王婷婷，曹 飛，唐修波，李 陽(yáng)，張昊晟

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利用礦洞建設(shè)抽水蓄能電站的技術(shù)可行性分析

王婷婷，曹 飛，唐修波，李 陽(yáng)，張昊晟

（中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024）

利用廢棄礦洞建設(shè)抽水蓄能電站不僅是抽水蓄能新形式的探索，更是基于電力市場(chǎng)和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)雙向需求的產(chǎn)物。在明確定義三種礦洞（坑）利用模式的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從礦洞抽水蓄能的站址選擇、動(dòng)能估算、工程布置三個(gè)方面進(jìn)行了工程技術(shù)可行性分析，并在典型案例中予以驗(yàn)證，旨在為進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化礦洞抽水蓄能工程布置方案提供借鑒。

廢棄礦洞；抽水蓄能電站；利用模式；全地下；煤礦

截至2018年10月底，我國(guó)已建抽水蓄能電站34座（不含中國(guó)臺(tái)灣?。ǔ赏懂a(chǎn)裝機(jī)規(guī)模 29990 MW；在建抽水蓄能電站26座，在建裝機(jī)規(guī)模37050 MW。抽水蓄能電站具有啟動(dòng)迅速、運(yùn)行靈活等特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中可承擔(dān)削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用、黑啟動(dòng)以及儲(chǔ)能等多重任務(wù)，不僅給電力系統(tǒng)帶來(lái)可觀的動(dòng)態(tài)效益，還可有效改善火電等其它類型機(jī)組的運(yùn)行條件，提高新能源電源資源利用率。鑒于此，《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確提出2025年抽水蓄能電站建成規(guī)模為1億kW。然而，隨著前幾輪大規(guī)模抽水蓄能選點(diǎn)以及推薦站點(diǎn)的開工建設(shè)，開發(fā)條件優(yōu)良的抽水蓄能站點(diǎn)越來(lái)越少，尤其隨著各?。▍^(qū)）生態(tài)保護(hù)紅線陸續(xù)出臺(tái)，抽水蓄能的站址選擇開始變得困難。因此，尋求新的抽水蓄能電站形式、研究其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題勢(shì)在必行。

我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，其中煤炭資源的產(chǎn)量和儲(chǔ)量均居世界首位，2017年查明儲(chǔ)量為16666.73億 噸[1]。但隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整以及煤炭資源的枯竭，大量礦井報(bào)廢關(guān)閉或進(jìn)入報(bào)廢過(guò)渡階段。我國(guó)廢棄煤礦主要分布在晉陜蒙寧甘、東北以及云貴川地區(qū)。其中，廢棄煤洞（坑）較多省份主要為山西省和黑龍江省，2005—2017年累計(jì)關(guān)閉礦井分別達(dá)到3775處、1116處，云貴川“十二五”期間關(guān)閉煤礦也達(dá)到2441處。在全國(guó)69個(gè)資源枯竭城市中煤炭資源枯竭型城市（區(qū)）有35座，從現(xiàn)有的開發(fā)利用情況來(lái)看，地下礦井以瓦斯開采為主，露天礦以風(fēng)光發(fā)電、生態(tài)復(fù)建、旅游景觀、科普教育等為主。

因此，利用廢棄礦洞（坑）建設(shè)抽水蓄能不僅是一種抽水蓄能電站新形式的探索，更是基于電力市場(chǎng)和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)雙向需求的產(chǎn)物，社會(huì)、環(huán)境意義遠(yuǎn)大于經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)排查廢棄礦洞（坑）資源，選取可利用空間大、具備一定高差且水源充足的礦洞（坑）進(jìn)行抽水蓄能電站建設(shè)，一方面將有利于拓寬抽水蓄能選點(diǎn)范圍，使站址向負(fù)荷中心、新能源基地、特高壓線路交集處靠近，促進(jìn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，并可根據(jù)礦區(qū)能源開發(fā)情況，構(gòu)建新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)，使礦區(qū)從工業(yè)耗水耗電大戶轉(zhuǎn)變?yōu)樾履茉措娫摧敵龅?；另一方面，可促進(jìn)礦區(qū)自然生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)，帶動(dòng)周邊相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)變廢為寶、探索構(gòu)建資源節(jié)約型社會(huì)和環(huán)境友好型社會(huì)的新路徑[2]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外已開展了利用廢棄礦洞（坑）建設(shè)抽水蓄能電站方面的研究，但至今并無(wú)實(shí)際工程應(yīng)用[3]。

美國(guó)開展礦洞（坑）建設(shè)蓄能相關(guān)研究較早。其中，美國(guó)新澤西州霍普山半地下抽蓄電站規(guī)劃裝機(jī)規(guī)模2000 MW，下水庫(kù)是利用地下約760 m深處已廢棄的鐵礦礦洞，上水庫(kù)是在霍普山臺(tái)地上開挖而成，該電站于20世紀(jì)90年代就獲得建設(shè)許可，但由于種種原因并未實(shí)施。此外，加利福尼亞州的伊格爾山抽水蓄能規(guī)劃裝機(jī)1300 MW，設(shè)計(jì)利用兩個(gè)廢棄礦坑分別作為上、下水庫(kù)，于2014年獲得建設(shè)許可。俄亥俄州的新薩米特抽水蓄能電站規(guī)劃裝機(jī)1500 MW，下水庫(kù)利用廢棄的礦井，于2014 年取得開發(fā)預(yù)許可[4]。

德國(guó)在21世紀(jì)初制定了新能源方針，許多研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)開展了一系列地下廢棄礦洞抽水蓄能發(fā)電技術(shù)的研究，如下薩克森州能源研究中心計(jì)劃利用廢棄的Upper Harz金屬礦巷道建立全地下的抽水蓄能電站（初擬裝機(jī)100 MW），北威州在魯爾區(qū)一個(gè)即將廢棄的Prosper-Haniel煤礦中開展了建造半地下抽水蓄能電站（初擬裝機(jī)200 MW）的可行性研究，但均處在研究階段[5]。

此外，澳大利亞的北昆士蘭州設(shè)計(jì)利用露天金礦建設(shè)規(guī)模為250 MW的抽水蓄能電站[6]；西班牙研究將Asturian中央煤礦改造為一個(gè)半地下抽水蓄能電站[7]。南非約翰內(nèi)斯堡計(jì)劃利用Fast West Rand區(qū)廢棄的深井金礦建設(shè)一個(gè)大型全地下抽水蓄能電站[8]。

我國(guó)目前已開展了兩個(gè)利用廢棄露天礦坑建設(shè)抽水蓄能的工程設(shè)計(jì)，一個(gè)是河北灤平抽水蓄能電站（初擬裝機(jī)1200 MW）利用磁鐵礦坑做下水庫(kù)，另一個(gè)是遼寧阜新抽水蓄能電站（初擬裝機(jī)1200 MW）利用海州廢棄礦坑做下水庫(kù)。兩個(gè)站址已分別納入河北省和遼寧省抽水蓄能選點(diǎn)規(guī)劃報(bào)告。

總體而言，國(guó)內(nèi)外利用礦洞（坑）建設(shè)抽水蓄能的研究有以下兩個(gè)特點(diǎn)：一是利用的礦洞（坑）主要以金礦、鐵礦等工程地質(zhì)條件較好的金屬礦為主；二是利用露天礦坑或僅部分利用地下礦洞的抽水蓄能站點(diǎn)研究工作較深，且初擬規(guī)模相對(duì)較大。然而，針對(duì)全地下的礦洞利用模式，尤其是利用地質(zhì)條件相對(duì)較差的煤礦建設(shè)全地下抽水蓄能的研究非常少。鑒于此，2017年國(guó)家電網(wǎng)公司牽頭組織采礦、抽水蓄能等行業(yè)專家開展了利用煤礦地下礦洞建設(shè)抽水蓄能的相關(guān)研究。

2 礦洞（坑）建設(shè)抽水蓄能的利用模式

從電站樞紐布置所利用礦洞（坑）的相對(duì)位置來(lái)看，礦洞（坑）抽水蓄能可以分為三種利用模式：第一種全地上的利用模式，下水庫(kù)利用露天礦坑，上水庫(kù)利用周邊高處地形挖庫(kù)建壩；第二種半地下的利用模式，下水庫(kù)利用地下礦洞，上水庫(kù)利用地面塌陷區(qū)、露天礦坑或周邊合適地形挖庫(kù)建壩；第三種全地下的利用模式，上、下水庫(kù)分別利用地下不同高程的礦洞。

從利用礦洞（坑）建設(shè)抽水蓄能電站、研究進(jìn)展而言，第一種利用模式，即主要利用露天礦坑建設(shè)抽水蓄能的研究較為深入，遼寧阜新、河北灤平等礦坑均已完成規(guī)劃階段設(shè)計(jì)，基本不存在工程制約因素，其中金屬礦坑由于地質(zhì)條件優(yōu)越，建設(shè)抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)略優(yōu)于常規(guī)抽水蓄能電站；煤礦礦坑用于改建抽水蓄能庫(kù)盆的支護(hù)措施較多，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)略高于常規(guī)抽水蓄能。第二、三種利用模式，我國(guó)研究尚屬初級(jí)階段，其中美國(guó)的霍普山抽水蓄能電站是半地下模式的典型案例，德國(guó)的金屬礦是對(duì)全地下模式的初步研究。從工程技術(shù)難度上講，全地下模式最為復(fù)雜。

3 全地下煤礦礦洞抽水蓄能電站的技術(shù)可行性分析

全地下或半地下模式的抽水蓄能電站關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題在于地下工程的布置，因此以最為復(fù)雜的全地下模式進(jìn)行技術(shù)可行性分析。

全地下模式的抽水蓄能電站是利用地下采礦形成的不同高程水平的可利用空間及落差，形成電站所必須的上、下水庫(kù)蓄水空間。因此地下空間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、容積、高程等條件對(duì)抽水蓄能電站的工程布置設(shè)計(jì)至關(guān)重要[9]。

3.1 煤礦礦洞抽水蓄能的站址選擇

（1）應(yīng)具備足夠大的可利用空間 由于我國(guó)煤礦井下的采空區(qū)處理方法一般為垮落法，因此很難有較大的完整的采空區(qū)可供利用，加之采空區(qū)覆巖含有采動(dòng)造成的裂隙帶，具有較強(qiáng)的導(dǎo)流能力，密閉性和穩(wěn)定性較差，一般不適合作為蓄水庫(kù)。因此，抽水蓄能電站的可利用空間主要為煤礦的地下巷道群。巷道服務(wù)于整個(gè)礦井的生產(chǎn)，具有平面分布面積廣、坡度起伏較大的特點(diǎn)。一方面，選擇某一高程水平的巷道需有足夠多的可利用空間，即巷道群規(guī)模需足夠大；另一方面，對(duì)于巷道群匯集點(diǎn)有反坡降的、連通不暢的無(wú)效空間應(yīng)予以扣除。以裝機(jī)容量為50MW、連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)為6h、利用水頭500m的抽水蓄能電站需求空間為例，需選取有效利用空間約為26萬(wàn)立方米的同一高程水平巷道，即使考慮所利用巷道全部為凈面積 14m2的雙道巷，所需巷道長(zhǎng)度仍需18km。

（2）同一高程水平的巷道高差應(yīng)大小適中 一方面，巷道高程差過(guò)小，或者巷道間連接不強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致匯集點(diǎn)水流流速不夠，難以滿足發(fā)電流量需求，以500m水頭、裝機(jī)容量50MW的抽水蓄能電站為例，水庫(kù)進(jìn)出水口的額定流量需達(dá)到12.1m3/s，巷道向進(jìn)出水口的匯水能力是否能達(dá)到機(jī)組發(fā)電流量要求是礦洞選擇的關(guān)鍵指標(biāo)。另一方面，同層的巷道落差不能過(guò)大，抽水蓄能機(jī)組為可逆式水泵水輪機(jī)組，上下水庫(kù)的水位變幅不宜大，主要因?yàn)楸霉r下過(guò)大的揚(yáng)程變幅將導(dǎo)致效率急劇降低，振 動(dòng)強(qiáng)烈，不穩(wěn)定和抽不上水[10]。仍以500m水頭、裝機(jī)容量50MW的抽水蓄能電站為例，比轉(zhuǎn)速約為76m·kW，最大揚(yáng)程與最小水頭比（pmax/tmin）控制在1.15以內(nèi)較為合適。據(jù)此反推上下水庫(kù)的水頭變幅約不能超過(guò)60m，則位于同一高程水平的巷道群的高程差初步估計(jì)不宜超過(guò)30m。

（3）上、下水庫(kù)間的落差需適度 抽水蓄能電站利用水頭越低，所需蓄水空間就越大，對(duì)于利用煤礦巷道的抽水蓄能電站而言有效利用空間難以保證；抽水蓄能電站利用水頭過(guò)高，機(jī)組研發(fā)及生 產(chǎn)難度較大。世界上利用水頭最高的可逆式混流 抽水蓄能機(jī)組是日本的葛野川電站，單機(jī)容量 475MW，額定水頭714m。煤礦礦洞抽水蓄能機(jī)組具有轉(zhuǎn)速高、容量小、臺(tái)數(shù)少等問(wèn)題，經(jīng)與各生產(chǎn)廠家初步溝通，如果單機(jī)容量按50MW考慮，利用水頭建議不高于500m。

表1 《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則》建議的水頭變幅

Table 1 Head variation recommended in the 《Design guide for pumped storage power station》

3.2 煤礦礦洞抽水蓄能的動(dòng)能估算

根據(jù)廢棄礦洞的建設(shè)條件，結(jié)合抽水蓄能電站的工程布置、機(jī)組運(yùn)行要求等，選取不同高程的煤礦礦洞作為電站的上、下水庫(kù)，進(jìn)而擬定電站的上、下水庫(kù)特征水位和裝機(jī)容量等指標(biāo)。考慮到煤礦礦洞主要利用空間為巷道，且存在匯流、變幅等限制因素，抽水蓄能建設(shè)規(guī)模不會(huì)很大。因此，以裝機(jī)容量分別為50MW、100MW進(jìn)行不同利用水頭的動(dòng)能參數(shù)估算，為開展相關(guān)研究提供借鑒。

表2 利用廢棄礦洞建設(shè)抽水蓄能電站典型設(shè)計(jì)方案動(dòng)能參數(shù)估算表

3.3 煤礦礦洞抽水蓄能的工程布置

樞紐建筑物布置應(yīng)盡可能考慮利用廢棄礦洞作為上、下水庫(kù)，盡量利用已有的豎井（斜井）作為引水（尾水）系統(tǒng)，盡量利用已有的豎井作為交通、出線、通風(fēng)等廠房附屬洞室。礦洞抽水蓄能電站樞紐布置示意圖如圖1所示。

圖1 礦洞抽水蓄能電站樞紐布置示意圖

3.3.1 地質(zhì)條件

根據(jù)礦洞蓄能所在位置的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性，判斷是否具備電站建設(shè)的工程地質(zhì)條件。一般而言，近場(chǎng)區(qū)無(wú)活動(dòng)性斷裂發(fā)育，無(wú)區(qū)域性斷裂穿越擬布置建筑物的礦洞，整體穩(wěn)定性較好。工程布置中地下洞室位置的圍巖類別不低于Ⅲ類較為適宜，水道系統(tǒng)高壓管道及大跨度地下洞室盡可能避免穿越Ⅴ類圍巖。同時(shí)，由于不同的圍巖類別可能采用不同的施工方法，如支護(hù)措施、防滲措施等，進(jìn)而對(duì)工程造價(jià)產(chǎn)生較大影響，因此，應(yīng)結(jié)合工程布置需求對(duì)不同巷道部位的圍巖類別進(jìn)行科學(xué)劃分。

3.3.2 上、下水庫(kù)的布置

上、下水庫(kù)由各礦洞層巷道群及其它附屬永久洞室構(gòu)建。如果巷道有效空間不能滿足電站建設(shè)規(guī)模所需庫(kù)容，則需根據(jù)巷道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，科學(xué)選擇巷道擴(kuò)挖方式，從工程經(jīng)濟(jì)性角度考慮，擴(kuò)挖區(qū)域以集中開挖為宜。如果巷道有效空間能夠滿足電站空間需求，則主要以巷道的支護(hù)為主。應(yīng)充分考慮電站運(yùn)行期間水位頻繁升降對(duì)洞室穩(wěn)定性影響，根據(jù)圍巖類別選擇支護(hù)措施。同時(shí)，在巷道末端應(yīng)采取封堵措施及相應(yīng)的防滲措施。

3.3.3 水道系統(tǒng)

水道系統(tǒng)是銜接上、下水庫(kù)的水工建筑物，可根據(jù)廢棄礦洞布局選擇斜井或豎井的布置方式與廠房連接。需關(guān)注的技術(shù)難點(diǎn)在于上、下水庫(kù)進(jìn)/出水口位置的選擇。原則上，進(jìn)/出水口應(yīng)布置在庫(kù)區(qū)內(nèi)地勢(shì)較低的部位，且巷道群的匯流距離盡可能均衡。

3.3.4 地下廠房及附屬建筑物

鑒于抽水蓄能機(jī)組吸出高度的要求，地下廠房位于下水庫(kù)高程以下。如以裝機(jī)規(guī)模50 MW、利用水頭500 m的抽水蓄能電站為例，吸出高度約為-60 m，即地下廠房位于下水庫(kù)以下60 m左右；如裝機(jī)規(guī)模增加至100 MW，則吸出高度需達(dá)到-70 m左右。此外，地下廠房尺寸與抽水蓄能機(jī)組臺(tái)數(shù)、機(jī)組尺寸、安裝高程等有關(guān)，一臺(tái)裝機(jī)規(guī)模50 MW、利用水頭500 m的抽水蓄能電站的地下廠房，初步估算開挖尺寸約為55.5 m×18.5 m×34.5 m（長(zhǎng)×寬×高），包括主機(jī)間、安裝場(chǎng)和副廠房（含主變室），可采用一字形布置。初步考慮地下廠房采用加強(qiáng)支護(hù)的方式。此外，地下洞室群的排水和防潮主要依靠在地下廠房四周設(shè)置排水廊道、排水孔和通風(fēng)系統(tǒng)來(lái)解決。

4 全地下煤礦礦洞抽水蓄能的典型設(shè)計(jì)

京西某煤礦始建于1960年4月，截至2017年底，保有資源/儲(chǔ)量為21373.7萬(wàn)噸，核定生產(chǎn)能力120萬(wàn)噸/年。礦洞開拓方式是平硐、暗斜井、底板集中運(yùn)輸巷、采區(qū)石門開拓煤層群。根據(jù)安排，該煤礦于2018年底徹底關(guān)停退出生產(chǎn)。

經(jīng)分析，該煤礦共有8個(gè)水平的平硐，平硐內(nèi)部坡度一般為5‰，單層平硐最高與最低高程相差較小，一方面利于水流匯集，另一方面單層平硐高程變化較小更能適應(yīng)抽水蓄能機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)水頭變幅的限制要求。各層平硐長(zhǎng)度較長(zhǎng)，容積較為可觀，可抽水蓄能電站上、下水庫(kù)的發(fā)電庫(kù)容需求。550 m及以上各層平硐均位于山坡上，多個(gè)水平平硐有洞口與地表相連，便于建設(shè)抽水蓄能電站的施工交通。該煤礦自身?xiàng)l件與抽水蓄能電站的工程布置要求有較好的契合度。

4.1 水利與動(dòng)能設(shè)計(jì)

該煤礦已形成+240 m、+400 m、+550 m、 +680 m、+800 m、+920 m、+1050 m、+1150 m共八個(gè)水平平硐。其中+550 m及以上各水平平硐均有洞口通地表，而+240 m、+400 m水平位于地表以下且不能直接與地表相通。+1050 m、+1150 m水平報(bào)廢時(shí)間較長(zhǎng)，可能與周邊小煤窯聯(lián)通，內(nèi)部情況不明朗。該煤礦的各層平硐由底板巷和石門構(gòu)成，其中石門全部是雙道巷，底板巷大部分為單道巷。從平硐條件、施工交通便利程度方面分析，+550 m、+680 m、+800 m、+920 m4個(gè)水平平硐是建設(shè)抽水蓄能電站可能被利用的空間，經(jīng)復(fù)核，可利用空間分別為40萬(wàn)立方米、42萬(wàn)立方米、50萬(wàn)立方米、18萬(wàn)立方米。

+550 m平硐不僅可利用空間較大、可通地表，而且有利于增加電站利用水頭，同等庫(kù)容條件下裝機(jī)規(guī)模較大，選擇該高程平硐為抽水蓄能電站的下水庫(kù)是較為合適的。+680 m平硐作為上水庫(kù)時(shí)的利用水頭僅130 m，裝機(jī)規(guī)模難以保證，且地下廠房尺寸較大，洞室開挖工程量較大。+800 m平硐作為上水庫(kù)，考慮初擬裝機(jī)容量50 MW、連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)6 h，則抽水蓄能機(jī)組最大揚(yáng)程與最小水頭（pmax/tmin）比值達(dá)到1.364，機(jī)組參數(shù)水平較高，研發(fā)及制造難度均較大。+920 m平硐作上水庫(kù)，考慮初擬裝機(jī)容量50 MW、連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)6 h，則上水庫(kù)可利用空間不足，需擴(kuò)挖17.6萬(wàn)立方米庫(kù)容。

綜合考慮電站水頭、裝機(jī)容量、機(jī)組制造等因素，選取+550 m平硐作為電站的下水庫(kù)，+920 m 平硐作為電站的上水庫(kù)，初擬裝機(jī)容量為50 MW，連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)為6 h，電站具備日調(diào)節(jié)能力，額定水頭348 m，滿發(fā)流量16.5 m3/s。該煤礦礦洞內(nèi)有一定量的巖石裂隙水涌出，涌水量完全滿足電站的初期蓄水及運(yùn)行期補(bǔ)水水源需求，需同時(shí)做好電站蓄補(bǔ)水與排水措施。

4.2 工程布置設(shè)計(jì)

4.2.1 上、下水庫(kù)

利用+920 m平硐作上水庫(kù)，該水平巷道總長(zhǎng)14318 m，巷道群圍巖條件較好，支護(hù)強(qiáng)度較高，巷道穩(wěn)定性較好，可利用容積為18.03萬(wàn)立方米。在現(xiàn)有920 m西一石門兩側(cè)進(jìn)行開挖，為便于施工，開挖斷面采用原有雙道巷斷面型式，共開挖5條，每條實(shí)際長(zhǎng)度為700 m，新開挖巷道均采用5‰的底坡，實(shí)際開挖庫(kù)容為18.9萬(wàn)立方米，滿足上水庫(kù)庫(kù)容要求。下水庫(kù)利用+550 m平硐，不需擴(kuò)挖 庫(kù)容。

經(jīng)初步判斷，上、下兩層平硐巷道圍巖巖體較完整，裂隙中等發(fā)育，圍巖以III類為主，斷層帶或裂隙密集帶發(fā)育部位為IV～V類。巷道群作為蓄水庫(kù)，在電站運(yùn)行期間水位頻繁升降，對(duì)洞室的穩(wěn)定極為不利，需對(duì)Ⅲ類圍巖進(jìn)行支護(hù)，隧洞邊墻及頂拱設(shè)置20@150 cm×150 cm、=3 m的錨桿噴混凝土，噴10 cm厚混凝土，加掛網(wǎng)鋼筋6.5@20 cm×20 cm；IV～V類圍巖隧洞邊墻及頂拱設(shè)置20@150cm ×150 cm、=3 m的錨桿噴混凝土，并噴10 cm厚混凝土，加掛網(wǎng)鋼筋6.5@20 cm×20 cm，并對(duì)圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，固結(jié)灌漿的孔、排距均為3 m，孔深4 m，梅花形布置。

圖2 典型礦洞抽水蓄能電站樞紐布置示縱剖面圖

4.2.2 水道系統(tǒng)

水道系統(tǒng)分為引水、尾水系統(tǒng)兩部分。水道線路總長(zhǎng)約910 m，相對(duì)高差450 m。引水系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)均采用“一洞一機(jī)”的布置方式。上、下水庫(kù)的進(jìn)/出水口均采用岸邊側(cè)式，布置在各自平硐高程最低處，進(jìn)/出水口設(shè)攔污柵，底板高程分別為915.0 m、555.0 m。引水系統(tǒng)采用單豎井布置方式，高壓管道設(shè)置一條主洞，鋼板襯砌，主管長(zhǎng)526.3 m，內(nèi)徑2 m，回填混凝土厚度0.6 m，最大開挖直徑3.2 m。

4.2.3 地下廠房及附屬建筑物

地下廠房由主機(jī)間、安裝間和副廠房組成，呈“一”字形布置。廠房對(duì)外通道主要是進(jìn)廠交通洞和通風(fēng)兼出線洞。根據(jù)機(jī)組尺寸、機(jī)電設(shè)備布置、運(yùn)輸、檢修及水工結(jié)構(gòu)等要求，確定廠房開挖尺寸為53 m×18.6 m×37 m（長(zhǎng)×寬×高），安裝間長(zhǎng)為17 m，副廠房長(zhǎng)為11 m。地下洞室群的排水和防潮主要依靠在地下廠房四周設(shè)置排水廊道、排水孔和通風(fēng)系統(tǒng)來(lái)解決。排水廊道共分兩層，上層排水廊道平面上環(huán)繞主廠房布置；下層排水廊道布置在廠房上游及兩端。排水廊道斷面尺寸均為2.5 m×2.5 m（寬×高）。在副廠房底板下設(shè)滲漏集水井，最后通過(guò)自流排水洞排出廠外。

4.3 投資匡算

根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行水電工程投資匡算編制規(guī)定，結(jié)合工程具體情況，按2018年第二季度價(jià)格水平編制工程投資匡算。利用該廢棄煤礦礦洞建設(shè)抽水蓄能電站工程的靜態(tài)總投資為89796萬(wàn)元，單位千瓦投資為17959元。

5 結(jié) 論

（1）利用廢棄礦洞（坑）建設(shè)抽水蓄能電站的生態(tài)環(huán)境、社會(huì)效益顯著，具有較好的應(yīng)用前景。

（2）從電站樞紐布置所利用礦洞（坑）的相對(duì)位置來(lái)看，礦洞抽水蓄能可以分為三種利用模式，即全地上、半地下、全地下的利用模式。其中，全地上利用模式由于露天礦外部條件相對(duì)明朗，不存在工程技術(shù)瓶頸，雖然礦坑專項(xiàng)處理費(fèi)用增加，但不存在環(huán)保、移民等其它限制條件。

（3）利用地下礦洞建設(shè)抽水蓄能，煤礦礦洞宜選擇可利用空間大、落差小且滿足匯流要求的蜘蛛網(wǎng)狀巷道群；上下水庫(kù)選擇應(yīng)綜合考慮裝機(jī)規(guī)模、利用水頭、機(jī)組運(yùn)行等多重因素；應(yīng)盡可能結(jié)合礦洞已有的建設(shè)條件，如空間、設(shè)施等，優(yōu)化設(shè)計(jì)電站的工程布置。

（4）通過(guò)典型案例設(shè)計(jì)成果可知，建設(shè)全地下的煤礦礦洞抽水蓄能電站在工程技術(shù)方面是可行的，且存在進(jìn)一步優(yōu)化的可能。雖然受建設(shè)規(guī)模小、支護(hù)專項(xiàng)費(fèi)用高的影響，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)遠(yuǎn)高于常規(guī)抽水蓄能電站，但單位蓄能量建設(shè)成本為2993 元/(kW·h)，與其它儲(chǔ)能技術(shù)基本相當(dāng)。

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Technical feasibility analysis of utilizing mine to construct pumped storage plant

WANG Tingting, CAO Fei, TANG Xiubo, LI Yang, ZHANG Haosheng

(Power China Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China)

Utilizing the abandoned mine to construct pumped storage plant is not only a new form of exploration, but also a bidirectional product on account of the demand of power market and ecological environment restoration. Based on the clear definition of three utilization patterns to different mines, three aspects including mine site selection, kinetic energy estimation, and project layout have been researched and verified in the typical case in the technical feasibility analysis. And the purpose of this paper is to provide reference for further design and project layout optimization of pumped storage plant utilizing abandoned mine.

abandoned mine; pumped storage plant; utilization patterns; underground; coal mine.

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0242

TV 743

A

2095-4239（2019）01-195-06

2018-12-05；

2018-12-15。

國(guó)家電網(wǎng)公司部總部科技項(xiàng)目資助（NY71-17-002）。

王婷婷（1978—），女，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水電站動(dòng)能經(jīng)濟(jì)、水資源綜合規(guī)劃等工作，E-mail：wangtt@ bhidi.com。