針對廢棄礦井的可再生能源綜合開發利用

■ 李寶山 肖明松* 周志學 徐玉杰 王婷婷 趙棟利 朱家玲

(1.中國可再生能源學會；2.中國科學院工程熱物理研究所；3.中國水電顧問集團北京勘測設計研究院；4.北京科諾偉業科技股份有限公司；5.天津大學)

0 引言

我國是世界采礦大國之一，各類大中小型礦山企業達8萬余個。2016年2月，國務院發布的《關于煤炭行業化解過剩產能 實現脫困發展的意見》中指出，在近年淘汰落后產能的基礎上，用3～5年時間，再退出煤炭產能5億t左右，減量重組5億t左右。據相關專家預測，到2020年，我國廢棄礦井數量將達到1.2萬個，按每個礦井地下空間資源60萬m3計算，相當于1座擁有千萬人口的大城市的空間。針對廢棄礦井的合理利用已經迫在眉睫。實現關停礦井成功轉型升級，不僅僅是當前煤炭革命中的一個重要的經濟問題，更是一個重要的科學問題。

本文主要針對廢棄礦井的可再生能源綜合開發利用，重點提出了廢棄礦井開發利用應遵循的基本原則，以及開發利用時可采用的關鍵技術與工程建設中的相關問題，并提出利用廢棄礦井實現可再生能源轉型升級的解決思路。

1 廢棄礦井利用原則

廢棄礦井不僅遺留了巨大的地下空間資源，還伴隨著廣闊的土地資源。為了更好地發揮這些資源的作用，必須根據資源的類型、特點及地理環境等因素，對廢棄礦井進行合理的開發利用，使資源得到最大化的利用。同時，在有效保護工業遺產的前提下，將工業遺產保護與老工業區的更新改造有機結合，確保經濟、文化、環境等方面的共同協調發展，在社會發展中發揮更大的經濟效益和社會效益。根據可再生能源賦存特點和廢棄礦井的地理環境特性，全面推進“廢棄礦井沉陷土地光伏+生態治理”“廢棄礦井沉陷土地光伏+農業種植”“廢棄礦井沉陷土地光伏+溫室大棚”“廢棄礦井沉陷區光伏+水產養殖”等開發利用模式。為實現廢棄礦井的合理利用這一目標，可再生能源與廢棄礦井資源的有機結合是根本保證，所以，在推廣應用過程中應遵循規劃先行、生態優先、立體式開發利用、可持續發展和經濟可行的原則。

1)規劃先行。廢棄礦井的地面、地下資源應整體規劃、統籌發展、一體化開發，實現立體式、科學合理的開發利用。

2)生態優先。廢棄礦井轉型升級以構建自循環生態恢復為優先選擇。生態恢復是廢棄礦井的地下空間和土地資源利用的核心組成部分，廢棄礦井的產業規劃、工程建設和運行維護管理都應在完善生態功能的前提下進行。廢棄礦井地下空間和土地資源轉型升級與利用的可持續發展要以生態恢復為基礎，自循環生態恢復是廢棄礦井開發利用應遵循的原則之一。

3)立體式開發利用。廢棄礦井往往擁有復雜的、分層的地下空間連通網絡，而且不同的礦井具有各自獨特的結構。廢棄礦井在升級轉型過程中，開發利用區域是全方位式的立體空間。比如，光伏發電系統的推廣應用必須將廢棄礦井地下空間縱向和橫向的開發利用緊密結合起來，集成地下交通體系，地下供水系統，地下能源供應體系，地下排水及污水處理系統，地下生活垃圾的清除、處理和回收利用系統，以及地下綜合管線廊道的建設，從而保證廢棄礦井轉型升級的綜合化、系統化、高效化、空間化應用。

4)可持續發展。廢棄礦井地下空間是一種不可逆的自然資源，開發利用一定要慎重，既要服務當下，更要有長期效益。廢棄礦井的利用必須考慮可持續性，規劃建設要貫徹全鏈條、全領域、全壽命周期。比如光伏，其最大優勢在于能夠提供清潔、可持續的能源供應，符合國家產業政策，有較好的發展前景，并且其在我國的發展現狀也已經證實了這一點。

5)經濟可行。對廢棄礦井進行科學的轉型升級和合理的開發利用，既可避免煤礦采空區被充填，造成極大的空間浪費，又可解決廢棄礦井帶來的一系列社會、經濟問題。將光伏與廢棄礦井的治理相結合，在確保國家能源安全的同時，還可為我國煤礦產業轉型、社會穩定、生態文明建設和科技創新做出貢獻。但由于廢棄礦井的資源特點各不相同，所以規劃設計時的財務指標也應作為重點考核指標，以確保項目建成后能夠可持續的運行。

2 廢棄礦井可再生能源開發利用新技術

2.1 光伏

廢棄礦區及露天廢棄礦井可選擇“光伏+農業”模式。采用此類模式的工程以“上光下牧”和“上光下農”的立體化技術方案為主，研究光伏與養殖、光伏與農作物相互影響的規律，探索互利互贏的合作發展模式。

交際情境的創設是交際的首要條件。蘇霍姆林斯基說：“兒童是用表象、色彩、聲音來思維的。”對充滿樂趣的事物或情節，孩子們往往有很大的興趣，并樂于參與。因此，我們可以創設合理、有趣的情境，對學生進行口語交際的訓練。

“上光下牧”是指在光伏組件下大面積種植苜蓿等植物，以放養牛、羊、馬等牲畜為主。為避免限制動物活動，該類項目的光伏支架要比普通光伏電站的高1～2 m。光伏組件的遮陰效果可減少土壤的水分蒸發，有助于植物生長。

“上光下農”是光伏農業一體化的現代化種植方案，其綜合考慮了農作物對光照的需求，優化設計了光伏發電系統的安裝形式。光伏支架采用可調式雙軸跟蹤系統，實現了一年四季傾角的智能調節，既可增加發電量，還可以為農作物生長提供合適的光照。該類項目的支架距離地面的高度約為4 m，將陰影對農作物的遮擋降到最低，同時不影響農業的大規模現代化機械生產。

光伏農業大棚作為“上光下農”方案的一種表現形式，是指在大棚的部分或全部向陽面上鋪設光伏組件，既能夠發電，又能為農作物提供適宜的生長環境，以此創造更好的經濟效益和社會效益。光伏農業大棚內可種植反季的蔬菜、水果等，光伏組件主要安裝在大棚的南面區域，北面采用透光性好的玻璃，從而保證蔬菜、水果等農作物的光照需求。采用光伏農業大棚方式時，需要統籌考慮透光性、保溫散熱性、耐久性和光伏發電性能等因素。對于不同的光伏農業大棚形式，棚內的匯流電纜敷設方式、路徑、匯流箱安裝位置等均會不同。此外，對于逆變器的容量選擇，容量大的可考慮采用集中式逆變器，容量小的可采用組串式逆變器，且應與光伏發電系統安裝容量相匹配。

從現有廢棄礦井的光伏利用狀況來看，“光伏+農業”的應用模式可以根據礦區當地的具體情況，開展農光、林光、漁光、牧光等多種模式的應用。對于土地資源較好且較為平坦的礦區，可以建設光伏農業大棚；而對于沉降嚴重、地勢低洼的廢棄礦井，由于填埋成本太高，則可以考慮儲水，采用漂浮式安裝方式建設水上光伏電站。

2.2 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能是針對廢棄礦井地下空間綜合利用的一種方式。

2.2.1 壓縮空氣儲能的儲存空間的基本條件與要求

可進行壓縮空氣儲能的廢棄礦井的地下空間主要有2類：一類是礦井的開拓巷道和準備巷道，另一類是采場老空區。

建設廢棄礦井壓縮空氣儲能系統對地層的厚度、滲透率、孔隙度、不均質性等均有特定要求，一般來說，其應該具有較高的結構強度、大體積和低滲透率。地層的滲透率應不大于0.12～0.13 μm2，孔隙度應不低于10%，可接受的空氣泄漏率為每日4%以內。

由于廢棄礦井壓縮空氣儲能系統需要承壓，這將有可能引起采場覆巖裂隙帶的“氣壓致裂”。因此，應首先確定采場覆巖裂隙帶最大標高處的埋深，然后根據該處地應力場的大小，求出極限存儲壓力，最后再按一定的安全系數確定最大儲氣壓力。

2.2.2 新型壓縮空氣儲能系統

近年來，為解決傳統壓縮空氣儲能技術的瓶頸問題，國內外學者開展了新型壓縮空氣儲能技術的研發工作，包括蓄熱式壓縮空氣儲能(或稱為“絕熱壓縮空氣儲能”，不使用燃料)、液態空氣儲能、超臨界壓縮空氣儲能等。

3 抽水蓄能

抽水蓄能是將廢棄礦井地下空間和地上水塘相結合的一種利用方式，是目前解決棄光棄風問題，實現儲能最可靠、最經濟、壽命最長、容量最大的有效方式。通過利用煤炭開采過程中形成的巨大的高落差地下空間，使發展抽水蓄能發電成為可能。

抽水蓄能系統由上水庫、下水庫、水泵、水輪機、風力發電機(光伏組件)、電動機、發電機等構成。其原理為：利用風電場或光伏電站發出的電力驅動水泵將水從位置低的水庫(下水庫)抽到位置高的水庫(上水庫)，將不穩定的電能轉換為重力勢能儲存；然后，根據電網的調度計劃安排上水庫規律性放水，水借助地勢差沖向下水庫，推動水輪機轉動，實現機組并網發電。這一過程將不穩定的可再生能源電力轉變成了可控可調的友好電力。

3.1 抽水蓄能的利用模式

1)純抽水蓄能電站。該類電站是指發電量絕大部分來自抽水蓄存的水能。用于發電的水量基本上等于抽水蓄存的水量，重復循環使用；僅需少量天然徑流來補充蒸發和滲漏損失，補充水量既可來自上水庫的天然徑流，也可來自下水庫的天然徑流。純抽水蓄能電站要求有足夠的庫容來蓄存發電水量，上、下水庫形式多樣，在山區、江河梯級、湖泊，甚至地下均可修建，構成了不同類型的抽水蓄能電站格局。我國所建的抽水蓄能電站大多數屬于純抽水蓄能電站，其約占我國總蓄能裝機規模的95%。

2)混合式抽水蓄能電站。該類電站既設有抽水蓄能機組，也設有常規水輪發電機組。上水庫有天然徑流來源，既可利用天然徑流發電，也可從下水庫抽水蓄能發電。該類電站的上水庫一般建于河流上，下水庫根據抽水蓄能需要的容積覓址另建。

3)調水式抽水蓄能電站。該類電站的上水庫一般建于分水嶺高程較高的地方。利用方式為：在分水嶺某一側攔截河流建下水庫；并設水泵站抽水到上水庫；在分水嶺另一側的河流設常規水電站從上水庫引水發電，尾水流入水面高程最低的河流。

3.2 抽水蓄能電站的主要功能和作用

抽水蓄能電站不僅能產生調峰填谷的靜態效益，而且由于其啟動迅速、運行靈活，特別適宜在電力系統中承擔調頻、調相、負荷調整、負荷備用和事故備用等“動態”任務，滿足系統運行上的需要，其由此而產生的經濟效益統稱為動態效益。總之，抽水蓄能具有節能、環保、經濟等多重效益。

4 廢棄礦井可再生能源開發利用的可行性

我國的能源供應體系正在由高環境成本的煤炭向低碳、環境友好的可再生能源轉型。當前，我國政府已出臺了一系列政策措施，全面推進能源系統向可持續和低碳的方向轉變。可再生能源的發展與國家的能源轉型緊密結合，其技術創新可有效推動煤炭利用的減少。政策措施是可再生能源創新發展及高效實施的關鍵，實現能源系統的平穩轉型，擺脫長期以來以煤炭為主的束縛，可持續的政策措施和執行力度是可再生能源技術創新發展及其與能源系統整體融合的重要保障。

隨著國家“去產能”政策的穩步實施，大批煤礦將被淘汰，成為廢棄礦井，我們必須積極應對由此帶來的生態環境方面的影響。我國廢棄礦井資源化利用，要采取智能、精準開發的方法，科學合理、講求實效。比如，地下空間抽水蓄能和儲能發電站的開發、農光互補模式的開發，以及水資源智能精準開發、非常規天然氣開發、生態修復開發和工業旅游開發等。

廢棄礦井的可再生能源應用，可以將目前已經非常成熟的可再生能源技術與廢棄礦井資源開發有機結合起來，比如，地上部分采用農業與光伏或光熱結合，地下坑道部分可采用抽水蓄能和壓縮空氣儲能技術等。同時，利用廢棄礦井的資源特點，發揮可再生能源裝備可大可小的靈活性，通過先進的技術手段，最終實現資源的有效和最大化利用。

廢棄礦井作為可再生能源技術的典型應用場所，光伏發電作為利用方式之一已經有了較為廣泛的應用，并取得了較好的成效，起到了引領和示范的作用，可以加大加快推廣力度，實現從點到面的成效。抽水蓄能和空氣儲能技術在國外已經有成功的案例，但在國內還處于實驗和中試階段，所以對這部分技術需加大研發投入，以期在最短的時間內突破關鍵制約因素，實現對廢棄礦井地下坑道部分的利用。

5 結語

隨著煤炭使用減量化的推進，我國廢棄礦井資源的數量會逐年增加，如何將這些資源科學有效、充分合理地開發利用，如何實現廢棄資源再利用已經成為擺在人們面前的現實問題。其中，廢棄礦井的地面資源及地下空間都為可再生能源的開發和利用提供了良好條件。然而，從目前情況來看，本文提到的開發思路的盈利能力和工程經驗尚不足，需國家出臺一系列政策措施予以支持，啟動科技計劃進行探索。