廢棄礦井資源的可再生能源開發(fā)利用

謝友泉，高 輝，蘇志國，李 春，李寶山

（1.國華投資有限公司，北京 100007；2.中國可再生能源學(xué)會，北京 100190）

0 引言

隨著煤炭去產(chǎn)能的深入推進(jìn)，大批煤礦被淘汰，成為廢棄礦井。僅2016年，我國就關(guān)閉退出煤礦2000個左右[1]。過去粗放式的開采并不注意保護(hù)環(huán)境，很多礦井并未實現(xiàn)資源綜合利用。在巔峰時期，我國礦井多達(dá)8萬多處，其中小煤礦占到80%～90%。這些廢棄礦井不僅造成資源的巨大浪費，還有可能誘發(fā)后續(xù)的安全、環(huán)境及社會等問題。因此，合理開展廢棄礦井資源的開發(fā)利用，不僅能夠減少資源浪費、變廢為寶，提高資源開發(fā)利用效率，而且可為廢棄礦井企業(yè)提供轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略路徑，推動資源枯竭型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展。

煤炭開采后會遺留大量的采空區(qū)和地表沉陷區(qū)。以山西為例，因采煤累計形成100億m3的采空區(qū)，采空區(qū)面積達(dá)到2萬km2，相當(dāng)于山西1/8的國土面積[2]。廢棄礦井的地下空間經(jīng)改造后，可建設(shè)地下石油、天然氣等戰(zhàn)略物資儲備庫和深層核廢料埋藏庫，以及壓縮空氣、水力蓄能發(fā)電站，也可開發(fā)礦山公園或進(jìn)行特殊實驗。我國廢棄礦井資源豐富，發(fā)展?jié)摿薮螅瑢ζ溥M(jìn)行科學(xué)開發(fā)利用具有重要的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益，是保障我國能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略途徑。

我國對廢棄礦井資源開發(fā)利用的研究起步較晚，基礎(chǔ)理論研究薄弱，關(guān)鍵技術(shù)不成熟，且存在煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜、階段性廢棄礦井?dāng)?shù)量大等特殊條件。因此，我國廢棄礦井資源利用必須走智能精準(zhǔn)開發(fā)之路，運用現(xiàn)代化信息技術(shù)，遵循因地制宜、多能互補、綜合利用、講求實效的基本原則，實現(xiàn)我國廢棄礦井資源的精準(zhǔn)開發(fā)與利用。

1 廢棄礦井資源特點

1.1 礦區(qū)土地資源

廢棄礦井廢棄地是指在采礦活動中被破壞、未經(jīng)治理而無法使用的土地。根據(jù)礦業(yè)廢棄地的來源可劃分為4種類型[3]：一是由剝離表土、開采的巖石碎塊和低品位礦石堆積而成的廢石堆廢棄地；二是隨著礦物開采而形成的大量的采空區(qū)和塌陷區(qū)，即采礦坑廢棄地；三是開采的礦石經(jīng)各種方法分選出精礦后的剩余物排放堆積形成的尾礦廢棄地；四是采礦作業(yè)面、機械設(shè)施、礦山輔助建筑物和道路交通等先占用而后廢棄的土地。

土地是最重要的自然資源之一，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[4]。大量的礦井廢棄地不僅占用和破壞了土地資源，加劇了人地矛盾，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，加快礦井廢棄地的治理，實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為環(huán)境生態(tài)研究的焦點問題。

1.2 地下坑道空間

廢棄礦井有巨大的空間資源。為保證安全生產(chǎn)，開采煤炭所需的井筒、巷道等建筑設(shè)施質(zhì)量非常好，如果經(jīng)改造直接用于地下儲物，是最簡單、最直接、最省錢的辦法。

截至2018年，我國廢棄礦井?dāng)?shù)量已達(dá)1.2萬個；到2030年，這一數(shù)字將變?yōu)?.5萬個。按每個礦井地下資源空間60萬m3計算，1.2萬個就是72億m3，相當(dāng)于一座千萬人口大城市的空間[1]。

1.3 其他資源

我國廢棄礦井中賦存煤炭高達(dá)420億t，天然氣近5 000億m3，還有大量水、地?zé)帷⑼恋丶翱稍偕茉?、生態(tài)開發(fā)及工業(yè)旅游資源。

2 廢棄礦井的可再生能源開發(fā)利用模式

2.1 光伏發(fā)電

①采煤沉陷區(qū)建設(shè)光伏電站

對采煤沉陷區(qū)進(jìn)行綜合治理，在采煤沉陷區(qū)上建設(shè)光伏電站，是我國采煤沉陷區(qū)土地利用、礦區(qū)生態(tài)修復(fù)、推動資源型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展、促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展的一個重要手段。

在采煤沉陷區(qū)建設(shè)光伏電站，要根據(jù)具體的地質(zhì)釆礦條件進(jìn)行采空區(qū)地基穩(wěn)定性評估，新建建筑時必須采取一定的抗變形措施，必要時還需對采空區(qū)進(jìn)行勘查和采空區(qū)注漿處理。對于我國絕大多數(shù)的廢棄礦區(qū)，采取相應(yīng)技術(shù)措施后，在采煤沉陷區(qū)上建設(shè)光伏電站是可行的。

由于采煤沉陷區(qū)會產(chǎn)生一定的地表破壞、移動與變形，對采動影響范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生一定的影響，故在采煤沉陷區(qū)地表建設(shè)光伏電站時，可能會對光伏電站產(chǎn)生不利影響。根據(jù)礦區(qū)開采沉陷情況，地下煤層開采結(jié)束以后經(jīng)過一段時間，當(dāng)?shù)乇磉B續(xù)6個月下沉值不超過30 mm時，可認(rèn)為采空區(qū)地表沉陷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[5]。但實際上由于受多種因素的影響，地表還會發(fā)生殘余沉降，甚至?xí)l(fā)生突然塌陷，從而對地表建筑物產(chǎn)生一定程度的影響。因此，采空區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時應(yīng)對采空區(qū)地表的沉陷狀況進(jìn)行分析，針對不同情況應(yīng)采取不同的應(yīng)對措施。

②政府強力推進(jìn)

利用采煤沉陷區(qū)建設(shè)光伏電站，為煤礦企業(yè)轉(zhuǎn)型提供了一種新的思路，并會帶來很好的社會效益、生態(tài)效益和能源效益。

《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》要求，促進(jìn)行業(yè)調(diào)整轉(zhuǎn)型，鼓勵利用廢棄的煤礦工業(yè)廣場及其周邊地區(qū)，發(fā)展風(fēng)電、光伏發(fā)電和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。盤活土地資源，支持退出煤礦用好存量土地，促進(jìn)礦區(qū)更新改造和土地再開發(fā)利用等多項措施。

③經(jīng)濟、環(huán)保效益突出

將采煤沉陷區(qū)治理與光伏產(chǎn)業(yè)扶貧、光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和光伏規(guī)模指標(biāo)管理有機結(jié)合起來，即解決了沉陷區(qū)土地閑置問題，又統(tǒng)籌推進(jìn)沉陷區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境治理，對于促進(jìn)資源型城市轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式具有重大意義。

廢棄礦井的太陽能開發(fā)利用裝置規(guī)模可大可小，因地制宜靈活方便，而且受地域限制因素影響較小，非常適合大部分廢棄礦區(qū)的推廣使用。作為我國可再生能源推廣量最大的光伏發(fā)電技術(shù)，已經(jīng)過長期的考驗，技術(shù)水平較成熟，系統(tǒng)清潔、高效無污染、對環(huán)境友好，投資小、日常運行維護(hù)成本低，具有較好的經(jīng)濟、環(huán)保效益，隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，該技術(shù)將會在廢棄礦井治理過程中發(fā)揮不可替代的作用，發(fā)展前景廣闊。

2.2 壓縮空氣儲能

傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)是基于燃?xì)廨啓C技術(shù)開發(fā)的一種儲能系統(tǒng)，利用棄光、棄風(fēng)和低谷電，將空氣壓縮并儲存于大型儲氣洞穴中；在用電高峰，高壓空氣從儲氣洞穴釋放，與燃料燃燒后驅(qū)動透平發(fā)電。但是，傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)不適合我國這類“缺油少氣”的國家，還需要特殊地理條件建造大型儲氣室。

我國的研發(fā)團隊通過十余年的努力，先后完成了蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)和液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)的研發(fā)及示范[6]。在此基礎(chǔ)上，提出了超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)，同時解決了傳統(tǒng)壓縮空氣儲能依賴大型儲氣室和化石燃料的技術(shù)瓶頸，并進(jìn)一步提高了系統(tǒng)效率。

壓縮空氣儲能是一種可以實現(xiàn)大容量和長時間電能存儲的電力儲能系統(tǒng)，可將風(fēng)電、太陽能等不易儲藏的電力用于壓縮空氣，將壓縮后的高壓空氣密封在儲氣空間中，在需要時釋放壓縮空氣推動透平發(fā)電的儲能方式。

地下儲氣站可以采用廢棄礦井，其中最理想的是恒壓儲氣站，能保持輸出恒壓氣體。壓縮空氣儲能具有容量大、工作時間長、經(jīng)濟性能好、充放電循環(huán)多等優(yōu)點。在我國不具備建設(shè)抽水蓄能電站的礦區(qū)，尤其遠(yuǎn)離消費中心的大型太陽能發(fā)電場，利用空氣儲能實現(xiàn)大規(guī)模長時間的儲能。壓縮空氣儲能優(yōu)勢明顯，可以彌補抽水蓄能的先天不足，將是有效解決我國大規(guī)模儲能問題的重要選擇。

2.3 抽水蓄能發(fā)電

①廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站的優(yōu)勢

隨著風(fēng)能、太陽能發(fā)電的發(fā)展，用電側(cè)的要求不斷提高，電源側(cè)的調(diào)控也變得更加復(fù)雜，系統(tǒng)中需要大量的調(diào)峰電源和可靈活調(diào)節(jié)的電源。抽水蓄能電站具有啟動快、運行靈活等特點，在電力系統(tǒng)中可承擔(dān)削峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急備用等任務(wù)，可為電力系統(tǒng)帶來可觀的動態(tài)效益，有效地改善火電及其他類型機組的運行條件[7]。

煤礦報廢后留下的礦洞具有空間大、深度不一、不同高差、水源充足等特點，這些恰恰是建設(shè)抽水蓄能電站的有利條件。利用礦洞建設(shè)蓄能電站是很有前景的儲能方式，不僅有利于拓寬蓄能選點范圍，使蓄能電站更加接近負(fù)荷中心、可再生能源基地和特高壓線路交集處，還可以根據(jù)礦區(qū)能源開發(fā)情況，構(gòu)成可再生能源微電網(wǎng)系統(tǒng)，使礦區(qū)從工業(yè)耗水、耗電大戶轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕茉措娫摧敵龅兀煌瑫r可以減少筑壩工程量和征地費用，緩解水源蒸發(fā)問題，有效減少項目投資；還可促進(jìn)礦區(qū)自然生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)，帶動周邊相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)變廢為寶。因此，利用廢棄礦洞建設(shè)抽水蓄能電站，對于廢棄礦洞的再利用具有重大的生態(tài)環(huán)保和經(jīng)濟意義。

②廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站的可行性

在我國利用廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站的工程技術(shù)研究與工程建設(shè)尚處于探索性階段，還未形成系統(tǒng)的理論方法和技術(shù)規(guī)范。隨著這些領(lǐng)域理論與技術(shù)進(jìn)展、工程示范及其推廣，不僅能夠有效實現(xiàn)能源儲存和電力調(diào)蓄，使我國可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生新的增長點，也為我國西部缺水地區(qū)煤炭開采及水資源保護(hù)利用提供重要科技支撐。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(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井儲水、蓄能發(fā)電、礦井水循環(huán)利用和可再生能源開發(fā)等多重目標(biāo)，并有助于控制地表沉陷、維護(hù)礦區(qū)生態(tài)平衡，將對未來現(xiàn)代化、生態(tài)化礦井開拓布局、節(jié)能減排、綠色開發(fā)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

3 結(jié)語

廢棄礦井可再生能源開發(fā)利用要走綠色發(fā)展的道路，注重廢棄礦井資源開發(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，應(yīng)把綠色發(fā)展理念貫穿于廢棄礦井開發(fā)利用全過程。在項目選擇上要以環(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，項目實施前要經(jīng)過充分調(diào)研、論證；開發(fā)利用方案要經(jīng)政府相關(guān)部門審核，做到科學(xué)、合理、有序、協(xié)調(diào)發(fā)展。