廢棄井巷抽水儲能技術(shù)構(gòu)想及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)研究

姚西龍，葛帥帥，徐曉瑞

(太原理工大學(xué) 經(jīng)管學(xué)院，山西 太原 030027)

隨著開采強度的增加及煤炭去產(chǎn)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?dāng)?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(jīng)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(shù)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(dǎo)意見》。

廢棄礦井抽水儲能技術(shù)設(shè)想起源于20世紀70年代[2]，此后國外一些學(xué)者就廢棄礦井抽水儲能技術(shù)可行性和發(fā)展?jié)摿M行了研究[3-6]。在國內(nèi)，2000年，付貴祥等學(xué)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(jié)了國內(nèi)外廢棄礦井抽水儲能技術(shù)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(shù)構(gòu)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(shè)計思路對廢棄礦井抽水儲能系統(tǒng)機電系統(tǒng)設(shè)計思路和設(shè)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(diào)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(guān)鍵技術(shù)研究》、國網(wǎng)公司科技項目《利用廢棄礦洞開展抽水蓄能應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)研究》等項目的開展促進了廢棄井巷抽水儲能技術(shù)相關(guān)研究，但現(xiàn)階段廢棄礦井抽水儲能技術(shù)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(dāng)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(fù)、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(shù)的現(xiàn)場推廣。

抽水儲能技術(shù)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(shù)為廢棄礦井綜合治理利用和抽水儲能電站規(guī)劃設(shè)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(shù)構(gòu)想；結(jié)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(guān)鍵技術(shù)參數(shù)理論計算方法。

1 廢棄井巷抽水儲能技術(shù)構(gòu)想

1.1 煤礦地下水庫建設(shè)

地下水庫建設(shè)是廢棄井巷抽水儲能工程建設(shè)的重點內(nèi)容。神華集團經(jīng)過 20 余年科技攻關(guān)與工程實踐，結(jié)合礦井水井下“導(dǎo)儲用”的理念，建立了煤礦地下水庫技術(shù)體系[13]。該技術(shù)在神東礦區(qū)及神華西部礦區(qū)全面推廣應(yīng)用，建成35座煤礦地下水庫，儲水量2500萬m3，供應(yīng)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(shù)借鑒[14-16]。

1.2 廢棄井巷抽水儲能技術(shù)構(gòu)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(zhuǎn)換實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)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(shè)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(jié)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(shè)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(fēng)、機電運輸及提升系統(tǒng)，結(jié)合地質(zhì)條件進行精細化設(shè)計，提出廢棄井巷抽水儲能技術(shù)構(gòu)想[17-22]，旨在探索開采、治理和利用之間合理的配置關(guān)系，以期礦井循序漸進地完成開采到利用的轉(zhuǎn)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(zhì)量、穩(wěn)定性解決“棄風(fēng)”、“棄光”、“棄水”以及礦井廢棄帶來的經(jīng)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(fēng)、安全監(jiān)控等基礎(chǔ)設(shè)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(wù)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(jīng)濟性和安全性。

2 廢棄井巷抽水儲能技術(shù)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(shè)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(shè)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(dǎo)致水資源的浪費乃至影響系統(tǒng)的循環(huán)運轉(zhuǎn)；或是部分礦井氣候寒冷，結(jié)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(dǎo)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(gòu)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(shè)而成的用于行人、通風(fēng)、運輸和設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)的上水庫。在地表具備建設(shè)上水庫的地形和氣候條件下，井上下聯(lián)合建設(shè)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(zhuǎn)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(zhì)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(shè)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(yīng)的廢棄井巷抽水蓄能系統(tǒng)及方法

利用虹吸效應(yīng)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(yīng)的廢棄井巷抽水蓄能系統(tǒng)及方法。

圖3 利用虹吸效應(yīng)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(shè)備安裝和人員作業(yè)空間布置在水庫的上方，根據(jù)虹吸效應(yīng)，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(shè)量；②作業(yè)空間布置在水庫上方，有效消除了系統(tǒng)建設(shè)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(shù)參數(shù)

我國抽水蓄能電站設(shè)計建設(shè)始于20世紀60年代，經(jīng)過50多年的研究和工程實踐，形成了完備的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行管理體系，電站的整體設(shè)計、制造和安裝技術(shù)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(dǎo)致地下水庫橫向?qū)牟贿B續(xù)性，廢棄井巷抽水儲能技術(shù)與地表抽水蓄能技術(shù)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(shè)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(jù)礦井水文地質(zhì)條件及各相關(guān)參數(shù)的完備性和準確性，分為確定性預(yù)測方法和不確定性預(yù)測方法兩大類[24]，其中確定預(yù)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(yù)測方法主要包括模糊數(shù)學(xué)法、水文地質(zhì)比擬法、時間序列法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)，因此確定庫區(qū)范圍是地下水庫設(shè)計建設(shè)的基礎(chǔ)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(gòu)成，因此煤柱和人工壩體穩(wěn)定性是確定庫區(qū)范圍的關(guān)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(nèi)容。煤柱尺寸可根據(jù)《煤礦防治水細則》中含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲?巖)柱留設(shè)公式：

式中，l為煤柱留設(shè)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(dāng)壩體建成以后，壩體受力相當(dāng)于一個抗剪結(jié)構(gòu)，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(shè)備選型的基礎(chǔ)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(jù)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(guān)；而巷道儲水系數(shù)則根據(jù)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(yù)計的關(guān)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(gòu)成的閉合曲線，則該曲線都會提高范圍內(nèi)的死水位標高，即該區(qū)域內(nèi)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(nèi)存在標高h3(h3>h2)的等高線或等高線與壩體構(gòu)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(nèi)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(zhuǎn)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(jié) 論

1)結(jié)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(yīng)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(shù)方案。

2)基于廢棄井巷空間資源特性，推導(dǎo)、構(gòu)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(shù)參數(shù)計算模型。

3)結(jié)合我國煤炭資源分布特性及我國儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，廢棄井巷抽水儲能技術(shù)在分布式儲能、風(fēng)光儲結(jié)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(yīng)用潛力和價值。