一种矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验方法技术

本发明专利技术公开了一种矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验方法，该方法包括步骤：一、进行实验参数的选择；二、确定矿井热害治理协同地热开采体系与相似模拟实验装置的几何参数相似比；三、确定各实验参数遵守的相似准则并确定实验参数相似比；四、根据几何参数相似比构建相似模拟实验装置；五、根据实验参数相似比进行矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验。本发明专利技术根据实验参数相似比进行矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验，使该实验能够在实验室小尺寸模型下进行，不仅便于控制变量，可重复实验，还节约了大量实验成本，提高了实验结果的准确性，有利于推动完善矿井热害治理协同地热开采工艺方法，减少实验成本。减少实验成本。减少实验成本。

【技术实现步骤摘要】
一种矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验方法


[0001]本专利技术属于热害治理协同地热开采实验
，具体涉及一种矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验方法。

技术介绍

[0002]深部矿井热害问题是制约深部开采的重要因素之一，单纯的矿井降温投入高昂，局限性很大，把矿井热害治理与地热开采相结合逐渐成为大家的共识。然而，目前关于矿井地热开采协同热害治理的研究主要是理论研究，相关工艺方法和技术研究较少，主要原因在于：工程尺度较大，开展现场实验成本昂贵；工程时间长，往往需要数十年；矿井地质条件复杂，难以控制实验变量，因而对于实验结果的分析存在很大的困难；矿井地热开采过程中涉及多场耦合，边界条件复杂，难以建立能准确描述矿井地热开采过程的全耦合数学模型。
[0003]以往矿井热害治理过程中，往往只是单一的关注通风巷道传热研究，而对于岩层地质渗流等进行简化或直接忽略。而在地热开采的研究中，往往只关注岩层内渗流传热规律，鲜有学者在研究岩层渗流传热的同时考虑巷道传热。而矿井热害治理协同热害治理的研究需考虑巷道传热的同时考虑岩层渗流传热，并分析两者的关联性。相比于大尺度的地热储层，巷道尺寸较小，因此需要选择合理的相似比例，在观测岩层渗流传热规律的同时，监测巷道围岩传热特征。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验方法，其设计新颖合理，根据实验参数相似比进行矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验，使该实验能够在实验室小尺寸模型下进行，不仅便于控制变量，可重复实验，还节约了大量实验成本，对研究矿井地热开采过程中岩层温度场、渗流场和巷道温度时空演化规律，以及分析不同采热方法、压注和抽采压力参数对矿井巷道降温效果和采热井采热性能的影响提供了便利，推动完善矿井热害治理协同地热开采工艺方法，能够大大缩短实验周期、减少实验成本。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验方法，用于模拟矿井热害治理协同地热开采体系，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0007]步骤一、进行实验参数的选择：
[0008]选择的实验参数包括所述矿井热害治理协同地热开采体系的温度参数、时间参数、巷道内风流速度参数、渗透率参数、渗流压力参数和源汇项参数；
[0009]步骤二、确定矿井热害治理协同地热开采体系与相似模拟实验装置的几何参数相似比；
[0010]步骤三、确定各实验参数遵守的相似准则并确定实验参数相似比：
[0011]根据描述矿井热害治理协同地热开采体系的开采过程的微分方程推导各实验参
数遵守的相似准则，并根据相似准则确定矿井热害治理协同地热开采体系与相似模拟实验装置的实验参数相似比；
[0012]所述实验参数相似比包括温度参数相似比、时间参数相似比、风流速度参数相似比、渗透率参数相似比、渗流压力参数相似比和源汇项参数相似比；
[0013]步骤四、根据几何参数相似比构建相似模拟实验装置；
[0014]步骤五、根据实验参数相似比进行矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验。
[0015]上述的一种矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验方法，其特征在于：步骤二中，所述矿井热害治理协同地热开采体系的地质岩层为长方体，对矿井热害治理协同地热开采体系的地质岩层的几何尺寸进行等比例缩小，得到相似模拟实验装置的模拟岩块的几何尺寸，其中，矿井热害治理协同地热开采体系的地质岩层的几何尺寸与相似模拟实验装置的模拟岩块的几何尺寸的几何相似比C
l
＝d，d为正数。
[0016]上述的一种矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验方法，其特征在于：步骤三中，温度参数相似比C
T
＝1。
[0017]上述的一种矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验方法，其特征在于：步骤三中，描述矿井热害治理协同地热开采体系的开采过程的微分方程包括多孔介质内导热的能量微分方程、用于描述巷道内风流流动状态的纳维
‑
斯托克斯动量微分方程、用于描述流体在岩层内的流动的达西方程和用于描述源汇项的边界条件方程；确定所述实验参数相似比的具体步骤为：
[0018]步骤301、确定时间参数相似比：根据多孔介质内导热的能量微分方程，可得相似准则：其中，C
t
为时间参数相似比，C
u
为风流速度参数相似比，为导热系数相似比，C
ρ
为密度参数相似比，C
ρ
＝1，为热容参数相似比，
[0019]根据相似准则：可得时间参数相似比C
t
＝d2；
[0020]步骤302、确定风流速度参数相似比：根据纳维
‑
斯托克斯动量微分方程，并假设矿井热害治理协同地热开采体系的巷道内风流流动状态与相似模拟实验装置的模拟巷道内风流流动状态相似，可得相似准则：其中，C
μ
为流体动力粘度参数相似比，C
μ
＝1，为气体压力参数相似比；
[0021]根据相似准则：可得风流速度参数相似比
[0022]步骤303、确定渗透率参数相似比和渗流压力参数相似比：根据达西方程，并将达西方程带入连续方程中，可得相似准则：其中，C
k
为渗透率参数相似比，C
S
为岩层储水系数相似比，C
S
＝1，C
g
为加速度相似比，C
g
＝1，C
Pm
为渗流压力参数相似比；
[0023]根据相似准则：可得渗透率参数相似比C
k
＝1，渗流压力参数相似比
[0024]步骤304、确定源汇项参数相似比：根据用于描述源汇项的边界条件方程，可得相似准则：其中，为源汇项参数相似比；
[0025]根据相似准则：可得源汇项参数相似比
[0026]上述的一种矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验方法，其特征在于：步骤304中用于描述源汇项的边界条件方程为其中， n'为矿井热害治理协同地热开采体系中的任一个几何曲面的向量面积，ρ
l
' 为矿井热害治理协同地热开采体系中的液体密度，k'为矿井热害治理协同地热开采体系中的岩石渗透率，P
m
'为矿井热害治理协同地热开采体系中的渗流压力，μ'为矿井热害治理协同地热开采体系中的流体动力粘度，Q
S
'为矿井热害治理协同地热开采体系中的源汇项。
[0027]上述的一种矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验方法，其特征在于：步骤四中，构建相似模拟实验装置的具体步骤为：
[0028]步骤401、根据矿井热害治理协同地热开采体系的地质岩层的几何尺寸和几何相似比C
l
，确定相似模拟实验装置的模拟岩块的几何尺寸，制作模拟岩块，将模拟岩块填充入测试箱内；
[0029]步骤402、在模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验方法，用于模拟矿井热害治理协同地热开采体系，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、进行实验参数的选择：选择的实验参数包括所述矿井热害治理协同地热开采体系的温度参数、时间参数、巷道内风流速度参数、渗透率参数、渗流压力参数和源汇项参数；步骤二、确定矿井热害治理协同地热开采体系与相似模拟实验装置的几何参数相似比；步骤三、确定各实验参数遵守的相似准则并确定实验参数相似比：根据描述矿井热害治理协同地热开采体系的开采过程的微分方程推导各实验参数遵守的相似准则，并根据相似准则确定矿井热害治理协同地热开采体系与相似模拟实验装置的实验参数相似比；所述实验参数相似比包括温度参数相似比、时间参数相似比、风流速度参数相似比、渗透率参数相似比、渗流压力参数相似比和源汇项参数相似比；步骤四、根据几何参数相似比构建相似模拟实验装置；步骤五、根据实验参数相似比进行矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验。2.根据权利要求1所述的一种矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验方法，其特征在于：步骤二中，所述矿井热害治理协同地热开采体系的地质岩层(20)为长方体，对矿井热害治理协同地热开采体系的地质岩层(20)的几何尺寸进行等比例缩小，得到相似模拟实验装置的模拟岩块(31)的几何尺寸，其中，矿井热害治理协同地热开采体系的地质岩层(20)的几何尺寸与相似模拟实验装置的模拟岩块(31)的几何尺寸的几何相似比C
l
＝d，d为正数。3.根据权利要求1所述的一种矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验方法，其特征在于：步骤三中，温度参数相似比C
T
＝1。4.根据权利要求2所述的一种矿井热害治理协同地热开采相似模拟实验方法，其特征在于：步骤三中，描述矿井热害治理协同地热开采体系的开采过程的微分方程包括多孔介质内导热的能量微分方程、用于描述巷道内风流流动状态的纳维
‑
斯托克斯动量微分方程、用于描述流体在岩层内的流动的达西方程和用于描述源汇项的边界条件方程；确定所述实验参数相似比的具体步骤为：步骤301、确定时间参数相似比：根据多孔介质内导热的能量微分方程，可得相似准则：其中，C
t
为时间参数相似比，C
u
为风流速度参数相似比，为导热系数相似比，C
ρ
为密度参数相似比，C
ρ
＝1，为热容参数相似比，根据相似准则：可得时间参数相似比C
t
＝d2；步骤302、确定风流速度参数相似比：根据纳维
‑
斯托克斯动量微分方程，并假设矿井热害治理协同地热开采体系的巷道内风流流动状态与相似模拟实验装置的模拟巷道内风流
流动状态相似，可得相似准则：其中，C
μ
为流体动力粘度参数相似比，C
μ
＝1，为气体压力参数相似比；根据相似准则：可得风流速度参数相似比步骤303、确定渗透率参数相似比和渗流压力参数相似比：根据达西方程，并将达西方程带入连续方程中，可得相似准则：其中，C
k
为渗透率参数相似比，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐宇，李孜军，王君健，陈寅，李蓉蓉，王巧莉，钟凯琪，潘伟，李明，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：