一種廢棄礦井地熱資源再利用系統研究

浦 海，卞正富，張吉雄，許軍策

(1.中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 2.新疆工程學院 礦業工程與地質學院，新疆 烏魯木齊 830023; 3.中國礦業大學 教育部礦山生態修復工程中心，江蘇 徐州 221116; 4.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116)

煤炭是我國一次能源重要組成部分[1]。煤炭的使用導致了大量溫室氣體的釋放及各種環境問題的產生。根據《巴黎氣候協定》，各國政府必須采取措施提高清潔能源份額，減少化石能源，尤其是煤炭資源的使用[2]。我國政府采取了煤炭去產能的政策，淘汰了一批落后產能及資源枯竭的礦井和露天礦。相比于露天礦，我國煤礦開采方式仍以地下開采為主，產出率保持在90%左右[3]。相關研究表明:僅2016年，地下礦井關閉數量達2 000處左右，到2030年數量將到達15 000處[4]。大量地下礦井的關閉或廢棄，勢必對環境造成嚴重破壞，導致地下水水位下降、水質污染、地表沉陷、采空區積水災害、地質環境變化和次生災害等[5]。同時，礦井關閉后地區經濟蕭條，大量礦工失業，嚴重阻礙了區域社會經濟的穩定發展。為此，習近平總書記提出了要科學規劃搞好評估論證，做好關閉礦區資源整合利用的要求。因此，探討如何有效地再利用廢棄礦井的潛在資源，實現后礦業區域的清潔生產、生態恢復與經濟復蘇勢在必行。

受采礦活動的影響，地下工程圍巖的初始滲透率發生改變，致使該地區水文地質情況發生巨大的變化[6]。礦井關閉后，水泵停止工作，地表積水、含水層、離層腔、溶蝕腔或老井的水將逐漸充滿地下空間，即發生地下礦井水的回彈[7]。且關閉后礦井水水質急劇惡化，嚴重威脅地下水的循環，因此部分礦井在關閉后仍要投入大量人力物力控制礦井水水位[8]。為了降低廢棄礦井的維護成本，一種低碳方案是將礦井水與熱泵結合從廢棄礦井水中回收能量。由于地球持續加熱，儲存在礦井中的水，冬季可用于建筑供暖，夏季可用于建筑制冷[9]。針對此，開展了廢棄礦井地熱資源開采理論與實踐的研究:ANDREW等研究了歐美廢棄礦井地熱能利用狀況，認為廢棄礦井地熱能的再利用可為當地社區建立能源恢復能力，并提供更多就業機會，為經濟可持續發展做出貢獻[10];JARDN等根據廢棄礦井水溫度分布特點提出了兩種礦井水地熱能利用模式，為民居和大型公共場所進行供暖和制冷，同時回注時采用小型渦輪發電機回收勢能[11];ATHRESH基于地源熱泵技術，提出了一種開環通用技術，以評估利用礦井水熱量應用效能，并進行了兩處商業性實踐[12];GARETH等分析了英國廢棄礦井地熱能利用機遇與挑戰，認為持續利用廢棄礦井地熱資源必須解決各種挑戰，包括調節熱量、繪制和量化資源以及了解礦井水溫度不均勻性驅動因素等[13];JAVIER等針對西班牙Asturias廢棄礦井的地熱能利用狀況，分析了其利用的可行性并評估了經濟與環境效益[6]。另一種低碳方案是將廢棄礦井與可再生清潔能源結合利用，主要用于開發地下抽水蓄能電站(UPSH)，地下蓄水水庫或壓縮空氣蓄能電站(CAES)等。顧大釗利用西部廢棄礦井采空區建立了地下水庫，有效緩解了礦區地表水蒸發問題[14];謝和平等初步探究了使用廢棄礦井采空區作為抽水蓄能水庫的可能性[2,15-16]。然而，以往的研究過多關注采場儲水功能，卻忽略了礦井地熱能的開發與利用。事實上，深部礦井采場空間具有蓄水量大、溫度穩定、焓值較高等優點，適合為周邊建筑提供穩定可持續的地熱能，具有重要的經濟價值和環境效益，但我國廢棄礦井地熱資源利用項目仍是少數。

為此，筆者總結了國外廢棄礦井地熱資源的利用現狀，提出了一種利用廢棄礦井不同地層采空區地熱能進行供暖和制冷的混合循環系統模型，該系統依托于廢棄礦井地熱資源、水資源及空間資源，極大的提高了廢棄礦井的資源利用率。并初步評估了整個系統的經濟效益和環境效益。該研究對地熱資源豐富、礦業發達區域綜合利用礦井地熱資源具有借鑒意義。

1 廢棄礦井地熱開采與利用

廢棄礦井主要指礦產資源枯竭、不能滿足安全綠色開采要求等政策原因而關閉的礦井[17]。之所以被廢棄，根源在于缺乏合理再利用方案和管理監督機構。礦井廢棄后，仍賦存種類豐富的潛在資源，決定了其再利用模式的多樣化。與其他資源如殘余煤氣和空間等資源利用相比[18-23]，地熱資源屬于可再生清潔能源，利用成本較低，符合可持續發展的要求。

1.1 廢棄礦井地熱回收系統

廢棄礦井地熱資源開采常用地源熱泵(HP)與開環或閉環回路相結合，通過熱泵進行空間的加熱和冷卻，冬季熱量從礦井水中汲取用以空間供暖，夏季熱量轉移到礦井水中用以空間制冷[12]。目前，主要有以下幾種礦井地熱開采系統。

1.1.1閉環系統

當礦井地下水源受到矸石污染時，通常采用閉環系統開采地熱資源[7,24]。如圖1(a)所示，一般采用環狀鋼制或聚乙烯管式熱交換器(HE)浸入到淹沒的豎井中，通過熱交換器內傳熱流體的循環與熱泵(HP)耦合，為內層循環的建筑空間供暖或制冷。該系統的主要優點是只取熱不取水，避免了礦井水水位的下降和相關水化學處理的難題。但由于熱交換器只能通過熱傳導和熱對流方式采集礦井水中的熱量，易受礦井水溫度變化的影響產生產熱量不穩定等問題[25]。針對此，BANKS等[8]提出了另一種形式的閉循環系統(圖1(b))，采用水泵將礦井水注入到地表臨時水庫，用熱泵進行空間的供暖和制冷，但是該系統仍面臨著污水排放與尾水回注的問題。

圖1 廢棄礦井地熱能利用閉環系統示意Fig.1 Schematic diagram of closed-loop system for geothermal energy utilization in abandoned mines

圖2 廢棄礦井地熱利用開環系統示意Fig.2 Schematic diagram of opened-loop system for geothermal energy utilization in abandoned mines

1.1.2開環系統

與閉環系統相比，開環系統更適用于水量大、水質好的礦井水源[25]。因此，在關閉的廢棄礦井中，當水質不存在極端pH值、懸浮固體顆粒時，可以考慮優先采用開環地熱開采回收系統。如圖2(a)所示，通過水泵從豎井中汲取礦井水，利用管式換熱器傳遞給用戶。經過熱交換后，礦井水進行處理被排到地表自然水域中。然而，礦井水的排放，勢必會導致地下水位下降及系統可開采總熱容量的降低。與之相反，如圖2(b)所示，為了避免將礦井水處置到地表浪費地下水資源，熱交換之后，可將尾水重新回注至礦井某一水平面或另一個含水層單元[26]。圖2(b)中I表示開環安裝到同一豎井不同深度與溫度處，經過熱交換后，礦井水部分或全部回注到豎井中，回注的水通常沿著井筒壁流向水泵，從井筒壁吸收熱量。但由于熱量主要來源于圍巖向井壁的傳導，因此該系統的持續性往往受到限制。II表示開環安裝到另一個含水層單元，與I相比該系統熱量來源穩定，但存在熱突破的風險，即汲水點和回注點連接過于直接，導致出水口溫度急劇降低。

1.1.3開閉環混合系統

圖3給出了一種用于空間供暖、制冷的開閉環混合系統，主要由礦井水回路、管式換熱器、清潔水回路和熱泵組成[6]。與閉環或開環系統相比，該系統主管網采用開環系統，供給側局域管網為閉環系統，能夠在供需兩端建立人工智能化管理系統，實現供需集群間能量交換與儲存。然而，無論是開環、閉環或者混合環系統，礦井的豎井空間是有限的，礦井水補熱速率要遠慢于系統采熱速率[25]。同時，礦井深部地熱利用途徑及補熱方式單一，不利于系統長期穩定運行。

圖3 廢棄礦井地熱利用混合環系統示意Fig.3 Schematic diagram of hybrid system for geothermal utilization in abandoned mines

1.2 廢棄礦井地熱資源利用

國外開展廢棄礦井地熱資源利用的研究較早，如荷蘭、德國、英國和加拿大等已有相關裝置從廢棄礦井水中回收地熱能。這些裝置都有一個相似的特點，它們利用廢棄礦井中的水，通過熱泵升級熱能，并與地暖循環連接實現建筑物的供暖。而有些熱泵可以在夏季逆轉水流方向進行空間制冷[27]。從單個建筑到區域供暖和制冷，系統選擇和安裝大小各不相同。表1總結了部分廢棄礦井地熱能源廠的運行情況。由表1可知，礦井水的溫度對地熱能源廠的運行功率有較大的影響，隨著廢棄礦井水溫度的升高，供暖輸出功率和能效比(COP)呈增大趨勢。其中，能效比是指系統生產的熱量與系統運行所需要的全部能量的比值。

表1 已運行部分地熱能源廠狀況Table 1 Operation of some geothermal energy plants

加拿大Nova Scotia在 Springhill被水淹沒的廢棄礦井中，建立了世界上第1座廢棄礦井地熱能源采集系統。該系統采用開環設計(圖2(b))，利用11個熱泵，從已關閉礦井-140 m處抽取約18 ℃的水，為16 700 m2建筑提供空間供暖，尾水回注到礦井另一高度水平面，整個系統的能效比約為3.5。同時，由于系統抽水工作的運行，保持了礦井上層工作區域干燥，使上部礦井成為了地上礦業博物館。此外，為了解決礦井關閉后面臨的經濟與環境問題，荷蘭Heerlen利用廢棄礦井地熱能，為350棟住宅、3 800 m2商業建筑和16 200 m2社區建筑供暖和制冷[28]。系統采用開環設計，利用塑料管和鈦制熱交換器，從5口-750 m礦井處抽取30～35 ℃水進行冬季供暖，夏季則從3口-250 m深的井中抽取16～19 ℃水進行空間制冷。整個系統采用4臺功率為700 kW，能效比為5.6的熱泵，提供了該區域80%的年供能需求，為地區經濟復蘇和環境治理提供了重要保障。

為了解決礦井水質的問題，英國約克郡為Caphouse廢棄礦井設計了一種閉環系統(圖1(b))，系統通過功率10.5 kW的熱泵采集臨時蓄水池的熱量(圖4(a))[8]，為居民社區進行供暖。該系統運行時不依賴豎井的實時供水，同時礦井水不通過換熱器或熱泵，避免了系統赭石堵塞或過濾器清除的問題。德國對Marienberg廢棄Wismut礦豎井進行修復，并進行礦井地熱再利用的研究，建立地熱發電站。該豎井深度為144 m，礦井水的溫度為12 ℃。整個地熱發電站具有一個由礦井水加熱的二級閉環回路，處理礦井水能力為120 m3/h，提供了690 kW的熱容量，并與公共熱電廠并網，滿足用戶高峰時期的使用。

圖4 廢棄礦井地熱應用部分項目Fig.4 Partial project of geothermal application in abandoned mines

為了提高清潔能源的占比，歐盟要求相關煤炭生產企業必須于2018-12-31前關閉。西班牙的阿斯圖里亞(Asturian)礦區，面積超過1 400 km2于2018年底關閉，遺留了嚴重環境與經濟問題[6]。針對此，當局考慮礦井水溫度(平均21.6 ℃)與當地氣溫的波動，設計了一種如圖3所示的開閉環混合地熱利用系統(圖4(b))。通過估算礦井水量和地區能源需求，分別設計了1，3.5，5和10 MW四種功率的系統，并且評估了投資與管理成本，認為功率1 MW地熱發電廠在經濟上不可行，3.5 MW地熱發電廠在距離小于1.5 km的距離上是可行的，5 MW和10 MW的地熱發電廠在接近2 km的距離內達到了預期的盈利能力。

目前，國外針對廢棄礦井地熱能的利用多集中于淺部，如荷蘭、德國等多為200～600 m。與之相比，我國現有的礦井1 000 m已成常態，部分礦井甚至達到了1 500 m。當深度超過千米時，礦井原始圍巖溫度能達到50 ℃左右，有些礦井溫度甚至能達到60 ℃以上，地熱開采潛力巨大不可忽視[29-30]。但是，我國廢棄礦井地熱資源的利用處于剛起步階段，部分學者開始意識到了再利用的緊迫性，而對如何進行再利用方式的選擇卻缺乏詳細的說明[3]。此外，很少研究提及深部廢棄礦井地熱能的利用，且我國廢棄礦井地質條件復雜，缺少代表性示范工程的建設[4]。因此，要結合國外已有的成功經驗，因地制宜提出我國廢棄礦井地熱資源的利用途徑。

2 廢棄礦井地熱開采系統設計

廢棄礦井地熱能的利用是一種綠色低碳選擇，可以在受礦區影響的區域創造新的經濟活動，促進礦區環境與經濟的恢復。基于國外廢棄礦井工程案例，筆者總結了廢棄礦井地熱資源再利用時需要考慮的因素，主要包含:礦井深度、礦井水的溫度、礦井水溫度隨季節變化規律、礦井水的水質、礦井水的排放、廢棄礦井與潛在用戶之間的距離、裝機功率與供給需求、地下空間的穩定性、礦井基礎設施及礦區范圍等。由表1可知，廢棄礦井地熱資源在開采技術上是可行的，然而以往的研究與應用都只關注巷道空間儲水儲熱的利用，忽略了采空區儲水儲熱的巨大潛力[2]。事實上，礦井中水的儲量和溫度決定了礦井中可利用的地熱容量。因此，考慮到采場空間的儲水能力，提出了一種利用廢棄礦井采場地熱能與太陽能結合的系統模型。

煤炭礦井一般有多個埋深不一的工作面，合理規劃利用高度不一的地層空間將會極大提高廢棄礦井資源的利用率。如圖5所示，根據工作面埋深不同，系統設計了淺層蓄冷水庫和深層蓄熱水庫。系統的循環示意圖如圖6所示，可分為3個部分，即地表用戶區域I，淺層蓄冷區域II和深層儲熱與發電區域III。地表區域采用閉環設計，通過熱交換器或熱泵與地板環路相連進行用戶供暖或制冷。同時，采用了能量梯級利用設計，尾水可用于工業和農業生產。夏季，由淺層水庫汲取礦井水，通過換熱器或熱泵進行建筑空間制冷，而尾水通過太陽能進行加熱，回注到深層熱儲區域，并采用小型渦輪發電機回收勢能，同時采用有機朗肯(ORC)發電系統結合氣源熱泵進行地熱發電。冬季，由深部儲熱區汲取礦井水，通過換熱器或熱泵回收地熱能用于居民供暖，而尾水仍具有一定溫度可用于農業生產，最終回注到淺層蓄冷區域。由于存在冷熱源水庫，系統循環時所需外部能量小于單一熱源的系統，因此該系統的能效比要大于傳統的系統。需要指出的是，有機朗肯發電系統只針對溫度大于50 ℃礦井水。

圖5 系統的空間分布示意簡圖Fig.5 Schematic diagram of spatial distribution of the system

圖6 系統循環示意Fig.6 Diagram of cyclic system

3 系統模型參數

礦井水的溫度和體積是決定廢棄礦井地熱能再利用的主導因素[31]。礦井水的溫度與礦井埋深有著直接關系，同時受地質構造特征、地層地熱性質、局部和區域地下水狀況、礦井水停留時間及微生物呼吸放熱反應等影響。而礦井水的體積則受到地層巖性、煤層厚度、地質構造、圍巖滲透系數及開采方式等影響。當溫度和體積確定時，估算礦井關閉后地下儲層地熱能常用的方法是體積法[32]:

Eg=ηcρVΔT

(1)

式中，Eg為儲層存儲的靜態能，kW·h;η為轉換系數，η=0.000 27 (kW·h)/kJ;c為礦井水的比熱,c=4.18 kJ/(kg·℃);ρ為礦井水的密度,ρ=1 000 kg/m3;V為礦井水的體積，m3;ΔT為礦井水使用前后溫度差，℃。

3.1 系統溫度

研究廢棄礦井水溫度變化的規律是地熱資源評估、開采可行性和利用方案設計的基礎。因此，針對此問題，英國政府要求企業必須提交礦井水溫度的數據，用以繪制全國廢棄礦井水溫度圖，以使地方政府、開發商和規劃者能夠確定煤田熱量回收和儲存的潛力[13]。圖7總結了部分文獻中，礦井水溫度隨地層深度和季節變化規律。由圖7可知，礦井水的溫度不僅受煤層埋深的影響，也受到季節變化的影響。而深度對礦井水溫度有顯著影響，當深度大于700 m時，礦井將具有地熱開發潛力。相反，礦井水溫度受季節影響波動較小(圖7(b))，僅在夏季出現增大趨勢，而夏季地溫的升高能夠增加地熱發電系統總發電量。

3.2 蓄水空間

我國煤炭地下開采主要采用長壁式開采，煤層開采之后，上覆巖層受到采動的影響垮落形成了“三帶”，即垮落帶、裂隙帶和位移帶(圖8)。垮落帶和裂隙帶內存在大量的孔隙和裂隙為儲水及流動提供有力地質條件，而位移帶內存在較少微裂隙不能提供有效儲水空間。因此，評估采空區儲水能力時，可不考慮位移帶的影響。采用了式(2)估算整個采場儲水體積[2]:

(2)

式中，Vsg為單個采空區的儲水體積，m3;H為垮落帶裂隙帶高度之和，與煤層的厚度與頂板的巖性密切相關，垮落帶高度(H1)和裂隙帶高度(H2)可根據經驗公式計算，m，具體參考文獻[33];F為儲層的可用系數，取值為0.8，表示有20%庫容水無法利用;ll為采空區長度，m;lw為采空區寬度，m;f為采場儲存系數，可用垮落帶巖石膨脹系數進行計算f=1-1/K，K為碎脹系數,與頂板巖層巖性和孔隙度有關。

圖8 儲水空間計算示意Fig.8 Schematic diagram of water storage calculation

3.3 系統能效比

能效比(COP)是衡量系統性能的關鍵參數之一，反映了系統運行時能量轉換的效率。評估系統的能效比時，需考慮熱泵、地下水泵、循環泵運行時所消耗電能。基于此，可按式(3)計算系統的能效比:

(3)

其中，QHP為熱泵輸出的熱能,與選用熱泵性能有關，kW·h;WHPe為熱泵工作時消耗的電能,kW·h;WCPe為系統循環泵消耗電能，kW·h;WMPe為系統抽水泵工作時需要電能，kW·h。熱泵的電力消耗受效率的影響，而效率反過來又取決于進入和離開熱泵的水的輸入和輸出溫度。熱泵輸入和輸出端溫度差值越大，熱泵消耗的電能就越大，而熱泵所消耗電能是指熱泵系統中工作流體在使用溫度和壓力下發生相變所需要的外功。當進行供暖或制冷時，換熱器中的溫度與使用溫度差值越小，熱泵中的壓縮機所需外功越小，相應的系統能效比也就越大。同時，工作流體的性質亦能影響熱泵的能效比。此外，與潛在用戶的距離過大時，循環泵也可能消耗大量電能，進而影響系統的能效比。

4 系統評估

廢棄礦井地熱資源的開采與利用是后資源型城市清潔生產強大的內生產動力，同時，提供更多就業崗位，最終實現礦業產業綠色可持續發展。而系統評估是廢棄礦井清潔生產實踐的一個重要方面，可以充分挖掘廢棄礦井地熱資源利用價值，節約社會投資生產成本。

4.1 儲熱性能

由于系統冷源和熱源水庫均設置在采場空間，確定水庫儲水體積時需考慮采場幾何尺寸。根據已有研究，選取了傾向350 m,走向4 000 m，煤層厚度為6 m的近水平采場區域，根據式(2)可估算儲能水庫的容量。但水庫的最大水位不可能無限上漲，通常由建立在巷道中的防水墻高度來決定。因此，確定廢棄礦井采場儲水體積時，除了確定采場面積和上覆巖層膨脹系數K外，必須考慮防水墻的高度。系統設計時采用防水墻高度為17.8 m[14]，K值選用1.03[2]，則單個采空區靜態庫容量約為5.8×105m3。同時，防水墻的設置為井巷空間的利用，尤其是有機朗肯發電系統及其他設備安置提供了便利條件。系統設計初始參數和具體分析的條件見表2。考慮到系統設計為地板循環式供暖制冷，可以采用大于30 ℃流體，而不是傳統暖氣片要求大于60 ℃流體[6]，因此這里保守將溫度變化設置為8 ℃。

表2 系統初始參數設定Table 2 Initial parameter setting of the system

礦井地熱資源的采集量與水庫庫容有著密切關系。由上述可知，單個水庫礦井水的容量約為5.8×105m3，則根據式(1)可估算單個水庫靜態蓄能約為5.24×106kW·h。事實上，系統運行時由于大地熱流的補熱作用，系統動態儲能遠大于靜態儲能，為了便于分析計算，這里只采用了靜態儲能的指標。地熱能源站的輸出功率取決于礦井水的可用流量，考慮到年利用時長，則計算可得系統的功率2.1 MW，輸出流量為232.8 m3/h。根據表2數據，考慮不同數量儲能水庫的工況，系統靜態儲能和功率見表3。同時，表3也給出了礦井水靜態儲能與傳統化石能源轉換(天然氣11.7 (kW·h)/m3;煤炭7 kW/kg)，當儲水空間為1.74×106m3時，其儲存熱量相當于1.34×106m3的天然氣或2.992×103t煤。

4.2 系統利用

與利用單井礦井水源地熱能系統相比，由于系統設計了高溫蓄熱水庫(45 ℃)與低溫蓄冷水庫(15 ℃)，采用熱泵進行供暖制冷時，能夠增大熱泵能效比提高系統供暖制冷效率，降低耗能。因此，根據文獻[8]，系統選擇了冷凝器出口溫度為35 ℃，蒸發器出口溫度15 ℃，能效比為4.5的熱泵。需要指出的是，由于回注時采用了小型渦輪發電機回收勢能，回收率達80%以上，同時采用了有機朗肯發電系統，因此這里將不考慮抽水水泵所需電能。根據表3可知，當系統分別設置兩冷源和熱源水庫時，系統的功率可達到8.4 MW，蓄能為20.95×106kW·h。根據文獻[6]可計算出冷凝器出口的年可用熱能為25 920 MW·h，耗電為6 000 MW·h，則每年獲得熱能為24 960 MW·h。假設保溫效果良好的住宅熱負荷為40 W/m2，則100 m2的住宅年(2 500 h)耗能約10 000 kW·h[9]，該系統能夠約為2 500戶住戶供暖或制冷。

表3 系統蓄能隨儲水體積和溫度差變化Table 3 System energy storage varies with water volume and temperature difference

4.3 環境效益

廢棄礦井地熱能的再利用能夠有效減少環境中碳的排放。目前，煤炭資源仍是我國主體能源，雖然清潔可再生能源發展迅速，但占比仍較小。而廢棄礦井地熱能的利用能有效地改變地區能源結構，增加清潔可再生能源的占比。隨著可再生能源發電的增加，二氧化碳排放系數降低到0.246 kg/(kW·h)，而天然氣供暖系統二氧化碳排放比電能少，約為0.204 kg/(kW·h)[6]。表4給出了系統功率為8.4 MW時，礦井水地熱能與傳統化石能源供暖時二氧化碳排放量。與天然氣、電能、柴油和煤炭相比，使用廢棄礦井水地熱能可顯著減少二氧化碳排放量達81%以上，約為0.072 kg/(kW·h)。這也意味著廢棄礦井地熱資源利用份額的增加能夠有效減少碳的排放。

表4 8.4 MW能源廠二氧化碳排放量Table 4 CO2 emission from 8.4 MW power plant t/a

4.4 風險與挑戰

正如4.3節所述，利用廢棄礦井地熱資源進行建筑供暖或制冷有益于節能減排。同時，廢棄礦井資源的再利用亦有助于資源枯竭地區環境恢復和經濟復蘇。然而，我國廢棄礦井地熱資源的項目鮮見，系統實際運行中可能面臨以下風險:

(1)蓄能的估算。采用靜態能概念估算了廢棄礦井的蓄能，可能是非常保守的，因為地下礦井類似于一個巨大的“蓄電池”，礦井水中的熱量可以通過周圍地質構造的熱量來“充電”。根據相關研究，如果考慮巖石的熱通量，礦井水的熱量補給可以迅速達到原來靜態能的10%以上，而之前的研究忽略了這一點[9]。

(2)能源供給安全。與天然氣或煤炭鍋爐系統相比,廢棄礦井地熱系統更為復雜，包含了水泵、循環泵、換熱器、熱泵和隔熱管道等。因此，地熱系統設備或管網出現故障的風險性增加，同時復雜工作條件增加了維修難度。

(3)外部環境變化。由于礦井地熱資源的開采依托于礦井水，外部環境如干旱、當地氣候變化、礦井水溫度變化及化學組分的改變應加以考慮。同時，外部環境的變化亦影響地熱能源供給需求。

(4)技術難題。我國已關閉或臨近關閉礦井數量多，現有地熱資源勘查與評估很難摸清廢棄礦井所蘊含地熱資源量。同時，礦井儲能水庫運行時，礦井水的污染防治與地下水庫空間結構長期穩定性維護仍是重中之重。

此外，廢棄礦井地熱資源的再利用也面臨著以下挑戰:

(1)資金來源。地方政府和煤炭企業的資金無法滿足廢棄礦井再利用改建的需求，尤其是前期投資成本較大地熱資源利用項目。因此，有必要建立健全社會資本參與的建設機制，帶動更多投資來源，采取更靈活的融資方式，實現廢棄礦井地熱資源健康平穩開發。

(2)行政許可。廢棄礦井地熱能利用涉及到資源種類較多，采取不同系統設計所面臨責任也不同。如采用閉環設計時，不涉及到水資源和廢水排放環境問題，而開環設計時，將會涉及到能源、環境、水資源等部門管理。因此，有必要建立廢棄礦井再利用管理部門，進行統籌管理，降低企業開采廢棄礦井地熱資源許可的審批流程與成本。

(3)關閉計劃。國家能源局發布的6項廢棄礦山治理標準，由于需要填埋礦井、破壞建筑物等設施、切斷水電供應，已不能滿足廢棄礦井再利用的要求，遺留嚴重社會環境問題(圖9)。同時，我國絕大部分煤炭企業開采時也未進行礦井資源再利用長期計劃。理想的情況下，能源回收系統的設計和開發應與礦井開采本身的規劃一致，這將有助于在礦井開采或關閉后對地熱能回收進行前瞻性規劃。

5 結 論

(1)廢棄礦井資源的再利用是資源枯竭地區轉型的核心基礎，目前廢棄礦井不考慮再利用的做法不符合可持續發展的基本要求。而從廢棄礦井中回收地熱能，提供了一種可行的解決方案，以一種環保、經濟可靠的方式重新利用廢棄礦井，滿足了資源枯竭地區清潔能源的需求。基于此，本文提出了一種廢棄礦井地熱資源再利用的方案。

(2)該方案根據礦井采場地層分布特點，利用不同埋深采空區建立蓄能水庫，采用混合環系統回收地熱能進行建筑空間供暖和制冷。系統單個儲水庫的蓄水體積達到了5.8×105m3，靜態蓄能達到了5.24×106kW·h。當系統運行時，功率可達8.4 MW，年輸出能量24 960 MW·h，可為約250 000 m2住宅進行供暖和制冷。

(3)廢棄礦井地熱資源的利用具有重要的經濟和環境效益。研究結果表明，與傳統化石燃料能源相比，功率8.4 MW的地熱能源系統，每年可減少7 812 t二氧化碳的排放。此外，廢棄礦井地熱能二氧化碳的排放系數僅為0.072 kg/(kW·h)，低于天然氣和電能的二氧化碳排放系數。

(4)礦井關閉或廢棄后仍賦存著豐富可利用資源，但缺乏再利用的意識。相關部門應建立健全廢棄礦井的管理機構，提前做好礦井關閉前再利用計劃。同時，礦山企業做好再利用技術儲備與措施，實現廢棄礦井再利用，推動采礦區域環境恢復和經濟復蘇。