浅层资源的枯竭和能源需求日增致使化石能源的深层化开采成为必然趋势,也使深井热害问题由个别现象发展为普遍问题。深井热害严重危害井下作业工人的身心健康,加快电气作业设备的老化,进一步还会诱发围岩高温软化和吸附瓦斯溢出,致使矿井安全事故率上升,渐已成为继水、灰、瓦斯之后的第四大矿井灾害。深井高温及局部高温是多种因素综合作用的结果,其中围岩散热超过总热源的40%,是其根源所在,且随着开采深度加深,该比重将显著上升,所以针对热源的首要因素——围岩散热开展热害治理是值得研究的问题。本文以降低围岩散热量、改善深井热环境为目标,以围岩调热圈为研究对象,对其传热机理和主要热源进行系统研究,基于直膨式地源热泵技术原理,提出了一种利用直膨式地源热泵技术采集围岩调热圈一定范围内的热量来动态阻隔岩壁向风流散热的深井集热降温系统,并通过室内试验对装置的运行工况和土体降温效果进行了试验研究。主要的研究内容和结论如下:(1)围绕围岩散热机理展开研究,确定围岩体内部的非稳态导热计算和壁面-风流在不同换热状态下的换热系数k,进而掌握巷道围岩热量的热传递规律。通过分析各种热源因素散热来掌握深井热害的主要成因,并采用反分析计算法推导出作业面冷负荷的计算公式,为采取针对性的热害治理措施提供理论依据;(2)通过分析直膨式地源热泵的工作原理和优缺点,对该技术在深井热害治理中的应用条件的适用性和技术的可行性进行分析,分析表明直膨式地源热泵的施工条件、资源性条件和系统性条件在深井中均具有良好的适用性,该技术在深井环境中表现出更好的能源性能;(3)通过搭建立柱型直膨式地源热泵实验系统,对装置的运行工况、主要性能指标以及土体降温效果进行分析研究,结果表明:在RT(室内温度)为29.1~34.3℃的条件下,土体温度场由45~55℃降至20~25℃;热传导主要发生在水平方向;集热降温阶段的制冷性能系数EER的最大值为2.24,均值为1.64,明显高于理论值;单一装置的有效冷却半径为1.34m;系统整体运行高效稳定,集热降温效果显著。(4)冷却积累后的调热圈制冷效果示意图表明:直膨式地源热泵通过采集地热能的方式在巷道调热圈的一定范围内形成动态热阻隔层,阻断了围岩深部能量向巷道壁面的热传导,降低巷道壁面温度,缩小了壁面-风流温度的差值,从而削弱了对流换热过程,甚至当壁面温度<风流温度时,围岩由放热体变为吸热体,这对降低围岩散热、动态调控深井热环境具有重要意义,也为全面防治深井热害问题提供了一种新思路。