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主辦單位:煤炭科學研究總院出版傳媒集團、中國煤炭學會學術期刊工作委員會

蔡美峰院士:深部礦產和地熱資源共采戰略研究

2021-12-14   來源:中國工程科學

  深部礦產資源開采會遇到一系列關鍵難題,最突出的是高溫環境下伴生的一系列問題。為了維持正常生產必須進行降溫處理,但現有降溫技術均為被動式降溫,成本高昂。主動式降溫技術,不僅可以解決被動式降溫造成的采礦高成本問題,也是最具發展前途的深部地熱開發技術。

  

  12月13日,蔡美峰院士團隊聯合深圳大學、西藏地質礦產勘察開發局、深圳大學等5個單位的科研人員在《中國工程科學》首發研究成果《深部礦產和地熱資源共采戰略研究》,研究在全面調查我國深部高溫巖層地熱賦存情況、礦產與地熱資源共同賦存區域類型及特征的基礎上,分析了國內外深部地熱的開發利用現狀,總結了我國在相關領域的重要研究進展,提出了技術經濟可行的深部礦產與地熱資源共采雙贏戰略;明晰了深部礦產和地熱資源共采的重點研究任務,針對性地提出了推進深部礦產與地熱資源共采戰略實施的發展建議。

  

  我國深部礦產和地熱資源共采取得的研究進展可以概括為4方面:

  

  (1)資源戰略及勘探摸底

  

  通過調查研究,總結得出了我國處于全球成礦相關的大地構造有利位置的結論。我國位于歐亞板塊、印度板塊、太平洋板塊交匯地帶,由于三大板塊與中國板塊的俯沖和碰撞,形成了一系列大型、超大型礦床。我國成礦條件優越,礦種齊全,具有明顯的分帶、分群以及有規律的分布。

  

  提出了我國深部地熱資源勘探摸底的4 種地質類型:高放射性產熱型(東南沿海地區)、沉積盆地型(關中、咸陽、貴德、共和、東北等白堊系形成的盆地下部)、近代火山型(騰沖、長白山、五大連池等)、板內活動構造帶型(青藏高原)。

  

  在勘查研究我國大型– 超大型金屬礦床與地熱資源分布后,認定膠東、長江中下游、秦嶺東部、滇西北地區是地熱與礦產資源的共同賦存區,共采潛力巨大??紤]地形、開發成本、實際需求等因素,宜率先在膠東地區試行能源與資源共采,三山島、新城、金青頂、玲瓏金礦等作為可試采區。

  

  (2)高溫地下工程技術體系

  

  研究了高溫條件下的巖石特性、圍巖變形機理與控制技術、工作面降溫技術、地層改性材料與技術、掘進裝備的適用性與發展方向、地熱– 礦產資源共采的井巷建造模式,提出了地下礦產與地熱資源共采的開發途徑,獲得了高溫巖石特性及其可鉆性,機械破巖鉆進井巷可行性,高溫地層隔熱、巖體改性工藝及材料。

  

  形成了涵蓋“基礎理論– 關鍵技術– 掘進裝備– 工程材料– 建造工藝”的地下高溫堅硬巖層井巷與硐室掘進與建造的技術體系。提出了機械破巖的井巷施工裝備體系、無人化“機器人”建造模式,發展了深井高溫地層井巷圍巖支護工藝、結構及材料,深井工程“圍巖支護– 地層改性– 應力調控–斷面優化”穩定控制技術,構建了“豎井+ 斜井”提升、豎井“U”形結構流體提升、斜坡螺旋分級提升3 種工程開拓與提升模式,U/L/Q 型+360°鉆孔式的“井– 巷– 孔”聯合布置地熱開采模式。

  

  (3)“ 礦 – 熱共采”理論與技術

  

  提出了適用于礦產和地熱資源共采的崩落法、充填法、原位溶浸開采3 種“共建– 共存– 共用”的開采設施、工程布置及開發順序;開展了溫度和化學場變化對花崗巖力學特性影響的實驗研究,總結了礦產和地熱共采過程中熱提取誘發的熱損傷和化學損傷力學特性。

  

  調查了金屬礦、煤礦、鹽礦等開發對地熱資源的開發利用現狀,通過案例分析梳理了現階段礦產與地熱共采實踐中采用的方法、技術。針對共采靶區環境識別問題,分析了礦產及地熱一體化勘探技術和高溫環境礦產開發與傳統應力、滲流、化學等多場耦合的影響機制。

  

  (4)深部地熱能交換和輸送

  

  研究提出了深部礦產與地熱資源共采的高– 中– 低多溫度層級熱能提取系統;研發了適用于不同溫度層級的冷熱工質熱能交換、提取、輸送系統和中溫區“礦– 熱共采”工藝流程;提出了使用隔熱層和施工優化參數來延長有效通風距離、防治井下熱害、降低熱儲能量損耗的措施。

  

  我國深部礦產和地熱資源共采依然面臨諸多挑戰,表現在:共同賦存區域勘查程度低,共同開發利用基礎研究薄弱,行業規劃及政策措施有待完善。


研究人員在對現有深部礦產資源開采技術和深部地熱開發利用技術進行系統梳理基礎上,構建了兼備實用性和經濟性的深部礦產資源與地熱資源共采系統工程框架,涵蓋地熱與礦產資源勘查、掘進與建造、礦產與地熱開發技術和地熱利用等關鍵技術。

  

深部礦產和地熱資源共采戰略研究_蔡美峰-7.jpg

  深部礦產資源與地熱資源共采系統工程框架

  

  為支撐上述系統工程框架的落地實施,需著重推動三個方面工作:

  

 ?。?)繼續追蹤國際外深部礦產資源、深部地熱開發利用技術進展,評估主要技術路線,提出我國的領域未來技術發展路線圖;

  

 ?。?)立足國內深部礦產資源與深部地熱資源共采利用的現狀及存在問題,剖析制約我國深部礦產資源與深部地熱資源共采利用的技術、體制、機制瓶頸,總結形成適合我國深部礦產資源與深部地熱資源共采利用發展方向的宏觀規劃;

  

 ?。?)調研國內外深部礦產資源與深部地熱共采利用的相關政策法規,論證提出推動資源開發企業實施深部礦產資源與深部地熱資源共采利用的政策建議,涵蓋工程科技應用激勵、產業政策、環保法規、財稅政策等。

  

  我國深部礦產和地熱資源共采未來重點研究方向包括:


(1)深部地熱資源賦存及開發利用調查和深部產資源與深部地熱共同開發利用前景分析;


(2)高溫堅硬巖層地下巷道與硐室掘進和建造技術;


(3)深部礦產資源開采系統和地熱開發系統“共建– 共存– 共用”關鍵理論與技術;


(4)深部高溫巖層地熱能交換和輸送理論與技術。

  

  這項研究得到了中國工程院咨詢項目“深部礦產和地熱資源共采戰略研究”的資金支持。


引用格式:

蔡美峰,多吉,陳湘生,毛景文,唐春安,劉志強,紀洪廣,任奮華, 郭奇峰,李鵬.深部礦產和地熱資源共采戰略研究[J].中國工程科學:1-9.


  責任編輯:宮在芹

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