当今世界正面临着能源结构转型与环境问题双重挑战,地热能作为一种清洁高效能源越来越受到人们重视,国内也紧跟时代步伐大力发展地热能,其中,地源热泵占据了当前地热开发应用类型的较大比例。但受制于浅层地热能储量有限、土地面积有限、受气候影响较大。另一方面,随着浅层矿产资源日益枯竭,矿山采掘深度逐渐向更深的地层发展,近年来出现了大量不同埋深的停运或废弃矿山,其中蕴含大量的矿山地热资源而没有得到重视。本文提出地埋管技术与废弃矿山地热开发相结合的思路,根据矿山巷道埋置于地下的特点,提出了放射状的换热器布设形式,利用换热器中循环流体与地下岩体的换热,进而对该部分地热能加以利用,同时为废弃矿山的二次利用提出了新的思路。本文分析了矿山地埋管换热过程,结合传热理论,提出了矿山地埋管传热模型,基于此,对换热相关影响因素进行了归纳总结,为后续换热特性的研究奠定了基础,主要研究如下:(1)设计并搭建了一套微型实验台,对单管换热器进行恒定热流负荷的传热实验,获得换热器循环流体及岩土体的温度响应特征,利用数值计算方法模拟了整个实验过程,通过对比两种研究手段下的计算结果,验证了数值计算方法的可靠性。(2)利用有限元方法,建立了三维单管传热模型,研究了不同矿山地层条件(原始地温、岩体导热系数与恒压热容)、换热管结构设计因素(钻孔半径、钻孔深度、换热管型、支管间距与充填材料导热系数)及运行参数(注水温度与注水速率)等对换热性能的影响规律,获得了以上因素对单管换热性能的敏感程度,可为矿山地热开发选址、结构及运行参数的设计提供参考。(3)建立了考虑相互干扰的管群传热模型,研究了不同钻孔夹角、排布方式及排距对整体换热性能的影响规律,给出了合理钻孔夹角及排距的推荐值,得出叉排布设更利于系统换热,并提取对系统换热效果影响较大的主控因素,基于多元正交回归分析方法,获得了换热性能指标的预测公式,可为实际工程提供参考。(4)选取北方某矿山作为工程案例,设计相应的运行方案,对其单一运行周期内的换热过程进行模拟计算,分析了不同时期换热性能指标及矿山岩体温度场变化规律,矿山地埋管系统取得了较好的换热效果,验证了其应用的可行性,通过对比冬夏两季冷热共采与冬季单一取热两种模式进行长期运行情况,结果表明:冬夏两季冷热共采模式能够更快达到系统稳定状态,换热效率为首个换热季的83.3%,换热量是单一取热模式的3.4倍,具有较好的长期稳定性。