《矿山蓄热/储能功能性充填理论与技术研究》以实现深部矿产与地热资源协同开采为着眼点，提出相变蓄热充填的理念，制备相变蓄热充填材料，并对充填体、围岩、采场、载热介质之间的热传递行为进行研究。主要包括基于矿山固废基质的相变蓄热充填材料制备及其性能、多因素影响下充填体相变行为及其蓄热/释热性能、充填体热行为耦合作用下载热介质的热运移效应等关键研究成果。《矿山蓄热/储能功能性充填理论与技术研究》提出的矿山蓄热/储能功能性充填的学术构想以及“相变蓄热充填-地热资源开采-采场协同降温”体系中所涉及的工程热物理问题的研究成果，对实现深部矿产与地热资源协同开采、矿井热害防治以及矿山绿色可持续发展等均具有重要的理论意义与工程应用价值。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景、思路及意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究思路及意义 3
1.2 矿山充填采矿技术及其研究进展 5
1.2.1 矿山充填采矿技术及其发展 6
1.2.2 矿山固废基充填材料及其发展 7
1.3 矿山地热能开发及其研究进展 9
1.3.1 矿山地热资源开发与利用 9
1.3.2 矿产-地热资源协同开采及降温研究与发展 10
1.4 复合相变蓄热材料及其研究进展 11
1.4.1 复合相变蓄热材料性能研究 12
1.4.2 复合相变蓄热材料的蓄热/释热行为研究 13
1.5 地下换热单元及其换热性能研究 14
1.5.1 地下换热单元性能及其研究进展 14
1.5.2 相变材料回填的地下换热单元性能及其研究进展 16
1.6 本章小结 17
第2章 蓄热/储能功能性充填技术与理论体系 18
2.1 蓄热/储能功能性充填理念与内涵 18
2.1.1 充填理念的提出 18
2.1.2 充填理念的内涵 20
2.2 蓄热/储能功能性充填方法与实施方案 20
2.2.1 充填方法的提出 20
2.2.2 充填方法实施总体方案 21
2.3 蓄热/储能功能性充填技术体系 23
2.3.1 技术体系的构建 23
2.3.2 相变蓄热充填材料的制备及性能 23
2.3.3 充填体蓄热/释热及其耦合热运移行为 26
2.4 充填技术的理论基础 28
2.4.1 充填料浆流动理论 28
2.4.2 充填体力学基础理论 29
2.5 充填体传热基本理论 31
2.5.1 充填体蓄热理论 32
2.5.2 充填体释热理论 32
2.5.3 充填体蓄热/释热性能的评价 34
2.6 本章小结 35
第3章 添加石蜡微胶囊的蓄热充填材料制备及其性能 36
3.1 充填料浆流变性能测试与分析 36
3.1.1 充填料浆的流变模型 37
3.1.2 充填料浆的流变*线 38
3.1.3 充填料浆的触变性 40
3.1.4 恒定剪切速率下充填料浆的剪切应力 42
3.1.5 充填料浆流变性能的分析与讨论 44
3.2 充填体试件的制备与性能测试 48
3.2.1 充填体试件的力学性能与微观形貌测试 49
3.2.2 充填体试件的热学性能测试 50
3.2.3 正交试验设计原理 51
3.3 充填体力学性能测试结果与分析 52
3.3.1 充填体试件的应力-应变过程 52
3.3.2 充填体试件的抗压强度分析 55
3.3.3 充填体试件的微观形貌与力学响应分析 56
3.3.4 正交试验确定*优配比 61
3.4 充填体热学性能测试结果与分析 62
3.4.1 充填体密度影响因素分析 63
3.4.2 充填体导热系数影响因素分析 63
3.4.3 充填体比热容影响因素分析 64
3.4.4 充填体热变化焓影响因素分析 65
3.4.5 充填体热重影响因素分析 67
3.4.6 正交试验确定*优配比 68
3.5 本章小结 69
第4章 添加石蜡/膨胀石墨的蓄热充填材料制备及其性能 73
4.1 定形相变材料制备及性能测试 73
4.1.1 实验材料及设备 73
4.1.2 PA/EG-SSPCM的制备 74
4.1.3 PA/EG-SSPCM的物性测试 75
4.2 定形相变材料测试结果与分析 76
4.2.1 PA/EG-SSPCM相容性结果分析 76
4.2.2 相变温度和相变潜热值结果分析 77
4.2.3 比热容结果分析 78
4.2.4 PA/EG-SSPCM热循环稳定性结果分析 79
4.3 相变蓄热充填材料的制备及性能测试 80
4.3.1 实验材料选用 80
4.3.2 充填材料的制备与性能测试方法 82
4.4 相变蓄热充填料浆的流变性能 84
4.4.1 充填料浆的流变*线及本构方程 84
4.4.2 充填料浆屈服应力影响因素分析 85
4.4.3 充填料浆塑性黏度影响因素分析 86
4.4.4 充填料浆触变性影响因素分析 87
4.5 相变蓄热充填体力学性能测试与分析 90
4.5.1 充填体微观形貌分析 90
4.5.2 充填体单轴抗压强度影响因素分析 95
4.5.3 充填体密度影响因素分析 98
4.6 相变蓄热充填体热学性能测试与分析 100
4.6.1 充填体比热容影响因素分析 100
4.6.2 充填体导热系数影响因素分析 101
4.7 本章小结 104
第5章 充填体蓄热性能的影响因素与分析 106
5.1 充填体蓄热模型及参数设定 106
5.1.1 充填体蓄热模型的建立 106
5.1.2 网格划分与求解设置 107
5.1.3 数值模拟的参数设置 109
5.1.4 数值模拟方法的实验验证 111
5.2 充填体物性参数对蓄热性能的影响分析 114
5.2.1 充填体蓄热性能随蓄热时间的变化 114
5.2.2 导热系数对充填体蓄热性能的影响 118
5.2.3 比热容对充填体蓄热性能的影响 123
5.3 热环境对充填体蓄热性能的影响分析 129
5.3.1 围岩温度对充填体蓄热性能的影响 129
5.3.2 充填体初始温度对其蓄热性能的影响 134
5.3.3 风流温度对充填体蓄热性能的影响 140
5.3.4 风流速度对充填体蓄热性能的影响 145
5.4 充填体蓄热性能的综合分析 150
5.4.1 各种因素影响下充填体内部测点温度变化 150
5.4.2 充填体测点温度影响因素的综合分析 151
5.4.3 各种因素影响下充填体的蓄热性能变化 152
5.4.4 充填体蓄热性能影响因素的综合分析 152
5.5 本章小结 153
第6章 充填体释热性能的影响因素与分析 155
6.1 充填体释热模型及参数设定 155
6.1.1 物理模型与数学模型 155
6.1.2 模拟条件设置与模拟结果计算 157
6.2 换热流体及充填体热物性对释热性能的影响 159
6.2.1 充填体释热性能的时变特性 159
6.2.2 换热流体参数对释热性能的影响 161
6.2.3 充填体热物性对释热性能的影响 166
6.2.4 各因素对充填体释热性能影响的综合分析 171
6.3 管间距对充填体内置换热器性能的影响分析 174
6.4 本章小结 176
第7章 传统充填体及改性充填体的蓄热/释热性能 177
7.1 相似模型实验台的建立 177
7.1.1 相似理论 177
7.1.2 相似准则数的推导 178
7.1.3 相似模型的确定 180
7.1.4 模型实验装置的搭建 181
7.2 传统充填体蓄热/释热性能测试与分析 186
7.2.1 蓄热/释热过程中充填体温度场的影响因素分析 186
7.2.2 管路布置对充填体释热性能的影响 192
7.2.3 换热流体流速对充填体释热性能的影响 195
7.2.4 围岩温度对充填体释热性能的影响 197
7.3 充填材料配比优化及热物性参数测试 199
7.3.1 改性充填材料配比 200
7.3.2 改性充填体力学性能的测试与分析 201
7.3.3 改性充填材料的热物性参数测试 205
7.3.4 改性充填材料热物性测试结果与分析 206
7.4 改性充填体蓄热/释热性能测试与分析 210
7.4.1 围岩温度对充填体蓄热/释热性能的影响 210
7.4.2 充填体初始温度对蓄热/释热性能的影响 213
7.4.3 换热流体入口温度对充填体蓄热/释热性能的影响 216
7.4.4 充填材料改性及充填体几何参数对蓄热/释热性能的影响 219
7.5 本章小结 222
第8章 均匀混合石蜡充填体的蓄热/释热性能 224
8.1 充填体的蓄热/释热模型 225
8.1.1 物理模型及性能评估 225
8.1.2 数学模型 228
8.1.3 网格划分与求解设置 232
8.1.4 模拟方法的实验验证 235
8.2 石蜡对充填体蓄热/释热性能的影响 239
8.2.1 充填体蓄热/释热过程的温度场分布 240
8.2.2 石蜡对充填体内部温度场分布的影响 243
8.2.3 石蜡对充填体蓄热/释热性能的影响 249
8.3 不同热环境对充填体蓄热/释热性能的影响 253
8.3.1 围岩温度对充填体蓄热/释热性能的影响 254
8.3.2 初始温度对充填体蓄热/释热性能的影响 258
8.3.3 换热流体入口温度对充填体释热性能影响 262
8.3.4 换热流体流速对充填体释热性能影响 265
8.4 充填体蓄热/释热性能的综合分析 269
8.4.1 不同影响因素下充填体蓄热/释热量的综合分析 269
8.4.2 不同影响因素下充填体传热速率的综合分析 270
8.5 本章小结 272
第9章 内置套管换热器封装石蜡的充填体蓄热性能 275
9.1 充填体蓄热过程的传热分析 275
9.2 充填体多区域耦合传热模型 279
9.2.1 几何模型与网格划分 279
9.2.2 边界条件与求解设置 281
9.2.3 模拟方法的实验验证 281
9.3 相变材料对充填体蓄热性能的影响与分析 286
9.3.1 含与不含相变材料的充填体蓄热性能分析 286
9.3.2 相变材料熔化过程中液相分数的分布 290
9.4 各影响因素下的充填体相变蓄热性能分析 293
9.4.1 围岩温度对充填体相变蓄热性能的影响 293
9.4.2 蓄热初始温度对充填体相变蓄热性能的影响 295
9.4.3 采场风流对充填体相变蓄热性能的影响 296
9.4.4 套管换热器结构对充填体蓄热性能的影响 299
9.4.5 各影响因素下的相变充填体蓄热性能综合评估 302
9.5 非采暖期内相变充填体的蓄热性能与地热潜力预测 303
9.5.1 几何参数及网格划分 304
9.5.2 非采暖期内的蓄热性能 305
9.5.3 相变充填体地热潜力预测 309
9.6 本章小结 310
第10章 内置套管换热器封装石蜡的充填体释热性能 312
10.1 内置套管换热器的充填体释热过程 312
10.1.1 充填体释热过程的传热分析 312
10.1.2 充填体释热过程的性能评价 315
10.2 充填体的相变释热模型 317
10.2.1 几何模型与网格划分 317
10.2.2 参数及求解设置 318
10.2.3 模拟方法的实验验证 319
10.3 采热环境对充填体释热性能的影响与分析 321
10.3.1 释热过程中充填体温度场变化 321
10.3.2 初始温度对充填体释热性能的影响 324
10.3.3 换热流体入口温度对充填体释热性能的影响 326
10.3.4 换热流体流

第1章绪论
　　1.1研究背景、思路及意义
　　1.1.1研究背景
　　1.资源、能源消耗导致环境污染与资源枯竭
　　在全球气候变化带来严峻挑战的背景下，能源革命加速推进，以碳中和为目标的能源科技创新步人快车道。党的二十大报告指出，要积极稳妥推进碳达峰碳中和目标。实现碳达峰碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，有计划分步骤实施碳达峰行动。深人推进能源革命，加强煤炭清洁高效利用，加快油气资源勘探开发和增储上产力度，加快规划建设新型能源体系 实现碳中和不仅是对国际社会的庄严承诺，更是推动我国经济社会高质量发展的重要途径。
　　矿产资源作为国民经济的基石，是支撑国家工业化和社会发展不可或缺的战略性物质基础。相关数据统计显示：我国90%以上的一次能源、80%以上的工业原料以及70%以上的农业生产原料都依赖于矿产资源[2]，然而，由于国家建设对矿产资源的高度依赖，在满足能源需求与缓解资源枯竭之间，正面临日益突出的矛盾。
　　中国作为世界上发展*快的国家之一，就经济发展形势而言，一次能源消费总量在1978～2018年由5.7亿t标准煤增加至46.4亿t标准煤，预计一次能源消费在2030年至2035年间达峰、峰值在62亿t标准煤以上，化石能源消费占比超80%[3—6]，并且随着人类社会的不断发展，对能源的需求日益增长。
　　我国是全球*大的矿产资源生产国、消费国、进口国，矿产资源总产量占全球总量的近30%，拥有全球*大矿产资源产业规模，总产量和总产值均居世界**[7]。矿产资源的开发与利用在推动经济发展、提升人类生活标准的同时，不仅会造成严重的资源枯竭，也会对大自然造成一系列的污染及破坏，严重影响我们脆弱的生态环境。
　　根据科学家的研究，全球煤炭、石油和天然气的储量虽然庞大，但按照当前的开采速度，它们的供应年限并不长。尤其是石油和天然气，由于其开采难度和成本的不断增加，未来的供应将变得更加紧张。一旦这些资源耗尽，我们将面临能源短缺的困境，对全球经济和社会稳定造成巨大冲击。
　　《2018年全球环境绩效指数报告》显示，中国全球环境绩效指数排名120/180，空气质量排名177/180，这些结果又反过来对高质量的经济发展、政府形象、公共生活空间甚至公民身体健康都产生了不良影响[8]。2015年，我国已经提交了《强化应对气候变化行动——中国国家自主贡献》，提出：二氧化碳排放2030年左右达到峰值并争取尽早达峰；单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降60%～65%、非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右[9]。针对环境污染现状以及对能源变革的展望，能源转型已经成为实现我国经济可持续发展的必由之路，而优化能源结构则是实现“双碳”目标的重要途径，考虑经济、社会长期效益，能源系统必将形成以可再生能源等清洁能源为主导的新格局。
　　2.深部矿产资源开采引发的一系列问题
　　随着浅部矿产资源的逐渐减少和枯竭，深部矿产资源开采成为必然。2016年，《国土资源“十三五”科技创新发展规划》提出，要以深地、深海、深空为主攻方向和突破口，构建向地球深部进军、向深海空间拓展和深空对地观测的国土资源战略科技新格局。深部矿产资源开采、深部地热能开发等是“深地”探索的重要领域。据不完全统计，就金属矿山来讲，目前世界千米矿山已超过150座（图1.1）。其中，南非深井矿山约有76座，同时也拥有世界*大采深近4800m，平均采深已超过2000m，采深范围为1524～4800m，以金矿为主;加拿大约有30余座超千米矿山，采深范围为1524～2499m，以金、铜-镍、铜-铅-锌矿为主；我国约有32座金属矿山采深超过千米[14]，采深范围为1000～1600m，以金-铜等有色金属矿为主，如云南的会泽铅矿、安徽铜陵的冬瓜山铜矿、河北的寿王坟铜矿、辽宁抚顺的红透山铜矿等；美国约有11座超千米矿山，采深范围为1600～2438m，以金、铜、银矿为主。深部矿床处于“三高”的特殊环境一高应力、高井温和高井深，势必给深部矿产资源开采带来众多科学技术难题，如形成更多的采空区，引发更多的固体废弃物排放、地质灾害和环境破坏等问题，严重影响矿山生产安全、效率、成本，甚至关系到资源利用的可行性，已成为制约深部矿产资源可持续开发利用与矿业健康发展的重要因素。
　　在深部矿产资源开采过程中：一方面，由于深部岩石赋存环境十分复杂，且其力学行为特征与浅部相比发生了明显变化，因此，与浅部相比，深部矿产资源开采中发生灾害性事故的频率更高、程度更剧烈、成灾机理更复杂[15-17]；另一方面，矿产资源的持续采出会留下大量采空区，若不及时对采空区进行回填、支护，容易导致矿柱变形，造成采空区塌陷，从而引发采空区地表开裂与下沉，诱发地表建筑物地基失稳或结构变形而毁坏，导致村庄搬迁、土地破坏、地质灾害频发、生态环境失衡等。另外，由于矿山采选过程中产生的尾矿、矸石等废弃物的长期、大量堆弃，侵占土地资源，未经处理的尾矿还会释放有害物质，污染河流、湖泊和地下水源，对矿区和生态环境造成严重危害。这不但使矿山的正常生产存在安全隐患，降低矿产资源的开采利用率，而且由采空区引起的地表塌陷更是造成了严重的土地破坏，对矿山安全生产和人员的生命财产安全构成严重威胁[&21]。再者，随着开采深度的增加，地温逐渐升高，越来越多的矿井面临高温热害问题，在中国采深超过1000m的矿井，工作面温度可达34～36，对于超大超深矿产资源开采，热害现象尤为显著。
　　世界上有许多国家先后出现矿井热害问题。秘鲁的凯萨帕尔卡（Casa Palca，也有资料译为卡萨帕尔卡）铜铅锌银矿，早在1937年就在-823m水平上打了一条32km的疏干巷道，用以疏干矿体中的热水；1967年巷道中涌出热水，水温高达68.98°C，岩石温度为61.1C。南非金矿矿井深度大部分超过2000m，绍斯迪普（SouthDeep）金矿采深达2800m时，岩石温度达75C；姆波尼格（Mponeng）金矿采深达4100m左右时，岩石温度达66C。日本是矿井热害*多的国家之一，北海道的丰羽铅锌矿，岩石温度69～130C，且由于受热水影响，在深度500m处气温高达80C，其东南侧的信浓（Shinano）矿体预计岩体温度可达160C，同时存在热水和水蒸气的地热流体；鹿儿岛的菱刈金矿，水温60C。美国的奥克尔（Oquirrh）铜矿，岩石温度60C，水温36～52C。此外，在赞比亚、墨西哥、尼加拉瓜、俄罗斯及德国等国均发现了矿井热害。随着开采深度的增加，矿井内的温度将不断加大。根据目前对地温的认识，开采深度每增加100m，地下的岩石温度将上升2.5～3C[22]。据此推算，如果想要获取10000m深处的矿产资源，人类将面对250～300C的岩石温度。在现在的技术条件下，这是人类难以忍受的。因此深部矿产资源开采时，高地应力造成的安全问题、高地温带来的热害问题日益成为制约深部矿产资源有效开采的重要因素[23，24]。为此，加强深地空间拓展的关键技术突破，提升深部矿产资源开发和利用能力，促进资源有效利用及保障矿产资源可持续发展非常有必要。
　　1.1.2研究思路及意义
　　1.矿山充填采矿技术能有效缓解深部矿产资源开采的高地应力问题
　　随着浅部矿产资源的逐渐减少和枯竭，深部矿产资源的开发利用已成为未来能源经济发展的必然趋势。而超大超深矿产资源开采会形成更多地下采空区，引发严重的地质灾害、环境破坏和固体废弃物排放，成为制约深部矿产资源可持续开采的重要因素。矿山充填采矿技术可有效控制采场地压，支撑围岩，减少、延缓和阻止围岩的破坏和移动，被广泛应用于采矿作业中，不仅能为矿产资源开采的整体安全提供支撑，有效保护矿区和周边的生态环境，还可以提高矿产资源开采的技术经济性，实现矿产资源的充分开采与回收。
　　近年来，矿产资源开发过程节能减排及环保要求日益严格，无废清洁采矿成为未来矿业发展的必然趋势，充填采矿还可以将地表堆积废料回填到井下，大大提高回采作业安全程度，提高深部资源回收率同时，解决地表堆积废料造成的环境污染。因此矿山充填采矿技术是解决深部开采高地应力问题、控制地表沉陷、提高采出率的有效途径，也是使固体废弃物资源化、无害化的有效手段。
　　2.开发利用地热资源有利于缓解深部矿产资源开采的热害问题
　　当采矿工程向地层深部不断延伸时，岩层温度逐渐升高，因此对于深部矿产资源开采来说，地热成为导致矿井热害的罪魁祸*。然而，地热作为一种可再生清洁能源，也属于深部开采的范畴。据中国地质调查局2015年的调查结果显示，全国可开采的浅层地热能量折合约7亿t标准煤，埋深在3～10km的可开采干热岩能量折合856万亿t标准煤，可见我国地热资源储量十分可观。
　　近年来，合理开发利用深部地热资源，缓解深部开采的热害问题成为研究热点。2016年11月，国土资源报刊登了题为“地热能源勘查开发瞄准深部”的报道：为提升我国地热能源勘查开发自主创新能力，支撑服务国家清洁可持续能源开发利用，2016年10月，中国地质调查局水文地质环境地质调查中心在北京组织召开“地热能源勘查开发工程技术研讨咨询会”，来自吉林大学、中国地质调查局、中国科技大学、中国科学院地质与地球物理研究所、中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司、天津地热勘查开发设计院、山东省地质矿产勘查开发局等单位的专家参加了咨询研讨会。与会专家认为，面向世界科技前沿、国家能源安全和重大战略需求，实现我国地热能源勘查示范引领和科技创新，大力推进我国地热能源勘查开发技术攻关研究具有重要意义。2017年1月，国家发展改革委、国家能源局、国土资源部印发了《地热能开发利用“十三五”规划》25]，阐述了地热能开发利用的指导方针和目标、重点任务、重大项目布局，以及规划实施的保障措施等。该规划推动了地热能开发提高到国家能源战略层面，而其作为一种稳定的低碳可再生能源，提供持续的基础能源供应对发展地热能，缓解全球能源危机与环境污染具有重要意义。2021年，《中国地热能开发利用发展趋势及“十四五”规划研究报告2021—2026年》分析了我国地热能开发利用环境与现状、国际地热能开发利用现状、地热能直接利用和地热能发电市场等，进一步说明了深部地热资源开发利用具有很好的发展前景。
　　3.蓄热/储能充填技术为缓解深部开采高地应力与热害问题创新了思路
　　我国地热资源丰富，也是*早开发利用地热资源的国家之一。地热资源作为一种稳定可靠、绿色低碳的可再生能源，具有储量大、分布广、能源利用效率高、运行成本低和节能减排等特点，正逐渐成为全球能源转型的重要方向。当前，我国地热资源开发利用多以浅层和中深层的水热型地热为主，而埋深3000m以下的深层地热资源的开发尚处于探索阶段。我国旺盛的清洁能源市场需求是推动地热产业快速高质量发展的主要动力，尤其是在目前“双碳”目标和环境污染防治的背景下，清洁能源市场需求更为强烈。随着科技的不断进步和对清洁能源需求的增加，深部地热资源的开发利用将成为未来能源领域的重要研究方向。但由于资源勘探、开发技术以及经济性等因素的制约，深部地热资源开发利用受到一定限制。
　　蓄热/储能充填技术以实现深部矿产-地热资源协同开采为目的，在充填材料中添加一定比例的相变材料形成相变蓄热充填体，为地热开采提供热量汇集与存储的条件，同时在充填体内预先布置换热管路，通过管内换热流体的循环流动有效提取充填体所积聚的热量，在充填采矿和地热能开采的同时实现矿井降温。蓄热/储能充填技术的应用对实现矿产资源无废清洁开采、提高资源利用率、缓解深井热害及常规能源消耗带来的环境污染问题均具有重要的现实意义。具体如下：
　　（1）矿山充填采矿技术可以将地表堆积的矿山固体废弃物回填至采空区，有效控制采场地压，支撑围岩，减少、延缓和阻止围岩的破坏和移动，有效解决深部矿产资源开采的高地应力问题，增强井下回采作业的安全性，提高矿山生产效率。另