关闭/废弃矿井抽水蓄能开发利用现状与进展

探索清洁能源发展的创新途径是实现我国“双碳”目标的重要推动力。为解决大规模可再生能源电力供应不稳定的难题,新型电力系统的提出与加速成长促进了抽水蓄能电站的建设与发展,但生态保护与地形等因素制约了传统抽水蓄能电站发展。关闭/废弃矿井,由于具有丰富的地下空间及水资源,可创新性地开发抽水蓄能并延长矿区的经济寿命,降低对环境与经济的负面影响。为助力建立适合我国国情的废弃矿井抽水蓄能利用模式和管理体系,通过文献分析法综述了国内外废弃矿井抽水蓄能技术研究与应用进展。详细阐述了关闭/废弃矿井抽水蓄能技术原理、分类及其优缺点;总结了关闭/废弃矿井抽水蓄能电站利用模式,并在前人研究基础上对选址要素进行了修订;梳理了关闭/废弃矿井改建抽水蓄能电站的水-气两相流动特性、水泵水轮机工况特性、地下空间围岩稳定性及地下蓄水空间体积测算等的研究现状,明确了水泵-水轮机关键技术、地下空间稳定性控制关键技术等亟待解决的技术难题。此外,对关闭/废弃矿井抽水蓄能相关的生态与环境保护、市场需求与经济效益、政策与法规等研究成果进行了广泛的文献综述。发展关闭/废弃矿井地下空间抽水蓄能技术可为我国井下空间资源利用提供思路,为保障国家能源安全与经济社会高质量发展提供新途径。

废弃矿井采空区覆岩裂隙网络水气两相渗流特性研究

在“双碳”目标实现与煤炭深化供给侧改革的大背景下,大量资源枯竭及产能落后的煤矿被逐步淘汰,我国废弃矿井的数量不断增加。覆岩裂隙对于采空区内流体的运移具有一定的控制作用,为了揭示废弃矿井长期闭坑过程中采空区覆岩裂隙网络内水气两相渗流规律,本文采用数字图像处理技术对物理相似模型覆岩裂隙网络进行了识别及提取,统计分析了纵向破断裂隙和层间离层裂隙的几何参数特征,建立了覆岩裂隙网络几何模型,采用两相流理论探究了覆岩裂隙网络内瓦斯上浮和离层水下渗的流动规律。研究结果表明:采空区覆岩裂隙整体呈现“梯形”状,纵向破断裂隙与层间离层裂隙纵横交错、互相贯通,两种类型裂隙的开度、面积、周长均随频数的增加呈现指数递减的分布趋势,迹长呈对数正态分布、角度呈正态分布。数值模拟再现了采空区覆岩裂隙网络内进水、驱气、出水的过程,揭示了采空区两侧裂隙优势渗流通道的形成机理,由于渗流速度的非均衡性,导致高位层间离层裂隙存在瓦斯滞留区,裂隙两端被封堵、交叉点处存在偏流等现象。研究成果对于废弃矿井遗留资源二次开发利用具有一定的指导意义。

废弃矿井巷道围岩蠕变稳定性分析

针对废弃矿井巷道再利用过程中因长期蠕变产生大变形,导致地下空间利用效率低和安全性差等问题,采用数值模拟软件FLAC3D分析深部巷道在3种支护方案下的围岩蠕变特征及应力变化规律。研究表明:Burgers-Mohr蠕变模型能够科学地模拟巷道在地下空间利用服务期内的蠕变特征,3种支护方案中,锚杆+预应力锚索+钢拱架支护效果最差,只适用于短期支护;衬砌支护效果次之;锚杆+预应力锚索+衬砌支护效果最明显,刚柔并济的支护方式能够有效地控制巷道围岩变形,且围岩蠕变动力能够被控制在较小范围,使得巷道发生稳定蠕变。研究结果能够为废弃矿井地下空间的安全利用提供一定的理论依据。

废弃矿井地下空间物理储能方式对比与优选

为开展废弃矿井地下空间物理储能方式对比优选,在总结分析废弃矿井抽水蓄能、重力储能和压缩空气储能原理及发展现状的基础上,采用层次分析法选取6个一级指标(资源条件、技术方案、经济效益、环境影响、安全保障及能耗水平)、19个二级指标以及3种储能方案,建立了废弃矿井地下空间物理储能方式评价指标体系。以山西白家庄煤矿为例,基于专家打分法分析了各指标及方案层权重,获得一二级指标中的主控因素及影响程度,并基于此分析对比3种物理储能方式的优劣。结果表明,在一级指标中,安全保障权重占比最高,环境影响次之,之后依次是资源条件、经济效益、能耗水平和技术方案;在二级指标中,权重最高的3个指标分别是技术保障、自然生态、资金投入;在3种方案中,重力储能最具优势,其次是抽水蓄能,最后是压缩空气储能。研究结果可为废弃矿井地下空间物理储能方式的选择提供参考。

废弃矿井重力储能现状分析及构想

近年来,随着“碳达峰、碳中和”目标提出,我国煤炭行业发展面临巨大挑战,产能落后或开采不达标的煤矿关停数量持续增长。而风电、光伏发电等可再生能源产业发展迅速,但其随机性、间歇性和波动性对电网稳定性冲击较大,很大程度上限制发展。因此,开展废弃矿井资源化再利用与可再生能源协同发展研究意义重大。本文聚焦废弃矿井重力储能技术,系统性介绍我国煤炭行业现状,分析关闭/废弃煤矿治理模式,提出废弃矿井重力储能技术,并从其工作原理、方案构想、关键问题以及发展优势四个方面展开论述。

废弃矿井水源热泵抽灌井布置及参数敏感度的研究

废弃矿井中储存着丰富的地热资源。文章以采空区矿井水为研究对象,为保证采暖季抽水温度的稳定,对废弃矿井水源热泵抽灌井布置及参数敏感度进行了研究。首先,基于达西定律及多孔介质传热理论,建立了废弃矿井水源热泵抽灌井的多物理场耦合的二维数值计算模型;其次,基于理论模型进行计算分析,模拟了14种不同抽灌井布置形式下的抽水温度变化,并根据“热贯通”发生程度,选取最为合理的抽灌井布置方案;最后,根据选取的抽灌井布置方案,研究了不同回灌温度、抽灌流量、井间距、水力坡度、含水层厚度、孔隙率等因素对抽水温度的影响。分析结果表明:三角4的布井方式在系统运行末期抽水温度仅下降了0.148 K,“热贯通”发生程度最小,布井方式最合理;含水层“热贯通”的现象对抽灌流量、井间距、水力坡度、含水层厚度等参数变化较为敏感,而对回灌温度及孔隙率的敏感度较小。

基于风光储配置模型的废弃矿井重力储能参数优化研究

我国能源生产和消费结构中煤炭比例居高不下,向清洁、低碳能源转型的任务艰巨,而风电、光电等新能源稳定性差,就地消纳困难,亟需大规模储能基础设施建设。同时,高质量发展和“双碳”目标下废弃矿井的数量日益增多,为提高废弃矿井空间资源利用率和可再生能源发电的稳定性和可靠性,提出以废弃矿井重力储能为基础的风光储联合发电系统。综合考虑矿区能源系统负荷特点,风电、光电等可再生能源条件,以及废弃矿井大规模物理储能优势,构建风光重力储能联合发电系统。以系统总净现成本值(NPC)最低为目标函数,提出风光重力储能联合发电系统参数优化模型,并以重力储能电站充放电功率、系统与电网交互容量、年可再生能源发电率为约束条件,对光伏电站、风力电站、重力储能电站等容量进行决策优化。基于淮南潘一矿区实际工程背景,利用HOMER仿真模拟软件进行案例分析,结果表明:算例在循环充放控制策略下最优,所得风光重力储能参数的总净现成本值最低,年可再生能源发电率最高,能够有效提高风光互补特性及系统的稳定性和可靠性,为风光重力储能联合发电系统的参数优化研究提供了参考。

基于废弃矿井的综合能源系统容量优化配置

废弃矿井的关闭,产生了大量可利用伴生资源。为避免矿区资源浪费,可利用废弃矿井地上、地下资源构建多能互补的废弃矿井综合能源系统(integrated energy system,IES)。为实现IES合理运行,须探讨基于废弃矿井的IES容量优化配置问题。以岱庄煤矿废弃矿区为例,利用井上沉陷区铺设分布式光伏,井下巷道、井底车场等作为压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)储气库,采用煤层气开发技术回收井下残余煤层气燃气发电,构建废弃矿井IES。针对IES晚上光伏发电为零、大型CAES启动时间长等问题,提出一种考虑部分蓄电池储能的IES容量优化配置方法。首先,制定废弃矿井IES运行规则;然后以IES经济和碳排放指标为目标,建立计及碳交易机制的低碳矿区储能容量配置模型;最后针对蓄电池和外电网优先出力问题,提出相应运行动态优化控制策略,探讨不同策略下有无备用储能对IES运行的影响。基于废弃矿井典型日,验证所提动态优化控制策略的有效性,并确定IES最优储能容量配置方案。结果表明:通过配置一定电储能可有效缓解源荷出力的波动性对IES运行的影响;废弃矿井区域IES可充分利用采煤沉陷区、残余煤层气、地下空间等伴生资源,为废弃矿井开发再利用提供了工程参考。

基于AHP的岩溶区废弃矿井环境风险评估应用与实践

对广西岩溶区废弃矿井进行环境风险评估。基于广西岩溶区139口废弃矿井的实际情况和环境因素,综合考虑了源、径、汇3项指标以及矿种类型等9个因子,利用层次分析法确定了岩溶区废弃矿井环境风险评估影响因子及其权重值,结合数据分析和专家打分构建判断矩阵对废弃矿井环境风险进行了分级评估。影响因子的重要性从大到小依次为矿种类型、水源地、矿种数量、地下水系统、土地、开拓类型、含水层岩性、废弃时间、建井结构。通过赋值计算,发现中、高风险废弃矿井占比较大,占比高达93.53%。高风险废弃矿井分布最多的为桂林(占比50.00%)和河池(占比15.79%)。该评价结果与实际调查情况相符,有一定的可靠性和实用性,可为后续其他岩溶地区的废弃矿井环境风险评估和管理提供参考。

煤矿废弃矿井生态修复设计研究

为进一步探究煤矿废弃矿井区域诸多问题的有效修复方法,以某地废弃矿井区域存在的塌陷、环境污染等突出问题为实际研究案例,首先通过现场勘查确定该废弃矿井区域存在的主要问题,并根据这些主要问题确定采用生态农业综合利用开发模式进行修复。而后从塌陷区填充、土壤治理、煤矸石堆放区生态修复等多个环节着手,详细探讨了该煤矿废弃矿井区域的生态修复策略要点内容。最后对生态修复效果进行测试,结果显示,本次生态修复设计模式在经济效益与生态效益方面均取得一定成绩,具有一定的现实意义。

废弃矿井煤层气资源调查评估方法与开发利用前景

本文通过对废弃矿井煤层气资源研究和开发利用评价研究,为废弃矿井的煤层气资源提出科学评估方法与前景利用评价。期待该研究可以给有关领域的研究者和相关工作者带来有益的参考与启迪,促进废弃矿井煤层气资源的研究和开发利用。

淮河源废弃矿井状况及其地下水环境问题

淮河源作为“南水北调”的重要水源区和国家级生态功能保护试点区,受废弃矿井水渗入及涌出流入地表水的影响,该区域地下水资源可能面临着不同生态环境问题。从淮河源水文地质特征、废弃矿井现状、污染源、污染途径、污染物物理迁移等方面,分析了淮河源桐柏县、信阳地下水污染程度及地下水污染源问题。淮河源地下水水位受季节性雨水和地表水的控制,主要属潜水类型;监测土壤中镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍、锌等重金属元素含量变化,对农用地土壤污染风险值进行了评估,统计废弃矿井水电导率、pH值、ORP、RDO值指标,计算每个指标的极值、均值、标准差和变异系数。考虑了地下水扩散,存在非均质介质和多相流的情况,使用流体数学的基本原理和偏微分方程,该公式描述了污染物在不同时间和空间位置上浓度或压力上的变化,用于分析和预测地下水污染扩散的行为。

废弃矿井剩余资源特征及其利用研究——以淮北煤田卧龙湖煤矿为例

因国家政策、资源枯竭等原因,我省关闭了大量煤炭矿井,矿井废弃后仍赋存有大量煤炭、煤层气、地热资源等可利用资源,造成巨大能源、资源浪费,目前部分废弃煤炭矿井已开展了煤层气、矿井水、地下空间、共伴生矿产等资源综合利用的探索性工作。以淮北煤田废弃煤炭矿井卧龙湖煤矿为研究对象,估算了矿井剩余的煤炭、煤层气资源量,提出矿井剩余资源利用建议。

峰峰矿区废弃矿井风险评估研究

随着浅层煤炭资源枯竭和产业调整,峰峰矿区境内大部分小型矿井均已关闭,废弃矿井有引发地下水污染的风险。为掌握废弃矿井闭坑后的地下水污染过程与风险,识别废弃矿井主要环境风险、导水通道疏堵的风险等级,进而筛选出地下水污染等级较高的废弃矿井,优先开展回填工程。以峰峰矿区境内34口废弃矿井为研究对象开展风险评估,通过风险识别、风险评估指标体系构建、风险计算与等级划分等综合评估方法,共划分出高风险等级10口,中风险等级8口,低风险等级16口,可为峰峰地区及情况相似地区废弃矿井的风险评估提供借鉴,进而为后期封井回填治理工作奠定基础。

关闭/废弃矿井地下空间抽水蓄能发展战略研究

在双碳战略目标牵引下,中国深化能源革命,目前已成为世界上最大的可再生能源发电国。为解决大规模可再生能源电力供应不稳定的难题,新型电力系统的提出与加速成长促进了抽水蓄能电站的建设与发展,但在生态红线与地形等因素约束下,传统抽水蓄能电站选址难题亟须解决。同时,煤炭去产能过程中形成了大量的关闭/废弃矿井与资源枯竭型城市。本研究详细概述了中国抽水蓄能电站的发展现状,分析了关闭/废弃矿井与抽水蓄能结合后对水资源压力的缓解与温室气体减排等环境效益。基于关闭/废弃矿井抽水蓄能电站不同模式,对关闭/废弃矿井抽水蓄能应用潜力展开了分析,最后提出中国废弃矿井抽水蓄能发展战略,并展望了关闭/废弃矿井+储能的多元产业愿景。

废弃矿井抽水蓄能面临的关键问题与对策思考

为向低碳清洁能源转型,我国风、光等新能源高速发展,新型电力系统对调节电源的需求更加迫切,抽水蓄能逐渐成为储能技术开发与利用的热点。本文在系统梳理抽水蓄能电站技术研究现状的基础上,从电站选址、库容计算、地下空间改造及安全运维四个视角分析了废弃矿井抽水蓄能电站建设面临的主要难题;从工程角度提出亟待研究解决的四项关键技术:地上水库安全性评价方法与治理技术、地下水库库容计算模型及调蓄技术、地下水库损伤变形机理及加固技术、二次开挖地下结构变形失稳机制及治理技术。利用废弃矿井遗留的大量地下空间资源建设抽水蓄能电站,有助于构建清洁低碳能源体系,增强能源供给稳定性。

废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式研究

废弃矿井地下空间利用是煤炭行业重点支持的方向。将地下空间利用、汛期蓄洪和冬季供热相结合,提出了基于地面引水蓄洪、井下蓄水储能和热泵取热技术的废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式,阐述了该模式的概念、关键技术和科学问题;分析了我国废弃矿井分布及其与降水量分布之间的关系,论证了废弃矿井地下空间的蓄洪储能潜力。研究发现,安徽、河南、山东等13个省份的废弃矿井地下空间近6000万m3,可储存约6个西湖的水量,适宜开展废弃矿井地下蓄洪储能和取热的工程示范。其中,仅淮南矿区5个废弃矿井的地下空间资源高达30万m3,储能量达94500 GJ,可满足21万m2的建筑供暖需求。以旗山矿为例,设计了地面引水沟渠布置、井下储水空间布置以及矿井水提取和利用等方案,初步测算旗山矿蓄洪储能方案的供热功率可达6835 kW,可为13.67万m2的建筑供暖,减少二氧化碳排放量约5330 t,经济效益达350.75万元,初步论证了废弃矿井地下空间蓄洪储能的可行性。废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式既可有效利用废弃矿井地下空间,还可以缓解汛期的局部洪涝灾害,并开发矿井水中的低品位清洁热能,对提高废弃矿井地下空间利用的附加值和推进废弃矿井地下空间利用有一定意义。

废弃矿井煤层气资源地球物理勘探研究进展

煤炭开采形成大面积的采空区和数量众多的废弃矿井,在这些废弃矿井中蕴藏着大量的煤层气资源。区别于常规煤层气资源,废弃矿井煤层气资源的勘探和开发受到采空区分布、覆盖层、围岩情况、裂隙带发育情况、煤层顶底板情况、煤矿开采方式以及采空区地下水等情况的综合影响,利用地球物理勘探技术可以为废弃矿井煤层气的开发提供技术支持。本文介绍了山西煤炭地质的基本情况,分析了采空区坍塌及积水的机制,以及围岩与采空区的地震波场特征、电性特征、激发极化特征和放射性氡异常特征;介绍了地震法、直流电法、可控源音频大地电磁法、瞬变电磁法、激发极化法、放射性勘探法、微动勘探法、航空瞬变电磁法和半航空瞬变电磁法探测采空区的原理、方法及应用。指出开发、研究新的地球物理方法,建立多方法、多维度、多空间的采空区综合探测体系,充分利用地球物理大数据,深入发掘人工智能反演技术,可为我国废弃矿井煤层气资源的勘探和开发提供技术支持。

废弃矿井改建能源储库的发展现状及方法研究

石油和天然气等战略资源的储备问题一直是国家能源安全的重点。随着“双碳”共识的进一步深化,大量退出煤矿产生。为更好地推进废弃矿井改建地下能源储库,在总结归纳已有工程实例和分类基础上,介绍了国内外利用矿井作为能源地下储库的相关案例;通过对比分析国内废弃矿井地下空间的不同规模,综述了改建地下能源储库的基本标准;根据我国矿井开采方式和岩性特征,总结了不同岩性围岩改建地下能源储库的支护方案,有助于促进废弃矿井空间资源的再利用。

废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网关键技术及瓶颈问题

从废弃矿井残留能源与空间资源协同利用出发,在废弃矿井绿色低碳多能互补体系框架下,统筹考虑废弃矿井采空区煤层气开采活动用电需求与采煤沉陷区可再生能源发电潜力,以及低浓度瓦斯发电和储能作为补充,提出探索构建集成风-光-气-储的废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统。相较于普通直流微电网,低系统惯量、弱电网连接、分布式发电随机波动和周期变工况负荷大扰动等多重不利因素叠加使得废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统稳定运行面临更加严峻的挑战。为此,有必要围绕废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统这一废弃矿井残留能源与空间资源协同利用潜在场景涉及的关键技术及背后的瓶颈问题展开系统梳理与探讨。首先,阐述了废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统的拓扑结构与组成单元,并从能量流动模型出发探讨了在寻求系统容量优化配置过程中需要考虑的约束条件。接着,提炼出煤层气抽采机电动机周期变工况负荷分析、低浓度瓦斯发电机气-电转换环节耦合、电压稳定控制及协调运行等破解废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统可靠稳定及协调运行难题涉及的关键技术,总结和回顾了已有研究进展,分析了目前工作存在的难点和问题,同时探讨了可能的解决方法及后续工作建议。进一步指出亟待攻克低浓度瓦斯发电机气-电耦合长时间尺度与风光储短时间尺度联合建模,以及低惯量、弱连接、大扰动等多重不利因素作用导致的电压振荡机理等关键技术背后的核心瓶颈问题。最后,从已有工作基础、研究进展及经济效益评估等方面展望了构建废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统的可行性及应用前景。