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山东省金属矿区热能分级利用模式研究
2011-08-02
山东地区蕴藏大量地热能, 以旧店金矿为例, 应用开 发矿山井下热量的新方法, 提出了矿区地热能分级利用新模 式, 指出该模式既充分利用了地热能又能有效治理井下热 害, 将会给我国矿区第二产业带来崭新的变化。
I**N ***** **** 矿业研究与开发 第 **卷 第 *期 M IN INGꢀ R & * V*** * * N * * ****年 *月 Feb* **** ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ *N 4** **** /** * 山山省金属山区山能分山利用模式研究 * * * * * 张永亮 * 蔡嗣经 * 撒占友 * 王春源 * * 北京科技大学 土木与环境工程学院* ꢀ 北京ꢀ ***** * * 青岛理工大学 黄岛校区汽车学院* 山东 青岛市ꢀ ******* [ * *] 。 摘ꢀ 要* 山东地区蕴藏大量地热能* 以旧店金矿为例* 应用开 发矿山井下热量的新方法* 提出了矿区地热能分级利用新模 式* 指出该模式既充分利用了地热能又能有效治理井下热 害* 将会给我国矿区第二产业带来崭新的变化。 关山山* 金属矿山* 地热能* 热储岩体* 分级利用* 热能开发 中山分山号* ****ꢀ ꢀ ꢀ 文献山山山* * 色环保能源 * ꢀ 山东地热能利用可行性分析 1 * 1ꢀ 地山开山研究概况 地热能利用的可行性及环保、可再生的优点* 已 [ 4 ] 经被世界各地的实践所证实 。地热学家 W **te在 文章山号* ***** ***** ***** *** ***** ** **世纪 **年代创建了中低温对流型地热系统经典 SSSSS SS SSSSSSSSSS S SSSSSSSSSSS SSS SSS SSS SSSSSS SS S SSSSSSS SSSS SSSSS S SSSSSSSS SSSSSSSS SSSSSSSS 模式* 地热开发中* 水是热量的最佳载体* 冷水流经 热岩体中的裂隙* 从而带走热岩体的热量* 再把水中 的热量加以利用* 热岩体中的裂隙控制和水渗流通 * Z * * * ZZZZZ ZZZZ ZZZZZ Z ZZZ Z ZZZZZ Z ZZ ZZZZZZZ Z * ZZZZ ZZZZZZZZ [ *] 道成了地热开发中的关键问题 。近年来* 国内外 * * ****** ** * **** **d E***r**m e*t** E*g**eer**g* U* **ers*ty ** 专家通过实验和数值模拟* 建立了三维应力与岩石 * **e**e **d *e******gy Be*j**g* Be*j**g ***** * ** ** * [ *] 裂缝单相渗流的耦合关系 * 为热水渗流收集提供 * *ut*m *t**e ******* Q **gd** *e******g**** U* **ers*ty* Q **gd** ***** * ****** [ 了理论依据。薛禹群 等利用数值模拟在地下水 *] SSSSSSSS **ere *s * **rge *um ber ** ge*t*erm ** e*ergy ** ****ꢀ d**g pr*****e* ***s p*per t*kes J*ud *** g**d m **e *s ** ex*m p*e t* **tr*du*e *ew m et**ds ** de*e**p **g u*dergr*u*d *e*t e*ergy 热量运移、含水层储能等多个方面展示了地下热水 [ 广阔的应用前景* 栾光忠 等研究了山东半岛温泉 * ] 的地热属性* 提出山东半岛温泉可持续发开的理念* [ * ] 刘春华 等设计了山东省地热水综合利用开发 ** m **e* **d pu ts **rw*rd t*e *ew m et**d ** ***ss***ed ut***z*t*** * * ge*t*erm ** e*ergy ** m ** **g d *str**ts* It *s p***ted *ut t**t t*e 方案。 ut***z*t*** m*de* ** ge*t*erm ** e*ergy **t ***y m*kes *u ** use ** ge*t*erm ** *e*t but **s* *** e**e*t**e *** tr** u*dergr*u*d **t d*m *ge* w *** br**g t* *ur * *ew ****ge ** se***d*ry **dustry ** m ****g *re*s* 1 * 2ꢀ 山山地山山源 山东省靠近太平洋西岸的高热流值区域* 世界 上已经发现的地热田大部分位于这个地热带。山东 省所有地级市* 几乎都勘测出了大量的地热储 S SS W SSS S M et** m **e* G e*t*erm ** e*ergy* H e*t * reser***g r**k* * **ss ***ed ut***z*t** * Ge*t*erm ** e*ergy de*e**pme*t [ *] 。但目前浅层地热能的利用还只是刚刚开始* 量 从青岛的 ꢁ即墨温泉 到济南ꢁ泉城 的由来* 都可以 看出其地下浅层热水资源的丰富* 其大量的水资源 既可作为地热开发的载体* 又可以储存大量的热能* 等待着合理利用。 长期以来* 能源的主体均为煤炭和石油* 这种能 源结构既造成了环境污染又面临能源枯竭的窘境。 随着我国经济社会的快速发展* 能源紧缺的局面愈 加严重* 新能源和可再生能源成为我国经济 * [ * ] 。 能源 * 环境可持续发展战略的重要组成部分 * ꢀ 地热分级利用模式 将太阳能、风能和地热能加以比较* 发现地热能是目 前新能源中较易获取、储量大、无污染、可再生的绿 本文以山东省青岛市旧店金矿为例* 提出矿区 * 收稿日期* ***** *** ** 基金山目* ꢁ十一五 国家科技支撑计划项目 * ****B*B**B**** 山东省自然科学基金资助项目 * ZR*****Q***** 作者山介* 张永亮 * ***** ** 男* 河北唐山人* 讲师* 博士研究生* 主要从事安全工程和矿山能源的研究* Em *** z*y*****g@ **** **m。 ꢀ 张永亮* 等* ꢀ 山东省金属矿区热能分级利用模式研究 ** 地热能分级利用和湿热治理一体化新模式* 在节约 湿热治理成本的同时合理利用井下热能* 使其经济 效益最大化。在矿山地热水开发利用过程中强化环 境意识* 做到经济效益和环境效益、社会效益协调一 致* 为我国的绿色能源开发、节能减排工程提供了一 个崭新的模式。 体。如果矿井内热水量有限* 在试验论证裂隙安全 性和持久性的基础上* 可以建立人工压裂岩体控制 模型* 用高压水泵将热岩压裂* 使岩体渗流效果更 好* 裂隙出口最终汇聚在设计巷道中* 热水导入井下 热水仓* 再从热水仓将其汲取到地面加以利用。这 种方法完全避免了热岩勘测技术的困扰和钻井费用 问题* 用很少的投入* 就会获得取之不竭的清洁能 源。同时* 通过把热水汲取到地面而有效控制井下 的高温危害* 不仅提高工作效率而且节约湿热治理 投入。 2* 1ꢀ 旧店金山概况 旧店金矿矿区属于滞水型蓄水构造* 在地形和 地质构造上都有利于地下水的补给* 含水层能长期 保存地下水* 沿沟谷分布有较多的小水库。矿床属 热液蚀变岩型金矿床* 矿体赋存于金矿断裂蚀变代 2* 3ꢀ 分山利用模式的提出 * 的中段* 矿井日自动涌水量为 **** m * 属热水型矿 当前* 地热利用在矿山已有部分实例* 较多的利 用方式有以下几种* 井* 热水涌出严重影响着矿井的环境温度* 导致矿井 作业温度超过 !矿山安全条例 ∀规定的 **# 。 *中 段 * * *** m 水平 *以下被水淹没* 水温高达* * *# * 同时* 热水的蒸汽通过 * 中段石门巷道向水泵房排 放* 大大增加了石门处空气的湿度和温度* 加上该处 循环风不畅通* 导致了 *中段巷道的高温。如果能 够找出一种办法* 既解决井下水害热害* 又可充分利 用地热资源* 则不仅可以解决旧店金矿的实际问题* 而且会给我国矿业领域实现清洁能源、环保能源的 目标提供有效的启示和帮助。 * ** 地热供暖* 可以代替锅炉烧水* 带来经济效 益和环保效益* * ** 地热制冷* 作为空调的能量来源* 在热带、 亚热带地区较为适用* * ** 用于养殖和农业* 中低温热水适合农牧业 养殖* * 4* 地热发电* 利用地热田获得高压干蒸气进 行发电* ** 地热水多级综合利用 * 根据矿区周边环 [ **] * 境设施和水温、水质* 因地制宜* 加以利用。 2* 2ꢀ 山井山能开山新方法 旧店金矿井下热水经环保部门化验* 确定水中 含有钾、钠、铁、铜、钙、镁、镭等 **种化学成分和矿 物质* 具有舒筋活血、杀菌消炎等效能* **# 左右的 水温正是开发温泉的绝佳资源* 且矿区所处地理位 置交通发达* 完全可以将地下热能开发后建立起完 善的温泉开发系统。结合旧店金矿周围环境设施* 可以将温泉开发之后的水进行分级利用。根据矿区 周围工业厂房分布情况以及工业所涉及的范围、种 类* 结合经济情况最优化和实际可行性分析* 笔者所 设计的分级利用模式为* 温泉使用之后的水首先用 于养殖场、温室空间加热* 此时温度降低为 ** ~ 当地下热岩具备合适的裂隙时* 这些裂隙通常 会被水或蒸汽所饱和。在地下热岩体的两侧分别钻 * 口井* 将冷水注入地热储层* 用流动水充分冲洗大 面积干热岩层* 就能长期获得高温水 *见图 **。国 外对地热岩体的能量利用* 也都是利用这种原理。 但这种地热利用的方法存在对地下热岩的探测技术 要求高和钻井费用昂贵的问题* 如果在地热能利用 过程中能够避免这 *个难题* 那么在清洁能源利用 上无疑会锦上添花。 4*# 。该温水再用于温室种植土壤增温和养殖业池 水增温* 使水温更加接近所养殖的水产品的最佳生 长温度* 缩短生长周期* 提高经济效益。地下水所承 载的热能充分利用后* 利用回灌井再回灌到地下热 储层* 进行循环利用。主要利用步骤见图 *。 山 1ꢀ 人工山裂山岩开山地山示意 ꢀ ꢀ 在大量矿山实际工作经验的基础上* 提出矿区 * ꢀ 结 ꢀ 论 热害治理和热能利用一体化的新方法* 绕开地热开 发中的钻井和热储层勘测难题* 把矿山开采中的自 然井巷和热岩壁合理利用转化为取热水井和热储岩 以旧店金矿这一典型矿区为例* 为山东省乃至 全国的矿山热能利用提供了一个崭新的模型* 不仅 矿 业 研 究 与 开 发ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ *** * *** ** ꢀ 参考文献* ** [ [ [ [ [ *] *] *] 4] *] 毛业斌* 水源 热 泵 及 其应 用 前 景 [ J]* 机 电设 备* ***** ** *** *** * * 黄素逸*能源与节能技术 [M ]* 北京* 中国电力出版社* ***4* *** **** * * 张定源*等* 地热绿色新能源与可持 续发展 [ J]* 火山地质 与 矿产* *** * * 4** ** * J*** W* Lu*d* et *** * *re*t *pp****t*** ** ge*t*erm ** e*ergy [ * ]* W *r*dw *de re**ew [ * ]* G e*t*erm **s* *** * *4* **** **** Ze*g L B* Fr**ture **d *ts seep*ge ***r**ter*st**s ** **w * perꢀ m e*b***ty s**dst**e reser** *r [ J]* ****ese J*ur*** ** Ge* **gy* * **4* *** *** *** *** H *de*k*Y*su**r * *m *r P***k* Y*su**r* M *t**** et ** E ***ut*** * *r**ture perm e*b***ty t*r*ug* **u*d* r**k re**t*** u*der *yꢀ dr*t*erm ** ***d*t***s[ J]* E *rt* **d P ***et*ry ***e**e Letters* ** * *44* **** **** ** * 薛禹群*谢春红* 地下 水数值 模拟 [M ]* 北京* 科学 出版 社* ** * 栾光忠*刘 ꢀ 激* 胶东 温泉 昀 地热 属 性与 可持 续 发展 对 策 J]* 长安大学学报* *** * *** *** *** * * 山 2ꢀ 旧店金山地山水分山利用 [ *] * 解决了旧店金矿多年来的井下热害* 为矿山专项井 下降温除湿措施节省大量经济支出* 而且以温泉为 主的地下热水分级利用系统开发将带动矿业经济效 益* 也可能会相应促进以温泉旅游为基础的地方服 务产业的兴起。综上所述* 该模式既合理利用了矿 区热能* 为矿山开创立体经营模式* 增加矿山收入* 同时又治理了井下高温高湿的恶劣环境* 节省大量 湿热治理费用* 真正做到了变害为利、一举两得* 具 有极大的推广价值和经济、社会效益。 * [ *] * [ [ *] *] [ 刘春华*杨丽芝* 刘中业* 山东省临清市地热资源评价和开发 利用方案建议 [ J]* 城市地质* *** * 4* *** *** * * [ **] 何满潮*李启民* 地热资源梯级开发 可持续应 用研究 [ J]* 矿 业研究与开发* ***** *** *** *** 4 * [ [ *] *] N *ts** U* E *e*tr*m *g*et** em *ss*** ****m p**y **g *r**ture ** qu*rtz* be*r**g r**ks[ J]* Ge*p*ys**s rese*r** *etters* ***** ꢀ ꢀ *上接第 25山 * 率增大而增大* 相对其它 4个参数而言* 电阻率对电 * 4** **** ** * 场幅值的影响较小。 K *s*e**y* ** M *k*rets N* G rm* **sky V* et ** *pe*trum ** t*e se*sm *** e*e*tr*m *g*et** **d ***ust** w**es **used by se*sm ** 参考文献* [ *] L**k*er * ** J***st**M J * Byer*ee J ** * m e*****sm t* exꢀ **d ******* **t** *ty[ J]* N *tur* *H *z*rds **d E *rt* *ystem ***ꢀ p**** t*e ge*er*t*** ** e*rt*qu*ke **g*ts[ J]* N*ture* *** * ** * e**es* *** * ** **** ** * * ** *** *] 郑联达* 地震电磁波发射的一 种机制 [ J]* 地震学报* *** * ** *** *** *** Og*w * ** U t*d* H* ** ****yt** **r **d e*r*y* t*m e **e*d s**ut*** * * **m *ge*e*us w***e sp**e [ J]* P*ys E *rt* P ***et I*ter* **** ** * **** **** [ [ *] 刘煜洲*刘 ꢀ 因* 王寅生* 等* 岩石破裂 时电磁辐 射的影响 因 素和机理 [ J]* 地震学报* *** * ** * 4** 4*** 4* * [ [ * **] B* ** 奥尔特* 固体中的声场和波 [M ]* 孙承平* 北京* 科学 出 版社* *** * *] * [ [ **] 赵统武*冲击动力学 [M ]* 北京* 冶金工业出版社* *** * **] W*N Gu*x***g* LI X*b**g* HONG L***g* P*ez*e*e*tr** resp**ꢀ ses ** br*tt*e r**k m *ss ***t* ****g qu*rtz t* st*t** stress **d exꢀ p**d**g stress w **e respe*t**e*y [ J]* J* *EN** *OU*H UN IV* * [ [ [ 4] 钱书清* 任克 新* 吕 ꢀ 智* 伴随 岩石破 裂的 VLF* M F* HF 和 VHF电磁辐射特性的实验研究 [ J]* 地震学报* *** * *** *** * 4** ** * * E*HNOL* *** * *** *** *44* *4** *] W *rw **k JW* *t*ker * M eyer * R* R *d** em *ss*** *ss****ted w *t* r**k *r**ture* p*ss*b*e *pp****t*** t* t*e gre*t ****e** e*rt*ꢀ qu*ke **M *y ** ****[ J]* J* Ge*p*ys* Res* **** ** ***** *** * [ [ [ **] 万国香* 李夕兵* 应力波作用下节理面前后电磁辐射强度 的 变化 [ J]* 地震学报* *** * *** 4** 4*** 4*** *4] 王其胜*万国香* 李夕兵* 动静组合加载下岩石破坏的声发射 实验 [ J]* 爆炸与冲击* *** * * *** *] Y*s**d* * M **jg***dze P* Z**p*m ****** et *** E *e*tr*m*g*et** eꢀ m *ss***s *ss****ted w *t* *r**t***** s**d**g ** r**k[M ]* **ky * Eꢀ **] 金安忠*赵 ꢀ 强* 姜 ꢀ 枚* 等* 小尺度岩 石爆破引 起电磁辐 射 的野外实验观测结果 [ J]* 地震学报* *** * *** *** 4** *** *e*tr*m*g*et** P*e**m e** re**ted t* e*rt*qu*ke pred**t*** terr* s**e*t**** pub**s***g **m p**y* ***4* **** ** *
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