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。

含废旧矿井抽蓄电站的源-荷-储协同控制调频研究

针对新能源在电网中渗透率不断提高导致系统调频容量和频率响应能力不足的问题,提出一种含废旧矿井抽蓄电站的源-荷-储协同控制调频方法。首先,建立了电解铝工业负荷、废旧矿井抽蓄电站和超级电容频率响应模型。然后,基于模型预测控制理论,以系统状态量和控制量的加权函数最小为目标,设计区域信息互动的分布式模型预测控制器,并提出含废旧矿井抽蓄电站的源-荷-储协同控制调频方法。最后,将分布式模型预测控制器应用在所提源-荷-储协同控制方法中,并在改进的IEEE标准两区域LFC模型中进行仿真。结果表明所提方法可以缩短频率恢复时间,减小最大频差值,改善系统调频动态性能。

“双碳”目标下云南省废弃矿山光伏-抽水蓄能发电站可行性分析

为助力“双碳”目标的实现以及对废弃、再生资源的循环利用,云南省利用矿山开采遗留下来的采空区建设清洁能源发电站符合现实需要。而在实际废弃矿山改造过程中,实现多元耦合开发利用模式,更有利于再生能源的渗透和维持电网的稳定运行。根据水光互补发电特性原理,结合云南省自然资源能源禀赋特征,从废弃矿山光伏-抽水蓄能电站工作原理及结构、关键技术、经济效益估算等几个方面论述云南省建设废弃矿山光伏-抽水蓄能发电站的可行性。分析结果表明,云南省已累计超过15亿m3的采空区及丰富的自然资源、能源为光伏-抽水蓄能电站建设提供了有利条件;且云南省近几年清洁电力的比重也在不断攀升,2022年,清洁电力的占比已达到87.7%;由废弃矿山光伏-抽水蓄能电站实例计算得出,该矿山每年可产生的电量收益达1.2亿元,按照设计年限20年计算,共计产出约24亿元的收益。综上所述,云南省废弃矿山光伏-抽水蓄能发电站建设优势较为显著。

全清洁能源下的高品质矿区能源系统配置优化方法

面向“30·60”双碳目标,矿区能源利用方式的绿色、经济、高效转型成为我国能源革命的迫切需求。西部矿区拥有丰富的可再生能源资源禀赋,但仍面临着可再生能源就地消纳困难,电力设备投资成本高、利用率低以及外送输电通道有限的困难。为提升矿区用能清洁化程度,提升矿区能源供给的稳定性与可靠性,增强矿区对外部电网的支撑能力,提出全清洁能源下的高品质矿区能源系统(High-quality Coal Mine Energy System,HCMES)及其配置优化方法。首先,考虑西部矿山综合能源系统的负荷特点与伴生能源利用,结合可再生能源发电与废弃矿井抽水蓄能,构建全清洁能源下的HCMES架构。其次,考虑到矿区生产全流程负荷的需求响应能力,考虑系统的能量平衡约束,提出全清洁能源下的高品质矿区能源系统优化配置模型。最后,以系统年平均综合成本最小化为目标,将原问题转化为混合整数线性规划模型,求解生成高品质矿区能源系统优化配置方案。以我国西部某年产煤量1200万t的矿区实际数据为实例,验证所提模型与方法的有效性,并分析可再生能源出力与生产负荷需求不确定性对系统优化配置结果的影响。算例仿真设置了4种矿区能源系统配置方式:不配置储能、配置抽水蓄能、配置电化学储能、配置抽水蓄能(不外购电能)。结果表明,所提出的HCMES相较于其他配置方式可减少电气一次设备投资11.11%,相较于方式3可降低年平均综合成本7.91%,且最多可减少矿区生产用能总二氧化碳排放量91.17%。

考虑闭坑后抽水蓄能的露天矿边坡稳定性分析

由于经济、环境及相关政策影响,我国废弃矿井数量与日俱增,将关停的废弃露天矿重新设计改造成抽水蓄能电站可以提高储能能力、调节地区电网负荷、提高电力系统的稳定性和可靠性,并推动废弃矿区生态修复和资源型城市转型。以抚顺市西露天矿作为研究对象,通过对我国废弃矿井及新能源分布现状的阐释,结合辽宁省电网调峰现状,论证西露天矿抽水蓄能电站建设的必要性;根据西露天矿相关工程背景及地质勘探结果,对西露天矿抽水蓄能电站上下水库选址设计和输水系统工程布置进行研究;抽水蓄能电站的建设会改变废弃矿坑的水位,从而影响矿坑的边坡稳定性。构建西露天矿下水库剖面模型并将其导入Geo-studio软件中,采用极限平衡法结合稳态渗流场分析−395 m、−350 m、−250 m水位下考虑水力效应的矿坑边坡稳定性。研究结果表明:抚顺市西露天矿抽水蓄能电站建设在技术上可行,在经济上合理,可以很好地满足辽宁省电网调峰调频需求,缓解电网运行压力大等问题;拟定西露天矿抽水蓄能电站装机容量为1200 MW,满发小时数为5 h,矿坑东侧区域为下水库,南花园湖为上水库,且上下水库的调节库容大致相等。输水线路布置在西露天矿坑南侧的花岗片麻岩内部;西露天矿坑边坡潜在的滑移风险可能发生在特定水位下的几个区域。为保证抽水蓄能电站投入使用后的库岸边坡稳定性,还需要采取进一步的防渗加固工作。

安徽省关闭煤矿资源调查及其综合利用研究

【目的】在煤炭资源持续高强度开发与能源供给侧结构性改革的背景下,安徽省关闭了一批资源枯竭、产能落后的煤矿,而关闭煤矿仍赋存有地下空间、遗煤、瓦斯、矿井水、土地与基础设施设备等资源,开展关闭煤矿资源再利用具有现实的工程价值和经济效益。【方法】统计自2013年以来安徽省59座关闭煤矿基础信息和再利用现状,分析关闭煤矿分布特征、遗留资源与再利用潜力;构建安徽省关闭煤矿数据库与WebGIS云平台,实现关闭煤矿信息查询分析与可视化;以潘一矿与石台煤矿为例,分别介绍遗留瓦斯抽采与半地下抽水蓄能的关闭煤矿再利用方案。【结果和结论】结果表明:安徽省关闭煤矿主要集中分布在两淮矿区,部分关闭煤矿关闭时间较短、遗留资源丰富、产权隶属清晰,再利用潜力较大;潘一关闭煤矿综合使用封闭墙压管抽采、原抽采钻孔抽采和地面钻井抽采的立体化遗留瓦斯抽采技术,实施关闭煤矿采空区“排水-抽采-利用”的一体化工程,3年内累计抽采瓦斯量4 840万m^(3)、发电8 590万kW·h、直接经济效益5 120万元,同时保障了相邻矿井的安全生产;石台关闭煤矿拟建设半地下抽水蓄能电站,地下空间可提供有效库容30万m^(3)、装机容量35 MW。案例分析表明安徽省部分关闭煤矿资源再利用在技术经济上具有合理性,但仍需开展进一步深入研究。

利用退出煤矿建设抽水蓄能电站的施工组织探讨

抽水蓄能电站是目前最经济有效的电力储能及调节方式,对保障电力系统安全、促进风、光等新能源消纳利用有重大作用。煤炭开采造成巨大的地下空间,可作为抽水蓄能电站的储水水库加以利用,将产生良好的社会和环境效益。本文从施工角度出发,探讨了利用退出煤矿建设抽水蓄能电站的可行性。

神东矿区综采工作面过同层位空巷强矿压显现机理及控制方法

神东矿区各矿井在回采过程中由于工作面布置方式调整,工作面前方常会出现以往工作面空巷。为避免工作面过空巷期间发生顶板事故,总结了神东矿区多个工作面和空巷赋存条件、过空巷处理方法与矿压控制效果,分析了工作面过空巷期间顶板超前断裂失稳机理。综合考虑空巷、泵送支柱、煤柱与支架对顶板的不同支撑作用,采用数值模拟研究了不同煤柱尺寸、周期来压破断位置、空巷跨度与泵送支柱强度条件下,工作面过空巷期间顶板下沉和弯曲拉应力分布情况,结果表明:随着空巷与工作面斜角度从90°垂直减小至0°平行,空巷对工作面影响的推进长度减小,但过空巷期间工作面矿压显现范围增大,强度更加剧烈。工作面过空巷期间矿压显现强度主要受煤柱尺寸、过空巷前上一次顶板断裂位置、空巷跨度和空巷支护情况等因素的控制。随着工作面靠近空巷,煤柱必然逐渐失稳,且大多数空巷在工作面开采前已经存在,其跨度难以改变。神东矿区通过加强巷道顶板支护和通过等压调整顶板周期破断位置以实现工作面过空巷期间的矿压控制。随着泵送支柱峰值强度和弹性模量的增大,对空巷顶板的控制效果明显,但在顶板悬露过长时可能发生失稳破坏并失去承载能力。当顶板周期断裂位置分别位于过空巷前后,过空巷期间顶板能够承担主要上覆载荷,采场矿压得到有效控制;反之,顶板将在过空巷期间发生超前断裂,导致发生冒顶和压架事故。最后以神东矿区哈拉沟煤矿综采工作面过空巷为例,分析了泵送支柱和等压开采在工作面过空巷期间的矿压控制效果,为神东矿区乃至其他矿区工作面过空巷期间矿压控制提供借鉴。

基于EOD模式的“矿山抽蓄+生态修复”开发前景思考

生态环境导向的开发模式(简称EOD模式)是破解生态环境治理现状与产业融合发展的有效途径,是“绿水青山就是金山银山”理念在项目上的具体实践。通过EOD模式,可以将矿山环境治理与抽水蓄能产业融合,新能源开发可以反哺生态环境管理,使市场主体可以将相关行业未来收益提前投入到生态环境管理中,再通过后期的工业增加值回收治理成本,“矿山修复+新能源”模式更是对国家实现“双碳”目标、矿坑废弃土地再利用有积极促进作用。分析了EOD模式的要义与主要案例,并从“矿山抽蓄+生态修复”融合发展研究、实现国家“双碳”目标、矿区废弃地下空间再利用等方面对EOD模式下的“矿山抽蓄+生态修复”开发前景提出思考。

污水处理与排水联动的研究与应用

介绍了通过联动控制来优化污水处理站和泵房的运行,以减少人力资源的浪费、提高能源和水资源利用率以及应对紧急情况。详细分析了某煤矿泵房和污水处理厂的处理工艺,并设计了相应的控制系统。该控制系统包括硬件配置(工控机、PLC、控制柜、通讯设备与仪表等)、下位机硬件配置(主电箱、远程IO电箱等)以及上位机软件设计(WinCC监控系统),同时还阐述了泵房和污水处理厂的PLC程序设计和运行逻辑。结合实际应用检验,深入探讨了该联动控制的可行性和优越性,也为其推广提供了有力的理论支持。

双碳目标下矿井水源热泵供暖的经济性分析

水源热泵技术作为一项成熟的节能空调技术,近年来在国内应用广泛。主要讨论水源热泵系统在矿区应用的可行性,介绍以矿井水作为水源热泵系统的热源,为矿区建筑物供暖的原理,并以某寒冷地区矿区建筑为例进行节能效果分析。通过与传统燃煤锅炉供暖方案进行对比,验证了矿井水源热泵供热的经济效益。

煤矿井下水泵常见问题与维护保养措施

针对煤矿井下水泵在运行过程中经常出现的故障问题,以转子不对中、电磁干扰和叶轮磨损三类典型故障为基础,对造成上述故障的主要原因进行分析,并结合故障原因,提出了针对性的故障处理方案.从实际效果来看,这三类主要故障均得到了有效解决,因此此次的故障处理经验有助于为今后的相关工作提供一定的参考借鉴.

采区泵房综掘施工新工艺的研究与应用

为解决采区泵房综合机械化掘进施工难题,进行了一系列施工方法和工艺的改进。首先,优化了采区泵房断面,在保证巷道断面满足使用需求的条件下减小破顶尺寸,以适应综掘机最大截割高度;其次,设计了采区泵房直角拐弯抹角范围,保证综合机械化掘进设备能够顺利进入多拐弯巷道正常施工;再次,在施工过程中对采区泵房直角拐弯处进行了阶段性支护参数优化,避免了支护材料的浪费且保证了支护的可靠性及安全性;最后,设计了除尘风机步进挪移技术方案,减少了采区泵房施工期间除尘风机的挪移次数,保障了除尘效果,加速了巷道的施工进程。通过系统化研究,摆脱了采区泵房综掘施工技术瓶颈,以综合机械化掘进取代了传统放炮掘进,促进了矿井安全、高效开采,并产生了良好的经济、社会效益。

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。

基于多种解析法和数值法求解巨厚砂岩水文地质参数

在煤矿开采过程中,矿井涌(突)水等事故不仅会造成巨大的经济损失,还严重威胁工作人员的生命安全。水文地质参数在计算矿井涌水量过程中扮演着重要角色,因此,准确测定含水层的水文地质参数对于煤矿防治水等工作具有重要意义。为了获取更加贴近实际的矿区顶板巨厚洛河组砂岩含水层的水文地质参数,以新庄煤矿洛河组巨厚砂岩含水层上、下段的抽水试验资料为依托,采用传统的非稳定流的Theis公式法、Jacob直线图解法和水位恢复法等解析法,结合实际场地特征,计算出洛河组砂岩含水层上、下段的渗透系数分别为0.22~0.59和0.03~0.35 m/d;上段导水系数为128.74~373.67 m^(2)/d,下段为5.52~47.07 m^(2)/d;上段的贮水系数为2.22×10^(-4)~6.69×10^(-3),下段为6.53×10^(-5)~3.29×10^(-3)。并通过FEFLOW软件建立新庄矿区的地下水流数值模型,求解洛河组含水层的水文地质参数,得到洛河组上、下段渗透系数分别为0.55和0.45 m/d。通过多种方法对比分析表明,通过数值模拟法得到的水文地质参数结果与多种解析法计算的结果相近。在此基础上,根据各方法得出的水文地质参数计算矿井涌水量,并与实际涌水量进行对比,结果表明:在含水层上段,采用数值模拟法得到的水文地质参数计算的涌水量更加接近实际涌水量;而在洛河组下段,采用Jac-ob直线图解法得到的水文地质参数计算的涌水量更加接近实际涌水量。进一步提高了水文地质参数计算的准确度,为后期的含水层富水性研究、矿井涌水量预测以及类似矿区顶板巨厚洛河组砂岩含水层的矿井水防治工作提供依据。

基于新型分风控尘方法的综掘工作面控尘机制研究

为改善综掘工作面粉尘污染严重的问题,针对陕西榆林大柳塔煤矿综掘工作面,提出一种安装有分风器的新型分风控尘方法,利用Fluent对使用新型分风控尘方法的粉尘扩散规律进行模拟,分析压风口距工作面不同距离及不同压抽比对粉尘扩散规律变化的影响。结果表明:当压风口距工作面10~20 m时,粉尘积聚、沉降在工作面区域巷道底部,司机处粉尘浓度较低,控尘效果较好;固定压风口距工作面的距离为10 m,压抽比为1.0时,高浓度粉尘积聚在工作面区域,司机处粉尘浓度控制在50 mg/m^(3)以下,控尘效果较好;通过现场实测,粉尘浓度与模拟结果的误差小于15.2%。

孤岛电网大功率电机启动案例分析与优化策略

大功率电机连接到孤岛电网,一般会采用软起动、变频器等,以提高电机的起动性能和供电的稳定性,同时设置无功补偿装置,以提高供电系统的功率因数和降低线路损耗。但如果软启动或变频器等选型不当,或者无功补偿配置不合理,可能会出现电压波动、功率振荡、供电质量下降,甚至引发安全等问题。本文以某供水泵站的供电系统为研究对象,首先介绍了泵站的供电系统,接着对泵站试车过程中出现的电气故障进行分析,然后对孤岛电网中大功率电机起动方案的优化及无功补偿装置的设置进行探讨,接着根据项目实际情况,提出将固态软起动器与实时无功补偿系统进行有机结合,采用合适容量的实时无功补偿系统,可降低大电机的起动电流和电网压降,较好地解决孤岛电站配电系统中大功率电动机启动期间电能质量差的问题,同时也对现有泵站供电系统提出几个备选方案供参考,最后给出几点建议。

基于AMEsim的多金属结核扬矿泵管紧急排料机构超长液压油管参数设计

针对深海多金属结核扬矿泵管系统海上试验时可能存在的紧急排料需求,开展了海上试验系统紧急排料机构液压系统理论计算,并在AMEsim中进行了仿真试验,结果表明,AMEsim仿真软件对于该系统的可信度系数为0.86。基于AMEsim构建了500 m海上试验执行机构液压系统模型,仿真分析结果表明,液压系统中油管管径为16 mm,设定压力应不低于10.47 MPa,执行机构动作时间为6 s。研究结果可为紧急排料机构的设计提供依据。

基于地面大口径钻孔抽排的老空水害防治技术

为了安全高效治理矿井老空水害,在井下不具备疏放老空水的条件下,采用了地面大口径钻孔和接力抽排水的方案对老空水害进行治理。选取位于老空积水区最低点的水仓作为地面钻孔的终孔位置,施工三级变径的大口径钻孔。下设的一级套管对钻孔在松散层中进行了固井,二级套管对老空区及采动破坏范围上覆含水层进行了隔离,采用无线随钻测斜和定向钻进技术,保障了大口径钻孔的准确透巷。钻孔中下设潜水泵将老空水抽至地面,然后采用管道增压泵将老空水接力排至矿井水处理厂,实现了老空水抽排过程中不落地。通过对抽排水量和老空水位的观测,验证了基于地面大口径钻孔和接力抽排老空水的效果。结果表明:采用地面大口径钻孔和井下潜水泵联合地面增压泵接力抽排关闭矿井老空水效果较好,具有安全性和可靠性高、排水和水处理费用低等特点。

成庄矿大采高工作面瓦斯分区段抽采方法研究

针对成庄矿3号煤层4323工作面回采过程中存在的瓦斯浓度高问题,采用理论分析与现场监测现结合的方法,研究了该工作面瓦斯存在的风险性及其综合抽采方法。结果表明,目前工作面实际供风量不能满足工作面实际需风量要求,有可能发生瓦斯突出风险,必须对瓦斯进行抽采。研究提出了地表钻井瓦斯抽采、采空区布设管理及裂隙带钻孔抽采、工作面顺层及穿层抽采相结合的分区段瓦斯抽采方法。通过现场实践,工作面瓦斯平均有效抽采量达到涌出量的86%;工作面上隅角最大瓦斯浓度变化范围为0.55%~0.72%,平均瓦斯浓度变化范围为0.17%~0.46%,没有出现瓦斯超限情况,对上隅角进行瓦斯抽采取得了良好的效果;在采空区瓦斯总体涌出量一定的条件下,采空区布设管路及裂隙带钻孔瓦斯抽采表现为互补关系,能够实现对采空区瓦斯的有效抽采,保证工作面回采安全。