阅读说明：本技术 一种煤矿井用压裂单井多分支压缩空气储能通风系统 (Fracturing single-well multi-branch compressed air energy storage ventilation system for coal mine well ) 是由 于海龙 王奕雅 刘恩海 张桂芳 沈冰燕 孙运兰 朱宝忠 霍爱玺 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种煤矿井用压裂单井多分支压缩空气储能通风系统,包括压裂单井多分支换热系统、井下通风换热系统和低沸点工质换热系统,所述的压裂单井多分支换热系统通过一定直径的管道与井下通风换热系统相连设有混合风箱,流经换热器换热升温后的工质与流经压裂单井多分支换热系统换热升温后的工质在混合风箱内充分混合后送入地下煤矿井,工质经井下通风换热系统末端换热器最终以适宜温度排至大气。本发明采用上述技术方案后本发明高效利用地热能进行煤矿井换热通风,解决了目前矿井通风中存在的一些问题,更加经济环保。(The invention provides a fracturing single-well multi-branch compressed air energy storage ventilation system for a coal mine, which comprises a fracturing single-well multi-branch heat exchange system, an underground ventilation heat exchange system and a low-boiling point working medium heat exchange system, wherein the fracturing single-well multi-branch heat exchange system is connected with the underground ventilation heat exchange system through a pipeline with a certain diameter and is provided with a mixed air box, working medium subjected to heat exchange and temperature rise by a heat exchanger and working medium subjected to heat exchange and temperature rise by the fracturing single-well multi-branch heat exchange system are fully mixed in the mixed air box and then are sent to the underground coal mine, and the working medium is finally discharged to the atmosphere at an appropriate temperature through a heat exchanger at the tail. By adopting the technical scheme, the invention efficiently utilizes geothermal energy to carry out heat exchange and ventilation of the coal mine, solves some problems in the conventional mine ventilation, and is more economic and environment-friendly.)

一种煤矿井用压裂单井多分支压缩空气储能通风系统

技术领域

本发明涉及地下热能换热通风技术领域，特别是涉及一种煤矿井用压裂单井多分支压缩空气储能通风系统。

背景技术

在煤矿开采过程中，煤矿井下的有害气体会随着煤矿井的加深而增多，为保证煤矿井下工作的工作人员生命安全，需要不断注入新鲜空气。在冬季，煤矿井下温度较低，需要注入达到人体所能接受温度的新鲜空气，而地上热泵和换热器虽能满足换热需求，但是存在体积大、较难施工、机器长期置于室外易损坏、未能达到预期换热温度等问题。

地热资源是一种极具影响力的可再生清洁能源，其具有稳定且不受昼夜温差和季节温度的影响、利用率较高、使用安全、运行成本低等优越性，对环境十分友好。

我国的地热能源储量相对比较丰富，总储存量大约占全球地热能源储量的7.9％，其中可以开采利用地热能源储量的能量相当于4626.5亿t标准燃煤。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中煤矿井下换热通风系统中使用的热泵换热器体积大、机器易损坏等造成的施工不便、达不到预期换热效果、资金浪费等问题，严重影响煤矿井下施工以及矿井工人的安全的不足，本发明提供一种煤矿井用压裂单井多分支压缩空气储能通风系统。

本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种煤矿井用压裂单井多分支压缩空气储能通风系统，包括压裂单井多分支换热系统、井下通风换热系统和低沸点工质换热系统，压裂单井多分支换热系统和低沸点工质换热系统通过混合风箱与井下通风换热系统相连，其中，

压裂单井多分支换热系统用于将工质压入地下，利用地下浅层地热能对工质进行换热升温，最后将升温后的工质向井下通风换热系统始端输送；

工质一般指外界空气，空气压缩设备可以通过管道将空气压入地下，根据地质勘探结果，选取合适位置且质地紧密的浅层岩石体(如花岗岩、变质岩等)，浅层岩石体与压入地下的空气热交换，对其升温。

井下通风换热系统用于抽取地上工质，与流经压裂单井多分支换热系统换热升温后的工质，通过混合风箱充分混合，形成人体所能接受温度的新鲜空气注入地下煤矿井；

由于与浅层岩石体热交换后的空气温度较高，并不适合直接注入地下煤矿井内，所以需要另外抽取外界空气与高温空气充分混合进行降温，形成人体所能接受温度的新鲜空气，再注入地下煤矿井。

低沸点工质换热系统一方面用于通过换热器一对井下通风换热系统抽取的地上工质进行换热升温，另一方面用于通过换热器二对从地下煤矿井末端排出的混合工质热交换进行降温。

由于冬季外界空气温度很低，如果直接与地下抽出的高温空气进行混合，可能导致混合空气注入地下煤矿井时未能达到预期换热温度，换热器一用于对从外界抽取的冷空气进行预热，然后与地下抽出的高温空气充分混合，进行快速调温，形成人体所能接受温度的新鲜空气注入地下煤矿井；换热器二用于对从地下煤矿井末端排出的空气进行降温，最终以适宜温度排至大气。

进一步，所述压裂单井多分支换热系统内含三个子系统，包括注入系统、热交换系统和排出系统，注入系统与热交换系统的注入端相连，用于注入热交换工质；热交换系统用于实现工质与浅层岩石体的热交换；排出系统与热交换系统的排出端相连，用于将经过热交换的工质输送到混合风箱内。

进一步，所述注入系统包括空气压缩机、阀门、注入管、隔传导型材料一和工质一；所述热交换系统包括浅层岩石体和热交换压裂井孔；所述排出系统包括排出管、隔传导型材料二和工质二；隔传导型材料一填充在注入管的外壁与浅层岩石体之间，隔传导型材料二填充在排出管的外壁与浅层岩石体之间，所述注入管设有多个且沿排出管周向设置，所述注入管和排出管末端均位于浅层岩石体内部，且所述注入管末端均通过压裂的方式形成用于与排出管末端连通的热交换压裂井孔；外部工质经阀门和空气压缩机注入到注入管内形成工质一，工质一流经热交换压裂井孔进行热交换后排出到排出管内形成工质二。

压裂单井多分支换热系统采取下述方案：步骤1：根据地质勘探结果，选取合适位置且质地紧密的浅层岩石体(如花岗岩、变质岩等)，依据所需换热量、地热梯度计算出的井径、井深和井距在此处施工所需的多口井(5-8个均可)。

步骤2：在位于四周的多口井(4-7个均可)的末端与位于中间位置的一口井的末端通过压裂的方式连通，并在连通形成热交换压裂多分支井孔。

步骤3：建立注入系统，在多口注入井内安装注入管，填充隔传导型材料一。

步骤4：建立排出系统，在中间一口排出井内安装排出管，填充隔传导型材料二。

步骤5：注入系统通过管道与地上相连设有空气压缩机和阀门，打开阀门，空气压缩机启动，将外界空气压入地下，排出系统与井下通风换热系统通过一定直径的管道相连并设有抽气泵和阀门，打开阀门，启动抽气泵，将地下的高温工质抽入混合风箱内。

进一步，所述热交换压裂井孔上端均与对应的注入管末端连通，所述热交换压裂井孔下端均与所述排出管末端连通，所述热交换压裂井孔从上向下逐渐向所述排出管方向倾斜。

从注入管内对注入管下方的浅层岩石体进行水力压裂，水力压裂过程中，注入管下方的浅层岩石体产生剪切滑移，形成人工裂缝，从而形成与排出管连通的热交换压裂井孔。

进一步，所述井下通风换热系统包括多个抽气泵和阀门，所述排出系统末端与混合风箱相连并设有抽气泵和阀门，所述的抽气泵将所述的工质二抽入混合风箱，所述的换热器一入口端分别与阀门和抽气泵相连，抽气泵抽取工质三流经换热器一热交换升温形成工质四，所述的换热器一出口端与混合风箱相连并设有阀门，工质四进入混合风箱与工质二充分混合形成工质五，所述的混合风箱与地下煤矿井始端通过管道相连并设有阀门，所述的换热器二与地下煤矿井末端通过管道相连并设有抽气泵和阀门，工质五流经换热器二热交换降温形成工质六后排出至大气。

进一步，所述低沸点工质换热系统在换热器一与换热器二之间有低沸点工质循环。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种煤矿井用压裂单井多分支压缩空气储能通风系统，具有以下优点：1.节约能源，充分利用浅层地热能。2.节省地上空间，外观整洁美观，不易损坏。3.井径较小，不会对地面建筑造成影响。4. 有效提高换热能力，使换热工质达到所需换热温度。5.不同温度工质在混合风箱内充分混合，提高换热速度，增加系统寿命。6.地下管材外填充隔传导型材料，管材耐腐蚀、耐高压、耐高温，系统使用年限较长。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明最佳实施例的结构示意图。

图中：1、空气压缩机，2、阀门，3、注入管，4、工质一，5、隔传导型材料一，6、热交换压裂井孔，7、浅层岩石体，8、隔传导型材料二，9、工质二， 10、排出管，11、抽气泵，12、阀门，13、阀门，14、工质五，15、地下煤矿井，16、抽气泵，17、阀门，18、换热器二，19、工质三，20、抽气泵，21、阀门，22、换热器一，23、工质四，24、阀门，25、混合风箱，26、低沸点工质，27、工质六。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，本发明的一种煤矿井用压裂单井多分支压缩空气储能通风系统，包括压裂单井多分支井换热系统、井下通风换热系统和低沸点工质换热系统，所述的压裂单井多分支换热系统通过一定直径的管道与井下通风换热系统相连设有混合风箱25，流经换热器一22换热升温后的工质四23与流经压裂单井多分支换热系统换热升温后的工质二9在混合风箱25内充分混合后送入地下煤矿井15，工质五14经井下通风换热系统末端换热器最终以适宜温度的工质六 27排至大气。

所述的压裂单井多分支换热系统采取下述实施方式：1、根据地质勘探结果，选取合适位置且质地紧密的浅层岩石体(如花岗岩、变质岩等)，依据所需换热量、地热梯度计算出的井径、井深和井距在此处施工所需的多口井(5-8个均可)。

2、在位于四周的多口井(4-7个均可)的末端与位于中间位置的一口井的末端通过压裂的方式连通，并在连通形成热交换压裂井孔6。

3、在位于四周的多口井其内部安装注入管3，并进行水泥加固，注入管3 外填充隔传导型材料一5，形成注入系统。

4、在位于中间的一口井内部安装排出管10，并进行水泥加固，排出管10 外填充隔传导型材料二8，形成排出系统。

5、将根据所需换热量计算出的工质一4和工质二9所需的工质量一次性注入注入管3、排出管10、热交换压裂多分支井孔6中。

6、注入系统顶部连接空气压缩机1、阀门2，排出系统末端与井下通风换热系统连接并设有混合风箱25、阀门12、抽气泵11。

所述的井下通风换热系统包括抽气泵20、16、阀门12、13、17、21、24、换热器一22、换热器二18、混合风箱25、工质三9、工质四23、工质五14、工质六27，所述的换热器一22入口端分别与阀门21、抽气泵20相连，所述的换热器一22出口端与混合风箱25相连并设有阀门24，所述的混合风箱25与地下煤矿井15始端通过管道相连并设有阀门13，所述的换热器二18与地下煤矿井15末端通过管道相连并设有抽气泵16、阀门17。

所述的低沸点工质换热系统，在换热器一22与换热器二18之间有低沸点工质26循环。

工作过程：

所述的工质一4经空气压缩机1进入注入管3流至热交换压裂多分支井孔6 经浅层岩石体7换热升温变成工质二9进入排出管10，所述的工质二9经抽气泵11进入混合风箱25，所述的工质三19经抽气泵20进入换热器一22换热升温变成工质四23进入混合风箱，所述的工质四23与工质二9在混合风箱25内充分混合变成工质五14后注入地下煤矿井15，所述的工质五14流至地下煤矿井15末端经抽气泵16进入换热器二18换热变成工质六27。

从煤矿井15抽出的空气温度高，大约12℃左右，通过抽气泵16抽出后，利用换热器二18对其进行余热回收利用。方法是：将低沸点工质26送入换热器二18，与煤矿井15抽出的空气进行换热，使空气温度下降而低沸点工质26 温度提高。最后，低沸点工质26的热量再通过换热器一22传递给煤矿井入口冷空气，达到余热回收利用、节能的目的。

本发明中方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。