廢棄露天礦坑儲油蓄能綜合利用模式研究

曹壽鶴，陳樹召，尚 濤，楊 猛

(中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116)

露天開采因開采效率高、機械化程度高、安全性強等特點，在采礦行業(yè)得到廣泛應用[1]。截至2017年底，全國共有439座露天煤礦，其中，已經(jīng)閉坑的有十幾座，面臨閉坑的有三十幾座。露天礦開采后會留下巨大的礦坑和排土場，對這些露天礦坑的處理最直接的做法是填土掩埋，然而露天礦坑的填土掩埋工程量大、耗時長、耗資巨大，閉坑后掩埋難以操作。另外，雖然部分企業(yè)在閉坑前便采用了其他方法進行治理及利用[2]，但目前尚有一些重大瓶頸問題無法克服。同時，露天礦坑是一種巨大的空間資源，空間閑置是資源的極大浪費，因此如何盡快實現(xiàn)露天礦坑的合理利用成為亟待解決的問題。

廢棄礦坑的生態(tài)修復是一項涉及到多學科的復雜工程，一直以來是國內(nèi)外一項重要的研究課題[3]，20世紀60年代開始，國外開始關(guān)注廢棄礦坑的綜合利用問題[4]。該問題率先得到大地藝術(shù)家們的關(guān)注，MORRIS Robert于1979年利用廢棄礦坑創(chuàng)作了一個戶外劇場[5]，加拿大布查特花園建立于廢棄水泥礦坑上[6]，之后隨著人們環(huán)境保護意識的不斷增強與治理能力的提高，越來越多的建筑師、藝術(shù)家、景觀設(shè)計師、生態(tài)學者、規(guī)劃師們開始關(guān)注廢棄礦坑處理問題并給出了獨特的解決方案，露天礦坑開始變身成為公園、水庫、賽車場等[7-8]。國內(nèi)廢棄礦坑(井)治理研究工作起步較晚，但成果顯著。王永生等[9]最先提出根據(jù)礦坑特點進行適宜的改造；高文文等[10]提出基于推理條件和推理規(guī)則對礦坑利用模式進行優(yōu)選；肖曉楠等[11]提出適宜的生態(tài)設(shè)計能夠恢復礦坑的生態(tài)系統(tǒng)；谷志孟等[12]提出了垃圾處理與礦山采空區(qū)災害綜合治理措施；羅桂軍等[13]提出廢棄礦坑的生態(tài)恢復與文化和商業(yè)的多元素融合，有利于創(chuàng)造其新的經(jīng)濟價值；徐州潘安湖采用先開采、后治理的處置方式，著重打造礦區(qū)治理后的景觀功能，通過構(gòu)建濕地景觀，成功實現(xiàn)了對塌陷礦區(qū)的綜合利用；上海辰山植物園和南京湯山礦坑公園的建立實現(xiàn)了廢棄采石場的轉(zhuǎn)型，帶來生態(tài)與經(jīng)濟的雙重收益[14-16]。

近年來，安全問題越來越成為國內(nèi)關(guān)注的一大熱點話題，無論是廢棄露天礦坑的安全問題，還是國家能源安全，均是涉及國計民生的重要問題。廢棄露天礦坑空間資源巨大，夠為能源儲備提供得天獨厚的地理條件。鑒于此，本文提出一種礦坑抽水蓄能與儲油一體化綜合利用的新方法，不僅實現(xiàn)露天礦坑的綜合利用，而且響應國家能源規(guī)劃要求[17]，確保國家能源儲備安全，同時為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展提供新的增長極。

1 抽水蓄能與坑底儲油

1.1 工藝流程

廢棄露天礦坑綜合利用總體思路是通過在露天礦坑內(nèi)部構(gòu)筑人工重力壩，建設(shè)抽水蓄能電站，同時在水下布置儲油罐體，實現(xiàn)原油儲備。儲油區(qū)為其上部的水資源提供勢能儲備，上部水資源對儲油區(qū)形成保護，保障能源儲備安全。具體的方案流程如下所述。

1) 在礦坑中間修筑人工重力壩，將礦坑分隔成相鄰的能量轉(zhuǎn)化利用區(qū)和儲油區(qū)，在人工重力壩內(nèi)留設(shè)連通兩區(qū)域的排水管路，并在其中設(shè)置發(fā)電機。

2) 儲油區(qū)一側(cè)鋪設(shè)基底層，基底層以上依次鋪設(shè)容置層、混凝土層、土石混合物層，并在容置層中并列設(shè)置多個油罐組件，且使各油罐組件中最上部的球型油罐通過輸油支路連接至總輸油管路，總輸油管路末端連接至設(shè)在礦坑外的油泵；每個油罐組件中最下部的球型油罐通過輸水支路連接至總輸水管路上。

3) 需要儲油時，打開需要用到的油罐組件對應輸油支路上的支路閥門，通過油泵將外部的油通過總輸油管路輸入至上下布置的球型油罐中從而將油安全儲存起來。

4) 需要取用油時，打開需要取用的油罐組件所對應的輸油支路上的支路閥門，抽水電機將能量轉(zhuǎn)化利用區(qū)中的水沿著總輸水管路和輸水支路輸入至最下部的球型油罐內(nèi),對油罐內(nèi)部空間加壓，將油罐中的油通過輸油支路擠出并經(jīng)總輸油管路向外排出。

5) 需要再次儲油時，打開油罐組件所對應的輸水支路上的支路閥門以及該油罐組件對應輸油支路上的支路閥門，油罐組件中的水會在重力作用下通過輸水支路流出至總輸水管路中，并進入排水管路中驅(qū)動水輪機轉(zhuǎn)動，將機械能轉(zhuǎn)換成電能存儲起來或傳輸至電網(wǎng)；同時，經(jīng)油泵從外部輸來的油在自身重力和油罐組件中的水流出后形成的負壓吸力作用下流入油罐組件中被儲存起來。

6) 區(qū)域電能富裕時，通過抽水泵站將水資源從低處(能量轉(zhuǎn)化利用區(qū))輸送至高處(儲油區(qū)上部)，將電能轉(zhuǎn)換為水資源的勢能進行儲存。

7) 當區(qū)域內(nèi)電能缺乏時，開啟排水管路，儲油區(qū)上部空間中儲存的水從入水口進入排水管路，并從出水口流出至能量轉(zhuǎn)化利用區(qū)內(nèi)，通過水力發(fā)電機組將水資源的勢能轉(zhuǎn)換成電能并反饋于電網(wǎng)。

1.2 關(guān)鍵工程

根據(jù)上述工藝流程，本方案的關(guān)鍵工程主要包含抽水蓄能電站建設(shè)及坑底儲油工程。具體包括抽水蓄能電站建設(shè)和坑底儲油工程

1.2.1 抽水蓄能電站建設(shè)

抽水蓄能電站建設(shè)的核心工程是礦坑內(nèi)部的人工重力壩和形成兩水庫的勢能差。人工重力壩將礦坑分隔成相鄰的能量轉(zhuǎn)化利用區(qū)和儲油區(qū)，儲油區(qū)地表的水平標高高于能量轉(zhuǎn)化利用區(qū)地表的水平標高。人工重力壩兩端分別與礦坑的邊幫連接修筑在一起，且兩端表面分別與對應的邊幫地表高度一致。人工重力壩的頂部寬度20～50 m，表面根據(jù)礦坑兩側(cè)交通量需求鋪設(shè)雙向4～8車道的硬化路面行車道，同時起到了加固兩側(cè)露天礦邊坡和連接露天礦坑兩側(cè)交通的作用。如圖1所示，能量轉(zhuǎn)化利用區(qū)中設(shè)有抽水泵和抽水管路，抽水管路一端與抽水泵的輸出口連接，另一端穿過人工重力壩并連通至儲油區(qū)。抽水泵可由發(fā)電機直接供電，也可以由其他電源供電。當區(qū)域內(nèi)電能富裕時，通過抽水管路將能量轉(zhuǎn)化利用區(qū)內(nèi)的水資源輸送至礦坑另一側(cè)，將電能轉(zhuǎn)化為水資源的勢能儲存在儲油區(qū)一側(cè)，從而實現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換和多種形式的儲存。人工重力壩內(nèi)設(shè)有連通能量轉(zhuǎn)化利用區(qū)和儲油區(qū)的排水管路，排水管路儲油區(qū)一側(cè)為入水口，另一側(cè)為出水口，排水管路內(nèi)部安裝發(fā)電機，區(qū)域電能匱乏時，通過排水管路將儲油區(qū)水資源輸送至能量轉(zhuǎn)換區(qū)，同時帶動排水管路中的發(fā)電機，實現(xiàn)水資源的勢能向電能轉(zhuǎn)換。

(注：1a-邊幫；1-1-能量轉(zhuǎn)化利用區(qū)；1-2-儲油區(qū)；2-1-抽水泵；2-2-抽水管路；2-3-抽水閥門；3-1-水輪機；3-2-發(fā)電機；4-排水管路；4-1-排水閥門；5-人工重力壩；5-1-硬化路面行車道；6-油罐安置地層；7-油罐組件；8-總輸油管路；9-總輸水管路；9-1-總輸水閥門；10-1-輸油支路；10-2-輸水支路；11-1-支路閥門Ⅰ；11-2-支路閥門Ⅱ；12-油泵；13-抽水電機，14-連接管路。)圖1 抽水蓄能電站建設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pumped storage power station construction

1.2.2 坑底儲油工程

儲油區(qū)設(shè)有油罐安置層，包括上下依次布置的防護層、容置層和基底層。油罐安置層既充分利用礦坑空間實現(xiàn)了石油的安全存儲，又可以為抽蓄蓄能電站建設(shè)提供勢能差，縮小上水庫建設(shè)的回填工程量和費用。如圖2所示，油罐安置層上表面距離排水管路入水口的垂直高度為30～50 m，在該處儲水的同時可以起到對油罐組件的消防和防外力打擊作用，對油罐組件進行有效保護。基底層由礦區(qū)廢棄物料填埋壓實形成，為上層布置容置層提供地基基礎(chǔ)。

容置層中并列設(shè)有多個油罐組件，每個油罐組件可以包括多個球型油罐，然而數(shù)量越多施工難度越大、可操作性越差，具體數(shù)量與礦坑可利用深度、單個球罐體積有關(guān)。油罐組件上方設(shè)有總輸油管路，油罐組件下方設(shè)有總輸水管路。每個油罐組件中最上部的球型油罐通過輸油支路連接至總輸油管路，總輸油管路末端與設(shè)在礦坑外的油泵連接；每個油罐組件中最下部的球型油罐通過輸水支路連接至總輸水管路，總輸水管路伸入人工重力壩內(nèi)且連接到排水管路上?？傒斔苈肺挥谌斯ぶ亓蝺?nèi)的部分安裝有一抽水電機，正常使用時打開抽水電機后總輸水管路即可導通。為了更方便控制總輸水管路的通斷，總輸水管路與排水管路相接的位置設(shè)有一總輸水閥門，同時，輸油支路上設(shè)有支路閥門Ⅰ，輸水支路上設(shè)有支路閥門Ⅱ。當其中一個油罐組件出現(xiàn)故障時，通過關(guān)閉其上部的支路閥門Ⅰ與下部的支路閥門Ⅱ可將本油罐組件隔離，而不影響其他油罐的正常儲油功能。上述各設(shè)備與遠程監(jiān)測系統(tǒng)的控制器相連接。通過遠程監(jiān)測系統(tǒng)的控制器可直接控制抽水電機、支路閥門Ⅰ、支路閥門Ⅱ等設(shè)備，實現(xiàn)閥門的自動啟閉、人工遠程干預和人工手動控制閥門開啟閉合等操作，控制操作簡單方便。

(注：6-1-土石混合物層；6-2-混凝土層；6-3-容置層；6-4-基底層；7-1-球型油罐；8-總輸油管路；9-總輸水管路；10-1-輸油支路；10-2-輸水支路；11-1-支路閥門Ⅰ；11-2-支路閥門Ⅱ。)圖2 儲油區(qū)示意圖Fig.2 Schematic diagram of oil storage area

防護層由鋪設(shè)的兩層混凝土層和兩層混凝土層之間的土石混合物層組成，總厚度為30～100 m，單層混凝土層厚度為10～15 m，起到保護容置層和防止上庫水入滲的作用；容置層由露天礦廢棄物料排棄堆積壓實而成，厚度為50～200 m；且容置層底表面的水平標高高于總輸水管路露出人工重力壩朝向能量轉(zhuǎn)化利用區(qū)一側(cè)壁面的管口的水平標高；基底層由礦區(qū)廢棄物壓實處理制成。各層的建設(shè)利用到了礦區(qū)廢棄物料，且由露天礦廢棄物料排棄堆積壓實而成的容置層對油罐的擠壓力小，避免了罐體破裂導致儲油外漏、污染地下環(huán)境等問題。由于容置層底表面的水平標高高于總輸水管路露出人工重力壩朝向能量轉(zhuǎn)化利用區(qū)一側(cè)壁面的管口的水平標高，儲油時油罐組件中的水可以在連通器原理和重力作用下流出至總輸水管路中繼而驅(qū)動排水管路中的水輪機發(fā)電，為當?shù)仉娋W(wǎng)提供綠色能源；與此同時，外部的油在自身重力和油罐組件中的水自然流出后形成的負壓吸力作用下可以快速流入油罐組件中被儲存起來，降低了輸油能耗。

2 方案分析

本方案充分利用了現(xiàn)有廢棄露天礦坑的空間資源，實現(xiàn)大規(guī)模安全儲油和不同能量的轉(zhuǎn)換，具有以下優(yōu)點。

1) 通過在露天礦坑底建設(shè)人工重力壩，將礦坑分隔成相鄰的能量轉(zhuǎn)化利用區(qū)和儲油區(qū)，提高了礦坑邊坡的穩(wěn)定性，人工重力壩表面的道路也溝通了大面積露天礦坑的兩側(cè)交通。同時，壩體兩側(cè)高差實現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換和多種形式的儲存。

2) 球型油罐埋藏在土石中，采用連通器原理，可以實現(xiàn)水油的交替快速輸入存儲與輸出，實現(xiàn)對露天礦坑空間的充分利用，減少了地面建設(shè)儲油場所的投資與土地資源損失，同時防護層和上方的水層共同起到對油罐的保護作用，并可在地表蓄水，顯著降低了油罐遭受外力沖擊導致泄漏或爆炸的可能，保證了油罐的安全，更保障了區(qū)域能源安全，具有很強的戰(zhàn)略意義。

3) 整個工程建設(shè)所需的總體施工量小、材料成本低、可操作性好、施工周期短，更重要的是功能多、布置合理。礦坑蓄水儲油實現(xiàn)了對露天礦坑空間的充分有效利用，節(jié)約了地面空間成本，具有戰(zhàn)略物資儲備的指導意義。

儲油蓄能綜合利用新模式相對于傳統(tǒng)意義上的獨立的抽水蓄能系統(tǒng)和石油儲備系統(tǒng)要更加的復雜，為了全面、系統(tǒng)、準確地分析廢棄露天礦儲油蓄能的適用條件及其風險性，研究引入SWOT分析法，結(jié)果見表1。由表1可知，利用廢棄礦坑儲油蓄能需要礦區(qū)具有區(qū)位條件好、礦坑空間可利用性強、礦坑穩(wěn)定性滿足技術(shù)需求、區(qū)域地質(zhì)條件穩(wěn)定、礦坑水文條件可控、符合HSE要求等優(yōu)勢。

表1 廢棄露天礦儲油蓄能的SWOT分析Table 1 SWOT analysis of energy storage and oil storage in abandoned open pit mine

3 工程探索

撫順西露天礦位于遼寧省撫順市，如圖3(a)所示，露天礦區(qū)長6.6 km，寬2.2 km，深400 m，加五個排土場總面積達74 km2，相當于城市建成區(qū)的53%。礦山地質(zhì)災害區(qū)面積大、與中心城區(qū)距離近、對城市建成區(qū)影響嚴重、代表性強，礦區(qū)的綜合利用問題亟待解決。根據(jù)上述露天礦坑綜合利用方案，在撫順西露天礦進行抽水蓄能電站以及坑底儲油工程建設(shè)，如圖3(b)所示。

圖3 撫順西露天礦現(xiàn)狀及方案實施效果圖Fig.3 Status of Fushun West open-pit mine and scheme implementation effect diagram

3.1 坑底儲油

儲油區(qū)儲油能力是露天礦坑利用效果的重要指標，儲油能力的大小與儲油區(qū)域的體積直接相關(guān)，儲油量計算見式(1)。

(1)

式中：L為儲油區(qū)長度，1 500 m；B為儲油區(qū)寬度，1 000 m；H為儲油高度，150 m；R為儲油罐半徑，m；Js為儲油罐平均水平間距，m；Jh為儲油罐平均垂直間距，m。

撫順西露天礦礦坑中部建設(shè)重力壩后，以露天礦1#煤層頂板為基底層，設(shè)置150 m的容置層，儲油區(qū)面積達到1.5 km2，按照式(1)，當儲油罐半徑為25 m，油罐間距為20 m時，油罐總?cè)莘e約為46 Mm3，以中國大慶原油密度0.860 2 t/m3為例計算，總儲量約4 000萬t原油。

3.2 抽水蓄能

抽水蓄能是保證區(qū)域內(nèi)電能供應穩(wěn)定的一項重要措施，抽水蓄能的能力大小，與露天礦坑的儲水量、勢頭等因素有關(guān)。發(fā)電站發(fā)電量計算見式(2)和式(3)。

E=AEP=AρVghe

(2)

E=TN

(3)

式中：E為發(fā)電量，J；η為發(fā)電機能量轉(zhuǎn)換效率，大中型發(fā)電站為0.75～0.85，小型水電站為0.65～0.75；ρ為水的密度，kg/m3；V為水庫儲水量，m3；g為重力加速度，9.8 N/kg；he為上下水庫水頭高度差，m；N為發(fā)電機裝機容量，kW；T為發(fā)電時間，h。

根據(jù)方案，撫順西露天礦儲水量可達1×108m3，理論儲水高度100 m，上下水庫平均落差200 m，裝機容量200 kW，則理論一次發(fā)電量為4.08×107kW·h，理論一次持續(xù)發(fā)電時間為21 h。

3.3 經(jīng)濟效益

2019年，國際油價WTI年均價57.04美元/桶、布倫特(Brent)年均價64.16美元/桶[18]。2020年受新冠肺炎疫情的影響，國際油價受到劇烈的沖擊，截至2020年3月31日，WTI油價跌至19.92美元/桶，布倫特油價跌至22.76美元/桶，此時進口石油4 000萬t，將節(jié)約資金760.54億元。

抽水蓄能電站的價值體現(xiàn)于高峰供電，低峰耗電抽水，按照“抽四發(fā)三”的原則計算電站的經(jīng)濟效益。一天內(nèi)東北電網(wǎng)的高峰段13 h，低谷段7 h，平均段4 h，年發(fā)電時間由低谷段抽水時間決定，則年發(fā)電時間2 555 h，年發(fā)電量49.5億kW·h，抽水耗電量66億kW·h；按照東北電力峰谷時段計價方法，在基礎(chǔ)電價的基礎(chǔ)上，高峰電價上浮50%，低谷電價下浮50%，2019年遼寧省工業(yè)用電基準價0.492 6元/(kW·h)，則高峰電價為0.738 9元/(kW·h)，低谷電價0.246 3元/(kW·h)，至少盈利20.32億元。

儲油蓄能模式的應用，地方財政收入每年將增加780.86億元，大大促進了地方經(jīng)濟的發(fā)展，有利于實現(xiàn)資源枯竭型城市的轉(zhuǎn)型。

4 結(jié) 論

1) 闡述了抽水蓄能與坑底儲油綜合利用方案的工藝流程，明確了該方案的關(guān)鍵工程為抽水蓄能電站建設(shè)及坑底儲油工程，并進行了系統(tǒng)描述。

2) 該工程將能源儲備和能量轉(zhuǎn)換相結(jié)合，整體工程可操作性強、安全性高、經(jīng)濟成本小，具有較強的社會意義、經(jīng)濟意義和戰(zhàn)略意義。

3) 以撫順西露天礦為例進行了工程探索，結(jié)果表明，方案可實現(xiàn)原油儲備4 000萬t，實現(xiàn)一次持續(xù)發(fā)電量4.08×107kW·h，帶來巨大的經(jīng)濟效益的同時，能夠有效保證區(qū)域能源安全，實現(xiàn)不同能源轉(zhuǎn)移存儲。