近年来，随着煤炭资源高强度大规模的开发，我国中东部矿区浅部煤炭资源渐趋枯竭，煤矿开采向地下深部转移。截止到2016年，我国采深超过1 000 m的矿井已有50座[1]，如新汶矿业集团孙村煤矿采深超过1 500 m，徐矿集团三河尖矿采深已超过1 000 m。中国煤田的地温梯度一般2.5～3.0 ℃/hm，恒温带深度10～50 m，温度15～17 ℃，据此推算，矿井垂深1 000 m处围岩温度可达35～45 ℃[2-3]。深部地热通过岩层传热至工作面，增高岩温，深部热水经裂隙通道涌入工作面和巷道，加热和加湿了井下风流，进一步恶化了矿井气象。同时，矿山地热作为一种煤系伴生资源是一种可再生能源，对于具有丰富水热资源的矿井，煤与热(水)共采具有显著的经济及社会效益[4]。

长久以来，关于矿山地热的研究侧重于矿山地热与井下环境之间的关系，进而开展高温热害的防治工作[5-7]。20世纪70年代，随着矿山地温观测项目的开展，矿山地热作为地热研究领域的分支在中国被正式提出。10余年之后，余恒昌等把矿山地热与井下热害治理结合，并指出地热水和矿井乏风作为地热载体可直接利用[8]。对于矿井涌出的地热水当作矿井排水排出，对于洁净的地热水，部分矿山处理后用于职工洗浴和生活用水。在金属矿山中，常见用采空区和旧巷道的恒定地温预热冷空气[9]。随着热泵技术在矿山的应用，矿山地热能的利用不断发展，2006年，新汶矿业集团协庄煤矿和孙村矿较早地将热泵系统应用于副井防冻[10]。2008年，何满潮等提出高温热害控制HEMS技术，提取矿井涌水冷能，运用提取的冷量与工作面高温空气进行换热作用，降低工作面的温度和湿度，将从工作面提取的热能送到地面用于洗浴、供暖和井筒加热[11-12]。2012年峰峰集团梧桐庄矿拆除矿井锅炉房，矿井供热系统完全由热泵系统取代[13]。

国家《地热能开发利用“十三五”规划》指出，“十三五”期间将新增地热能供暖(制冷)面积11亿m2[14]。《煤炭工业发展“十三五”规划》也提出将推进矿井水和矿井热能利用，加快重大科技示范工程建设[15]。矿山地热资源量大、开采利用基础条件好，必将为建设绿色矿山和煤炭企业节能减排做出重要贡献。基于此，笔者提出了煤-热共采的概念，初步构建了其理论与技术框架，并提出了关于矿山地热能利用的新思路。

1 矿山地热资源类型及概况

1.1 矿山地温场类型划分

矿山地温场在深度方面属于地壳浅部范畴，受深部地热背景和地区地质构造控制，同时受到地下水的活动和局部热源的干扰。根据平均地温梯度值(G,℃/hm)将矿山地温场划分为低温(G<1.6 ℃/hm)、中常温(1.6<G<3 ℃/hm)和高温(G<1.6 ℃/hm)3种类型(图1)。根据引起地温场变化的主要控制因素和致热因素，又将低温类划分为深源低温型和地下水强烈循环冷却型;将高温类分为深源高热型，地区性局部聚热型与附加热源型[16]。

如图1所示，从地热梯度角度看，高地温梯度类型矿区将是矿山地热研究的重点，这类矿区大地热流值高，成热条件好。在高温类型矿区中，热水循环亚型矿区在地热能的开发利用中更具优势，因此应加强和充实对热水型矿山的研究。总的来说，矿山地热来源于地壳深部热源，在地质构造的岩浆活动，岩层的传导作用和地下水流动的相互作用显现出不同的地温场面貌。在进行煤-热共采时，矿山地温场类型将作为共采的地质依据和评价指标。

1.2 我国高地温矿井分布情况

表1列举了我国高地温矿井的分布及主要热状况，我国26个主要产煤省份，高地温矿井分布在河南、江苏、山东、河北、安徽、辽宁、黑龙江、江西、安徽、湖北、湖南、重庆、广西、福建13个省份。目前预计有140多座矿井采掘工作面风流温度超过30 ℃，多数矿井采深超过800 m。从地域上看我国高地温矿井主要分布在华北、东北(30多座)、华东(40多对)和华中(20多座)地区[17]。其中受地热水危害的矿井多达30多座。在我国广袤的华北盆地及华东大部分矿区，寒武奥陶系岩溶热储层遍布全区[18]。在构造发育地区，深部热水上涌，将热量带到井下，在我国金属矿山中，深循环热水广泛存在，若能采取积极的措施利用这些热能，将能节省大量的热能供给。

1.3 矿山地热能开发利用的优势

(1)地热能资源储量丰富。煤矿建设和开采过程中，必须排出井下水和有害气体。例如，2015年全国煤炭产量36.9亿t，平均开采吨煤用风量4.15 m3/h，排水量0.5～4.0 t，形成了一个相对动态的热能平衡，热能蕴藏量巨大[25]。

(2)节能环保，系统运行稳定可靠。矿井回风、围岩、深井涌水和冷却水中的低位热能，其热源温度相对稳定，是很好的热泵热源和空调冷源，且不存在空气源热泵冬季除霜等难题。地热能清洁无污染，提取利用地热能，对改造矿区环境，建设绿色矿山有重要意义。以水源热泵技术为例，消耗1 kW电能可以产生4 kW以上的热(冷)能，供热和制冷能效比均接近或超过1∶4[26-28]。热泵系统在国内技术较成熟，采用模块化设计，可实现智能化控制和多重保护，机组运行可靠、稳定。

(3)地热系统一机多用，节约建设投资。热泵系统可以做到冬天供暖、夏天制冷[29]。同时，开采的地热水可用于地热农业，渔业和地热旅游等方面，高品质的地热水可用于开发医疗热矿水和矿泉水。地热资源开发风险大，勘查钻探成本高，矿山开采中的地质资料为地热系统开发提供了详尽的参考，矿山管道设施和钻井平台，可大为减少地热建设投资，因此在矿山开发利用地热能经济合算。

2 煤-热共采的概念及基本框架

煤-热共采的概念:合理利用矿井现有煤炭开采系统，对煤炭和矿山地热资源实现协同共采，从而达到煤炭安全生产、地热高效开采、水资源合理利用和井下温度调控四位一体的最优资源利用效果的煤炭和地热资源开采新模式。

煤-热共采的基本框架如图2所示。要实现煤与地热资源共采，首先需要对热储层进行研究，探索热储层开发过程中的地质力问题，高地温矿井热源分析及地温场特征，由于矿山地热开采不同于常规的地热井开采方式，所以对矿山地热应制定新的技术经济评价体系，对不同形式的热源应统筹规划，确定不同的开采方式，合理规划开采顺序，分析矿井地热开采过程中的围岩运动和多场耦合及其演化规律。在理论基础上提出了煤-热共采实践中的关键技术问题，主要为煤-热共采工艺，井下钻井和成井工艺，井下抽采与回灌技术，高效能变工况热泵技术，间接换热与高效能集输技术，动态监测和智能调度技术等。

3 煤-热共采的科学问题

3.1 煤系地层储层地质力学

煤系地层的储层地质力学包括岩石力学、构造地质、热储工程等多个学科领域，涉及热储开发的各种地质力学问题。岩石在水和温度作用下，其物理力学性质会发生相应变化。一般采用实验手段，研究煤岩弹性模量、泊松比、抗压(拉)强度、热传导系数、比热容等热物理力学参数，根据岩体含水率、不同水质和水温等因素的变化规律，掌握煤系岩层热物理力学性质的水热效应。储层的构造地质包括储层地应力测量、地应力场预测、地质构造和流体流动、储层改造等方面。储层的构造地质指导地热系统的开发过程，地热井的选址和井身参数设计，井身维护，成井和完井等步骤。热储工程的研究内容主要涉及热储基本物理性质，地热流体渗流和运移规律，热储模型模拟等。

3.2 高地温矿井地温分布规律

矿井地温场特征对矿山地热资源评价和地热资源开发利用具有指导性作用，因此加强对矿井地温场的研究是基础。我国在煤田勘探过程中，积累了丰富的资料，但主要是针对煤系地层以及上部地层，从煤-热共采的角度看，深部温度场有很多有意义的工作要做，包括深部热源分析、深部地温预测、地质构造对地温场的影响、不同深度地温变化规律、地温梯度变化特征、不同深度地温梯度变化规律等。尤其要特别充实和加强热水型高地温矿山的研究，研究深部地热水循环对上部煤系地层和采场温度场的相互影响。

3.3 矿山地热资源技术经济评价

传统的地热资源评价是指对地热田内赋存的地热能与地热流体的数量和质量作出估计，并对其在一定技术经济条件下可被开发利用的储量及开发可能造成的影响作出估评。煤-热共采理念旨在依托煤矿现有生产系统开发利用地热能，在不同矿区，地热资源禀赋差异大，开发的经济性和可行性良莠不齐，并且在矿井生产过程中，产生不同形式和种类的热源，因此要针对不同热源分项评价。

从热能的储存载体可划分为热空气、热水和热岩体。热空气主要指矿井乏风，其热源来自于井下排水、巷道、采场、机电和人员散热。对于矿井乏风应从风速、风量、温度和湿度等方面评价，通风系统全年运转，风量稳定，其蕴藏的低位热能量相当可观。热水从广义角度指矿井生产过程中产生的深层地热水、矿井排水、空压冷凝水、矿区生活废水等，对于不同热水源应从水温、水量和水质等方面评价。热岩体指煤田中蕴藏有热资源的储层岩体，应从其热储量和热量传递效率两个方面进行评价，前者包括埋藏深度、密度、厚度、温度、孔隙度等，后者包括渗透率、导热系数、比热容等。

对于我国中、东部的部分矿区，或临近城镇，或本身就类似城镇，人口稠密，矿区地下水资源丰富，适宜实施水热型供暖项目。而对于西部矿区，采深浅，水资源匮乏，人口稀疏，开发利用地热资源可行性相对较差。因此矿山地热能的开发因遵循“先评价，后开发”的原则，建立相应的评价方法和规范。

3.4 矿山岩体多场耦合及其演化规律

煤-热共采涉及固体开挖的采动应力场、岩层破断以及储层压裂的裂隙场、储层中地热流体流动引起的渗流场以及储层的温度场等多场耦合及其演化规律。一方面井下长壁开采引起的岩层移动与应力释放将引起热储层的储层压力场重新分布，开采引起的围岩活动对地热钻井的井壁稳定性与储层的渗透率产生影响[30]。另一方面地热流体的抽采形成下降漏斗，储层压力下降，引起上覆岩层下沉、热源减少，一定程度上可以缓解突水和热害问题。因此采煤和采热活动相互影响，相互制约。

煤-热共采需要统筹矿井资源，根据资源的赋存特征，合理进行地热井开采布局以及煤炭的采掘工作面布置，以期通过已有的生产系统得到煤炭和地热资源协调共采。在进行共采规划时，应考虑采煤和采热系统空间上的相互影响，地热井选址布局应同采煤工作面保持安全距离，如规划地热井保护煤柱;同时还要考虑采煤和采热系统时间上的相互影响，地热井抽采在时间上不应影响矿井的正常生产活动等。这些问题的理论基础都涉及多场耦合及其演化规律。

4 煤-热共采的关键技术

4.1 煤-热共采工艺

煤与地热共采工艺概念模型如图3所示，井上系统主要包括乏风源热泵系统、换热站系统、管路系统等。在井上建立换热总站，换取矿井排水(含直接排水和井下降温系统产生的热水)、深部热水、矿井乏风的低位热能，将换得的热水供给用户。在井下，主要包括地下水库系统[31]、水仓系统、地热井群系统、降温系统等。在井下钻采地热水，收集矿井涌水和深部地热水的热能以及井下降温系统换热，同时修建地下水库和水仓系统，水仓和水库的温度与水量稳定，可以根据其水温状况选作冷储和热储。

煤-热共采工艺技术的关键在于井下采矿活动和采水活动的相互协调。在有突水危险的矿井，可以在采煤之前进行地热水的预抽采，施工小孔径的探采结合井，抽水降压之后，再采煤。采煤之后，利用采动应力场和裂隙场对热储层进行卸压增透，然后再钻进开采井。在井下钻进地热井首先应确定钻井位置，钻井选址结合井下已有的巷道和硐室，采煤活动已结束的稳定地层，要保证地热井的出水温度和出水量。采水过程中，要制定抽采规划，结合热负荷需求，对储层资源进行保护。

4.2 井下钻井和成井工艺

为完成地热水的抽采，可采用煤矿井下接力钻进地热井的方案。从井下巷道和硐室选址，掘进钻井硐室，接力钻进地热井。井下接力钻进地热井有诸多优势，开凿地热井成本高、风险大，地热井的开凿成本与钻进深度成指数关系，在井下钻进地热井，节省钻井工程量，以淄矿集团唐口煤矿为例，井上开钻地热井需钻进1 300 m，在井下只需钻进300 m，可缩短钻孔施工周期，省去大量钻井费、管材费、完井费等，而且钻井施工在井下进行，还免去了设备占地和噪声污染等[32]。

在井下钻进地热井也存在一些问题，地热井较常规水文钻井口径大、钻井深、成井工艺复杂;井下作业空间有限，常规钻井设备体积庞大，无法应用于井下。为了适应井下生产作业环境，应从以下几个方面改进和提高钻井和成井设备及工艺。首先由于井下空间限制，应开发新型钻机和设备，新设备应占地较小，便于运输，能实现井下大口径钻井;其次，钻井设备应安全可靠，符合井下防爆要求，研发井下定向井钻井技术和成井工艺，以及井下储层压裂技术，以保证较高的钻井成功率，高涌水量和涌水温度。

4.3 井下抽采和回灌技术

为实现地热资源的可持续利用，解决尾水排放问题以及地表沉陷问题，坚持“取热不取水”的原则，井下地热水开采尾水必须回灌。根据井下水文钻孔数据，建立井下地热水抽采模型，模拟抽水降压对井下岩层活动的影响，由此确定合理开采规模、采灌井距等参数。

在地热井抽采生产期间，采取轮歇制度，同时控制抽采量。在抽采过程中实时监测储层压力，防止水位和水压下降过快。井下回灌可根据实际条件选择同层回灌或异层回灌，总体而言回灌深度大于抽采深度，回灌时应注意回灌水质问题，回灌水质应与地热水质相同或相近，否则混合后的地热流体成分改变，造成地热井堵塞，对储层地热水运移通道产生影响。由于储层与煤层垂直距离接近，大规模低温地热水会对地下的地层结构产生影响，回灌水量应与抽采水量相协调，以达到采灌均衡状态。

4.4 高效能变工况热泵技术

我国对热泵的研究始于20世纪70年代，但热泵技术应用于矿山始于21世纪初[33]。在矿山中主要应用的热泵有空气源热泵和水源热泵。热泵是一种以低温热能(矿井排水、矿井回风、工业废水和生活污水等低品味热能)为热源，仅消耗少量电能，将低温热能提升到人们能够利用的高位热能的装置[34]。

能效比COP值是热泵机组的重要参数，空气源热泵的能效比与空气的温度和湿度有关，以我国中部和北方的气候条件一般为1∶2至1∶4，水源热泵能效比受机组结构形式、水源品质、冷媒介质和换热器结构等影响，水源热泵能效比较高，一般为1∶4～1∶6。由于矿井排水，深层地热水，生活污水等不同热源水量，水温和水质差异较大，因此以实际工况为基础对热泵机组进行设计和优化，同时高能效比的热泵机组就意味着用越少的能量产生越多的热能，高效能变工况热泵机组将是研究重点，以实现冬季供热、夏季降温和井下制冷的功能，实现热泵机组高效、低能耗运行。

4.5 间接换热与高效集输技术

地热水的腐蚀是地热开发中的普遍现象，长距离输送易造成管道腐蚀和结垢，对供热设备产生损害，直接使用地热水送至用户端是不可取的，所以在井上换热站采用间接换热技术[35]。开采的地热水、矿井排水、生活污水水质不同，应采用不同的保温运输管道集中运送至井上换热站，对于深井地热水(杂质少，水质好)在进行简单的处理后可直接送至换热站换热，换热后的尾水再集输到井下，满足井下用水后取部分水回灌，对于矿井排水和生活污水应进行适当的过滤和水质处理后集中换热。经换热加热的供暖循环水由换热站输出，统一调配输送至矿区和周边用户。

4.6 动态监测和智能调度技术

为保证地热开采系统稳定安全运行，在开采系统的不同模块均设置监测系统:① 在矿井回风余热收集系统中，监测矿井回风的风量，温度和湿度;② 在矿井排水、井上用水、井下地热水和地下水库热收集系统中分别监测其水量，水质和水温;③ 定期监测热储层水位、水压，井下抽采引起的岩层移动情况，地热井的井身稳定性;④ 监测换热总站的设备运行情况、出回水温度。在此基础上，通过对矿区和周边村镇的用热情况调查，制定供热方案来实现智能调度和调峰出力。在夏季，可暂停或减少地热水抽采，以低温矿井排水实现供冷，在冬季，采热系统可全负荷运转，保证矿区的供热需求。同时应注意对热量的梯级利用，针对传统散热器和节能型地板辐射采暖不同供热品位的需求，分级、分层次利用地热能。

5 结论与展望

(1)矿山地热资源覆盖面广，储量丰富，可利用现有煤炭开采系统实现煤与地热资源共采。提出了煤-热共采的概念，工程背景，科学问题，关键技术和实践的基本框架。提取矿山地热的正效应，必能为我国的地热事业发展做出巨大贡献。

(2)矿山地下水资源应该综合开发利用。除了供热之外，深井地下水水质好，无污染，适宜开发作为地热温泉，饮用矿泉水和生活供水水源。对于水质特殊，含有稀有元素，稀有气体的热矿水，同时还是宝贵的医疗热矿水。地热资源还可应用于农业，开发的地热水可有效利用于温室种植，水产养殖等。

(3)利用矿山地热的方法是多样的，应结合矿山实际条件。我国西部和北部矿区，地下水资源匮乏，以神东地下水库为例，水库中水量大，温度较稳定，可作为人工热储提取其冷能和热能。随着我国“去产能”政策的实施，我国东部和中部小型矿井陆续停止生产，对于关闭的矿井，可以利用井筒和巷道作为热储空间，利用废弃矿井的余热资源。

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