引入盾构技术开发利用深层地热能

张英群 张延夕

摘  要：探索分析引入盾构技术直接开发利用基础地热能的可行性。地热梯度及地热资源的分布特点揭示，只要有足够的深度就能获得足够的地温。传统的地热勘查和地热开发技术受到多种因素制约，使地热资源的开发利用受到了极大的限制，引入盾构技术开发利用深部基础地热资源，将是一种颠覆性和革命性的地热开发技术。本文通过分析地热资源的分布特征，结合盾构技术的特点，探索一种广泛利用基础地热能的技术、方法和可能性。

关键词：深层地热;干热岩;清洁能源;盾构技术;地热开发利用

中图分类号：P314        文献标识码：A     文章编号：1007-1903（2019）02-0012-06

Abstract： This paper mainly studies the feasibility of development and utilization of basic geothermal energy by shield tunneling technology. According to the geothermal gradient and distribution characteristics of geothermal resources， it reveals that enough geothermal energy can be obtained as long as enough depth. Traditional geothermal exploration and development technology is restricted by many factors， limiting the development and utilization of geothermal resources. It will be a revolutionary technology for introducing shield technology to develop and utilize deep geothermal resources. This paper attempts to study the possibility of wide utilization of basic geothermal energy on the basis of distribution characteristics of geothermal resources， the technical characteristics and application status of shield tunneling.

Keywords： Deep geothermal energy;Hot dry rock;Green energy;Shield tunneling technology;Development and utilization of geothermal energy

0 引言

地熱能来源于地球深部熔融的岩浆及放射物质的衰变。地核的温度近6000℃，地壳底部的温度达1000℃。地表常温层以下，约15km范围内，地温随深度增加而增高。地热平均增温率约为3℃/100m。不同地区地热增温率有差异，接近平均增温率的称正常地温区，高于或低于平均增温率的地区称地热异常区。

地热异常区是传统研究、开发地热资源的主要对象（3500m以浅的地下热水、干热岩和浅层地热能）。地热资源根据开发利用现状及深度特点可分为浅层地热能、中深层地热能和深部干热岩。浅层地热能埋藏深度一般较浅，在0～200m之间，温度略高于当地常温带温度或当地年平均气温，属于低温地热资源，热能的利用一般是通过热泵换热技术的间接利用方式。中深层地热能埋藏在200～3500m深度，属于中低温地热资源，温度在25℃～150℃，储存形式有地下热水和干热岩两种，可直接利用或发电。深部干热岩埋藏在3500～10000m深度，属于高温地热资源，分布极其广泛，温度往往高于150℃，一般用于发电，也可直接利用。

浅层地热能广泛分布，但由于热能较低，开发利用限于城镇居民区，主要用于城镇居民生活供热和制冷。中深层地热能，目前以利用地热水为主，主要用于沐浴、供热采暖和温室种植与养殖，由于高温地热异常区分布的局限，用于地热发电的有限;平原地区虽然资源分布很普遍，但回灌问题未能很好解决，造成地热水位普遍下降，地热尾水中溶解着大量的矿物质和盐分冷却后析出，造成环境污染，破坏了原有的地下水平衡系统等。深部干热岩广泛分布于地壳表层，3500～10000m的深度，几乎不受地域的限制，包括人类集聚区的大中城市，特别是沿海地区。基本上可以说，只要深度足够大，就可以获得足够高的地热能。换句话说如果利用这个层位的地热资源几乎无需详细勘查，只需初步调查，不属极高的地热负异常区和构造活动带，即可直接开采利用。

据报道，我国深部3～10km地热资源基数折合标准煤860万亿吨，美国折合标准煤482万亿吨（不包括黄石地区）;但我国地热能发电仅为26.6MW，美国为3595.5MW（相差135倍）。在地热能资源探测技术方面，世界平均干热岩探测与开发深度均超过5km，我国刚刚起步，开发利用几乎空白。

1 深部地热能开发利用面临的主要困难

就目前的垂直钻探技术而言，由于勘查和成井深度限制，一般的勘查钻探均在3500m左右，我国正在实施深地科学钻探才6300m（温度已达250℃）;成井开发钻探为2535m，多为“1”字形直筒地热开采井。

具体困难在于，传统的钻探设备由于其工艺为先钻孔后成井，钻至一定深度后，普遍存在缩经、坍塌、掉块、漏浆、钻杆的机械强度和动力传输等问题，在成井方面，目前仍无法突破深度限制。

2 引入盾构技术直接开发利用深层地热能的可行性分析

盾构施工技术是集掘进、支护、出渣等施工工序于一体的连续隧洞掘进作业技术，是高度系统集成，一次成型的连续化、系统化作业施工;具有掘进速度快、环保、高效等优点，可实现传统钻爆法掘进难以实现的复杂地质条件及深埋长隧洞施工。将盾构技术引入深层地温能的开发利用已是当务之急，其意义深远，将对未来的城市供热、供电产生颠覆性和革命性变革。目前从理论和技术上已无悬念，只是在方法设计上还无人问津。

盾构机（TBM）已逐渐成为我国市区地铁、铁路隧道、引水隧洞等基础设施建设的重要设备，但该技术设备在地热开发利用，地下空间探测等深地工程领域的成功应用仍处于空白，研究现代的矿井建设技术、提高地热等资源利用效率是当前清洁能源和资源开发技术领域的重大课题。

2.1 盾构（全断面掘进）法施工技术的现状和特点

（1）应用现状。盾构技术已在地铁、公路和铁路交通工程、水利工程、煤矿斜井掘进等方面取得了广泛的利用，已毋庸置疑。

（2）特点。①采用盾构技术进行地下隧洞暗挖施工，不存在传统钻探面临的困难，也不受地面交通、河道、中低层建筑、气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工。②盾构施工的掘进、出渣、支护、衬砌拼装成井、防水隔热、运输、通风、排水等工序可一次成型，还可实行自动化、智能化和施工远程控制信息化等;掘进速度较快，施工劳动强度较低，且更适合长距离、大断面、高埋深的地下管廊、隧洞施工。③不同类型的盾构设备可满足各类软、硬岩石，黏土、沙土、卵砾石层的掘进衬砌要求，其适应性详见表1。④地面人文，自然景观可免受干扰和破坏，周围环境不受盾构施工干扰，适合在居住较密集的城市及周边建设施工，具有经济、高效、安全等方面的独特优势。

2.2 可行性分析

根据现有工程隧洞与资源探采隧洞的特点和区别，如果将盾构施工技术引入深部资源探采掘进工程，对盾构机和盾构施工将在以下方面提出特殊要求，即大坡度、耐高温、长距离，高埋深等。

（1）坡度角问题

目前国内外还没有垂直盾构施工设备，那么已实现的最大坡度施工如何呢？据有关专业文献报道（表2），2010年瑞士的linmern输水隧洞，使用敞开式TBM盾构机，直径5.2m，隧道长1050m，围岩为硬质岩石，隧洞的上坡坡度为40°;2009年俄罗斯圣彼得堡自动扶梯井施工使用的土压平衡盾构机，直径10.69m，斜井长120m，隧洞下坡坡度为30°;2004年印度的parbatiII级水电工程斜井，使用双护盾TBM，直径3.5m，隧洞长1546m，围岩为绿泥石片岩、千枚岩，隧洞坡度上下均为30°;20年后的今天，盾构技术及盾构机已得到了充分的发展和改进，相信其坡度适应能力更强，虽未有垂直盾构机的开发研制，但大角度的施工应不是问题。

（2）温度问题

2012年葛洲坝集团第一公司建成的新疆布仑口公格尔水电站，引水隧洞长4111m，地层为石英片言、绿泥石片岩，最高温度143℃，平均90℃以上，洞内空气温度>75℃。刚刚贯通的川藏铁路拉-林段桑珠岭隧洞隧道全长16.449km，最高岩温达89.9℃。

（3）长度问题

2002年建成的大型调水工程，万家寨引黄一期工程隧洞长度超过192km，单洞长度达42.6km，大部分处于覆盖深，地质条件复杂区域，该工程先后使用了6台双护盾全断面掘进机，其中5台为美国罗宾斯公司制造，1台为法国NFM公司制造。1994年贯通的英吉利海峡隧洞长51km，直径7.6m。2015年穿越瑞士阿尔卑斯山的圣哥达隧洞长56.3km，是目前世界最长的海底隧道。

（4）深度问题

2011年四川雅砻锦屏二级水电站引水隧洞，最大埋深2525m。巴基斯坦最大隧洞埋深1900m。2014年8月2日，人民日报报道，世界最深的地下实验室4000m3，后扩容到12万m3，垂直岩石覆盖深度2400m，在这样的地下实验室能够尽可能的被屏蔽高能宇宙线，以便测量暗物质。2015年12月，内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗，神东补连塔煤矿2号副井顺利贯通，标志着我国采用盾构（TBM）施工技术及装备已经达到世界先进水平。该副井坡角为6°，长6314m，填补了我国盾构技术在长距离大坡度煤矿斜井建设领域的空白。从以上事实和现状分析，将盾构技术引入深部资源勘查开发的硐探掘进施工已不存在理论上和重大技术、装备问题。

在不远的将来，随着盾构施工技术的提高和盾构设备的适应能力改进，其自动化程度，科学化程度和管理控制程度将得到充分的发展。盾构技术将在深地勘查和开发，特别在城市等人口聚集区开发利用基础地热方面将取得突破性和革命性的发展。

3 开发利用方案

3.1 “U”型井方案

采用盾构掘进施工“U”型地热开采井，然后由一端注入冷水，深部吸收地热后从另一端排出高温热水，与供热系统相连，往返循环利用地热能，将实现高效、清洁、环保，持续的能源供给。同时可结合深部地应力检测工程，为地震检测预报提供基础数据。

（1）井筒

采用图1的设计方案，井筒断面为圆形，直径可选择3～6m，首先选择大角度（>30°）盾构机，由A端开始施工，到达所需温度后，由B端施工水平洞巷，再从C端开始大角度，约60°爬坡向上施工，最后从D端掘出地面。AB的長度可根据地热增温率和盾构机的耐热能力及施工条件设计确定，根据一般的地热增温率计算，AB段长度应该在6000～8000m之间。

接近盾构机温度适应极限后，选择水平方向，在恒温层掘进BC段，BC段的长度取决于单位时间内，预期采集的热量目标值，可根据水的比热、岩石的导热系数和换热面积及流速等计算。为提高热交换率，该段管片设计应采用导热良好，坚固耐温的材料，比如铸铁管片。管片与岩壁之间的密封注浆材料也应考虑导热率情况。为保证充分换热，入水口可沿切向方向注入，同时管片上浇筑有波纹，使水在BC段流动是旋转前进的。CD段应选择大角度升出地面，一是盾构机比下坡更能适应高角度上坡，二是尽量缩短带热管道的距离，以避免不必要的由于管道长而产生热损。

（2）成井

在AB段，选择适当的温度位置（可根据供暖系统的回水温度确定计算）封井，根据取水量选择一定直径的钢管通往A段，以便与供暖系统的回水管路相连。CD段为热水取水管路，取水口位置应选择C点附近，水温最高位置，CD段的管路应选择保温隔热效果良好的双层钢管，以尽量减少取水段的热损。同时选择适当的温度位置封固井筒。

（3）工作原理

用水作为热的交换介质，A端与供热系统的回水管相连，同时高压水泵加压。D端与供热系统的供水端管路相连，同时可二次加压。在不改变现有供热管网和供热系统的条件下，如此地热水在封闭系统内往复循环，持续的将地热资源输送到千家万户和厂矿单位。夏天可利用已成熟的热制冷系统给具有中央空调的建筑和设施制冷降温。实现零污染，零排放，高效清洁的可再生能源。

3.2 “L”型井方案

如盾构设备可在深部终止掘进，并通过其后面的隧洞，分拆运出地面，可考虑“L”型采热井结构方案。其工作原理与“U”型井方案基本相同，但成本应该相对较低（图2）。

3.3 “Q”型井方案

在“L”型井方案的基础上，为增加地热资源的交换和采集效率，BC段改为深部水平圆环型巷道施工，即从B点开始施工环形巷道再回到B点，同时为增大交换面积，提高交换效率，充分利用地热资源，可考虑引入压裂或爆裂技术，串珠状爆裂方案等。

总之，根据各类基础数据，总能选出适合要求的井型结构和成井方案，满足地下资源开采利用的需求。

4 结论

深层地热能分布广泛，只要有足够的深度就可获得足够高的地温和地热资源。采用盾构技术，开拓斜井巷道开采地热，几乎不受深度限制，可突破传统地热开采竖井，成井的弊端所形成的深度瓶颈。

研究先进的矿井建设技术、提高地热等资源开发效率是我国清洁能源和资源开发技术领域的重大课题。盾构机已成为我国基础设施建设的重要设备，但相关技术设备在地热开发利用，地下空间探测等深地工程领域的应用却处于空白。随着盾构施工技术的提高和盾构设备的进一步完善，其在深地勘查和开发，特别在城市等人口聚集区开发利用深部地热方面将取得突破性和革命性的发展。

将盾构技术引入深层地温能的开发利用已是当务之急，其意义深远，目前从理论和技术上已无悬念，急需开展该领域技术研究和实验论证工作。

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