfield geothermal resources

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4.2   示范工程建设

4.2.1   抽灌井改造

该典型矿闭坑时主、副、风井均按设计要求进行了回填封闭，井下开拓巷道、充填孔、巷道井、直排井和副井内排水管道保留. 巷道井、充填孔位于工业广场，井间距为535 m，均位于矿山−410 m开拓水平，井径分别为ϕ325 mm和ϕ219 mm，方便敷设抽灌管路，适合改造成为抽、灌井（图8），且抽灌井间距适中，两井之间可保持水力联系，又避免热突破发生，矿山闭坑后抽、灌井水位处于上升恢复状态，目前水位埋深220 m左右. 直排井位于工业广场西侧1.38 km，处于矿山-580 m开拓水平，井径为377 mm，距工业广场较远，敷设抽灌管路困难，将其改造观测井；矿山闭坑后副井内排水管不能抽水使用，将其改成观测孔. 整个矿山生产其间稳定排水量300 m³·h^‒1，温度为26 ℃.

4.2.2   供暖（制冷）负荷及设备选型

矿山工业广场1～7号宿舍楼、办公室楼等，总面积约5×10⁴ m²，需要供暖（制冷）. 根据研究区气温、建筑供暖制冷特征和末端形式，冬季供暖和夏季制冷负荷均取70 W·m^‒2，需要总热、冷负荷均为3500 kW. 因此， 选用两台螺杆式水源热泵，单台机组制热负荷为1842 kW，制热功率为355 kW，制冷负荷为1790.2 kW，制冷功率为260 kW，2台机组总制热负荷3684 kW，总制冷负荷3580.4 kW，因矿井水硫酸根含量高，具有腐蚀性，为保证热泵机组的正常使用，需配备换热功率为3500 kW的板式换热器进行热交换，满足建筑供暖（制冷）负菏需求.

4.2.3   热源侧流量

根据所选热泵机组制热、制冷负菏要求，采用液体吸/放热公式校核热源侧流量：

其中：G为热源侧流量，m³·h⁻¹；Q为机组制冷或制热负荷，kW；$ {Q_{\text{1}}} $、$ {Q_{\text{2}}} $为机组输入功率，kW；$ \Delta t $为利用温差，℃. 矿井水温为26 ℃，供暖时机组最低温度在10 ℃左右，$ \Delta t $取16 ℃；制冷时机组最高温度在37 ℃左右，$ \Delta t $取11 ℃. 冬季供暖时需用水量为158 m³·h⁻¹，矿井水可满足供暖需求. 夏季制冷时需用水量321 m³·h⁻¹，矿井水量不能满足需求，需配备冷却塔联合制冷. 一般冷却塔工况为32℃～37℃，$ \Delta t $为5 ℃，为使夏季制冷与冬季供暖使用相同型号潜水泵，需冷却水量为358.6 m³·h⁻¹的冷却塔1台，为充分保证夏季室内的制冷效果，选用的冷却塔的流量为400 m³·h⁻¹.

4.2.4   室内末端改造

矿山闭坑前1～7号宿舍楼、办公室楼等，冬季采用燃气锅炉+暖气片供暖，夏季采用空调制冷，能耗大运行成本高，矿山闭坑后燃气锅炉供暖将关停，逐步改造成矿山地热能供暖（制冷），室内末端随之也改造成风机盘管，采用侧送风下回风方式对室内进行供暖（制冷）.

4.2.5   能源站建设

根据前述建筑负荷计算及主要设备选型，能源站建有两台螺杆式水源热泵，一台板式换热器、一台冷却塔. 同时配备除砂器、软化水箱、定压补水装置、循环泵、热源侧供热管网、负荷侧供热管网、集控系统等供暖设备，对矿山宿舍楼、办公室楼等进行供暖（制冷），各设备及参数如表3所示.

表  3  矿井水+地源热泵系统供暖（制冷）主要设备一览表

Table  3.  Main equipment for heating (cooling) of mine water and ground source heat pump system

Serial Number	Equipment name	Specifications	Unit	Number
1	Screw type water source heat pump unit	Cooling load of 1790.2 kW, cooling power of 260 kW; Heating load of 1842 kW, heating power of 355 kW		2
2	Air conditioning side circulation pump	Flow of 350 m3·h−1, lift of 38 m, power of 55 kW		3
3	Cooling tower	Flow of 400 m3·h−1	Suite	1
4	Cooling tower side circulating pump	Flow of 400 m3·h−1, lift of 24 m, power of 45 kW		2
5	Heat Exchanger	Heat exchange of 3500 kW, material quality 316 stainless steel		2
6	Side circulating pump of plate heat exchanger unit	Flow of 300 m3·h−1, lift of 20 m, power of 30 kW		2
7	Make-up water pump	Flow of 11 m3·h−1, lift of 44 m, power of 4 kW		2
8	Makeup water tank	Volume of 5 m³		1
9	Constant pressure water replenishment device	Diameter of 50 mm	Suite	1
10	Cyclone sand remover	Diameter of 300 mm		1
11	Water softening system	Flow of 5 m³·h−1	Suite	1
12	Submersible pump	Flow of 200 m3·h−1, lift of 250 m	Suite	1
13	Energy station building	Renovation of the chemical water workshop		1
14	Heating supply network on the heat source side	Including water intake pipe network, submersible pump, valve, and reinjection filtration device	m	540
15	Load side heating pipeline network	Pipelines, valves, etc., from the computer room to the user building entrance	m	400
16	Centralized control system		Suite	1

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目前已初步建成矿山地热资源供暖（制冷）示范工程，可供暖（制冷）面积约为5.0×10⁴ m²，室内供暖温度为22～26 ℃，制冷温度为20～24 ℃. 潜代原燃气锅炉+空调供暖制冷，年可节省成本约220 万元左右，节约标准煤118.04 t，减排二氧化碳281.64 t，节能减排效益突出，生态改善作用明显，为闭坑矿山地热资源开发利用及推广应用提供了技术支撑.

5.   结论

（1）本文介绍了济宁煤田地质背景条件、大地热流和地温场特征，并将煤矿开采形成的采空区作为“热储层”， 阐明了热储层特征及水源、热源条件. 初步估算煤田内赋存的地热资源量折合标煤约3.60×10⁷ t，可采热储量折合标煤3.60×10⁶ t，可减少CO₂ 排放量 8.59×10⁶ t. 开发利用矿山地热资源为优化能源结构、加快推进社会经济绿色低碳高质量发展和助力“双碳”目标实现提供了支撑.

（2）采空区及巷道围岩为石炭—二叠纪砂岩、泥岩，导热性较差，其内赋存的地热水热容量大，温度适中，适合储能. 利用地源热泵技术，实现跨季节储能，储能温差4 ℃估算，济宁煤田“热储层”每年可利用地热储能约为1.17×10¹³ kJ，折合标准煤约4.0×10⁵ t.

（3）针对生产矿山总结提出了矿井回风热能利用和矿井排水余热利用2 种技术方案；针对闭坑矿山提出了“取热不取水”和“取热不耗水”2 种地热利用技术新模式.

（4）分析了典型煤矿山采空区“热储层”特征，副井、充填孔、巷道井和直排井分布特征，工业广场建筑物供暖改造条件等，并采用地源热泵技术利用矿山地热资源对工业广场建筑进行供暖制冷；采用取热不耗水、同层回灌技术，实现采灌均衡、可持续开发利用地热资源. 建成地热供暖示范工程，可供暖面积为5.0×10⁴ m²，每年利用地热资源量节约标准煤118.04 t，减排二氧化碳281.64 t，节能减排效益突出，为矿山地热能开发利用提供了科学依据.