廢棄礦井改建抽水蓄能電站現狀與展望*

何 遠,劉榮科,梅福星

(貴州大學 礦業學院,貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著開采強度的增加、國家能源轉型及去產能政策的推進,許多煤礦因安全不達標而關停,造成許多可利用的廢棄煤礦地下空間等資源的浪費[1]。據不完全統計,2000年以來廢棄礦山的數量大約1.2萬個,根據每個礦山60萬立方米的計算,將包含72億立方米的地下空間資源。煤礦開采后留下的地下空間和礦井水資源仍然可以再次利用。其中,大量的地下空間巷道仍然具有較高的安全性和使用條件。只有將這些煤礦資源合理利用起來,才能避免更多資源的浪費[2]。

廢棄煤礦存在著富裕的地下空間和礦井水資源,廢棄煤礦井下與地面的高度差,為抽水蓄能電站的工程建立提供很好的勢能條件[3]。廢棄煤礦具有地下可用空間富裕、巷道結構較為簡單、礦井地下水充足等特點,為選用廢棄煤礦地下空間改建抽水蓄能電站的構想提供很好的地理條件。通過利用廢棄煤礦地下空間改建抽水蓄能電站,不僅可以明顯減少方案工程量和土地成本,而且節省投資成本[4]。從生態環境的角度來看,利用廢棄礦井對地表沉陷有一定的控制作用,不僅改善了廢棄煤礦的生態環境,而且對廢棄煤礦資源進行二次利用,具有良好的社會、經濟和環境效益。

因此,選用廢棄煤礦地下空間改建抽水蓄能電站,不僅是利用廢棄煤礦資源的一種新的探索方式,而且對促進生態環境恢復有著積極的社會意義[5]。

1 研究現狀

國外對利用廢棄礦山建設抽水蓄能電站的研究較早,但目前還沒有實際工程應用。美國新澤西州霍普山地下抽水蓄能電站的計劃裝機容量為2 000 MW,下水庫由地下760 m深度的廢棄鐵礦建成,上水庫在霍普山平臺上方開挖;加利福尼亞州的伊格爾山抽水蓄能電站計劃裝機容量為1 300 MW[6]。上水庫和下水庫由兩座廢棄煤礦設計而來[6]。21世紀初,德國制定了一項新能源政策,許多研究機構開展了一系列對廢棄煤礦地下空間改建抽水蓄能電站的研究。例如廢棄的金屬礦巷道被薩克森能源研究中心利用來改建一座全地下抽水蓄能電站。改建半地下抽水蓄能電站的可行性研究被北威州在魯爾地區廢棄的煤礦進行,這一系列設想仍然處于研究階段[6]。

中國對抽水蓄能的研究晚于西方先進國家,但自密云和江南建設小型抽水蓄能電站以來發展迅速[1]。國內沒有類似改建抽水蓄能電站的實際工程案例,對其利用研究也不夠,但也有個別案例進行二次改造研究。貴州大學在2010年開展煤礦示范工程,神華集團在神東礦區進行工程示范,首個煤礦分布式地下水庫于神東大柳塔煤礦建成,如圖1所示,到現在已經建成32座地下水庫,水庫容積達到了3 100萬立方米,整個煤礦附近的用水需求幾乎被其覆蓋,是世界上現在僅有的煤礦地下水庫群[1]。原神華集團在2015年將廢棄煤礦改建為地下水庫的工程實踐,為此類電站進一步研究和建設提供了基礎,積累了許多關于廢棄礦井改建抽水蓄能電站的經驗[5]。然而,對于廢棄煤礦地下空間改建抽水蓄能電站的科學評價和技術經濟分析還沒有詳細的研究,只是進行設計方案研究。

綜上可知,廢棄煤礦地下空間改建為抽水蓄能電站的研發現在還處在一個剛剛起步的階段,可以說當前廢棄地下空間改建抽水蓄能電站的實際工程幾乎是空缺的,其理論基礎研究鮮有涉獵,相關的可參考文獻也很少。為了加快中國煤礦地下空間改建抽水蓄能電站基礎研究與應用進程,迫切需要開展基礎工程技術研究。

2 改建抽水蓄能電站的基本原理

抽水蓄能電站是一種貯存電能的水力電站,通過利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫,在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電的水電站,其基本組成示意如圖2所示。而廢棄煤礦地下空間改建抽水蓄能電站就是將煤礦下水庫中的地下水通過抽水水泵抽出至上水庫中儲存,達到一個蓄能的目的[7]。當煤礦附近電網負荷高時,可以將上水庫中的礦井水通過輸水管流放至煤礦下水庫,并在這個過程中帶動著布置在煤礦地下硐室中的發電機組發電,用來補充煤礦附近的用電需求。地下空間抽水蓄能電站一般來說一共有5個系統主體:①上水庫。地下水庫由廢棄煤礦地下空間經過工程改造后建成,位于較高位置的地下水庫被定義為上水庫。②下水庫。位于較低位置的地下水庫被定義為下水庫,儲存了廢棄煤礦中大量的地下水資源。③輸水系統。指上水庫與下水庫之間連接的輸水通道。④廠房系統。布置在具有較為寬敞的地下空間的井下大巷內的廠房以及主變壓器室,具有較高的安全可靠性,可減少工程的施工量,降低投資成本。⑤水處理系統。由下水庫構成,對地下水進行處理,避免影響設備的運行。

圖2 抽水蓄能電站基本組成示意

廢棄煤礦改建抽水蓄能電站通過利用開采后形成不同高程水平的地下空間,作為建設抽水蓄能電站所必須的上、下水庫。受到廢棄煤礦地質條件的影響,為了確保改建過程中地下空間的穩定性,抽水蓄能電站布置位置合理選擇變得至關重要。而電站的位置選擇要特別注意以下原則:①具備足夠大的可利用空間。巷道作為礦井生產的重要通道且服務于整個礦井的生產,平面分布面積廣、坡度起伏較大,適合作為抽水蓄能電站的蓄水庫[8]。在同一高程水平選擇過程中,應優先選擇擁有富裕可用空間的巷道。②同一高程水平的巷道間高差應大小適中。巷道落差太小或隧道之間的連接不牢固將會造成集氣點流動速度不足,導致發電流量的需求難以滿足。而巷道落差過大致使水泵工況下水頭幅值過大,將導致效率下降速度劇烈,產生強烈振動,工程不穩定,無法進行抽水。而且,同一層的巷道落差高度也不應該太大。抽水蓄能電站的機組選用的是可逆式水泵水輪機機組,若水泵工況下水頭波動過大,會導致效率下降速度劇烈,產生強烈振動,工程不穩定,無法進行抽水。因此,上、下兩水庫的水位波動不宜過大。③上、下水庫空間的高程差需要進行合理的控制。若兩水庫之間的高程差過小,下水庫儲水空間的容積將會需要設計得越大,而且對于抽水蓄能電站而言,保證滿足有效利用空間是非常困難的;若兩水庫之間的高程差過大,對電站設備的研發及其生產也是不小的挑戰。

3 改建抽水蓄能電站的工程技術

廢棄煤礦地下空間改建抽水蓄能電站是一項極為復雜的多項目挑戰,不僅要處理好廢棄煤礦地下空間周邊圍巖的穩定性問題,還要解決蓄能電站在地下空間的工程布置難題。工程設計必須考慮好巖石力學方面的問題,為工程布置創造良好的基礎性條件。廢棄煤礦地下空間建造抽水蓄能電站的前提是必須控制圍巖的穩定性,其中包括上、下水庫、發電機組硐室以及輸水系統巷道的力學穩定性[12]。一般來說,與沉積巖相比,低滲透性的侵入巖和變質巖更適合改建為抽水蓄能電站。通過對地下空間周邊圍巖穩定性進行評估,開展對圍巖穩定性較為薄弱區域的支護工作極為重要。一般情況下,煤礦對井底車場以及一些輔助硐室的支護措施比較完整,其周邊圍巖基本情況也比較穩定,而對于采空區的支護措施還不夠完善,且受到采動影響最大,其周邊圍巖穩定性比較差;煤礦經過長時間的關停,對地下空間的支護效果也在相應的減弱,因此選擇關停時間較短的廢棄煤礦相對較好。基于此,從動能估算和工程布置2個方面開展對廢棄煤礦地下空間改建抽水蓄能電站的工程技術的探討。

3.1 動能估算

廢棄礦井抽水蓄能電站的重力勢能和電能的相互轉換主要是通過利用上、下水庫的高度差實現,利用水頭的大小影響著電站的發電量。根據廢棄煤礦的基本條件,需要考慮抽水蓄能電站的工程布置、機組運行要求等,選取不同高程的礦井地下空間建設抽水蓄能電站的上、下水庫,擬定電站的上、下水庫特征水位和裝機容量等指標[7]。考慮到煤礦礦洞主要利用空間為巷道,且存在匯流、變幅等限制因素,抽水蓄能建設規模不會很大[7]。因此,通過大小不等的裝機容量分別利用水頭不同的動能參數估算,可以進一步確定合適的裝機容量和利用水頭大小,為進一步優化廢棄礦井地下空間改建抽水蓄能電站工程技術提供保障。

3.2 工程布置

利用廢棄煤礦地下空間抽水蓄能的系統如圖3所示,盡可能地將廢棄煤礦地下可利用的空間用于上、下水庫工程的建設,選用已有的井筒進行工程布置,降低投資的成本。將廢棄煤礦中運煤、運料及通風系統中的巷道進行改造維護,利用這些巷道為抽水蓄能電站的運行服務。在抽水蓄能電站改建時,選用位置較高的巷道空間用于布置上水庫,選用位置較低的巷道空間進行布置下水庫[9]。輸水管的通道可以利用廢棄煤礦中的上、下山進行鋪設,煤礦中原有支護條件較好的機電硐室可以安裝發電機組。

圖3 利用廢棄煤礦地下空間抽水蓄能的系統

4 技術所面臨的科學問題

我國廢棄煤礦地下空間改建抽水蓄能電站研究起步晚,基礎理論研究薄弱,關鍵技術不夠成熟,且煤礦地質條件復雜,在把戰略構想轉化為實際工程之前,有許多基礎性的科學問題需要解決。

4.1 地下空間圍巖穩定性影響的問題

圍巖穩定是廢棄煤礦地下空間改建抽水蓄能電站的前提和決定性因素,保證著地下空間密閉性[10]。廢棄礦井原巷道的支護系統只考慮服務年限內滿足礦山安全生產需求,而廢棄礦井巷道再利用時,尤其在井下抽水蓄能電站水庫長期存放地下水的條件下,需要考慮巷道圍巖的時效性,為廢棄礦井地下水庫圍巖的長時穩定提供理論基礎[11]。在抽水蓄能電站服務年限內,地下水庫需要經受頻繁充放水的影響,巷道的空間分布及轉向、地下水庫水沙過程等影響水庫中水的運動和沖擊力,對廢棄礦井巷道而言,是一個多相(固、液)、多場(滲流場、應力場、損傷場)相互交叉作用的過程,會對圍巖-支護體的穩定性產生破壞。

研究抽水蓄能電站運行過程中的圍巖結構失效致災機理,提出合理的注漿密閉圍巖的工藝方法與穩定控制技術,將為廢棄煤礦抽水蓄能電站設計、災害預警與防控技術提供理論基礎與科學指導。

4.2 輸水系統穩定支護及密閉問題

輸水系統是電站的重要組成部分,其內部周期性抽水注水,水流速度大,紊流現象強烈,而煤礦巷道僅采用錨噴支護,支護強度低,大規模蓄水可能誘發圍巖軟化和失穩,而巷道圍巖節理和裂隙可能成為一條天然的滲流通道。如何加強輸水系統的密封,防止水流滲透,消除紊流沖擊,是需要解決的首要問題。

采用拼接方式安裝內部高壓管道,在管道外層安裝柔性塑料保護套,在管道外部和巖層之間使用網支撐,并使用鋼筋混凝土鋼筋。管道內部經過表面強化,以提高其硬度和強度[10]。為了確保巷道暢通,可在管道內部設置移動式的污水屏障,清理巷道雜物。

4.3 人員和大型設備高效與安全運輸問題

電站進行施工和檢查維護時,往往需要將大型設備和檢修人員送到井下。為了確保輸送過程中的快捷、安全,可以借助煤礦井筒擴建成的交通井;為了以后的施工、設備維修及更換方便,還可以根據礦井工況和設備的特點,設計專門的設備輸送工具。

為了確保井下人員的安全,可設計用于礦井升降輸送的膠囊運輸艙,其具有承載能力高、密封性能好、提升平穩、安全可靠、防爆性能好的特點。大型設備主要通過升降設備由交通洞進入地下,并設計匹配的成套運輸、吊裝、轉載及拆裝設備,借助單軌吊或地面軌道實現運輸、拆裝、更換一體化作業[10]。

5 結語

(1)經過對廢棄煤礦地下空間改建抽水蓄能電站的研究現狀及其基本概念進行概述,認為該項目不僅具有顯著的生態環境和社會效益,而且具有良好的應用前景。

(2)從動能估算和工程布置2個方面對廢棄煤礦地下空間改建抽水蓄能電站工程技術進行分析,對廢棄煤礦地下空間改建抽水蓄能電站的工程布置進行優化。

(3)需要解決基礎性科學問題:首先應解決地下空間巖體穩定性影響的問題,其次應關注輸水系統穩定支護及密閉問題,最后應處理人員和大型設備高效與安全運輸問題。并指出在改建為礦井抽水蓄能電站過程中需要采取的措施,為廢棄煤礦地下空間改建抽水蓄能電站開展相關研究提供借鑒。