新技术下的岩土工程论文

摘要：CO2捕获和封存技术是一项具有广泛应用前景的碳减排新技术，而地下咸水层是封存CO2最适宜的场所之一。今天小编为大家精心挑选了关于《新技术下的岩土工程论文 (精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。

新技术下的岩土工程论文 篇1：

城市地下空间探测与安全利用战略构想

摘要： 城市地下空间开发利用是经济社会发展到一定阶段的必然选择。通过梳理和分析我国城市地下空间开发利用理论、技术发展现状及未来发展趋势，围绕城市地下空间探测与安全利用面临的关键科学问题和技术难题，提出了“全要素”精细探测、“全资源”整体评价、“全空间”协同规划与“全环境”监测预警的城市地下空间探测与安全利用战略构想，构建了城市地下系统平衡和扰动再平衡、地下全空间资源评价、地下空间区划与协同规划三大理论体系和城市地下空间精细探测-资源评价、城市地下空间区划-协同规划、地下空间勘察-施工建造、地下空间监测-预警四大技术体系，为推动我国建立城市立体开发新模式提供理论和技术支撑。

关键词： 城市地下空间;城市地下空间资源;探测;安全利用;全要素;协同规划

文献标识码：A

向太空、向海洋、向地下“要空间、要资源、要安全”是人类发展到一定阶段的必然选择，我国已经全面部署“深空、深海、深地”国家战略，“深空、深海”战略已全面启动并取得突破性进展，“深地”战略已列为国家科技战略重点领域。我国地下空间需求大、发展快，已成为世界城市地下空间建设规模和速度第一大国，在地下空间开发工程技术方面居领先地位，但在城市地下空间探测、评价、规划和监测等方面的理论水平和技术水平相对较弱。完善城市地下空间理论体系和技术体系，是科学开发、安全利用城市地下空间资源的必然选择，可为城市立体发展提供理论和技术支撑。

1 我国地下空间开发利用现状

历史上，伴随人类的聚居、城市的形成和发展，地下空间不断被利用和开发。1863年建成使用的伦敦地铁是第一次工业革命后西欧城市化进程的产物，成为近代地下空间开发的重要标志。此后，19—20世纪，西欧和美国城市化和大型中心城市建设中，掀起了地下空间建设的第一次高潮，伦敦、巴黎、纽约的地下空间各具特色，在促进城市交通及市政功能中发挥了重要作用[1]。20世纪后期是亚洲城市崛起阶段，日本、韩国、新加坡等亚洲国家城市化进展飞速[2-3]，地铁、地下综合管廊、深隧调蓄系统得到了高速发展。

1.1 发展现状

与世界发达国家相比，我国城市地下空间资源开发利用起步较晚，但发展迅速。21世纪，我国已成为世界城市和地下空间建设的中心，在建设速度和建设规模方面均达到较高水平。虽然不同地区、不同城市发展地下空间的主要目的和驱动因素不同，但在城市化不断发展，人口、资源聚集的过程中，地下空间发展趋势具有较高的相似性。按照轨道交通发展阶段并结合未来发展趋势，我国城市地下空间开发利用可分为初始化、规模化、初始网络化、规模网络化和生态城5个阶段（表1）。

目前，我国城市地下空间开发以地铁建设为主，需求大、发展快，总规模已居世界第一位。近年来，以综合管廊为代表的地下市政基础设施开始兴起，东部大城市以交通枢纽建设的地下综合体为重点。“十二五”以来，我国城市地下空间建设量显著增长，年均增速达20%以上，约60%的现有地下空间为“十二五”期间建设完成。据不完全统计，地下空间与同期地面建筑的面积比例逐渐增加，尤其在人口密集和经济活动高度发达的大城市，在轨道交通和地上地下综合建设带动下，城市地下空间开发规模增长迅速。

伴随着城市地下空间开发利用的普遍开展，我国制定了“十三五”地下空间开发利用规划。各城市规划建设公开信息显示，截至2015年底，我国已有北京、上海、重庆、南京、杭州、深圳、青岛、沈阳、昆明、武汉等几十个城市编制完成了地下空间总体层面规划。一些城市，特别是特大、超大城市中心区，结合旧城改造和新区建设，已编制或正在编制地下空间详细规划。

1.2 发展趋势

（1）地质调查先行支撑。地下地质情况复杂，位于不同地质地貌单元的城市地质结构和资源禀赋各不相同，加之地下空间系统涉及面广，多种地质要素相互交织，互馈作用复杂，对环境变化和工程扰动响应敏感。因此，在城市地下空间开发利用规划阶段，首先要系统开展地下空间资源调查和评估，为区划和整体规划提供地质依据。在地质调查中，对城市地上地下地质条件、资源、环境、空间、灾害等进行全面调查，构建城市三维地质结构模型，综合评估城市地下空间资源和地下空间开发适宜性，城市地下空间资源调查与评估必须作为城市地下空间规划的前置刚性约束。

（2）分层化与网络化规划布局。目前，我国处于城市地下空间规模化开发阶段，规划指导作用尤为凸显。在城市總体规划层面上，根据城市未来经济条件和发展需求，结合当地地质特点与城市延伸方向，合理布局和分层规划是城市地下空间未来发展的必然趋势。

（3）地下资源协同开发利用。城市地下除了可利用空间，还赋存地下水、地热能、地质矿产等多种宝贵的地质资源，每种资源的开发将会对其它资源产生扰动和影响，严重时会产生灾害。因此，在开发地下空间时，识别和评价与其共生的其它地下资源的特征和互相作用模式，是未来安全开发地下空间的趋势[4]。广义上，地下空间的协同化发展包括地上设施与地下空间的一体化协同、地下不同层位之间的功能布局协同、不同开发类型地下空间的功能配合协同，以及地下空间开发过程中探测、评价、规划、施工、监测、监督管理的全链条协同。

（4）管理数字化、智能化。城市地下空间规划、设计、建造、运营维护与防灾安全管理均离不开全面了解和准确掌握城市地下空间基础数据。采用数字化、智能化方式对城市地下空间数据进行管理是必然的发展趋势，即在地下空间探测—规划—建设全过程中对地下空间的所有数据实行信息化管理，为城市地下空间合理规划、建设和决策，城市防灾和应急处置提供依据。

2 我国地下空间开发面临的问题

2.1 地下地质情况不明

要高效、安全、充分利用地下空间，必须首先查清楚地下空间的地质情况[5]。地下地质系统包含岩、土、水、气等各种物质，是温度场、应力场、电磁场、化学场、能量场等相互作用的复杂平衡系统，是经过漫长地质历史演化形成的，是不同时期、不同阶段内、外动力地质作用形成的共生组合体。目前，虽然城市地质调查工作在城市规划布局中发挥了重要作用，但工作精度、深度和广度不足以支撑城市地下空间开发利用，对制约城市地下空间开发利用的地层结构及物理力学特征、地下水特征、活动断层、特殊岩土、地下岩溶等关键工程地质要素的调查不足，支撑地下空间规划开发利用的关键数据和信息不全，导致地下工程施工、运营中对可能发生的重特大事故或生态环境破坏无法进行及时有效的预测和防治。

城市地下空间开发初期关注的重点是区位和通达性等社会经济因素，对地下地质条件的考虑较少。随着城市发展的需要，基础工程的迅猛增加，人类工程活动对地质环境的影响与改造前所未有，地下空间开发过程中常伴有地面沉降、地裂缝和滑坡等地质灾害发生，而对这些地质灾害机理的认识还远没有像对台风掌握的清楚。究其原因，是对与地下空间开发利用相关地质灾害的孕育、发生和发展规律还没有完全掌握，对城市地下空间开发扰动地下水、诱发地层移动与损伤变形等演化与灾变机理不明确。此外，大部分城市对地下空间资源属性及其已开发利用的基本现状掌握不足，已有地下空间利用或占用情况不明，如不同时期建设的各类地下管线、地下室、地下通道、建筑物基桩分布等情况不清楚。对后期工程施工造成的安全隐患或不利影响为：造成工程报废、为了规避导致工程造价提高、改道后又影响下一个工程等等。

因此，全面掌握城市地下地质情况和已有地下空间开发利用现状，分析城市地下空间开发与地质环境的相互作用规律，评价工程扰动下地质结构的变形破坏规律及其对工程结构物的影响，是减少地下空间开发对地质环境影响、保障城市地下空间安全利用和地下工程安全的关键。

2.2 城市复杂环境下地质探测技术存在瓶颈

1980年，我国开始开展地下空间探测与调查工作，在100多个大中城市使用航磁、重力、电阻率法和放射性法等物探手段开展了1∶5万-1∶1万综合区域物探工作，基本探明大区域尺度的构造及其稳定性。但针对城市区域的地下空间探测工作始于2003年，以北京、上海、天津、广州、南京、杭州为城市地质调查试点地区[6]，开展了城市尺度的地下地质探测，综合采用了钻探及高精度重磁、电磁法勘查、地震纵横波勘探、测井、井中物探等地球物理探测方法或方法技术组合。地球物理探测方法和技术在国外地下空间探测中基本用于工程物探勘察，日本主要使用面波、浅层地震反射勘探;加拿大主要使用地质雷达、高密度电阻率成像、浅层地震;新加坡主要使用电阻率成像、浅层地震、测井及井中物探。對于系统性的城市地下空间探测，案例还较少。

城市地区开展地质探测，除了要解决浅层探测的分辨率问题，还要面临城市复杂环境下的干扰问题。现有地球物理探测技术在解译浅部地层（0～200 m）信息的精度还不够，无法克服城市高干扰问题。此外，目前国内钻探测试技术尚不成熟，测试要素较少，获取天然状态下岩土体信息不足。

2.3 地下空间资源评价与协同规划理论不成熟

我国对地下空间资源的评价和研究起步较晚。1990年，北京最早使用遥感技术进行浅层地下空间资源调查，进行了二环内10 m以上浅层的既有地下设施调查和地下空间可供开发资源评价，开始尝试大城市中心城区和重点地区地下空间资源调查评估[7]。2000年，香港进行了地下空间开发适宜性评价和岩体质量评级，并结合开发难度、开发适宜性和政策需求开展了地下空间综合质量评级[8]。目前，地下空间资源评价通常基于地形、地质条件、水文条件、社会经济需求等多因子加权打分的“地下空间开发适宜性评价” [9-11]，然而这种评价对地下空间的资源属性表达不充分，没有把地下空间作为资源来评价其质、量等蕴藏的禀赋特征。缺乏对地下空间资源属性的认识和评估，可能对于国内城市，尤其是开发力度大的城市，在地下空间开发过程中的可持续开发能力造成影响。

我国地下空间规划始于2001年北京市政府组织编写的《北京市中心地区地下空间开发利用规划大纲》。21世纪以来，随着我国经济快速发展，我国大中城市地下空间规划工作陆续展开，截止2015年，已有三分之一以上的城市编制了城市地下空间专项规划。《城市地下空间开发利用“十三五”规划》[12]提出，力争到2020年不低于50%的城市完成地下空间开发利用规划编制和审批工作，促使更多的城市推进地下空间探测和评价工作。从全国整体看，当前地下空间规划实际编制与评审过程中与地质调查部门衔接不紧密，导致对地质信息的获取和解读严重不足，使已查明的地质信息无法充分运用在地下空间规划中。此外，在未摸清地下地质结构的前提下，对地下空间分层利用、深层市政设施进行布局和规划，其科学性和安全性将大打折扣。

3 战略构想

3.1 “地下空间”内涵

狭义上，“地下空间”是地表以下自然形成或人工开发形成的空间，自然地下空间是地质作用形成的洞穴、孔隙、裂隙等地下空间，可以开发为地下工厂、地下仓库、地下电站、地下停车场、地下防空洞。广义上，“地下空间”泛指地表以下的空间，包括地表以下的地质体、天然形成的各种洞穴以及人类建造的地下建筑体。本文的研究对象是指广义上的地下空间，包括地下空间工程与地质环境的相互影响作用。

“地下空间资源”是可供人类开发利用并可开发形成地下空间的岩土体。1982年，联合国自然资源委员会正式将地下空间列为“潜在和丰富的自然资源”，并被认为是与宇宙、海洋并列的、未来最具有开拓价值的领域[13-15]。

3.2 地下空间探测与安全利用新理念

3.2.1 地下空间“全要素”精细探测

地下空间开发利用是在地下地质体中进行，因此，探明城市地下“土岩水气”属性特征和演化规律、摸清地下地质情况、识别地下空间开发关键地质环境要素，是地下空间安全开发利用的关键。本文提出开展城市地下地质结构、属性、参数等“全要素”精细探测，识别不同地质条件、不同深度的城市地下地质情况，实现城市地下“透明化”。

针对城市地下岩土地质结构特征，按地质条件，将城市划分为单一地质结构和复合地质结构两大类型。单一地质结构指200 m以上浅部松散层或某一类基岩为主的地质结构类型，如上海等平原城市以松散层地层为主、青岛以花岗岩为主、桂林以碳酸盐岩为主。复合地质结构型是200 m以下浅松散层与基岩组合发育的地质结构类型，包括二元复合结构和多元复合结构，二元复合结构主要为2种岩土类型组合，如上部为松散层，下伏基岩，岩性和结构相对单一;多元复合结构主要为3种及以上岩土类型组合，如上部松散层下伏多种基岩组合。

围绕城市地下空间安全开发和利用，根据不同地质条件类型的城市对地下空间开发利用的控制因素，明确探测对象和探测重点，筛选全要素指标，建立城市地下空间全要素探测指标体系（表2）。

3.2.2 地下空间“全资源”整体评价

传统的地下空间评价，仅从工程条件的适宜性开展地下空间开发利用适宜性评价，未考虑城市地下空间开发过程对矿产、地下水、地温、地质材料等资源的利用和影响。本文建立地下空间“全资源”评价理念，统筹考虑各类资源，是新时代地下空间开发利用的发展方向。

要开展地下空间“全资源”评价，首先需要开展地质构造、岩土地层、地下水、地温场等资源与地下空间工程耦合作用下城市地下空间系统的分区分层特征研究，全面分析地下空间资源类型（包括地下空间、矿产、地下水、地温能、地质材料、岩土材料等）、品质、容量及开发强度，识别各类资源禀赋的量化参数及其区位差异;其次是确立单一、复合两大类地质结构条件下评价要素选取与量化方法，建立地下空间全资源整体评价的指标体系与评价模型;最后，提出地下空间资源不同类型子系统划分规则，实现城市地下空间全资源、多尺度动态评价。

地下空间开发后对地质环境条件和地质资源的影响是需要密切关注的问题，坚持可持续发展，在“全空间资源”评价的基础上，开展研究全球变化背景下，地质环境扰动及地下空间开发利用对城市地下空间资源的反馈影响研究，开展城市地下空间全资源动态分析，揭示城市地下空间开发和利用过程中地下空间资源及其他资源的质量与容量变化特征及其规律，研究地下空间资源环境演化模拟方法，以确保城市地下资源可持续利用，保障地质环境安全和城市安全。

3.2.3 地下空间“全空间”协同规划

城市地下空间规划包括平面布局与竖向深度规划控制。城市地下空间功能需求与潜在价值的不同，城市地质环境及各种保护要求，共同决定城市地下空间开发的适宜性，并成为地下空间功能区划与规划控导的主要影响因素。因此，在现有城市规划理论的基础上，开展城市地下空间资源规划原理与方法研究，实现城市地下空間“全空间”协同规划。

不同发展阶段、不同类型的城市，对城市地下空间开发利用需求也不同。以开展面向未来的城市地下空间功能需求及其预测方法研究为前提，分析不同类型的城市需求，开展不同功能、不同规划期地下空间开发研究，进行潜在价值与经济、环境、生态等多目标社会和环境效益分析，从而获得地下空间开发难度与潜在价值预测，为协同规划提供依据。

城市地下空间协同规划，需要从整体角度统筹考虑地下空间开发内在需求与潜在价值、资源环境保护以及地上地下统一规划，在现有城市规划理论的基础上，基于地下空间功能需求及资源利用与保护、环境影响与控制、经济成本与效益、韧性城市恢复力等，开展地下空间协同规划理论与方法创新，确立城市地下空间规划的控导方法，建立地下空间平面区划方法及不同功能分层开发模式，并形成地下空间重点、优化、限制、禁止与开发的原理与评价指标体系，实现城市地下“全空间”协同规划。

针对目前地下空间开发引发的环境问题，了解规划在城市地下空间可持续开发中的职责，开展规划后评估研究。一是研究地下空间开发利用对城市大环境的影响机制（包括正面影响和负面影响），建立城市地下空间规划环境影响评价指标体系和相应的方法，保证地下空间开发利用的环境效益最大化发挥。二是提出城市地下空间规划对于城市地下 “全空间资源”，包括空间资源、地热资源、地下水资源、矿产资源等的协调利用水平和未来资源可持续利用的影响。

3.2.4 地下空间“全环境”监测预警

地下空间开发过程中出现的各类地质灾害和环境演变值得关注，因此，掌握城市地下空间开发与地质环境的相互作用规律，通过对地下工程和地下水、土、气等地质环境开展监测，评价工程扰动下地质结构的变形破坏规律及其对工程结构物的影响，从而减少地下空间开发对地质环境影响，保障地下工程安全和城市整体安全，保证经济社会和地质环境可持续发展。

我国城市地下空间的发展潜力巨大，监测任务艰巨。首先，要开展地下空间监测理论与方法研究，解决监测指标选取、精度控制、监测分析模型和方法选定、数据平滑去噪、模式识别、数据挖掘、温度补偿等难题。其次，加大研发新型地下空间传感器和解调系统，解决网络集成、数据存储传输、数据库系统、监测数据可视化、供电方案等问题。

在理论研究的基础上，结合城市地下空间开发利用和地质环境特点，选择合适的监测点网布设和监测方法，在线实时获得城市地下空间开发利用全过程的地质环境变化和灾变分布信息，如地面沉降与塌陷、滑坡、地裂缝、城市水污染、海（咸）水入侵、岩土化学污染等灾害信息，地温场升高及其引起的灾害效应，地下古河道系统破坏等。另一方面，通过数值模拟和模型试验等信息技术，掌握地质岩性与构造、水文地质与工程地质条件、含水层与古河道分布等地质环境监测信息变化规律，掌握既有城市地下设施，如水、电、气管道（廊），地铁等地下通道，建筑基础，储存库、防空洞、地下硐室等的监测信息变化规律。

通过对监测原则、技术以及监测资料汇总整理分析，建立用于地下空间开发风险评估和地质灾害预警的人工智能预测预报模型、非线性预测预报模型和基于GIS 技术的信息模型。

3.3 地下空间探测与安全利用理论与技术新体系

以地球系统理论为指导，融合地质、规划、工程、建筑、经济管理等多学科理论，在系统开展“全要素”精细探测、“全资源”整体评价、“全空间”协同规划、“全环境”监测预警的基础上，创新地下空间探测与安全利用理论，构建精细探测-资源评价、区划-协同规划、勘察设计-施工建设、监测预警-应急处置四大技术体系，服务地下空间开发利用全过程，支撑地下空间安全利用和科学管理，为相关法律法规制定提供支撑（图1）。

3.3.1 理论体系

与传统地下空间开发利用强国相比，我国在地下空间资源评价和区划规划等理论方面存在明显差距和不足，必须从地下空间资源与协同可持续发展角度出发，考虑城市地质环境与地下空间协同、地上设施与地下空间协同、地下空间不同层次之间协同、地下空间不同开发类型协同，城市地下空间与地质资源综合开发利用协同等方面，创新城市地下空间理论体系。

（1）地下空间系统平衡与扰动再平衡理论。城市地下岩、土、水、气是经过漫长地质历史演化形成的相对稳定的地下动态平衡系统，是由不同时期、不同阶段内、外动力地质作用形成的共生组合体。目前，缺少城市地下地质系统平衡和扰动后再平衡的理论基础，地质平衡系统形成与演变过程、变化规律、驱动因素对地下空间资源控制不清楚，传统的水文、工程、环境学科理论难以为城市地下全要素探测、全空间资源评价提供理论支撑，以至于地下空间探测要素不齐全，探测目标不明确，立体表达的单元与系统划分不统一，影响动态地质平衡关键因素、关键参数、关键区域的识别。因此，需要创新城市地下地质系统平衡和扰动再平衡理论，指导城市地下空间探测与评价。通过地下空间全要素探测，划分相对稳定的动态平衡系统，探明系统内部物质组成、边界，建立应力场、温度场、化学场、地下水流场、力学参数等系列参数档案，评价各系统的自平衡状态，系统边界的稳定性，以及不同系统之间的关系。

（2）地下空间资源评价理论。地下空间资源受制于地下构造展布、地层结构、岩土属性及地下水系统等地质环境要素，地下多种资源类型（包括地下空间、矿产、地下水、地温能、地质材料等）并存，从全空间资源角度，建立城市地下全空间资源、多尺度动态评价新理论。

（3）地下空间区划与协同规划理论。城市地下空间区划和规划是个复杂的体系，地下空间资源是有限的，科学、安全开发利用城市地下空间资源必须首先进行地上地下一体化的统一、协同顶层规划，这一顶层规划必须是科学、缜密、综合的长远规划，必须是全面考虑地质、经济、安全、环境，进行多因素、全功能、全深度、全资源区划和协同规划。

3.3.2 技术体系

为促进我国地下空间安全利用，在攻关关键技术的基础上，形成保障地下空间科学利用和安全运行全过程的整套技术体系。

（1）城市地下空间精细探测-资源评价技术体系。城市地下空间重点探测0～200 m地下空间开发利用层，同时兼顾人类影响层（0～500 m）和区域地质构造控制层（0～1 000 m），针对我国不同区域城市地下空间开发现状与地质环境具体特点，确定探测深度。一是研发适用于探测地下0～1 000 m以内不同深度、不同精度岩、土、水、气组成、结构、参数、指标、储存、显示、分析、表达所需要的定位测量技术、物探技术、钻探技术、测井技术、测试技术、监测技术、数据集成技术、三维建模技术;二是研究城市地下空间资源禀赋、安全资源量、资源品質、资源经济价值、环境影响等及地下空间分层功能适用性。形成地下空间资源整体评价指标、模型和技术方法。通过关键技术攻关和技术方法集成，形成城市地下空间精细探测-资源评价技术体系。

（2）城市地下空间区划-协同规划方法体系。建立地下空间协同区划-协同规划技术体系是地下空间安全利用的必由之路。研究不同功能地下设施埋深适宜性、协同演化机理、空间布局要求;研究城市地下全资源（地下空间、地下水、地温能、地质材料）开发相互影响的识别评价方法，包括模式识别、表征指标体系、系统动力学模型与模拟方法等;提出城市地下多种资源协同开发的原理、优先级及避让保护方法、开发边界与规划控导方法、协同规划与管控方法等技术。

（3）地下空间勘察-施工建造技术体系。研究考虑岩土介质、地下结构以及多种界面影响的城市既有地下空间的探测理论和技术，基于地下结构的服役规律，建立城市既有地下空间服役性、使用性、结构安全性的评估模型及既有空间改造的可行性分析方法;研究既有结构与新结构的长期协同机理，分析改扩建工程的环境扰动影响，形成城市既有地下空间改造工程的设计方法、施工关键技术，并研发配套施工装备。建立不同深度岩土体结构模型，研究多场环境下地下工程扰动-平衡机理，形成深层地下空间多场、多尺度地层-结构-环境耦合理论和计算模型，建立深层地下结构全寿命的安全评估方法以及其对地下水、地质环境、浅层地下结构和区域地表沉降的影响分析方法;研究复杂地质环境、场地环境下的地下工程响应和扰动规律，形成地下工程建造关键技术体系;研发适合深层地下空间的新型结构形式、施工工艺和设备，建立深层地下空间施工的微扰动施工控制体系，构建基于风险管控的建设、运维安全体系，实现深层地下空间的绿色、友好、开放、安全建设。

（4）地下空间监测-预警技术体系。主要包括与地下深部大变形相适配的传感器设计，高压、高温环境下应力、应变传感器研发，深部钻孔传感器的植入及保护技术以及地下神经网络功能集成与自适应技术;多参量传感器数据整合融合和智能处理技术;深部岩体和地质环境全面、完整的动态信息获取技术;地下空间地质环境演变与地下工程安全预测预警模型。通过监测-预警技术体系的信息获取和模型厚茧，利用动态监测信息，实现地下空间地质环境演变与地下工程安全状况的态势分析、超前预测和安全预警。

4 结 论

（1）向地下要空间，科学开发、安全利用城市地下空间资源，是转变城市发展方式、突破城市发展瓶颈、破解城市发展困境的必然选择。

（2）围绕我国地下空间探测与开发利用的现状，提出了地下空间“全要素”精细探测、“全资源”整体评价、“全空间”协同规划和“全环境”监测预警新理念，围绕地下空间开发利用中面临的重要科学问题和关键技术问题，构建了城市地下空间探测与安全利用新的理论体系和技术体系。

（3）上述新理念、新理论、新技术的提出，旨在促进我国城市地下空间探测、开发、安全利用和科学管理，丰富和完善地下空间学科的理论体系。

致谢：本文是在中国地质调查局和中国地质科学院地球深部探测中心的支持下，是城市地下空间探测与安全利用领域专家、学者的集体智慧结晶，探测技术方法方面专家有：戴春森、石显新、邓晓红、夏江海、谭卓英、罗水余、贾军、宋殿兰等;地质调查、资源评价和协同规划方面的专家有：徐锡伟、李晓昭、吴立新、廖云平、史玉金、张光辉等;监测预警方面的专家有：施斌、张丹、朱鸿鹄等;信息系统方面的专家有：李超岭、花卫华、李丰丹等;特殊地下空间利用专家有：邓建辉、高明忠、李旭峰等。本文编写过程中，董树文研究员、高锐院士、王成善院士、王复明院士、彭建兵教授、朱合华教授、陈志龙教授给予了高屋建瓴的指导，南京大学、中南大学、同济大学、解放军陆军工程大学、四川大学、北京科技大学、中国科学院地质与地球物理研究所、中国地震局等有关高校和科研院所给予了大力支持，在此一并表示感谢！

参考文献

[1] 崔曙平. 国外地下空间开发利用的现状和趋勢[J]. 城乡建设， 2007（6）： 68-71.

[2] 李地元， 莫秋喆. 新加坡城市地下空间开发利用现状及启示[J]. 科技导报， 2015， 33（6）：115-119.

[3] 李小春， 蒋宇静. 日本的地下空间利用[J]. 岩石力学与工程学报， 2004， 23（Z）： 4770-4777.

[4] LI X Z， LI C C， PARRIAUX A， et al. Multiple resources and their sustainable development in urban underground space[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2016： 55： 59-66.

[5] 赵镨， 姜杰， 王秀荣. 城市地下空间探测关键技术及发展趋势[J]. 中国煤炭地质， 2017， 29（9）： 61-66.

[6] 程光华， 翟刚毅， 庄育勋， 等. 中国城市地质调查成果与应用：北京、上海、天津、杭州、南京、广州试点调查[M]. 北京： 科学出版社， 2014： 5.

[7] 黄玉田， 张钦喜，孙家乐. 北京市中心区地下空间资源评估探讨[J]. 北京工业大学学报， 1995， 21（2）：93-99.

[8] HO J. Feasibility study of vertical greening for underground space in Hong Kong[D/DB]. 2015. http：//dx.doi.org/10.5353/th_b5673742.

[9] 柳昆， 彭建， 彭芳乐. 地下空间资源开发利用适宜性评价模型[J]. 地下空间与工程学报， 2011， 7（2）： 219-231.

[10]方寅琛， 龚日祥， 李三凤， 等. 基于三维地质模型的地下空间开发适宜性评价——以嘉兴城市地质调查工作为例[J]. 上海国土资源， 2017， 38（2）： 43-45.

[11]夏友， 马传明. 郑州市地下空间资源开发利用地质适宜性评价[J]. 地下空间与工程学报， 2014， 10（3）： 493-497.

[12]中华人民共和国住房和城乡建设部. 住房城乡建设部关于印发城市地下空间开发利用“十三五”规划的通知[EB/OL]. 2016-05-25[2016-06-27]. http：//www.mohurd.gov.cn/wjfb/201606/t20160622_227841.html.

[13]钱七虎. 城市可持续发展与地下空间开发利用[J]. 地下空间， 1998， 18（2）： 69-74.

[14]钱七虎. 中国城市地下空间开发利用的现状评价和前景展望[J]. 民防苑， 2006（Z）： 1-5.

[15]朱大明. “地下空间学”学科体系引论[J]. 地下空间与工程学报， 2011， 7（4）： 619-627.

作者：程光华 苏晶文 李采

新技术下的岩土工程论文 篇2：

地下咸水层封存CO2的研究现状及展望

摘 要：CO2捕获和封存技术是一项具有广泛应用前景的碳减排新技术，而地下咸水层是封存CO2最适宜的场所之一。首先介绍了地下咸水层封存CO2的基本原理；然后重点从三个方面论述了利用地下咸水层封存CO2的研究现状，包括CO2在地下咸水层中的运移规律，地下咸水层的地质条件分析与评价，以及CO2封存容量的估算三个方面；最后建议我国要进一步研究超临界CO2在地下咸水层中的渗流机理，并对具有封存潜力的地下咸水层逐步开展地质勘探与评价工作。

关键词：温室效应 气候变化 二氧化碳封存 二氧化碳减排 地下咸水层

CO2因具有温室效应被普遍认为是导致全球气候变暖的重要原因之一。如何减少CO2排放，已经成为全人类面临的共同难题。国际社会也一直在积极寻求CO2的减排对策。绝大多数的CO2排放都是由于燃烧化石燃料引起的。化石燃料（包括煤炭、石油、天然气等）是世界能源的主要组成部分，在未来几十年内，预计化石燃料的使用和消耗将进一步增加。国际社会对化石燃料的长期依赖性迫使各国亟需寻求新的减排方法。CO2捕获和封存技术（CO2 Capture & Storage，以下简称CCS）被认为是一项具有广泛应用前景的CO2减排新技术。

CCS是一种将工业和能源等集中排放源产生的CO2进行收集、运输并安全封存到某处使其长期与大气隔离的技术。CCS主要由捕获、运输和封存三个环节组成。其中，关于CO2的捕获与运输环节，已经有相对成熟的技术和工艺，现阶段面临的主要是成本问题。而最后一个环节，CO2的封存，目前仍然存在着很大的不确定性，面临着许多挑战。CO2的封存方案主要包括地质封存和海洋封存两大类。由于海洋封存有可能对海洋生态环境带来灾难性的影响，国际社会目前推动的主要是CO2的地质封存。CO2的地质封存场所主要包括：开采后期（或枯竭的）油气层、不可开采的煤层，以及深部地下咸水层。其中，地下咸水层在世界范围内分布广泛，并且拥有巨大的封存潜力，被认为是封存CO2最适宜的场所之一。但是利用地下咸水层封存CO2涉及到CO2与深部地质环境的复杂相互作用，现有的知识技术水平还无法确保CO2能够安全、稳定和长久（几百年甚至上千年）地封存于地下，因此需要科学家们对此开展进一步深入的研究。

1 地下咸水层封存CO2的基本原理

地下咸水层是指地底深处具有封闭构造的含地下水盐溶液的岩层。地下咸水层封存CO2的基本原理，就是将加压后高密度的CO2通过注射井注入地下岩层的孔隙空间中以替代原有位置的地下咸水。在此过程中，CO2会部分溶解于地下咸水中，或者与地下咸水中的矿物成分或构成岩石骨架的矿石颗粒发生化学反应，从而达到长期封存CO2的目的。

CO2注入地下咸水层后主要存在三种状态：（1）溶解状态：一部分CO2将溶解在地下水中。（2）超临界状态：CO2一般封存于深度大于800m的地下咸水层中，此时地下温度和壓力均在CO2的临界点以上，CO2将处于一种被称作超临界的状态，其特点是既具有近似液体的较大密度，又具有近似气体的良好的流动性。（3）矿物状态：在咸水层里，部分CO2还能够与地下水及岩层中的矿物或有机质发生化学反应生成碳酸盐矿物，形成最为稳定和持久的存在形式。在这三种形式中，由于CO2在地下水中的溶解能力较小，溶解封存只占4%～6%，而矿物封存进程缓慢，需要上千年甚至更长的时间才能达到一定的封存量。因此，在科学家们所关注的时间跨度内（几十年至几百年），注入地下咸水层中的CO2主要以第二种形式，即超临界状态存在。

2 地下咸水层封存CO2的研究现状

2.1 CO2在地下咸水层中的运移规律

前已述及，CO2在注入地下咸水层后主要以超临界状态存在。而超临界状态CO2在地下咸水层中的运动是一个非常复杂的多相态流动过程：一方面，超临界状态CO2注入地下咸水层后将在压力梯度和浓度梯度的作用下随地下水一起扩散；另一方面，由于超临界状态CO2的密度往往小于地下流体，因此会在浮力的作用下向上方运动。此外，当CO2移动通过岩层孔隙时，毛细作用会阻碍CO2的运动，有一些CO2因毛细作用力而滞留在孔隙空间中。这三种运动往往同时进行，构成了非常复杂的渗流行为。同时，CO2的渗流过程还有可能受到许多环境因素的影响，如地层中的温度和压力会直接影响CO2的粘滞性，进而影响其在岩石介质中的渗透性能；CO2-地下水-岩石三相系统中的矿物化学反应尽管进程缓慢，但是即使生成少量的碳酸盐矿物也可能会使岩石介质中的孔隙率发生变化，从而对CO2的渗透性能产生影响。

伴随着CCS技术的发展，科学家们首先利用现场试验和监测数据开始研究CO2封存于地下咸水层后的运移规律。1996年，挪威的Statoil石油公司在北海的Sleipner天然气田上开始了人类历史上第一次把CO2封存于地下咸水层的工业实践。该公司每年向位于海底下1000 m深的高渗透性Utsira砂岩地层中注入100万吨左右的CO2[1]。以此为契机，国际能源署（IEA）于1996年至1999年实施了Sleipner Aquifer CO2 Storage （SACS）国际合作研究计划[2]，采用地震波法跟踪监测注入地下后的CO2的迁移状态。监测结果显示大部分超临界状态CO2在浮力作用下先逐渐上浮，达到上覆不透水岩层的底部后沿着上覆岩层的底部轮廓向四周逐步扩散。这说明浮力在超临界状态CO2的运动中起到非常显著的驱动作用。2004年，美国能源局在德克萨斯州北部的Frio地层中开展了CO2咸水层封存的先导性试验计划[3]。该计划利用一口注射井向Firo地层中以每天160吨左右的速率注入CO2，并利用另一口观测井进行CO2注入前、注入过程中以及注入后的水文监测、地球化学监测和地球物理监测。日本在CO2地下封存研究方面也进行了探索性的试验项目。2000年至2007年，日本RITE研究所在长冈将大约1万吨的CO2注入地下1200 m深的咸水层中，并采用地震波法、直接钻孔勘查法、孔间弹性波层析法等多种手段监测CO2在地下咸水层中的迁移状况[4]。监测结果表明，超临界状态CO2在地下咸水层中渗透速度缓慢，处于非常稳定的封存状态。在阿尔及利亚的In Salah地区，石油公司自2004年开始也将从天然气中分离出来的CO2重新注入到地下咸水层中，并观测CO2的运移过程。除了使用地震波法和钻孔观测等常规方法以外，还首次利用卫星影像技术观测注射井附近的地表运动情况[5]。此外，加拿大，德国，英国等国也先后开展了CO2在地下咸水层中封存的试验项目研究[6]。在国内，神华集团结合煤化油项目在内蒙古鄂尔多斯盆地，中科院地质与地球物理研究所庞忠和领导的研究小组结合地热资源的利用在渤海湾盆地都开展了CO2地下咸水层封存的试验项目。目前，相关研究正在进行之中。这两个项目的实施将对我国今后的CO2地下咸水层封存实践起到重要的指导作用。

CO2在岩层中的渗透过程受到多种因素的影响，由于现场试验无法对各种影响因素进行有效的控制，因此，可控条件下的室内渗透试验成为研究CO2渗透机理的重要基础手段。Xue等人[7～8]开展了一系列研究CO2在岩石介质中的渗透过程的室内试验。他们分别将气态、液态和超临界状态的CO2注入砂岩试样中，并用弹性波检测不同相态的CO2在岩石中的运动情况，发现超临界状态CO2在岩石中的渗透速度要远大于气态和液态的CO2，并且渗透性能与岩石的孔隙结构特征紧密相关。然而囿于试验设备和测试手段，目前CO2渗透的室内试验成果还相对较少。

溶解于地下水中的CO2与地下水盐溶液及岩石矿物成分发生的化学反应也有可能影响CO2在岩层中的渗透性能。一些学者通过室内试验研究了CO2-地下水-岩石系统中所发生的化学反应[9～10]。溶解在地下水中的CO2生成的碳酸根离子能与地下水中的金属阳离子或是岩石中的硅酸盐矿物发生化学反应，生成碳酸盐矿物。尽管这是矿物封存CO2的一种稳定方式，但是生成的碳酸盐矿物有可能聚集在岩石孔隙中，降低岩石的孔隙率，从而降低CO2在岩层中的渗透性[11]。Xiao等人[12]对CO2注入地下咸水层后的化学反应过程进行了数值模拟，发现在注射井附近的区域由于岩层中硅酸盐矿物的溶解会导致岩石孔隙率增大，而在远离注射井的区域由于碳酸盐矿物的形成，岩石的孔隙率会降低。

此外，数值建模和分析也是研究CO2在地下咸水层中运移规律的重要手段。有不少学者在这方面进行了相关的工作。例如，Weir等人[13]，Pruess等人[14]对CO2注入均质地层后的径向扩散流动过程进行了数值模拟分析；Lindeberg[15]在CO2流动模拟过程中考虑了断层的影响；White等人[16]，Zhang等人[17]则通过数值模拟分析了地层的不均匀性对CO2流动过程的影响；Sasaki等人[18]对CO2的注入过程进行了数值模拟研究，主要分析了地下岩层的压力和温度对CO2滲透过程的影响。Yamamoto等人[19]对CO2封存于东京湾地下咸水层后的迁移状态进行了数值模拟，发现CO2的渗透会引起浅层地下水孔隙水压的上升并对地下水的渗流产生影响。在国内，郑艳等人[20]对江汉盆地江陵凹陷区CO2流动过程进行了数值模拟，分析了注入CO2的运移分布和溶解扩散情况。刘永忠等人[21]通过数值模拟研究了超临界CO2注入的过程参数和咸水层特性对CO2注入特性和咸水层中饱和度分布的影响。然而，目前的数值模拟研究采用的主要是传统的多相流体在多孔介质中的渗透理论和控制方程，而尚未考虑超临界状态CO2流动所具有的特殊性质，如在压力和温度作用下CO2在超临界状态-溶解态之间的相态转化因素等。

2.2 地下咸水层的地质条件分析与评价

考虑到CO2地下封存的安全性和空间封存效率，适合于封存CO2的地下咸水层必须满足如下四个方面的标准[6]：（1）深度大于800 m，此时地层的温度和压力均在CO2的临界点以上，能保证CO2处于超临界状态，具有较大的密度和较好的流动性。（2）具有容纳和封存CO2的能力，即地下咸水层必须具有较大的体积规模，较大的孔隙率和较高的渗透性。（3）具有良好的封闭构造，保证注入的CO2不会逃逸返回至大气层。（4）处于稳定的地质环境中，发生地质构造运动的概率小。这四个方面的要求都与CO2储层和盖层的地质条件紧密相关，因此在选择封存场所时必须对地下咸水层储层和盖层的地质特征做综合的评价。孙枢[22]总结了CO2地下封存选址时需要考虑的地质因素，指出CO2封存场所应优先选择岩层完整性较好的沉积盆地，并进一步考虑其①封存介质的特征，包括它们的几何形态、内部架构、岩石学-矿物学特征、孔隙度-渗透率、非均质性、岩石力学性质、破裂程度和整体完整性等。②现场（原地）条件特征，包括应力条件、压力、温度、流体流动方向、地下水盐度等。要综合考虑这些因素必须掌握足够的地质勘探信息。然而对于大多数的地下咸水层，科学家们目前掌握的信息并不充分，因此在很多情况下只能从宏观尺度上粗略地判断某个地下岩层用于封存CO2的可行性。

为了克服认知上的不足，不少国家已经开展了针对具有CO2封存前景的地下岩层的地质勘探与评价工作。如Chadwick等人[23]结合挪威北海的Sleipner项目，分析了用于封存CO2的Utsira砂岩层及其上覆岩层的地质特征。Bradshaw等人[24]对澳大利亚有可能用于封存CO2的100个沉积盆地进行了调查和分析，着重考虑它们的地质构造特点及用于封存CO2的可行性。日本也对具有封存潜力的地下岩层的地质特征进行了调查和分析，发现满足封存条件的地下咸水层主要分布在近海大陆架区域[25]。在国内，张洪涛等人[26]从我国主要的沉积盆地的地质成因出发，分析了中国适宜CO2埋存的地质条件和潜在的埋存区域，指出受新构造运动的影响，我国主要大型盆地均沉积了多层组合的沉积体系，形成了较好的封存条件。如在松辽平原、黄淮海平原、长江三角洲、西北内陆盆地、四川盆地，都有可能分布有满足CO2封存要求的地下咸水层。但是，国内目前关于CO2地下封存的地质条件的调查与评价方面的具体工作尚未全面开展。

2.3 CO2封存容量的估算

在CO2地下封存实施之前，除了要对CO2封存的稳定性进行评价以外，还必须对它的封存容量进行估算。正确可靠的估算对于封存选址以及封存方案的制定等都具有重大的意义。不少科研机构和科学家已经对全球或某个区域等不同尺度的CO2地下咸水层封存容量进行了评估。例如，欧洲多个研究机构于2006年共同发起了EU-GeoCapacity项目，专门致力于评价欧洲范围内不同地区的CO2地质封存潜力[27～32]。Shafeen等人[33]对加拿大Ontario地区的两个地下咸水层的封存容量进行了计算。Ogawa等人[34]评估了日本的地下咸水层的封存潜力。国内的相关工作也已经逐步开展。李小春等[35]利用溶解度法估算了中国24个主要沉积盆地1000～3000m深度范围内的CO2封存容量。任相坤等人[36]对鄂尔多斯盆地的CO2地质封存潜力进行了分析，初步预测CO2的封存容量大约为数百亿吨。张亮等人[37]对我国南海西部的5个地下咸水层的封存潜力进行了测算。周蒂等人[38]对广东珠江口盆地的CO2封存潜力进行了估算，预测其封存容量可达308Gt，能够容纳广东省上百年的工业CO2排放量。

部分學者也提出了一些通用化的估算方法[39～42]。这些方法主要是通过地下咸水层的储层体积来估算CO2的封存容量。首先根据储层的几何尺寸估算其体积大小，然后测算单位体积的储层所能容纳CO2的数量，进而估算整个咸水层的CO2封存容量。然而，由于在评估过程中所做的基本假定，所采用的估算手段，以及所使用的基础数据的不同，即使对同一个封存区域，不同的科学家所得到的估算结果也往往大不相同。Bradshaw等人[43]总结了43个由不同科学家或研究机构对世界及区域范围内CO2地下封存容量所做的估算结果，发现不同学者对同一区域的估算结果可能存在数量级上的差异。为了克服这一困难，碳封存领导人论坛（Carbon Sequestration Leadership Forum， CSLF）已经着手制定标准化的统一的评估方法来消除分歧[44]。然而，评估结果的可靠性依然取决于输入信息的准确度，因此，通过地质勘探和现场试验研究获取更加完整和准确的储盖层信息资料对于CO2封存容量的评估具有重要的意义。

3 结论与展望

作为发展中国家，我国在目前阶段尚未承担强制性的减排任务，但是我国CO2排放量已位居世界第一，面临着巨大的减排压力。研究开发具有我国自主知识产权的、经济高效的CO2地下咸水层封存技术，推动CO2减排，对于实现我国社会经济可持续发展和营造良好的国际环境具有重要意义。但是，利用地下咸水层封存CO2还面临着许多困难和挑战，有许多问题需要开展进一步的研究。

（1）CO2注入地下咸水层以后，将主要以超临界状态的方式存在。因此，研究超临界状态CO2在地下咸水层中的运动与变化机理对于CO2封存的安全性和稳定性评估具有重要的意义。目前，科学家们主要是通过CO2封存的现场试验和监测数据研究CO2封存于地下咸水层后的运动与变化规律。也有部分学者通过室内试验以及数值模拟分析的方法进行研究。

（2）适合于封存CO2的地下咸水层必须满足一定的标准，这些标准涉及到地下咸水层的地质条件的各个方面。要想全面获得这些信息，需要进行大量和艰巨的地质勘探和现场试验工作。现阶段，对于大多数的地下咸水层，科学家们对相关信息掌握得还不充分，因此在很多情况下只能从宏观尺度上粗略地判断某个地下岩层用于封存CO2的可行性。

（3）关于CO2地下咸水层封存容量的评估，不同学者得到的估算结果存在巨大的差异，这是由于学者们所做的基本假定，所采用的估算方法，以及所使用的基础数据的不同而造成的。为此，碳封存领导人论坛（CSLF）提出了统一的CO2封存能力评估的标准化方法，但是估算结果的可靠性依然取决于输入信息的准确度。因此，通过地质勘探和现场试验等研究手段获取更加完整和准确的地下咸水层的地质信息对于CO2封存容量的评估具有重要的意义。

与先进国家相比，我国关于地下咸水层封存CO2方面的研究工作起步相对较晚，但是从总体上来说，国际上研究的历史也并不算太长，世界各国整体均多处在试验阶段。因此，我国仍然具有赶超国际先进水平的机会。综合本文的分析结果，笔者认为我国现阶段应当加强超临界CO2在地下咸水层中的渗流机理方面的研究工作，并在全国范围内对具有封存潜力的地下咸水层逐步开展地质勘探与评价工作。

参考文献

[1] Korbol R，Kaddour A.Sleipner vest CO2 disposal-injection of removed CO2 into the Utsira formation [J].Energy Conversion and Management，1995，36（6-9）：509-512.

[2] Tore A，John G.Demonstrating storage of CO2 in geological reservoirs： The Sleipner and SACS projects [J]. Energy，2004，29（9-10）：1361-1369.

[3] Hovorka S D，Benson S M，Doughty C， et al.Measuring permanence of CO2 storage in saline formations： the Frio Experiment[J].Environmental Geosciences，2006，1（2）：105-121.

[4] 地球环境产业技术研究机构.平成19年度二酸化炭素地中贮留技术研究开発成果报告书[R].2008.Research Institute of Innovative Technology for the Earth （RITE）. Report of CO2 geological sequestration project [R].2008.

[5] Riddiford F，Wright I，Bishop C，et al. Monitoring geological storage：the In Salah Gas CO2 storage project [C]// Proceedings of the 7th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies，Vancouver，Canada， 2004：1353-1359.

[6] Intergovernmental Panel on Climate Change.IPCC special report on carbon dioxide capture and storage [R]， 2005， http：//www.ipcc.ch/ pdf/special-reports/srccs/srccs_wholereport.pdf

[7] Xue Z Q， Ohsumi T. Seismic wave monitoring of CO2 migration in water-saturated porous sandstone [J]. Exploration Geophysics， 2004， 35（1）： 25-32.

[8] Xue Z Q.Lei X L. Laboratory study of CO2 migration in water-saturated anisotropic sandstone based on P-wave velocity imaging[J].Geophysical Exploration，2006，59（1）：10-18.

[9] Kaszuba J P，Janecky D R，Snow M G. Carbon dioxide reaction processes in a model brine aquifer at 200℃ and 200 bars：Implications for geologic sequestration of carbon[J].Applied Geochemistry，2003，18（7）：1065-1080.

[10] Liu L，Suto Y，Greg B， et al.CO2 injection to granite and sandstone in experimental rock/hot water systems [J].Energy Conversion and Management， 2003，44（9）：1399-1410.

[11] Lin H， Fujii T，Takisawa R， et al. Experimental evaluation of interactions in supercritical CO2/water/rock minerals system under geologic CO2 sequestration conditions [J]. Journal of Materials Science，2008，43（7）：2307-2315.

[12] Xiao Y T，Xu T F，Pruess K.The effects of gas-fluid-rock interactions on CO2 injection and storage： insights from reactive transport modeling [J]. Energy Procedia， 2009， 1：1783-1790.

[13] Weir G J，White S P，Kissling W M. Reservoir storage and containment of greenhouse gases [J].Energy Conversion and Management，1995，36（6-9）：531-534.

[14] Pruess K，Garcia J.Multiphase flow dynamics during CO2 disposal into saline aquifers [J].Environmental Geology，2002，42（2-3）：282-295.

[15] Lindeberg E.Escape of CO2 from aquifers[J].Energy Conversion and Management，1997，38（s1）：235-240.

[16] White S P，Allis R G， Moore J， et al. Simulation of reactive transport of injected CO2 on the Colorado Plateau， Utah，USA[J].Chemical Geology， 2005，217（3-4）：387-405.

[17] Zhang Y，Oldenburg C M，Finsterle S，et al.System-level modeling for economic evaluation of geological CO2 storage in gas reservoirs[J].Energy Conversion and Management，2007，48（6）：1827-1833.

[18] Sasaki K， Fujii T，Niibori Y，et al. Numerical simulation of supercritical CO2 injection into subsurface rock masses [J].Energy Conversion and Management，2008，49（1）：54-61.

[19] Yamamoto H， Zhang K， Karasaki K， et al. Large-scale numerical simulation of CO2 geologic storage and its impact on regional groundwater flow： A hypothetical case study at Tokyo Bay，Japan [J].Energy Procedia，2009， 1：1871-1878.

[20] 鄭艳，陈胜礼，张炜，等.江汉盆地江陵凹陷二氧化碳地质封存数值模拟[J]. 地质科技情报，2009，28（4）：75-82.Zheng Yan，Chen Shengli， Zhang Wei， et al.Numerical Simulation on Geological Storage of Carbon Dioxide in Jiangling Depression， Jianghan Basin， China [J].Geological Science and Technology Information，2009，28（4）：75-82.

[21] 刘永忠，黄必武，王乐.非均质多孔盐水层中超临界CO2的注入压力与饱和度分布特性[J].化工学报，2010，61（1）：32-42.Liu Yongzhong，Huang Biwu， Wang Le.Characteristics of injection pressure and saturation distributions of supercritical CO2 injection into heterogeneous saline aquifers [J].Journal of Chemical Industry and Engineering （China），2010，61（1）：32-42.

[22] 孫枢.CO2地下封存的地质学问题及其对减缓气候变化的意义[J].中国基础科学，2006，8（3）：17-22.Sun Shu. Geological problems of CO2 underground storage and its significance on mitigating climate change [J]. China Basic Science，2006，8（3）：17-22.

[23] Chadwick R A， Zweigel P， Gregersen U，et al.Geological reservoir characterization of a CO2 storage site： The Utsira Sand，Sleipner， northern North Sea[J].Energy，2004，29（9-10）：1371-1381.

[24] Bradshaw J， Allinson G，Bradshaw B E，et al.Australia’s CO2 geological storage potential and matching of emission sources to potential sinks [J]. Energy， 2004，29（9-10）：1623-1631.

[25] Ogawa T， Shidahara T， Nakanishi S， et al.Storage capacity assessment in Japan： comparative evaluation of CO2 aquifer storage capacities across regions [J]. Energy Procedia，2009，1： 2685-2692.

[26] 张洪涛，文冬光，李义连，等.中国CO2地质埋存条件分析及有关建议[J].地质通报，2005，24（12）：1107-1110.Zhang Hongtao，Wen Dongguang，Li Yilian， et al.Conditions for CO2 geological sequestration in China and some suggestions.Geological Bulletin of China，2005，24（2）：1107-1110.

[27] Thomas V P， Karen L A， Nikki S， et al. Assessing European capacity for geological storage of carbon dioxide -the EU GeoCapacity project [J]. Energy Procedia， 2009， 1：2663–2670.

[28] Holler S，Viebahna P.Assessment of CO2 storage capacity in geological formations of Germany and Northern Europe [J].Energy Procedia，2011，4： 4897-4904.

[29] Hatziyannis G，Falus G，Georgiev G， et al. Assessing capacity for geological storage of carbon dioxide in central-east group of countries （EU GeoCapacity project） [J].Energy Procedia， 2009， 1：3691-3697，

[30] Martínez R， Suarez I，Zapatero M A， et al.The EU Geocapacity Project-Saline aquifers storage capacity in Group South countries [J].Energy Procedia， 2009，1：2733-2740.

[31] Radoslaw T，Barbara U M，Adam W. CO2 storage capacity of deep aquifers and hydrocarbon fields in Poland -EU GeoCapacity Project results [J]. Energy Procedia，2009，1：2671-2677.

[32] Shogenova A，Shogenov K，Vaher R， et al. CO2 geological storage capacity analysis in Estonia and neighbouring regions[J].Energy Procedia，2011，4： 2785-2792.

[33] Shafeen A，Croiset E， Douglas P L， et al.CO2 sequestration in Ontario， Canada.Part I： storage evaluation of potential reservoirs [J].Energy Conversion and Management，2004，45（17）： 2645-2659.

[34] Ogawa T，Nakanishi S，Shidahara T，et al.Saline-aquifer CO2 sequestration in Japan-methodology of storage capacity assessment J]. International Journal of Greenhouse Gas Control，2011， 5（2）：318-326.

[35] 李小春，劉延锋，白冰，等.中国深部咸水含水层CO2储存优先区域选择[J].岩石力学与工程学报，2006，25（5）：963-968.Li Xiaochun，Liu Yanfeng， Bai Bing， et al.Ranking and screening of CO2 saline aquifer storage zones in China [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25（5）：963-968.

[36] 任相坤，崔永君，步学朋，等.鄂尔多斯盆地CO2地质封存潜力分析[J].中国能源，2010，32（1）：29-32.Ren Xiangkun， Cui Yongjun， Bu Xuepeng， et al. Analysis on CO2 storage potentiality in Ordos basin [J]. Energy of China，2010，32（1）：29-32.

[37] 张亮，任韶然，王瑞和，等.南海西部盐水层CO2埋存潜力评估[J].岩土力学，2010，31（4）：1238-1242.Zhang Liang， Ren Shaoran，Wang Ruihe， et al. Estimation of CO2 storage capacity in saline aquifers in west of South China Sea[J].Rock and Soil Mechanics， 2010， 31（4）： 1238-1242.

[38] Zhou D，Zhao Z X，Liao J，et al. A preliminary assessment on CO2 storage capacity in the Pearl River Mouth Basin offshore Guangdong， China [J]. International Journal of Greenhouse Gas Control，2011，5（2）：308-317.

[39] Bachu S，Bonijoly D，Bradshaw J， et al.CO2 storage capacity estimation： methodology and gaps [J]. International Journal of Greenhouse Gas Control，2007，1（4）：430-443.

[40] Zhou Q L，Birkholzer J T，Tsang C F，et al. A method for quick assessment of CO2 storage capacity in closed and semi-closed saline formations [J]. International Journal of Greenhouse Gas Control，2008，2（4）：626-639.

[41] Szulczewski M， Juanes R.A simple but rigorous model for calculating CO2 storage capacity in deep saline aquifers at the basin scale [J]. Energy Procedia， 2009，1：3307-3314.

[42] Martín C F，Plaza M G， Pis J J，0 et al.On the limits of CO2 capture capacity of carbons[J].Separation and Purification Technology，74（2）： 225-229.

[43] Bradshaw J， Bachu S，Bonijoly D， et al.CO2 storage capacity estimation： Issues and development of standards [J].International Journal of Greenhouse Gas Control，2007，1（1）：62-68.

[44] CSLF （Carbon Sequestration Leadership Forum）.A taskforce for review and development of standards with regards to storage capacity measurement [R]，2005，http：//www.cslforum.org/documents/Task force_Storage_Capacity _Estimation_Version_2.pdf.

作者：叶斌　叶为民

新技术下的岩土工程论文 篇3：

试析煤矿巷道锚杆支护的作用和改进

摘 要：煤矿特有的巷道支护涵盖了偏多的类别。巷道衔接着的支护，与附近架构下的围岩，有着互通的关联。巷道支护这样的可用技术涵盖了成套特性的支护技术。地质力学搭配着的测试、预设的锚杆支护、选取出来的支护原料、建造支护必备的机械、质量查验的可用路径，都可划归成如上的支护办法。锚杆支护这样的路径带有安全特性及实效特性，能促动支护成效的升高，助推了工作面的延展，增添了原有的煤炭产能。

关键词：煤矿巷道；锚杆支护；作用及改进

煤矿巷道衔接着的支护路径，历经了惯用的木支护、型钢制备出来的支护、新颖架构下的锚杆支护。实践数值表征出：锚杆支护这样的办法，能限缩支护成本，带有凸显的成效。比对惯用的棚室支架，锚杆建构起来的支护，缩减了原有的劳动量，限缩了原有的建构成本。工作面衔接着的端头支护、超前支护这样的工艺，也经由如上的路径，得以简化。这就为原有的产量升高创设了可用的条件。锚杆支护特有的技术，被广泛接纳和延展。

1 成套架构下的支护作用

煤巷衔接着的锚杆支护，关联着成套架构下的新技术，是一个带有完备特性的技术体系。如上的技术体系，可以分出巷道现存的围岩测定、预设的锚杆支护、选取出来的支护原料、支护质量的查验、矿压的查验和评析、特有情形下的支护建构。锚杆支护现有的作用，可以分出悬吊支护这样的作用、加固现有的拱形、组合梁特有的支护作用。

在这之中，支护凸显出来的悬吊作用，表征在偏薄的直接顶之上，或者很稳固的老顶之上。锚杆把下侧方位内的岩层，悬吊在特有的稳固岩层之上，锚杆荷载了偏软的岩体重量。此外，为了能建构起可用的组合梁，锚杆要被安设在受接状态。这样一来，锚杆涵盖着的拉力，就会产出特有的法向力；层级衔接着的摩擦力，就会荷载水平方位内的剪应力。

1.1 地质力学查验的关联技术

围岩搭配的力学测验，可以分出特有的地应力查验、围岩现有的强度查验、巷道构架的查验。在查验地应力时，主要接纳了应力解除这样的办法、水压致裂的特有办法。在这之中，应力解除这样的办法，可以查验现有的原岩应力、次生态势下的岩层应力。水压致裂这样的办法，可以经由地表钻孔这一路径，衡量出现有的煤层应力。孔径偏小的水压致裂，获取到了精准的查验数值。

在查验煤层现有的强度数值时，可以挖掘出钻孔，经由井下方位内的强度测量，辨识出原初情形下的岩体强度。经由井下打孔这样的路径，可以辨识出岩体特有的抗压属性。

1.2 细分出来的支护流程

建构支护路径时，要顾及到锚杆衔接着的锚索，考量这一体系内的配件协同，以便凸显出整体态势下的支护成效。锚杆设定好的托板、衔接着的螺母，应能与现有的杆体搭配；锚固剂涵盖着的力学属性，也要与现有的杆体契合；组合态势下的各类配件，以及关联着的金属网，要能与现有的杆体契合。锚索及衔接着的托板、安设好的金属网，都应与现有的锚杆近似。若顶板现有的稳固性差，则要添加合规的钢筋，以便增添这个层级的稳定性。

预应力偏高的那些杆体，要搭配着带有配套特性的拱形托板、强度偏高的螺母、限缩摩擦必备的垫片。组合态势下的多样配件，要配有最佳情形下的刚度比值，安设W这一形状的特有钢带。金属网的安设，要依循既有的强度规则。对于偏高应力态势下的强力锚索，应衔接着大托板，以便有序延展现有的工作阻力。若不这样，则某一配件的碎裂，会干扰到现有的总支护，也可能限缩总的体系成效。锚杆及关联的锚索，应搭配着最佳情形下的力学参数；它们应能建构起协同路径下的配合机制。

2 可用的改进路径

2.1 支护必备的新颖材料

支护必备的原料，经由偏低强度，更替到偏高的强度。惯用的圆钢粘结情形下的锚杆，曾被广泛接纳。现有的很多区域，还在沿用如上的支护原料。然而，这样的原料，很难与偏复杂的场地契合，因此，开发了带有偏高强度的、螺纹钢制备出来的支护原料。这样的配件，优化了原初的锚杆形状，增添了原初的锚固成效。开发了带有专用特性的钢材原料，提升了原料应有的强度层级。预应力架构下的锚索支护，也带有专用特性，增添了吨位。锚索总体架构下的直径能升至23 mm；最大范畴内的拉断荷载，能升至590 kN。锚杆的材质，可以分出惯用的钢材、新型架构下的玻璃钢。有的锚杆，是用专用情形下的螺纹钢，予以制备的。锚固剂也可分出多样的类别，主要涵盖了水泥制备的锚固剂、树脂制备的锚固剂等。

2.2 质量查验及矿压查验

锚杆建造的查验中，带有成套特性的查验设施，涵盖了特有规格的拉拔计、预紧力特有的查验仪器、声波态势下的查验仪器。在查验巷道现有的矿压时，可以用到的特有仪器，涵盖了表层方位内的位移查验仪器、顶板架构下的离层查验、深层级内的位移查验。

此外，查驗必备的仪器，还涵盖了特有型号的锚杆、锚索衔接着的受力仪器。巷道矿压查验必备的、综合态势下的在线监测，也带有延展的态势。在矿井以下查验到的数值，可以运送到现有的井上，以便建构起实时框架下的矿压查验，有序去辨识数值。

2.3 注浆及关联着的锚固改造

在碎裂的岩体以内，挖掘出特有的巷道，若单独接纳锚杆支护，很难发挥出特有的锚杆性能。除此以外，对碎裂的那些巷道，经由翻修，若单独接纳如上的锚杆支护，也没能获取到期待中的支护成效。若能整合起锚固路径及关联的注浆路径，则可化解掉破碎围岩现有的支护疑难。

依循煤巷的总特性，可以摸索出不同架构下的注浆锚杆。对那些很易碎裂的、带有脆弱特性的岩层，还可接纳钻锚注态势下的加固路径。这样一来，就化解掉了碎裂层级特有的加固疑难。

2.4 偏软的支护架构

很多区段以内，存留着偏软的那种软岩矿井。在这样的矿井以内，煤层和衔接着的顶底板，很易碎裂，带有偏差的胶结特性。这些层级内的岩体，凸显出了松散的总状态，带有风化及瓦解的总倾向。若遇到偏多的水体，则快速去膨胀，增添了这一区段中的支护难度。为化解掉如上的疑难，在这样的煤巷架构内，设定出了特有规格的支护。

例如：某一煤层带有5 210 m的平均厚度，煤层现有的抗压强度数值，没能升至合规的程度。顶板衔接着的砂质泥岩，也带有膨胀的特性。单轴现有的抗压强度，没能超出2 290 MPa。掘进路径下的断面，凸显出了半圆这样的拱形，涵盖了370 m这样的埋深。

对这样的煤巷，接纳了树脂架构下的锚固支护，选取出特有长度情形下的锚杆。选取了特有规格的护板、特有规格的钢筋网、菱形框架内的金属网，以便建构可用的支护。经由如上的修护，在回采时段内，总体态势下的沉降被限缩，围岩也没能扭曲。为了化解掉沿空留巷特有的支护疑难，还要建构起高预应力态势下的工作面，妥善去确认这一巷道应有的埋设深度。

3 结 语

煤矿特有的锚杆支护，从原初的偏低强度，延展到偏高情形下的预应力，搭建出了强力支护这样的新框架。锚杆支护衔接着的配套技术，可以分出围岩地质配有的测试、动态架构内的支护设定、强度偏大的支护设定、速率很快的机械搭配。矿压查验及关联着的注浆，要与如上的支护相契合。只有这样，才能妥善去管控采空区，有序管控岩体形状的更替，获取到期待中的支护成效。

参考文献：

[1] 康红普，王金华，林健.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析[J].岩石力学与 工程学报，2010，（4）.

[2] 戴俊，郭相参.煤矿巷道锚杆支护的参数优化[J].岩土力学，2009，（8）.

[3] 李玉仁.煤矿巷道锚杆支护应用实践[J].科技创新与应用，2012，（12）.

作者：杨衡