废弃矿井地下空间反季节循环储能研究

随着我国“碳达峰,碳中和”目标的提出,煤炭在一次能源消费结构中的比例逐步下降,关停矿井数量逐年增多。直接关闭或废弃矿井不仅造成巨大的资源浪费,还极有可能诱发一系列的安全、环境等问题,需要因地制宜的提出符合我国废弃矿井现状的剩余资源开发利用模式。基于此,系统梳理了国内外废弃矿井开发再利用现状,着重讨论了废弃矿井地下空间储能的利用模式,针对性的提出了废弃矿井反季节循环储能工艺系统,该系统充分考虑了废弃矿井地下空间资源、地热资源、水资源和地上可再生资源,通过在沉陷区布置太阳能和风能发电设备,为周边用户和整个系统提供电能,以井下恒温岩土体中的巷道群和采空区为储能空间,以矿井水为储能介质,通过太阳能集热和地热能资源为周边用户供热/制冷,在无需供热/制冷的季节将热能储存至矿井地下,实现反季节循环储能。阐述了废弃矿井地下反季节循环储能亟需突破的3个关键技术:多尺度空间热储评估方法、废弃矿井反季节循环储能井上井下整体优化设计方法以及反季节循环储能多源耦合的运行模式。最后,以京西王平村废弃矿井为例研究了该系统的节能减排效益,结果表明:与传统化石燃料相比,应用反季节循环储能系统供热制冷,每年可减排二氧化碳约2781.1 t。若加入太阳能、风能集热发电系统,节能减排效果将更加明显。应高度重视废弃矿井资源开发利用,加大废弃矿井资源开发利用科学问题的研究力度。相关部门和矿山企业应积极稳步推进废弃矿井绿色低碳开发利用,提高可再生清洁能源利用比例,实施碳排放总量和强度“双控”,为国家“双碳”目标的实现提供助力。

矿山地热防控与利用研究进展

从矿山地热致灾形式、热害控制技术、热能利用方法3个方面,对相关文献进行归纳,总结已有研究成果.结果表明,矿山地热的致灾形式有加剧煤岩体性质劣化、诱发支护结构失效和导致高温高湿环境三类,具体包括加剧围岩变形破坏、诱发吸附瓦斯溢出、降低锚杆锚固强度、加剧锚护材料腐蚀、损害工人身心健康、降低工人工作效率和增加机械设备故障率七方面.热害控制技术有非人工降温技术和人工降温技术两种,其中非人工降温技术分为热源控制技术、热湿环境调控技术和个体防护技术3类;根据制冷工质不同,可以将人工制冷降温系统分成气冷式、冰冷式和水冷式3大类,包括压缩空气制冷降温、冰制冷降温、地面集中制冷降温、地面排热井下集中降温、回风排热井下集中降温、地面热电联产制冷降温和热害资源化利用等制冷系统.通过提取矿井水和矿井回风中的余热用于矿区井口防冻、洗浴供暖和建筑物供暖,是目前矿山地热利用的主要方法.而直接提取巷道围岩热能的同时实现矿井降温是近年来的研究热点,也是矿山地热直接利用的关键;将地埋管换热器布置在采空区充填材料或巷道围岩内提取围岩热能、实现矿区多种清洁能源协同利用是未来矿山地热利用的发展方向之一.

深部硐室群破坏机理及其稳定性控制

煤矿开采进入深部以后,地质力学环境远比浅部复杂,由此引起的非线性力学现象日益严重,给深部硐室群工程稳定性控制带来很大难度。通过现场调查、室内试验和数值模拟等手段分析深部硐室群破坏机理,得出高地应力、膨胀型粘土矿物、工程偏应力集中及开挖顺序不合理是深部硐室群变形破坏的主要原因。并利用集约化设计优化硐室结构,消除硐室空间效应,降低工程偏应力对稳定性的影响。通过数值模拟得到最优施工顺序,选择最优应力路径,降低硐室开挖彼此间的扰动影响。针对高地应力和高膨胀力,采用锚网索加立体桁架耦合支护技术控制围岩稳定性。该研究可为煤矿深部硐室群工程稳定控制提供借鉴。

张双楼煤矿深井热害控制及其资源化利用技术应用

随着开采深度的增加,越来越多的矿井面临高温热害,热害作为地热能的一种形式可以有效利用。以张双楼煤矿为例,通过现场试验,进行热害资源化利用技术研究。认为矿井涌水丰富的矿井可以充分利用矿井涌水作为井下降温系统冷源;同时,以矿井涌水为冷媒,通过矿井排水系统输送井下热能至地面,在地面建立热能综合利用系统进行工业广场建筑物、井口防冻和洗浴供热;张双楼煤矿实施热害资源化利用技术后,井下工作面空气温度降低了7℃,工作面空气含湿量降低了13.62 g/kg,同时取代地面燃煤锅炉后,年节省燃煤11 790 t,减排二氧化碳31 122 t。

少学时互动启发式教学研究及复杂铰问题探索

《工程力学》一直是高等院校工科类各专业的一门重要的专业基础课。该课程涵盖的知识点多,公理、定理、概念和公式多,且与生产生活实践密切联系,有好多问题直接来源于实践,但是由于受学时限制,学生普遍认为《工程力学》课程太难,以至丧失学习兴趣,于是面临如此窘况,互动启发式教学应运而生。由于受教学启发,该文就静力学受力分析中,复杂铰在复杂结构中的受力分析进行研究。该文提出一种复杂铰受力分析的新方法,即"截断节点分析法"。该方法通过对复杂铰链进行全部拆分,确定铰链中各构件及销钉之间的拉压力关系,进而能够对杆件及销钉进行准确高效的受力分析,起到加深对复杂铰理解和提高解题效率的效果。

粗糙裂隙局部流场可视化实验教学探索

粗糙裂隙渗流具有显著的非线性特征,常规裂隙渗流实验无法获取内部流场信息,学生无法直观感受裂隙内的流动特征。为加深学生对局部微流场测量的理解,加强专业理论与实验技能教学的结合,设计了以流体力学理论知识为基础、微观粒子图像测速(Micro-PIV)技术为测量方法的粗糙裂隙局部流场可视化实验教学方案。建立以N-S方程组为中心的知识体系,通过量纲分析的方法讲解公式的物理意义、推导与应用。基于可视化实验平台,测量粗糙裂隙局部流场特征,与理论知识结合进行分析,可增强学生对流体力学知识的理解,激发学生的主观能动性,提高学生的动手实验能力与科研创新素养。

基于样条变换的非线性PLSR流量预测

采用基于样条变换的非线性PLSR法,建立了贵州省黄猫村岩溶流域的月平均流量预测模型。结果表明:该方法可以用来对流量进行预测;模型预测期的误差一方面来自于观测误差,另一方面是模型中缺乏上游测站的资料。

三河尖矿深井高温体特征及其热害控制方法

地热异常矿井进入深部开采后热害现象严重。通过对三河尖矿地温场、地温梯度变化规律及岩石热物理性质的分析,揭示三河尖矿深部地温随深度的增大变化异常,大地热流值偏高,为典型地热异常矿井。总结分析得出三河尖模式高温热害特征,即冷源短缺地热异常。针对三河尖模式热害治理,结合三河尖矿地面供热现状,提出三河尖模式热害治理HEMS降温技术,该技术利用井下热水实现井上供热,将产生冷能储存于第四系储能层用于井下制冷,解决热害的同时实现地面供热。三河尖矿成功的实现一期井下热害治理工程,通过对72201工作面降温效果分析,该系统大大改善工作面长期以来高温高湿的工作环境,值得在深部开采及相关领域推广应用。

Micro-PIV在工程流体力学教学中的应用

介绍了Micro-PIV工程流体力学教学过程中的应用。主要从以下3方面进行介绍,1.Micro-PIV的技术原理以及试验装置;2.Micro-PIV在裂隙渗流领域的应用情况;3.如何把Micro-PIV的试验相关案例与目前的矿业类工程流体力学教学相结合。

深部岩体热力学效应及温控对策

随着开采深度的加大地温越来越高，高地温引起的深部岩体热力学效应引发许多深部矿山开采的次生灾害，有必要研究高温矿井相关的岩石力学问题。首先提出我国深部矿井地温场的3种模式即线性模式、非线性模式和异常模式；然后通过室内试验，研究温度对深部岩石强度和吸附气体逸出的影响，试验结果表明，随着温度的升高，煤岩强度和弹性模量显著降低，同时吸附瓦斯变为游离瓦斯而逸出，这是引起煤矿塌方和瓦斯灾害的重要内在原因；同时，在概述国内外温控技术基础上，提出以矿井涌水为冷源的HEMS降温原理及技术，形成3种典型温控模式及其设备系统。现场降温试验系统运行后效果良好，工作面温度控制在29℃以内，工作面温度降低5℃～12℃，相对湿度降低5％～15％；针对目前国内外矿井降温系统尚无有效性评价问题，提出矿井降温系统有效性评价的参数体系及方法。

CFG桩复合地基沉降影响因素分析

影响CFG桩(Cem ent F lyash G ravel P ile)复合地基的沉降变形因素较多。本文应用有限差分(FLAC3D)程序,对褥垫层、荷载、桩长、桩土模量比,置换率、桩周土和桩端土模量比以及桩群等影响沉降的因素进行了系统的分析,分析了这些因素与沉降的内在联系,得到减小复合地基沉降的方法和措施,对实际工程优化设计有一定的借鉴作用。

徐州矿区深部开采热害治理现场试验研究

随着开采深度的增加,越来越多的矿井面临工作面高温热害。高温热害不仅严重影响工人身心健康,而且由高温引起的采场围岩体热力学效应与顶板塌方和瓦斯爆炸紧密关联。基于此,首先总结深部开采热害治理技术的主要原理,提出热害治理设计步序。然后,在典型深井开采热害矿区(徐州矿区)开展热害治理现场试验,通过现场试验,得到以矿井涌水、矿井回风和地表水体为主要冷源的热害治理工艺流程及热力学平衡试验最优参数,为类似矿井开采热害治理提供理论依据。

静压桩竖向荷载传递模型

对静压桩的荷载传递机理进行分析研究,分别用理想弹塑性双折线模型和基于硬化的弹塑性双折线模型模拟桩与桩侧土体和桩端土体之间的荷载传递函数,并提出参数选取方法。

高地温隧道灾变机制与灾害防控研究进展

随着隧道工程向着“深、大、长”的方向发展,高地温成为隧道建设不可避免的地质灾害之一。从高地温隧道的主要灾害形式、分类分级标准和灾害防控技术3个方面对相关文献进行归纳,总结已有研究成果。高地温主要致灾形式包括导致隧道内部湿热环境、加剧隧道围岩变形与破坏和诱发隧道支护结构失效。已有地下工程的热害分类分级标准主要以围岩温度和隧道内环境温度为依据,重点考虑高地温造成的热环境对施工人员健康的影响,忽略了高地温对围岩和支护结构的影响,且未能考虑高温涌水。高地温隧道湿热环境调控技术包括非人工制冷降温技术和人工制冷降温技术,探索适合高温环境的支护结构形式、技术与材料是控制围岩变形与破坏和预防支护结构失效的主要途径。西南地区是我国面临高地温灾害的重要区域之一,具有超高岩温、高温涌水、超长距离通风和高原高寒气候等特征,综合考虑该地区高地温诱发的灾害类型,提出以干热型和水热型为两大类的高地温隧道热害分类分级标准。在此基础上,结合“对症下药,分类防治”的高地温隧道热害防控原则,探索了西南地区极端高地温隧道灾害防控对策。

坚硬顶板砌块留巷围岩大变形机理及"卸-让-支"协同控制技术

中西部地区的煤炭资源开发一直是我国经济发展的重要支撑,而中西部地区的煤炭开采环境复杂,一面两巷留设煤柱的方式造成煤炭采出率低,采掘接续紧张,隅角瓦斯易超限,巷道顶板事故频发.为解决上述难题,沿空留巷无煤柱绿色开采技术在中西部许多矿区中得到了广泛应用.

岩石有效热导率精准测量及表征模型研究进展

温度场是影响深部岩体力学特性的重要因素,岩石有效热导率作为控制工程岩体温度场分布的关键参数,受到国内外学者的广泛关注。从岩石有效热导率测量方法、影响因素及表征模型等方面,对国内外相关文献归纳总结,分析最新研究成果。结果表明:岩石有效热导率稳态测量法主要有分棒法、保护热板法等,非稳态测量方法主要有光学扫描法、线热源法和平面热源法等,非稳态法具有耗时短、重复性高等优点而应用较多,但目前岩石三维热导率精准测量仍然是瓶颈之一。岩石有效热导率影响因素包括矿物组份、孔隙结构等岩石自身因素和温度、压力等外部环境因素,环境因素主要通过改变岩石结构和孔隙流体而影响热导率,温-压耦合下岩石损伤过程中热导率的演化是近年研究的热点。岩石有效热导率表征模型包括Winner模型、H-S模型、几何平均模型、有效介质模型等,通过文献中的实验数据开展模型验证,几何平均模型与实验数据最接近,目前仍缺乏有效且物理意义明确的表征模型。复杂环境下岩石热导率精准测量方法、岩石有效热导率非均匀性和各向异性及现场工程岩体有效热导率确定方法等是未来研究面临的挑战。

深井降温冷负荷反分析计算方法

在深部高温热害已成为制约煤炭开采的主要障碍,人工制冷降温技术在越来越多的高温矿井中采用,工作面冷负荷作为高温矿井人工制冷降温工程中非常重要的参数,如何较为准确的计算工作面的冷负荷关系到降温工程能否达到预期的降温效果.对原有深井降温冷负荷计算方法进行分析总结,针对现有算法存在不确定参数多、计算结果不精确及实用性差的问题提出反分析算法.根据工作面与巷道风流温度、湿度等热环境参数的实测值,利用热力学原理,通过焓差值反向计算开采工作面的冷负荷,并通过夹河煤矿深井热害控制工程验证.

温度和含水率对砂岩导热特性影响实验研究

岩石的热导率是开展岩土工程的关键参数之一,其除了受到岩石孔隙特性等岩石本身特性影响外,还与温度等岩石所处环境密切相关。针对温度和含水率对岩石导热特性的影响,通过自主设计的温湿耦合导热特性实验系统,开展不同温度和含水率下砂岩导热特性实验研究。研究结果表明:首先,在-80℃~90℃温度区间内砂岩的导热系数与温度呈反比关系,变化幅度随岩性不同,其中粗砂岩最大,细砂岩次之,粉砂岩最小;其次,在相同温度下砂岩的导热系数随含水率增加而增大,且其增长速率随温度的升高而降低;最后,饱和状态下砂岩导热系数随温度升高而下降,且在0℃附近有显著的跳跃,通过理论模型分析揭示岩石孔隙水相变是跳跃的主要因素。