深部地下空间储能安全与应急保障技术现状与发展趋势

伴随“三深引领”的科技攻关目标,我国油气资源勘探正由浅表地层向深部地层进发,千米级深部地下工程建设已成常态。随着深地工程的探索,枯竭油气藏、盐穴、采空区等可利用的深部地下空间涌现,深部地下空间在大规模能源储存利用上已被证明具有储量大、分布广、安全性高、经济成本低和环境友好等优势,深部地下空间工业化储能应用是优化我国能源储存结构、保障国家能源储存战略需求的有力手段。然而,我国对深部地下空间储能安全与应急保障技术研究起步较晚,目前常用的地面油气储存手段受限于地理环境、工程建设以及运输方式等条件,同时地面油气储备库事故存在致因因素复杂、关联性强、受灾波及范围广等安全难题,深部地下空间能源安全储存迫在眉睫。当下我国对深部地下空间储能的利用聚焦于枯竭油气藏的再开发,现有的深地安全保障技术落后于深地储能基础设施安全保障的现实需求。因此,本文系统性总结了深地储气、储氢、碳封存以及压缩空气蓄能等深地储能技术研究现状,以能源行业绿色转型兼备战略能源安全储存为目标,强调能源储存、碳封存以及资源深度开采的三位一体,提出了深地空间储能利用双碳循环架构。同时系统性辨识了深地储能设备设施面临的风险,涵盖深地储能设计期、施工期、运行期和废弃期的全生命周期,揭示我国深地储能安全与应急保障技术发展需求、发展难点,构建了深地储能全生命周期安全与应急保障技术框架,提出我国2024—2050年期间深部地下空间储能安全与应急保障技术发展建议,为完善我国深部地下空间储能安全与应急保障技术体系提供参考。

CO_(2)地质封存深部地下空间利用管理法规探讨

深部咸水层CO_(2)地质封存是实现温室气体减排、应对气候变化的重要支撑技术之一。CO_(2)在地下的长期有效封存,需要直接占用深部地质体及其孔隙空间。这些深部地下空间也是未来社会发展的一种重要国土资源,需要制定相关的审批与监管法规来规范其科学开发利用。总结发达国家或地区管理现状与经验,参考已有参考矿产、油气资源勘查开发等经验,提出适用于我国的CO_(2)地质封存地下空间勘查利用审批与管理流程,以及地下空间利用与CO_(2)确权、场地选址勘查备案、勘查试注审批、地下空间利用权审批、封场审批与责任转移5个重要内容;同时,进一步建立了综合CO_(2)羽流、扰动边界和经济性“三级边界”的地下空间利用评估概念模型,以及各类边界的确定方法,能够为我国CO_(2)地质封存地下空间开发利用的政策制定与开发利用提供参考。

深部地下空间热湿环境调控虚拟仿真实验教学系统的构建

虚拟仿真实验是将信息技术融入实验教学项目、提升实验教学质量和水平的重要举措,被列为教育部推出的5类国家“金课”之一,在创新人才培养方面发挥着重要作用。紧密依托学科优势和科研特色,基于“学生中心、自主交互”+“虚实结合、相互补充”+“科研前沿、特色明显”的设计理念,坚持需求和问题导向创新实验教学模式,将特色研究成果转化为实验教学资源,构建了“模块化+层次化+碎片化”的地下空间热湿环境调控虚拟仿真系统。学生可不受时间和地点限制,自主开展“沉浸式体验+专业化学习+交互式操作+全程化考核”线上虚拟仿真实验,弥补传统实体教学资源的不足,丰富实验教学手段和资源,提高学生动手实践及解决复杂工程问题的能力,有效提升人才培养的成效。

地下工程微观NPR锚杆钢静力拉伸及锚固抗剪力学特性

资源开采和地下空间建设逐渐向深部发展,给深部围岩支护体系带来了新的挑战,研发具有高强高韧、超强吸能、可施加高预紧力的围岩支护材料势在必行。基于此,自主研发了一种高强度、高延性,具有微观负泊松比效应的锚杆钢新材料,又称微观NPR(Negative Poisson’s Ratio)材料,这种材料可以被用于加工成锚杆、钢筋、锚索、钢带等多种类型的工程应用材料。重点针对微观NPR锚杆钢的锚固剪切力学特性进行实验研究,介绍了PR(Poisson’s Ratio)材料、宏观NPR结构和微观NPR材料的基本概念及研发历史;开展微观NPR锚杆钢和普通PR锚杆钢的静力拉伸及锚固剪切实验;对比分析微观NPR锚杆钢的破坏形态、拉伸力学性能以及锚固抗剪力学特性。实验结果表明,在静力拉伸条件下,相较于普通锚杆钢,微观NPR钢拉伸曲线无屈服平台,具有恒阻大变形的准理想弹塑性特征,大大提高了锚杆材料的强度和变形性能,且其拉伸过程中均匀变形,破断后基本无颈缩;在锚固剪切实验条件下,加锚节理岩体在剪切荷载作用下具有显著的延性破坏特征,有效改善了无锚固节理岩体脆性破坏现象,微观NPR锚杆钢所能提供的抗剪强度远高于普通锚杆钢,并且其承受横向剪切变形能力是普通锚杆钢的2.5倍以上。实验证明微观NPR锚杆钢能够很好的平衡金属材料高强度和高延性的矛盾,极大提升了锚杆钢抗拉、抗剪能力,从材料本质上实现了锚杆的大变形超强吸能特性。