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中国工程院院士蔡美峰:热交换技术将深刻改变深部采矿

发布者: 发布时间:2018-11-26 浏览次数:425次

       “在深部开采过程中,如果采用热交换技术对岩层中地热资源开发利用,将深井采矿和深部地热开发相结合,就能大幅度抵消降温成本,从而为采矿深井降温找到一条具有颠覆性的经济有效技术途径。”11月8日,在南京召开的2018全国绿色智能矿山建设高层论坛上,中国工程院院士蔡美峰提出了这一观点。他表示,要解决深部开采面临的高温环境难题,热交换技术是一个主动式降温技术方向。

       目前,中国是世界上采矿量最大的国家之一。但经过多年开发,我国的浅部矿产资源逐年减少或枯竭。因此,深部开采成为我国金属矿产资源开发面临的迫切问题,也是保证我国金属矿产资源开发与供给的主要途径。“我们必须把5000米开采深度作为深部开采战略研究的目标。”蔡美峰说。
       但深部开采面临一个主要难题,即深井高温环境。据了解,岩层温度随深度以3摄氏度/100米的梯度增加,深井高温环境严重影响工人劳动生产率和设备作业效率。
       蔡美峰认为,现有降温技术是被动式降温技术。为了高效解决深井降温问题,必须发展主动式降温技术。其中,最主要的一个方向就是深井地热开发技术。据介绍,地热能的绝大部分赋存在3000米至1万米深层的干热岩(没有水或蒸汽的热岩石,温度范围150摄氏度至650摄氏度)中。据国家“863”计划项目“干热岩地热地质资源评价与开发技术研究”估算,我国干热岩地热能资源量为2.5×1025焦耳,合860万亿吨标准煤。按2%的可开采资源量计算,相当于我国2015年能源消耗总量的4000倍。“也就是说,如果开发出来地热能,我国能用4000年。”蔡美峰说。
       美国、英国、法国等国家在40多年前就开始研究增强型地热系统,即采用石油勘探钻孔方法向深部地层打钻孔,从钻孔底部通过水压致裂在热干岩体中形成人工地热储层,从而采出热能。但深部高地应力给这套系统的建造带来不可克服的困难。因为水压致裂形成的裂缝在高地应力作用下往往又闭合,裂隙间不连通或形成短路,无法形成足够体积的热储。尽管西方国家近50年来不断试验和研究,但实现工业化的实用技术没有取得任何突破性进展。
       对此,蔡美峰提出,采用采矿的方法,从地表向深地打竖井,在竖井下部打出多水平3600分布的水平巷道,与增强型地热系统的小口径钻孔和孔底水压致裂相比,可有效地大规模地提高热储建造能力,成百上千倍地增加热交换面积和地热输送的量级,为大规模地热开发创造条件。
       深部开采本身就需要向深部打竖井和一系列巷道,它们就为地热开采提供了必须的通道,省去了为采地热打专用竖井、巷道的费用,从而大大降低地热开发成本。
       而地热的开发,将从地下采矿空间抽取的热量转换成其它的形式输送利用,就为地下采矿环境降温创造了条件,从而大大降低了专门为采矿降温花费的成本。
       同时,蔡美峰指出,深井采矿和深部地热开发相结合还具有战略意义。化石能源时代很快就会过去,水电、太阳能、风能等可再生能源可为人类提供的能源将极其有限,难以替代化石能源的空缺,核能的大规模使用也会受到各种限制。因此,开发深部的巨大地热资源,将是解决人类未来长期能源需求的正确方向。
       此外,就目前的采矿技术和开采成本而言,在地下3000米以下进行矿产资源开发并不是非常经济的做法,降温成本太高是主要问题。将深部矿产资源开发和深部地热开发相结合,就为二者的有效实施、降低成本创造了条件,实现资源和能源开发的双赢,也为解决深部采矿的经济性问题开辟了有效途径。
       由于浅部矿产资源的逐年减少或枯竭,深部开采将是全世界面临的普遍问题。“谁解决了深部开采的经济性问题,谁就将在深部开采方面抢得先机,成为未来的采矿强国。”蔡美峰指出,深部采矿和深部地热开发的有机结合,将为我国成为未来的采矿强国作出贡献。

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