關(guān)閉/廢棄礦井地?zé)崮荛_發(fā)利用研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

浦 海，許軍策，卞正富，HOLGER Schüttrumpf

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，新疆 烏魯木齊， 830023；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 教育部礦山生態(tài)修復(fù)工程中心，江蘇 徐州 221116；4.亞琛工業(yè)大學(xué) 水利工程和水資源管理研究所，亞琛 52062)

隨著全球能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)，化石能源的使用導(dǎo)致過量溫室氣體的排放，對(duì)氣候環(huán)境造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響，極易產(chǎn)生暴雨、干旱、臺(tái)風(fēng)等極端災(zāi)害天氣。我國(guó)政府承諾了“雙碳”目標(biāo)，為應(yīng)對(duì)全球氣候環(huán)境的變化做出更大的貢獻(xiàn)。推動(dòng)可再生清潔能源的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑，且清潔能源屬于國(guó)內(nèi)能源，不依賴于進(jìn)口，有利于維護(hù)國(guó)家能源的安全與獨(dú)立?？稍偕鍧嵞茉慈顼L(fēng)能、太陽(yáng)能和地?zé)崮鼙徽J(rèn)為是零碳清潔能源，其中地?zé)崮芤蚱鋸V泛性、便捷性和穩(wěn)定性而倍受關(guān)注。然而，地?zé)崮艿拈_采面臨著前期投資成本大，利用規(guī)模小，風(fēng)險(xiǎn)高易引發(fā)地下水位下降和水體污染等問題。

考慮到上述限制地?zé)崮荛_發(fā)的因素，關(guān)閉/廢棄礦井的再利用提供了克服這些阻礙的新思路。廢棄礦井中，地下空間作為采礦作業(yè)的“副產(chǎn)品”，投資和運(yùn)營(yíng)成本已經(jīng)確定，不需要鉆井成本即可轉(zhuǎn)化為地?zé)峋揖哂休^為完整的水文與地質(zhì)數(shù)據(jù)。此外，采礦作業(yè)增強(qiáng)了圍巖及地層間的滲透率，對(duì)于提高地?zé)崮艿拈_采效率和持續(xù)性起到了重要作用。因此，將廢棄礦井用于地?zé)崮艿拈_采不僅可以降低礦井廢棄對(duì)環(huán)境的破壞，且能延長(zhǎng)礦井的經(jīng)濟(jì)壽命，進(jìn)而在礦區(qū)產(chǎn)生新的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。研究數(shù)據(jù)表明全球有超過一百萬(wàn)口廢棄礦井，改造并利用地?zé)崮艿臐摿薮蟆Ｈ欢?，從廢棄礦井中開采地?zé)崮艿南嚓P(guān)研究與利用項(xiàng)目仍相對(duì)較少。

自加拿大Springhill創(chuàng)新性的利用廢棄礦井地?zé)崮芤詠?，改造廢棄礦井已經(jīng)成為地?zé)崮荛_發(fā)的一種潛在途徑。HALL等分析了相關(guān)研究結(jié)果，認(rèn)為地下礦井地?zé)崮艿膬?chǔ)量可從幾百千瓦到數(shù)百兆瓦不等。如BAILEY等針對(duì)英國(guó)廢棄礦井水的排放問題，探討了回收地?zé)崮艿目赡苄?，得出約47.5 MW地?zé)崮艿幕厥樟?，而處理礦井水所需電力僅為2.3 MW；FARR等利用南威爾士廢棄礦井排放及地溫?cái)?shù)據(jù)，估算出該地區(qū)礦井可產(chǎn)生約72 MW的地?zé)崮?，能為約6 500戶住宅進(jìn)行供暖或制冷；MENéNDEZ等評(píng)估了Asturian廢棄礦井地?zé)崮艿睦脻摿?，結(jié)果顯示礦井地?zé)崮艿睦每蓽p少該地區(qū)碳排放量的80%左右。綜上所述，廢棄礦井地?zé)崮苡糜诠┡⒅评浼皽p碳潛力已被相關(guān)研究證明。然而，基于RAMOS等對(duì)世界范圍內(nèi)廢棄礦井項(xiàng)目的篩選結(jié)果，僅有16個(gè)廢棄煤炭礦井(以下均用廢棄礦井)地?zé)崮茼?xiàng)目記錄在案，其中最成功的案例是荷蘭的Heerlen礦，利用廢棄礦井地?zé)崮転榧s500 000 m建筑物進(jìn)行供暖與制冷，且二氧化碳(CO)排放量減少了65%左右，綜合性能系數(shù)(Coefficient of performance，COP)達(dá)7左右。西班牙利用廢棄Barredo礦井，為距離礦井2 km的醫(yī)院和大學(xué)提供熱水與空間供能，系統(tǒng)的COP達(dá)5.5左右，CO的排放量降低約72%。與之相比，英國(guó)廢棄礦井地?zé)崮艿睦?，如CapHouse和Markham等礦井，面臨著利用規(guī)模小、COP低、設(shè)備易腐蝕和堵塞等嚴(yán)重問題。此外，部分項(xiàng)目運(yùn)行中存在著熱突破的風(fēng)險(xiǎn)，出現(xiàn)汲水點(diǎn)溫度下降的現(xiàn)象，影響了礦井地?zé)崮芾玫目沙掷m(xù)性。針對(duì)上述問題，部分學(xué)者開展了相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬研究，主要集中在廢棄礦井地球化學(xué)特征、溫度分布、水巖相互作用對(duì)礦井地?zé)崮荛_采的影響、系統(tǒng)開或閉環(huán)的選擇及地?zé)釢摿Φ脑u(píng)價(jià)等方面?；陉P(guān)閉礦井水文地質(zhì)數(shù)據(jù)，HUISAMEN等提出了一種礦井地球化學(xué)建模方法，用于預(yù)測(cè)礦井內(nèi)水化學(xué)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化。JANSON等通過抽水實(shí)驗(yàn)，探究了波蘭關(guān)閉Bytom礦井溫度空間分布特征。BANKS等估算了廢棄礦井靜態(tài)儲(chǔ)能潛力，而BAO等認(rèn)為評(píng)估礦井儲(chǔ)能潛力時(shí)必須要考慮圍巖熱量的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給。筆者等詳細(xì)總結(jié)了廢棄礦井地?zé)崮芾孟到y(tǒng)開或閉環(huán)的選擇及優(yōu)缺點(diǎn)。此外，部分研究也涉及到礦井地?zé)崮苌a(chǎn)中的各種關(guān)鍵參數(shù)，如熱泵選擇(制冷劑、多級(jí)熱泵等)、泵送速率、泵送位置、熱交換器類型(U型管、螺旋管、板型)、系統(tǒng)回注點(diǎn)位置及潛在用戶間的距離等方面。MENéNDEZ等分析了CO代替氯氟烴等合成制冷劑時(shí)對(duì)熱泵性能的影響，指出需優(yōu)化換熱器、壓縮機(jī)、膨脹閥等裝置的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)CO臨界循環(huán)并提升熱泵COP。部分研究也關(guān)注了廢棄礦井地?zé)崮芾眠^程中的經(jīng)濟(jì)問題(融資、獲利途徑)、對(duì)環(huán)境的影響(地表水、濕地、生物多樣性)及政策和法規(guī)等方面。到目前為止，廢棄礦井地?zé)崮芾玫难芯可婕胺矫孑^多，但仍缺乏對(duì)其地?zé)崮芾梅矫娴木C述研究。

因此，考慮到所述問題，筆者參考了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，對(duì)廢棄礦井地?zé)崮艿睦眠M(jìn)行了相關(guān)綜述。為了更好的理解廢棄礦井的研究現(xiàn)狀，筆者首先闡述了研究的背景與方法，主要概述了我國(guó)廢棄礦井的現(xiàn)狀及本文研究方法；其次，根據(jù)廢棄礦井地?zé)崮芾迷?，分別討論了地?zé)崮荛_采系統(tǒng)、熱源、熱能需求及政策等因素的研究成果；并利用關(guān)閉張集礦的開采參數(shù)，考慮動(dòng)態(tài)補(bǔ)熱的作用，評(píng)估了廢棄礦井地?zé)崮芾脻摿铜h(huán)境效益；最后，得到了主要研究結(jié)論并進(jìn)行了展望。

1 研究背景與方法

廢棄礦井主要指資源枯竭或不能滿足安全生產(chǎn)要求而關(guān)閉的礦井，由于缺乏明確的分配責(zé)任、恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)及高昂的資本支出，各國(guó)廢棄礦井的利用均面臨著巨大的困境。為改善這一現(xiàn)狀，歐盟于2016年出臺(tái)了相關(guān)法規(guī)，通過財(cái)政補(bǔ)貼鼓勵(lì)企業(yè)和社區(qū)進(jìn)行廢棄礦井的再利用，將廢棄礦井轉(zhuǎn)化為可再生能源的生產(chǎn)和儲(chǔ)存設(shè)施，進(jìn)而在礦區(qū)產(chǎn)生新的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。煤炭是我國(guó)重要的一次能源，在國(guó)家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了關(guān)鍵作用。隨著資源枯竭和國(guó)家政策的原因，大量礦井將被關(guān)閉或廢棄。然而，我國(guó)礦井關(guān)閉后，往往停止抽水或封堵豎井，不符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

1.1 關(guān)閉/廢棄礦井現(xiàn)狀

截至2020年底，我國(guó)關(guān)閉廢棄礦井的數(shù)目已達(dá)12 000個(gè)，預(yù)計(jì)2030年達(dá)到15 000個(gè)。如圖1所示，關(guān)閉/廢棄礦井主要集中在我國(guó)中西部地區(qū)，該地區(qū)人口稠密，經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)，利用潛力巨大。相關(guān)研究表明，2016—2020年，關(guān)閉礦井累計(jì)提供了約80 Mm地下空間資源。同時(shí)，我國(guó)煤炭開采平均每年破壞地下水約60億t，利用率僅為25%。礦井關(guān)閉廢棄后產(chǎn)生了大量未開發(fā)利用的空間和水資源，易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境污染(圖2)進(jìn)而影響礦井地表生態(tài)平衡與周邊居民的健康。因此，針對(duì)我國(guó)廢棄礦井的再利用，需要結(jié)合社會(huì)資源與能源的需求，因地制宜的開發(fā)利用。

圖1 2016—2020年我國(guó)關(guān)閉/廢棄煤炭礦井分布[49]

圖2 廢棄礦井地質(zhì)災(zāi)害及環(huán)境污染

習(xí)近平主席提出了“中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)。然而，如圖3所示，我國(guó)CO排放量的增長(zhǎng)勢(shì)頭依然迅猛，年均增長(zhǎng)量為2.5%左右，2020年達(dá)9 452 Mt，占全球排放量的30.7%，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”目標(biāo)形勢(shì)依然嚴(yán)峻?？稍偕鍧嵞茉词菍?shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”的重要支柱。然而，目前我國(guó)家庭和商業(yè)的熱水需求、空間供暖與制冷仍以化石能源為主，冬季能源供需緊張，易造成大量碳排放和嚴(yán)重的霧霾問題。地?zé)崮艿睦每梢杂行Ы鉀Q這一困境，顯著降低碳排放量。廢棄礦井擁有豐富的水熱資源是地?zé)崮軡撛诶脤?duì)象。因此，將廢棄礦井的開發(fā)與地?zé)豳Y源的需求因地制宜的結(jié)合，是一種開拓性和可持續(xù)性的“后采礦”技術(shù)，可減少對(duì)環(huán)境的影響并產(chǎn)生新的資源，為推動(dòng)資源枯竭城市轉(zhuǎn)型及降低碳排放提供了一條可持續(xù)的途徑。

圖3 2010—2020年主要碳排放國(guó)CO2排放量

1.2 研究方法

詳細(xì)回顧了已發(fā)表的文獻(xiàn)資料，對(duì)廢棄礦井地?zé)豳Y源利用過程中涉及到重要因素，如儲(chǔ)層水的來源、儲(chǔ)層體積評(píng)估及水文地質(zhì)變化對(duì)系統(tǒng)的影響等，進(jìn)行了論述與分析。如圖4所示，文獻(xiàn)資料主要包括同行評(píng)審論文、會(huì)議演講稿和新聞雜志等，來源于“中國(guó)知網(wǎng)”“Web of Science”“Scopus”及“ResearchGate”等數(shù)據(jù)庫(kù)，檢索時(shí)遵循“關(guān)閉/廢棄礦井”、“廢棄煤炭礦井”、“礦井水”、“地?zé)崮堋钡戎黝}，且只考慮中文和英文資料。為了兼顧深度和廣度，使研究?jī)?nèi)容更具代表性，僅討論已廢棄煤炭礦井用以地?zé)嵫芯康奈墨I(xiàn)，并強(qiáng)調(diào)以礦井水為系統(tǒng)工作基質(zhì)。此外，由于廢棄礦井的利用與政策因素間的關(guān)系不可忽略，因此也檢索了礦井再利用相關(guān)的政策研究。在此基礎(chǔ)上，筆者總結(jié)了上述各個(gè)方面的主要研究成果，用以分析廢棄礦井地?zé)崮芾梅矫娴难芯楷F(xiàn)狀與進(jìn)展。

圖4 文獻(xiàn)資料檢索方式

2 關(guān)閉/廢棄礦井地?zé)崮苎芯靠蚣?/h2>

目前為止，化石能源仍是居民供暖與制冷的主要能源，導(dǎo)致了大量溫室氣體的排放。如美國(guó)供暖和制冷消耗約占家庭能源消耗的56%，碳排放量約占美國(guó)的20%；英國(guó)約占家庭能源的50%，年消耗330億英鎊，造成英國(guó)約30%的碳排放量。因此，需選擇一種持續(xù)性清潔能源用于居民能源脫碳。而廢棄礦井具有豐富地?zé)豳Y源，可加快居民熱能脫碳和零碳排放目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)此，世界各國(guó)開展了廢棄礦井地?zé)岬难芯颗c利用，表1概括了有關(guān)廢棄礦井地?zé)崮芾弥黝}的研究成果以及最新的國(guó)際研究。HALL等、PERALTA等和CHU等回顧了世界各地利用礦井地?zé)崮芾庙?xiàng)目，認(rèn)為這種巨大的地?zé)崮軡摿Σ⑽吹玫接行ч_發(fā)。

表1 廢棄礦井地?zé)崮苎芯课墨I(xiàn)簡(jiǎn)述

廢棄礦井地?zé)崮艿拈_發(fā)取決于多種因素，可概括為4類(圖5)：① 政策上的指導(dǎo)與支持，允許廢棄礦井成為新的資源并加以利用。針對(duì)廢棄礦井地?zé)崮艿膽?yīng)用，在支持機(jī)制和政策引導(dǎo)不明確的情況下，將無法保障投資者的合法取水和采熱權(quán)，影響資金的來源與系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行。此外，需要界定開采所引起地下水污染的責(zé)任及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，及礦井水排放時(shí)處理標(biāo)準(zhǔn)和責(zé)任等。② 評(píng)估廢棄礦井熱源潛力，確定礦井再利用規(guī)模。而水、熱以及連通性是評(píng)價(jià)熱源的3個(gè)關(guān)鍵要素。③ 地?zé)崮荛_采系統(tǒng)，選擇合適熱泵系統(tǒng)將熱量從地下輸送到建筑內(nèi)或釋放到地下，進(jìn)行空間供暖或制冷。④ 考慮用戶規(guī)模與需求，評(píng)估投資成本與經(jīng)濟(jì)上的可行性。基于此，論述了廢棄礦井地?zé)崮芾醚芯楷F(xiàn)狀與進(jìn)展。

圖5 廢棄礦井地?zé)崮芟到y(tǒng)關(guān)鍵因素及開采原理示意

3 關(guān)閉/廢棄礦井地?zé)崮芟到y(tǒng)

地源熱泵系統(tǒng)是利用淺部地?zé)崮艿淖罴逊绞?，可將廢棄礦井水作為地?zé)豳Y源和熱能儲(chǔ)存的介質(zhì)，為工業(yè)、商業(yè)和住宅提供熱水、供暖或制冷。根據(jù)利用對(duì)象不同，熱泵系統(tǒng)可分為：地下水熱泵、土壤耦合熱泵和地表水熱泵。熱泵(HP)是這些系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵一環(huán)。如圖6所示，熱泵通過壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器和制冷劑運(yùn)行整個(gè)循環(huán)，以達(dá)到能量轉(zhuǎn)移至用戶或礦井水的目的。夏季循環(huán)時(shí)：首先，冷凝器中的高溫高壓液態(tài)制冷劑被減壓，通過膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，變?yōu)榈蜏氐蛪阂簯B(tài)制冷劑。隨之，低溫低壓液態(tài)制冷劑吸熱后成為低溫低壓氣態(tài)制冷劑，進(jìn)一步被壓縮機(jī)壓縮為高溫高壓氣態(tài)制冷劑。最后，氣態(tài)制冷劑進(jìn)入冷凝器將熱量釋放到恒溫礦井水中。釋放熱量后，變?yōu)楦邷馗邏阂簯B(tài)制冷劑再次被減壓，形成了“減壓—蒸發(fā)—壓縮—冷凝”封閉循環(huán)。冬季供暖時(shí)，通過循環(huán)系統(tǒng)切換可實(shí)現(xiàn)反向供暖模式。目前，隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展與節(jié)能減排的需求，越來越多高性能熱泵系統(tǒng)被設(shè)計(jì)，如復(fù)合多級(jí)循環(huán)熱泵、光伏-太陽(yáng)能-熱泵(PV-SHP)、化學(xué)熱泵及新型制冷劑熱泵，可以參考文獻(xiàn)[1,40,73-74]。然而，將新型熱泵技術(shù)集成到廢棄礦井再利用創(chuàng)新系統(tǒng)中仍需要更多的工作。

圖6 熱泵系統(tǒng)及廢棄礦井地?zé)崂媚Ｊ?/p>

3.1 系統(tǒng)開/閉環(huán)配置

可再生能源區(qū)域供能系統(tǒng)是高密度城市一種有潛力的節(jié)能減碳措施。圖6顯示了幾類基于熱泵系統(tǒng)，利用廢棄礦井地?zé)崮軈^(qū)域供暖與制冷的模式。根據(jù)是否直接接觸利用礦井水，可將系統(tǒng)進(jìn)一步細(xì)分為開環(huán)和閉環(huán)配置。

開環(huán)式系統(tǒng)通過循環(huán)礦井水運(yùn)行，當(dāng)?shù)V井水流經(jīng)換熱器(蒸發(fā)器和冷凝器)時(shí)，熱泵系統(tǒng)進(jìn)行捕獲熱量(供暖)或釋放熱量(制冷)，熱量傳遞結(jié)束后，礦井水被排出或再次泵入。然而，廢棄礦井水不可避免的受到開采污染，包含固體懸浮物和化學(xué)離子等，可能腐蝕堵塞輸送管道(圖7(a))。因此，開環(huán)系統(tǒng)仍然需要額外的熱交換器(Heat Exchanger,HE)，以避免礦井水和熱泵管路之間的接觸(圖6)。針對(duì)熱交換器管路的堵塞，可以通過機(jī)械清洗、化學(xué)處理或安裝過濾網(wǎng)等方法降低堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)汲水和排放的類型，開環(huán)系統(tǒng)具有以下3種不同配置連接(圖6)：① 雙井回注系統(tǒng)，如英國(guó)Lumphinnans和Shettleston廢棄礦井，需考慮系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行可能導(dǎo)致礦井水溫度的均質(zhì)化；② 單井回注系統(tǒng)，如英國(guó)Markham 豎井，針對(duì)該系統(tǒng)，可采用Thiem公式(式(1))估算由井壁獲得熱量補(bǔ)給，需要注意的是式(1)僅可用來計(jì)算幾何形狀相對(duì)簡(jiǎn)單熱源；③ 地表排放系統(tǒng)，如西班牙Barredo礦井等，但仍需要對(duì)礦井水進(jìn)行處理。此外，為了彌補(bǔ)季節(jié)波動(dòng)和供能需求間的不平衡，筆者提出了一種利用關(guān)閉礦井采場(chǎng)反季節(jié)儲(chǔ)能的開環(huán)系統(tǒng)，通過太陽(yáng)能加熱夏季制冷的尾水并儲(chǔ)存于深部水庫(kù)，用于冬季供暖，夏季則反之(圖7(b))。為了克服礦井水水溫均質(zhì)化問題，Heerlen運(yùn)行了全新Minewater 2.0系統(tǒng)，通過集群(Cluster)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了用戶間熱量即時(shí)交換，最大化利用礦井水的能量，并實(shí)現(xiàn)了回注水溫度的控制，避免礦井水溫度急劇的變化(圖7(c))。

圖7 廢棄礦井利用面臨問題與利用途徑

(1)

與開環(huán)系統(tǒng)相比，閉環(huán)系統(tǒng)更為復(fù)雜，需要固定體積的熱載體流體和浸沒式熱交換器，以捕獲或釋放熱量。熱載體流體作為熱源和熱泵系統(tǒng)間的能量交換介質(zhì)，可以攜帶熱源熱量或向熱源釋放熱量，一般采用乙二醇、鹽水溶液或清潔水等流體。受黏度影響，不同熱載體循環(huán)所需輸入能量不同，如乙二醇黏度大，流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生層流行為，增加功耗降低效率。此外，系統(tǒng)效率也受熱交換器形狀的影響。由于螺旋管內(nèi)二次流的影響，螺旋管比直管或U型管能提供更好的流體混合和熱交換，且螺旋管的螺距、螺旋直徑和長(zhǎng)度也是影響熱交換器效率的關(guān)鍵因素。熱交換器一般由高密度聚乙烯(HDPE)/聚丙烯(HDPP)、聚氯乙烯(PVC)/聚丁烯(PB)塑料管或金屬管制成，內(nèi)徑一般為20～50 mm，壁厚2.0～2.3 mm。圖6顯示了幾種廢棄礦井閉環(huán)利用系統(tǒng)，如在淹沒的露天礦地表水和地下礦井水中實(shí)施。如果水量不足，或者開環(huán)系統(tǒng)影響生態(tài)環(huán)境時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)則是較好的代替方案。

顯然，每種與熱泵結(jié)合的系統(tǒng)配置都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。表2給出了選擇系統(tǒng)配置時(shí)需要考慮的因素，這與CHU等、BANKS等所總結(jié)內(nèi)容相類似。盡管如此，選擇哪種特定系統(tǒng)配置時(shí)，應(yīng)考慮廢棄礦井的具體特征、熱能需求及建筑物的類型等。

表2 開、閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)比

3.2 系統(tǒng)性能參數(shù)

礦井水地?zé)崮艹晒玫陌咐C明了使用這種清潔能源為建筑物供暖和制冷的可行性。系統(tǒng)供暖時(shí)，熱量被釋放，礦井水的溫度下降Δ；制冷時(shí)，熱量被傳輸至礦井水中，導(dǎo)致礦井水溫度升高Δ。當(dāng)?shù)V井水作為熱源或冷源時(shí)，則熱泵制冷劑由流動(dòng)水流中提取的熱能為

=Δ

(2)

式中，為泵入回路流量，m/s；為水的密度，kg/m；為水的比熱容，J/(kg·K)。

COP是衡量熱泵性能的關(guān)鍵參數(shù)，表示熱泵運(yùn)行時(shí)所耗電能()與產(chǎn)生熱能()的比值。熱泵運(yùn)行時(shí)COP一般為3～6。

當(dāng)系統(tǒng)供暖時(shí)，熱泵COP為

COP=

(3)

當(dāng)系統(tǒng)加熱時(shí)，壓縮機(jī)所做功為正，因此，式(3)中的表達(dá)式為

=+

(4)

因此，熱泵供暖側(cè)所輸出熱能和消耗的電能可以用COP與礦井水處所獲得的熱能衡量表達(dá)，而COP與熱泵選擇有關(guān)，是一個(gè)明確的參量。

=COP(COP-1)

(5)

=(COP-1)

(6)

如果考慮到供能的損失為4%，每年加熱時(shí)間為小時(shí)，則每年可獲得熱能為

(7)

與系統(tǒng)供暖相比，供冷時(shí)壓縮機(jī)所做功為負(fù)向，因此這里引用了另一個(gè)參數(shù)能效系數(shù)(Energy Efficiency Ratio,EER)來描述熱泵供冷性能。事實(shí)上，COP和EER之間只是表示形式的不同，兩者的物理意義是相似的。EER表示熱泵輸出的制冷量與消耗電能的比值，計(jì)算式為

EER=

(8)

不同于式(4)，由于壓縮機(jī)所做功對(duì)熱泵系統(tǒng)制冷產(chǎn)生了負(fù)面影響，因此制冷時(shí)：

(9)

式中，為熱泵通過礦井水輸出的制冷量，與物理含義類似；為每年可獲得冷卻能。

由式(2)可知，對(duì)于系統(tǒng)來說，溫差Δ和回路流量是影響熱泵系統(tǒng)熱能的主要因素。首先，為了分析溫度對(duì)系統(tǒng)的影響，圖8總結(jié)部分仍在運(yùn)行廢棄礦井地?zé)崮茼?xiàng)目。

由圖8可知，礦井水的溫度參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)COP和輸出功率至關(guān)重要。例如，隨著供暖時(shí)礦井水溫度的升高，系統(tǒng)COP呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，而隨著輸出溫度的增大，系統(tǒng)COP呈相反趨勢(shì)?？梢詮臒崃W(xué)角度解釋這些現(xiàn)象，根據(jù)逆卡諾循環(huán)可知，在2個(gè)溫度(用戶)和(礦井)條件下獲得熱機(jī)的COP為/(-)。分別對(duì)或求導(dǎo)，由式(10)可知COP隨著增大而減小，而隨增大而增大。換言之，系統(tǒng)熱泵COP與溫差Δ是正相關(guān)關(guān)系。由于COP的物理意義與EER相似，因此很少研究關(guān)注溫度變化對(duì)熱泵EER的影響。

圖8 部分廢棄礦井地?zé)犴?xiàng)目

(10)

回路流量是影響熱泵系統(tǒng)的另一個(gè)重要參數(shù)。考慮到礦井水的溫度25 ℃，提供35 ℃熱水用于供暖(1 700 h)，采用某種熱量輸出的熱泵，假定冷凝器和蒸發(fā)器出口溫度分別為35和20 ℃，熱泵COP=5。則根據(jù)方程式(2)～(5)可知，當(dāng)流量為5 L/s時(shí)，=105 kW，而=131.25 kW，因此，冷凝器每年可獲得熱量為223 125 kWh，耗電量為44 625 kW·h。由式(5)可知每年獲得熱量178 500 kW·h。這些結(jié)果與YOUNGER等、ATHRESH等結(jié)果相類似，使用5 K溫差，每100 kW加熱或冷卻需要回路流量5 L/s。當(dāng)流量為100 L/s，可達(dá)到2 625 kW，可獲得熱量為4 462 500 kW·h。此外，根據(jù)式(2)～(6)分析了流量、COP和輸入電能之間關(guān)系。

如圖9(a)所示，當(dāng)流量不變時(shí)，COP隨著消耗電能的增加而降低；當(dāng)消耗電能一定時(shí)，COP隨著流量的增加而增大。當(dāng)熱泵參數(shù)確定時(shí)，可由式(11)確定。圖9(b)給出了礦井水流量、峰值熱負(fù)荷(一般指平均負(fù)荷)與COP關(guān)系。由圖9可知，流量和熱負(fù)荷呈線性關(guān)系；當(dāng)熱負(fù)荷確定時(shí)，系統(tǒng)汲取流量隨著COP增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

圖9 熱泵COP與運(yùn)行參數(shù)間關(guān)系

(11)

上述討論了回路流量與利用溫差對(duì)礦井地?zé)嵯到y(tǒng)熱泵性能參數(shù)的影響，然而這些參數(shù)并不是恒定的，礦井水溫度分布與鹽度分布有著密切關(guān)系，同時(shí)又受到儲(chǔ)水層圍巖熱導(dǎo)系數(shù)、比熱容、放射性熱產(chǎn)量和滲透率等參數(shù)的影響，如BAO等分析了礦井水溫鹽分層對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)吸收能量的影響；KRANZ等評(píng)估了礦井圍巖熱物性參數(shù)對(duì)礦井地?zé)嵯到y(tǒng)效率的影響。這些參數(shù)也是理論分析和數(shù)值模擬中的關(guān)鍵輸入量，這將在熱源部分進(jìn)行進(jìn)一步的討論。

4 關(guān)閉/廢棄礦井熱源

由于多數(shù)礦井位于地下飽水帶區(qū)域，當(dāng)?shù)V井關(guān)閉或廢棄后，停止泵送抽水，礦井水將逐漸充滿地下空間形成儲(chǔ)水儲(chǔ)熱層。缺乏對(duì)廢棄礦井儲(chǔ)層熱源清晰的認(rèn)識(shí)是限制礦井地?zé)豳Y源開發(fā)的主要因素，尤其是被淹沒的廢棄礦井，在地應(yīng)力和地下水的長(zhǎng)期作用下，礦井的地下結(jié)構(gòu)如支護(hù)體、礦柱、頂板或破碎巖體等結(jié)構(gòu)易發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞，進(jìn)一步阻礙了對(duì)儲(chǔ)層地?zé)崮軡摿Φ脑u(píng)價(jià)。礦井儲(chǔ)層熱源的潛力是指可從該礦井獲得的地?zé)崮芸偭?。JESSOP從不同角度估算了礦井地下熱流體的體積，提出了2種用于估算儲(chǔ)層地?zé)崮軡摿Φ姆椒?。RAFAEL等建立一種簡(jiǎn)單的模型，根據(jù)礦井運(yùn)行的參數(shù)，可估算出礦井地?zé)崮軡摿Φ纳舷藓拖孪蕖Ｈ欢?，這些方法均是靜態(tài)儲(chǔ)能的表述，由于不考慮礦井深部動(dòng)態(tài)補(bǔ)水補(bǔ)熱，并不能真實(shí)反映出關(guān)閉礦井儲(chǔ)層熱源的地?zé)崮軡摿?。因此，評(píng)估廢棄礦井熱源時(shí)，需要考慮地下水流向和補(bǔ)給、儲(chǔ)層連通性變化、溫度分布特征、抽取速率信息、水位及水化學(xué)的變化等對(duì)礦井熱源的影響。

4.1 礦井熱源水補(bǔ)給

確定礦井水的補(bǔ)給來源量，是評(píng)價(jià)礦井地?zé)崮芟到y(tǒng)利用的關(guān)鍵。礦井水的補(bǔ)給來源一般分為有效降雨滲流補(bǔ)給、深層地下水補(bǔ)給及地表水域補(bǔ)給。由于補(bǔ)給水源的存在，礦井關(guān)閉后泵送停止，礦井逐漸被淹沒導(dǎo)致所謂的地下水回彈。地下水回彈速率由補(bǔ)給水滲透量和礦井有效空隙分布與體積決定，因此確定補(bǔ)給滲透量進(jìn)而通過回彈速率確定有效儲(chǔ)水空隙分布和體積，可更加準(zhǔn)確評(píng)估礦井熱源潛力。同時(shí)為了平衡礦井地下水水位波動(dòng)，總補(bǔ)給滲透量與系統(tǒng)泵送速率之間要基本保持一致。此外，補(bǔ)給水源的不同會(huì)導(dǎo)致礦井水溫度鹽度不同而出現(xiàn)分層現(xiàn)象，影響了礦井儲(chǔ)層熱源溫度分布特征。如BURNSIDE等利用化學(xué)離子示蹤劑分析了CapHouse礦井水的補(bǔ)給來源，發(fā)現(xiàn)從豎井抽出混合富鐵水中存在大量的晚更新世水，這是礦井水穩(wěn)定熱量的來源。JANSON等通過抽水實(shí)驗(yàn)測(cè)試了礦井水特征的動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果顯示泵送系統(tǒng)中水成分和礦井水溫度基本穩(wěn)定，反映了礦井完善的地下水熱來源。HABAIBEH等研究了開環(huán)單井回注地?zé)嵯到y(tǒng)可持續(xù)性，認(rèn)為明確流入儲(chǔ)層中新鮮水的來源是評(píng)估系統(tǒng)長(zhǎng)期潛力的關(guān)鍵。然而，上述研究礦井水來源方法需要重新鉆井或抽水進(jìn)行大量礦井水物理化學(xué)參數(shù)的收集。針對(duì)此，YOUNGER基于礦井地質(zhì)資料、開采及泵送排放數(shù)據(jù)等，提出了一種簡(jiǎn)單低成本方法用于預(yù)測(cè)關(guān)閉礦井水位上升速率、平衡水位及地下水和地表水的流入質(zhì)量和速度。因此，評(píng)估廢棄礦井地?zé)嵯到y(tǒng)潛力時(shí)需先確定礦井水補(bǔ)給來源，在此基礎(chǔ)上制定合理開采方案，避免礦井水熱源大量流失。

4.2 礦井熱源儲(chǔ)水體積

與礦井水來源相比，礦井水體積是影響礦井熱源的另一個(gè)關(guān)鍵因素。地下采掘作業(yè)改變了地下水的自然流動(dòng)，形成了具有3個(gè)孔隙度級(jí)別(巷道和開采層、裂隙孔隙度和原始巖石基質(zhì)孔隙度)人工“偽巖溶”儲(chǔ)水空間。因此，評(píng)估廢棄礦井地下儲(chǔ)水體積時(shí)，采礦作業(yè)方式應(yīng)需提前考慮。如“長(zhǎng)壁”開采形成了垮落帶、裂隙帶和位移帶，其中垮落帶和裂隙帶具有一定儲(chǔ)水能力；充填開采會(huì)產(chǎn)生壁面收斂、充填材料壓實(shí)、開采層以上地層破裂等現(xiàn)象，形成了孔隙與破裂并存的“含水層”；崩落開采會(huì)產(chǎn)生頂板崩落，導(dǎo)致上部巖層連續(xù)崩落直至穩(wěn)定，產(chǎn)生了一個(gè)孔隙度與巖溶層相似的“含水層”。此外，如英國(guó)、加拿大等廢棄礦井常采用房柱式開采，開采空間可充滿地下水。我國(guó)地下采掘以長(zhǎng)壁開采為主，可以通過不同半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算兩帶高度，然而計(jì)算儲(chǔ)層空隙體積時(shí)需要確定開采引起兩帶中的孔隙度，因此計(jì)算時(shí)進(jìn)行了假設(shè)且忽略時(shí)間因素導(dǎo)致結(jié)果偏差較大，這也是文獻(xiàn)[83,86]更傾向于通過水反彈速率確定有效儲(chǔ)水體積的原因。

廢棄礦井地下結(jié)構(gòu)的地質(zhì)力學(xué)行為亦是影響礦井儲(chǔ)層水體積的關(guān)鍵因素。礦井關(guān)閉/廢棄后，地下水逐漸淹沒礦井地下結(jié)構(gòu)，不僅導(dǎo)致甲烷等礦井有害氣體發(fā)生遷移聚集引發(fā)災(zāi)害，且礦井水削弱了礦井結(jié)構(gòu)導(dǎo)致地表沉降再次發(fā)生，影響了礦井儲(chǔ)水體積。如英國(guó)愛丁堡以東廢棄礦井停止排水后，區(qū)域水位恢復(fù)伴隨著突然發(fā)生的地表沉降，礦井水涌出地表，使原址鐵路線被迫遷移2 km。事實(shí)上，對(duì)某一特定地點(diǎn)的廢棄礦井水儲(chǔ)層(空隙、廢物、破碎巖體及煤體)塌陷狀態(tài)很難預(yù)測(cè)，但這些因素非常關(guān)鍵，因?yàn)槠鋸?qiáng)烈影響礦井水資源及其長(zhǎng)期可用體積的評(píng)價(jià)。然而，目前很少研究涉及到廢棄礦井地下結(jié)構(gòu)變形坍塌行為對(duì)礦井地?zé)崮荛_采的影響。此外，礦井儲(chǔ)層體積也受礦井坍塌結(jié)構(gòu)的巖性和其沉積過程的影響。了解這些“礦井廢物”的特征和相關(guān)形成過程，利于準(zhǔn)確評(píng)估儲(chǔ)層容量和流動(dòng)特性。如ANDREWS等調(diào)查了英格蘭Whitley Bay附近海岸侵蝕暴露的坍塌礦柱和硐室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這些礦井產(chǎn)生分階段坍塌，留下一個(gè)富含黏土的沉積層，該沉積層將逐漸降低礦井儲(chǔ)層的水容量。同時(shí)，地下水在塌陷礦井中流動(dòng)導(dǎo)致煤炭角礫巖和層狀泥漿等礦物的沉積，該過程與時(shí)間密切相關(guān)，也會(huì)嚴(yán)重影響礦井水力特性和潛在儲(chǔ)水體積。但上述研究未考慮地?zé)嵯到y(tǒng)運(yùn)行過程中，水熱抽取或回注對(duì)礦井地質(zhì)力學(xué)行為的影響。因此，利用關(guān)閉前遺留數(shù)據(jù)去評(píng)估礦井儲(chǔ)水潛力存在明顯不足，需要更加關(guān)注系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)礦井地下結(jié)構(gòu)的變形破壞行為對(duì)礦井儲(chǔ)水的影響。

4.3 礦井熱源水力連通性

在采礦業(yè)之外，地下水流主要是通過地層內(nèi)的自然滲透特征(裂縫、裂隙、相互連接的孔隙)向地?zé)嵯到y(tǒng)輸送熱量。然而，儲(chǔ)層的這種自然滲透特征很難長(zhǎng)期維持，進(jìn)而限制系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行。巷道和采空區(qū)是煤炭開采的副產(chǎn)物，作為地?zé)醿?chǔ)層時(shí)具有極強(qiáng)的滲透性，可滿足地?zé)崃黧w抽取或注入時(shí)誘發(fā)大量地下水流動(dòng)的需求。如圖10所示，廢棄礦井儲(chǔ)層空間可分為采空區(qū)和巷道2類(長(zhǎng)壁開采為主)。采空區(qū)作為儲(chǔ)層時(shí)，上覆荷載和礦井水的作用造成破碎巖體再破碎、結(jié)構(gòu)變形、浸水軟化(化學(xué)侵蝕、溶解和膨脹)和滲流侵蝕(侵蝕膨脹)等耦合損傷。同時(shí)，長(zhǎng)期浸水會(huì)改變破碎巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，加劇了破碎巖體結(jié)構(gòu)的變形。破碎巖體的再破碎、孔隙結(jié)構(gòu)調(diào)整和擠壓及顆粒沉積堵塞極大地減少了孔裂隙連通性，降低了礦井地?zé)嵯到y(tǒng)的開采效率。此外，由于垮落帶的壓實(shí)作用，熱源儲(chǔ)層頂板將逐漸下沉，從而將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到殘余礦柱上，可能損壞承載結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致礦井進(jìn)一步垮塌，威脅地下水流動(dòng)通道的流通性。因此，探究采空區(qū)破碎巖體的孔隙演化規(guī)律，對(duì)礦井熱源水力連通性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

圖10 關(guān)閉廢棄礦井儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)變形破壞過程

此外，多數(shù)廢棄礦井水pH值呈現(xiàn)中性或微酸性，含有可溶性鐵、錳、鎂等金屬礦物及各種礦物離子。圖11為南威爾士地區(qū)16個(gè)廢棄礦井水中的離子分布特征。在自然條件下，礦井水各種礦物離子處于化學(xué)平衡狀態(tài)。然而系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)(O)(水中氧氣分壓)增加時(shí)，部分礦井水的pH值會(huì)逐漸下降(式(12))，水中會(huì)產(chǎn)生赭石顆粒(式(15))、軟錳礦(式(16))或施威特曼石。若圍巖存在方解石時(shí)，礦井水pH值變化將被抑制(式(13))，但(CO)(CO水中分壓)增大時(shí)易生成碳酸鹽顆粒沉淀(14)。例如英國(guó)Shettleston，Glasgow和Lumphinnans礦井地?zé)崮茉诶脮r(shí)，由于接觸空氣引起回注水的(O)和(CO)發(fā)生變化，導(dǎo)致回注井圍巖孔隙因沉淀堵塞，嚴(yán)重影響了礦井水回注效率，進(jìn)而導(dǎo)致開采井水位急劇下降。同時(shí)，酸性礦井水加速了破碎巖體和礦柱結(jié)構(gòu)的劣化。

圖11 南威爾士16個(gè)廢棄礦井水化學(xué)離子Piper圖[18]

由于破碎巖體的非均質(zhì)性、多物理化學(xué)場(chǎng)的耦合及空間形態(tài)多樣性，采用宏觀方法很難準(zhǔn)確描述破碎巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化和破壞機(jī)制。因此，針對(duì)采場(chǎng)破碎巖體孔隙變化，未來的研究應(yīng)從微觀上研究破碎巖體在應(yīng)力-水浸泡/浸潤(rùn)-化學(xué)侵蝕過程中的孔隙演化。

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

巷道作為熱儲(chǔ)層時(shí)，儲(chǔ)層間水力連通會(huì)受圍巖結(jié)構(gòu)變形和破壞影響，因此利用礦井巷道儲(chǔ)熱時(shí)需評(píng)估巷道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。針對(duì)巷道穩(wěn)定研究已有很多，如不同形狀、支護(hù)、荷載及圍巖等條件下巷道變形破壞特征及控制，然而現(xiàn)有研究很少關(guān)注水-巖耦合長(zhǎng)期作用對(duì)巷道變形破壞特征影響，尤其是巷道長(zhǎng)期浸水條件下受到化學(xué)場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的作用(圖10)。因此，巷道作為熱儲(chǔ)層時(shí)，應(yīng)更多關(guān)注多物理場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)耦合作用下巷道變形破壞及評(píng)估破壞后結(jié)構(gòu)對(duì)礦井地?zé)嵯到y(tǒng)運(yùn)行的影響。

4.4 礦井熱源溫度特征

溫度分布特征是決定廢棄礦井地?zé)崮軡摿Φ年P(guān)鍵因素。為了分析廢棄礦井儲(chǔ)層熱源溫度特征，本節(jié)首先探究了熱源溫度(熱)成因，主要考慮了熱場(chǎng)、地溫梯度、大地?zé)崃髦导暗貙訕?gòu)造對(duì)其影響；其次是討論了礦井水化反應(yīng)對(duì)熱源溫度的貢獻(xiàn)；最后分析了礦井水溫度和鹽度分層的變化對(duì)礦井熱源溫度分布的影響。

4.4.1 熱源溫度成因

明確廢棄礦井熱源溫度成因及其影響因素是礦井地?zé)豳Y源實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利用的基礎(chǔ)。礦井熱源溫度特征受控于熱場(chǎng)、地溫梯度及大地?zé)崃鞯纫蛩亍８鶕?jù)熱量來源的不同，熱場(chǎng)可分為地?zé)釄?chǎng)(地殼深部)和巖漿熱場(chǎng)(巖漿)。巖漿熱場(chǎng)具有持續(xù)時(shí)間有限、分布呈現(xiàn)區(qū)域性、相對(duì)溫度較高的特征。YANG等分析了錢家營(yíng)煤礦深部地?zé)釡囟犬惓Ｒ蛩兀l(fā)現(xiàn)礦區(qū)熱場(chǎng)以地?zé)釄?chǎng)為主，但部分地區(qū)溫度異常受到了巖漿熱場(chǎng)余熱的影響。因此分析礦井熱源溫度可持續(xù)性時(shí)需要考慮熱場(chǎng)的分布特征。與熱場(chǎng)相比，地溫梯度取決于巖石的傳熱性、地層特征、地下水的流動(dòng)性及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征等。熱導(dǎo)率是影響地溫梯度的重要因素，同時(shí)也決定了巖壁間的換熱速率。KRANZ等測(cè)試了Freiberg礦井片麻巖的熱物理性質(zhì)，并分析了巖石熱導(dǎo)率對(duì)礦井地?zé)嵯到y(tǒng)效率的影響。而巖石熱導(dǎo)率受地層年代、巖石巖性及組分的影響，總體上與地層年代呈正相關(guān)，表明熱場(chǎng)熱量更易沿著巖層方向傳遞；砂巖和粉砂巖等碎屑巖的熱導(dǎo)率普遍小于白云巖、灰?guī)r等碳酸鹽，而煤、泥巖最小，熱導(dǎo)率總體上隨著泥質(zhì)組分增大而降低。

如圖12所示，文獻(xiàn)[64]利用鉆孔穩(wěn)態(tài)測(cè)溫和巖石導(dǎo)熱率數(shù)據(jù)確定了礦區(qū)地溫分布特征(圖12(a))，發(fā)現(xiàn)中西部厚松散地層和泥巖層由于熱導(dǎo)率低而產(chǎn)生“鍋蓋效應(yīng)”，進(jìn)而易形成高溫地?zé)釁^(qū)。礦井地溫分布與地質(zhì)構(gòu)造的分布也存在耦合性。研究表明，地質(zhì)構(gòu)造(褶皺和斷層)形成過程中，由于機(jī)械摩擦導(dǎo)致區(qū)域地溫異常，同時(shí)地質(zhì)構(gòu)造也是地下熱源熱量交換和散失的有利通道，因此可能觀察到礦井局部溫度呈現(xiàn)高異常或低異常(圖12(a))。此外，由于地下水的高比熱容及其流動(dòng)性，深部地?zé)釄?chǎng)也受到地下水流場(chǎng)的影響，尤其是存在斷層時(shí)地?zé)釄?chǎng)會(huì)驅(qū)使深層高溫水向低溫水流動(dòng)，影響了整個(gè)礦井溫度分布特征。大地?zé)崃?熱流)指地球內(nèi)部熱量傳送至地表的一種現(xiàn)象，一維穩(wěn)態(tài)條件下等于地溫梯度與巖石熱導(dǎo)率乘積。因此，廢棄礦井地?zé)崂脮r(shí)需詳細(xì)調(diào)研該區(qū)域地溫成因及補(bǔ)給因素，以確保廢棄礦井熱源的可持續(xù)性利用。

圖12 錢家營(yíng)礦井地溫分布特征[64]

4.4.2 水化反應(yīng)放熱

廢棄礦井水中具有明顯的化學(xué)特征，見表3，總結(jié)了部分廢棄礦井水pH值、離子濃度、金屬溶解度、硬度以及懸浮固體含量等特征。如前所述(式(12)～(16))，當(dāng)?shù)V井水內(nèi)部化學(xué)平衡狀態(tài)被打破時(shí)，改變氧化還原條件將促進(jìn)礦物氧化進(jìn)而影響礦井熱源局部溫度分布。事實(shí)上，大多數(shù)涉及礦物與礦井水的地球化學(xué)反應(yīng)都是放熱的。如JESSOP等發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)V井水的溶氧量由8.5 mg/L降低至0.05 mg/L時(shí)，可溶性鐵的氧化將引起15.7 J/m熱量的釋放，導(dǎo)致每立方米礦井水溫度升高約0.004 K。YOUNGER等和BANKS等也在廢棄礦井中發(fā)現(xiàn)了類似的升溫現(xiàn)象。大量研究表明，深部礦山環(huán)境下任何可溶性錳(Mn)和鐵(Fe)都處于還原狀態(tài)，是影響礦井水溶氧量的主要礦物。礦井水溶氧量變化時(shí)將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈化學(xué)反應(yīng)。因此，除了深度外，化學(xué)反應(yīng)放熱是儲(chǔ)層熱源溫度的主要驅(qū)動(dòng)因素，確定放熱反應(yīng)釋放的能量將顯示出礦井化學(xué)反應(yīng)對(duì)熱源潛在貢獻(xiàn)。例如黃鐵礦(FeS)氧化反應(yīng)具有很高的放熱性，其氧化還原如式(12)所示，假定礦井水中鐵總濃度為0.002 mol/L，則由計(jì)算結(jié)果可知，黃鐵礦的氧化導(dǎo)致礦井水溫度升高了0.732 ℃。南威爾士廢棄礦井水文調(diào)查結(jié)果也顯示出了類似結(jié)果，氧化反應(yīng)導(dǎo)致了Ynysarwed，Morlais，Glyncastle和Tan Y Garn關(guān)閉礦井溫度分別升高了0.507，0.150，0.130和0.370 ℃。此外，其他礦物化學(xué)反應(yīng)(如方解石溶解)也可能引起礦井水溫度的升高。與地?zé)崽荻扔绊懴啾?，礦井水化學(xué)反應(yīng)放熱引起的溫度升高是相對(duì)較小的，但卻促進(jìn)了不同溫度礦井水的混合。這里沒有詳細(xì)介紹廢棄礦井水化學(xué)特征監(jiān)測(cè)方法，一般采用多探針傳感器對(duì)礦井水溫度、pH值、氧化還原電位(Eh)、電導(dǎo)率和總?cè)芙夤腆w(Total Dissolved Solids,TDS)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，具體可參考文獻(xiàn)[103]。

(17)

(18)

其中，Δ為整個(gè)反應(yīng)的熱焓，kJ/mol，負(fù)號(hào)表示反應(yīng)是放熱；為水的摩爾熱容。

4.4.3 溫鹽分層

大型水體受溫度和地球化學(xué)場(chǎng)的影響通常具有層狀結(jié)構(gòu)，如露天礦積水、湖泊、海洋等水體可被分為不同水平層。在這種層狀結(jié)構(gòu)中，水體的溫度和鹽度被分為不同的層，相鄰層間的界面處出現(xiàn)顯著的溫度和鹽度梯度，每一層的溫度和鹽度幾乎相同，因此被稱為溫鹽分層。溫度和鹽度梯度對(duì)于礦井水垂直密度的分布貢獻(xiàn)是相反的，這是浮力的來源，也是溫鹽分層的主要原因。如圖13(a)所示，通過雙擴(kuò)散對(duì)流模型(Double Diffusive Convection,DDC)模擬出了海洋中出現(xiàn)的溫鹽分層結(jié)構(gòu)，并描述了層間擾動(dòng)導(dǎo)致了高溫層合并為中低溫層的現(xiàn)象，進(jìn)而影響了水體溫度的分布；通過井測(cè)數(shù)據(jù)和水樣分析，圖13(b)顯示了由于大氣降雨導(dǎo)致露天礦水體出現(xiàn)溫鹽分層的現(xiàn)象，兩層間的溫差達(dá)到3 ℃。廢棄礦井水作為一種常見類型的地下水體，通常也具有層狀結(jié)構(gòu)，如加拿大Springhill、英國(guó)Markham及德國(guó)Wolf礦井水中均觀察到這種明顯溫鹽分層現(xiàn)象。研究表明，這種礦井水分層現(xiàn)象可以限制或停滯礦井水體間的熱量和質(zhì)量傳輸，但穩(wěn)定層內(nèi)可充分混合循環(huán)形成不連通對(duì)流單元。如果熱泵運(yùn)行時(shí)未考慮熱源溫度分層邊界，易引起汲取點(diǎn)礦井水水質(zhì)和溫度的變化，導(dǎo)致沉淀、堵塞和腐蝕發(fā)生，從而限制了礦井水熱儲(chǔ)資源的開發(fā)。因此，地?zé)嵯到y(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行需考慮系統(tǒng)參數(shù)對(duì)礦井水溫鹽結(jié)構(gòu)的影響，如泵送位置和泵送速率很大程度上取決于溫鹽分層結(jié)構(gòu)，而溫鹽分層結(jié)構(gòu)的形成和演化又受到了這些參數(shù)的影響。換言之，溫鹽分層以一種非常復(fù)雜的方式與地?zé)崮芟到y(tǒng)參數(shù)的選擇相互作用。例如過高的泵送速率，可能通過破壞溫鹽分層加劇分層的不穩(wěn)定性，促進(jìn)礦井水熱量與鹽度的運(yùn)動(dòng)混合，以復(fù)雜的方式改變熱源溫度特征。而這種層間的混合可能導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)熱源水溫顯著下降，從而影響礦井熱源溫度分布與系統(tǒng)的可持續(xù)性。因此，深入了解溫鹽分層的形成和演化機(jī)制對(duì)于評(píng)估礦井儲(chǔ)層熱源溫度特征和地?zé)崮芟到y(tǒng)效率與持續(xù)性至關(guān)重要。在此基礎(chǔ)上，達(dá)到主動(dòng)調(diào)節(jié)溫鹽分層的目的，從而實(shí)現(xiàn)礦井水地?zé)崮荛_發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

圖13 大型水中溫鹽分層現(xiàn)象

然而，關(guān)于溫鹽結(jié)構(gòu)的層化機(jī)制，尤其是分層界面位置隨時(shí)間和空間的動(dòng)態(tài)變化，難以預(yù)測(cè)。為此，大量相關(guān)研究為層化機(jī)制提供了有意義的見解，如文獻(xiàn)[14]提出了對(duì)流臨界溫度梯度的判據(jù)，分別計(jì)算了直徑25 mm和1 m豎井發(fā)生雙擴(kuò)散對(duì)流的溫度梯度為50，0.14 mK/m；文獻(xiàn)[35]確定分層的臨界溫度梯度和出現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)的浮力比，認(rèn)為浮力比為1時(shí)可作為確定分層的標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，溫鹽分層是流體力學(xué)和傳熱學(xué)的一個(gè)重要交叉學(xué)科，特別是自然/強(qiáng)迫對(duì)流和熱傳導(dǎo)/對(duì)流。如文獻(xiàn)[112]提出了利用無量綱Richardson數(shù)識(shí)別由自然/強(qiáng)迫對(duì)流引起的不同類型的溫鹽分層，如Richardson數(shù)小于0.1時(shí)，強(qiáng)迫對(duì)流占據(jù)分層主導(dǎo)地位。部分學(xué)者也采用無量綱Rayleigh數(shù)和Grashof數(shù)描述對(duì)流過程中的傳熱，以判斷溫鹽層間破壞與平衡。盡管已有廢棄礦井中溫鹽分層的研究，但關(guān)于溫鹽層形成和演化過程對(duì)礦井系統(tǒng)參數(shù)影響仍未透徹。此外，很少研究提及到采空區(qū)，尤其是厚煤層采空區(qū)是否會(huì)產(chǎn)生溫鹽分層及對(duì)溫度分布特征的影響。

4.5 礦井熱源利用的可行性

廢棄礦井與地源熱泵耦合系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的效率和持續(xù)性受控于礦井水在地質(zhì)系統(tǒng)中熱量和溶質(zhì)的傳輸，且礦井的熱源熱容量有限，應(yīng)與需求相匹配，因此量化礦井熱源與系統(tǒng)間的熱交換對(duì)于評(píng)價(jià)熱源利用的可行性至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，如圖14所示，相關(guān)學(xué)者建立了解析模型和數(shù)值計(jì)算方法，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果互相結(jié)合，但缺乏地下礦井詳細(xì)水文地質(zhì)及溫度數(shù)據(jù)，阻礙了這些結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖14 廢棄礦井熱源利用可行性的研究方法

如果可用數(shù)據(jù)有限，解析模型方法可能產(chǎn)生與復(fù)雜數(shù)值模型相類似的結(jié)果。通常，解析模型使用流動(dòng)和傳熱控制方程的精確數(shù)學(xué)解，只能處理簡(jiǎn)單的幾何形狀和均質(zhì)的情況。如圖15(a)所示，假設(shè)巖體各向同性，在水流速、密度等不變情況下，考慮徑向發(fā)散，利用遞歸計(jì)算法推導(dǎo)了流體通過長(zhǎng)為巷道時(shí)出口的溫度(R-D模型)，發(fā)現(xiàn)流量為10 m/h時(shí)礦井水每升高5 ℃需要流經(jīng)長(zhǎng)度為1 km巷道，且30 a后系統(tǒng)熱補(bǔ)給功率由200 kW下降至125 kW。此外，如圖15(b)所示,另一種解析模型LPB模型常用來分析充滿流動(dòng)地下水在水平層的熱傳遞，幾何上更加適用于描述采空區(qū)熱傳遞。與R-D模型相比較，LPB模型估算系統(tǒng)熱交換能力值偏低，主要因?yàn)樵撃Ｐ瓦m用于含水層和裂隙，不考慮熱量沿徑向的發(fā)散，這一點(diǎn)在圖15(c),(d)中可以看出。R-D模型更為真實(shí)，考慮了流體熱交換能力隨流體流量和巖石熱導(dǎo)率增加而增大，且這種增加隨時(shí)間推移而遞減。LOREDO等評(píng)價(jià)了這2種水巖熱交換的模型，認(rèn)為計(jì)算大直徑巷道時(shí)R-D模型可能落入層流狀態(tài)，不滿足假設(shè)湍流條件下獲得Nusselt數(shù)，模型將傾向于高估礦井水熱傳遞。雖然解析模型只能用于簡(jiǎn)單系統(tǒng)情景，但在早期可行性研究階段可為系統(tǒng)與熱源熱交換及回注方案的可行性提供關(guān)鍵的洞察。

圖15 2種解析模型及結(jié)果比較

如上所述，解析模型適用于概念型礦井地?zé)嵯到y(tǒng)，所分析的幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。然而考慮到礦井復(fù)雜的水文地質(zhì)條件時(shí)，解析方法不夠強(qiáng)大，需要使用數(shù)值計(jì)算的方法。數(shù)值計(jì)算一般將控制方程式(19)～(21)通過某種方法離散或轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組。常見離散方法為有限差分方法(FDM)、有限元方法(FEM)及有限體積法(FVM)，其中FVM是計(jì)算流體力學(xué)(CFD)中最常用方法。為此，總結(jié)了部分利用數(shù)值模型研究礦井地?zé)崮芾每尚行缘某晒?表4)。

表4 廢棄礦井地?zé)峥尚行詳?shù)值模擬

連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒)：

?=0

(19)

動(dòng)量守恒方程:

(20)

能量守恒方程:

(21)

式中，(·?)和?分別為對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)；，，，，，，，，和分別為速度場(chǎng)、時(shí)間、密度、壓力、運(yùn)動(dòng)黏度、單位體積力、恒壓比熱、溫度、導(dǎo)熱系數(shù)和耗散能。

FERKET等通過FEM方法對(duì)Heerlen礦井水流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了建模，由于所研究礦井工作面的范圍和復(fù)雜性，僅獲得了10～20周期泵送結(jié)果。此外，如圖16(a)所示，HAMM等建立了包括巷道、豎井、回填工作面和圍巖體的數(shù)值計(jì)算模型，采用Fluent模擬了Vouters礦井水流動(dòng)和傳熱過程對(duì)礦井溫度場(chǎng)的影響，認(rèn)為礦井溫度場(chǎng)下降不僅取決于生產(chǎn)流量，而且與圍巖滲透系數(shù)密切相關(guān)。GHOREISHI等基于模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)圍巖滲透系數(shù)為10m/s礦井水溫度比圍巖滲透系數(shù)10m/s的高1 ℃，而滲透系數(shù)為10m/s的模擬結(jié)果20 a后僅比滲透系數(shù)為10m/s的結(jié)果高0.01 ℃。因此，圍巖滲透系數(shù)為10m/s可作為判斷熱傳導(dǎo)或自然對(duì)流傳熱方式的近似標(biāo)準(zhǔn)。GUO等使用了Tough2模擬了裂隙帶高度和滲透率對(duì)礦井水熱交換的影響，并分析了礦井熱提取率與系統(tǒng)參數(shù)間的敏感性，發(fā)現(xiàn)熱提取率與開采速率、回注水溫度密切相關(guān)，這與Heerlen地?zé)犴?xiàng)目Minwater 1.0升級(jí)原因相一致。此外，為了分析多孔介質(zhì)和礦井水水熱傳輸問題，RENZ等提出了針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下關(guān)閉礦井的建模方案，LOREDO等詳細(xì)的論述了廢棄礦井地?zé)衢_采中的滲流和傳熱數(shù)值模擬現(xiàn)狀，并討論了特定場(chǎng)景數(shù)值方法的選取依據(jù)。

圖16 礦井地?zé)崮芾每尚行缘难芯糠椒?/p>

然而，解析模型和數(shù)值計(jì)算需要簡(jiǎn)化或假設(shè)條件不能帶來準(zhǔn)確的研究結(jié)果，因此部分學(xué)者開展了實(shí)驗(yàn)研究，主要包括現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、抽水/回灌試驗(yàn)或物理相似試驗(yàn)。如波蘭USCB礦區(qū)通過泵送利用同位素進(jìn)行了水文地質(zhì)和水文化學(xué)的研究，以評(píng)估礦井地?zé)崮荛_采的可行性(圖16(b))；HABAIBEH等開發(fā)了一套小型仿真模擬器(圖16(c))，利用紅外熱像儀和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)估了礦井地?zé)嵯到y(tǒng)的可行性。因此，關(guān)閉廢棄礦井地?zé)崮茼?xiàng)目實(shí)施之前，必須要建立相關(guān)解析模型、數(shù)值計(jì)算或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以評(píng)估礦井地?zé)衢_采技術(shù)上的可行性。

5 需求影響

關(guān)閉/廢棄礦井地?zé)崮艿拈_發(fā)受到潛在需求、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的驅(qū)動(dòng)。潛在需求是評(píng)估廢棄礦井地?zé)崮荛_發(fā)可行性的基礎(chǔ)，決定了礦井地?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模、投資成本及經(jīng)濟(jì)獲益等。然而，礦井熱源與潛在需求間的距離往往影響投資成本與經(jīng)濟(jì)獲益，阻礙了廢棄礦井地?zé)崮芾玫耐茝V。隨著兩者距離的增大，需要挖掘溝渠，安裝保溫水管、液壓附件及大功率的循環(huán)泵，增加了投資成本，且長(zhǎng)距離管道輸送降低了系統(tǒng)的效率。如圖17所示，廢棄礦井地?zé)崮茉磸S凈現(xiàn)值(Net present value,NPV)、內(nèi)部收益率(Internal rate of return,IRR)、潛在需求(能量負(fù)荷)和距離間的關(guān)系。當(dāng)廢棄礦井能量負(fù)荷為1 MW時(shí)，系統(tǒng)凈現(xiàn)值為負(fù)，表示該方案不具備經(jīng)濟(jì)可行性，而當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)(10 MW)，系統(tǒng)凈現(xiàn)值為正意味著投資者可從該方案獲益，同時(shí)需求距離的增加導(dǎo)致系統(tǒng)凈現(xiàn)值顯著降低。內(nèi)部收益率指凈現(xiàn)值為0時(shí)的回報(bào)率。從圖17可知，系統(tǒng)的內(nèi)部收益率與需求距離呈負(fù)相關(guān)，而能量負(fù)荷的增加可以降低這種影響。此外，系統(tǒng)COP對(duì)于礦井地?zé)崮茉磸S凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率起到積極作用，隨著COP增大，系統(tǒng)的內(nèi)部收益率和凈現(xiàn)值呈增大趨勢(shì)。需要指出是系統(tǒng)COP并非系統(tǒng)熱泵的COP，系統(tǒng)COP計(jì)算式為

圖17 廢棄礦井地?zé)崮茉磸SNPV,IRR與需求距離關(guān)系[24]

(22)

式中，為系統(tǒng)熱泵輸出的熱能，kW·h；為熱泵工作時(shí)所消耗的電能，kW·h；為系統(tǒng)抽水泵工作時(shí)需要電能，kW·h。

利用現(xiàn)有豎井和通風(fēng)井作為廢棄礦井熱能開采和存儲(chǔ)的通道，可以有效降低投資成本。然而，豎井和通風(fēng)井位置與潛在需求用戶間的距離難以控制，限制了礦井地?zé)崮艿拈_發(fā)，過遠(yuǎn)的距離不僅降低了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可行性，且嚴(yán)重影響輸出功率。為了解決該問題，選取合適地點(diǎn)重新鉆井至礦井地層或許是一種有效途徑。此外，重新鉆井也為部分豎井填埋、坍塌的廢棄礦井地?zé)崮茉倮锰峁┝丝赡堋?/p>

6 政策與法規(guī)

煤炭開采受到國(guó)家嚴(yán)格監(jiān)管，必須遵守管理監(jiān)督機(jī)構(gòu)制定的法令、條例和政策。在國(guó)家和區(qū)域間，煤炭運(yùn)營(yíng)商需要遵守許多法規(guī)，這些法規(guī)幾乎涵蓋了煤炭行業(yè)勘探、生產(chǎn)、關(guān)閉和廢棄等各個(gè)方面。然而，礦井關(guān)閉/廢棄相關(guān)法規(guī)并不完善，已成為區(qū)域環(huán)境經(jīng)濟(jì)嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。由于資源枯竭，英國(guó)關(guān)閉了所有運(yùn)行的煤炭礦井，大量廢棄礦井給英國(guó)帶來了沉重的管理和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。英國(guó)煤炭管理局要求運(yùn)營(yíng)商需承擔(dān)關(guān)閉礦井的環(huán)境責(zé)任，大量礦井被迫抽水避免礦井水的反彈污染地下水。此外，歐盟要求其區(qū)域內(nèi)所有煤炭企業(yè)于2018年年底停止運(yùn)營(yíng)，大量礦井被關(guān)閉遺棄，導(dǎo)致了區(qū)域經(jīng)濟(jì)和環(huán)境惡化。我國(guó)國(guó)家能源局也制定了廢棄礦井的處理方式，主要是豎井填埋、封堵等方面的要求。但是，這些政策或法規(guī)并未提供任何有效方針，指導(dǎo)關(guān)閉廢棄礦井重新用于其他有益方面。環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)和清潔可再生能源需求的增長(zhǎng)，促使各國(guó)發(fā)布了地?zé)崮茉撮_發(fā)的相關(guān)法規(guī)，這些政策為利用廢棄礦井地?zé)崮芴峁┝丝赡苄浴Ｒ话銇碚f，開采地?zé)崮艿姆煽蚣芸紤]了各種因素，如可持續(xù)發(fā)展、能源需求和方案、土地和水資源的使用期限、鉆井、環(huán)境和社會(huì)效應(yīng)等。如美國(guó)建立了各種地?zé)崮芾玫姆烧?，要求地?zé)崮艿拈_發(fā)應(yīng)遵守國(guó)家和區(qū)域法規(guī)，并于2005年頒布了《能源法》。同時(shí)，任何地?zé)崮茼?xiàng)目實(shí)施，可以獲得能源部和農(nóng)業(yè)部資金支持。此外，我國(guó)也制定了開發(fā)地?zé)崮艿南嚓P(guān)政策，增加了開發(fā)地?zé)崮艿耐顿Y來源，如《中華人民共和國(guó)可再生能源法》《促進(jìn)地?zé)崮荛_發(fā)利用指導(dǎo)意見》及《可再生能源發(fā)展專項(xiàng)資金管理暫行辦法》等，進(jìn)一步規(guī)范了我國(guó)地?zé)豳Y源的開采行為。

盡管許多國(guó)家發(fā)布了地?zé)崮茉吹恼撸珦?jù)筆者所知，尚未制定專門政策或法規(guī)來管理約束廢棄礦井的用途，包括地?zé)崮艿拈_采和地下儲(chǔ)能方面。隨著對(duì)廢棄礦井地?zé)崮荛_采的研究與推廣，缺乏支持性法規(guī)或政策不僅會(huì)阻礙這些技術(shù)的廣泛采用，而且會(huì)導(dǎo)致希望利用廢棄礦井的企業(yè)和投資者陷入困境。因此，需要將地?zé)崮荛_采相關(guān)較為完善政策嵌入或擴(kuò)展到廢棄礦井相關(guān)現(xiàn)行法規(guī)政策中，進(jìn)而推動(dòng)廢棄礦井地?zé)崮苜Y源的利用與技術(shù)的進(jìn)步。

7 案 例

通過上述討論和收集數(shù)據(jù)表明，利用地源熱泵系統(tǒng)回收或釋放熱量于礦井水中是廢棄礦井地?zé)崮苤饕睦媚Ｊ?。根?jù)利用原理從熱泵系統(tǒng)選擇、熱源溫度特征、潛在需求和法律法規(guī)等方面概述了廢棄礦井地?zé)崮芾玫难芯窟M(jìn)展。因此，這里重點(diǎn)分析了一個(gè)案例，用于直觀評(píng)估廢棄礦井地?zé)崮荛_采潛力、持續(xù)性及環(huán)境效益。同時(shí)計(jì)算儲(chǔ)熱時(shí)，考慮了BAO等提出的圍巖動(dòng)態(tài)補(bǔ)熱對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

7.1 靜態(tài)儲(chǔ)熱

由于煤炭資源的枯竭和低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，徐州地區(qū)所有煤炭礦井已于2016年之前都已關(guān)閉(表5)。全市區(qū)域內(nèi)礦井運(yùn)行期間煤炭資源開采總量約為5.74億t，抽排水總消耗量達(dá)到了36.8億t，其中溶巖水為14.2億t，表明該地區(qū)關(guān)閉廢棄礦井具有豐富的水、空間資源。

表5 徐州礦區(qū)主要廢棄礦井生產(chǎn)數(shù)據(jù)[120]

在本研究中，考慮徐州礦區(qū)作為計(jì)算案例有以下原因：① 地溫梯度高，徐州部分千米深廢棄煤礦地下溫度超過45 ℃，有良好的熱源；② 地下水資源豐富，可保持地下水動(dòng)態(tài)平衡，降低熱儲(chǔ)損失量；③ 多數(shù)廢棄礦井位于大型復(fù)向斜中，具有極強(qiáng)的滲透性；④ 徐州地區(qū)礦井水質(zhì)量較好，可利用開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的供能。

關(guān)閉的張集礦位于徐州北部，于1978年投產(chǎn)，2016年底關(guān)閉。礦區(qū)占地面積約15 km，年生產(chǎn)原煤90萬(wàn)t，總產(chǎn)量約為2 872萬(wàn)t。假定煤體的密度為1 500 kg/m，考慮體積轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.25，對(duì)于多數(shù)礦井這是個(gè)保守估計(jì)值，則根據(jù)總采煤量可計(jì)算出地下礦井的儲(chǔ)水量約為4.787×10m?；趦?chǔ)水體積數(shù)據(jù)，可根據(jù)式(23)初步計(jì)算出礦井靜態(tài)儲(chǔ)熱量：

(23)

表6 廢棄張集礦靜態(tài)儲(chǔ)能與化石能源轉(zhuǎn)化值

7.2 動(dòng)態(tài)補(bǔ)熱

如圖18所示，地下采礦活動(dòng)形成了豎井、巷道和采空區(qū)等空間結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)間幾何形態(tài)存在顯著的差異性。根據(jù)結(jié)構(gòu)間差異性，BAO等提出了一種估算礦井儲(chǔ)熱潛力的模型(圖18(c))，該模型只考慮2種補(bǔ)熱模式，即來自圍巖的熱傳導(dǎo)和通過圍巖的熱對(duì)流。正如LOREDO所指出，熱影響的半徑是隨著開采時(shí)間逐漸增大的，即圍巖的溫度會(huì)隨著開采時(shí)間逐漸降低。因此，該模型可能高估礦井地?zé)崮艿拈_采潛力。由于是廢棄的銅礦，該模型僅考慮了豎井和巷道空間，為了方便計(jì)算均假設(shè)為圓形，CHU等、HARM等計(jì)算時(shí)也采用了類似的假設(shè)。然而，由于采礦方式的差別，地下煤炭礦井的長(zhǎng)壁開采會(huì)形成更大儲(chǔ)水體積的采空區(qū)，如顧大釗等利用采空區(qū)建立了大柳塔地下水庫(kù)，滿足了礦區(qū)日常用水的需求。針對(duì)采空區(qū)的儲(chǔ)水，ZHANG等綜述了地下水庫(kù)研究進(jìn)展，考慮膨脹系數(shù)和開采高度的影響，計(jì)算了采空區(qū)的儲(chǔ)水系數(shù)，并分析了采空區(qū)儲(chǔ)水后水巖的相互作用對(duì)儲(chǔ)水系數(shù)的影響。此外，GUO等考慮不同頂板的巖性對(duì)采空區(qū)儲(chǔ)層地?zé)釢摿Φ挠绊?，結(jié)果顯示，堅(jiān)硬頂板的廢棄礦井比其他情況下具有更多的地?zé)釢摿?。因此，綜合考慮CHU等、BAO等、ZHANG等及GUO等研究成果，提出了一種用于評(píng)估關(guān)閉礦井(張集礦)地?zé)釢摿Φ哪Ｐ?式(24))。由于考慮到地?zé)崽荻鹊挠绊懀虼四Ｐ椭形纯紤]豎井的利用。

(24)

(25)

如圖18(a)所示，采空區(qū)的等效體積可以由開采的參數(shù)進(jìn)行確定，根據(jù)式(26)～(27)確定兩帶的高度，同時(shí)獲得孔隙度即可通過式(28)計(jì)算兩帶內(nèi)空隙的等效體積?？紤]到張集礦頂板為中等強(qiáng)度砂巖(40～60 MPa)，因此，式(26)～(27)中的計(jì)算參數(shù)見表7。然后，參考文獻(xiàn)[65]，和分別取14.3%和5%，即可得和分別為388 245 m和376 500 m。因此，礦井采空區(qū)可視為長(zhǎng)度()為1 000 m、直徑()為31 m的等效圓柱。

表7 中等強(qiáng)度頂板兩帶(垮落帶和裂隙帶)高度計(jì)算參數(shù)[85]

圖18 模型簡(jiǎn)化示意

(26)

(27)

(28)

式中，，，分別為垮落帶、裂隙帶和煤層高度；～為計(jì)算兩帶高度的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；，分別為垮落帶的體積與孔隙率；，分別為裂隙帶體積和孔隙率。

為了描述圍巖熱傳導(dǎo)對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)儲(chǔ)能的補(bǔ)熱效率，引入了表示圍巖熱傳導(dǎo)補(bǔ)熱與靜態(tài)儲(chǔ)能的比值，即

(29)

其中，為礦井水體外部表面積與體積的比值。需要注意的是由于模型長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于直徑，因此未考慮等效圓柱體兩端面積。

圖19(a)顯示了不同大地?zé)崃鳁l件下，補(bǔ)熱效率與時(shí)間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)通過圍巖熱傳導(dǎo)補(bǔ)熱時(shí)高度依賴?？紤]到對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義的能量補(bǔ)充下限，這里以=0.1作為分析案例。例如，當(dāng)=25 mW/m時(shí)，需要超過5 a才能達(dá)到靜態(tài)儲(chǔ)能的10%。而當(dāng)=100 mW/m，仍需要超過12 a才能完全達(dá)到靜態(tài)儲(chǔ)能的估算量。此外，如圖19(b)所示，分析了=100 mW/m時(shí)利用溫差Δ對(duì)的影響。由圖19可知，Δ越小，增加越快，圍巖熱傳導(dǎo)可在更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到靜態(tài)儲(chǔ)能的估算量。如Δ=10 ℃，圍巖達(dá)到靜態(tài)儲(chǔ)能的40%需要約11 a，而Δ=5 ℃時(shí)，相同條件下僅需要5 a。因此，為獲得更多能量而盲目提高利用溫差，不利于系統(tǒng)運(yùn)行的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。另一方面，通過比表面積反映了圍巖快速熱補(bǔ)給能力，越趨近于1，礦井水與圍巖熱傳導(dǎo)越強(qiáng)，熱量補(bǔ)給也越快。當(dāng)=0.1時(shí)，不同值條件下，與時(shí)間函數(shù)關(guān)系如圖19(c)所示，可以得出一定時(shí)，值越大，達(dá)到0.1速度越快。例如當(dāng)=0.4，為100，25 mW/m時(shí)，達(dá)到0.1的時(shí)間分別約為2.5 a與9 a。此外，相同條件下，越大，熱能補(bǔ)給越快，說明增大比表面積可以提高系統(tǒng)熱能補(bǔ)給。因此，可以認(rèn)為采空區(qū)的空隙空間增加了圍巖與礦井水的接觸，促進(jìn)了熱量的補(bǔ)給，是廢棄礦井優(yōu)先采熱儲(chǔ)熱的區(qū)域。

圖19 大地?zé)崃?、利用溫差及比表面積對(duì)圍巖熱傳導(dǎo)補(bǔ)熱的影響

此外，定義了用以表征圍巖熱對(duì)流對(duì)靜態(tài)儲(chǔ)能補(bǔ)熱的影響：

(30)

其中，假定礦井深部圍巖溫度與利用溫度相同即=，為與的比值。與其他參數(shù)相比，充能因子很難確定，其取決于巖體性質(zhì)和流動(dòng)條件(例如巖體滲透率和流體流速等)。圖20(a)給出了4種體積比條件下與充能因子之間的函數(shù)關(guān)系，即隨著線性增加，且越大，增加速率越快。相反，的值一定時(shí)，充能因子隨著增大而減小(圖20(b))。由于熱量來源于周圍巖體，更大的巖體能夠提供更多的熱補(bǔ)給，可以解釋上述關(guān)系。根據(jù)CATALDI的研究，合理的充能因子可能是1.5%。然而，這一結(jié)論并未考慮采掘活動(dòng)對(duì)圍巖滲透性的影響，因此圖20中考慮選擇0.25作為的上限值。對(duì)于實(shí)際補(bǔ)熱速率(=0.1時(shí))，圍巖與礦井水體積比=5(事實(shí)上圍巖體積應(yīng)大于礦井水體積)時(shí)，充能因子為3.5%，該結(jié)果與CHU等與BAO等獲得結(jié)果相類似。

圖20 圍巖熱對(duì)流補(bǔ)熱參數(shù)間關(guān)系

圖21 圍巖熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)補(bǔ)熱量

表8 cf計(jì)算值

表9 cr計(jì)算值

7.3 效益評(píng)價(jià)

表10 計(jì)算案例的參數(shù)

8 結(jié) 論

(1)關(guān)閉/廢棄煤炭礦井不應(yīng)被視為一種問題，而應(yīng)被視為一種資源或能源。將廢棄礦井再利用進(jìn)行地?zé)崮艿拈_發(fā)在未來的熱能供給方案中具有巨大潛力。盡管利用潛力大，但由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會(huì)等因素，我國(guó)廢棄礦井地?zé)豳Y源的發(fā)展仍相對(duì)緩慢，相關(guān)利用項(xiàng)目較少。隨著我國(guó)煤炭開采重心的西移，中東部遺留了大量關(guān)閉礦井，迫切需要尋求高效利用廢棄礦井資源的途徑。

(2)廢棄礦井地?zé)崮芑厥障到y(tǒng)主要分為開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)。礦井水的特征、熱負(fù)荷及系統(tǒng)復(fù)雜性決定了系統(tǒng)開環(huán)或閉環(huán)設(shè)計(jì)，其中回路流量和利用溫差是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)。此外，地?zé)嵯到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)熱源化學(xué)和溫度特征的影響需要著重考慮，前者易產(chǎn)生堵塞腐蝕，后者決定泵送位置和速率。

(3)廢棄礦井儲(chǔ)水體積、水力連通性及溫度特征是決定礦井儲(chǔ)層熱源可用性的關(guān)鍵因素。評(píng)估時(shí)不僅需考慮關(guān)閉前礦井地質(zhì)參數(shù)，更需注意關(guān)閉后礦井變化特征，如關(guān)閉后結(jié)構(gòu)變形破壞，影響礦井水體積與連通性等；同時(shí)，需考慮系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)熱源影響，如取水熱和回注水時(shí)對(duì)礦井圍巖地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的影響等。

計(jì)算結(jié)果表明，盡管考慮圍巖的熱補(bǔ)給作用，系統(tǒng)達(dá)到靜態(tài)儲(chǔ)能的水平仍需要近10 a時(shí)間，不能滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定性的供能要求。因此，未來的研究應(yīng)著眼于多能互補(bǔ)方式開發(fā)廢棄礦井地?zé)豳Y源，結(jié)合風(fēng)能或太陽(yáng)能將廢棄礦井作為產(chǎn)-儲(chǔ)熱能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，并需發(fā)展完善相關(guān)的法規(guī)與政策以管理和支持廢棄礦井再利用，推動(dòng)廢棄礦井地?zé)豳Y源再利用的技術(shù)進(jìn)步。