本发明涉及矿井采暖技术领域，尤其涉及一种利用废弃矿井的直接取暖装置及其施工方法。
背景技术：
随着矿产资源的深入开采以及各国因生态环境问题而选择逐步淘汰传统化石能源，大量的地下巷道、硐室被废弃。据统计，世界范围内废弃矿井的数量超过100万座。废弃矿井引起资源浪费的同时带来严重的环境与社会问题，因此如何科学开发利用废弃矿井资源，促进资源枯竭型矿区转型，成为当今世界能源环境领域的重要议题。由于矿井的深度较深，因此其中蕴含的地热能资源也是丰富的，因此，如何合理的、可靠的、长久的利用这些地热资源是一个问题。
针对废弃矿井资源化利用的问题，提出了废弃矿井地热能提取利用的方法；同时，为了解决传统直接抽取废弃矿井中热水采暖容易对环境造成威胁，取暖装置容易堵塞的问题，提出了一种在废弃矿井中“有借有还”的直接取暖装置。
技术实现要素：
发明目的：本发明的第一目的是提供一种能够利用废弃矿井直接取暖的装置，不仅取暖效果好，施工方便，而且对环境的影响小，适用性高。
本发明的第二目的是提供采用该直接取暖装置进行施工的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种利用废弃矿井的直接取暖装置，包括，管道组件、连接组件、防护组件、固定组件、水泵和板式换热器，其中，所述连接组件包括法兰座、法兰头和紧固件，所述法兰座、法兰头各自设置在所述管道组件的两端，且二者端面能够相互配合，所述紧固件连接所述法兰座和法兰头于一体；所述管道组件包括钢管、软管和导管，三者均可通过端部设置的所述连接组件实现相互间配合连接，所述钢管双向分布在矿井的井筒内，而所述软管分布在矿井的井筒及巷道内，其一端与所述钢管的端部相连，所述导管分布在矿井的外部，依次连接所述水泵和板式换热器，其两端分别连接至双向分布的所述钢管的顶端；所述防护组件包括砂垫层、浮力气囊和滤栅网，所述砂垫层铺设在巷道的底部，位于巷道内所述软管的下方，所述浮力气囊分布在井筒内，且安装在所述软管的外侧壁上，而所述滤栅网安装在位于巷道内所述软管的端部，其凸出于所述软管的端部，且边缘带有凸出的刀刃；所述固定组件包括u型杆和u型软管，所述u型杆的u型内腔卡合在所述钢管的外侧壁上，其端部固定在井筒的侧壁中，所述u型软管的u型内腔卡合在所述软管的外侧壁上，其端部固定在井筒的侧壁中。
进一步的，所述法兰座和法兰头相互接触的侧壁设置成波纹状，且填充有橡胶垫片。
进一步的，所述紧固件包括紧固螺栓和卡合扣，相邻所述钢管之间通过所述紧固螺栓紧固连接，而相邻所述软管之间通过所述卡合扣紧固连接。
进一步的，所述卡合扣每组若干个，其一端铰接在所述法兰座的侧壁上，另一端设置有卡槽，与所述法兰头进行卡合连接。
进一步的，所述软管包括波纹管、连接盘和支撑杆，所述波纹管的两端对称安装有所述连接盘，所述连接盘之间均匀分布设置有若干组所述支撑杆。
进一步的，所述连接盘分为第一连接盘和第二连接盘，所述第一连接盘位于安装所述法兰头的一端，所述第二连接盘位于安装所述法兰座的一端。
进一步的，所述支撑杆包括杆体和单向限位块，所述单向限位块均匀分布在所述杆体的外侧壁上，且安装方向统一；以及，所述杆体的一端固定在所述第一连接盘的端面侧壁上，另一端贯穿所述第二连接盘板面上开设的限位孔。
进一步的，所述浮力气囊与支撑杆的长度相同，且小于所述波纹管完全伸长时的长度。
进一步的，所述钢管和软管的管体均采用保温隔热材料制成，且在所述钢管与导管相连的端部安装有温度传感器。
一种利用废弃矿井的直接取暖装置的施工方法，采用上述直接取暖装置，包括以下施工步骤：
s1：方案设计，按照取暖需求和矿井的供热量，设计完整的取暖方案；
s2：具体施工，安装所述钢管，先沿井筒内壁竖向双向布管，分为进水管道和出水管道，并通过所述u型杆进行固定；
s3：软管安装，需先安装位于井筒内壁上所述软管的竖向部分，并依次设置所述浮力气囊和u型软杆；
s4：选定位于不同深度的两组巷道，并对巷道内所述软管铺设的区域进行排查，并清除障碍物；
s5：排查清理完毕后，在巷道底部安装所述砂垫层；
s6：在所述砂垫层的顶部水平铺设所述软管；
s7：在巷道内安装所述软管端部设置的所述滤栅网；
s8：井筒及巷道内管件安装完毕后，通过所述导管将所述水泵与双向铺设的所述钢管相连，形成完整管件回路，启动所述水泵进行地热水试抽；
s9：试抽成功后，再将所述板式换热器安装至管件回路中，进行采暖换热；
s0：在换热过程中，可依据监测管件回路中的温度进行调整，以实现取暖和制冷的不同效果。
本发明的有益效果：
(1)取暖效果好：直接抽取矿井中的水体取热，换热效果高；
(2)施工方便：模块化的拼接方式，便于安装，提高了效率；
(3)环境影响小：从地下抽水换热后即返回，对地下矿井水体的影响小；
(4)适用性好：水平取暖管是柔性软管，对地形要求低，同时，管体端部进出水口的滤栅网可以有效滤除杂物，防止管体堵塞。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明利用废弃矿井的直接取暖装置的整体平面结构示意图。
图2为本发明利用废弃矿井的直接取暖装置的局部c放大结构示意图。
图3为本发明利用废弃矿井的直接取暖装置的局部d放大结构示意图。
图4为本发明利用废弃矿井的直接取暖装置的局部e放大结构示意图。
图5为本发明利用废弃矿井的直接取暖装置的钢管连接结构示意图。
图6为本发明利用废弃矿井的直接取暖装置的软管连接结构示意图。
图7为本发明利用废弃矿井的直接取暖装置的滤栅网平面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例1
参照图1～7，为本发明第一个实施例，提供了一种利用废弃矿井的直接取暖装置，此装置中包括，管道组件1、连接组件2、防护组件3、固定组件4、水泵5和板式换热器6，其中，连接组件2包括法兰座21、法兰头22和紧固件23，法兰座21、法兰头22各自设置在管道组件1的两端，且二者端面能够相互配合，紧固件23连接法兰座21和法兰头22于一体；管道组件1包括钢管11、软管12和导管13，三者均可通过端部设置的连接组件2实现相互间配合连接，钢管11双向分布在矿井的井筒内，而软管12分布在矿井的井筒及巷道内，其一端与钢管11的端部相连，导管13分布在矿井的外部，依次连接水泵5和板式换热器6，其两端分别连接至双向分布的钢管11的顶端；
防护组件3包括砂垫层31、浮力气囊32和滤栅网33，砂垫层31铺设在巷道的底部，位于巷道内软管12的下方，浮力气囊32分布在井筒内，且安装在软管12的外侧壁上，而滤栅网33安装在位于巷道内软管12的端部，其凸出于软管12的端部，且边缘带有凸出的刀刃；固定组件4包括u型杆41和u型软杆42，u型杆41的u型内腔卡合在钢管11的外侧壁上，其端部固定在井筒的侧壁中，u型软杆42的u型内腔卡合在软管12的外侧壁上，其端部固定在井筒的侧壁中。
具体的，法兰座21和法兰头22相互接触的侧壁设置成波纹状，且填充有橡胶垫片a，如图5。紧固件23包括紧固螺栓23a和卡合扣23b，相邻钢管11之间通过紧固螺栓23a紧固连接，而相邻软管12之间通过卡合扣23b紧固连接。卡合扣23b每组若干个，其一端铰接在法兰座21的侧壁上，另一端设置有卡槽，与法兰头22进行卡合连接。
进一步的，结合附图6，软管12包括波纹管12a、连接盘12b和支撑杆12c，波纹管12a的两端对称安装有连接盘12b，连接盘12b之间均匀分布设置有若干组支撑杆12c。连接盘12b分为第一连接盘12b-1和第二连接盘12b-2，第一连接盘12b-1位于安装法兰头22的一端，第二连接盘12b-2位于安装法兰座21的一端。支撑杆12c包括杆体12c-1和单向限位块12c-2，单向限位块12c-2均匀分布在杆体12c-1的外侧壁上，且安装方向统一；以及，杆体12c-1的一端固定在第一连接盘12b-1的端面侧壁上，另一端贯穿第二连接盘12b-2板面上开设的限位孔12b-21。浮力气囊32与支撑杆12c的长度相同，且小于波纹管12a完全伸长时的长度。钢管11和软管12的管体均采用保温隔热材料制成，且在钢管11与导管13相连的端部安装有温度传感器b。
其中，如图1中所示，管道组件1为各单体管道的组合体，用于形成地下热水抽取及排出的完整回路，各单体管道通过连接组件2连接，由于井筒及巷道中的安装环境存在隐患因素，因此需要设置防护组件3及固定组件4，使得管道组件1被稳定限定井筒及巷道内，而水泵5则用于驱动管道组件1内地下水的流动，板式换热器6作为换热单元，将地下热水中热量转化成其他可直接利用的能量。
具体的，连接组件2中的法兰座21和法兰头22能够相互连接配合，两者分别设置在钢管11和软管12的两端，即用于相邻钢管11或软管12的连接，使各单体管道形成连续的长管道，法兰座21与法兰头22相互配合的端面呈波纹状，用于增加配合端面连接的便携性，且在二者配合的端面中加装有橡胶垫片a，目的在于提高连接处的紧密性和整体管道的气密性。二者配合后，通过紧固件23a进行固定；需要说明的是，位于钢管11两端的法兰座21、法兰头22与软管12两端设置的不同，由于井筒内具有地下水，因此在水面之上采用钢管11，而钢管11的连接则采用紧固螺栓23a紧固法兰的方式，紧固螺栓23a贯穿法兰座21及法兰头22上开设的连接孔进行连接，简单且高效；而在矿井内水面之下的管道采用软管12，而为了水下方便连接，采用卡合扣23b作为紧固件23，便于在水下对各软管12的连接配合，卡合扣23b的固定端铰接在法兰座21的侧壁上，活动端设置有卡槽，卡槽与法兰头22的板体相配合，为提高连接的稳定性，增加卡合扣23b的数量，至少每组设置三个，等间距分布。
进一步的，管道组件1中双向布置管道，一端为进水管道用于从矿井中抽取地下热水，另一端为出水管道用于将换热后的地下水返回地下，以此来形成地下水的循环，通过地下水的流动，形成地下热量的均衡，从而无限利用地下清洁的热能，清洁环保。需要说明的是，进水管道和出水管道均有钢管11和软管12配合连接构成，而管道的进水口和出水口设置在深层的矿井巷道中，在进水口与出水口的端部固定有滤栅网33，其凸出于软管12的端部，用于滤除进入管道中地下水中的大块杂物，而其边缘带有的刀刃则用于刺破地下水中可能存在的塑料或其他垃圾杂物，避免影响抽水与排水。
较佳的，矿井内管道组件1采用钢管11与软管12组合的方式，矿井外部采用导管13将水泵5和板式换热器6连入管道组件1中；本发明中的软管12设置为带有单向拉伸支撑杆12c的波纹管12a组成，具体的，结合附图6，波纹管12a的两端固定有连接盘12b，支撑杆12c设置若干组，均匀分布在两连接盘12b之间，支撑杆12c为带有单向限位块12c-2的杆体12c-1，单向限位块12c-2呈直角三角状，直角边垂直于杆体12c-1，而限位孔12b-21的孔径小于杆体12c-1及单向限位块12c-2的总直径，因此支撑杆12c只能单向从连接盘12b之间拉伸，从而在将软管12安装后，通过拉伸支撑杆12c，将收缩的软管12整体展开。
防护组件3中，砂垫层31用于铺设在矿井巷道的底部，其顶端用于架设软管12，避免矿井巷道内的尖锐的沙石岩壁对软管12或浮力气囊32产生破坏；而浮力气囊32则用于对软管12进行防护，并抵消软管12自身的重力，减少自身重力对波纹管12a弯折处挤压带来的损坏，提高软管12的使用寿命；固定组件4中，u型杆41为刚性材料制成，其用于对钢管11进行固定，其u型端口卡合在钢管11管体的外壁上，使其贴附在井筒的内腔侧壁上，而u型软杆42与软管12贴合的u型端具有一定的弹性，以对软管12的表面进行防护，而其连接端为刚性，固定在井筒的岩壁上。
更进一步的，支撑杆12c的长度与浮力气囊32的长度相同，用于每组浮力气囊32与支撑杆12c相对应，而波纹管12a初始状态下处于收缩的状态，安装好拉伸后处于展开的状态，但也并非完全展开，以保留波纹管12a的韧性和强度，提高波纹管12a的抗振动性，继而延长管体的使用寿命。较佳的，管体11与软管12采用保温隔热材料制成的目的在于，进水口与出水口均位于深层的矿井巷道中，而在传输过程中，管体是走向浅层，因此保温隔热在于减少传输过程中，地下水的热量散失。温度传感器b设置的目的在监测进水管道的出水口和出水管道的进水口水温的变化，以便于人们根据实际需要进行换热调整。
实施例2
区别于实施例1，为该直接取暖装置的施工方法，包括以下施工步骤：
s1：方案设计，按照取暖需求和矿井的供热量，设计完整的取暖方案；
s2：具体施工，安装钢管11，先沿井筒内壁竖向双向布管，分为进水管道和出水管道，并通过u型杆41进行固定；
s3：软管安装，需先安装位于井筒内壁上软管12的竖向部分，并依次设置浮力气囊32和u型软杆42；
s4：选定位于不同深度的两组巷道，并对巷道内软管12铺设的区域进行排查，并清除障碍物；
s5：排查清理完毕后，在巷道底部安装砂垫层31；
s6：在砂垫层31的顶部水平铺设软管12；
s7：在巷道内安装软管12端部设置的滤栅网33；
s8：井筒及巷道内管件安装完毕后，通过导管13将水泵5与双向铺设的钢管11相连，形成完整管件回路，启动水泵5进行地热水试抽；
s9：试抽成功后，再将板式换热器6安装至管件回路中，进行采暖换热；
s10：在换热过程中，可依据监测管件回路中的温度进行调整，以实现取暖和制冷的不同效果。
相较于实施例1，进一步的，在安装过程中，管道组件1分为两组铺设，分别为进水管道和出水管道，两组管道均从位于井筒顶部开始，向深层的巷道中铺设，其中软管12在从井筒的竖直部分安装，安装时，先将收缩状态下的软件12一端连接，再拉伸至指定长度，同时拨动支撑杆12c与波纹管12a等长，而后通过u型软杆42将波纹管12a限定在井筒的内腔侧壁上，再将未充气的浮力气囊32安装在软管12的边缘外侧，软管12安装固定工作完成后，从浮力气囊32的充气口中充气，使得其产生的浮力能够抵消软管12自身的重力，目的在于，软管12连接具有一定长度，在自身重力作用下会拉伸上端相邻的软管12，当波纹管12a的弯折处一直处于最大张力时，很容易损坏，从而影响软管12的使用寿命。而当转向巷道的水平部分安装时，采用弯折的钢管11进行转接，且在水平部分的软管12铺设于砂垫层31的顶部，进水管道和出水管道分别位于不同深度的矿井巷道内，目的在于，不同深度的矿井巷道中地下水的温度不同，正向与反向抽取水时能实现制热与制冷的不同效果，提高本装置的应用范围。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
1.一种利用废弃矿井的直接取暖装置，其特征在于：包括，管道组件(1)、连接组件(2)、防护组件(3)、固定组件(4)、水泵(5)和板式换热器(6)，其中，
所述连接组件(2)包括法兰座(21)、法兰头(22)和紧固件(23)，所述法兰座(21)、法兰头(22)各自设置在所述管道组件(1)的两端，且二者端面为能够相互配合折线状端面，所述紧固件(23)连接所述法兰座(21)和法兰头(22)于一体；
所述管道组件(1)包括钢管(11)、软管(12)和导管(13)，三者均可通过端部设置的所述连接组件(2)实现相互间配合连接，所述钢管(11)双向分布在矿井的井筒内，而所述软管(12)分布在矿井的井筒及巷道内，其一端与所述钢管(11)的端部相连，所述导管(13)分布在矿井的外部，依次连接所述水泵(5)和板式换热器(6)，其两端分别连接至双向分布的所述钢管(11)的顶端；
所述防护组件(3)包括砂垫层(31)、浮力气囊(32)和滤栅网(33)，所述砂垫层(31)铺设在巷道的底部，位于巷道内所述软管(12)的下方，所述浮力气囊(32)分布在井筒内，且安装在所述软管(12)的外侧壁上，而所述滤栅网(33)安装在位于巷道内所述软管(12)的端部，其凸出于所述软管(12)的端部，且边缘带有凸出的刀刃；
所述固定组件(4)包括u型杆(41)和u型软杆(42)，所述u型杆(41)的u型内腔卡合在所述钢管(11)的外侧壁上，其端部固定在井筒的侧壁中，所述u型软杆(42)的u型内腔卡合在所述软管(12)的外侧壁上，其端部固定在井筒的侧壁中。
2.如权利要求1所述的利用废弃矿井的直接取暖装置，其特征在于：所述法兰座(21)和法兰头(22)相互接触的侧壁设置成波纹状，且填充有橡胶垫片(a)。
3.如权利要求1或2所述的利用废弃矿井的直接取暖装置，其特征在于：所述紧固件(23)包括紧固螺栓(23a)和卡合扣(23b)，相邻所述钢管(11)之间通过所述紧固螺栓(23a)紧固连接，而相邻所述软管(12)之间通过所述卡合扣(23b)紧固连接。
4.如权利要求3所述的利用废弃矿井的直接取暖装置，其特征在于：所述卡合扣(23b)每组若干个，其一端铰接在所述法兰座(21)的侧壁上，另一端设置有卡槽，与所述法兰头(22)进行卡合连接。
5.如权利要求4所述的利用废弃矿井的直接取暖装置，其特征在于：所述软管(12)包括波纹管(12a)、连接盘(12b)和支撑杆(12c)，所述波纹管(12a)的两端对称安装有所述连接盘(12b)，所述连接盘(12b)之间均匀分布设置有若干组所述支撑杆(12c)。
6.如权利要求5所述的利用废弃矿井的直接取暖装置，其特征在于：所述连接盘(12b)分为第一连接盘(12b-1)和第二连接盘(12b-2)，所述第一连接盘(12b-1)位于安装所述法兰头(22)的一端，所述第二连接盘(12b-2)位于安装所述法兰座(21)的一端。
7.如权利要求5或6所述的利用废弃矿井的直接取暖装置，其特征在于：所述支撑杆(12c)包括杆体(12c-1)和单向限位块(12c-2)，所述单向限位块(12c-2)均匀分布在所述杆体(12c-1)的外侧壁上，且安装方向统一；以及，
所述杆体(12c-1)的一端固定在所述第一连接盘(12b-1)的端面侧壁上，另一端贯穿所述第二连接盘(12b-2)板面上开设的限位孔(12b-21)。
8.如权利要求7所述的利用废弃矿井的直接取暖装置，其特征在于：所述浮力气囊(32)与支撑杆(12c)的长度相同，且小于所述波纹管(12a)完全伸长时的长度。
9.如权利要求8所述的利用废弃矿井的直接取暖装置，其特征在于：所述钢管(11)和软管(12)的管体均采用保温隔热材料制成，且在所述钢管(11)与导管(13)相连的端部安装有温度传感器(b)。
10.一种利用废弃矿井的直接取暖装置的施工方法，其特征在于：采用上述直接取暖装置，包括以下施工步骤：
s1：方案设计，按照取暖需求和矿井的供热量，设计完整的取暖方案；
s2：具体施工，安装所述钢管(11)，先沿井筒内壁竖向双向布管，分为进水管道和出水管道，并通过所述u型杆(41)进行固定；
s3：软管安装，需先安装位于井筒内壁上所述软管(12)的竖向部分，并依次设置所述浮力气囊(32)和u型软杆(42)；
s4：选定位于不同深度的两组巷道，并对巷道内所述软管(12)铺设的区域进行排查，并清除障碍物；
s5：排查清理完毕后，在巷道底部安装所述砂垫层(31)；
s6：在所述砂垫层(31)的顶部水平铺设所述软管(12)；
s7：在巷道内安装所述软管(12)端部设置的所述滤栅网(33)；
s8：井筒及巷道内管件安装完毕后，通过所述导管(13)将所述水泵(5)与双向铺设的所述钢管(11)相连，形成完整管件回路，启动所述水泵(5)进行地热水试抽；
s9：试抽成功后，再将所述板式换热器(6)安装至管件回路中，进行采暖换热；
s10：在换热过程中，可依据监测管件回路中的温度进行调整，以实现取暖和制冷的不同效果。
技术总结