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我国深部矿产和地热资源共采未来重点研究方向
发布时间:2022年05月29日

1. 深部地热资源赋存及开发利用勘察和深部矿产资源与深部地热共同开发利用前景分析

广泛收集资料信息,掌握国际上深部地热资源方面勘查、开发、理论研究的新成果和新进展。进一步勘察研究我国深部地热资源的分布、开发、技术发展态势以及核心问题。在全面跟踪国际进展、掌握我国赋存及开发情况的基础上,开展国内外深部地热资源的比较研究,为我国深部地热资源勘查开发战略研究提供坚实基础。

深入开展我国深部地热与矿产资源分布的勘查研究,率先调研金属矿产资源与地热共同赋存区域的地质特征。例如,在云南会泽地区、河南秦岭地区、胶东半岛地区,部分矿山地下 500 m 深度的岩层温度就超过了 40 ℃,采矿工程需要常年通过人工制冷系统进行降温,是潜在的“矿 − 热共采”研究对象。

进一步研判矿产资源与地热共同开采的技术效能,探讨利用采矿工程中的竖井、斜井、平巷等开采系统同步进行地热能源开采的有效方式,兼顾深部矿井作业温度控制和地热清洁能源开发。细化提出我国矿产资源富集省份可实现“矿 − 热共采”的目标区,为进一步的技术研发明确主攻方向。

2. 高温坚硬岩层地下巷道与硐室掘进和建造技术

开展深部高温坚硬岩石岩的温度场 − 应力场 − 渗流场分布规律及耦合异常特征研究。分析深部高温岩土材料在长期高温及温变条件下岩体结构、热力学特征和变异性,研究相关物理场的探测技术。探析深部高温坚硬岩石地层温度场 − 应力场 − 渗流场的耦合机理及反演分析方法,预测地热开采和储存的安全耐久性。分析不同热物性(相变温度、潜热值、热容量)的相变储能材料与深部地热温度的高效匹配关系,阐明热交换机制。

开展深部高温坚硬岩石地层中井巷(硐室)工程的整体规划、工程设计、工艺适宜性研究。探索深部高温坚硬岩石地层中井巷(硐室)的规划 / 设计 / 工艺,建立科学表征方法、指标体系、决策风险分析模式。发展深部高温坚硬岩石地层中耐高温、耐高压的井壁结构设计方法及分级悬浮下沉工艺,深部不稳定地层的改性技术及工艺。

开展深部高温坚硬岩石中井巷(硐室)掘进工艺及装备体系研究。探索深部掘进高温坚硬岩石的机械机理、破岩方式、降温及排渣工艺,论证钻井法、竖井掘进机、巷道掘进机等机械破岩装备体系,掘 / 支一体化的建设技术与工艺装备体系。分析高温高压条件对钻井液介质、钻头刀齿磨损的影响,给出适应高温工况的固体润滑滚刀及配套新材料的技术要求。攻关长期高温高压条件下深部高温坚硬围岩支护理论、支护工艺、支护材料的系列技术。

3. 深部矿产资源开采系统和地热开发系统“共建 – 共存 – 共用”关键理论与技术

精准探测矿区深部矿产和地热资源的赋存特点、赋存状况、赋存量、准确位置,尤其是矿产与地热资源共存的详细分布状况,探明矿区深部的工程地质、水文地质条件、岩体物理力学性能,为“矿 − 热共采”系统的优化设计以及安全、高效、精准开采提供保障。

根据矿产与地热资源共存的空间分布状况,结合深部地热能交换和输送技术进展,力求创造性提出矿产资源开采结构与地热开发结构共建、共用的方式方法,统筹实现采矿系统为地热开发提供必需的主体通道,地热开采为采矿作业降温提供有效的节能手段。

精准探测矿区深部岩层、岩体结构的工程地质及高地应力环境条件。“矿 − 热共采”系统建造及共采作业期间的高地应力等因素,可导致共采系统及其围岩体的强烈变形破坏及相应的地压活动,阐明相关过程机理,对破坏风险开展识别、预测与控制研究。制定发展机制和策略,兼顾开采系统与共采作业安全、采矿与地热开发协调作业。

研发适应深部高温地层环境条件的矿产与地热资源共采工艺、遥控智能化作业方式及技术装备,提升深部矿产与地热共采系统的智能化水平。

4. 深部高温岩层地热能交换和输送理论与技术

开展高温高压岩体物理力学特性及多物理场耦合理论研究。以岩体损伤演化为主线,研究高温高压环境下岩石的力学特性、热传导特性以及岩石的渗流、损伤、破裂机理与裂纹扩展规律,开展多物理场耦合的数值分析。

开展高温高压岩体热交换机理与热能提取技术研究。理论方法与实验手段相结合,以裂隙传热为主导,研究致裂区内工质 − 岩体换热机理,不同裂缝网络、不同换热工质下的热能提取效率,进一步开展高温岩体传热通道的分析与优化。分析地下热湖区内的冷 − 热工质热交换机理以及不同工质、不同管道布置方式的对流换热效率。

开展高温高压热能输送理论及技术研究。理论推导和数值模拟相结合,研究高温高压下裂隙流和管道流的热能输送机理及其配套技术;以封闭循环系统(U 型管)高温高压、多相流复杂工况下的热能输送机理为主要对象,采用数值模拟方法分析换热和输送过程,据此优化系统的热能输送效率。

开展多温度层级的热能提取系统研发。针对适应不同岩体温度的热能提取系统,尤其是“矿 − 热共采”区域的降温系统开展技术研发,为“先采热后采矿”技术方案提供依据。应用多介质热交换计算程序,分析各温度层级系统的热能提取效率与综合产能,为高温岩层地热发电系统的容量及服务年限设计提供判断依据。