摘要
干热岩(HDR)地热能的开发利用,正引起人们的广泛关注。由于其赋存于致密、少裂隙的高温岩体中,以井工法开发深部地热能,是近年来人们探索突破增强型地热系统商业化瓶颈的出路之一。本文针对基于开挖技术的增强型地热系统(EGS-E),通过文献调研、数值模拟(FLAC3D)和理论分析的方法,初步地定量研究了作为EGS-E基元构件的巷道,在开挖和通风降温过程中围岩破裂区的分布特征,模拟分析了巷道致裂区力学、传热行为。主要研究内容与结论如下:(1)通过文献综述,探讨了造成高温岩石物理力学性质变化的微观机制与演化规律,为小于300℃的高温岩体数值模拟提供了一套来自试验基础的高温特性参数。经过文献调研发现该温度范围内的深地高温岩石,仍属于典型的脆硬岩石,需要通过依赖温度修正的力学参数来模拟高温花岗岩的力学行为。(2)基于粘聚力弱化-摩擦增强(CWFS)模型,揭示了在卸荷作用下代表围岩开挖扰动区(EDZs)的塑性屈服应变的分布与变化规律,探讨了深地初始地应力接近静水压力条件下围岩的破裂区形貌,为量化高温条件下开挖扰动引起的破裂损伤区尺度做出了基本尝试。巷道开挖的力学、渗透和传热行为研究为后续在高温岩体中人工建造热储打下基础,为深地工程施工安全探讨基础依据。通过热-力耦合模拟,分析了随着巷道通风降温进程围岩应力与开挖扰动损伤破裂区的演化规律。模拟结果表明:高温高地应力巷道通风降温,对围岩损伤破裂区尺度产生显著影响;围岩近场产生额外拉应力,压应力集中向远场转移;随着降温时间的增加,EDZs的扩展经历了缓慢、快速、减速三个阶段;安装隔热衬垫层,将明显延长缓慢增长阶段的时间。(3)考虑到利用沸腾传热和工质流体自然对流两种传热方式,对开挖扰动裂隙岩体的传输热机制研究具有重要意义,本文通过塑性体积应变关联公式,结合数值模拟分析成果,初步地定量表征开挖导致围岩损伤破裂区的渗透率非线性分布,基于自然对流和沸腾蒸发的思路简化其传热过程,探讨了巷道开挖扰动致裂区传热行为的简便计算方法。结果表明,相较于岩体裂隙中填充流体发生自然对流,利用沸腾传热开发干热岩可获得更高的采热效率。