张丰，山东省鲁南地质工程勘察院（山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队）正高级工程师。近年来，围绕地热清洁能源勘查与开发应用开展核心技术攻关，在地热地质钻探、地热田成因机理探究等方面开展工作，致力于推进清洁能源勘查开发利用，相继在金乡、鱼台等地实施地热清洁能源勘查评价项目5个，成功承担了济宁市乡村振兴地热资源调查及开发利用示范项目，完成地热井4眼，助力团队成功申报山东省地热清洁能源重点实验室，获山东省第二批自然资源高层次科技创新人才团队“地热能勘查开发与减排降碳协同创新团队”荣誉称号。
先后获山东省自然资源科学技术奖一等奖5项，二等奖4项，三等奖5项，全国能源化学地质系统优秀职工技术创新成果奖二等奖1项，山东省地质勘查资源开发（省矿业协会）科学技术奖一等奖1项，山东省地矿局科学技术奖一等奖1项，二等奖4项，山东省优秀水利水电工程勘测设计奖2项。发表论文16篇，获得发明专利8项，编写出版著作4部，科技鉴定获国际领先水平2项、国内领先水平3项。获中国技术监督情报协会地热产业工作委员会地热青年专家库专家，山东省能源研究会2023年度“优秀科技工作者”、山东地矿局2018年度、2021-2022年度“优秀共产党员”荣誉称号。
闭坑矿山井下空间热力系统重构与清洁能源开发
1.研究背景
随着我国产业转型升级和部分矿产资源逐渐枯竭，大量矿山正陆续进入闭坑阶段，这些废弃矿山的地下巷道、硐室等空间长期闲置，不仅会造成土地资源浪费，还可能引发地下水倒灌、岩层变形等地质安全隐患，同时传统矿产开发遗留的生态环境问题也亟待解决。统计数据显示，我国闭坑矿山数量正逐年增加，2020年全国约1.2万处关闭/废弃矿井，2030年预计增加至1.5万处。闭坑矿山中蕴含着丰富的矿井水、地热等宝贵资源，如果任由这些矿井完全废弃，不仅会浪费了大量资源，还可能带来安全问题和环境问题。因此，如何合理开发利用这些资源，实现资源的循环利用，推动清洁能源可持续发展，已成为当下迫切需要解决的重要课题。
与此同时，在“双碳”目标推动下，我国能源结构正从化石能源向可再生能源转型，地热作为清洁能源，具有温度稳定，分布广的特点，日益受到重视，目前在建筑供暖，农业种植等领域仍有较大用能需求，合理开发闭坑矿山蕴含的矿井水、地热资源，既能实现资源循环利用、推动清洁能源发展，又可减少地下水污染、地面塌陷等问题，改善矿区生态环境，是建设美好生态，保障人民幸福生活的实践。
2.闭坑矿山井下空间的热力优势
从空间特性来看，矿井地下空间具有显著优势。首先，矿井地下采掘空间核心区域一般以主巷道为主干结构，各辅助巷道和工作面扩展和连通各处地下空间，整体采掘空间（含巷道、硐室、采空区）连续性较强，形成了贯通性良好的热力传输通道，这些空间特性为热力输配管网布局、换热设备安装提供了良好的空间基础。
闭坑矿山供暖设施改造重点围绕“地下取热—地面输配—末端用能” 全流程展开，核心目标是依托闭坑煤矿已有工程实施改造，将原有矿井地下空间作为用能储能空间，利用矿井水和奥灰水作为循环介质，充分发挥闭坑矿山的资源利用价值，实现采煤闭坑矿山地热清洁能源开发利用，最终达到对末端高效稳定供暖与制冷的目的。
3.热力系统重构
热力系统重构是保障闭坑矿山地热清洁能源高效利用的核心技术环节，重点围绕矿井地下空间 “巷道 - 围岩 - 矿井水” 多场耦合问题展开，该问题本质是三者间流体流动与热量传递相互作用的复杂动态过程，具体实施需通过三维模拟与工况分析实现精准把控。
基于矿井勘察获取的地质、采掘工程等基础数据，运用数值模拟方法，建立矿井三维几何结构，精准刻画矿井空间特征和连通，为后续模拟计算搭建贴合实际工况的物理模型框架。通过热流场模拟模型对不同运行工况进行分析，为热力系统运行策略制定提供依据。
对不同工况模拟结果显示：单一制冷工况下，井下水流依靠自身对流导热实现冷量传递，但受限于巷道内水流以管道流为主的特征，流量增大同时会加速热流体温度上升；加之巷道围岩（砂岩、泥岩）热导率较低，热量难以快速向外部扩散，导致单一制冷工况下采灌井底温度呈持续缓慢上升趋势，长期运行将导致制冷效率下降。冬夏两用工况下：冬季利用巷道矿井水和奥灰地热水供暖，夏季利用巷道矿井水制冷，采灌井底温度波动区间明显增大，但随着冬夏持续双季节循环利用，系统逐渐形成动态热平衡，平均温度的年际变化幅度明显变小，说明长期双季节运行更利于维持热力系统稳定性。
综上，在“双碳”目标驱动下，矿区新能源开发成为能源转型升级的重要路径，其核心在于践行能源开发的全生命周期理念。需要理清矿区与地热资源富集区的空间重叠关系，科学评估矿区地热能开发潜力，构建深部矿产资源与地热资源协同开发系统，对矿区地热能进行分级开采与梯级利用，能够有效提升能源利用效率。同时，结合矿井采空区储能技术、太阳能、风能等新能源技术，进一步形成“矿风光热储”一体化发展新模式，推动矿区向综合能源基地转型，为实现“双碳”目标提供了兼具经济性与环境效益的可持续方案。
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