煤矿采空区碳封存CO2泄漏地表扩散规律研究.pdf
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1、为积极响应国家双碳减排政策并有效利用我国不断增长的煤矿采空区资源,本研究以陕北某煤矿采空区作为试验区域,对采空区 封存后可能发生的地表泄漏及其运移扩散规律进行了深入研究,旨在为进一步风险评估提供科学依据。通过 软件提取地表地形特征,建立真实地形模型。在此基础上,使用 数值模拟软件模拟了不同泄漏速度和不同风速下的常温常压 泄漏扩散规律和浓度分布特征,并与平坦地形上的泄漏规律进行比较。研究表明:地势降低有助于扩散,地势升高对扩散有阻碍作用;泄漏速度越大,扩散范围越大,危害范围也越大;风速越大,扩散越快,横向扩散越小,纵向扩散先增大后减小。以 的 浓度为限,得到了不同影响因素下会对人员产生危害的范围
2、,可为封存项目的安全评价和泄漏后应急处理提供参考。关键词:采空区碳封存;风险评估;真实地形;数值模拟;泄漏扩散规律中图分类号:文献标志码:文章编号:():开放科学(资源服务)标识码():,(,;,):,:,:;引言近年来,全球气候变化加剧与生态环境不断恶化引起各国对碳减排的高度重视 。中国作为碳排放大国,年 月 日,习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣布中国 排放力争 年前达到峰值,努力争取 年前实现碳中和 。实现碳中和的根本路径是减排增汇,碳捕获、利用和封存(,)被认为是脱碳的关键战略,而 封存是 链的最后一环,地质封存是目前发展最为成熟的一种封存方式 。煤炭长期以来是中国的
3、主体能源,在煤炭资源开采过程中,形成了大量的地下采空区 ,由于各种因素的限制,在煤矿采空区依然残留大量煤炭,煤基质中的 吸附优势要强于 ,注入采空区会与残留煤炭中的 产生竞争吸附 ,从而实现 以吸附态封存于采空区。但采空区原始应力遭到破坏,裂隙演化和渗流规律变得复杂 ,这导致了采空区封存 相较于其他封存方式可能具有更高的泄漏风险,而一旦泄漏,则可能对植物、动物以及人类造成严重威胁。因此,明确采空区封存 泄漏至地表后的扩散规律和浓度分布具有重要的安全和环保意义。对于 泄漏至大气后的扩散规律,前人利用数值模拟进行了大量的研究。等将 试验和高压管道泄漏 的扩散模拟进行比较,研究表明 模型的准确性比高
4、斯模型更高 。等利用 软件模拟了 井喷事故的扩散情况,并将试验数据进行了对比验证,得到标准 和 模型的计算结果与 标准下的试验结果吻合较好 。等在开源 代码 上开发了一个专门用于 在大气中扩散的求解器,模拟了在无地形影响下 的泄漏情况 。等研究了地形和释放源温度对复杂地形条件下埋地管道 泄漏扩散的影响 。众多学者在 地表泄漏扩散方面取得了丰硕的研究成果,对于 的扩散模拟,目前大部分研究是高压储罐和运输管道的泄漏,对于常压泄漏扩散机制的研究较少,并且在研究地形对 扩散的影响方面,多是用单一的地形起伏来进行表征,对于真实地形条件下的复杂影响研究较少。文中根据试验矿井采空区地表真实地形提取地形特征,
5、建立 模型,利用 模拟研究不同影响因素下常温常压 在封存区上方地表浓度分布规律和危险的扩散范围,为采空区封存 项目安全评价提供参考。地形特征提取和数值建模 试验矿井位置陕西省神府矿区历经多年的开采,形成了大量采空区,以浅埋煤层为主,并且有低透气性的红土层保证了低压储存 的可行性。同时,榆林能源化工基地每年会产生大量的纯 ,基地与矿区处于同一区域,便于项目的开展,降低成本。因此,项目选择陕西省侏罗纪煤田神府矿区某煤矿作为典型浅埋煤层采空区吸储 实施地点。项目的中试位置拟选定在试验矿井首采 工作面,试验平面范围初步确定为 ,其封存位置如图 所示。地形特征提取和数值建模为了观测 泄漏后封存区域及周边
6、的 分布,选择封存地点周边 的区域作为模拟区域。地形提取流程如图所示,将所选区域的瓦片数据下载拼接后导入 软件中,西 安科技大学学报 年第 卷第 期丁洋,等:煤矿采空区碳封存 泄漏地表扩散规律研究结合封存地点的 数据提取地形特征,再根据中央经线进行投影,将投影后的数据导入 软件得到了研究区域的高程图(图 ),该区域最高海拔 ,最低海拔 ,海拔高差 。最后在 软件中完成建模。?图 封存区域?图 建模流程?图 研究区域高程图 数值模拟 模拟方案文中利用 数值模拟软件,分析了不同泄漏速度、不同风速下 在目标区域的扩散规律,并且在平坦无起伏的地形模型上进行了对照模拟,以便观察分析地形影响。泄漏点设在图
7、红色圆圈区域内,该区域位于计算域的中部位置,更有利于观测 泄漏扩散规律,并且注入井也位于封存区域的中部位置,泄漏点设在此处能模拟出井筒泄漏时的 扩散情况,同时该区域四周海拔都相对较高,便于研究地形的影响。设定泄漏口为直径 圆孔,泄漏时间 ,泄漏速度用 泄漏的质量流量来表征。模拟方案见表 。表 模拟方案 真实地形平坦地形泄漏速度(),风速(),环境温度 风向沿 轴负方向沿 轴负方向模拟组数采空区封存 泄漏特点与管道或储罐泄漏特点不同。管道或储罐泄漏是由于高压突然释放,因此泄漏速度快、但并不持续;而采空区泄漏属于常压泄漏,泄漏速度缓慢、但持续泄漏。因此为了充分模拟这种泄漏特点,将泄漏速度根据梯度由
8、小到大设置,并且对于每种情况,都模拟了从泄漏开始 后的 泄漏扩散结果。为了充分了解 泄漏的危害范围,选择较高的泄漏速度即 作为初始条件模拟其他因素变化对 扩散的影响。根据调查,封存区域所在地风速常年小于 级(级风速为 ),因此选择 的风速进行数值模拟。由图 可知,研究区域总体海拔是沿着 轴正方向逐渐降低,因此为了研究地形和风速的相互影响,研究方案中将风速变化时的风向设为沿 轴负方向。基本假设与流动方程 基本假设对于采空区封存 泄漏释放到地表的气体,在抵达地表后,其压力温度已经和环境值基本一致,所以假设其泄漏压力温度与大气压和环境温度相同,即常温常压泄漏,因此用于扩散模拟的源流体为气态 。模拟研
9、究基于以下假设:气体为连续介质;气体流动过程为不可压缩;气体流动不考虑传热与化学反应;地表组分传输模型只考虑空气和 。流动方程 )质量守恒方程。(珒)()式中 为密度,;为时间,;珒 为速度矢量,;为质量源项。)动量守恒方程。惯性(非加速)参考系中的动量守恒由下式描述(珒)(珒珒)(珗)珗 珗()式中 为静压,;珗 为应力张量;珗,珗分别为重力和外力(例如与分散相相互作用产生的力)。珗还包含其他依赖于模型的源项,如多孔介质和用户定义的源。应力张量珗 由下式给出珗 (珒 珒)珒 ()式中为分子粘度,;为单位张量,右侧的第二项是体积膨胀的影响。)能量守恒方程。()珒()珒(珗 珒)()式中为总能量
10、,;是有效热导率,();珗 为应力张量;和 分别是组分 的焓和扩散通量。上述个方程流体运动的基本控制方程,主要是将流体运动时必须遵循的物理定律用方程的形式表达出来,从而解出流体流动的未知量。)组分输运模型。组分输运模型是模拟混合物各组分之间或与其他相之间的相互作用,对于 泄漏扩散,主要是模拟 和空气的相互作用。选择求解组分的守恒方程时,通过解第 个组分的对流扩散方程来预测每个组分的局部质量分数。这个守恒方程的一般形式如下。()(珒)珒()中为物质 的质量分数,即质量扩散矢量,而 为物质 的净生产速率。湍流中的质量扩散珒(,)()该方程主要表征 在地表扩散的行为。其中 ,是组分 的质量扩散系数,
11、是湍流施密特数,默认设置为 。)标准 模型的传输方程。湍流是自然界普遍的流动形式,湍流运动的特征是在流动过程中流体各质点具有的互相混合的特性,速度和压力等物理量在空间、时间上具有随机性的脉动值,而湍流模型就是表征湍流运动特点的方程。湍流动能 及其耗散率 由以下输运方程获得()()()()()()()()()在这些方程中,为由于平均速度梯度产生的湍流动能;为由于浮力产生的湍流动能,根据 模型中浮力对湍流的影响计算。为可压缩湍流中的脉动膨胀对总耗散率的贡献。,为常数;,分别为 和 的湍流普朗特数;,为用户定义的源项。计算域和边界条件根据图高程数据建立采空区地表模型,通过红圈所在位置确定泄漏口中心点
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