高地温热害矿井采煤工作面煤层热能提取与利用系统

技术领域

本发明涉及矿井热害防治与热能利用技术领域，具体是高地温热害矿井采煤工作面煤层热能提取与利用系统。

背景技术

随着煤炭资源的大规模开发利用，浅部煤炭资源日趋枯竭，煤矿开采逐步向地层深部推进，高温热害将逐渐成为制约煤矿安全高效开采的灾害之一。煤矿井下高温环境不仅危害作业人员的身心健康、影响劳动生产率，还会降低机电设备使用年限、诱发瓦斯等次生灾害事故发生。对于煤矿井下生产而言，采煤工作面是作业人员和生产设备最为集中的区域，重点加强对采煤工作面高温环境的改善，对于保证煤矿安全生产具有重要意义。

目前治理采煤工作面热害的措施有通风降温、个体防护及热源控制等非机械制冷降温方法，且对于热害严重的采煤工作面需采用机械制冷方法进行降温处理，其中，采用局部制冷系统降低采煤工作面温度主要是通过制冷机组制备出冷冻水，冷冻水流经安装在近采煤工作面的空冷器中与巷道高温进风流进行热交换，置换出冷风流，该方式因风流沿巷道和工作面流动将逐渐被周围高温煤层加热造成工作面近上隅角区域温度(接近煤层原始温度)仍旧较高。

对于深部开采矿井，高地温煤层是诱发采煤工作面热害的主要原因，采用传统的热害治理方法解决其热害问题时，面临着降温效果差、制冷设备成本高、管道冷损大等问题，而深部开采矿井高地温煤层蕴藏的地热是与煤系伴生的天然热能资源，其也未得以有效合理利用。因此，需要提出一种有效提取利用采煤工作面高温煤层热能资源兼顾高温采煤工作面辅助降温的系统。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高地温热害矿井采煤工作面煤层热能提取与利用系统，能够实现对采煤工作面高温煤层热能的有效利用，同时，降低采煤工作面高温煤层的温度，促进高温采煤工作面降温。

本发明的技术方案是：

高地温热害矿井采煤工作面煤层热能提取与利用系统包括热能提取系统和热能利用系统；所述热能提取系统包括储液箱，储液箱用于回收储存蒸气散热冷凝为液态的工质；多个热管蒸发段，以并联方式埋设于采煤工作面进风巷侧的高温煤层中，实现对高温煤层的吸热降温；充液总集合管道，一端连通在所述储液箱中，另一端连通多个充液分集合管道，多个所述充液分集合管道对应连接在所述热管蒸发段的顶端，充液分集合管道和充液总集合管道用于流通气态蒸气沿蒸气分集合管道和蒸气总集合管道输送到热面蒸气冷凝管网中冷凝液化成液态的工质；蒸气总集合管道，一端连通在所述热面蒸气冷凝管网中，另一端连通多个蒸气分集合管道，多个所述蒸气分集合管道连接在所述热管蒸发段的圆周方向上，蒸气分集合管道和蒸气总集合管道用于流通热管蒸发段内工质吸热蒸发由液态转化为气态的蒸气；所述热能利用系统设置在循环换热管路的蒸气总集合管道上，包括温差发电装置，所述温差发电装置一面贴合于热面，另一面贴合于冷面，所述热面内部设置有热面蒸气冷凝管网，热面蒸气冷凝管网用于流通高温蒸气，所述热面蒸气冷凝管网通过其进口管与蒸气总集合管道相连通，通过其出口管与散热器相连通；蒸气总集合管道、充液总集合管道、蒸气分集合管道、充液分集合管道、热管蒸发段、热面蒸气冷凝管网、散热器和储液箱形成循环换热管路；所述蓄电池通过充电线路与所述温差发电装置相连接，蓄电池储存由热能转化的电能。

进一步的，多个所述热管蒸发段倾斜埋设于采煤工作面进风巷侧的高温煤层中，且各热管蒸发段按照一定倾角和排距以并联方式连接于蒸气分集合管道和充液分集合管道，实现对高温煤层的吸热降温和热能提取，按照一定倾角埋设是便于液态工质回流，按照一定排距埋设目的是为了提高热管换热效率。

进一步的，所述蒸气分集合管道中和热管蒸发段顶端安装有阀门，所述阀门用于对应调节补充热管蒸发段中液态工质质量和控制蒸气流动方向。

进一步的，所述各蒸气分集合管道之间和各充液分集合管道之间均通过法兰连接，通过法兰连接方式保证蒸气管道的气密性，并可随着采煤工作面的开采，便于及时方便拆除热管蒸发段。

进一步的，还包括蒸气抽气泵、蒸气调节阀、抽液泵和液态工质流量调节阀；所述抽液泵和液态工质流量调节阀依次连接在所述充液总集合管道上；所述液态工质流量调节阀用于控制储液箱中液态工质流入充液总集合管道中的流量；所述抽液泵用于输送液态工质至充液总集合管道中；所述的蒸气抽气泵一端与蒸气总集合管道相连接，另一端与蒸气流量调节阀相连接，所述蒸气流量调节阀出口与热面蒸气冷凝管网入口相连接，蒸气抽气泵用于输送蒸气至热面蒸气冷凝管网，蒸气流量调节阀用来控制蒸气流速，以此达到蒸气与温差发电材料的高效换热目的。

进一步的，还包括散热器，所述散热器入口一端与热面蒸气冷凝管网出口相连接，散热器出口一端与储液箱相连接，散热器用于将热面蒸气冷凝管网中流出的残存蒸气工质冷凝为液态工质。

进一步的，所述冷面外部设置有冷面翅片，设置冷面翅片目的是强化冷面与回风流之间的换热。

进一步的，还包括数据采集组件，所述数据采集组件包括温度检测单元，液位检测单元和流量检测单元；温度检测单元包括三个热电偶和温度采集模块，其中两个所述热电偶设置在冷面，一个所述热电偶设置在热面，三个所述热电偶均通过数据传输线与温度采集模块输入端连接，热电偶用于监测热面和冷面的温度变化；液位检测单元包括液位传感器和液位采集模块，液位传感器设置在所述储液箱内，所述液位传感器通过数据传输线与液位采集模块输入端连接，液位传感器用于监测储液箱液位高度；流量检测单元包括流量计和流量采集模块，所述流量计设置在所述充液总集合管道上，通过数据传输线与所述流量采集模块输入端连接，流量计用于监测液态工质的流量。

进一步的，还包括数据储存组件，所述数据存储组件包括数据采集器和计算机，所述数据采集器的输入端通过数据传输线分别与所述温度采集模块、液位采集模块和流量采集模块输出端相连接，数据采集器的输出端与计算机相连；在计算机上实时显示热面温度、冷面温度、液态工质的流量及储液箱液位高度等数据，从而调控蒸气和液态工质流量进行热能的有效提取与利用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用热管内部工质气液两相换热原理源源不断地循环完成高温煤层热量迁移，降低采煤工作面高温煤层温度，减少高温煤层向采煤工作面进风流的散热量，从而对改善采煤工作面高温环境，保障作业人员身心健康，提高劳动生产率起到积极作用；基于温差发电原理，利用高温煤层与采煤工作面回风流温度差将提取的高温煤层热能转化为电能，进一步实现高温煤层热能资源利用。

附图说明

图1为本发明的试验装置结构示意图。

其中，1、采煤工作面进风巷；2、采煤工作面；3、采煤工作面回风巷；4、高温煤层；5、热管蒸发段；6、蒸气总集合管道；7、蒸气抽气泵；8、蒸气流量调节阀；9、温差发电装置；10、热面；11、冷面翅片；12、冷面；13、热面蒸气冷凝管网；14、热电偶；15、数据采集器；16、计算机；17、温度采集模块；18、液位采集模块；19、流量采集模块；20、蓄电池；21、散热器；22、液位传感器；23、储液箱；24、液态工质流量调节阀；25、抽液泵；26、流量计；27、充液总集合管道；28、充液分集合管道；29、法兰；30、阀门；31、蒸气分集合管道。

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明的具体实施方式进行详细描述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

需要说明的是，本发明中涉及到的电路连接均采用常规的电路连接方式，不涉及到任何创新。

实施例

如图1所示，高地温热害矿井采煤工作面煤层热能提取与利用系统，包括热能提取系统和热能利用系统；

热能提取系统包括储液箱23、多个热管蒸发段5、充液总集合管道27、充液分集合管道28、蒸气总集合管道6、蒸气分集合管道31，储液箱23用于回收储存蒸气散热冷凝为液态的工质；多个热管蒸发段5实现对高温煤层4的吸热降温，多个热管蒸发段5以并联方式埋设于采煤工作面进风巷1侧的高温煤层4中；充液总集合管道27，一端连通在储液箱23中，另一端连通多个充液分集合管道28，多个充液分集合管道28对应连接在热管蒸发段5的顶端，充液分集合管道28和充液总集合管道27用于流通气态蒸气沿蒸气分集合管道31和蒸气总集合管道6输送到热面蒸气冷凝管网13中冷凝液化成液态的工质；蒸气总集合管道6，一端连通在热面蒸气冷凝管网13中，另一端连通多个蒸气分集合管道31，多个蒸气分集合管道31连接在热管蒸发段5的圆周方向上，蒸气分集合管道31和蒸气总集合管道6用于流通热管蒸发段5内工质吸热蒸发由液态转化为气态的蒸气；

本此实施例中，如图1所示，热能利用系统设置在循环换热管路的蒸气总集合管道6和上，其包括温差发电装置9和蓄电池20，温差发电装置9一面贴合于热面10，另一面贴合于冷面12，热面10内部设置有热面蒸气冷凝管网13，热面蒸气冷凝管网13用于流通高温蒸气，热面蒸气冷凝管网13通过其进口管与蒸气总集合管道6相连通，通过其出口管与散热器21相连通，热管蒸发段5中蒸气流经蒸气分集合管道31汇合于蒸气总集合管道6中，再由蒸气总集合管道6通过热面蒸气冷凝管网13进口管进入热面蒸气冷凝管网13，如图1所示，储液箱23—充液总集合管道27—充液分集合管道28—热管蒸发段5—蒸气分集合管道31—蒸气总集合管道6—热面蒸气冷凝管网13—储液箱23形成循环换热管路；蓄电池20通过充电线路与温差发电装置9相连接，储存由热能转化的电能。

在一些实施例中，为了提高热管蒸发段5对高温煤层4的吸热降温效果，多个热管蒸发段5倾斜埋设于采煤工作面进风巷1侧的高温煤层4中，且各热管蒸发段5按照一定倾角和排距以并联方式连接于蒸气分集合管道31和充液分集合管道28，实现对高温煤层的吸热降温和热能提取，按照一定倾角埋设是便于液态工质回流，按照一定排距埋设目的是为了提高热管换热效率。

为了对应调节补充热管蒸发段5中液态工质质量和控制蒸气流动方向，蒸气分集合管道31中和热管蒸发段5顶端安装有阀门。

在一些实施例中，各蒸气分集合管道31和各充液分集合管道28之间均通过法兰29连接，通过法兰29连接方式保证蒸气管道的气密性，并可随着采煤工作面的开采，便于及时方便拆除热管蒸发段5。

在一些实施例中，为了对循环换热管路中的蒸气流速进行控制，还包括蒸气抽气泵7、蒸气调节阀8、抽液泵25和液态工质流量调节阀24；抽液泵25和液态工质流量调节阀24依次连接在充液总集合管道27上；液态工质流量调节阀24用于控制储液箱23中液态工质流入充液总集合管道27中的流量；抽液泵25用于输送液态工质至充液总集合管道27中；蒸气抽气泵7一端与蒸气总集合管道6相连接，另一端与蒸气流量调节阀8相连接，蒸气流量调节阀8出口与热面蒸气冷凝管网13入口相连接，蒸气抽气泵7用于输送蒸气至热面蒸气冷凝管网13，蒸气流量调节阀8用来控制蒸气流速，以此达到蒸气与温差发电材料的高效换热目的。

为了将热面蒸气冷凝管网13中流出的残存蒸气工质冷凝为液态工质，本次实施例还包括散热器21，散热器21入口一端与热面蒸气冷凝管网13出口相连接，散热器21出口一端与储液箱23相连接。

优选的，冷面12外部设置有冷面翅片11，通过设置冷面翅片强化冷面与回风流之间的换热。

在一些实施例中，为了方便对实验中的数据进行监测记录，例如冷面和热面上的温度实时监测，储液箱23中的液位实时监测，本次实施例还包括数据采集组件，通过数据采集组件更方便的对实验数据进行采集和监测，数据采集组件包括温度检测单元、液位检测单元和流量检测单元，温度检测单元包括三个热电偶14和温度采集模块17，其中两个热电偶14设置在冷面12，一个热电偶14设置在热面10，三个热电偶14用于监测热面10和冷面12的温度变化，三个热电偶14均通过数据传输线与温度采集模块17输入端连接；液位检测单元包括液位传感器22和液位采集模块18，液位传感器22设置在储液箱23内，用于监测储液箱23液位高度，液位传感器22通过数据传输线与液位采集模块18输入端连接；流量检测单元包括流量计26和流量采集模块19，流量计26设置在充液总集合管道27上，通过数据传输线与流量采集模块19输入端连接，用于监测液态工质的流量。

为了对采集的数据进行保存，以方便后期对采集保存的实验数据进行分析，本次实施例还包括数据储存组件，数据存储组件包括数据采集器15和计算机16，数据采集器15的输入端通过数据传输线分别与温度采集模块17、液位采集模块18和流量采集模块19输出端相连接，数据采集器15的输出端与计算机16相连；计算机16的显示器上实时显示热面10的温度、冷面12的温度、液态工质的流量及储液箱23液位高度数据，从而调控蒸气和液态工质流量进行热能的有效提取与利用。

以上公开的仅为本发明的较佳地几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。