1.一种基于重构改造废弃煤矿井筒的矿井水储热装置，包括废弃煤矿井筒（1），其特征在于，所述废弃煤矿井筒（1）底部与水平巷道（2）连通处设有封填段（3），顶部设有密封段（4），封填段（3）与密封段（4）之间的井筒（1）为储水储热段（5）；在所述密封段（4）上沿其径向开设有两个分别用于埋设进水管（6）和出水管（7）的通孔，所述进水管（6）下端伸入至储水储热段（5）靠近底部位置处，出水管（7）下端伸入至储水储热段（5）靠近顶部位置处；进水管（6）上端和出水管（7）上端伸出密封段（4）顶部；所述的进水管（6）和出水管（7）关于废弃煤矿井筒（1）中心轴对称，且进水管（6）和出水管（7）距离废弃煤矿井筒（1）中心轴的距离均为 D，D为井筒（1）内径；进水管（6）伸入至储水储热段（5）距离封填段（3）顶部H/4位置处，H为储水储热段（5）的高度；出水管（7）伸入至储水储热段（5）距离封闭段底部H/4位置处；所述的进水管（6）下端连通有延伸至井筒（1）中心轴所在处的水平管路（8）。

2.根据权利要求1所述的基于重构改造废弃煤矿井筒的矿井水储热装置，其特征在于，所述的储水储热段（5）的井筒（1）通过壁后注浆进行加固并在注浆液（9）内添加低导热系数纳米材料；所述密封段（4）为密封井盖，其直径至少比井筒（1）直径大2m，其厚度大于1m。

3.一种利用权利要求1至2任一项所述的基于重构改造废弃煤矿井筒的矿井水储热装置的储热方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、开展废弃煤矿井筒（1）的生产、闭坑参数调查，包括矿井主要生产技术资料图、矿井的位置坐标、矿井的类型、矿井井管材质、矿井井径、矿井井深、矿井结构图、井筒地层剖面图、井筒地层水文地质资料、闭坑封井施工设计及竣工报告；

步骤二、对废弃煤矿井筒（1）的完整性进行评估，包括井筒密封段（4）中心钻孔启封、井壁混凝土取样、井筒矿井水取样、井筒矿井水水位监测、井壁完整性和井巷连通性水下窥视、井筒密封段（4）中心钻孔再密封；根据现场条件开展井筒矿井水温盐深剖面监测，完成废弃煤矿井筒（1）完整性及可利用性评估分析报告；

步骤三、对于步骤二确定的可利用的废弃煤矿井筒（1），通过井筒密封段（4）中心钻孔安设矿用潜水泵，开展大直径井筒（1）内钻孔单孔、大流量稳定流抽水试验，获得流量‑时间、水位降深‑时间曲线，通过以下标准公式迭代计算废弃煤矿矿井水井筒（1）抽采影响半径R、渗透系数K的井筒地层水文地质参数：；

3

式中，q为抽水流量，单位m/s；S为降深，单位m；r为井筒半径，单位m；M为井深，单位m；

步骤四、根据井筒（1）抽水试验结果，若获得的K≤K’，其中，K’为生产时期井筒（1）地层渗透系数，则认定为废弃煤矿井筒（1）矿井水储热存在类水封效应，忽略矿井水通过井筒（1）井壁的渗流对储热性能的影响；

若获得的K>K’，则认定为废弃煤矿井筒井壁发生破裂、井筒变形，井筒矿井水及周围地层地下水的渗流运移明显，影响井筒矿井水储热效果；结合废弃煤矿井筒井壁完整性探测窥视结果，对井壁破损点采取水下喷射混凝土、壁后注浆封闭加固井壁措施；继续开展措施效果检验，实施二次抽水试验，若仍然存在K>K’，则继续开展废弃煤矿井筒（1）井壁的重构再造，分节预制完整井壁并通过沉井法再造形成比原废弃井筒小但同轴的内井壁，保持再造内井壁与原井壁厚度相同，内井壁所形成新的储水储热段（5）用于矿井水储热；根据重构改造后的井筒参数、地面供热负荷和储热期热损失确定井筒矿井水储热容积；

以井筒（1）内矿井水体和井筒周围地层作为联合储热体，采用如下方法确定井筒（1）矿井水储热容积：假定冬季采暖建筑供热面积所需的热负荷Qload，由工业余废热如太阳能集热量Qc和井筒矿井水储热系统的储热量Qs克服储热损失Qloss提供，则有： ；

在太阳能跨季节地下储热系统的初期阶段，太阳能集热器向矿井井筒（1）内水体输送热量，使水温逐渐上升；这些热量从水体中传递到井筒（1）周围地层，使得接触水体的岩土温度上升；较暖的岩土将热量进一步传播到更广泛的区域；

当进入供暖季节时，由于持续的热量抽取，井筒（1）内矿井水体的温度逐步下降；此时太阳能集热器向围岩地层传递的热量远大于从围岩地层中回收的热量，即Qloss>0；

随着系统的长期运行，形成井筒（1）水体及地层围岩储热层；在供暖季节，如果井筒（1）水体温度因取热而下降，这时围岩地层将其储存的热量释放给井筒（1）水体，使井筒（1）水体温度逐渐回升，围岩地层发挥储热作用，即热量流出围岩，Qloss<0，故存在Qloss趋于零的过渡时期，这时井筒（1）水体接收的热量与围岩地层释放的热量达到动态平衡；如果此时停止热量的注入，系统将维持这种平衡状态，则有： ；

3

式中，为矿井水密度，kg/m；为恒压比热容，单位J/(kg•K)；T为井筒（1）水体温度；T03

为冬季室内要求温度；Qwc为冬季该时刻集热量；为该时刻取水流量，单位m/h；

井筒矿井水储热容积V根据取水流量和规定的该时刻的换水次数n确定： ；

步骤五、根据所选择的废弃煤矿井筒（1），建立井筒（1）及周围地层几何模型和数值计算模型控制方程，设置不同工况参数及组合，包括井筒（1）矿井水储热容积、进水管（6）和出水管（7）位置、初始及目标温度、废弃煤矿井筒（1）及地层渗透系数等边界和初始条件参数；

采用数值模拟软件开展基于3D水文地质模型的井筒（1）矿井水储热方案数值仿真实验，分析矿井水储热温度衰减变化规律、确定最优渗透系数、储热作用半径、储热用热循环周期特征及参数组合方案，综合分析废弃煤矿井筒（1）矿井水储热可利用性；

其中，井筒（1）内流体在加热和蓄热过程中，传热过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，基本控制方程表达如下：质量守恒方程在流体力学中表述为连续性方程，即流体微元体在单位时间内质量的增加，等于同样间隔时间内流入该微元体的净质量，其微分表达式如下式：；

式中，、、分别代表流体微团在x, y, z三个方向上的速度分量，单位m/s；

动量守恒即微元体中流体的动量随时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种外力之和，对于粘性不可压缩流动，又称纳维‑斯托克斯方程，其在x、y、z三个方向上的动量方程如下：；

式中， 、 、 分别代表x、y、z轴方向的速度分量，单位m/s；是微元体表面的切向应2

力，单位pa；、、分别为x、y、z三个方向的单位质量力，单位m/s；

能量守恒方程： 式中，为热扩散率，单位

，其中，为流体的传热系数，单位w/(m•K)；为黏性耗散项；为体积热源；

对于井筒（1）围岩，在初步研究中仅看作固体，不考虑多孔介质的渗流流动换热对蓄热的影响，此时围岩的能量守恒方程为非稳态导热微分方程，即：。

4.根据权利要求3所述的基于重构改造废弃煤矿井筒的矿井水储热方法，其特征在于，所述步骤五中，进水管（6）和出水管（7）位置的确定采用等圆环面法确定，过程如下：对内径为D的井筒（1），进水管（6）和出水管（7）在同一井筒（1）圆形横断面直径线上，进水管（6）和出水管（7）分别居于井筒（1）中心两侧，其布管位置采用下式计算：. . . 

；式中，i为等圆环面的序号，从井筒（1）横断面圆的圆心开始，i=1，2，3

. . .

；N为圆环面的等分数或个数，N=1，2，3.  .  . .  .  .，同一储水井筒（1）高度下每个圆环下储存的矿井水体积相等。

5.根据权利要求3所述的基于重构改造废弃煤矿井筒的矿井水储热方法，其特征在于，所述步骤五中，3D数值模拟几何模型的选择分为包含井筒和全矿井范围的非规则异形几何结构模型以及包含井筒和附近地层的圆柱体/立方体/长方体规则几何结构模型两类。