废弃矿井抽水蓄能面临的关键问题与对策思考_文志杰.pdf

第 卷第期 年月山东科技大学学报（自然科学版）（）：文章编号：（）废弃矿井抽水蓄能面临的关键问题与对策思考文志杰，姜鹏飞，宋振骐，蒋宇静，（山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 ；长崎大学 工学研究科，日本 长崎 ）摘要：为向低碳清洁能源转型，我国风、光等新能源高速发展，新型电力系统对调节电源的需求更加迫切，抽水蓄能逐渐成为储能技术开发与利用的热点。本文在系统梳理抽水蓄能电站技术研究现状的基础上，从电站选址、库容计算、地下空间改造及安全运维四个视角分析了废弃矿井抽水蓄能电站建设面临的主要难题；从工程角度提出亟待研究解决的四项关键技术：地上水库安全性评价方法与治理技术、地下水库库容计算模型及调蓄技术、地下水库损伤变形机理及加固技术、二次开挖地下结构变形失稳机制及治理技术。利用废弃矿井遗留的大量地下空间资源建设抽水蓄能电站，有助于构建清洁低碳能源体系，增强能源供给稳定性。关键词：抽水蓄能；电站；废弃矿井；关键技术中图分类号：文献标志码：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；山东省自然科学基金项目（）作者简介：文志杰（），男，山东平度人，教授，博士生导师，主要从事采动力学与围岩控制研究 ：宋振骐（），男，山东泰安人，教授，博士生导师，中国科学院院士，主要从事矿山压力与岩层控制研究 ，（，；，）：，：，：，：；文志杰等：废弃矿井抽水蓄能面临的关键问题与对策思考在全球气候变暖大背景下，全世界已有超过 个国家提出“碳中和”目标或愿景，“绿色”“低碳”的经济发展模式深入人心。年，我国宣布了碳达峰、碳中和目标，并加快实施供给侧结构性改革，着力构建人与自然生命共同体。我国风能、光能储量丰富，“十三五”期间每年新增装机容量 ，年首次突破 大关。“十四五”第一年，我国风电、光伏年新增装机合计 ，发电量近 亿时，占当年总发电量 （图）。到 年，风电、光伏总装机将达到 亿，占比达到 。同时，新能源的随机性、波动性为新能源的稳定开发利用带来新的挑战，加快发展新型储蓄供能体系是保障绿色低碳能源安全供给的重要保障。随着我国经济进入新常态，经济发展对煤矿的要求逐渐提高，因产能落后而关井的现状日益凸显。据不完全统计，“十三五”期间全国累计关闭落后产能矿井约 座，期间每年矿井关停数量如图所示。根据中国工程院院士袁亮牵头的中国工程院重点咨询项目“我国煤炭资源高效回收及节能战略研究”预测，到 年，我国关闭矿井数量将达到 座，按每个矿井 万 计算，将包含 亿地下空间资源。如何利用废弃矿井资源，越来越成为社会关注的热点。图我国 年风力及光伏发电量变化 图“十三五”期间我国每年关停煤矿矿井数量变化 “”年，国家能源局印发了 抽水蓄能中长期发展规划（年），提出到 年抽水蓄能投产总规模 亿左右。利用废弃矿井抽水蓄能不仅可对废弃矿井地下资源进行高效合理的二次利用，也为实现煤炭行业的“双碳”目标提供有效的路径和助力。废弃矿井具备修建地下储能电站的独特优势：煤炭开采后在煤岩层中遗留大量的巷道和采空区，并且具有天然的高差；此外，煤炭在开采过程中会产生大量的矿井水储存在废弃矿井内，利用废弃矿井建造地下储能电站，具有广阔的经济前景和社会效益。抽水蓄能电站建设现状根据上、下位水库与地表的相对位置关系，抽水蓄能电站可分为三类：地上抽水蓄能电站、半地下式及全地下式抽水蓄能电站（图）。国外对抽水蓄能电站的研究始于十九世纪末，并于 年建成了世界上最早的地上抽水蓄能电站（瑞士苏黎世的奈特拉抽水蓄能电站），随后各国根据本国国情相继提出了建造抽水蓄能电站的设想方案。年底，新泽西州利用废弃铁矿作为下水库建成了霍普山抽水蓄能电站；年，世界上首个半地下抽水蓄能电站（）建于奥地利的阿尔卑斯山；年，公司研究在一座石灰岩矿中建造抽蓄电站的下位水库；维也纳 公司以人工隧道群为抽蓄系统中的上位水库，以天然湖泊为下位水库建设半地下抽水蓄能电站；西班牙设计将一座废弃的煤矿改建为半地下抽蓄电站；年，南非的约翰内森堡也开始尝试将废弃金矿改建成全地下抽水蓄能电站；德国鲁尔区 煤矿于 年 月关停，其有望被改建成全球首个全地下抽水蓄能电站。年，我国首次在河北岗南水库安装了台从日本引进的容量为 的抽水蓄能机组；年，我国第一座大型地上抽水蓄能电站 广州抽水蓄能电站一期工程完工。同时，我国也积极开展废弃露天矿坑建设抽水蓄能工程，如河北滦平利用小营乡哈叭沁村西沟磁铁矿的采空区作下位水库建设抽水蓄能山东科技大学学报（自然科学版）年第期电站；辽宁省阜新市利用海州废弃露天煤矿作下位水库改建抽水蓄能电站。年，顾大钊院士 提出将废弃矿井改建成地下水库的设想，并在神东矿区大柳塔煤矿进行了工程实践。目前，国内外暂无建成的半地下式或全地下式废弃矿井抽水蓄能电站。图抽水蓄能电站分类示意图 废弃矿井抽水蓄能面临的主要难题建设废弃矿井抽水蓄能电站，可丰富电网调峰手段，改善电源布局与负荷分布不协调问题，也是有效利用废弃矿井资源的一种创新，但目前仍面临诸多困难。废弃矿井选址要求高废弃矿井抽水蓄能电站选址受经济、安全和法律法规等诸多因素制约，目前尚缺少系统、科学的电站选址理论与方法，仅有少数学者采用模糊多准则决策模型、多能互补原则 对废弃矿井抽蓄电站选址开展了初步研究。首先，井下水文地质条件决定了矿井改造利用的可行性。我国是世界上煤矿开采数量、规模最大的国家，其中约有的矿井为水资源丰富型矿井。水库选址地区内水资源条件是否满足抽水蓄能电站建设的需求是决定废弃矿井是否可再利用的关键。富水矿井因井下涌水量大，致使上、下位水库水循环不匹配，使得抽水成本逐渐大于发电收益；而水资源匮乏矿井，抽水蓄能电站建设时需首先考虑补给水源的稳定性，如地下可利用含水层、地表径流、当地降水量等，增加了调蓄工程建设成本。其次，断层在煤矿井下地质构造类型中较为常见，蓄水空间或水循环通道内的断层受水体侵蚀冲刷、水岩作用劣化、循环加卸载等作用影响易活化，致使蓄水空间或水循环通道失稳，因此电站选址需规避断层活化风险。上位水库大坝及库区渗漏率同样受岩土的层理发育、结构面及产状稳定状况的影响 。此外，电站的经济性受上、下位水库之间的水平距离与水头之比影响，且抽水蓄能电站建设要求水头适中，其范围为 。作为地下蓄水空间的废弃矿井，其开拓空间所处高程由资源分布决定，水头高度具有不可控性；而地表水库的选址受地形、地表构筑物、农田耕地、生态保护区等诸多限制因素制约，上、下位水库之间的水平距离具有不确定性。地下水库库容计算难为保障合理的装机容量，地下水库应具备充足的可利用空间，地下水库有效库容是反映抽蓄能力最直观、最重要的指标。准确计算有效库容可为废弃矿井地下水库装机容量提供准确、可靠的科学依据。有效库容的大小取决于废弃矿井内可利用空间的布置特点及巷道网络的空间关系，并受地下水文条件、蓄水位、水循环频率、地下空间构成、围岩性质及其稳定性、改造措施等因素影响。对于以巷道及其关联硐室群作为地下水库的利用模式，由于采动后期巷道变形的不确定性、水气时空变化的复杂性，目前暂无计算废弃矿井有效库容的方法。文志杰等：废弃矿井抽水蓄能面临的关键问题与对策思考少数学者针对煤矿采空区地下水库库容计算进行了研究。文献 认为煤矿地下水库的蓄水系数等于冒落带孔隙率或裂隙带孔隙率；文献 研究了煤矿地下水库岩体碎胀特性，为煤矿地下水库蓄水量的预测提供理论依据；文献 根据蓄水水位在覆岩垮裂带内的不同位置，建立了地下水库蓄水容量的数学表达式；文献 综合考虑煤矿地下水库蓄水系数的潜在影响因素，建立了考虑有效应力影响的煤矿地下水库蓄水系数模型，并确定了模型解析解；文献 提出一种基于 的库容快速精准计算方法；文献 提出一种利用岩层的垂直位移轨迹方程计算冒落前后体积差的有效蓄水空间计算方法。学者们普遍认为煤矿地下水库蓄水空间为采场冒落的采空区及其上部裂断岩层中的空间，但采空区为非均质多孔介质，工作面推采后的采空区内空隙率受破断覆岩自重载荷压实等影响逐渐降低直至趋于稳定，采空区空隙率的变化极易形成非自由的无效蓄水空间，并且现有方法中的蓄水系数难以确定，因而无法精准计算采空区地下水库有效蓄水体积。同时，抽水口泥沙淤积易造成水泵堵塞不能设置在仓底，并且由于压缩空气的存在导致水库无法完全充满，进一步增加了难以计算的无效库容。此外，对于已关停的部分矿井，由于人员分流导致井巷布局等基础资料缺失，也增加了蓄水空间体积计算的难度。地下空间改造难度大废弃矿井在已完成的煤炭开采过程中，形成了包括不同开采水平的井下巷道及其关联硐室等在内的大量地下空间。由于废弃矿井二次开发利用意识淡薄，多数矿井直接将巷道封闭回填，造成地下空间资源浪费，为后续开发利用带来了巨大的挑战。同时，废弃矿井原有支护系统仅为满足服务年限内矿山安全生产需求设计，在废弃矿井巷道再利用时，尤其在抽水蓄能电站水体长期循环往复运行过程中，应考虑蓄水巷道及其关联硐室支护系统抗疲劳、抗腐蚀特性和围岩裂隙渗流特性，需增加支护系统优化、围岩表面防渗处理等工程投入。为安放发电机组等大型设备，或为降低电站千瓦投资成本而对地下水库扩容，需拓宽或新开拓硐室。此外，对半地下式废弃矿井抽水蓄能电站，需在地表重新开掘水库与引水工程，在建设中将进行大量的土石方开挖。以京西某煤矿建设抽水蓄能电站工程为例，其估算静态总成本约为 万元，单位千瓦投资为 元，而常规抽水蓄能电站单位千瓦投资为 元，目前利用废弃矿井建设抽水蓄能电站工程的投资较高（表）。表各类储能方式主要技术参数对比 储能类别自行放电率（月）循环次数次寿命年转换效率能量密度（）装机成本（元）压缩空气储能 飞轮储能 传统铅蓄电池 铅炭电池 锂离子电池 全钒液流电池低 锌溴液流电池 钠硫电池低 超导磁储能 超级电容器储能 某废弃矿井建设抽水蓄能站 运行期间安全风险高一方面，国内煤矿井巷穿过的岩层多为富水且孔隙发育的泥岩、砂岩等沉积岩，该类岩石孔隙度大、吸水性强且分布范围较广。岩石内部孔隙的存在直接影响岩石物理、力学性质，导致围岩强度降低、渗透性增山东科技大学学报（自然科学版）年第期大。同时，围岩易受水岩作用而发生溶蚀、崩解，在废弃矿井抽水蓄能电站运行过程中，水锤效应将诱发本就脆弱的围岩失稳，从而危及蓄水空间和水循环通道的流通性与完整性。另一方面，在煤炭资源开采过程中，覆岩受采掘扰动而损伤破坏，其内部孕育大量裂隙。地上水库抽蓄运行时，蓄存水体的自重载荷作用于基岩，使已损伤破断的基岩再次受到扰动而活化失稳，将引起地上水库坝体失稳、地下巷道、硐室坍塌破坏，严重威胁电站安全。此外，因煤田范围较大，已建成的废弃矿井抽蓄电站仍可能受邻近生产矿井开采诱发的矿震或区域地震的影响，使地下水库处于动载作用环境中 。抽蓄电站运行期间，地下蓄水巷道及其关联硐室长期处于应力渗流耦合效应下，受水压循环加卸载作用，易发生渗流变形破坏 ，尤其在内水压作用下，水的渗流以渗透应力作用于衬砌结构，衬砌混凝土受拉开裂并受施工质量等因素影响形成宏观裂缝。衬砌裂缝出现后，其内水体沿裂缝外流致使围岩变形增大，易发生衬砌因钢筋约束作用径向变形与围岩不一致而导致两者脱离，衬砌单独承担该范围内水体压力，降低衬砌结构有效服务年限 。废弃矿井抽水蓄能关键技术针对抽水蓄能电站建设面临的主要难题，可从地上水库安全性评价与治理、地下水库库容计算及调蓄优化、地下水库损伤变形机理及加固、二次开挖地下结构变形失稳与治理等四个方面开展技术攻关，研究解决废弃矿井改建抽水蓄能电站的成套关键技术（图）。图废弃矿井“抽水蓄能”关键技术 “”地上水库安全性评价方法与治理技术在地下资源开采时基岩产生大量裂缝，建设地上水库需厘清采空区沉陷范围及受采动影响下地表裂缝发育及闭合特征，把握其受水体初次载荷作用下基岩的二次运动规律。在水库运行期间，循环抽放水体对基岩产生循环加卸载载荷，同时受地下水库水体循环冲刷、侵蚀作用，也进一步增加基岩结构失稳风险。因此，需要掌握多因素循环扰动下基岩损伤破坏规律，提出相应的风险评估方法。对已产生的地表裂缝，要厘清其在不同埋深、岩性、地质构造等综合条件下的发育扩展机理，开展相应堵漏防渗技术、效果探测与评价技术等相关研究。