废弃井巷抽水储能技术构想及关键技术参数研究

姚西龙，葛帅帅，徐晓瑞

(太原理工大学 经管学院，山西 太原 030027)

随着开采强度的增加及煤炭去产能政策的推进，我国每年新增大量的地下回采空间和废弃矿井资源，到2020年，我国废弃矿井数量将达到约1.2万个，按每个矿井60万m3计算，将包含72亿m3地下空间资源[1]。面对废弃矿井带来的经济、社会和环境问题，废弃矿井地下空间资源综合利用作为重大技术创新示范写入《煤炭工业“十四五”科技创新发展指导意见》。

废弃矿井抽水储能技术设想起源于20世纪70年代[2]，此后国外一些学者就废弃矿井抽水储能技术可行性和发展潜力进行了研究[3-6]。在国内，2000年，付贵祥等学者提出了废弃矿井储气和抽水储能的概念模型[7]；谢和平院士团队总结了国内外废弃矿井抽水储能技术研究进展，提出了解决西部缺水地区的煤矿地下水库、矿井水循环利用与抽水蓄能发电一体化技术构想，并论证了中国煤炭资源型地区充分利用废弃矿井发展抽水储能的潜在社会价值及可行性[8，9]。郑晓亮教授团队借鉴地表抽水储能电站设计思路对废弃矿井抽水储能系统机电系统设计思路和设备选型进行了研究[10，11]。李庭等对含废弃矿井抽水蓄能的电力系统调峰进行了研究[12]。近年来，中国工程院重大咨询课题《我国煤矿安全及废弃矿井资源开发利用战略研究》、教育部人文社科青年基金项目《废弃煤炭井巷抽水储能的综合效益评价及对策研究》、山西省揭榜招标项目(2019年度第二批)《废弃矿山遗留资源及地下空间开发利用关键技术研究》、国网公司科技项目《利用废弃矿洞开展抽水蓄能应用基础技术研究》等项目的开展促进了废弃井巷抽水储能技术相关研究，但现阶段废弃矿井抽水储能技术仍停留在概念和可行性论证阶段。矿井整体废弃以后，二次利用相当于打开一个“黑盒子”，采空区中水、顶板、有毒有害气体带来的安全问题，井巷空间修复、治理和二次基建带来的成本问题都制约着废弃矿井资源化利用技术的现场推广。

抽水储能技术发展对提高电力系统稳定性、增加可再生能源消纳能力具有重要意义，废弃井巷抽水储能技术为废弃矿井综合治理利用和抽水储能电站规划设计提供了一个新的思路。本文提出了三种废弃井巷抽水储能技术构想；结合废弃井巷地下水库的特殊性，提出了废弃井巷抽水储能系统水库范围、水库容量、储能量等关键技术参数理论计算方法。

1 废弃井巷抽水储能技术构想

1.1 煤矿地下水库建设

地下水库建设是废弃井巷抽水储能工程建设的重点内容。神华集团经过 20 余年科技攻关与工程实践，结合矿井水井下“导储用”的理念，建立了煤矿地下水库技术体系[13]。该技术在神东矿区及神华西部矿区全面推广应用，建成35座煤矿地下水库，储水量2500万m3，供应了矿区 95% 以上用水，为西部矿区煤炭开采水资源保护利用提供了技术借鉴[14-16]。

1.2 废弃井巷抽水储能技术构想

抽水储能是利用存在一定高差的两个储水空间，通过电能与重力势能的转换实现电能的转化、储存与释放，大多数井工矿井开采区域的煤系地层含有多个可采煤层，矿井回采以后在不同煤层间形成多个存在高差的大面积储水空间，为建设废弃井巷抽水储能系统提供了可能。

矿井井巷空间废弃是一个循序渐进的过程，结合前人研究成果，打破原有以废弃矿井为单元“先开采、后治理”、“先开采，后利用”的建设思路，化整为零，提出以废弃井巷工程为单元的“边开采、边治理、边利用”的理念，充分利用煤矿不同水平，不同采区独立的巷道、通风、机电运输及提升系统，结合地质条件进行精细化设计，提出废弃井巷抽水储能技术构想[17-22]，旨在探索开采、治理和利用之间合理的配置关系，以期矿井循序渐进地完成开采到利用的转换过程。

除了兼具废弃矿井抽水储能系统提升电力系统质量、稳定性解决“弃风”、“弃光”、“弃水”以及矿井废弃带来的经济、社会和环境问题作用以外。废弃井巷抽水储能系统充分利用采面、采区或阶段回采以后的运输、通风、安全监控等基础设施条件，边开采、边治理、边利用，提高了矿井软硬件资源和抽水储能系统的服务年限，减少了区域废弃后再利用过程的二次投资，提升了系统的经济性和安全性。

2 废弃井巷抽水储能技术方案

2.1 完全地下的废弃井巷抽水蓄能系统及方法

考虑到部分矿井地表不具备建设抽水储能电站上水库的地形条件；或是部分矿井干旱少雨，地表增发量远大于降雨量，在地表建设大型水库会造成废弃井巷抽水蓄能水循环系统大量水资源蒸发损耗，导致水资源的浪费乃至影响系统的循环运转；或是部分矿井气候寒冷，结冰期较长，地表水库中大量水体长期处于冰冻状态无法参与系统运行，导致系统地表水库运行效率低下，提出完全地下的废弃井巷抽水蓄能系统构想。

利用废弃井巷抽水蓄能的系统及方法如图1所示，完全地下的废弃井巷抽水蓄能系统包含两个以上的废弃井巷，新建或是利用原有巷道建设而成的用于行人、通风、运输和设备安装等用途的巷道系统，新建或是利用原有巷道、硐室改扩建而成的主要用于安装可逆式抽水蓄能机组的机电硐室，新建或是利用原有井筒建设而成的用于井上下联通交互的井筒，三类利用巷道系统或是新建巷道和钻孔建设而成的用于连接可逆式抽水蓄能机组和废弃井巷的通水道，利用巷道系统或是新建巷道和钻孔建设而成的用于防止水循环过程中在废弃井巷密闭空间形成高压气包，影响系统循环效率建设而成的通气道。

图1 利用废弃井巷抽水蓄能的系统及方法

2.2 井上下联合的废弃井巷抽水蓄能系统及方法

利用废弃井巷抽水蓄能的系统及方法如图2所示，井上下联合的废弃井巷抽水蓄能系统比完全地下的废弃井巷抽水蓄能系统多了一个在地表建设的上水库。在地表具备建设上水库的地形和气候条件下，井上下联合建设抽水蓄能系统较完全地下的废弃井巷抽水蓄能系统具有以下优势：①可以充分利用地表与井下废弃巷道空间的高差及井筒、巷道等具有二次利用价值的井巷资源，提高系统的运转和利用效率；②利用地表上水库大规模的开放储水空间，有利于对老空水的水质进行检测和治理，为改善老空水的酸性状态，减少其在地下水循环系统中对其他含水层的污染以及对抽水储能设备、管道系统的腐蚀；③为实现矿井水的资源化利用提供了便利。

图2 利用废弃井巷抽水蓄能的系统及方法

2.3 利用虹吸效应的废弃井巷抽水蓄能系统及方法

利用虹吸效应的废弃井巷抽水蓄能的系统及方法如图3所示，综合考虑废弃井巷中大量水体突水威胁、工程量、施工难度等方面因素，提出了一种利用虹吸效应的废弃井巷抽水蓄能系统及方法。

图3 利用虹吸效应的废弃井巷抽水蓄能的系统及方法

该系统较之前两种系统的主要区别在于：在下水库标高以上层位，新建或利用原有巷道、硐室改扩建机电硐室，将设备安装和人员作业空间布置在水库的上方，根据虹吸效应，利用自然压力或其他增压方法实现水体中途沿密闭管理向上流动。

该系统的优势主要在于：①下水库作为独立水库时减少了施工隔断水库与人员作业空间的人工坝体的建设量；②作业空间布置在水库上方，有效消除了系统建设运行过程中下水库溃坝突水危险。

3 废弃井巷抽水蓄能系统主要技术参数

我国抽水蓄能电站设计建设始于20世纪60年代，经过50多年的研究和工程实践，形成了完备的规划、设计、建设、运行管理体系，电站的整体设计、制造和安装技术已达到国际先进水平[23]。与地表抽水蓄能电站相比，由于底板起伏和煤柱导致地下水库横向导水的不连续性，废弃井巷抽水储能技术与地表抽水蓄能技术在水源、库区范围划分、库容计算、储能量计算方面存在显著差异。

3.1 采空区涌水量

采空区涌水是废弃井巷抽水储能水库的重要水源，因此采空区涌水量的计算是抽水储能水库设计以及矿井水资源化利用的重要参数。在涌水量计算方面，根据矿井水文地质条件及各相关参数的完备性和准确性，分为确定性预测方法和不确定性预测方法两大类[24]，其中确定预测方法主要包括水均衡法、物理模拟法、数值模拟法、解析法；不确定预测方法主要包括模糊数学法、水文地质比拟法、时间序列法、神经网络法、Q-S曲线法、数理统计法等。

3.2 废弃井巷水库库容

地下水库库容的确定包含库区范围确定和库容计算两步。

3.2.1 废弃井巷库区范围确定

地下水库是废弃井巷抽水储能的储水结构，因此确定库区范围是地下水库设计建设的基础工作。地下水库储水空间边缘坝体由煤柱和人工坝体共同构成，因此煤柱和人工坝体稳定性是确定库区范围的关键。

由于各煤矿煤层赋存条件各有不同，矿区边界煤柱、巷道煤柱、采区煤柱、区段煤柱的尺寸各不相同，因此判断各类煤柱的透水性是确定地下储水空间连通性的核心内容。煤柱尺寸可根据《煤矿防治水细则》中含水或导水断层防隔水煤(岩)柱留设公式：

式中，l为煤柱留设宽度，m；k为安全系数，一般取2～5；M为煤层厚度或采高，m；P为水头压力，t/m2；Kp为煤的抗张强度，t/m2。

在人工坝体稳定性方面，当坝体建成以后，坝体受力相当于一个抗剪结构，因此人工坝体厚度可参照混凝土抗剪强度公式计算[25]：

式中，S为墙体厚度，m；F2为墙体背水面巷道净面积，m2；[τ]为混凝土安全抗剪强度，MPa。

按剪力验算闸墙厚度，验算公式为：

式中，S为墙体厚度，m；a为巷道净跨度，m；b为巷道净高度，m；T剪为密闭材料的许可抗剪强度，MPa。

3.2.2 废弃井巷水库库容计算

库区范围确定以后，库区最大容量及有效容量是确定废弃井巷抽水储能系统储能能力和后续设备选型的基础工作。工作面回采以后，井下水体主要赋存井巷空间、顶板垮落带和裂隙带的空隙和裂隙中，根据煤矿防治水细则，采空区积水量可以利用富水系数对采空区水量进行估算。

Q巷=WLK

采空区储水系数K与采煤方法、回采率、煤层倾角、顶底板岩性及其碎胀程度、采后间隔时间等因素有关；而巷道储水系数则根据煤(岩)巷和成巷时间不同及维修状况而定。因此，须逐块逐条地选定储水系数，这是积水量预计的关键。以走向长壁采煤法为主，按照新老区平均，10年前储水系数为0.20，10年内储水系数0.25～0.40。

由于煤层底板的起伏及各类煤岩柱的存在，废弃井巷储水范围内易形成高于出水点的闭合死水位区域，因此废弃井巷水库范围内死水位确定及库容计算与地表水库差异很大。

针对废弃井巷储水空间的特性，提出库区阶梯式死水位的概念，即从出水点标高h1开始向库区范围遍历，存在标高h2(h2>h1)的等高线或等高线与坝体构成的闭合曲线，则该曲线都会提高范围内的死水位标高，即该区域内高于出水点标高h1、低于闭合坝体曲线标高h2的水不能流出，形成高于出水点标高h1的死水区域。同理，若标高h2闭合曲线内存在标高h3(h3>h2)的等高线或等高线与坝体构成的闭合曲线，则该闭合曲线会再次提高标高h2闭合曲线内的死水位，以此类推，形成类似台阶型的阶梯式死水位。

假定存在上述闭合曲线n条，Qsk(1

3.3 系统电能储量

由于废弃井巷抽水储能系统是利用不同废弃井巷区域间高度差实现电能和重力势能的相互转换，因此可能存在多个区域间形成库区群的情况。

若仅有上下两个水库，上水库有效库容为Q上，平均标高h上，下水库有效库容为Q下，平均标高h下，且Qmin=min(Q上，Q下)，则抽水蓄能系统可存储能量为：

E=Qmin(h上重心-h下重心)ρg

若上下水库有多个水库组成的水库群组成，上水库群i个水库群容量为Q上=(Q上1，Q上2，…，Q上i)，各上水库平均标高为h上=(h上1，h上2，…，h上i)，下水库j个水库群容量Q下=(Q下1，Q下2，…，Q下i)，各下水库平均标高h下=(h下1，h下2，…，h下i)：

上水库群重心标高为：

同理，下水库群重心标高：

则两水库群间电能储量为：

E=Qmin(h上重心-h下重心)ρg

综上可得，若某矿井田范围20km2(5km×4km)，其中，1号煤为主采煤层，煤层为近水平煤层，厚度3m，平均埋深600m，采用三条大巷(5km)布置(断面5m×3m)，整个井田回采率80%，采空区储水系数0.25，整个井田范围采空区死水率30%，测算1号煤回采完毕以后作为废弃井巷抽水储能，下水库相对地表可储能量约为24.3GW·h。

4 结 论

1)结合不同矿区条件，提出了完全地下的废弃井巷抽水蓄能系统、井上下联合的废弃井巷抽水蓄能系统、利用虹吸效应的废弃井巷抽水蓄能系统是三种可行的废弃井巷抽水储能技术方案。

2)基于废弃井巷空间资源特性，推导、构建了采空区涌水量、废弃井巷水库库容、系统电能储备量三项重要技术参数计算模型。

3)结合我国煤炭资源分布特性及我国储能产业发展现状及趋势，废弃井巷抽水储能技术在分布式储能、风光储结合、多能互补系统及中西部区域大容量储能等方面具有较大的推广应用潜力和价值。