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。      

增强地热系统研究现状:挑战与机遇

开发地热资源,尤其是深部干热岩地热资源,是加快能源结构转型,顺利实现“双碳”目标的重要途径。增强地热系统经历了50余年的发展,在深部地热资源开采方面取得了丰富的研究成果和施工经验。回顾增强地热系统的发展历程,总结热储特征、储层改造以及示范项目的终止原因,分析商业化面临的挑战,探讨未来的探索方向和发展机遇,能够有效服务我国深部地热资源开发和示范项目的建设。在经历研究和开发阶段后,增强地热系统进入示范和商业化的飞速发展阶段,截至2021年末,世界累计的增强地热系统数量已达41个,累计发电装机量为37.41 MW;储层地质条件的复杂性和差异性以及现有改造技术对储层原位地质环境的依赖性,难以形成“可复制”的热储改造模式,由此导致的热储质量差等问题是制约增强地热系统发展的主要原因;建立典型的干热岩增强地热系统示范项目或探索基于采矿技术的增强地热系统,突破热储改造对原位地质条件的依赖性,形成“可复制”的深部地热资源开采体系,是增强地热系统未来的发展方向,也是实现深部地热资源大规模商业化的关键出路。      

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。      

二道沟矿深井开采热环境研究

二道沟矿井下作业面最高温度已超过30℃,深井高温热害已成为制约矿山安全高效开采和深部资源综合开发利用的重大技术难题之一。深井开采热环境研究是深井开采热害治理的基础,通过井下微气候参数测试、作业人员工作环境主观感受调查、高温采场热力分析及矿井通风系统热模拟等研究手段与方法,对该矿井下热环境及其变化规律进行了深入的分析,为矿山下一步的深井开采热害综合治理研究提供了技术保障。     

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。      

我国深部高温地层井巷建设发展路径与关键技术分析

深部矿产与地热资源共采战略为实现“矿?热”经济有效开发和实现双赢提供了有效途径,深部高温地层井巷建设技术是“矿?热共采”战略安全高效实施的重要支撑和保障。分析了深部“矿?热共采”战略对井巷建设技术需求的必要性和迫切性,梳理了矿山井巷建设技术现状和存在的不足,阐述了矿山井巷智能化建设方面的研究进展与发展路径;剖析了深部高温地层井巷建设面临的难题与挑战,提出了深部高温地层井巷工程建造技术发展的三大优先发展任务:1）深部高温地层井巷建设地质保障系统;2）深部高温地层井巷建设模式与规划;3）深部高温地层井巷建设成套技术与装备。结合三大优先发展任务,凝练出8项基础理论与关键技术的发展方向:地层原位探识与透明化重构、高温地层井巷建设工艺适宜性、高温地层非爆破破岩、深井连续提升、深部不良地层改性与围岩长期稳定性控制、深井热害治理、井巷装备智能感知、井巷掘进装备智能控制。基于以上内容,初步构建了深部高温地层井巷建设基础理论与技术研究体系,以期为深部资源开采清洁化和地热清洁能源规模化发展提供参考。      

深地热开采热能提取效率研究及对EGS-E的启示

深地热资源因其储量大、清洁、可持续等优点在近年受到广泛关注。不同的深地热开发系统具有不同的热储改造方式,而这些热储改造方式决定了其与流体工质的换热效率及采热量。通过COMSOL Multiphysics多场耦合软件系统对比了高渗透率、贯穿裂隙（管道）、随机裂隙和随机裂隙+贯穿裂隙热储模型的热能提取效率,研究了水力作用、热力作用和热储裂缝间距对裂隙开度的影响。研究结果表明高渗透热储的热能提取效率最高,其次是随机裂隙热储,随后是随机裂隙+贯通裂隙热储,最小的是贯通裂隙（管道）热储。热储裂隙开度演化受基岩冷却收缩和裂隙流体压力的竞争影响。增加基岩的冷却收缩和裂隙流体压力均能提升总裂隙开度;但是当基岩冷却收缩起主导作用时（热力作用）,系统的注入能力提升;而当裂隙流体压力起主导作用时（水力作用）,系统的注入能力降低。减小裂隙间距可以显著增加裂隙的热力作用开度和总开度。当裂隙间距减小到50 m时,热力作用开度增加为水力作用开度的4.8倍。因此对EGS-E（基于开挖的增强型地热系统）的主要启示为:（1）通过优化爆破或水力压裂等工艺参数,使崩落的干热岩尽量破碎,形成高渗透率热储,可大幅增加热交换面积,提高热能提取效率和采热量;（2）在EGS-E热储分层致裂中,应尽量减小层间距,进而增加热储的整体裂隙开度,达到提高换热效率的目的。      

金川矿山深井岩石力学问题研究构架

金川矿山由于其极其复杂的区域地质背景、特殊的工程地质环境以及碎胀蠕变的岩石力学特性,倍受国内外采矿工程界和岩石力学界学者和专家的关注。目前。金川矿区开采已进入深部开采阶段。随着矿山采掘强度的逐年迅速加大,采场开采深度的增加,地应力增大,加之开采范围扩大,矿山深部岩石力学问题日趋突出。重视金川矿山深部岩石力学问题的研究工作,建立深部矿山岩石力学研究体系,进一步研究深部矿岩工程力学特性和认识深部矿岩所处的地质背景,寻求金川矿山深部围岩更趋合理的稳定性控制技术,为矿山高效安全生产和可持续发展提供技术支持。     

宁夏地区煤炭资源绿色开发现状与思路

针对宁夏地区煤矿开采现状,归纳总结了宁夏煤矿开采亟待解决的技术问题,如基础理论与技术瓶颈亟待突破、绿色开发技术标准与规范不完善、绿色开发技术与装备保障不足以及缺乏示范引领与政策支持。从宁夏煤炭工业未来发展的现实需求出发,提出了宁夏煤矿绿色开发的战略思想、发展蓝图和战略目标,形成其总体战略布局。在此基础上,从多方面提出了宁夏煤矿未来绿色开发的技术路径,主要包括煤炭开采水资源保护技术、矿井水大规模低成本处理技术、矿区地表生态减损和修复技术、智能化绿色开采技术以及洁净煤技术。最后,提出了宁夏煤矿绿色发展的可行性建议。明确绿色发展理念与目标,积极实施绿色矿业,助力生态环境和生态文明建设迈上新的台阶,最终实现宁夏煤炭产业的高质量可持续发展。      

矿井通风热湿提取与资源化利用方法

矿井热湿风流中储存有大量低位热能和水汽,导致井下工作环境恶劣,乏风直排造成了大量资源浪费。因此,矿井通风热湿提取与资源化利用是解决深井热害和矿井低碳转型发展的重要途径之一。受地面大气状态参数和井下热湿源的影响,井巷热湿风流参数随时间变化,实时掌握井巷热湿风流转变特征是精准提取矿井风流中低位热能的关键。本文基于热湿风网实时解算,确定了矿井关键热湿节点分布规律及变化特征;建立了冷凝热湿提取计算模型,研发了热湿风流低位冷凝余热提用技术,形成了制冷–除湿联合的低位热能原位利用系统;提出了矿井乏风集中式和关键节点分布式热湿提取与资源化利用方法,并对提热收水效果进行了实例分析,为矿井低位热能提取利用和热害治理提供了理论基础和建设思路。      

基于矿?热共采的深部高温岩层地下巷道硐室建造技术思考

我国矿产开采逐渐向深部发展,深部矿产和地热能共采是保障深部资源持续利用的重要手段。深部巷道硐室的建造面临诸多新的挑战与技术难题,高温、高地应力是深部岩层的两大特点。矿?热共采模式的发展需首要寻找到应对这两大难题的技术方案。在分析深部高温岩层巷道硐室建造的战略地位及意义的基础之上,针对深部巷道硐室建造中面临的热害问题、围岩稳定性控制问题总结介绍了现有的技术手段,说明了其在矿?热共采模式下深部巷道硐室建造中面临的不足之处,给出了未来的发展方向。矿?热共采模式下深部巷道硐室的建造应着重解决高温、高压下岩石基本物理力学特性不清晰、围岩稳定性控制技术落后的问题,形成地质精细勘察?优选围岩降温及稳定性控制技术?巷道硐室全寿命风险监控的技术体系。      

深部矿井水平方螺旋形埋管充填体换热器及其耦合热泵系统性能研究

深部矿井蕴藏着大量地热资源,功能性充填体技术将深部采矿和深部地热开采相结合,实现矿产和地热资源开发共赢,是延长深部矿山寿命的重要举措。本文在分析了国内外充填矿井通过埋管提取地热资源现状基础上,提出了一种水平方螺旋形埋管充填体换热器（Square-spiral-type backfill heat exchangers,S-S BHE）。考虑到地下水渗流对矿井埋管充填体换热器（Backfill heat exchangers,BHE）取热影响显著但前期研究相对不足,利用COMSOL软件建立了三维非稳态BHE热渗耦合模型并验证了其可靠性。在此基础上,建立了埋管充填体换热器耦合热泵（Backfill heat exchangers coupled heat pump,BHECHP）数学模型及四个综合评价指标。首先,在相同几何条件和物理条件下,对比分析了S-S BHE与两种典型蛇形BHE的性能,结果表明:S-S BHE的综合评价指标均优于蛇形BHE,且在较高渗流条件下优势更加显著。其次,研究了管内流速、管间距、渗流速度和入口水温对S-S BHE及其耦合热泵特性的影响规律,研究发现:管内流速和渗流速度对综合评价指标的影响最为显著,管内流速越高,单位管长平均换热功率越高,但制热季节能效明显降低。分析认为管内流速存在0.4～0.6 m·s–1的最优区间,此时管内循环水流动处于从过渡区向旺盛湍流转变。渗流速度在小于10–6 m·s–1时的影响可以忽略不计,在10–6～10–5 m·s–1的常见渗流范围内,综合评价指标均呈线性递增的趋势。最后,对方螺旋形埋管充填体换热器耦合热泵（Square-spiral-type backfill heat exchangers coupled heat pump,S-S BHECHP）进行了生态评价。通过与传统供暖方式对比发现:采用S-S BHECHP的供暖方式具有显著的节能降碳效果,一次能源消费和碳排放量比蓄热式电锅炉、燃煤锅炉和空气源热泵相应降低了83.39%、61.57%和56.84%。本研究结果展示了方螺旋形BHE和BHECHP的优良性能,为蓄热储能式功能性充填在深部矿井的应用与探索提供了理论指导。