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近日，中国矿业大学浦海教授团队通过广泛的文献综述，从废弃矿井地热能开采原理的角度，概述了其系统、热源、需求及政策等方面的研究成果，讨论了以解析模型、数值计算及现场实验方法评估废弃矿井地热能利用可行性的研究进展。相关研究成果于3月12日以《关闭/废弃矿井地热能开发利用研究现状与进展》为题在《煤炭学报》进行了网络首发。
我国著名的地质学家李四光教授于1970年曾讲到，“地球是一个大热库，地下热能的开发与利用，是件大事，就像人类发现煤炭、石油可以燃烧一样，这是人类历史上开辟的一个新能源，也是地质工作者的一个新领域”。
地热能，是世界上第三大可再生能源，直接利用地热能不受白昼和季节变化的限制，在许多方面具备了与太阳能、风能竞争的优势。数据显示，目前全球潜在的地热资源总量为1401EJ，而利用的只有2EJ，占潜能的0.14%，所以地热资源开发利用的潜力巨大。
低焓地热资源(小于85 ℃)是一种零碳清洁能源，可加快居民热能需求的脱碳进程。然而，低焓地热资源的开采面临着投资成本大、易诱发地质环境灾害等问题，限制了其大规模的开发与利用。
关闭/废弃煤炭矿井，由于具有丰富的水、热及空间资源，可创新性地开发低焓地热资源并延长矿区的经济寿命。且关闭/废弃矿井具有开发地热能的潜在优势：地下空间的投资和运营成本已经确定，不需要钻井成本即可转化为地热井，且具有较为完整的水文与地质数据。此外，采矿作业增强了围岩及地层间的渗透率，对于提高地热能的开采效率和持续性起到了重要作用。
废弃矿井地热能系统关键因素及开采原理示意图
废弃矿井地热能的开发取决于多种因素，可概括为四类：
（1）政策上的指导与支持，允许废弃矿井成为新的资源并加以利用。
（2）需要界定开采所引起地下水污染的责任及持续时长，及矿井水排放时处理标准和责任等。其次是评估废弃矿井热源潜力，确定矿井再利用规模。而水、热以及连通性是评价热源的三个关键要素。
（3）地热能开采系统，选择合适热泵系统将热量从地下输送到建筑内或释放到地下，进行空间供暖或制冷。
（4）考虑用户规模与需求，评估投资成本与经济上的可行性。
热泵系统及废弃矿井地热利用几种模式
研究系统回顾了废弃矿井地热资源利用过程中的关键因素及可行性的研究成果，为关闭废弃矿井地热能的利用提供参考，主要结论如下：：
（1）废弃矿井地热能回收系统主要分为开环和闭环系统。矿井水的特征、热负荷及系统复杂性决定了系统开环或闭环设计，其中回路流量和利用温差是影响系统性能的关键参数。此外，地热系统运行时对热源化学和温度特征的影响需要着重考虑，前者易产生堵塞腐蚀，后者决定泵送位置和速率。
（2）废弃矿井储水体积、水力连通性及温度特征是决定矿井储层热源可用性的关键因素。评估时不仅需考虑关闭前矿井地质参数，更需注意关闭后矿井变化特征，如关闭后结构变形破坏，影响矿井水体积与连通性等；同时，需考虑系统运行时对热源影响，如取水热和回注水时对矿井围岩地质力学性质的影响等。
（3）为了直观说明废弃矿井地热能的利用潜力，考虑围岩动态补热机制，以徐州矿区关闭张集矿为分析案例，估算了其可利用的地热资源。结果表明：张集矿静态储能约为278 000 MWh，围岩动态补热量（0.5年）约为4 731.4 MWh，系统供能的碳排放系数仅为0.05 kg/kWh，与化石能源相比碳排放量减少约13 000 t。
（4）尽管考虑围岩的热补给作用，系统达到静态储能的水平仍需要近十年时间，不能满足长期稳定性的供能要求。因此，未来的研究应着眼于多能互补方式开发废弃矿井地热资源，结合风能或太阳将废弃矿井作为产-储热能的关键结构，并需发展相关完善的法规与政策以管理和支持废弃矿井再利用，推动废弃矿井地热资源再利用的技术进步。
这项研究得到了国家自然科学基金、国家自然科学基金中-德合作项目的资金支持。
引用格式：浦海,许军策,卞正富,Holger Schüttrumpf.关闭/废弃矿井地热能开发利用研究现状与进展[J/OL].煤炭学报:1-26[2022-03-15].[https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.FQ21.1929]
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