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。

关闭/废弃煤矿甲烷排放研究现状及减排对策

全球正向低碳能源结构转型,加之煤矿资源枯竭、瓦斯灾害等问题,关闭/废弃煤矿数量快速增加。煤矿关闭退出后,采空区残存甲烷持续向地面逸散,成为温室气体重要排放源。针对关闭/废弃煤矿甲烷残存量、排放速率、减排措施等系列问题,通过大量文献调研、梳理,明确了国内外关闭/废弃煤矿数量及高瓦斯矿井分布,归纳总结了采空区残存甲烷来源及残存量的估算方法,并借鉴天然气成藏研究领域中甲烷地质渗漏理论与研究方法,分析了残存甲烷排放机制及监测手段,最后提出了残存甲烷减排对策及面临挑战。研究发现:我国山西、贵州、重庆、湖南、江西等地区存在大量关闭/废弃煤矿,且残余煤主要是具有强甲烷吸附力的无烟煤,导致矿井残存甲烷量大,成为重要甲烷排放源;关闭/废弃煤矿甲烷从残余煤中解吸释放至采空区,然后经由井口、采动裂隙等通道排放至大气;通过卫星遥感、通量室法、地球化学探针法、微气象技术等手段,可实现对煤矿甲烷排放的有效监测。基于甲烷排放预测模型预测,到2050年关闭/废弃煤矿排放甲烷在煤炭开采释放甲烷总量中占比可能超过20%,解决关闭/废弃矿井甲烷排放问题刻不容缓。为此,提出了抽采利用、原位爆燃发电、微生物降解甲烷、注水淹没、甲烷排放通道封堵等减排对策,综合考虑减排成本、甲烷排放持续时间、地下水污染等限制性因素,认为采用矿化修复方法封堵覆岩采动微裂隙,可低成本实现关闭/废弃煤矿甲烷减排目标。

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。

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。

国外废弃矿区闭矿立法对我国的启示

废弃矿区带来的水环境破坏与污染、土壤流失或者土壤污染、影响生物多样性、地貌景观等环境问题不容忽视,应采取有效的防治措施予以应对,以便有效均衡和协调废弃矿区的经济、环境和安全之间的关系。完善的废弃矿区闭矿立法是有效防治废弃矿区环境问题的前提。国外废弃矿区闭矿立法遵循污染者负担及例外原则分配责任;实施闭矿计划进行源头控制;实行闭矿分级治理制度确保重点区域优先治理;设立闭矿专项基金制度保障土地复垦。我国应借鉴其经验,完善污染者负担及例外原则,确立闭矿计划制度,设立闭矿专项基金制度;实行闭矿分级治理制度等。

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。

综放工作面过密集空巷群高水充填技术研究及应用

针对整合矿井残煤复采综放工作面过密集空巷群问题,采用理论分析和数值模拟方法研究了综放工作面超前支承压力对空巷群稳定性的影响,确定了全空间高水充填材料的合理强度。研究结果表明:综放工作面超前支承压力与空巷群侧向支承压力相互叠加,会造成工作面与空巷群之间的煤柱及空巷群自身的煤柱进入塑性屈服状态,易诱发密集空巷群及其顶板大范围采场围岩失稳;随综放工作面与空巷间煤柱宽度的减小,空巷充填体所需的支撑强度近线性增加,随充填体强度的提高,全空间充填体抑制空巷顶板下沉变形的能力近线性增大;综合理论计算和数值模拟结果,确定了荆宝煤业3号煤层全空间充填空巷群的高水充填体强度不小于2.5MPa,现场实践验证了充填材料设计强度的合理性和全空间高水充填技术的有效性,保证了工作面安全高效通过空巷群,避免了充填体材料过低带来的潜在安全隐患,也解决了充填体强度过高造成的经济投入浪费,为类似条件下工作面过密集空巷群高水充填技术的推广应用奠定了理论基础和实践经验。

山西关闭煤矿资源二次利用关键地质问题及地质保障探讨

针对山西关闭煤矿资源的二次利用现状,分析了关闭煤矿二次利用面临的主要地质问题,并提出地质保障措施,主要包括以下几方面:全面系统收集全省关闭煤矿地质资料,摸清关闭煤矿资源赋存特征,加强基础研究;因地制宜,一矿一策,精准利用关闭煤矿资源,根据煤矿资源赋存特征和类型以及所在区域位置,充分考虑关闭煤矿的资源特性和地质条件,因地制宜地设计不同的开发利用方案;加大对关闭矿坑排水的处理与二次利用,尤其中南部酸性矿井水与北部严重缺水地区的矿井水二次利用;按照关闭煤矿的地质地理条件、稳定性、安全性、密闭性及距离城市的远近,探索关闭煤矿地下空间的梯级利用。

关闭/废弃煤矿的生态修复研究进展及展望

随着资源枯竭和宏观政策导向,我国已有大量关闭/废弃煤矿,并将持续增加。作为一类受损的"社会-自然-经济"复合生态系统,关闭/废弃煤矿急需生态修复,以便重构自然本底并再次促进经济与社会发展。本文从三个方面对近三十年的关闭/废弃煤矿研究进行梳理:(1)从生物、土壤和景观等方面总结关闭/废弃煤矿生态修复技术;(2)基于生物多样性、土壤理化性质、遥感影像和综合体系分别阐述生态修复评价方法;(3)根据修复尺度将关闭/废弃煤矿生态修复划分为局地型生态修复规划和区域型生态修复工程,前者以点或线的视角从单个、多个局地关闭/废弃煤矿进行规划研究,而后者则从面的视域整合生态修复同质区域,更能满足当前国土空间规划体系建设的需要。针对关闭/废弃煤矿生态修复研究现存的不足,从综合利用体系的构建、顶层设计带动全域发展、多学科交叉的全要素治理以及新技术手段实现精准预测共四个方面进行展望。

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。

我国关闭(废弃)矿井开发利用途径研究

在分析我国关闭(废弃)矿井现状的基础上,提出了我国关闭(废弃)矿井井下空间再利用和矿区综合开发利用2种开发利用途径,为关闭(废弃)矿井再利用、企业和城市转型发展提供了可行的方案参考。

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。

山西关闭煤矿资源利用现状及开发利用建议

分析山西省关闭矿井资源利用现状,山西省在关闭煤矿煤层气抽采、地下地上空间资源利用方面取得的巨大进步,但也面临着资源赋存条件和赋存不清、开发利用单一、利用率不高等问题。建议山西省首先应进行全省关闭矿井普查,摸清关闭矿井资源家底和赋存特征及开发利用条件。开展关闭煤矿的管理和开发利用标准的政策和制度研究,建立关闭矿井资源调查、开发利用评价体系;在开发利用上,应运用系统思维和矿井全生命周期理念,因地制宜、统筹利用煤矿关闭矿井资源,达到资源效应、生态效应和经济效应的和谐统一,并重视关闭矿坑水的处理及二次利用。