利用矿洞建设抽水蓄能电站的技术可行性分析

王婷婷，曹 飞，唐修波，李 阳，张昊晟



利用矿洞建设抽水蓄能电站的技术可行性分析

王婷婷，曹 飞，唐修波，李 阳，张昊晟

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024）

利用废弃矿洞建设抽水蓄能电站不仅是抽水蓄能新形式的探索，更是基于电力市场和生态环境恢复双向需求的产物。在明确定义三种矿洞（坑）利用模式的基础上，重点从矿洞抽水蓄能的站址选择、动能估算、工程布置三个方面进行了工程技术可行性分析，并在典型案例中予以验证，旨在为进一步设计优化矿洞抽水蓄能工程布置方案提供借鉴。

废弃矿洞；抽水蓄能电站；利用模式；全地下；煤矿

截至2018年10月底，我国已建抽水蓄能电站34座（不含中国台湾省），建成投产装机规模 29990 MW；在建抽水蓄能电站26座，在建装机规模37050 MW。抽水蓄能电站具有启动迅速、运行灵活等特点，在电力系统中可承担削峰填谷、调频调相、事故备用、黑启动以及储能等多重任务，不仅给电力系统带来可观的动态效益，还可有效改善火电等其它类型机组的运行条件，提高新能源电源资源利用率。鉴于此，《水电发展“十三五”规划》中明确提出2025年抽水蓄能电站建成规模为1亿kW。然而，随着前几轮大规模抽水蓄能选点以及推荐站点的开工建设，开发条件优良的抽水蓄能站点越来越少，尤其随着各省（区）生态保护红线陆续出台，抽水蓄能的站址选择开始变得困难。因此，寻求新的抽水蓄能电站形式、研究其关键技术问题势在必行。

我国矿产资源丰富，其中煤炭资源的产量和储量均居世界首位，2017年查明储量为16666.73亿 吨[1]。但随着我国能源结构调整以及煤炭资源的枯竭，大量矿井报废关闭或进入报废过渡阶段。我国废弃煤矿主要分布在晋陕蒙宁甘、东北以及云贵川地区。其中，废弃煤洞（坑）较多省份主要为山西省和黑龙江省，2005—2017年累计关闭矿井分别达到3775处、1116处，云贵川“十二五”期间关闭煤矿也达到2441处。在全国69个资源枯竭城市中煤炭资源枯竭型城市（区）有35座，从现有的开发利用情况来看，地下矿井以瓦斯开采为主，露天矿以风光发电、生态复建、旅游景观、科普教育等为主。

因此，利用废弃矿洞（坑）建设抽水蓄能不仅是一种抽水蓄能电站新形式的探索，更是基于电力市场和生态环境恢复双向需求的产物，社会、环境意义远大于经济效益。通过排查废弃矿洞（坑）资源，选取可利用空间大、具备一定高差且水源充足的矿洞（坑）进行抽水蓄能电站建设，一方面将有利于拓宽抽水蓄能选点范围，使站址向负荷中心、新能源基地、特高压线路交集处靠近，促进电网安全稳定运行，并可根据矿区能源开发情况，构建新能源微电网系统，使矿区从工业耗水耗电大户转变为新能源电源输出地；另一方面，可促进矿区自然生态环境的恢复，带动周边相关产业发展，实现变废为宝、探索构建资源节约型社会和环境友好型社会的新路径[2]。

1 国内外研究现状

国外已开展了利用废弃矿洞（坑）建设抽水蓄能电站方面的研究，但至今并无实际工程应用[3]。

美国开展矿洞（坑）建设蓄能相关研究较早。其中，美国新泽西州霍普山半地下抽蓄电站规划装机规模2000 MW，下水库是利用地下约760 m深处已废弃的铁矿矿洞，上水库是在霍普山台地上开挖而成，该电站于20世纪90年代就获得建设许可，但由于种种原因并未实施。此外，加利福尼亚州的伊格尔山抽水蓄能规划装机1300 MW，设计利用两个废弃矿坑分别作为上、下水库，于2014年获得建设许可。俄亥俄州的新萨米特抽水蓄能电站规划装机1500 MW，下水库利用废弃的矿井，于2014 年取得开发预许可[4]。

德国在21世纪初制定了新能源方针，许多研究机构和大学开展了一系列地下废弃矿洞抽水蓄能发电技术的研究，如下萨克森州能源研究中心计划利用废弃的Upper Harz金属矿巷道建立全地下的抽水蓄能电站（初拟装机100 MW），北威州在鲁尔区一个即将废弃的Prosper-Haniel煤矿中开展了建造半地下抽水蓄能电站（初拟装机200 MW）的可行性研究，但均处在研究阶段[5]。

此外，澳大利亚的北昆士兰州设计利用露天金矿建设规模为250 MW的抽水蓄能电站[6]；西班牙研究将Asturian中央煤矿改造为一个半地下抽水蓄能电站[7]。南非约翰内斯堡计划利用Fast West Rand区废弃的深井金矿建设一个大型全地下抽水蓄能电站[8]。

我国目前已开展了两个利用废弃露天矿坑建设抽水蓄能的工程设计，一个是河北滦平抽水蓄能电站（初拟装机1200 MW）利用磁铁矿坑做下水库，另一个是辽宁阜新抽水蓄能电站（初拟装机1200 MW）利用海州废弃矿坑做下水库。两个站址已分别纳入河北省和辽宁省抽水蓄能选点规划报告。

总体而言，国内外利用矿洞（坑）建设抽水蓄能的研究有以下两个特点：一是利用的矿洞（坑）主要以金矿、铁矿等工程地质条件较好的金属矿为主；二是利用露天矿坑或仅部分利用地下矿洞的抽水蓄能站点研究工作较深，且初拟规模相对较大。然而，针对全地下的矿洞利用模式，尤其是利用地质条件相对较差的煤矿建设全地下抽水蓄能的研究非常少。鉴于此，2017年国家电网公司牵头组织采矿、抽水蓄能等行业专家开展了利用煤矿地下矿洞建设抽水蓄能的相关研究。

2 矿洞（坑）建设抽水蓄能的利用模式

从电站枢纽布置所利用矿洞（坑）的相对位置来看，矿洞（坑）抽水蓄能可以分为三种利用模式：第一种全地上的利用模式，下水库利用露天矿坑，上水库利用周边高处地形挖库建坝；第二种半地下的利用模式，下水库利用地下矿洞，上水库利用地面塌陷区、露天矿坑或周边合适地形挖库建坝；第三种全地下的利用模式，上、下水库分别利用地下不同高程的矿洞。

从利用矿洞（坑）建设抽水蓄能电站、研究进展而言，第一种利用模式，即主要利用露天矿坑建设抽水蓄能的研究较为深入，辽宁阜新、河北滦平等矿坑均已完成规划阶段设计，基本不存在工程制约因素，其中金属矿坑由于地质条件优越，建设抽水蓄能电站的经济指标略优于常规抽水蓄能电站；煤矿矿坑用于改建抽水蓄能库盆的支护措施较多，经济指标略高于常规抽水蓄能。第二、三种利用模式，我国研究尚属初级阶段，其中美国的霍普山抽水蓄能电站是半地下模式的典型案例，德国的金属矿是对全地下模式的初步研究。从工程技术难度上讲，全地下模式最为复杂。

3 全地下煤矿矿洞抽水蓄能电站的技术可行性分析

全地下或半地下模式的抽水蓄能电站关键技术问题在于地下工程的布置，因此以最为复杂的全地下模式进行技术可行性分析。

全地下模式的抽水蓄能电站是利用地下采矿形成的不同高程水平的可利用空间及落差，形成电站所必须的上、下水库蓄水空间。因此地下空间的拓扑结构、容积、高程等条件对抽水蓄能电站的工程布置设计至关重要[9]。

3.1 煤矿矿洞抽水蓄能的站址选择

（1）应具备足够大的可利用空间 由于我国煤矿井下的采空区处理方法一般为垮落法，因此很难有较大的完整的采空区可供利用，加之采空区覆岩含有采动造成的裂隙带，具有较强的导流能力，密闭性和稳定性较差，一般不适合作为蓄水库。因此，抽水蓄能电站的可利用空间主要为煤矿的地下巷道群。巷道服务于整个矿井的生产，具有平面分布面积广、坡度起伏较大的特点。一方面，选择某一高程水平的巷道需有足够多的可利用空间，即巷道群规模需足够大；另一方面，对于巷道群汇集点有反坡降的、连通不畅的无效空间应予以扣除。以装机容量为50MW、连续满发小时数为6h、利用水头500m的抽水蓄能电站需求空间为例，需选取有效利用空间约为26万立方米的同一高程水平巷道，即使考虑所利用巷道全部为净面积 14m2的双道巷，所需巷道长度仍需18km。

（2）同一高程水平的巷道高差应大小适中 一方面，巷道高程差过小，或者巷道间连接不强，会导致汇集点水流流速不够，难以满足发电流量需求，以500m水头、装机容量50MW的抽水蓄能电站为例，水库进出水口的额定流量需达到12.1m3/s，巷道向进出水口的汇水能力是否能达到机组发电流量要求是矿洞选择的关键指标。另一方面，同层的巷道落差不能过大，抽水蓄能机组为可逆式水泵水轮机组，上下水库的水位变幅不宜大，主要因为泵工况下过大的扬程变幅将导致效率急剧降低，振 动强烈，不稳定和抽不上水[10]。仍以500m水头、装机容量50MW的抽水蓄能电站为例，比转速约为76m·kW，最大扬程与最小水头比（pmax/tmin）控制在1.15以内较为合适。据此反推上下水库的水头变幅约不能超过60m，则位于同一高程水平的巷道群的高程差初步估计不宜超过30m。

（3）上、下水库间的落差需适度 抽水蓄能电站利用水头越低，所需蓄水空间就越大，对于利用煤矿巷道的抽水蓄能电站而言有效利用空间难以保证；抽水蓄能电站利用水头过高，机组研发及生 产难度较大。世界上利用水头最高的可逆式混流 抽水蓄能机组是日本的葛野川电站，单机容量 475MW，额定水头714m。煤矿矿洞抽水蓄能机组具有转速高、容量小、台数少等问题，经与各生产厂家初步沟通，如果单机容量按50MW考虑，利用水头建议不高于500m。

表1 《抽水蓄能电站设计导则》建议的水头变幅

Table 1 Head variation recommended in the 《Design guide for pumped storage power station》

3.2 煤矿矿洞抽水蓄能的动能估算

根据废弃矿洞的建设条件，结合抽水蓄能电站的工程布置、机组运行要求等，选取不同高程的煤矿矿洞作为电站的上、下水库，进而拟定电站的上、下水库特征水位和装机容量等指标。考虑到煤矿矿洞主要利用空间为巷道，且存在汇流、变幅等限制因素，抽水蓄能建设规模不会很大。因此，以装机容量分别为50MW、100MW进行不同利用水头的动能参数估算，为开展相关研究提供借鉴。

表2 利用废弃矿洞建设抽水蓄能电站典型设计方案动能参数估算表

3.3 煤矿矿洞抽水蓄能的工程布置

枢纽建筑物布置应尽可能考虑利用废弃矿洞作为上、下水库，尽量利用已有的竖井（斜井）作为引水（尾水）系统，尽量利用已有的竖井作为交通、出线、通风等厂房附属洞室。矿洞抽水蓄能电站枢纽布置示意图如图1所示。

图1 矿洞抽水蓄能电站枢纽布置示意图

3.3.1 地质条件

根据矿洞蓄能所在位置的区域构造稳定性，判断是否具备电站建设的工程地质条件。一般而言，近场区无活动性断裂发育，无区域性断裂穿越拟布置建筑物的矿洞，整体稳定性较好。工程布置中地下洞室位置的围岩类别不低于Ⅲ类较为适宜，水道系统高压管道及大跨度地下洞室尽可能避免穿越Ⅴ类围岩。同时，由于不同的围岩类别可能采用不同的施工方法，如支护措施、防渗措施等，进而对工程造价产生较大影响，因此，应结合工程布置需求对不同巷道部位的围岩类别进行科学划分。

3.3.2 上、下水库的布置

上、下水库由各矿洞层巷道群及其它附属永久洞室构建。如果巷道有效空间不能满足电站建设规模所需库容，则需根据巷道拓扑结构，科学选择巷道扩挖方式，从工程经济性角度考虑，扩挖区域以集中开挖为宜。如果巷道有效空间能够满足电站空间需求，则主要以巷道的支护为主。应充分考虑电站运行期间水位频繁升降对洞室稳定性影响，根据围岩类别选择支护措施。同时，在巷道末端应采取封堵措施及相应的防渗措施。

3.3.3 水道系统

水道系统是衔接上、下水库的水工建筑物，可根据废弃矿洞布局选择斜井或竖井的布置方式与厂房连接。需关注的技术难点在于上、下水库进/出水口位置的选择。原则上，进/出水口应布置在库区内地势较低的部位，且巷道群的汇流距离尽可能均衡。

3.3.4 地下厂房及附属建筑物

鉴于抽水蓄能机组吸出高度的要求，地下厂房位于下水库高程以下。如以装机规模50 MW、利用水头500 m的抽水蓄能电站为例，吸出高度约为-60 m，即地下厂房位于下水库以下60 m左右；如装机规模增加至100 MW，则吸出高度需达到-70 m左右。此外，地下厂房尺寸与抽水蓄能机组台数、机组尺寸、安装高程等有关，一台装机规模50 MW、利用水头500 m的抽水蓄能电站的地下厂房，初步估算开挖尺寸约为55.5 m×18.5 m×34.5 m（长×宽×高），包括主机间、安装场和副厂房（含主变室），可采用一字形布置。初步考虑地下厂房采用加强支护的方式。此外，地下洞室群的排水和防潮主要依靠在地下厂房四周设置排水廊道、排水孔和通风系统来解决。

4 全地下煤矿矿洞抽水蓄能的典型设计

京西某煤矿始建于1960年4月，截至2017年底，保有资源/储量为21373.7万吨，核定生产能力120万吨/年。矿洞开拓方式是平硐、暗斜井、底板集中运输巷、采区石门开拓煤层群。根据安排，该煤矿于2018年底彻底关停退出生产。

经分析，该煤矿共有8个水平的平硐，平硐内部坡度一般为5‰，单层平硐最高与最低高程相差较小，一方面利于水流汇集，另一方面单层平硐高程变化较小更能适应抽水蓄能机组安全稳定运行对水头变幅的限制要求。各层平硐长度较长，容积较为可观，可抽水蓄能电站上、下水库的发电库容需求。550 m及以上各层平硐均位于山坡上，多个水平平硐有洞口与地表相连，便于建设抽水蓄能电站的施工交通。该煤矿自身条件与抽水蓄能电站的工程布置要求有较好的契合度。

4.1 水利与动能设计

该煤矿已形成+240 m、+400 m、+550 m、 +680 m、+800 m、+920 m、+1050 m、+1150 m共八个水平平硐。其中+550 m及以上各水平平硐均有洞口通地表，而+240 m、+400 m水平位于地表以下且不能直接与地表相通。+1050 m、+1150 m水平报废时间较长，可能与周边小煤窑联通，内部情况不明朗。该煤矿的各层平硐由底板巷和石门构成，其中石门全部是双道巷，底板巷大部分为单道巷。从平硐条件、施工交通便利程度方面分析，+550 m、+680 m、+800 m、+920 m4个水平平硐是建设抽水蓄能电站可能被利用的空间，经复核，可利用空间分别为40万立方米、42万立方米、50万立方米、18万立方米。

+550 m平硐不仅可利用空间较大、可通地表，而且有利于增加电站利用水头，同等库容条件下装机规模较大，选择该高程平硐为抽水蓄能电站的下水库是较为合适的。+680 m平硐作为上水库时的利用水头仅130 m，装机规模难以保证，且地下厂房尺寸较大，洞室开挖工程量较大。+800 m平硐作为上水库，考虑初拟装机容量50 MW、连续满发小时数6 h，则抽水蓄能机组最大扬程与最小水头（pmax/tmin）比值达到1.364，机组参数水平较高，研发及制造难度均较大。+920 m平硐作上水库，考虑初拟装机容量50 MW、连续满发小时数6 h，则上水库可利用空间不足，需扩挖17.6万立方米库容。

综合考虑电站水头、装机容量、机组制造等因素，选取+550 m平硐作为电站的下水库，+920 m 平硐作为电站的上水库，初拟装机容量为50 MW，连续满发小时数为6 h，电站具备日调节能力，额定水头348 m，满发流量16.5 m3/s。该煤矿矿洞内有一定量的岩石裂隙水涌出，涌水量完全满足电站的初期蓄水及运行期补水水源需求，需同时做好电站蓄补水与排水措施。

4.2 工程布置设计

4.2.1 上、下水库

利用+920 m平硐作上水库，该水平巷道总长14318 m，巷道群围岩条件较好，支护强度较高，巷道稳定性较好，可利用容积为18.03万立方米。在现有920 m西一石门两侧进行开挖，为便于施工，开挖断面采用原有双道巷断面型式，共开挖5条，每条实际长度为700 m，新开挖巷道均采用5‰的底坡，实际开挖库容为18.9万立方米，满足上水库库容要求。下水库利用+550 m平硐，不需扩挖 库容。

经初步判断，上、下两层平硐巷道围岩岩体较完整，裂隙中等发育，围岩以III类为主，断层带或裂隙密集带发育部位为IV～V类。巷道群作为蓄水库，在电站运行期间水位频繁升降，对洞室的稳定极为不利，需对Ⅲ类围岩进行支护，隧洞边墙及顶拱设置20@150 cm×150 cm、=3 m的锚杆喷混凝土，喷10 cm厚混凝土，加挂网钢筋6.5@20 cm×20 cm；IV～V类围岩隧洞边墙及顶拱设置20@150cm ×150 cm、=3 m的锚杆喷混凝土，并喷10 cm厚混凝土，加挂网钢筋6.5@20 cm×20 cm，并对围岩进行固结灌浆处理，固结灌浆的孔、排距均为3 m，孔深4 m，梅花形布置。

图2 典型矿洞抽水蓄能电站枢纽布置示纵剖面图

4.2.2 水道系统

水道系统分为引水、尾水系统两部分。水道线路总长约910 m，相对高差450 m。引水系统、尾水系统均采用“一洞一机”的布置方式。上、下水库的进/出水口均采用岸边侧式，布置在各自平硐高程最低处，进/出水口设拦污栅，底板高程分别为915.0 m、555.0 m。引水系统采用单竖井布置方式，高压管道设置一条主洞，钢板衬砌，主管长526.3 m，内径2 m，回填混凝土厚度0.6 m，最大开挖直径3.2 m。

4.2.3 地下厂房及附属建筑物

地下厂房由主机间、安装间和副厂房组成，呈“一”字形布置。厂房对外通道主要是进厂交通洞和通风兼出线洞。根据机组尺寸、机电设备布置、运输、检修及水工结构等要求，确定厂房开挖尺寸为53 m×18.6 m×37 m（长×宽×高），安装间长为17 m，副厂房长为11 m。地下洞室群的排水和防潮主要依靠在地下厂房四周设置排水廊道、排水孔和通风系统来解决。排水廊道共分两层，上层排水廊道平面上环绕主厂房布置；下层排水廊道布置在厂房上游及两端。排水廊道断面尺寸均为2.5 m×2.5 m（宽×高）。在副厂房底板下设渗漏集水井，最后通过自流排水洞排出厂外。

4.3 投资匡算

根据国家现行水电工程投资匡算编制规定，结合工程具体情况，按2018年第二季度价格水平编制工程投资匡算。利用该废弃煤矿矿洞建设抽水蓄能电站工程的静态总投资为89796万元，单位千瓦投资为17959元。

5 结 论

（1）利用废弃矿洞（坑）建设抽水蓄能电站的生态环境、社会效益显著，具有较好的应用前景。

（2）从电站枢纽布置所利用矿洞（坑）的相对位置来看，矿洞抽水蓄能可以分为三种利用模式，即全地上、半地下、全地下的利用模式。其中，全地上利用模式由于露天矿外部条件相对明朗，不存在工程技术瓶颈，虽然矿坑专项处理费用增加，但不存在环保、移民等其它限制条件。

（3）利用地下矿洞建设抽水蓄能，煤矿矿洞宜选择可利用空间大、落差小且满足汇流要求的蜘蛛网状巷道群；上下水库选择应综合考虑装机规模、利用水头、机组运行等多重因素；应尽可能结合矿洞已有的建设条件，如空间、设施等，优化设计电站的工程布置。

（4）通过典型案例设计成果可知，建设全地下的煤矿矿洞抽水蓄能电站在工程技术方面是可行的，且存在进一步优化的可能。虽然受建设规模小、支护专项费用高的影响，经济指标远高于常规抽水蓄能电站，但单位蓄能量建设成本为2993 元/(kW·h)，与其它储能技术基本相当。

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Technical feasibility analysis of utilizing mine to construct pumped storage plant

WANG Tingting, CAO Fei, TANG Xiubo, LI Yang, ZHANG Haosheng

(Power China Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China)

Utilizing the abandoned mine to construct pumped storage plant is not only a new form of exploration, but also a bidirectional product on account of the demand of power market and ecological environment restoration. Based on the clear definition of three utilization patterns to different mines, three aspects including mine site selection, kinetic energy estimation, and project layout have been researched and verified in the typical case in the technical feasibility analysis. And the purpose of this paper is to provide reference for further design and project layout optimization of pumped storage plant utilizing abandoned mine.

abandoned mine; pumped storage plant; utilization patterns; underground; coal mine.

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0242

TV 743

A

2095-4239（2019）01-195-06

2018-12-05；

2018-12-15。

国家电网公司部总部科技项目资助（NY71-17-002）。

王婷婷（1978—），女，教授级高级工程师，主要从事水电站动能经济、水资源综合规划等工作，E-mail：wangtt@ bhidi.com。