深部矿山地热与煤炭资源协同开发技术体系研究

深部煤炭资源开采已势在必行,但随着开采深度的增加,伴生着热能的释放,该热能作为地热资源的重要组成部分,是一种不受环境因素影响的可再生清洁能源。深部矿井开采带来的丰富地热可作为共生资源进行开采利用。基于此,本文总结了深部矿井地热资源的发展潜力以及地热与煤炭资源开采的现状,论述了深部矿井地热开发的必要性和可行性,创新了地热与煤炭资源协同开发的思路,阐述了矿山地热与煤炭资源协同开发的内涵与科学问题,围绕深部矿山岩热和水热资源开发这一主题,利用煤炭资源开采的采后空间及生产系统,提出了充填埋管采热、采空区储水采热、采动区封闭采热及深部原位钻井采热4种采热方法,探讨了深部矿山地热探测评价、深部大空间煤基固废吸热功能材料、多场环境下采场岩层移动特征及其控制、低品位热能的高效传输及阶梯利用和协同开发系统智能监测等技术的研究重点与难点。研究成果将为中国深部矿山地热与煤炭资源的协同开发提供技术支撑,为深部矿井资源系统开发提供理论与实践参考,促进我国深部矿井绿色矿山建设与多元经济型发展。      

矿山地热防控与利用研究进展

从矿山地热致灾形式、热害控制技术、热能利用方法3个方面,对相关文献进行归纳,总结已有研究成果。结果表明,矿山地热的致灾形式有加剧煤岩体性质劣化、诱发支护结构失效和导致高温高湿环境三类,具体包括加剧围岩变形破坏、诱发吸附瓦斯溢出、降低锚杆锚固强度、加剧锚护材料腐蚀、损害工人身心健康、降低工人工作效率和增加机械设备故障率七方面。热害控制技术有非人工降温技术和人工降温技术两种,其中非人工降温技术分为热源控制技术、热湿环境调控技术和个体防护技术3类;根据制冷工质不同,可以将人工制冷降温系统分成气冷式、冰冷式和水冷式3大类,包括压缩空气制冷降温、冰制冷降温、地面集中制冷降温、地面排热井下集中降温、回风排热井下集中降温、地面热电联产制冷降温和热害资源化利用等制冷系统。通过提取矿井水和矿井回风中的余热用于矿区井口防冻、洗浴供暖和建筑物供暖,是目前矿山地热利用的主要方法。而直接提取巷道围岩热能的同时实现矿井降温是近年来的研究热点,也是矿山地热直接利用的关键;将地埋管换热器布置在采空区充填材料或巷道围岩内提取围岩热能、实现矿区多种清洁能源协同利用是未来矿山地热利用的发展方向之一。      

矿产与地热资源共采模式研究现状及展望

地热能作为一种绿色清洁且储量巨大的可再生能源,在降低矿产资源深部开采成本方面具有显著优势和发展潜力。充分利用深部岩体中蕴藏的地热能,不仅可以有效缓解矿产资源开采中的热害难题,而且有利于促进我国能源产业的绿色低碳和可持续发展。在梳理当前可能伴生有地热资源的矿产资源基础上,对现有的矿?热资源共采技术进行了回顾和总结,分析展望了未来矿?热资源共采的新模式,介绍了基于卤水循环系统的矿?热资源共采、基于开挖技术的矿?热资源共采、基于充填采矿法的矿?热资源共采、基于溶浸采矿法的矿?热资源共采和基于废弃矿井再利用的矿?热资源共采等技术方案,同时指出了矿?热资源共采所面临的主要挑战,包括加强矿?热共同赋存区勘探、发展深部高温坚硬岩层破岩与掘进技术、加强深部多场耦合环境岩石力学理论与试验研究、建立矿?热资源共采热能分级利用体系。相关研究成果旨在释放矿产资源开采中的地热能发展潜力并促进地热资源的规模化利用,可为我国深部矿产资源开采和地热资源开发提供有益的参考和借鉴。开展矿产与地热资源共采战略研究,有望为推进我国深部资源开发和实现“碳达峰、碳中和”的双碳目标提供一条有效途径。      

胶东地区矿产与地热资源共采可行性浅析

地热作为一种清洁环保的绿色能源，其有效利用是我国实现双碳目标的重要方向之一。但在矿产资源开采，尤其是地下矿山向深部开发过程中，由于受地温梯度影响，导致矿井温度过高，成为制约矿山生产的重要因素，为维持正常生产，矿山多采取加强通风或人工降温的方式进行处理。如何在矿山开发过程中将地热资源变害为宝，实现资源开发利用的双赢，是值得探讨的难题。胶东是我国最大的黄金生产基地，也是我国东部地热资源最为丰富的地区之一。该区地热和矿产资源具有相似的动力来源和运输通道，使二者在空间分布上具有高度重合性，诸多大型矿山不仅矿产资源储量大，地热资源也相当丰富，是最有望实现地热与矿产资源共采的地区。在分析胶东地区地热和矿产资源分布成因的基础上，梳理了我国低温地热资源利用的现状，认为胶东地区金矿资源埋藏和开采深度较大，建议对三山岛、金青顶、新城、玲珑金矿等利用相对成熟的低温地热供暖技术，治理矿山热害的同时实现矿产与地热资源的共采。      

我国中深层地热资源赋存特征、发展现状及展望

地热资源具有储量大、能源利用效率高、运行成本低和节能减排等优点,是唯一不受天气、季节变化影响的地球本土可再生清洁能源,对于实现双碳目标有重要意义。为了解中深层地热资源赋存特征和发展现状,系统梳理了国外中深层高温地热资源的发展历程和最新进展,并与我国中深层地热资源开发情况进行对比分析,以期为我国中深层地热资源开发利用提供借鉴和启示。总体来讲,我国传统水热型地热资源潜力巨大且开发程度不高,具有很大的开发空间;针对我国地热流体中伴生矿产资源的相关开发依然存在着稀有元素分布特征不清、潜力不明、整体开发利用程度不高等问题,应在评估地热流体中伴生矿产资源潜力基础上,进一步加强地热流体中伴生矿产资源的综合开发利用;随着矿产资源开采深度的加大和高温地热带周边相关工程建设的开展,高温热害成为不可忽视的问题。但目前深部矿井和工程建设中“热害资源化”的研究相对不足,造成了地热资源的浪费,应在“热害资源化”潜力评估的基础上,进一步推动“矿?热共采”及工程建设中的“热害资源化”利用。      

深地金属矿流态化浸出过程强化与地热协同共采的探索

立足深地金属矿产资源开采,以当前铀矿原位溶浸采矿工艺为基础,结合“金属矿流态化开采”和“深部地热开发”的工艺技术特征,创新提出了深地金属矿流态化浸出过程强化?地热协同共采的工艺构想,探讨了实现该工艺构想的思路架构、潜在方式并给出了初步设想,从矿物浸出、环境感知、过程控制、能量置换、协同关联角度提出了关键系统,包括:致密固态矿产流态化系统、深地资源智慧感知系统、深地矿区溶浸液渗流控制系统、地热?溶浸液能量置换系统、热能置换?溶浸液循环耦联系统共五个方面开展重点研讨,系统分析了实现深地金属矿流态化浸出?地热协同共采过程中的基础理论瓶颈、关键技术难题与未来发展趋向,相关研究旨在为深地金属矿流态化浸出过程强化与地热协同共采提供思路借鉴。      

分级细尾砂胶结充填体早期水化放热及强度演化特性

对分级细尾砂胶结充填体的早期水化反应及力学演化特性进行研究,对不同灰砂比充填体料浆进行水化放热及电阻特性测试,并根据扫描电子显微镜对早期水化产物进行微观形貌特征分析,最后在单轴压缩力学试验结果的基础上,分析早期水化反应进程及产物对充填体强度演化的影响。研究表明,灰砂比越大,水化放热速率及放热量越大,生成水化产物越多,体积电阻率越大。同时水化反应速率直接决定了充填体自身强度形成的快慢,生成的Ca(OH)₂减小了料浆体积电阻率,加快充填体自身强度的增长;随后生成的钙矾石（Aft）导致颗粒间孔隙更加致密,抑制了离子的溶解,减缓放出热量速率,从而阻碍了充填体强度的增长;当水化反应进行14 d基本结束后,充填材料凝结固化成为一个整体,强度基本稳定。充填体强度的变化呈现先迅速增加随后增加趋势逐渐减小直至稳定的趋势,为矿山采用分级细尾砂进行井下采空区充填、控制深部采场温度提供理论支撑及科学指导。      

雄安新区深部碳酸盐岩热储强化增产试验研究

碳酸盐岩热储是我国水热型地热资源开发的主战场,具有分布广、厚度大、易回灌等特点。目前的利用仅局限于碳酸盐岩热储顶部约200 m的强岩溶发育带,由于深部碳酸盐岩热储渗透性低、非均质性强,无法进行规模化开发利用。针对深部巨厚碳酸盐岩热储高效开发技术难题,采用综合测井与裂隙成像测井技术优选了目标增产层段,创新使用了水力喷射酸化压裂热储改造技术,该技术具有定点起裂、有效封隔、热储深穿透、改造体积大等特点。以雄安新区揭露碳酸盐岩热储层厚度最大的地热井D22为代表开展了现场热储改造试验,结果显示,目标层段3024~3174 m涌水量由改造前的4.72 m3·h?1增加到改造后的44.10 m3·h?1,提高了8.3倍;单位涌水量由改造前的0.024 m3·(h·m)?1增加到改造后的0.745 m3·(h·m)?1,提高了30倍;储层渗透系数由4.4×10?3 m·d?1提高到了146.3×10?3 m·d?1;井口水温由改造前的60.0 ℃增加到66.5 ℃。试验研究表明,可通过热储改造提高深部巨厚碳酸盐岩热储的开发潜能。      

小方坯结晶器水温水速对传热过程影响

通过建立结晶器内钢液和水的二维对流-传热耦合模型过程,研究了小方坯结晶器冷却水入口温度和流速对铜管温度和结晶器内平均热流的影响.该模型使用Fluent进行求解,模拟了钢液和冷却水的流动和传热,凝固坯壳的生长,以及热量以辐射和导热两种通过保护渣和气隙.通过将坯壳厚度和铜管温度与其他研究的结果进行对比来验证模型准确性.研究结果表明,结晶器冷却水的温度显著影响铜管的冷面温度,水温超过313 K会导致铜管冷面最高温度超过水的沸点.水流速升高0.49 m·s-1能够消除水温升高4 K带来的不利影响.      

热水供暖系统中锅炉、热水泵、管网的节能设计

文章就区域锅炉房集中供热的管网节能设计中一些问题进行了探讨，指出合理选择锅炉台数和容量，正确选择水泵容量，适当增加保温层厚度，减小允许地最大热损失值是节能设计的几个主要措施。