关闭/废弃矿井井筒蓄热特性多物理场耦合研究
张国庆1
刘展2
褚召祥3
郗富瑞4
杨利亚4
何鹏5
1.中国矿业大学力学与土木工程学院,江苏 徐州 2211162.中国矿业大学力学与土木工程学院,江苏 徐州 221116;深地科学与工程云龙湖实验室,江苏 徐州 2211163.中国矿业大学力学与土木工程学院,江苏 徐州 221116;深地科学与工程云龙湖实验室,江苏 徐州 221116;自然资源部矿山生态效应与系统修复重点实验室,北京 100081;自然资源部滨海城市地下空间地质安全重点实验室,山东 青岛 2661014.自然资源部矿山生态效应与系统修复重点实验室,北京 1000815.自然资源部滨海城市地下空间地质安全重点实验室,山东 青岛 266101
摘要：对关闭/废弃矿井遗留设施及空间进行重构改造实现矿山地质能源再生利用是实现"双碳"目标的有效方式.为探究关废矿山竖井储热的技术可行性,提出一种基于同轴套管式换热器的井筒循环蓄水储热方案.首先,构建了矿井水-岩土非稳态流固耦合传热数学模型,以徐州卧牛山煤矿副井(井深200 m)为研究对象开展井筒蓄热特性数值模拟,通过与3组试验数据对比,验证模型的适用性;其次,分别针对自然冷却工况下的矿井水保温性能和蓄热模式下的运行特性进行数值模拟,开展参数敏感性分析.结果表明:在快速蓄热后进入自然冷却阶段时,井筒矿井水的热损失呈二阶指数衰减特性,集中于蓄热后的 10d内,此期间热量损失占 100 d累计热损失的 29.73%;高地温梯度(≥0.03 k/m)能起到抑制自然对流换热和深层矿井水散热的作用,有利于井筒深部矿井水的保温;井筒长径比与矿井水热损失大小在短期内正相关,但长径比较大的井筒矿井水长期储存后的平均温度较高,也更利于蓄热后供暖季的地热回收利用,综合分析后建议矿井井筒储热长径比范围为 30～50.蓄热模式下,提高注入流量能够在短期内迅速加热矿井水至所需温度,但破坏了矿井水温度分层结构,导致储热效率显著降低;增加上游热源温度会导致轴向水温梯度和储热效率提升、热损失降低,故蓄热性能相对更优.此外,在井壁不采取保温措施的情况下,对于太阳能跨季节井筒矿井水蓄热系统,建议蓄水容积与集热面积比Rv取2.5～3.0 m3/m2,以保证矿井水温度达到长期供暖要求.
关键词：废弃矿井同轴套管换热器储热地温梯度长径比
分类号：TD713(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(42230704)徐州市科技计划资助项目(KC23383)自然资源部矿山生态效应与系统修复重点实验室开放基金资助项目(MEER-2023-09)
论文发表日期：2025-04-30
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：13( 149-161 )
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