煤矿废弃井巷抽水储能理论与技术框架

葛帅帅，冯国瑞，姚西龙，栗继祖，畅一帆

(太原理工大学，山西 太原 030027)

2020年，我国煤炭总产量为39亿t，生产矿井约4700座，累计关停矿井约5500座[1]，这些关停的矿井如不能实现合理的再利用，将会产生地下水污染、人员安置等一系列经济、社会与环境问题[2]。如何实现废弃矿井资源化利用是世界性难题，废弃矿井抽水储能将废弃矿井资源化利用及可再生能源电力的消纳结合起来，是科学合理的废弃矿井资源开发利用模式之一。

废弃矿井抽水储能技术设想起源于20世纪70年代[3]，国外学者对废弃矿井抽水储能技术潜力及可行性进行了研究，但多数集中在非煤矿山，特别是露天矿井[4-6]。我国学者也尝试结合煤矿废弃井巷的实际，开展了深入的研究，付贵祥提出了废弃矿井储气和抽水储能概念模型[7]；谢和平院士团队总结国内外废弃矿井抽水储能技术研究进展，论证了中国煤炭资源型地区利用废弃矿井发展抽水储能的潜在社会价值及可行性，提出抽水储能发电一体化构想[8，9]；郑晓亮教授团队借鉴地表抽水储能电站设计思路对废弃矿井抽水储能系统设计和设备选型进行了研究[10，11]。

然而，关于废弃矿井抽水储能研究仍停留在概念和可行性论证阶段，缺乏系统的理论和技术研究框架梳理。本文借鉴神东矿区地下水库项目“规划先行、边回采、边治理、边利用”的地下水库建设经验[12]，提出废弃井巷抽水储能技术概念，从工程背景、科学问题、关键技术和工程实践四个层面构建了废弃井巷抽水储能的理论与技术研究框架，为废弃井巷抽水储能技术理论研究和推广应用提供参考。

1 废弃井巷资源及其利用现状

1.1 废弃井巷的概念

典型井工煤矿地下空间的废弃是一个从采面到采区到阶段再到整个矿井的循序渐进的过程，煤矿地下空间资源是随着煤矿采掘工程推进而持续增加的。废弃井巷的概念为：一个采面、采区、阶段或矿井回采完毕以后形成的相对独立的空间范围。废弃井巷的内涵是在煤矿开采过程中，将开采伴生的废弃井巷作为资源进行规划利用，通过适宜的技术和方法，挖掘废弃井巷的“资源属性”，实现煤炭资源开采与废弃井巷资源化利用的平稳过渡和协调发展，达到废弃矿井治理利用、安全管理、环境治理、员工安置的多赢目标。

1.2 废弃井巷资源概况

根据国家统计局网站公布的各相关省份年度煤炭产量数据，全国八个主要产煤省、自治区2011至2020年累计煤炭产量330.21亿t，其中内蒙古自治区97.39亿t、山西省92.64亿t、陕西省53.38亿t。2020年，区域煤炭总产量34.54亿t，比2011增加2.84亿t。各省、自治区煤炭年产量见表1。

表1 全国主要产煤省(自治区)近10年煤炭产量 亿t

假设煤炭平均容重为1.3t/m3、掘进率为60m/万t、巷道截面为15m2，结合全国主要产煤省、自治区煤炭产量数据对煤炭开采空间进行计算，见表2，2011—2020年，各区域共形成煤炭开采空间283.73亿m3，其中内蒙古自治区83.68亿m3、山西省79.60亿m3、陕西省45.87亿m3。2020年，全国主要产煤省、自治区产生开采空间共29.67亿m3，比2011年增加2.43亿m3。

表2 全国主要产煤省(自治区)近10年煤炭开采空间量 亿m3

1.3 废弃井巷抽水储能技术优势

1.3.1 与成熟可靠的抽水储能技术结合

储能是解决目前可再生能源强波动性及提升智能电网灵活性、稳定性的关键技术，抽水储能是目前大规模储能技术中成熟度最高、可靠性最好的技术。据不完全统计，截至2019年底，全球已投运储能项目累计装机规模184.6GW，其中抽水蓄能的累计装机为171.0GW，占装机总量92.6%；我国投运储能项目累计装机规模35.6GW，其中抽水蓄能的累计装机为31.79GW，占装机总量89.3%[13]。

1.3.2 节约地表土地资源

“距高比”是地表抽水储能电站规划中的重要参数，即抽水储能电站要求在近距离内可以形成两个具备一定高差的大容量水库，因此对地表地形要求较高。废弃井巷抽水储能利用废弃井巷的空间资源，在不依赖于地表地形的同时减少了对地表土地资源的消耗。

1.3.3 缓解资源、环境、社会问题

建设废弃井巷抽水储能电站在充分挖掘废弃井巷残余价值的同时，在矿井水资源化利用、矿井地下水修复治理及促进地方经济社会发展等方面均具有较高的推广应用价值[8]。

1.3.4 较废弃矿井利用难度小、成本低

废弃井巷抽水储能打破整个矿井废弃后再进行整改、建设的思路，充分利用采面、采区或阶段回采以后的运输、通风、安全监控等基础设施条件，边开采、边治理、边利用，提高了矿井软硬件资源和抽水储能系统的服务年限，减少了煤矿废弃后再利用过程的二次投资，提升了系统的经济性和安全性。

2 废弃井巷抽水储能技术概念和技术框架

废弃井巷抽水储能是利用煤矿开采过程中形成的不同区域废弃井巷间或废弃井巷与地表的自然高差，通过抽水储能系统实现电能和重力势能之间的转换，达到电能储存的技术，如图1所示[14-19]。结合废弃井巷抽水储能的技术难点，围绕废弃井巷抽水储能电站建设应用，综合考虑废弃井巷空间和矿井水资源禀赋，以科学规划设计抽水储能系统，实现资源高效安全利用为思路，提出废弃井巷抽水储能理论与技术框架，将煤矿开采、岩石力学、地质学、技术经济学、机械工程、安全工程等学科有机结合，形成废弃井巷空间资源利用、矿井水资源化利用、抽水储能“三位一体”的废弃井巷抽水储能技术体系，如图2所示。

图1 一种利用废弃井巷抽水蓄能的系统及方法

图2 废弃井巷抽水储能技术概念和技术框架

以“资源量计算—可行性评估—经济性评估—规划设计—项目建设—运行维护”为主线，废弃井巷抽水储能理论问题包含采空水赋存规律及资源化利用方法、人工坝体及煤柱多场耦合变形机理、废弃井巷抽水储能技术经济原理、煤矿回采与废弃井巷抽水储能过渡机制四个方面。在此基础上提出废弃井巷抽水储能技术的关键问题包括：①采空水治理及生态利用技术；②煤柱稳定性评价及改造技术；③人工坝体设计建设技术；④底板防渗改造技术；⑤废弃井巷抽水储能系统建设。

3 废弃井巷抽水储能开发中的科学问题

3.1 采空水赋存规律及资源化利用方法

长久以来，采空水作为矿井水害防治的重点对象进行研究治理，神东集团地下水库建设及采空水自净化相关研究[12]，为企业变“被动处理”为“主动利用”提供了范式。废弃井巷抽水储能在地下水库的基础上构建抽水储能系统，深入挖掘矿井水资源化利用潜力和效益，为矿井水资源化利用提供了一个新的思路。

与传统采空水治理利用技术相比，废弃井巷抽水储能技术要求对上下水库水资源赋存状态、赋存量、径流特性、可利用量等参数进行精确的分析计算。因此，需要在矿井水文地质分析、采场与巷道围岩控制分析的基础上细化采空水资源禀赋及资源化利用相关研究。

3.2 人工坝体及煤柱多场耦合变形机理

废弃井巷抽水储能的地下水库是以煤柱和人工坝体为边界圈定的，煤柱和人工坝体稳定性评价是系统设计的关键环节[12]。煤柱稳定性评价方法除参照《煤矿安全规程》、《煤矿防治水细则》等有关规定外，还包括经验比拟法、分析计算法[20]，其中分析计算法中常用的是A.J Wilson提出的两区约束理论[21，22]。煤柱稳定性设计在原有煤柱宽度设计的基础上还应当考虑地震、抽水储能系统运转过程中形成的脉冲和循环载荷对煤柱的破坏机理[23]。

人工坝体是构成废弃井巷抽水储能水库空间的必要组成部分，白东尧、姚强岭等学者结合神东矿区地下水库建设实际对人工坝体设计建设进行了研究[24-28]。根据《煤矿安全规程》和《采矿工程设计手册》相关规定，防水闸门相关结构设计、稳定性评价方法可以为废弃井巷抽水储能系统人工坝体设计建设提供参考。

3.3 废弃井巷抽水储能技术经济原理

《抽水蓄能电站工程地质勘察规程》、《抽水蓄能电站设计规范》等行业规范为地表抽水蓄能电站项目可行性评价内容和方法提供了基本框架。区域水文地质条件、煤层赋存条件、煤岩体力学特性、矿井开采情况、井巷支护情况等因素会直接影响废弃井巷空间资源、水资源可利用量；区域能源系统建设现状及规划会对废弃井巷抽水储能系统的作用定位及综合效益产生影响，因此综合废弃井巷资源条件、项目开发条件进行项目经济效益、环境效益、社会效益分析是项目投资决策的重要支撑。较地表抽水储能电站，废弃井巷抽水储能可行性论证的过程应充分考虑项目在废弃矿井治理、采空水资源化利用、节约地表土地资源等方面的外向性效益。

3.4 煤矿回采与废弃井巷抽水储能过渡机制

结合废弃井巷抽水储能技术“边回采、边治理、边利用”的理念，在一定时期存在废弃井巷抽水储能系统和煤矿开采同步作业，逐步实现开采功能向抽水储能功能的过渡，因此需要考虑煤矿回采与废弃井巷抽水储能系统协同设计的问题。井工煤矿设计和抽水储能电站设计都有成熟的技术体系，两者协同设计中矿井设计是基础，在保证矿井设计科学合理性和安全性的基础上，需要在矿井接替顺序，煤柱尺寸设计，通风系统设计，排水系统设计，辅助运输系统设计，抽水储能系统硐室设计、管路通道设计、电力系统设计、监测监控及安全保障体系设计等方面进行统筹考虑，此外，还应考虑废弃井巷水库补、排水期间气流通道，防止高压气室或真空腔影响系统效率。

在矿井接替顺序方面，矿井在“尽快达产达效”指导思想下往往选择离井底车场较近的采区或盘区布置首采面，但由近及远开采不利于形成独立的井巷空间，进而影响废弃井巷资源利用，因此需要结合矿井情况及技术经济评价选择合适的接替顺序。在煤柱尺寸设计方面，应结合井田地质条件合理规划废弃井巷区域划分，在各区域内部为保证连通性，在确保回采便利和安全性的同时减小煤柱尺寸；在各区域边界应根据煤岩体力学特性和水压等条件保证足够的边界防水煤柱尺寸。在通风系统设计方面，应当考虑废弃井巷硐室及相关行人、作业场所通风量。在排水系统设计方面，应考虑结合井下采空区的自净化能力进行废弃井巷抽水储能给排水系统设计。辅助运输系统主要需要考虑废弃井巷抽水储能系统建设、运维过程中设备材料运输问题。此外，废弃井巷抽水储能通风、管路、电缆、通信等系统的建设会增加对井巷断面尺寸的需求。

除前述水库设计、通风系统设计、运输系统设计、气流通道设计、硐室设计等内容外，废弃井巷抽水储能系统配套设计还应包括地表水库设计(含地面水库的系统)、水道设计、厂房设计、水泵水轮机及辅助设备选型设计、电气部分设计、安全监控预警系统设计等内容。与地表抽水储能电站相比，废弃井巷抽水储能水道需要直接利用或改造现有井巷工程建设水道，因此，在系统设计时需要考虑水道设计建设的可行性、可靠性与经济性，配套水泵水轮机及辅助设备选型设计中应考虑井巷空间条件限制。

4 废弃井巷抽水储能关键技术

4.1 采空水资源评估和生态利用技术

采空区的积水量和赋存状态是决定废弃井巷抽水储能系统上下水库有效容量的关键影响因素。在采空区积水量计算方面，《煤矿防治水手册》《煤矿防治水细则》给出了采空区积水量的计算方法，结合煤岩柱稳定性和煤层底板等高线研究不同积水标高时采空区横向径流情况及死水位是废弃井巷抽水储能系统项目评估和设备选型的关键。

在采空水资源化利用过程中，考虑动水补给量较静水容量更具有现实意义。应关注区域“采空水生态利用量”，即结合矿井所在区域水文地质单元环境承载和自修复能力，综合考虑补给、径流、排泄因素，在可持续发展的前提下规划区域采空水资源生态利用量。

4.2 煤柱防渗改造技术

煤柱因构造、原生裂隙或采动影响其隔水性时，可以采用注浆加固或封堵裂隙进行治理。常用的浆液分为水泥浆和化学浆两种，其中化学浆液对细小的裂缝封堵效果更好。裂隙封堵技术主要有构筑水泥墙和垂直铺塑技术两种[29]。为了降低水库内煤柱隔水形成的死水区域对空间利用效率的影响，在煤柱防渗改造部分还应考虑局部增加煤柱透水性的措施，如打孔、埋管、震动爆破和水力致裂等方法。

4.3 人工坝体建设技术

人工坝体是由混凝土、钢材和锚杆锚索共同组成的混凝土体结构，煤矿井下作业环境复杂多变，人工坝体受地应力、矿压、水压、震动等多种应力共同作用，需要确保其稳定性和隔水性。神东矿区地下水库设计建设过程中，对人工坝体稳定性和隔水性相关的坝体材料、结构、安全性评估等方面进行了一系列理论和实验研究，取得了较好的现场实践效果[12，23，29]。

4.4 底板防渗改造技术

在水库建设、运行过程中还应关注水库垂向防渗问题，即由于地质构造、导水裂隙带发育等因素影响，导致水库内水体沟通其他含水层或导水层引起水库水体泄漏的问题。在煤矿安全生产管理过程中，特别是华北型煤田底板奥灰水防治过程中，积累了丰富的底板防水性改造相关理论成果、技术体系和工程实践经验[30]。但需要注意的是前者是防治水，关注的是水体会不会流入回采空间，后者是防渗，关注的是水库中的水体会不会渗漏，因此其应用场景和时间维度不同。

4.5 废弃井巷抽水储能系统建设

废弃井巷抽水储能系统建设主要包括设备制造、工程建设和安装调试三个方面。在设备制造方面，主要需要考虑矿井的空间条件、气候条件以及地下水的化学性质带来的设备小型化、设备锈蚀和酸性水腐蚀等问题。在工程建设方面，除人工坝体和防渗改造工程以外，大尺寸或异形井巷建设或扩刷也是井下工程建设的难点。在设备安装调试方面，立井中设备、管路运输安装和大型设备运输安装是需要重点关注的问题。

5 结论与展望

本文在分析废弃井巷资源禀赋和技术优势的基础上，以“资源量计算—可行性评估—经济性评估—规划设计—项目建设—运行维护”为主线，从工程背景、科学问题、关键技术和工程实践等方面对废弃井巷抽水储能的理论与技术框架进行了研究，结论如下：

1)废弃井巷和矿井水资源丰富，废弃井巷抽水储能技术具备节约地表土地资源、发掘废弃矿井残余价值等优势，可有效缓解矿井直接废弃带来的资源浪费以及相关经济、社会、环境问题，对废弃矿井治理利用、可再生能源大规模并网和多能互补事业发展具有重要意义。

2)废弃井巷抽水储能技术理论研究主要包含采空水赋存规律及资源化利用方法、人工坝体及煤柱多场耦合变形机理、废弃井巷抽水储能技术经济原理、煤矿回采与废弃井巷抽水储能过渡机制四项科学问题。

3)废弃井巷抽水储能项目设计建设及现场运维主要包含采空水资源评估及生态利用技术、煤柱防渗改造技术、人工坝体设计建设技术、底板防渗改造技术、废弃井巷抽水储能系统建设五项关键技术问题。

4)结合废弃井巷抽水技术的特殊性，仍有以下三个方面需要重点关注和深入研究：①在废弃井巷抽水储能系统的基础上，结合区域水循环系统承载能力，科学合理的论证区域“采空水生态利用量”，在可持续发展的基础上缓解中西部矿区水资源缺乏问题；②废弃井巷抽水储能技术应用推广受煤矿安全生产管理及废弃矿井关停等多方面政策法规因素影响，因此在充分论证其技术经济和安全性的基础上，需要结合实际制定配套的政策法规；③在含废弃井巷抽水储能电力系统规划方面，需要重点关注和研究高占比可再生能源系统、碳中和情景下区域电力系统规划以及多个废弃井巷抽水储能集群条件下系统的运行和协同调度问题。