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。

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。

我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用的科学思考

当前我国煤炭产能中部分矿井已到达其生命周期或不符合安全生产的要求或开采成本高亏损严重,直接关闭或废弃此类矿井不仅造成资源的巨大浪费,还有可能诱发后续的安全、环境及社会等问题。我国关闭/废弃矿井剩余资源开发利用难度大,无法照搬国外利用模式,开展整体战略、基础理论和关键技术研究迫在眉睫。系统阐述了我国关闭/废弃矿井资源开发利用面临的5个科学问题:地下煤炭气化高效转化与开发利用耦合机制、基于安全智能精准控制的地下空间储物环境保障机理、基于多场耦合的矿井水及非常规能源智能精准开发模式、构建关闭/废弃矿井可再生能源开发与微电网输能模式、构建基于生态修复与环境支持的关闭/废弃矿井工业旅游开发模式。在能源生产与消费革命和推动煤炭供给侧改革的新时代背景下,开展我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用研究,具有重要的政治和经济战略内涵,对于提高关闭/废弃矿井资源开发利用效率意义重大。

我国关闭/废弃矿井资源综合利用形势分析与对策研究

长期的矿产资源开采形成了数量众多的关闭/废弃矿井(山),包括煤矿、金属和非金属矿等。矿井关闭废弃后仍赋存着方方面面的可利用资源,除了伴生的各种矿产资源外,还拥有巨大的地下空间资源(采空区和巷道),特别是部分井下仍然有多种废弃物(设备、材料等)和空间设施可再利用。通过总结一些关闭/废弃矿井资源综合利用状况,研究其功能定位和综合利用战略,并提出将关闭/废弃矿井资源综合开发利用与国家和区域经济、社会发展统筹部署的思考与建议。

关闭/废弃矿井地下空间资源精准开发利用模式研究

随着煤炭绿色资源的不断开采,位于煤炭开发利用全周期末端的矿井关闭\废弃问题逐渐显现,随之而来的关闭/废弃矿井地下空间资源开发利用成为一个亟须解决的问题。在对我国废弃矿井现状统计分析的基础上,以能源开采造成的地下空间方位、形态差异化为依据,将关闭/废弃矿井地下空间资源分为采空区空间资源、巷道空间资源、硐室空间资源;探讨了空间资源作为能源存储场所的单一利用方式和多方向、多领域协同多元开发利用的关闭/废弃矿井地下空间资源利用方式;并由此提出了一种关闭/废弃矿井地下空间分类分级精准利用模式,构建调研分析、工程类比初判、模型构建详估和软件决策系统研发为主干流程的精准开发利用系统,通过精准利用模式与精准开发利用系统模型对单一和多元开发利用方式进一步分析,为关闭/废弃矿井空间资源开发利用的研究和实践提供参考。

中国关闭/废弃矿井的分类利用与等级评价

针对关闭/废弃矿井分类利用和等级评价,使用Adaboost迭代算法,建立了一个关闭/废弃矿井利用的可能性等级模型,总结得出关闭/废弃矿井分类利用可分为:关闭/废弃矿井生态文明开发,关闭/废弃矿井地下空间开发利用,关闭/废弃矿井遗留媒体资源开发利用,关闭/废弃矿井地下水资源开发利用,关闭/废弃矿井气油水光互补能源开发利用。确立了20项分类指标进行关闭/废弃矿井等级评价,初步构建出国内关闭/废弃矿井资源数据库,提出关闭/废弃矿井智能精准开发科学构想,构建了关闭/废弃矿井绿色资源评价技术体系,推动关闭/废弃矿井精准智能开采以及城市转型发展。

中国关闭/废弃矿井地下空间储物环境稳定性保障:现状、评价及改造

中国存在大量关闭/废弃矿井,其中关闭/废弃矿井地下空间资源是稳定且易开发的资源。在梳理不同类型储物下(油、气、水、核废料、种子等)研究现状的基础上,研究了矿井遴选、密封性能、储物空间大小、储物时间等,提出了相应的地下空间储物评价指标和改造技术,形成了适合中国国情、自然地质条件的关闭/废弃矿井地下空间储物环境稳定性保障理论与技术。

再论废弃矿井利用面临的科学问题与对策

在经济发展新常态和供给侧改革背景下,关闭/废弃矿井数量逐年增多,仍遗留大量可开发利用资源,开展关闭/废弃矿井资源开发利用意义重大。目前,相关研究工作仍相对滞后,难以系统解决遗留能源资源及地下空间开发利用等方面存在的科学问题和技术瓶颈。基于山西省关闭/废弃矿井资源禀赋与开发现状分析,结合关闭/废弃矿井遗留煤炭地下气化、遗留煤层气地面抽采、地下空间储能储物等重大需求,亟需研究关闭/废弃矿井能源资源协同综合利用评价方法、固-液-气及应力-位移-渗流-温度等多相多场动态演化机制、复杂遗留空间煤层气运移规律与储集成藏机理、复杂岩体多场耦合作用机理及稳定性控制等4个关键科学问题,攻克关闭/废弃矿井能源资源协同利用安全与风险评价技术、遗留煤炭地下气化炉构建及气化工艺、遗留煤层气资源地面抽采与利用、地下储库(储水、储油、储气等)库容探测与防渗等4项关键核心技术。基于矿井全生命周期绿色利用科学理念,以白家庄煤矿为例,提出了山西省关闭/废弃矿井遗留资源和空间资源“能源化、资源化、功能化”协同利用综合性解决方案,创新了“政产学研用金”协同机制为基础的关闭/废弃矿井能源资源精准开发与利用新模式。

废弃矿井遗留煤柱-人工坝黏结体失稳特征试验研究

煤柱-人工坝构建对利用关闭/废弃矿井地下空间储水至关重要,保证煤柱-人工坝黏结体结构稳定性是保障关闭/废弃矿井地下空间储水安全有效的基础。基于煤柱-人工坝黏结体受力状态分析,考虑三因素三梯度的黏结变量,制备29组不同黏结结构煤柱-人工坝类煤岩试件,开展无侧压单轴压缩试验;并基于煤柱-人工坝黏结体强度、应变变化、能量演化规律与宏观破坏特征,分析煤柱-人工坝黏结体角度、宽度、深度参数对试件性能与失稳模式的影响。研究结果表明:煤柱-人工坝黏结体受力状态根据黏结紧密性可分为分体承载、分担承载和协同承载,且分别对应3种本构模型;煤柱-人工坝黏结体各组试件单轴压缩破坏过程中存在典型全应力-应变曲线各阶段特征,以角度参数划分的3条强度曲线均呈现出“V-v-V”型结构;将轴向应变以角度参数绘制曲线时,曲线趋势复杂,在30mm宽度时呈现为先减小后增加的趋势,35mm宽度时则表现为持续减小,而40mm宽度时表现出持续上升的趋势;试件能量变化与应力-应变曲线各阶段相对应,同时敏感性分析表明深度参数是试件强度的主控因素,而角度的改变引起的轴向应变变化最为明显,最优参数组合为70-30-7.5;根据黏结体试件破坏形态分析结果,煤柱-人工坝黏结体试件可分为分散双劈裂失稳、联合单劈裂失稳和承载双柱状失稳3种模式。