[发明专利]含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法

说明书

本发明公开了一种含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法，其采用的实验装置包括实验箱体，供水系统和数据采集器，实验箱体包括长方体框架结构保温箱体和设置在保温箱体内壁内侧的多块电加热碳纤维温度控制板，保温箱体的内部空腔中设置有用于容纳充填材料并形成多个充填层的充填空间，每个充填层内均布设有套管式采热装置和带肋热管；供水系统包括保温水箱、分水器和集水器；数据采集器与计算机连接。本发明能够简单方便地模拟不同管排布置方式对矿井充填体的蓄释热以及套管内相变蓄热材料吸热与放热过程中温度场的影响，为研究矿井高温采热装置提供了实验基础，实用性强，便于推广使用。

技术领域

本发明属于矿井换热技术领域，具体涉及一种含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法。

背景技术

随着浅部矿产资源的逐渐减少和枯竭，深部矿产资源的开发利用将成为必然趋势。深部开采处于高应力、高井温和高井深等特殊环境，充填采矿法及地热开采是控制地压、缓解深井热害、提高矿产及地热资源利用率的有效措施。

充填采矿法属人工支护采矿法。在矿房或矿块中，随着回采工作面的推进，向采空区送入充填材料，以进行地压管理、控制围岩崩落和地表移动，并在形成的充填体上或在其保护下进行回采，是深部开采时控制地压的有效措施。随着矿产资源开发过程节能减排及环保要求日益严格，无废清洁采矿是未来矿业发展的必然趋势。充填采矿法可以将地表堆积废料回填到井下，从而大大提高回采作业安全程度，提高深部资源回收率30％，且解决地表堆积废料造成的环境污染，实现绿色开采。

在利用充填法进行深部矿床开采的同时，为了实现矿产资源与地热的协同开采，基于“充填体相变蓄热-地热协同开采”的理念，同时为防止相变材料因相态变化而引起的泄露，本文提出在充填体内布置套管采热装置，该装置包括采热管、圆形翅片及圆形套管，通过水—相变材料—充填体三者之间的换热过程来提取地热能，套管采热装置预制在充填层中，通过圆形套管预留的输送口填充相变材料。蓄热时，充填体从围岩及采场吸收热量，温度升高，经导热传给相变材料，当温度升高至相变温度时，相变材料吸热融化，之后持续升温至接近围岩温度，完成蓄热过程。释热时，换热管内冷水通过对流与管壁换热，管壁通过热传导从相变材料吸热，相变材料释放热量，温度逐渐降低，失热固化后逐渐降温至接近换热管内水温。换热管内水吸收相变材料热量温度逐渐升高，不断带走相变材料的热量，直至释热结束。如此反复，充填体及相变材料通过蓄热过程吸收围岩及采场风流热量、通过释热过程将热量传递给换热管内的水，换热管内水温升高后，再由热泵机组提取利用，实现矿山深部开采时地热的提取利用与采场的协同降温。

但是，目前含相变材料的套管式矿井采热技术发展不成熟，还需要进行大量的实验，这些实验，如果都放到矿山实际采场去做，将会耗费大量的人力物力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种设计新颖合理，功能完备，采热率高，实用性强，便于推广使用的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置，其特征在于：包括实验箱体，供水系统和数据采集器，所述实验箱体包括长方体框架结构保温箱体和设置在保温箱体内壁内侧的多块电加热碳纤维温度控制板，所述保温箱体的内部空腔中设置有用于容纳充填材料并形成多个充填层的充填空间，所述保温箱体的后侧壁上设置有用于往充填空间内输送充填材料的充填材料输送通道，每个所述充填层内均布设有套管式采热装置和带肋热管，所述套管式采热装置包括多根圆形套管和设置在圆形套管内的采热管，所述圆形套管内同轴设置有套装在采热管上的多个圆形翅片，所述圆形套管的管壁上设置有用于往圆形套管内输送相变蓄热材料的相变蓄热材料输送入口，所述带肋热管沿水平方向和竖直方向交替布置在圆形套管的外壁面上，沿水平方向布置的带肋热管的冷凝端通过水平模具与圆形套管相连接，沿竖直方向布置的带肋热管的冷凝端通过竖直模具与圆形套管相连接，所述带肋热管的蒸发端设置在充填层内；