废弃煤矿地下深部空间抽水蓄能及地热综合利用设计方案

杨卿干1，韩运1，吴犇牛1，章曼1，陈强1

（1.安徽理工大学矿业工程学院， 安徽 淮南 232001）

摘要：近年来的去产能政策使得我国关闭/废弃矿井数量庞大，其中仍赋存巨量空间资源，但目前整体利用率极低，导致大量资源被浪费，如何开发利用此类资源成为煤炭行业研究的重点。在深入分析废弃煤矿水文地质、资源条件、能耗需求等的基础上，探索废弃煤矿多能互补综合利用模式，开展废弃矿井多能源互补利用的具体设计方案，可对地下空间与矿区工业用地等资源进行最大化利用，计算分析综合利用模式的投资成本及其经济效益，并以淮北石台矿井为例，论证利用废弃矿井改造抽水蓄能电站的可行性。研究成果对废弃矿井多能源互补开发利用模式与方法具有重要参考价值，并且可有效推动煤炭遗留资源的绿色可持续发展与能源型城市的顺利转型升级。

关键词：废弃矿井；地下空间；多能互补；利用模式；方案设计

中图分类号： U 45　　　　　文献标志码：A　　　　　　　　　　　

0.引言

近长期以来，我国煤炭资源持续进行着大规模开采，加之碳达峰目标与碳中和重要工作的开展，关闭/废弃矿井数量急剧上升[1]。自2005年，国家为整合区域煤炭资源，陆续发布《国务院办公厅关于坚决整顿关闭不具安全生产条件和非法煤矿的紧急通知》、《关于进一步做好煤矿整顿关闭工作的意见》等文件[2]，对能源供给结构进行整改，部分矿井已经或即将面临关停，这些矿井关停后，赋存巨大的地下空间资源或水资源[3]。工程院重大咨询项目预测，2030年废弃矿井关闭数量将达到1.5万处，可利用地下空间资源约156亿m3[4]。因此，如何合理利用废弃矿井遗留的空间与水资源，进而减少因关闭/废弃矿井所造成的一系列安全、环境、社会问题，是煤炭行业亟需研究的重要课题。

早在20世纪70年代，废弃矿井抽水蓄能电站的构想在美国首先提出[5]，但因种种原因而尚未实施。德国的能源研究中心在对Upper Harz金属矿巷道资源条件进行分析后，拟建100MW抽水蓄能电站，同时对废弃的Prosper-Haniel煤矿进行半地下抽水蓄能电站建设的可行性分析[6]。此外，澳大利亚北昆士兰州露天金属矿[7]、西班牙Asturian中央煤矿[8]、南非Fast West Rand区金矿[9]都进行了抽水蓄能电站的设计研究。在国内，针对井下空间的利用，顾大钊等[10]提出了“导储用”为核心的煤矿地下水库理念，为废弃矿井下水库的建立提供了理论依据。谢和平等[11]调研分析了全国煤矿地下空间容量系数，指出了“煤矿地下空间容量估算”的方法，在此基础上获得了地下可利用空间分布特征。袁亮等[12]在废弃矿井资源精准开发的基础，阐述了废弃矿井开发相应的科学问题。卞正富等[13]论证了废弃矿井抽水蓄能地下水库构建的可行性。周跃进等[14]研究了巷道空间结构的优化，引入空间句法理论，构建了废弃矿井抽水蓄能拓扑模型。综上可知，我国废弃矿井抽水蓄能电站相关研究仍处于理论阶段，尚未形成成熟、可复制推广的废弃矿井抽水蓄能方案。

开展废弃矿井抽水蓄能电站试点工程，是废弃矿井资源利用研究的落脚点17][15-]。在系统收集淮北石台矿勘探、建设、生产等各阶段水文地质资料的基础上，综合分析论证了废弃矿井抽水蓄能工程可行性，通过构建基于淮北石台矿区域条件的多能互补废弃矿井综合利用模式，对解决矿井关闭所产生的资源浪费、环境修复难题，具有一定的借鉴指导意义。

1.废弃矿井资源多能互补综合开发模式

根据废弃矿井水文地质条件、相邻矿井位置关系、风光资源条件等，提出废弃矿井多能互补综合开发模式。利用多能互补的发电模式，进行废弃矿井抽水蓄能电站的建造，深入探讨废弃矿井的开发利用模式。

1.1.废弃矿井抽水蓄能电站概述

废弃矿井抽水蓄能电站是抽水蓄能电站建设应用的一种特殊类型，抽水蓄能电站是一种可靠性高、经济性好、容量大的调峰储能设施[18]。抽水蓄能电站利用电网中的电力驱动下水库中的水轮机组，将下水库的水抽至上水库中，以达到蓄能的目地；用电高峰期，上水库中的水排放至下水库，利用下水库中的水轮机组，将势能转化成电能[19]。图1为1968年至2021年底抽水蓄能电站装机容量情况。截至2021年底，我国已建成和在建的抽水蓄能电站共88座，总装机为97920MW[20]。废弃矿井抽水蓄能电站与常规抽水蓄能电站最大不同点，在于废弃矿井抽水蓄能电站的下水库是利用废弃矿井的巷道与采空区改造建成-22[21]。

图1 1968年至2021年底抽水蓄能电站装机容量情况

Fig. 1 Installed capacity of pumped storage power plants from 1968 to the end of 2021

1.2.废弃矿井多能互补电站模式

基于废弃矿井抽水蓄能电站与常规抽水蓄能电站的相似与不同，提出废弃矿井多能互补电站的理论结构模型（图2）。对废弃矿井来说，空间资源丰富，煤炭开采后所形成的塌陷区、周边的工业广场与地下巷道硐室、采空区，具有很好的改造条件[23]。通过对塌陷区的治理与改造，构建地表上水库。在建设改造地表上水库的过程中，需考虑几个具体问题：地表塌陷区与周边工业用地的面积、水库的水质与蒸发量[24]。废弃矿井抽水蓄能地下水库，建设的必要条件：充足的地下空间、丰富的水资源、密闭的环境[25]；废弃矿井的地下结构主要由矿井的采空区、开拓巷道、准备巷道、硐室等部分组成[26]，但采空区的利用较为困难；因此，采用废弃矿井的巷道与硐室，建设地下水库。水轮机组，抽水蓄能电站的核心部件之一[27]。因此选型较为重要，需满足耐高压、扬程高、尺寸合适、抗腐蚀与耐磨损等条件[28-30]。废弃矿井抽水蓄能电站建设过程中，为保证设备的完好性、稳定性以及矿井中各巷道的围岩稳定性，需在矿井中建立相应的监控设施、维修设施等。

图2 废弃矿井多能互补电站理论结构模型

Fig. 2 Theoretical structural model of multi-energy complementary power plants in abandoned mines

抽水蓄能电站利用可再生的清洁资源蓄能抽水是一种较为常见的方式[22]。结合废弃矿井地理位置、风力条件分析，建设风电场变电站，布置输电管网，可满足蓄能抽水时所需的用电量。废弃矿井地表的塌陷区与周边的工业用地，除了用于构建地表上水库，还可在水面上设置漂浮体，再将光伏电池板固定在漂浮体上[31]，建造光伏发电站，并起到净化水质、保护机组的作用。

1.3.多能互补一体化模式

风力、光伏发电作为主要的可再生能源，储能技术是风能和光伏发电发展的瓶颈之一，抽水蓄能电站是现今应用最广泛的大规模储能设施之一，能够大幅解决风光电能消纳问题[32-33]。利用废弃矿井进行改造，建设多能互补抽水蓄能电站（如图3），不仅增强地下空间的稳定性、充分利用废弃矿井空间资源，还为风力、光伏发电的发展提供一种新的综合利用模式，具有缓解能源资源约束问题、加快生态文明建设的重大意义。

图3 基于关闭矿井构建抽水蓄能电站多能互补示意图

Fig. 3 Diagram of multi-energy complementary pumped storage power plant based on closed mines

2.多能互补模式的案例分析

2.1矿区概况

石台矿属淮北市杜集区，西南距淮北市约15km、东北距江苏省徐州市约40km[34]，东接合徐高速、北侧8km接连霍高速，交通便利。石台矿地区年均降水量为834mm，水资源充足；平均风速3m/s，最大风速可达18m/s，具有很好的风力条件。石台矿矿井开拓方式为立井多水平，开采方式为分区前进，采区内后退。回风水平-50m，一水平巷道标高为-250m，二水平巷道标高为-450m，三水平巷道标高为-450m以下[34]。石台矿地面标高+31.90~+36.50m，呈东北高西南低的特点。石台矿周边矿井地势较高，如图4所示周边矿区矿井水资源涌入石台矿。

图4 石台矿及周边矿井涌水关系图

Fig. 4 Water gushing relationship map of Shitai mine and surrounding mines

2.2上、下水库设计

地下水库库容是水轮机发电机组装机容量确定的重要依据。地下水库库容的大小取决于废弃矿井主井、副井、开拓大巷、准备巷道、采空区等空间以及地下的水文地质条件。但根据矿区各矿井地下水流情况，本方案设计围绕-250m、-380m和-450m标高的空间来开发利用，具体设计如下：将-230m~-250m标高地下空间作为一级地下水库，其容量约为15万m³，根据煤矿地下巷道长度以及巷道的横截面积，初步估算可利用下水库容量为80万m3（如图5）。

图5 石台矿地下可利用空间容量分布图

Fig. 5 Distribution of underground available space capacity of Shitai coal mine

地面上水库的计算需要确定最小水库深度，即出/进水口的最小淹没深度，根据《水电站进水口设计规范（DL/T 5398-2007）》中对进水口最小淹没深度的计算方法：

  (1)

式中：K为不小于1.5的安全系数；为进口喇叭短的局部水头损失；为拦污栅的局部水头损失；为闸门槽的局部水头损失；为渐变段的局部水头损失；为进水口沿程局部水头损失；V为进水口设计流量；依据《水电站进水口设计规范（DL/T 5398-2007）》中局部水头损失的计算公式，可得K=1.5，，,,,，V=5m/s，最小水库深度S=3.97m。依据死水位占比库容30%计算，上水库深度取4m，设计上水库尺寸为400m×220m×4m。

2.3.水轮机与输水管道设计

水泵水轮机是抽水蓄能电站中的核心部件之一。在设计时水泵水轮机组位置的选择应在一些高程变化范围较小且在同一水平面的巷道，避免水头变化过大导致机组效率的降低。且考虑到井下空间及井筒的大小问题，水泵水轮机组可以采用多个小单机容量机组分布式进行布置，且可根据扬程变化及水头的情况选取水泵与水轮机的相对位置。

根据石台矿的地下水库库容，结合抽水蓄能电站的相应布置要求、水头条件、抽水蓄能机组的运行条件等，并考虑现有的水泵水轮机的相关参数，初步拟定水泵水轮机组连续发电时间为6小时。水轮机组安装至石台矿-250m一水平老副井井底处，装机为两侧各组装一组水轮机组。

根据不同的管材，可以采用不同的管道流速来进行井下管径的选择，如下表1所示。

根据不同型号的管材以及管径，通过水轮机装机容量公式，计算水泵水轮机组的装机容量，结合钢衬管材参数、抽水时间取13小时计算，结合公式（2）计算，得出水泵水轮机组的装机容量约为16MW，取2台，共32MW。但因实际工程操作中，在管道与井下易产生水头损失，故本次设计采用的水泵水轮机组的装机总容量为30MW。安装于井口两侧，各为15MW，采用水泵水轮机组尺寸为1540m的混流式水泵水轮机组，输水管道铺设于老副井中，用于发电；排水管道铺设于新副井，井口处设置一组相同装机容量的水轮机，用于抽水蓄能。

2.4风力与光伏发电设计

结合石台矿地理位置分析，距离石台矿4.1km处的官山风电，官山风电站具有24个风电发电机位，共计48MW风电机组，并同步建设一座110kv风电场变电站，利用输电管线布置的布置完成水风互补的模式。

石台矿区废弃后，留下大量的工业土地资源，其塌陷区与周边工业用地可用来铺设光伏发电所需的光伏板，石台煤矿从南到北长约3.3～7.5km，从东到西宽约2.0～4.9km，占地约为18.44km2。根据现市场估算1MW光伏发电需占地30~40亩，现上水库建设占地32.6万m3，取宽400，长500m计算。因此，可以估算出能够建设8MW的光伏发电站。

2.5地热供暖设计

结合石台矿区抽水蓄能电站的相关设计，其排水管道位于新副井处，通过管道、换热器等，将地热能从井下水中提取，用于地表厂房、居民区供暖。地热泵房安装位于地表厂房下方3~5m处，用于换热供暖，管线布置需按工程实际长度，从新副井至地表厂房、居民区，再到上水库。

2.6厂房设计

厂房的设计是抽水蓄能电站总体设计的一个重要部分[27]，废弃煤矿抽水蓄能电站机组安装位置低。因此，厂房多采用地下式，在空间狭长的废弃矿井中布置主厂房、副厂房、主变压器、开关站、高压引出线、交通洞等，使电站可以安全运行、管理和维护方便是厂房设计的主要问题。

参照石台矿区-250m一水平巷道的地下情况，具体分析厂房的设计选址。以-250m一水平的巷硐进行改造建设主厂房、副厂房、开关站，在保证主厂房、副厂房、开关站设置防水水位条件下不受淹没；主变电器位置尽量靠近水泵水轮机组，并安装在同一高程，并保证主变电器具有防火、防爆等特性；交通洞，需保证在井下正常运行时行人通畅，在发生意外时应保证出井人行交通不致阻断，可利用矿井中准备巷道局部改造建设。

2.7多能互补一体化设计

参照石台矿空间资源、水资源、风能与光能条件，具体分析多能互补的一体化设计，如图6所示。

图6 基于石台矿资源条件的多能互补一体化设计

Fig. 6 Integrated design of multi-energy complementary based on the resource conditions of Shitai mine

3.综合利用效益分析

在石台矿多能互补模式中，其抽水蓄能电站装机容量为30MW，以实际效率为75%计算，抽水蓄能电站一年可产生4.927kwh；按设计13小时的抽水工作时间，一年需用于抽水蓄能的用电量为1.078kwh。以光伏发电的装机容量4MW，实际效率为70%、平均发电时间为10小时计算，一年可生产9.956kwh。风力发电站装机容量为48MW，以实际效率70%、每天持续发电10小时计算，风力发电一年约可生产1.238kwh。以安徽省平峰与谷峰的电价为例，计算多能发电互补模式下，除去蓄能所消耗的电能，约可产生7.27kwh电量，每年可收益5105.34万元，按照抽水蓄能电站设计年限20年计算，共可产生10.21亿元的收益。

石台矿井下巷道与周边几个矿井具有良好的泄水条件，预计涌水量450m³/h。，每年的水害治理费用将近400万，前期建设需花费3700万工程费用，按照抽水蓄能电站设计年限20年计算，建设抽水蓄能电站可节省处理水害费用2.1亿元。按照30MW装机容量计算，每年发电约4927.5万kwh，减耗标准煤1.64万t，减排二氧化碳4.26万t，以2021年无烟煤价格1682元/t计算，一年可节约用煤费用2758.48万元，设计年限20年中可减少用煤费用5.51亿元。

估算石台矿单位千瓦投资约为6000元，且工期大大缩短。据统计：普通抽水蓄能电站投资中建库成本约占40%，石台煤矿地质条件较稳定，仅需局部加固、防渗或改造，因此建库成本大幅度降低。此外，相比地面常规抽水蓄能电站，废弃矿井抽水蓄能还可以节省征地费用和土石开挖量等建设成本的支出。综合考虑上述因素，建库工程费用较常规抽水蓄能电站土建成本大约降至25%，建设投资成本约为1.53亿元。光伏电站每瓦的建设总成本为26~33元，其石台矿区光伏发电站总投资成本为2.08亿元。

4.结论

（1）针对我国“十三五”、“十四五”煤炭行业去产能政策产生的大量关闭/废弃矿井中赋存的水、空间资源无法充分利用问题，在综合分析支持政策、行业发展趋势、综合环境、经济社会效益等基础上，提出废弃矿井多能互补综合利用模式，提升废弃矿井的空间资源与水资源利用率，实现废弃矿井遗留资源的再利用，推动煤炭资源绿色可持续发展。

（2）以淮北石台矿为例，详细分析了废弃矿井资源条件，研究了矿井涌水关系及地下空间随井深变化关系，并从上下水库设计、水轮机组设计、厂房选址与经济效益等方面对多能互补电站进行初步设计，构建了废弃矿井多能互补一体化开发利用案例示范。

（3）分别从抽水蓄能、风力、光伏三种电站的设计出发，对石台矿多能互补综合利用方案进行初步投资效益分析，结果表明：该矿拥有良好的多能互补综合开发利用条件，具备多能互补模式下抽水蓄能电站建设可行性。

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