謝友泉，高 輝，蘇志國(guó)，李 春，董麗靜，朱家玲

(1. 國(guó)華投資有限公司，北京 100007；2.中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)，北京 100190；3. 天津大學(xué)地?zé)嵫芯颗嘤?xùn)中心，天津 300392)

0 引言

隨著中國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整力度的加大，煤炭供給側(cè)改革不斷深入，大量煤礦被關(guān)閉，導(dǎo)致礦井也隨之被廢棄，由此帶來了資源浪費(fèi)、生態(tài)破壞、環(huán)境污染等方面的社會(huì)問題；且原生產(chǎn)廠區(qū)還有大量廠房和設(shè)備被閑置，占用了大量的土地資源；另外，還有很多下崗人員未被安置。僅2016年，中國(guó)就關(guān)閉退出煤礦2000個(gè)左右[1]。2018年底，中國(guó)采煤礦數(shù)量已由“十二五”初期的1.4萬多個(gè)減少到5800個(gè)左右[2]。隨著“去產(chǎn)能”的深入推進(jìn)，將有更多煤礦被關(guān)閉，到2030年，廢棄礦井?dāng)?shù)量將達(dá)到1.5萬個(gè)[3]。

過去粗放式的煤礦開采并未注意保護(hù)環(huán)境，很多礦井未實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用。這些廢棄礦井不僅造成了資源的巨大浪費(fèi)，還有可能誘發(fā)后續(xù)的安全、環(huán)境等問題。由于各礦井的基礎(chǔ)條件不同，礦井所在區(qū)域的區(qū)位優(yōu)勢(shì)、資源稟賦等也不同，因此，關(guān)閉或廢棄礦井的開發(fā)利用也各有不同，探索關(guān)閉或廢棄礦井的轉(zhuǎn)產(chǎn)和轉(zhuǎn)型存在很大難度。除少數(shù)礦井的轉(zhuǎn)產(chǎn)和轉(zhuǎn)型取得一定程度的成功外，大部分關(guān)閉或廢棄礦井均被遺棄，造成大量資產(chǎn)被閑置，且留下了一定程度的安全隱患。因此，隨著關(guān)閉或廢棄礦井的大幅度增加，我國(guó)迫切需要解決已經(jīng)關(guān)閉或廢棄礦井的出路問題[4]。

本文介紹了廢棄礦井的資源類型，分析了廢棄礦井地?zé)豳Y源的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，研究了擁有不同地?zé)豳Y源的廢棄礦井的開發(fā)利用模式，明確了適宜開發(fā)利用的廢棄礦井地?zé)豳Y源的基本參數(shù)，并對(duì)廢棄礦井地?zé)豳Y源的開發(fā)利用提出了發(fā)展建議。

1 廢棄礦井的資源類型

1.1 廢棄礦井的塌陷土地資源

廢棄后的礦井會(huì)形成大量的采空區(qū)和塌陷區(qū)，即采礦坑廢棄地和各種剩余物排放堆積形成的尾礦廢棄地，以及采礦作業(yè)面、機(jī)械設(shè)施、礦山輔助建筑物和道路交通等占用的廢棄土地。

大量的廢棄礦井不僅占用土地資源，而且也帶來了影響深遠(yuǎn)的環(huán)境問題，尤其是土地重金屬污染問題。因此，加快廢棄礦井的治理，實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為環(huán)境生態(tài)研究的焦點(diǎn)問題[5]。

1.2 廢棄礦井的坑道空間

廢棄礦井內(nèi)的空間資源巨大。由于需要保證安全生產(chǎn)，所以開采煤炭時(shí)所需的井筒、巷道等建筑設(shè)施的質(zhì)量非常好。若將改造后的廢棄礦井用于地下儲(chǔ)物，則是最簡(jiǎn)單、最直接、最省錢的再利用辦法[6]。

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，到2020年，中國(guó)廢棄礦井?dāng)?shù)量將達(dá)到1.2萬個(gè)。按每個(gè)礦井地下空間資源為60萬m3計(jì)算，1.2萬個(gè)廢棄礦井就是72億m3的空間資源，相當(dāng)于1座千萬人口大城市的空間[2]。

1.3 地?zé)峒捌渌Y源

中國(guó)廢棄礦井中賦存多種資源，其中，煤炭高達(dá)420億t、天然氣近5000億m3，還擁有大量水和地?zé)岬荣Y源。

中國(guó)廢棄礦井的深度從幾十米到上千米不等，有的甚至更深；有些坑道內(nèi)常年儲(chǔ)存著熱水資源，水溫大多在10～30 ℃，是很好的熱能資源[7]。

2 廢棄礦井地?zé)豳Y源的開發(fā)利用模式

2.1 廢棄礦井地?zé)崴Y源的特點(diǎn)

由于地理?xiàng)l件、地質(zhì)條件不同，廢棄礦井資源狀況不一樣，且廢棄礦井所在區(qū)域的經(jīng)濟(jì)條件、資源稟賦等不同，廢棄礦井的利用方式和開發(fā)水平存在較大差異。因此，需要根據(jù)每個(gè)廢棄礦井地?zé)豳Y源的特點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的開發(fā)利用，切實(shí)可行地解決已經(jīng)關(guān)閉或廢棄礦井的合理開發(fā)利用問題[8]。

廢棄礦井中可用的熱水資源包括礦坑水、涌滲水、地?zé)崴?，其溫度、可利用量等參?shù)會(huì)隨氣候條件、地形地貌、地質(zhì)情況、礦井深度等發(fā)生變化。一般1000 m深處的坑道溫度多在35～45 ℃之間，部分高溫區(qū)域可達(dá)60～70 ℃以上。

2.2 廢棄礦井地?zé)豳Y源的發(fā)展優(yōu)勢(shì)

熱泵技術(shù)可以有效解決廢棄礦井低位熱能的冷熱源，即利用熱泵機(jī)組把礦井水中的低位熱能提取出來，轉(zhuǎn)化為人們生活能夠利用的高位熱能，采用此技術(shù)的系統(tǒng)被稱為“礦井水源熱泵系統(tǒng)”。

礦井水源熱泵系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：1)環(huán)境友好，經(jīng)濟(jì)效益顯著；2)高效節(jié)能；3)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單；4)一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣。

2.2.1 環(huán)境友好，經(jīng)濟(jì)效益顯著

礦井水源熱泵系統(tǒng)是利用常年基本保持恒定的礦井水作為熱泵機(jī)組的冷、熱源，與傳統(tǒng)的供熱空調(diào)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在冬季供熱時(shí)不需要消耗燃煤，避免了CO2、SO2等污染氣體的排放，并且無廢棄物，減少了有毒、有害氣體對(duì)大氣環(huán)境的污染；在夏季為人們提供冷量時(shí)，該系統(tǒng)也省去了冷卻塔等設(shè)備，避免了冷卻塔在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲，減少了冷卻水的自然蒸發(fā)和霉菌的滋生。因此，礦井水源熱泵系統(tǒng)不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害，保護(hù)環(huán)境的同時(shí)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.2.2 高效節(jié)能

礦井水源熱泵系統(tǒng)所利用的礦井水的溫度全年波動(dòng)不大，在冬季其溫度約在16～18 ℃，比室外的環(huán)境空氣溫度高，所以提高了礦井水源熱泵系統(tǒng)循環(huán)的蒸發(fā)溫度，有利于系統(tǒng)提取熱量，能效比也得到提高。而在夏季，礦井水的溫度為18～22 ℃，比環(huán)境空氣溫度低，所以降低了礦井水源熱泵系統(tǒng)循環(huán)的冷凝溫度，有利于系統(tǒng)釋放熱量，具有較好的冷卻效果，提高了熱泵機(jī)組工作效率。因此，礦井水源熱泵系統(tǒng)比一般不利用礦井水的熱泵系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定、更節(jié)能。

2.2.3 運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單

礦井水的溫度一年四季相對(duì)恒定、流量穩(wěn)定，是非常理想的冷、熱源，使礦井水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，并且其不存在空氣源熱泵的融霜、除霜等問題。現(xiàn)在的礦井水源熱泵系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，基本已實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制[9]，操作簡(jiǎn)單。

2.2.4 一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣

礦井水源熱泵系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)冬季供暖和夏季制冷，還可以為日常生活提供生活熱水，一機(jī)多用，1套礦井水源熱泵系統(tǒng)可以代替1套傳統(tǒng)的鍋爐與1套傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)。特別是對(duì)于需要同時(shí)制冷和供熱的場(chǎng)合，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

礦井水源熱泵系統(tǒng)不但減少了能量消耗，節(jié)省了大量資源，而且能同時(shí)滿足建筑冷、熱量供應(yīng)的要求，因此，該系統(tǒng)在賓館、學(xué)校、辦公樓等建筑上得到了廣泛的應(yīng)用。

2.3 廢棄礦井地?zé)豳Y源的利用模式

可以結(jié)合廢棄礦井自身實(shí)際情況與工程實(shí)例，制定合理的廢棄礦井地?zé)豳Y源利用模式，不僅能夠?yàn)槲磥硪?guī)劃的廢棄礦井產(chǎn)業(yè)園區(qū)提供熱能，而且相較于化石燃料，其可極大地減少CO2的排放。根據(jù)能源品質(zhì)的區(qū)別，廢棄礦井地?zé)崮艿睦梅绞街饕泄?制冷、發(fā)電這2種。

2.3.1 供熱 /制冷

1)利用廢棄礦井低溫水資源進(jìn)行供熱/制冷。對(duì)于廢棄礦井地?zé)崴臏囟仍?6～30 ℃的熱能資源，礦井水源熱泵系統(tǒng)可以利用其對(duì)建筑物供暖/制冷。廢棄礦井熱泵供熱/制冷系統(tǒng)由水泵、逆流殼管式熱交換器、壓縮機(jī)、熱水水箱、分布空調(diào)和設(shè)備連接管道等組成，如圖1所示。

從圖1可以看到，礦井水被從1個(gè)或多個(gè)井眼中抽取出來，直接通過熱泵或是直接通過連接到熱泵的熱交換器，將經(jīng)過熱交換后的水重新注入礦井或其他含水層單元。

另一種方式是利用單井提取熱水，并同時(shí)將冷卻水注入同一個(gè)豎井中，從而構(gòu)建雙合系統(tǒng)，這樣能夠最小化所需面積和初始投資成本，同時(shí)還可以保證礦井水的循環(huán)利用，節(jié)省了水資源及其處理成本。單井換熱示意圖如圖2所示。但另一方面，若礦井水抽取點(diǎn)和注入點(diǎn)之間的連接過于直接，則需要對(duì)回注井眼進(jìn)行鉆探和維護(hù)，并且存在熱“反饋”的風(fēng)險(xiǎn)。

2)廢棄礦井季節(jié)性蓄熱。對(duì)于廢棄礦井的淺層地?zé)豳Y源，可以和蓄熱利用相結(jié)合。廢棄礦井巷道和深層的巖石可以提供非常充分的換熱面積和較為有利的換熱條件，而且由于廢棄礦井還具有豐富的水資源，形成了一個(gè)容量巨大的天然熱能儲(chǔ)存器，并且會(huì)隨著自然條件的變化自動(dòng)進(jìn)行充、放熱，且礦井水的溫度基本常年恒定，這都為廢棄礦井巷道蓄熱提供了條件。

利用廢棄礦井巷道空間作為季節(jié)性太陽(yáng)能蓄熱的系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

中國(guó)已經(jīng)開始了上述研究，以水作為蓄熱介質(zhì)，整個(gè)蓄熱系統(tǒng)由礦區(qū)地面的湖泊、礦區(qū)內(nèi)的礦井、太陽(yáng)能集熱器、熱泵機(jī)組及生活區(qū)用戶端組成。在夏季時(shí)，太陽(yáng)能集熱器加熱從熱泵排出的水，通過熱泵機(jī)組將被加熱的水存入礦井巷道；在冬季時(shí)，利用夏季儲(chǔ)存在巷道中的熱水作為熱泵系統(tǒng)的熱源，對(duì)生活區(qū)供熱，利用后的水排入湖泊以備循環(huán)使用。

在上述利用模式的基礎(chǔ)上，還可以將生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)在夏季的熱能可供回收的余熱、可再生能源(太陽(yáng)能、地?zé)崮艿?、工業(yè)廢熱余熱等，經(jīng)過適當(dāng)處理后存入廢棄礦井中儲(chǔ)存起來，等到供熱季再提取利用。這一利用模式的工作原理如圖4所示。

2.3.2 發(fā)電

利用廢棄礦井地?zé)豳Y源進(jìn)行發(fā)電時(shí)，有2種模式，分別為廢棄礦井雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)和廢棄礦井干熱巖發(fā)電系統(tǒng)。

1)廢棄礦井雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)。一般情況下，廢棄礦井熱源溫度偏低，若直接利用，能源轉(zhuǎn)換效率較低，因此需要借助中間介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)熱能的提取，常采用的是廢棄礦井雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)[10]，其工作原理如圖5所示。廢棄礦井雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)主要由蒸汽發(fā)生器、冷凝器、水泵、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等構(gòu)成。

廢棄礦井雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)中存在2種流體。一種是熱源流體，其一般為經(jīng)處理后的地下水，在蒸汽發(fā)生器中被冷卻后再次打入地下。另一種是以低沸點(diǎn)工質(zhì)流體(如氟里昂、異戊烷、異丁烷、正丁烷等，沸點(diǎn)均低于30 ℃)作為工作介質(zhì)，此種流體在蒸汽發(fā)生器內(nèi)因吸收了地?zé)崴尫懦龅臒崃慷@些低沸點(diǎn)的流體蒸汽被送入汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電；做完功后的蒸汽由汽輪機(jī)排出，并在冷凝器中冷凝成液體，然后經(jīng)循環(huán)泵打回蒸汽發(fā)生器再循環(huán)工作[11]。

提升廢棄礦井雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵是開發(fā)高效的熱交換器，以減少換熱過程中的熱量損失；同時(shí)，還要尋找和選擇沸點(diǎn)低、成本低、安全環(huán)保的工質(zhì)。

2)廢棄礦井干熱巖發(fā)電系統(tǒng)。我國(guó)一些廢棄礦井的深度可以達(dá)到1 km，個(gè)別廢棄礦井的深度甚至可以達(dá)到1.5 km。在具備開發(fā)條件的地方，可以利用這一優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步將礦井鉆至4～6 km深，此處的巖層為高溫巖體，如此便可獲得 120～180 ℃的高溫?zé)嵩?。通過這種方式的開發(fā)利用，可將廢棄礦井開發(fā)成為干熱巖發(fā)電系統(tǒng)[12]，其工作原理圖如圖6所示。

廢棄礦井干熱巖發(fā)電系統(tǒng)包括注水井、生產(chǎn)井、人工裂隙、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷凝器、水泵等。與常規(guī)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)不同，廢棄礦井干熱巖發(fā)電系統(tǒng)需先將外界冷水注入地下，由事先壓裂而成的人工裂隙產(chǎn)生的高溫蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，過熱蒸汽經(jīng)冷凝器冷卻后再次注入地下，構(gòu)成閉合循環(huán)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電。

3 影響廢棄礦井地?zé)豳Y源利用的因素

3.1 地理區(qū)位條件制約

廢棄礦井地下空間長(zhǎng)度可以從幾千米到上萬米，可分為臨近城區(qū)、城區(qū)邊緣和城郊之外等不同的區(qū)域類型。從地?zé)豳Y源的開發(fā)模式來看，建立的地?zé)嵯到y(tǒng)盡量遠(yuǎn)離城區(qū)，與城市保持一定的安全防護(hù)距離，但需要與用戶建立供暖輸配網(wǎng)絡(luò)，且距離的遠(yuǎn)近將直接影響到輸配成本[13]。

3.2 水質(zhì)制約

我國(guó)許多廢棄礦井的礦坑水，特別是老窖水，水質(zhì)很差，總硬度約為30～76度，礦化度約為1～9 g/L，屬于高礦化度礦井水。同時(shí)，礦井水中含有金屬硫化物，會(huì)形成酸性礦井水；有的礦井水還存在有機(jī)物、微生物，還有高硫酸鹽、高氟、高鐵、高錳、砷超標(biāo)等問題。

進(jìn)行地?zé)豳Y源利用時(shí)，需要考慮到水泵、熱交換器、管道和回注井的腐蝕或結(jié)垢堵塞問題，應(yīng)根據(jù)情況選擇添加濾網(wǎng)或進(jìn)行水處理；回注時(shí)，需要注意抽取點(diǎn)和注入點(diǎn)之間的距離，防止熱“反饋”風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 廢棄礦井地?zé)崂没疽?/h3>

在對(duì)廢棄礦井地?zé)豳Y源進(jìn)行利用之前，需要從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件方面進(jìn)行分析，并對(duì)其利用價(jià)值做出評(píng)價(jià)。

一個(gè)礦井區(qū)域的溫度會(huì)隨著礦井深度的增加而增加，但是鉆井的難度和復(fù)雜性也會(huì)隨著鉆井深度的增加而增加，且鉆井成本也會(huì)增高。為此，將鉆井深度小于2 km就可以利用的地?zé)豳Y源定義為經(jīng)濟(jì)型地?zé)豳Y源，鉆井深度為2～3 km可以利用的地?zé)豳Y源定義為亞經(jīng)濟(jì)型地?zé)豳Y源；只有當(dāng)溫度大于40 ℃、出水量大于20 m3/h時(shí)，才能被當(dāng)作適宜開發(fā)利用的地?zé)豳Y源加以評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

本文對(duì)廢棄礦井地?zé)豳Y源的現(xiàn)狀和特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并針對(duì)不同的地?zé)豳Y源類型進(jìn)行了利用模式的研究，明確了適宜開發(fā)利用的廢棄礦井地?zé)豳Y源的基本參數(shù)。廢棄礦井的可再生能源開發(fā)利用要走綠色發(fā)展的道路，應(yīng)注重廢棄礦井地?zé)豳Y源開發(fā)和生態(tài)保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展，遵循“在保護(hù)中開發(fā)，在開發(fā)中保護(hù)”的基本原則，把綠色發(fā)展理念貫穿于廢棄礦井開發(fā)利用的全過程。在項(xiàng)目選擇上，要以“環(huán)保優(yōu)先”為前提條件，做到“高門檻準(zhǔn)入、高標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)、高要求監(jiān)管”；廢棄礦井的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理要“規(guī)劃先行”，項(xiàng)目實(shí)施前要經(jīng)過充分調(diào)研和論證；開發(fā)利用方案要經(jīng)過政府相關(guān)部門的審核，做到科學(xué)、合理、有序、協(xié)調(diào)地發(fā)展。