姚西龍，葛帥帥，徐曉瑞

(太原理工大學 經管學院，山西 太原 030027)

隨著開采強度的增加及煤炭去產能政策的推進，我國每年新增大量的地下回采空間和廢棄礦井資源，到2020年，我國廢棄礦井數(shù)量將達到約1.2萬個，按每個礦井60萬m3計算，將包含72億m3地下空間資源[1]。面對廢棄礦井帶來的經濟、社會和環(huán)境問題，廢棄礦井地下空間資源綜合利用作為重大技術創(chuàng)新示范寫入《煤炭工業(yè)“十四五”科技創(chuàng)新發(fā)展指導意見》。

廢棄礦井抽水儲能技術設想起源于20世紀70年代[2]，此后國外一些學者就廢棄礦井抽水儲能技術可行性和發(fā)展?jié)摿M行了研究[3-6]。在國內，2000年，付貴祥等學者提出了廢棄礦井儲氣和抽水儲能的概念模型[7]；謝和平院士團隊總結了國內外廢棄礦井抽水儲能技術研究進展，提出了解決西部缺水地區(qū)的煤礦地下水庫、礦井水循環(huán)利用與抽水蓄能發(fā)電一體化技術構想，并論證了中國煤炭資源型地區(qū)充分利用廢棄礦井發(fā)展抽水儲能的潛在社會價值及可行性[8，9]。鄭曉亮教授團隊借鑒地表抽水儲能電站設計思路對廢棄礦井抽水儲能系統(tǒng)機電系統(tǒng)設計思路和設備選型進行了研究[10，11]。李庭等對含廢棄礦井抽水蓄能的電力系統(tǒng)調峰進行了研究[12]。近年來，中國工程院重大咨詢課題《我國煤礦安全及廢棄礦井資源開發(fā)利用戰(zhàn)略研究》、教育部人文社科青年基金項目《廢棄煤炭井巷抽水儲能的綜合效益評價及對策研究》、山西省揭榜招標項目(2019年度第二批)《廢棄礦山遺留資源及地下空間開發(fā)利用關鍵技術研究》、國網公司科技項目《利用廢棄礦洞開展抽水蓄能應用基礎技術研究》等項目的開展促進了廢棄井巷抽水儲能技術相關研究，但現(xiàn)階段廢棄礦井抽水儲能技術仍停留在概念和可行性論證階段。礦井整體廢棄以后，二次利用相當于打開一個“黑盒子”，采空區(qū)中水、頂板、有毒有害氣體帶來的安全問題，井巷空間修復、治理和二次基建帶來的成本問題都制約著廢棄礦井資源化利用技術的現(xiàn)場推廣。

抽水儲能技術發(fā)展對提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、增加可再生能源消納能力具有重要意義，廢棄井巷抽水儲能技術為廢棄礦井綜合治理利用和抽水儲能電站規(guī)劃設計提供了一個新的思路。本文提出了三種廢棄井巷抽水儲能技術構想；結合廢棄井巷地下水庫的特殊性，提出了廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)水庫范圍、水庫容量、儲能量等關鍵技術參數(shù)理論計算方法。

1 廢棄井巷抽水儲能技術構想

1.1 煤礦地下水庫建設

地下水庫建設是廢棄井巷抽水儲能工程建設的重點內容。神華集團經過 20 余年科技攻關與工程實踐，結合礦井水井下“導儲用”的理念，建立了煤礦地下水庫技術體系[13]。該技術在神東礦區(qū)及神華西部礦區(qū)全面推廣應用，建成35座煤礦地下水庫，儲水量2500萬m3，供應了礦區(qū) 95% 以上用水，為西部礦區(qū)煤炭開采水資源保護利用提供了技術借鑒[14-16]。

1.2 廢棄井巷抽水儲能技術構想

抽水儲能是利用存在一定高差的兩個儲水空間，通過電能與重力勢能的轉換實現(xiàn)電能的轉化、儲存與釋放，大多數(shù)井工礦井開采區(qū)域的煤系地層含有多個可采煤層，礦井回采以后在不同煤層間形成多個存在高差的大面積儲水空間，為建設廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)提供了可能。

礦井井巷空間廢棄是一個循序漸進的過程，結合前人研究成果，打破原有以廢棄礦井為單元“先開采、后治理”、“先開采，后利用”的建設思路，化整為零，提出以廢棄井巷工程為單元的“邊開采、邊治理、邊利用”的理念，充分利用煤礦不同水平，不同采區(qū)獨立的巷道、通風、機電運輸及提升系統(tǒng)，結合地質條件進行精細化設計，提出廢棄井巷抽水儲能技術構想[17-22]，旨在探索開采、治理和利用之間合理的配置關系，以期礦井循序漸進地完成開采到利用的轉換過程。

除了兼具廢棄礦井抽水儲能系統(tǒng)提升電力系統(tǒng)質量、穩(wěn)定性解決“棄風”、“棄光”、“棄水”以及礦井廢棄帶來的經濟、社會和環(huán)境問題作用以外。廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)充分利用采面、采區(qū)或階段回采以后的運輸、通風、安全監(jiān)控等基礎設施條件，邊開采、邊治理、邊利用，提高了礦井軟硬件資源和抽水儲能系統(tǒng)的服務年限，減少了區(qū)域廢棄后再利用過程的二次投資，提升了系統(tǒng)的經濟性和安全性。

2 廢棄井巷抽水儲能技術方案

2.1 完全地下的廢棄井巷抽水蓄能系統(tǒng)及方法

考慮到部分礦井地表不具備建設抽水儲能電站上水庫的地形條件；或是部分礦井干旱少雨，地表增發(fā)量遠大于降雨量，在地表建設大型水庫會造成廢棄井巷抽水蓄能水循環(huán)系統(tǒng)大量水資源蒸發(fā)損耗，導致水資源的浪費乃至影響系統(tǒng)的循環(huán)運轉；或是部分礦井氣候寒冷，結冰期較長，地表水庫中大量水體長期處于冰凍狀態(tài)無法參與系統(tǒng)運行，導致系統(tǒng)地表水庫運行效率低下，提出完全地下的廢棄井巷抽水蓄能系統(tǒng)構想。

利用廢棄井巷抽水蓄能的系統(tǒng)及方法如圖1所示，完全地下的廢棄井巷抽水蓄能系統(tǒng)包含兩個以上的廢棄井巷，新建或是利用原有巷道建設而成的用于行人、通風、運輸和設備安裝等用途的巷道系統(tǒng)，新建或是利用原有巷道、硐室改擴建而成的主要用于安裝可逆式抽水蓄能機組的機電硐室，新建或是利用原有井筒建設而成的用于井上下聯(lián)通交互的井筒，三類利用巷道系統(tǒng)或是新建巷道和鉆孔建設而成的用于連接可逆式抽水蓄能機組和廢棄井巷的通水道，利用巷道系統(tǒng)或是新建巷道和鉆孔建設而成的用于防止水循環(huán)過程中在廢棄井巷密閉空間形成高壓氣包，影響系統(tǒng)循環(huán)效率建設而成的通氣道。

圖1 利用廢棄井巷抽水蓄能的系統(tǒng)及方法

2.2 井上下聯(lián)合的廢棄井巷抽水蓄能系統(tǒng)及方法

利用廢棄井巷抽水蓄能的系統(tǒng)及方法如圖2所示，井上下聯(lián)合的廢棄井巷抽水蓄能系統(tǒng)比完全地下的廢棄井巷抽水蓄能系統(tǒng)多了一個在地表建設的上水庫。在地表具備建設上水庫的地形和氣候條件下，井上下聯(lián)合建設抽水蓄能系統(tǒng)較完全地下的廢棄井巷抽水蓄能系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：①可以充分利用地表與井下廢棄巷道空間的高差及井筒、巷道等具有二次利用價值的井巷資源，提高系統(tǒng)的運轉和利用效率；②利用地表上水庫大規(guī)模的開放儲水空間，有利于對老空水的水質進行檢測和治理，為改善老空水的酸性狀態(tài)，減少其在地下水循環(huán)系統(tǒng)中對其他含水層的污染以及對抽水儲能設備、管道系統(tǒng)的腐蝕；③為實現(xiàn)礦井水的資源化利用提供了便利。

圖2 利用廢棄井巷抽水蓄能的系統(tǒng)及方法

2.3 利用虹吸效應的廢棄井巷抽水蓄能系統(tǒng)及方法

利用虹吸效應的廢棄井巷抽水蓄能的系統(tǒng)及方法如圖3所示，綜合考慮廢棄井巷中大量水體突水威脅、工程量、施工難度等方面因素，提出了一種利用虹吸效應的廢棄井巷抽水蓄能系統(tǒng)及方法。

圖3 利用虹吸效應的廢棄井巷抽水蓄能的系統(tǒng)及方法

該系統(tǒng)較之前兩種系統(tǒng)的主要區(qū)別在于：在下水庫標高以上層位，新建或利用原有巷道、硐室改擴建機電硐室，將設備安裝和人員作業(yè)空間布置在水庫的上方，根據虹吸效應，利用自然壓力或其他增壓方法實現(xiàn)水體中途沿密閉管理向上流動。

該系統(tǒng)的優(yōu)勢主要在于：①下水庫作為獨立水庫時減少了施工隔斷水庫與人員作業(yè)空間的人工壩體的建設量；②作業(yè)空間布置在水庫上方，有效消除了系統(tǒng)建設運行過程中下水庫潰壩突水危險。

3 廢棄井巷抽水蓄能系統(tǒng)主要技術參數(shù)

我國抽水蓄能電站設計建設始于20世紀60年代，經過50多年的研究和工程實踐，形成了完備的規(guī)劃、設計、建設、運行管理體系，電站的整體設計、制造和安裝技術已達到國際先進水平[23]。與地表抽水蓄能電站相比，由于底板起伏和煤柱導致地下水庫橫向導水的不連續(xù)性，廢棄井巷抽水儲能技術與地表抽水蓄能技術在水源、庫區(qū)范圍劃分、庫容計算、儲能量計算方面存在顯著差異。

3.1 采空區(qū)涌水量

采空區(qū)涌水是廢棄井巷抽水儲能水庫的重要水源，因此采空區(qū)涌水量的計算是抽水儲能水庫設計以及礦井水資源化利用的重要參數(shù)。在涌水量計算方面，根據礦井水文地質條件及各相關參數(shù)的完備性和準確性，分為確定性預測方法和不確定性預測方法兩大類[24]，其中確定預測方法主要包括水均衡法、物理模擬法、數(shù)值模擬法、解析法；不確定預測方法主要包括模糊數(shù)學法、水文地質比擬法、時間序列法、神經網絡法、Q-S曲線法、數(shù)理統(tǒng)計法等。

3.2 廢棄井巷水庫庫容

地下水庫庫容的確定包含庫區(qū)范圍確定和庫容計算兩步。

3.2.1 廢棄井巷庫區(qū)范圍確定

地下水庫是廢棄井巷抽水儲能的儲水結構，因此確定庫區(qū)范圍是地下水庫設計建設的基礎工作。地下水庫儲水空間邊緣壩體由煤柱和人工壩體共同構成，因此煤柱和人工壩體穩(wěn)定性是確定庫區(qū)范圍的關鍵。

由于各煤礦煤層賦存條件各有不同，礦區(qū)邊界煤柱、巷道煤柱、采區(qū)煤柱、區(qū)段煤柱的尺寸各不相同，因此判斷各類煤柱的透水性是確定地下儲水空間連通性的核心內容。煤柱尺寸可根據《煤礦防治水細則》中含水或導水斷層防隔水煤(巖)柱留設公式：

式中，l為煤柱留設寬度，m；k為安全系數(shù)，一般取2～5；M為煤層厚度或采高，m；P為水頭壓力，t/m2；Kp為煤的抗張強度，t/m2。

在人工壩體穩(wěn)定性方面，當壩體建成以后，壩體受力相當于一個抗剪結構，因此人工壩體厚度可參照混凝土抗剪強度公式計算[25]：

式中，S為墻體厚度，m；F2為墻體背水面巷道凈面積，m2；[τ]為混凝土安全抗剪強度，MPa。

按剪力驗算閘墻厚度，驗算公式為：

式中，S為墻體厚度，m；a為巷道凈跨度，m；b為巷道凈高度，m；T剪為密閉材料的許可抗剪強度，MPa。

3.2.2 廢棄井巷水庫庫容計算

庫區(qū)范圍確定以后，庫區(qū)最大容量及有效容量是確定廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)儲能能力和后續(xù)設備選型的基礎工作。工作面回采以后，井下水體主要賦存井巷空間、頂板垮落帶和裂隙帶的空隙和裂隙中，根據煤礦防治水細則，采空區(qū)積水量可以利用富水系數(shù)對采空區(qū)水量進行估算。

Q巷=WLK

采空區(qū)儲水系數(shù)K與采煤方法、回采率、煤層傾角、頂?shù)装鍘r性及其碎脹程度、采后間隔時間等因素有關；而巷道儲水系數(shù)則根據煤(巖)巷和成巷時間不同及維修狀況而定。因此，須逐塊逐條地選定儲水系數(shù)，這是積水量預計的關鍵。以走向長壁采煤法為主，按照新老區(qū)平均，10年前儲水系數(shù)為0.20，10年內儲水系數(shù)0.25～0.40。

由于煤層底板的起伏及各類煤巖柱的存在，廢棄井巷儲水范圍內易形成高于出水點的閉合死水位區(qū)域，因此廢棄井巷水庫范圍內死水位確定及庫容計算與地表水庫差異很大。

針對廢棄井巷儲水空間的特性，提出庫區(qū)階梯式死水位的概念，即從出水點標高h1開始向庫區(qū)范圍遍歷，存在標高h2(h2>h1)的等高線或等高線與壩體構成的閉合曲線，則該曲線都會提高范圍內的死水位標高，即該區(qū)域內高于出水點標高h1、低于閉合壩體曲線標高h2的水不能流出，形成高于出水點標高h1的死水區(qū)域。同理，若標高h2閉合曲線內存在標高h3(h3>h2)的等高線或等高線與壩體構成的閉合曲線，則該閉合曲線會再次提高標高h2閉合曲線內的死水位，以此類推，形成類似臺階型的階梯式死水位。

假定存在上述閉合曲線n條，Qsk(1

3.3 系統(tǒng)電能儲量

由于廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)是利用不同廢棄井巷區(qū)域間高度差實現(xiàn)電能和重力勢能的相互轉換，因此可能存在多個區(qū)域間形成庫區(qū)群的情況。

若僅有上下兩個水庫，上水庫有效庫容為Q上，平均標高h上，下水庫有效庫容為Q下，平均標高h下，且Qmin=min(Q上，Q下)，則抽水蓄能系統(tǒng)可存儲能量為：

E=Qmin(h上重心-h下重心)ρg

若上下水庫有多個水庫組成的水庫群組成，上水庫群i個水庫群容量為Q上=(Q上1，Q上2，…，Q上i)，各上水庫平均標高為h上=(h上1，h上2，…，h上i)，下水庫j個水庫群容量Q下=(Q下1，Q下2，…，Q下i)，各下水庫平均標高h下=(h下1，h下2，…，h下i)：

上水庫群重心標高為：

同理，下水庫群重心標高：

則兩水庫群間電能儲量為：

E=Qmin(h上重心-h下重心)ρg

綜上可得，若某礦井田范圍20km2(5km×4km)，其中，1號煤為主采煤層，煤層為近水平煤層，厚度3m，平均埋深600m，采用三條大巷(5km)布置(斷面5m×3m)，整個井田回采率80%，采空區(qū)儲水系數(shù)0.25，整個井田范圍采空區(qū)死水率30%，測算1號煤回采完畢以后作為廢棄井巷抽水儲能，下水庫相對地表可儲能量約為24.3GW·h。

4 結 論

1)結合不同礦區(qū)條件，提出了完全地下的廢棄井巷抽水蓄能系統(tǒng)、井上下聯(lián)合的廢棄井巷抽水蓄能系統(tǒng)、利用虹吸效應的廢棄井巷抽水蓄能系統(tǒng)是三種可行的廢棄井巷抽水儲能技術方案。

2)基于廢棄井巷空間資源特性，推導、構建了采空區(qū)涌水量、廢棄井巷水庫庫容、系統(tǒng)電能儲備量三項重要技術參數(shù)計算模型。

3)結合我國煤炭資源分布特性及我國儲能產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，廢棄井巷抽水儲能技術在分布式儲能、風光儲結合、多能互補系統(tǒng)及中西部區(qū)域大容量儲能等方面具有較大的推廣應用潛力和價值。