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煤-热共采模式下地热水非常规开采数值模拟研究

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煤炭学报 2023年第3期48卷 1115-1125页

作者：万志军张源师鹏苟红王朱亭于振子中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 平顶山天安煤业股份有限公司煤炭开采利用研究院河南平顶山467099

在我国“碳达峰、碳中和”时代背景下,开展矿井地热水资源开发利用实现煤-热共采的研究具有重要战略意义。然而,目前煤-热共采技术尚不成熟,针对矿井地热水抽采的研究还需进一步补充。因此,基于煤-热共采理论及技术框架,提出了一种地热... 详细信息

在我国“碳达峰、碳中和”时代背景下,开展矿井地热水资源开发利用实现煤-热共采的研究具有重要战略意义。然而,目前煤-热共采技术尚不成熟,针对矿井地热水抽采的研究还需进一步补充。因此,基于煤-热共采理论及技术框架,提出了一种地热水井下非常规开采方法。分析了矿区热储形成机制,采用热储体积法对矿区地热水资源量进行了估算,评价了矿井地热水开发潜力。同时,数值模拟了地热水非常规开采模式下的热储温度场及生产井水温变化。分析了生产井群参数对热储层温度场及生产井水温的影响,并与常规地热水生产方法进行了对比。最后,讨论了矿井地热水开采利用所产生的社会、经济效益。结果显示:①矿区地热水静态可采量为1.14×10^(17)J,折合标煤3.9 Mt。动态可采量为2.95×10^(16)J/a,折合标煤1.01 Mt/a。②生产井水温受回灌水温的影响较大,与回灌方式的关系不大,且回灌水温对生产井水温的影响主要体现在生产后期。③随着生产速率的增加,生产井群热突破时间提前,且在热突破点之后的温降速率加快。④均衡生产对生产井的服务年限具有有益作用。⑤通过调整非常规开采模式的生产策略可实现生产井群的协调开采,延长生产井群的开采期限,使其平均温降速率小于常规开采模式下的生产井温降速率。⑥矿井地热开发系统建成后,可实现煤矿17万m^(2)的供暖及全矿职工的洗浴,每年减少燃煤10327 t,减少CO_(2)排放量26900 t,为企业创造693.8万元的经济效益。因此,针对水热型高温矿井,实施井下地热水非常规开采具有一定的可行性。通过合理布置生产井群分布,科学制定生产策略,可实现矿井地热水的高效开采。

关键词：矿山地热煤-热共采矿井热害地热水非常规开采

高温采空区地热抽采方法及抽采效果控制因素研究

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矿业安全与环保 2022年第6期49卷 85-90页

作者：闫璟泓王方田张少华张源胡剑宁刁望杰中国矿业大学孙越崎学院江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

为合理利用矿井采空区地热资源,提出了一种采空区取热系统及采空区抽采回注地热利用的方法。建立了采空区热储的温度—渗流场数值模型,确定了影响抽采效果的控制因素,揭示了抽采过程中采空区温度场变化规律。采用正交试验—方差分析法,... 详细信息

为合理利用矿井采空区地热资源,提出了一种采空区取热系统及采空区抽采回注地热利用的方法。建立了采空区热储的温度—渗流场数值模型,确定了影响抽采效果的控制因素,揭示了抽采过程中采空区温度场变化规律。采用正交试验—方差分析法,分析了各影响因素对抽采效果的影响程度。研究结果表明:采空区温度场冷锋首先由大孔隙率区域发展至抽采井附近,而小孔隙率区域降温较慢;各因素对抽采效果的影响程度顺序为注射流量>注射温度>抽采井长度>抽采压力。

关键词：高温矿井采空区矿山地热抽采效果数值模拟

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煤-热共采的理论与技术框架

煤炭学报 2018年第8期43卷 2099-2106页

作者：万志军毕世科张源王骏辉吴栋王靖超中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

煤炭与地热资源共采是煤及煤系共伴生资源共采的积极探索,是煤炭安全开采和地热能利用的有机结合,开发和利用矿山地热,可为绿色矿山建设和地热能发展做贡献。总结了我国高地温矿井的类型及其成因,统计了我国高地温矿井的分布情况,论述... 详细信息

煤炭与地热资源共采是煤及煤系共伴生资源共采的积极探索,是煤炭安全开采和地热能利用的有机结合,开发和利用矿山地热,可为绿色矿山建设和地热能发展做贡献。总结了我国高地温矿井的类型及其成因,统计了我国高地温矿井的分布情况,论述了开发和利用矿山地热资源的必要性和可行性。提出了煤-热共采的概念,从工程背景、科学问题、关键技术和工程实践等方面阐述了煤-热共采的基本理论与技术框架。探讨了煤-热共采的科学问题,包括煤系储层的地质力学问题,高地温矿井热源分析及深部地温分布规律,矿山地热资源的技术经济评价方法,煤-热共采的多场耦合及其演化规律等问题。在此基础上,分析了煤-热共采的关键技术,包括共采工艺,井下钻井与成井工艺,井下抽采与回灌技术,高效能热泵技术,高效能集输与间接换热技术,动态监测和智能调峰技术等。

关键词：矿山地热共采工艺热泵间接换热

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矿井降温技术的50年历程

煤矿安全 2003年第B9期34卷 28-32页

文章论述了矿井降温学科从1954年立项研究到2002年的发展历程,系统介绍了50年来所取得的科研成果,并从我国采矿生产的现状和发展,提出了矿井降温技术发展的远景规划。

关键词：矿井降温矿井热环境矿山地热矿井微气候

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矿井降温技术的50年历程

煤矿安全 2003年第S1期34卷 28-32页

作者：瓦斯通风防灭火安全研究所瓦斯通风防灭火安全研究所煤炭科学研究总院抚顺分院辽宁抚顺 113001

关键词：矿井降温矿井热环境矿山地热矿井微气候

地埋管地源热泵系统在废弃矿山应用中的换热性能研究

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地埋管地源热泵系统在废弃矿山应用中的换热性能研究

作者：段崇豪山东大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：矿山地热地埋管换热效率温度响应长期运行

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唐口煤矿深部地热资源利用研究

唐口煤矿深部地热资源利用研究

作者：毕世科中国矿业大学

学位级别：硕士

地热资源是一种绿色清洁能源,在地壳中蕴藏量巨大。全球在地下5000m以浅的地热资源量约为4948万亿吨标准煤,已成为世界各国争相开采的新能源。在地下矿山中,矿山岩体和矿井系统中的地热资源具有可观的开发价值。在我国中东部的部分矿井... 详细信息

地热资源是一种绿色清洁能源,在地壳中蕴藏量巨大。全球在地下5000m以浅的地热资源量约为4948万亿吨标准煤,已成为世界各国争相开采的新能源。在地下矿山中,矿山岩体和矿井系统中的地热资源具有可观的开发价值。在我国中东部的部分矿井,浅层资源逐步开采殆尽,煤矿开采逐渐转向深部,矿井热害严重。如何将深部矿井热害防治同地热利用有机结合,是值得研究的课题。唐口煤矿是济宁淄博矿业集团主力矿井,矿井采深超过1000米,井下原岩温度超过30℃,地热现象明显。本文以唐口煤矿深部地热资源为研究对象,通过现场调研,资料收集,理论研究和数值模拟等手段,对唐口矿区地热资源概况和开采方式进行了探索。主要成果如下:(1)收集和整理了唐口煤矿地层岩性、水文地质、地质构造和矿井热害情况资料,分析了相关资料中矿区地温钻孔资料,对矿区地温特征进行了分析,总结唐口矿区热状况的原因。(2)根据相关资料和现场调研情况,初步圈定了唐口矿区热储资源的范围,面积,储层的厚度等,确定了唐口矿区奥陶系储层的地热特征参数,以此为依据,建立了唐口矿区热储概念模型。使用数值方法模拟了以对井形式开采地热资源的情况,得出对井生产循环情况下的储层温度场变化特征,模拟了不同抽采循环速度下的生产情况和系统出力情况。(3)概算了唐口矿区奥陶系储层区域的地热资源量,通过矿井先期的水文地质钻孔,分析了储层地热水的水质特征,对地热水矿化度、酸碱性,水化学类型、腐蚀性和结垢情况等进行了分析。采用热储法,计算确定了唐口矿区奥陶系储层百年间的允许开采量,可以满足的开采速度,日最大开采量等。(4)对矿区的各种可利用的余热负荷资源进行了统计,计算了余热资源日可回收能量,折合的日可回收功率,提出了矿山煤热共采的构想。对矿区不同品位的热源,矿井水、深部地热水、生活区用水、矿井乏风等提出了综合利用方案。对矿山地热综合利用方案的经济、环境影响以及社会影响进行了综合评价。

关键词：矿山地热地温场对井地热开采综合利用

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中国东部地热资源开发潜力与建议

河北地质大学学报 2019年第5期42卷 1-8页

作者：刁谦牛树银孙爱群真允庆张福祥宋涛陈中陈超孙璐江苏省有色金属华东地质勘查局江苏南京210093 河北地质大学河北石家庄050031 中国冶金地质总局三局山西太原30002 江苏省有色金属华东地质勘查局814队江苏镇江212005

经过多年地热资源勘查实践,初步认为控制地热的因素是:热源主要来自深部的地幔楔;中–新生代中酸性火山–岩浆活动是形成地热资源和区域高地热场的重要控制因素;喜山期形成地热的温度要高于燕山期形成地热的温度;地表浅部的温泉群是勘... 详细信息

经过多年地热资源勘查实践,初步认为控制地热的因素是:热源主要来自深部的地幔楔;中–新生代中酸性火山–岩浆活动是形成地热资源和区域高地热场的重要控制因素;喜山期形成地热的温度要高于燕山期形成地热的温度;地表浅部的温泉群是勘查深部地热的重要线索;区域构造背景(裂谷、碰撞及俯冲带)和局部深部构造(断裂、破碎带)是提供地热上升的通道;形成地热田不仅要具备良好的储层,还要蕴藏地热温度和一定厚度的盖层。可概括为(热)源–通(道)–储(层)–盖(层)4个字的规律。我国东部地区地热资源十分丰富,以地热资源分布的空间位置,分为五个方面来阐述:即花岗岩地热、火山(岩)地热、矿山地热、油气田地热和城市地热。其中矿山地热和火山(岩)会伴有“热害”。为了加速我国东部地热资源勘查和开发进程,提出关于对中、低温热水型地热发电、开发立法和优选地热靶区、化“害”为“利”的攻关科研、以“EGS”经济支撑和热水勘查钻孔长期保存的五点建议。

关键词：中国东部花岗岩地热火山(岩)地热矿山地热油气田地热城市地热

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沈阳研究院矿井热害治理技术的发展历程

沈阳研究院矿井热害治理技术的发展历程