废弃矿井改建抽水蓄能电站现状与展望*

何 远,刘荣科,梅福星

(贵州大学 矿业学院,贵州 贵阳 550025)

0 引言

随着开采强度的增加、国家能源转型及去产能政策的推进,许多煤矿因安全不达标而关停,造成许多可利用的废弃煤矿地下空间等资源的浪费[1]。据不完全统计,2000年以来废弃矿山的数量大约1.2万个,根据每个矿山60万立方米的计算,将包含72亿立方米的地下空间资源。煤矿开采后留下的地下空间和矿井水资源仍然可以再次利用。其中,大量的地下空间巷道仍然具有较高的安全性和使用条件。只有将这些煤矿资源合理利用起来,才能避免更多资源的浪费[2]。

废弃煤矿存在着富裕的地下空间和矿井水资源,废弃煤矿井下与地面的高度差,为抽水蓄能电站的工程建立提供很好的势能条件[3]。废弃煤矿具有地下可用空间富裕、巷道结构较为简单、矿井地下水充足等特点,为选用废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站的构想提供很好的地理条件。通过利用废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站,不仅可以明显减少方案工程量和土地成本,而且节省投资成本[4]。从生态环境的角度来看,利用废弃矿井对地表沉陷有一定的控制作用,不仅改善了废弃煤矿的生态环境,而且对废弃煤矿资源进行二次利用,具有良好的社会、经济和环境效益。

因此,选用废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站,不仅是利用废弃煤矿资源的一种新的探索方式,而且对促进生态环境恢复有着积极的社会意义[5]。

1 研究现状

国外对利用废弃矿山建设抽水蓄能电站的研究较早,但目前还没有实际工程应用。美国新泽西州霍普山地下抽水蓄能电站的计划装机容量为2 000 MW,下水库由地下760 m深度的废弃铁矿建成,上水库在霍普山平台上方开挖;加利福尼亚州的伊格尔山抽水蓄能电站计划装机容量为1 300 MW[6]。上水库和下水库由两座废弃煤矿设计而来[6]。21世纪初,德国制定了一项新能源政策,许多研究机构开展了一系列对废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站的研究。例如废弃的金属矿巷道被萨克森能源研究中心利用来改建一座全地下抽水蓄能电站。改建半地下抽水蓄能电站的可行性研究被北威州在鲁尔地区废弃的煤矿进行,这一系列设想仍然处于研究阶段[6]。

中国对抽水蓄能的研究晚于西方先进国家,但自密云和江南建设小型抽水蓄能电站以来发展迅速[1]。国内没有类似改建抽水蓄能电站的实际工程案例,对其利用研究也不够,但也有个别案例进行二次改造研究。贵州大学在2010年开展煤矿示范工程,神华集团在神东矿区进行工程示范,首个煤矿分布式地下水库于神东大柳塔煤矿建成,如图1所示,到现在已经建成32座地下水库,水库容积达到了3 100万立方米,整个煤矿附近的用水需求几乎被其覆盖,是世界上现在仅有的煤矿地下水库群[1]。原神华集团在2015年将废弃煤矿改建为地下水库的工程实践,为此类电站进一步研究和建设提供了基础,积累了许多关于废弃矿井改建抽水蓄能电站的经验[5]。然而,对于废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站的科学评价和技术经济分析还没有详细的研究,只是进行设计方案研究。

综上可知,废弃煤矿地下空间改建为抽水蓄能电站的研发现在还处在一个刚刚起步的阶段,可以说当前废弃地下空间改建抽水蓄能电站的实际工程几乎是空缺的,其理论基础研究鲜有涉猎,相关的可参考文献也很少。为了加快中国煤矿地下空间改建抽水蓄能电站基础研究与应用进程,迫切需要开展基础工程技术研究。

2 改建抽水蓄能电站的基本原理

抽水蓄能电站是一种贮存电能的水力电站,通过利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库,在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站,其基本组成示意如图2所示。而废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站就是将煤矿下水库中的地下水通过抽水水泵抽出至上水库中储存,达到一个蓄能的目的[7]。当煤矿附近电网负荷高时,可以将上水库中的矿井水通过输水管流放至煤矿下水库,并在这个过程中带动着布置在煤矿地下硐室中的发电机组发电,用来补充煤矿附近的用电需求。地下空间抽水蓄能电站一般来说一共有5个系统主体:①上水库。地下水库由废弃煤矿地下空间经过工程改造后建成,位于较高位置的地下水库被定义为上水库。②下水库。位于较低位置的地下水库被定义为下水库,储存了废弃煤矿中大量的地下水资源。③输水系统。指上水库与下水库之间连接的输水通道。④厂房系统。布置在具有较为宽敞的地下空间的井下大巷内的厂房以及主变压器室,具有较高的安全可靠性,可减少工程的施工量,降低投资成本。⑤水处理系统。由下水库构成,对地下水进行处理,避免影响设备的运行。

图2 抽水蓄能电站基本组成示意

废弃煤矿改建抽水蓄能电站通过利用开采后形成不同高程水平的地下空间,作为建设抽水蓄能电站所必须的上、下水库。受到废弃煤矿地质条件的影响,为了确保改建过程中地下空间的稳定性,抽水蓄能电站布置位置合理选择变得至关重要。而电站的位置选择要特别注意以下原则:①具备足够大的可利用空间。巷道作为矿井生产的重要通道且服务于整个矿井的生产,平面分布面积广、坡度起伏较大,适合作为抽水蓄能电站的蓄水库[8]。在同一高程水平选择过程中,应优先选择拥有富裕可用空间的巷道。②同一高程水平的巷道间高差应大小适中。巷道落差太小或隧道之间的连接不牢固将会造成集气点流动速度不足,导致发电流量的需求难以满足。而巷道落差过大致使水泵工况下水头幅值过大,将导致效率下降速度剧烈,产生强烈振动,工程不稳定,无法进行抽水。而且,同一层的巷道落差高度也不应该太大。抽水蓄能电站的机组选用的是可逆式水泵水轮机机组,若水泵工况下水头波动过大,会导致效率下降速度剧烈,产生强烈振动,工程不稳定,无法进行抽水。因此,上、下两水库的水位波动不宜过大。③上、下水库空间的高程差需要进行合理的控制。若两水库之间的高程差过小,下水库储水空间的容积将会需要设计得越大,而且对于抽水蓄能电站而言,保证满足有效利用空间是非常困难的;若两水库之间的高程差过大,对电站设备的研发及其生产也是不小的挑战。

3 改建抽水蓄能电站的工程技术

废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站是一项极为复杂的多项目挑战,不仅要处理好废弃煤矿地下空间周边围岩的稳定性问题,还要解决蓄能电站在地下空间的工程布置难题。工程设计必须考虑好岩石力学方面的问题,为工程布置创造良好的基础性条件。废弃煤矿地下空间建造抽水蓄能电站的前提是必须控制围岩的稳定性,其中包括上、下水库、发电机组硐室以及输水系统巷道的力学稳定性[12]。一般来说,与沉积岩相比,低渗透性的侵入岩和变质岩更适合改建为抽水蓄能电站。通过对地下空间周边围岩稳定性进行评估,开展对围岩稳定性较为薄弱区域的支护工作极为重要。一般情况下,煤矿对井底车场以及一些辅助硐室的支护措施比较完整,其周边围岩基本情况也比较稳定,而对于采空区的支护措施还不够完善,且受到采动影响最大,其周边围岩稳定性比较差;煤矿经过长时间的关停,对地下空间的支护效果也在相应的减弱,因此选择关停时间较短的废弃煤矿相对较好。基于此,从动能估算和工程布置2个方面开展对废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站的工程技术的探讨。

3.1 动能估算

废弃矿井抽水蓄能电站的重力势能和电能的相互转换主要是通过利用上、下水库的高度差实现,利用水头的大小影响着电站的发电量。根据废弃煤矿的基本条件,需要考虑抽水蓄能电站的工程布置、机组运行要求等,选取不同高程的矿井地下空间建设抽水蓄能电站的上、下水库,拟定电站的上、下水库特征水位和装机容量等指标[7]。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[7]。因此,通过大小不等的装机容量分别利用水头不同的动能参数估算,可以进一步确定合适的装机容量和利用水头大小,为进一步优化废弃矿井地下空间改建抽水蓄能电站工程技术提供保障。

3.2 工程布置

利用废弃煤矿地下空间抽水蓄能的系统如图3所示,尽可能地将废弃煤矿地下可利用的空间用于上、下水库工程的建设,选用已有的井筒进行工程布置,降低投资的成本。将废弃煤矿中运煤、运料及通风系统中的巷道进行改造维护,利用这些巷道为抽水蓄能电站的运行服务。在抽水蓄能电站改建时,选用位置较高的巷道空间用于布置上水库,选用位置较低的巷道空间进行布置下水库[9]。输水管的通道可以利用废弃煤矿中的上、下山进行铺设,煤矿中原有支护条件较好的机电硐室可以安装发电机组。

图3 利用废弃煤矿地下空间抽水蓄能的系统

4 技术所面临的科学问题

我国废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站研究起步晚,基础理论研究薄弱,关键技术不够成熟,且煤矿地质条件复杂,在把战略构想转化为实际工程之前,有许多基础性的科学问题需要解决。

4.1 地下空间围岩稳定性影响的问题

围岩稳定是废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站的前提和决定性因素,保证着地下空间密闭性[10]。废弃矿井原巷道的支护系统只考虑服务年限内满足矿山安全生产需求,而废弃矿井巷道再利用时,尤其在井下抽水蓄能电站水库长期存放地下水的条件下,需要考虑巷道围岩的时效性,为废弃矿井地下水库围岩的长时稳定提供理论基础[11]。在抽水蓄能电站服务年限内,地下水库需要经受频繁充放水的影响,巷道的空间分布及转向、地下水库水沙过程等影响水库中水的运动和冲击力,对废弃矿井巷道而言,是一个多相(固、液)、多场(渗流场、应力场、损伤场)相互交叉作用的过程,会对围岩-支护体的稳定性产生破坏。

研究抽水蓄能电站运行过程中的围岩结构失效致灾机理,提出合理的注浆密闭围岩的工艺方法与稳定控制技术,将为废弃煤矿抽水蓄能电站设计、灾害预警与防控技术提供理论基础与科学指导。

4.2 输水系统稳定支护及密闭问题

输水系统是电站的重要组成部分,其内部周期性抽水注水,水流速度大,紊流现象强烈,而煤矿巷道仅采用锚喷支护,支护强度低,大规模蓄水可能诱发围岩软化和失稳,而巷道围岩节理和裂隙可能成为一条天然的渗流通道。如何加强输水系统的密封,防止水流渗透,消除紊流冲击,是需要解决的首要问题。

采用拼接方式安装内部高压管道,在管道外层安装柔性塑料保护套,在管道外部和岩层之间使用网支撑,并使用钢筋混凝土钢筋。管道内部经过表面强化,以提高其硬度和强度[10]。为了确保巷道畅通,可在管道内部设置移动式的污水屏障,清理巷道杂物。

4.3 人员和大型设备高效与安全运输问题

电站进行施工和检查维护时,往往需要将大型设备和检修人员送到井下。为了确保输送过程中的快捷、安全,可以借助煤矿井筒扩建成的交通井;为了以后的施工、设备维修及更换方便,还可以根据矿井工况和设备的特点,设计专门的设备输送工具。

为了确保井下人员的安全,可设计用于矿井升降输送的胶囊运输舱,其具有承载能力高、密封性能好、提升平稳、安全可靠、防爆性能好的特点。大型设备主要通过升降设备由交通洞进入地下,并设计匹配的成套运输、吊装、转载及拆装设备,借助单轨吊或地面轨道实现运输、拆装、更换一体化作业[10]。

5 结语

(1)经过对废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站的研究现状及其基本概念进行概述,认为该项目不仅具有显著的生态环境和社会效益,而且具有良好的应用前景。

(2)从动能估算和工程布置2个方面对废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站工程技术进行分析,对废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站的工程布置进行优化。

(3)需要解决基础性科学问题:首先应解决地下空间岩体稳定性影响的问题,其次应关注输水系统稳定支护及密闭问题,最后应处理人员和大型设备高效与安全运输问题。并指出在改建为矿井抽水蓄能电站过程中需要采取的措施,为废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站开展相关研究提供借鉴。