葛帥帥，馮國瑞，姚西龍，栗繼祖，暢一帆

(太原理工大學，山西 太原 030027)

2020年，我國煤炭總產量為39億t，生產礦井約4700座，累計關停礦井約5500座[1]，這些關停的礦井如不能實現(xiàn)合理的再利用，將會產生地下水污染、人員安置等一系列經濟、社會與環(huán)境問題[2]。如何實現(xiàn)廢棄礦井資源化利用是世界性難題，廢棄礦井抽水儲能將廢棄礦井資源化利用及可再生能源電力的消納結合起來，是科學合理的廢棄礦井資源開發(fā)利用模式之一。

廢棄礦井抽水儲能技術設想起源于20世紀70年代[3]，國外學者對廢棄礦井抽水儲能技術潛力及可行性進行了研究，但多數(shù)集中在非煤礦山，特別是露天礦井[4-6]。我國學者也嘗試結合煤礦廢棄井巷的實際，開展了深入的研究，付貴祥提出了廢棄礦井儲氣和抽水儲能概念模型[7]；謝和平院士團隊總結國內外廢棄礦井抽水儲能技術研究進展，論證了中國煤炭資源型地區(qū)利用廢棄礦井發(fā)展抽水儲能的潛在社會價值及可行性，提出抽水儲能發(fā)電一體化構想[8，9]；鄭曉亮教授團隊借鑒地表抽水儲能電站設計思路對廢棄礦井抽水儲能系統(tǒng)設計和設備選型進行了研究[10，11]。

然而，關于廢棄礦井抽水儲能研究仍停留在概念和可行性論證階段，缺乏系統(tǒng)的理論和技術研究框架梳理。本文借鑒神東礦區(qū)地下水庫項目“規(guī)劃先行、邊回采、邊治理、邊利用”的地下水庫建設經驗[12]，提出廢棄井巷抽水儲能技術概念，從工程背景、科學問題、關鍵技術和工程實踐四個層面構建了廢棄井巷抽水儲能的理論與技術研究框架，為廢棄井巷抽水儲能技術理論研究和推廣應用提供參考。

1 廢棄井巷資源及其利用現(xiàn)狀

1.1 廢棄井巷的概念

典型井工煤礦地下空間的廢棄是一個從采面到采區(qū)到階段再到整個礦井的循序漸進的過程，煤礦地下空間資源是隨著煤礦采掘工程推進而持續(xù)增加的。廢棄井巷的概念為：一個采面、采區(qū)、階段或礦井回采完畢以后形成的相對獨立的空間范圍。廢棄井巷的內涵是在煤礦開采過程中，將開采伴生的廢棄井巷作為資源進行規(guī)劃利用，通過適宜的技術和方法，挖掘廢棄井巷的“資源屬性”，實現(xiàn)煤炭資源開采與廢棄井巷資源化利用的平穩(wěn)過渡和協(xié)調發(fā)展，達到廢棄礦井治理利用、安全管理、環(huán)境治理、員工安置的多贏目標。

1.2 廢棄井巷資源概況

根據(jù)國家統(tǒng)計局網站公布的各相關省份年度煤炭產量數(shù)據(jù)，全國八個主要產煤省、自治區(qū)2011至2020年累計煤炭產量330.21億t，其中內蒙古自治區(qū)97.39億t、山西省92.64億t、陜西省53.38億t。2020年，區(qū)域煤炭總產量34.54億t，比2011增加2.84億t。各省、自治區(qū)煤炭年產量見表1。

表1 全國主要產煤省(自治區(qū))近10年煤炭產量 億t

假設煤炭平均容重為1.3t/m3、掘進率為60m/萬t、巷道截面為15m2，結合全國主要產煤省、自治區(qū)煤炭產量數(shù)據(jù)對煤炭開采空間進行計算，見表2，2011—2020年，各區(qū)域共形成煤炭開采空間283.73億m3，其中內蒙古自治區(qū)83.68億m3、山西省79.60億m3、陜西省45.87億m3。2020年，全國主要產煤省、自治區(qū)產生開采空間共29.67億m3，比2011年增加2.43億m3。

表2 全國主要產煤省(自治區(qū))近10年煤炭開采空間量 億m3

1.3 廢棄井巷抽水儲能技術優(yōu)勢

1.3.1 與成熟可靠的抽水儲能技術結合

儲能是解決目前可再生能源強波動性及提升智能電網靈活性、穩(wěn)定性的關鍵技術，抽水儲能是目前大規(guī)模儲能技術中成熟度最高、可靠性最好的技術。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2019年底，全球已投運儲能項目累計裝機規(guī)模184.6GW，其中抽水蓄能的累計裝機為171.0GW，占裝機總量92.6%；我國投運儲能項目累計裝機規(guī)模35.6GW，其中抽水蓄能的累計裝機為31.79GW，占裝機總量89.3%[13]。

1.3.2 節(jié)約地表土地資源

“距高比”是地表抽水儲能電站規(guī)劃中的重要參數(shù)，即抽水儲能電站要求在近距離內可以形成兩個具備一定高差的大容量水庫，因此對地表地形要求較高。廢棄井巷抽水儲能利用廢棄井巷的空間資源，在不依賴于地表地形的同時減少了對地表土地資源的消耗。

1.3.3 緩解資源、環(huán)境、社會問題

建設廢棄井巷抽水儲能電站在充分挖掘廢棄井巷殘余價值的同時，在礦井水資源化利用、礦井地下水修復治理及促進地方經濟社會發(fā)展等方面均具有較高的推廣應用價值[8]。

1.3.4 較廢棄礦井利用難度小、成本低

廢棄井巷抽水儲能打破整個礦井廢棄后再進行整改、建設的思路，充分利用采面、采區(qū)或階段回采以后的運輸、通風、安全監(jiān)控等基礎設施條件，邊開采、邊治理、邊利用，提高了礦井軟硬件資源和抽水儲能系統(tǒng)的服務年限，減少了煤礦廢棄后再利用過程的二次投資，提升了系統(tǒng)的經濟性和安全性。

2 廢棄井巷抽水儲能技術概念和技術框架

廢棄井巷抽水儲能是利用煤礦開采過程中形成的不同區(qū)域廢棄井巷間或廢棄井巷與地表的自然高差，通過抽水儲能系統(tǒng)實現(xiàn)電能和重力勢能之間的轉換，達到電能儲存的技術，如圖1所示[14-19]。結合廢棄井巷抽水儲能的技術難點，圍繞廢棄井巷抽水儲能電站建設應用，綜合考慮廢棄井巷空間和礦井水資源稟賦，以科學規(guī)劃設計抽水儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)資源高效安全利用為思路，提出廢棄井巷抽水儲能理論與技術框架，將煤礦開采、巖石力學、地質學、技術經濟學、機械工程、安全工程等學科有機結合，形成廢棄井巷空間資源利用、礦井水資源化利用、抽水儲能“三位一體”的廢棄井巷抽水儲能技術體系，如圖2所示。

圖1 一種利用廢棄井巷抽水蓄能的系統(tǒng)及方法

圖2 廢棄井巷抽水儲能技術概念和技術框架

以“資源量計算—可行性評估—經濟性評估—規(guī)劃設計—項目建設—運行維護”為主線，廢棄井巷抽水儲能理論問題包含采空水賦存規(guī)律及資源化利用方法、人工壩體及煤柱多場耦合變形機理、廢棄井巷抽水儲能技術經濟原理、煤礦回采與廢棄井巷抽水儲能過渡機制四個方面。在此基礎上提出廢棄井巷抽水儲能技術的關鍵問題包括：①采空水治理及生態(tài)利用技術；②煤柱穩(wěn)定性評價及改造技術；③人工壩體設計建設技術；④底板防滲改造技術；⑤廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)建設。

3 廢棄井巷抽水儲能開發(fā)中的科學問題

3.1 采空水賦存規(guī)律及資源化利用方法

長久以來，采空水作為礦井水害防治的重點對象進行研究治理，神東集團地下水庫建設及采空水自凈化相關研究[12]，為企業(yè)變“被動處理”為“主動利用”提供了范式。廢棄井巷抽水儲能在地下水庫的基礎上構建抽水儲能系統(tǒng)，深入挖掘礦井水資源化利用潛力和效益，為礦井水資源化利用提供了一個新的思路。

與傳統(tǒng)采空水治理利用技術相比，廢棄井巷抽水儲能技術要求對上下水庫水資源賦存狀態(tài)、賦存量、徑流特性、可利用量等參數(shù)進行精確的分析計算。因此，需要在礦井水文地質分析、采場與巷道圍巖控制分析的基礎上細化采空水資源稟賦及資源化利用相關研究。

3.2 人工壩體及煤柱多場耦合變形機理

廢棄井巷抽水儲能的地下水庫是以煤柱和人工壩體為邊界圈定的，煤柱和人工壩體穩(wěn)定性評價是系統(tǒng)設計的關鍵環(huán)節(jié)[12]。煤柱穩(wěn)定性評價方法除參照《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦防治水細則》等有關規(guī)定外，還包括經驗比擬法、分析計算法[20]，其中分析計算法中常用的是A.J Wilson提出的兩區(qū)約束理論[21，22]。煤柱穩(wěn)定性設計在原有煤柱寬度設計的基礎上還應當考慮地震、抽水儲能系統(tǒng)運轉過程中形成的脈沖和循環(huán)載荷對煤柱的破壞機理[23]。

人工壩體是構成廢棄井巷抽水儲能水庫空間的必要組成部分，白東堯、姚強嶺等學者結合神東礦區(qū)地下水庫建設實際對人工壩體設計建設進行了研究[24-28]。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》和《采礦工程設計手冊》相關規(guī)定，防水閘門相關結構設計、穩(wěn)定性評價方法可以為廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)人工壩體設計建設提供參考。

3.3 廢棄井巷抽水儲能技術經濟原理

《抽水蓄能電站工程地質勘察規(guī)程》、《抽水蓄能電站設計規(guī)范》等行業(yè)規(guī)范為地表抽水蓄能電站項目可行性評價內容和方法提供了基本框架。區(qū)域水文地質條件、煤層賦存條件、煤巖體力學特性、礦井開采情況、井巷支護情況等因素會直接影響廢棄井巷空間資源、水資源可利用量；區(qū)域能源系統(tǒng)建設現(xiàn)狀及規(guī)劃會對廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)的作用定位及綜合效益產生影響，因此綜合廢棄井巷資源條件、項目開發(fā)條件進行項目經濟效益、環(huán)境效益、社會效益分析是項目投資決策的重要支撐。較地表抽水儲能電站，廢棄井巷抽水儲能可行性論證的過程應充分考慮項目在廢棄礦井治理、采空水資源化利用、節(jié)約地表土地資源等方面的外向性效益。

3.4 煤礦回采與廢棄井巷抽水儲能過渡機制

結合廢棄井巷抽水儲能技術“邊回采、邊治理、邊利用”的理念，在一定時期存在廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)和煤礦開采同步作業(yè)，逐步實現(xiàn)開采功能向抽水儲能功能的過渡，因此需要考慮煤礦回采與廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)協(xié)同設計的問題。井工煤礦設計和抽水儲能電站設計都有成熟的技術體系，兩者協(xié)同設計中礦井設計是基礎，在保證礦井設計科學合理性和安全性的基礎上，需要在礦井接替順序，煤柱尺寸設計，通風系統(tǒng)設計，排水系統(tǒng)設計，輔助運輸系統(tǒng)設計，抽水儲能系統(tǒng)硐室設計、管路通道設計、電力系統(tǒng)設計、監(jiān)測監(jiān)控及安全保障體系設計等方面進行統(tǒng)籌考慮，此外，還應考慮廢棄井巷水庫補、排水期間氣流通道，防止高壓氣室或真空腔影響系統(tǒng)效率。

在礦井接替順序方面，礦井在“盡快達產達效”指導思想下往往選擇離井底車場較近的采區(qū)或盤區(qū)布置首采面，但由近及遠開采不利于形成獨立的井巷空間，進而影響廢棄井巷資源利用，因此需要結合礦井情況及技術經濟評價選擇合適的接替順序。在煤柱尺寸設計方面，應結合井田地質條件合理規(guī)劃廢棄井巷區(qū)域劃分，在各區(qū)域內部為保證連通性，在確?；夭杀憷桶踩缘耐瑫r減小煤柱尺寸；在各區(qū)域邊界應根據(jù)煤巖體力學特性和水壓等條件保證足夠的邊界防水煤柱尺寸。在通風系統(tǒng)設計方面，應當考慮廢棄井巷硐室及相關行人、作業(yè)場所通風量。在排水系統(tǒng)設計方面，應考慮結合井下采空區(qū)的自凈化能力進行廢棄井巷抽水儲能給排水系統(tǒng)設計。輔助運輸系統(tǒng)主要需要考慮廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)建設、運維過程中設備材料運輸問題。此外，廢棄井巷抽水儲能通風、管路、電纜、通信等系統(tǒng)的建設會增加對井巷斷面尺寸的需求。

除前述水庫設計、通風系統(tǒng)設計、運輸系統(tǒng)設計、氣流通道設計、硐室設計等內容外，廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)配套設計還應包括地表水庫設計(含地面水庫的系統(tǒng))、水道設計、廠房設計、水泵水輪機及輔助設備選型設計、電氣部分設計、安全監(jiān)控預警系統(tǒng)設計等內容。與地表抽水儲能電站相比，廢棄井巷抽水儲能水道需要直接利用或改造現(xiàn)有井巷工程建設水道，因此，在系統(tǒng)設計時需要考慮水道設計建設的可行性、可靠性與經濟性，配套水泵水輪機及輔助設備選型設計中應考慮井巷空間條件限制。

4 廢棄井巷抽水儲能關鍵技術

4.1 采空水資源評估和生態(tài)利用技術

采空區(qū)的積水量和賦存狀態(tài)是決定廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)上下水庫有效容量的關鍵影響因素。在采空區(qū)積水量計算方面，《煤礦防治水手冊》《煤礦防治水細則》給出了采空區(qū)積水量的計算方法，結合煤巖柱穩(wěn)定性和煤層底板等高線研究不同積水標高時采空區(qū)橫向徑流情況及死水位是廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)項目評估和設備選型的關鍵。

在采空水資源化利用過程中，考慮動水補給量較靜水容量更具有現(xiàn)實意義。應關注區(qū)域“采空水生態(tài)利用量”，即結合礦井所在區(qū)域水文地質單元環(huán)境承載和自修復能力，綜合考慮補給、徑流、排泄因素，在可持續(xù)發(fā)展的前提下規(guī)劃區(qū)域采空水資源生態(tài)利用量。

4.2 煤柱防滲改造技術

煤柱因構造、原生裂隙或采動影響其隔水性時，可以采用注漿加固或封堵裂隙進行治理。常用的漿液分為水泥漿和化學漿兩種，其中化學漿液對細小的裂縫封堵效果更好。裂隙封堵技術主要有構筑水泥墻和垂直鋪塑技術兩種[29]。為了降低水庫內煤柱隔水形成的死水區(qū)域對空間利用效率的影響，在煤柱防滲改造部分還應考慮局部增加煤柱透水性的措施，如打孔、埋管、震動爆破和水力致裂等方法。

4.3 人工壩體建設技術

人工壩體是由混凝土、鋼材和錨桿錨索共同組成的混凝土體結構，煤礦井下作業(yè)環(huán)境復雜多變，人工壩體受地應力、礦壓、水壓、震動等多種應力共同作用，需要確保其穩(wěn)定性和隔水性。神東礦區(qū)地下水庫設計建設過程中，對人工壩體穩(wěn)定性和隔水性相關的壩體材料、結構、安全性評估等方面進行了一系列理論和實驗研究，取得了較好的現(xiàn)場實踐效果[12，23，29]。

4.4 底板防滲改造技術

在水庫建設、運行過程中還應關注水庫垂向防滲問題，即由于地質構造、導水裂隙帶發(fā)育等因素影響，導致水庫內水體溝通其他含水層或導水層引起水庫水體泄漏的問題。在煤礦安全生產管理過程中，特別是華北型煤田底板奧灰水防治過程中，積累了豐富的底板防水性改造相關理論成果、技術體系和工程實踐經驗[30]。但需要注意的是前者是防治水，關注的是水體會不會流入回采空間，后者是防滲，關注的是水庫中的水體會不會滲漏，因此其應用場景和時間維度不同。

4.5 廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)建設

廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)建設主要包括設備制造、工程建設和安裝調試三個方面。在設備制造方面，主要需要考慮礦井的空間條件、氣候條件以及地下水的化學性質帶來的設備小型化、設備銹蝕和酸性水腐蝕等問題。在工程建設方面，除人工壩體和防滲改造工程以外，大尺寸或異形井巷建設或擴刷也是井下工程建設的難點。在設備安裝調試方面，立井中設備、管路運輸安裝和大型設備運輸安裝是需要重點關注的問題。

5 結論與展望

本文在分析廢棄井巷資源稟賦和技術優(yōu)勢的基礎上，以“資源量計算—可行性評估—經濟性評估—規(guī)劃設計—項目建設—運行維護”為主線，從工程背景、科學問題、關鍵技術和工程實踐等方面對廢棄井巷抽水儲能的理論與技術框架進行了研究，結論如下：

1)廢棄井巷和礦井水資源豐富，廢棄井巷抽水儲能技術具備節(jié)約地表土地資源、發(fā)掘廢棄礦井殘余價值等優(yōu)勢，可有效緩解礦井直接廢棄帶來的資源浪費以及相關經濟、社會、環(huán)境問題，對廢棄礦井治理利用、可再生能源大規(guī)模并網和多能互補事業(yè)發(fā)展具有重要意義。

2)廢棄井巷抽水儲能技術理論研究主要包含采空水賦存規(guī)律及資源化利用方法、人工壩體及煤柱多場耦合變形機理、廢棄井巷抽水儲能技術經濟原理、煤礦回采與廢棄井巷抽水儲能過渡機制四項科學問題。

3)廢棄井巷抽水儲能項目設計建設及現(xiàn)場運維主要包含采空水資源評估及生態(tài)利用技術、煤柱防滲改造技術、人工壩體設計建設技術、底板防滲改造技術、廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)建設五項關鍵技術問題。

4)結合廢棄井巷抽水技術的特殊性，仍有以下三個方面需要重點關注和深入研究：①在廢棄井巷抽水儲能系統(tǒng)的基礎上，結合區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)承載能力，科學合理的論證區(qū)域“采空水生態(tài)利用量”，在可持續(xù)發(fā)展的基礎上緩解中西部礦區(qū)水資源缺乏問題；②廢棄井巷抽水儲能技術應用推廣受煤礦安全生產管理及廢棄礦井關停等多方面政策法規(guī)因素影響，因此在充分論證其技術經濟和安全性的基礎上，需要結合實際制定配套的政策法規(guī)；③在含廢棄井巷抽水儲能電力系統(tǒng)規(guī)劃方面，需要重點關注和研究高占比可再生能源系統(tǒng)、碳中和情景下區(qū)域電力系統(tǒng)規(guī)劃以及多個廢棄井巷抽水儲能集群條件下系統(tǒng)的運行和協(xié)同調度問題。