利用煤炭开发地下空间储能的技术路径与地质保障

煤炭资源在我国能源结构中仍处于主体地位,但煤炭工业发展面临着“碳达峰碳中和”的新挑战。积极发展煤炭开发地下空间储能技术,是推动能源利用低碳化和清洁化的有效手段,也是保证我国能源战略安全的关键措施。结合当前储能技术,探讨了煤炭开发地下空间的利用现状,围绕利用煤炭开发地下空间抽水蓄能、热储能、压缩空气储能、电化学储能、生物质储能等储能新技术,重点阐述废弃矿井不同能源类型的储能理念及方式,系统分析储能过程中面临的地质保障关键技术难题。煤炭开发地下空间储能新技术总体思路为：利用煤炭开发地下空间所具有的低位势能差,将其用作梯级储水库(抽水蓄能);或直接将其用作储质、储能空间(热储能、压缩空气储能、电化学储能、生物质储能),既可提升煤炭开发地下空间资源的开发利用率,又可避免土地资源浪费,尽量降低对生态环境的扰动。虽然煤炭开发地下空间可作为大规模储能库,但其开发利用过程仍存在一些亟待解决的地质问题以及地质保障技术。主要包括：(1)地质条件与选址适宜性分析和安全性评价,即对储能空间的地质因素进行岩土工程性质和环境地质条件的系统研究,查明储能空间稳定性主控因素及其权重,构建选址指标体系与评价方法,重点查...     

高盐度卤水对CO2地质封存的影响: 以江汉盆地潜江凹陷为例

江汉盆地潜江凹陷卤水资源十分丰富,潜江组泥膏岩、泥岩和砂岩交替沉积,构成CO₂地质储存的潜在场所.但是潜江组卤水层矿化度非常高,平均值高达283.25 g/L.以高盐度卤水为对象,探讨了高盐度卤水对CO₂封存过程中产生的物理化学影响.结果表明,往高盐度卤水层中单纯地注入CO₂会造成CO₂溶解量和矿物捕集量的显著降低,不利于CO₂的储存安全.高盐度会造成注入井附近发生盐岩大量沉淀,不利于CO₂的持续注入,同时造成近井周围压力严重积累,降低了封闭安全系数.采用CO₂与卤水联合注采模式,可有效缓解CO₂单纯地注入过程中的压力严重积累和盐岩沉淀问题,实现资源和地下空间最大化利用,收获经济和环保的双重效益.      

山西省煤矿采空地下空间评估与再利用研究

山西省煤炭资源丰富,年煤炭产量占全国产量的近1/4,煤炭资源开采形成大量的采空地下空间。随着碳中和目标的提出和山西风电、光伏发电的大力发展,如何合理利用煤矿采空地下空间,尤其是将地下空间与新能源结合将成为煤炭产业低碳发展的关键。本次研究运用比例系数法和采空地下空间守恒定律,测算出2022年山西省开采煤矿井巷可利用空间为1.54亿m3,“十五”到“十三五”期间关闭/退出煤矿的井巷可利用空间为1.05亿m3,估算1949至2021年山西省煤矿因工作面开采形成的采空地下空间约38.98亿m3,预测到2030年山西省煤矿工作面开采还可形成采空地下空间约19.56亿m3。根据山西省能源低碳发展需求提出了山西省煤矿采空地下空间未来可利用的四种模式：煤矿地下旅游或地下仓储、煤矿地下抽水蓄能、煤矿地下压缩空气储能和煤矿地下封存二氧化碳等。     

水平薄层岩体中大跨度地下洞室工程地质研究

山西西龙池抽水蓄能电站地下厂房围岩为水平薄层岩层,工程竣工发电已多年,施工及运行期安全,但工程开工前,还没有在水平薄层岩体中开挖大跨度高边墙地下洞室的成功范例,鉴于此,以山西西龙池抽水蓄能电站工程为依托,从工程地质角度,对水平薄层围岩岩性特征、岩体结构特征、岩体力学特性、大跨度高边墙地下洞室围岩分类、围岩变形特征等方面进行了研究,依据研究成果,对洞室开挖支护施工、围岩变形监测等进行了分析,依据围岩变形监测成果对围岩力学参数进行了反演,验证了前期勘察成果,取得了在水平薄层状地质环境中开挖大型地下洞室的宝贵经验,进而为在水平薄层状地质体中修建大跨度、高边墙地下洞室提供了更多的技术支持,对此类不良地质条件下大型地下洞室群建设具有重要的指导意义。     

新时期我国煤矿地下空间综合利用现状及展望

我国煤炭资源的长期大规模开采,产生了大量的地下空间,直接一关了之不仅造成地下空间资源浪费,还可能产生一系列安全、环境及经济问题,因此,如何科学、高效地解决煤矿地下空间的综合开发利用问题,对煤炭产业乃至国民经济的发展具有重要现实意义。笔者等以主要产煤省份为代表,结合调研收集的最新生产煤矿和关闭煤矿数据,深入分析了“十三五”期间生产煤矿地下空间和关闭煤矿地下空间总体情况,系统总结了国内外煤矿地下空间在储物、储能等方面的功能化利用现状,指出了当前我国煤矿地下空间利用存在资源数据信息匮乏、整体开发利用率低、相关技术研究工作仍相对滞后、可供推广借鉴的成熟示范工程较少等问题,提出了新时期煤矿地下空间基础数据库建设、利用体系构建、关键技术攻关、示范工程推广4个方面作为重点发展方向。     

Exhaustive brine production and complete CO2 storage in Jianghan Basin of China

Pressure buildup limits CO₂ injectivity and storage capacity and pressure loss limits the brine production capacity and security, particularly for closed and semi-closed formations. In this study, we conduct a multiwell model to examine the potential advantages of combined exhaustive brine production and complete CO₂ storage in deep saline formations in the Jiangling Depression, Jianghan Basin of China. Simulation results show that the simultaneous brine extraction and CO₂ storage in saline formation not only effectively regulate near-wellbore and regional pressure of storage formation, but also can significantly enhance brine production capacity and CO₂ injectivity as well as storage capacity, thereby achieving maximum utilization of underground space. In addition, the combination of brine production and CO₂ injection can effectively mitigate the leakage risk between the geological units. With regard to the scheme of brine production and CO₂ injection, constant pressure injection is much superior to constant rate injection thanks to the mutual enhancement effect. The simultaneous brine production of nine wells and CO₂ injection of four wells under the constant pressure injection scheme act best in all respects of pressure regulation, brine production efficiency, CO₂ injectivity and storage capacity as well as leakage risk mitigation. Several ways to further optimize the combined strategy are investigated and the results show that increasing the injection pressure and adopting fully penetrating production wells can further significantly enhance the combined efficiency; however, there is no obvious promoting effect by shortening the well spacing and changing the well placement.     

北京平原区地下空间建设地质安全监测问题探讨

北京平原区地质条件复杂,冲洪积扇及冲洪积平原相互交织、软弱土体(人工填土、软土)大面积分布,且浅表层地下水流场多变、各类地质灾害发育(活动断裂、地面沉降等),加大了地下空间建设难度,建设完成后易发生各类事故。如软弱土体地层稳定性较差,易发生较大地层形变甚至地面塌陷,破坏地下建(构)筑物结构;地下水水流场的变化,影响地下空间的抗浮稳定性及防渗性,在施工中可能遭遇突涌、施工中断甚至人员伤亡等严重后果;活动断裂产生的三维空间形变,兼具张拉、剪切和扭动的性质,使跨断裂的地下隧道变形,甚至能造成衬砌的断裂;地面沉降发生面积和沉降速率都呈上升的趋势,跨不均匀沉降区建设的地下轨道受沉降影响,出现异常位移或基础破坏等现象。同时,地下空间的建设,对其周边地质环境也会产生作用,产生一系列环境地质问题。如地下空间施工建设措施不当,改变岩土体原有的应力平衡,导致土体位移,产生地表沉降或变形,导致建筑物失稳、甚至破坏;砂质粉土黏粒含量少,饱和状态下受地铁振动易发生液化、流砂;地下管线的渗漏导致地下水受到污染;地下大型线性工程的建设阻断地下水流场,改变地下水环境等。本文拟阐述地质条件对地下空间建设的影响以及地下空间建设可能产生的地质环境问题,从这两个方面出发,提出地下空间建设监测的对象、监测体系及监测方法手段,研究地下空间建成后的地质安全保障。     

Numerical simulation of frost heave with coupled water freezing,temperature and stress fields in tunnel excavation

Artificial ground freezing is an effective ground improvement technique to deal with diverse geotechnical construction problems as it serves to cut off the water and also improves the ground soil strength. However, ground freezing may produce frost heave and thaw settlement at the ground surface. Predicting and controlling the frost heave is a challenge to engineering construction in a heavily populated city. This paper proposes an analysis model that couples the water freezing, temperature and stress fields. This model is first applied to an underground excavation problem of a corridor where ground freezing is used. The numerical predictions are compared with field measurements. It is then applied for a model tunnel problem to study the effect of the overlying soil thickness, frozen soil wall thickness, excavation radius and brine temperature on the frost heave. It is found that the vertical component of the frost heave follows a normal distribution with a maximum at the tunnel axis, while the horizontal component reaches a maximum at a distance from the tunnel axis. This distance is directly proportional to the thickness of the overlying soil. A critical brine temperature is also found at which the frost heave at the ground surface reaches a maximum.     

江汉盆地潜江凹陷地下卤水地球化学特征和分布规律

江汉盆地潜江凹陷潜江组赋存有丰富的地下卤水,因其有较高的经济价值,是江汉盆地油气资源之外的又一种重要的战略资源。然而,长期的油田注水开采也对地下卤水产生了一定的影响,为进一步评估这种影响并探讨地下卤水微量元素的分布情况,通过采集和分析潜江组第一至第四卤水组的地下卤水样品开展其地球化学特征和分布规律的研究。结果表明,潜江凹陷潜江组地下卤水受油田生产影响,虽然普遍发生了淡化,但仍然拥有较高的TDS含量,淡化影响有限。卤水储层从上至下,第一卤水组至第四卤水组,随着深度的增加,硫酸钠亚型卤水和碳酸盐型水逐渐变少,氯化物型水逐渐增多。尽管区内地下卤水普遍经受油田注水生产的影响,但是卤水中Li、B、Br等元素依然保持较高的含量,大部分样品达到或超过边界工业品位,尤其以第二、第三卤水Li、B、Br品位较高,第四卤水组次之,第一卤水组最低。潜江凹陷地下卤水样品的钠氯系数接近于1,具备溶滤卤水特征,属于非海相地层的卤水,氯溴系数分析揭示区内现存地下卤水是溶滤卤水和沉积卤水混合以后的结果,卤水的脱硫系数和钙镁系数反映卤水的储集空间封闭性相对较差,凹陷内从第一至第三下卤水储集体的空间的封闭性逐渐变好,第四卤水组略变差。平面上,Li、B、Br具有相似的分布特征,凹陷内,卤水的浓集中心从下至上具有明显的迁移特征,钟市、浩子口、王场、周矶所围限的区域是高浓度卤水分布中心地带,其分布明显受控于卤水储集体的分布。     

Investigation of influence of tunneling on existing building and tunnel: model tests and numerical simulations

To investigate the realistic ground behavior during tunneling, a new device has been developed. With the new device, model tests of tunnel excavation considering an existing tunnel and an existing building were carried out. Non-linear finite element analyses corresponding to the model tests were also conducted using FEMtij-2D software where an elastoplastic subloading t _ij model was used to describe the mechanical behavior of soil. Earth pressure distribution around the tunnels and ground movements during tunnel excavation depend on the distance and position between the twin tunnels. There is a significant effect of tunneling on the existing foundation of building even in the case where the tunnel is constructed in deep underground. The numerical analyses capture well the results of the model tests.     

Influence of construction on hydrogeological and environmental conditions in the karst region,eastern Herzegovina,Yugoslavia

The region of eastern Herzegovina and Dubrovnik coastal belt is one of the hydrogeologically and hydrologically most interesting regions of Yugoslavia karst. The main water course in the region is the Trebinjica river, the largest sinking river in Europe. All the poljes in the catchment area are temporary flooded, hydrologically separated, and closed karst entities. Enormous quantities of available water are not evenly disturbed neither in the time nor in the space. The Trebinjica Hydrosystem project uses the basic concept of total water regime organization and its multipurpose utilization. With the construction of seven dams, six artificial reservoirs, six tunnels (with total length, 57 km), and four canals (with total length 74 km) the natural regime of surface and underground waters has been completely changed.As a consequence of water regime disturbance, a lot of changes have been observed in the catchment area: changes in the karst aquifers; local changes of climate conditions; eolic erosion effect; influence on the karst underground and littoral belt; influence on the springs yield; influence on adjacent catchment area; pollution of karst aquifers and influence of storage reservoirs on seismicity—induced seismicity. This article presents influences observed after the first stage of hydrosystem construction.     

超大跨度深埋地下结构围岩压力计算研究

围岩压力是地下结构设计与施工的重要依据。新建京张城际铁路八达岭车站拟定备选方案之一的单拱超大跨设计方案中,最大的跨度近45 m。对于类似超大跨度的深埋地下结构,传统的围岩压力理论与经验计算方法都存在着明显的局限性,已经不再适用。而结合现场勘查资料和室内外试验成果的数值模拟方法,尽管可以得到相对精确的围岩压力计算结果,但存在着计算过程复杂、计算效率低下的不足。因此,在计算分析了多种传统围岩压力计算方法与数值模拟方法获得的围岩压力所存在差异的基础上,对Q系统的围岩压力公式引入跨度项进行了修正,从而获得了能够快速估算超大跨度深埋地下结构围岩压力的估算方法。最后对不同跨度工程的围岩压力进行估算,并与监测值进行比较,对比结果良好。该方法不仅可以为工程设计人员及现场工作人员提供设计计算依据,还可为相关研究人员提供理论参考。     

裂隙随机分布条件下地下石油洞库水封性评价

以国内首个大型地下水封石油洞库工程为背景,在考虑洞库围岩节理裂隙的随机分布特征基础上,采用离散介质 流-固耦合理论对大型地下石油洞库水封性进行了评价。介绍了地下水封储油洞室水封原理与水封准则。通过室内结构面剪切试验获得了结构面参数,采用Barton-Bandis剪胀模型对结构面参数进行了校验。根据库区节理裂隙统计结果,建立了洞库围岩的随机节理裂隙网络模型。分析了不同水幕压力条件下洞室开挖后地下水压力分布情况、涌水量大小和洞库围岩变形与受力情况。分析表明：在水幕压力大于或等于75 kPa的条件下,洞室周围地下水压力满足水封准则;在水幕压力为75 kPa条件下各洞室涌水量在0.003~0.015 m3/d之间,拱顶沉降量在16~32 mm之间。研究结果可为地下水封石油洞库水幕系统设计提供依据。     

宁波市地下空间开发利用地质环境制约因素研究

地质环境条件是制约地下空间开发利用的最基本因素,只有正确认识地下空间开发对地质环境的影响,才能避免地下空间利用中产生的各种不利后果。基于对宁波市地质环境背景条件的认识,分别从水文地质条件、工程地质条件和环境地质问题等三个方面,研究了地下空间开发利用的影响因素。研究结果表明,水文地质条件的制约因素有孔隙潜水位埋深、含水层厚度、岩土层透水性能和基坑突涌可能性等;工程地质条件的制约因素有软土厚度、人工填土厚度、土质均匀性和地层组合等;主要环境地质问题为地面沉降和浅层天然气影响等。通过本次研究,为宁波市地下空间开发利用地质环境适宜性评价奠定了基础,为宁波市地下空间的合理开发利用提供了技术支撑。     

陡倾断层上下盘开挖引起地表变形的数值模拟分析

考虑地下开挖区与断层相对位置关系,采用简化数值模型对陡倾断层上下盘开挖引起的地表变形特征进行了数值模拟。结果表明,当断层位于地下开挖引起地表变形的压缩区且开挖区位于下盘时,地表出现不连续变形的可能性小;当断层位于地下开挖引起地表变形的压缩区且开挖区位于上盘时,随下向开挖进行地表断层处裂缝有减小趋势;而当断层位于地下开挖引起的地表变形拉张区时,断层出露处水平拉张明显,表现为拉张裂缝,随下向开挖深度增加、规模增大,不论开挖区位于上盘还是下盘,极可能导致地表出现正断层式的错动．     

隐伏岩溶区地下空间探测技术方法研究——以武汉市为例

岩溶地面塌陷是城市隐伏岩溶区地下空间开发过程中常见的地质环境问题,具有隐蔽性和突发性,开展隐伏岩溶区地下空间结构探测技术方法研究可以有效指导地下空间开发利用。以武汉市为例,分析武汉市岩溶地面塌陷的成因机理,提出岩溶发育程度、覆盖层厚度和结构、地下水是岩溶地面塌陷的原生地质条件,也是隐伏岩溶区地下空间探测的特征因子。通过对比分析地质雷达、高密度电阻率法、浅层地震、微动、混合源面波、瞬变电磁法、孔间层析成像和地面核磁共振法等技术方法在武汉市隐伏岩溶区地下空间探测的适用性。结果表明:地质雷达适用于浅部土层扰动探测,小极距的高密度电阻率法和混合源面波适宜于覆盖层的厚度和结构探测,浅层地震、微动和孔间层析成像适宜岩溶发育特征探测,地面核磁共振法可通过岩溶地下水的富水性辅助岩溶发育程度探测。     

国内城市地下空间开发利用现状与发展趋势

我国城镇化水平不断提高的过程中,各类“城市病”是多数城市必须面对的难题,城市地下空间的开发利用成为各个城市解决这一问题的有效途径。在这样的背景下,我国城市地下空间开发利用从21世纪起进入快速发展阶段,十几年来地下空间利用增长迅猛,成就斐然。文章总结了当前我国城市地下空间各功能开发现状,并分等级叙述了我国几类城市地下空间开发利用现状。最后文章提出我国城市地下空间开发利用的趋势是向地质调查先行,网络化与分层化规划,协同化利用,内部环境生态化和人性化,管理数字化和智能化方向发展;不同城市将根据其社会经济需求和地质环境特点差异化重点开发,科学利用城市地下空间资源,发挥其社会、经济效益,让城市更美好。     

Evaluation of urban underground space resources using a negative list method: Taking Xi’an City as an example in China

Utilization of urban underground space has become a vital approach to alleviate the strain on urban land resources, and to optimize the structure and pattem of the city. It is also very important to improve the city environment, build livable city and increase the capacity of the city. Based on the analysis of existing evaluation methods and their problems, a method for evaluating underground space resources based on a negative list of adverse factors affecting underground space development is proposed, to be primarily used in urban planning stages. A list of the adverse factors is established, including limiting factors, constraining factors and influencing factors. Taking Xi’an as an example, using a geographical information system platform, a negative list of adverse factors for the underground space resources in Xi’ an City are evaluated, and preventive measures are proposed. Natural resources, exploitable resources, and the potential growth of exploitable underground space resources are evaluated. Underground space assessment in the different development stages of the city, collaborative utilization and safety evaluation for multiple subsurface resources, environmental impact and assessment, as well as evaluation methods based on big data and intelligent optimization algorithms are all discussed with the aim of serving city planning and construction.     

白山抽水蓄能泵站地下厂房的岩体力学参数反演

根据白山抽水蓄能泵站地下厂房开挖过程中的变形观测数据,提出了一种基于响应面法的岩体力学参数反演方法。该方法利用响应面函数建立了岩体力学参数与围岩变形之间的非线性关系。通过有限元数值模拟确立了响应面函数中的系数。定义参数反演的目标函数,将参数反演问题转化为优化问题。分别采用拟牛顿优化算法和遗传算法求解参数反演的目标函数,得到了地下厂房的岩体力学参数。根据反演确定的岩体力学参数,对地下厂房围岩的开挖变形进行了数值模拟,研究表明,有限元模拟的地下厂房与现场观测值基本一致,验证了反演方法的有效性。