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。     

废弃矿井地下空间反季节循环储能研究

随着我国“碳达峰,碳中和”目标的提出,煤炭在一次能源消费结构中的比例逐步下降,关停矿井数量逐年增多。直接关闭或废弃矿井不仅造成巨大的资源浪费,还极有可能诱发一系列的安全、环境等问题,需要因地制宜的提出符合我国废弃矿井现状的剩余资源开发利用模式。基于此,系统梳理了国内外废弃矿井开发再利用现状,着重讨论了废弃矿井地下空间储能的利用模式,针对性的提出了废弃矿井反季节循环储能工艺系统,该系统充分考虑了废弃矿井地下空间资源、地热资源、水资源和地上可再生资源,通过在沉陷区布置太阳能和风能发电设备,为周边用户和整个系统提供电能,以井下恒温岩土体中的巷道群和采空区为储能空间,以矿井水为储能介质,通过太阳能集热和地热能资源为周边用户供热/制冷,在无需供热/制冷的季节将热能储存至矿井地下,实现反季节循环储能。阐述了废弃矿井地下反季节循环储能亟需突破的3个关键技术：多尺度空间热储评估方法、废弃矿井反季节循环储能井上井下整体优化设计方法以及反季节循环储能多源耦合的运行模式。最后,以京西王平村废弃矿井为例研究了该系统的节能减排效益,结果表明：与传统化石燃料相比,应用反季节循环储能系统供热制冷,每年可减排二氧化碳...     

关停矿井转型升级战略构想与关键技术

煤炭是我国主导能源,随着洁净、绿色、低碳理念的践行,煤炭在一次能源消费结构中的比例将逐步下降,关停的矿井将越来越多,对关停矿井的认知随着社会发展和科技进步必须突破传统思维定势,建立新的资源理念,即关停矿井不只可以遏制生态破坏,还可以提供宝贵的地下空间资源。关停矿井的资源化利用和转型升级,不仅是一个经济问题,更是一个科学问题。解决好这个问题,将对我国未来矿业生态、城乡建设以及能源战略产生深远影响。提出了关停矿井科学转型升级应遵循的6个基本原则,强调了关停矿井转型升级的立体化和生态化开发理念、关停矿井空间资源化利用的国家战略思维以及关停矿井开发利用的历史文化观,系统阐述了关停矿井资源化转型升级所涉及的关键技术,如地下生态城市、井下抽水蓄能发电、竖井地下停车场、地下医学和地下疗养院、地下农业种植、地下生态景观、深地科学探索等,同时建议部分富有特色和历史内涵的矿井申报工业遗产。以上战略构想和相应关键技术有望为未来关停矿井的资源化利用、立体式开发和全面转型升级提供解决思路。     

荷兰海尔伦市废弃煤矿矿井水地热能开发利用工程实践

从背景、发展历程、技术路线、管理与运行和效益等方面介绍了荷兰海尔伦市废弃矿井水地热能开发利用的工程实践。该项目为欧洲乃至全球废弃矿井地热能的开发利用发挥了示范作用,树立了煤炭资源城市实现转型与可持续发展的典范,对我国煤炭资源枯竭城市的转型发展以及废弃矿井资源开发利用有重要的借鉴意义。     

新常态下我国煤矿废弃矿井水污染防治与资源化综合利用

随着我国经济发展进入新常态且供给侧改革不断推进,大量煤矿因资源消耗殆尽、产能过剩进入关闭行列,为有效应对矿山闭坑后因矿井水大量排出和废弃产生资源浪费、环境污染、资源化利用效率低等一系列问题,系统分析了我国关闭矿井时空发展性质和特征。阐述了我国矿井水污染特征、污染模式及晋陕蒙宁甘区、华东区、东北区、华南区、新青区“五大区”矿井水分布性质,针对废弃矿井水引发的地质灾害、造成地表水和地下水污染、土壤重金属积聚和影响植被生长等负面效应,在矿井闭坑前、废弃采空区和串层污染等方面提出了具有针对性的预控治理措施。结合我国废弃矿井水的实际水文地球化学特征,提出了一套关于洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含毒害物矿井水的处理方法及工艺体系。根据煤矿矿井水资源化利用现状,提出了建立地下污水处理中心和抽水蓄能发电站因地制宜的资源化利用途径,同时结合当地经济发展、水资源紧缺状况和生态文明建设等因素,制定了处理后废弃矿井水供井下生产和井上生活、农业、工业和生态等方面资源化综合利用体系。最后,展望了废弃矿井水资源化利用的绿色开发战略和未来发展方向,将积极推动废弃矿井水资源化综合利用,有效缓解...     

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6 000万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94 500 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6 835 kW,可为13.67万m²的建筑供暖,减少二氧化碳排放量约5 330 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,...     

关闭煤炭矿区资源利用与可持续发展的几点思考

随着中国能源结构的调整,煤炭开采从原来的分散式开采向精细化、集中化和精准化发展,矿井数量大幅度减少,大量资源枯竭及落后产能矿井面临关闭或废弃。这一转变将使中国现阶段及未来很长一段时间都将面临与德国相似的"后采矿"时代。从中国能源结构发展的大趋势以及煤炭资源开发的宏观战略来看,已经关闭和即将关闭的大量矿井或者矿区重新恢复开采的可能性不大。矿井的关闭或废弃不仅会带来水、大气等环境污染问题,还会带来企业职工难以安置、固定资产难以处理等社会经济问题。因此,本文针对矿区关闭或废弃后出现的问题,借鉴德国应对后采矿的处理方案、后采矿工业区资源可持续发展战略,对比中国对关闭矿区的处理案例,提出了应把矿区关闭后资源的利用纳入整个矿山开发的顶层设计中的理念,以及煤炭地下空间、矿井水等资源综合利用的思路。国内外虽提出了形式多样的废弃矿井利用方案,但总体利用率不高,仍需继续深入探究关闭矿区资源利用基础理论和手段方法,以及应对关闭矿区后发展需要的教育与技术人才培养措施。     

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。     

废弃矿井改建抽水蓄能电站现状与展望

由于煤炭资源枯竭、资源整合以及淘汰落后产能等因素,大量的煤矿濒临关闭。为了合理地利用好煤矿开采遗留下来的可供利用地下空间,解决废弃煤矿带来的资源浪费问题,通过介绍国内外废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站的现状,阐述废弃矿井地下空间改建抽水蓄能电站的基本原理与工程技术。并以此为基础,提出该技术未来需要解决的3个科学问题,首先应解决地下空间岩体稳定性影响问题,其次应关注输水系统稳定支护及密闭问题,最后应处理人员和大型设备高效与安全运输问题,为未来废弃煤矿地下空间改建抽水蓄能电站设计优化工程提供参考。     

矿业城市废弃矿井地下工程二次利用

对矿业城市在矿井废弃后地下巷道二次利用问题的国内外利用现状、优点、应遵守的原则、主要用途等问题进行了探讨 ,最后对废弃井巷道的再利用问题提出了一些建议和对策     

废弃矿井资源二次利用的研究

本文分析了我国废弃矿井的分布情况,并针对我国对废弃矿井二次利用中所存在的一些问题,根据国外对废弃矿井二次利用方法、治理原则,提出了对废弃矿井地下空间二次利用的建议.     

煤矿绿色安全生产技术

从煤层气抽放、瓦斯的综合利用、煤炭地下气化、矿井水的循环利用和废弃矿井的再利用等方面,介绍了国内外煤矿绿色安全生产技术,论述了现在煤矿安全生产模式的不足之处,分析了煤矿绿色安全生产技术模式的可行性及其重要意义。     

邯郸陶二矿矿井建设抽水蓄能电站可行性分析

随着国内废弃矿井不断增多,废旧矿井的重新开发利用十分重要,本文对抽水蓄能工作原理、优势以及经济效益进行了研究,对废弃矿井建设抽水蓄能电站可行性进行了分析,通过分析表明,利用废弃矿井建设抽水蓄能电站,不仅形成了新能源结构,还可成为持久、有效利用废弃煤矿资源的方法,是废弃煤矿资源化利用的最佳选择。     

废弃煤矿压缩空气储能研究现状与发展趋势

压缩空气储能具有建设成本低、设备占地面积小、储能周期长以及环保等优点,探索地下空间压缩空气储能技术发展是实现我国“双碳”目标的创新途径之一,地下空间储能库可分为盐穴、含水层、枯竭油气田、废弃煤矿及岩洞储能库。随着国内废弃煤矿数量逐年增多,直接将资源枯竭的煤矿关闭不仅造成巨大的地下空间资源浪费,还极有可能诱发一系列的安全、环境等问题,利用废弃煤矿地下空间作为压缩空气储能电站储能库具有很好的应用前景。基于此,系统梳理了我国废弃煤矿地下空间资源利用情况,阐述了废弃煤矿地下储能库建设、地下储能库密封性和稳定性的研究现状,着重介绍了废弃煤矿地下空间压缩空气储能的研究进展与存在问题。分析表明：(1)废弃煤矿有大量可利用空间,总结了废弃煤矿地下空间的8种再利用模式：农林用地、建设用地、场地绿化、水域利用、水热联用、湿地公园、矿山公园、空间再利用;(2)我国废弃煤矿压缩空气储能的研究起步晚,基础理论研究薄弱,关键技术不成熟,且煤矿地质条件复杂,相关应用基础研究不足,尚未实现商业化、规模化推广应用;(3)总结提出了应对废弃煤矿压缩空气储能的三项关键技术,即废弃煤矿储能库建设选址评估方法、废弃煤矿储能库密...     

废弃矿井潜在地质灾害、防控技术及资源利用途径研究

随着煤炭经历的大规模高强度开采和当今煤炭产业结构调整,大量资源枯竭和过剩产能矿井将关闭,废弃矿井潜在的地质灾害隐患与废弃矿井资源浪费问题将会越来越突出。根据2000年以来我国生产矿井数量和近年新建矿井数量,得出2000—2016年每年废弃矿井数量和累计废弃矿井总数;系统分析了废弃矿井潜在地质灾害隐患问题;提出不同地质灾害的防控技术和关键对策,并针对废弃矿井地下和地面资源的特点,探索了废弃矿井地下与地面资源的利用途径。     

城区型废弃矿区地下空间开发策略研究

资源枯竭型城市的转型是亟待解决的问题。矿区采掘过程中形成的废弃地下空间给矿区甚至资源枯竭型城市的生态转型带来许多问题,但同时也带来了转型的契机。资源枯竭型城市与矿区需要协同发展,其中与城区型矿区的关系更为密切。因此,如何在"矿城"协同生态转型的基础上,实现城区型废弃矿区地下空间的开发利用是本文的研究重点。本文立足于城市发展的视角,将废弃矿区置于城市整体格局的层面,提出"矿城"协同转型是矿区地下空间开发的潜在模式,并依据区位因素对地下空间开发模式的限制,系统化地提出了城区型矿区地下空间二次利用的三种策略。     

关闭矿山地下空间资源定量评估与再利用途径

随着煤炭资源的长期开发,越来越多的煤矿面临关闭/废弃或已关闭。这些矿井历经长期开采,形成大量地下空间,传统的封井措施会造成巨大的地下空间资源浪费。在国内外关闭矿山数量增加与绿色发展时代背景之下,采用数学模型定量评估与管理关闭矿山地下空间资源,提出矿区资源再利用途径,不仅是能源环境领域的重要议题,而且也是社会关注的热点,还是矿山企业解决发展困境的迫切需求。主要研究内容包括：（1）划分了关闭矿山地下空间资源类型,提出了不同类型巷道空间计算方法、工作面采空区空间计算方法和井下残留煤炭资源的估算方法。（2）分析了国内外关闭矿山地下转型利用模式,构建基于生态效益、经济效益、社会效益的矿山转型综合效益评估指标体系,采用层次分析法评估关闭矿山地下空间不同转型方案的综合效益。在此基础上,通过比较分析得出关闭矿山地下空间资源最优转型利用路径。（3）以渭河流域某矿为例,估算得到某矿地下空间为1.18×10⁵ m³,残余资源量为5 600万t,地下转型方式按照效益由大到小依次为地下矿山博物馆、地下度假村和地下物资储备库。综合关闭矿山地上/下空间资源,根据资源特点与...     

“渭北老矿区”煤炭去产能后资源利用与转型发展对策

去产能形势下,为了摸清"渭北老矿区"各类资源现状,促进其转型发展,基于大量的资料收集整理分析,系统论述了国内外废弃矿井再利用技术方法与实践案例,查明了"渭北老矿区"退出矿井中煤炭、煤层气、土地、固有资产等各类资源现状,识别出阻碍其转型发展的主要问题,分析了当前转型发展形势与主要任务,并在资源利用、示范工程、政策建议等方面提出了若干对策,指导"渭北老矿区"转型升级发展。     

废弃矿井抽水蓄能句法视角下拓扑模型构建及空间优化

废弃矿井抽水蓄能电站技术不仅是废弃矿井转型升级的重要途径,也是可再生能源规模储能的有效手段。废弃矿井巷道是抽水蓄能电站地下水库理想载体,但其复杂的空间拓扑结构制约了水体的流动性,因此需研究巷道地下空间结构优化方法,为抽水蓄能电站地下水库建设提供技术支撑。以我国淮南某矿东区为研究对象,阐述了空间句法视角下废弃矿井地下空间结构分析方法,建立小尺度多元凸空间的地下空间拓扑模型。借鉴空间句法中各形态分析变量,基于局部与整体层次特征研究巷道和硐室结构之间的内在逻辑性和拓扑关系,分析了废弃矿井地下空间在抽水蓄能电站地下水库建设中存在的问题,并对地下空间结构进行优化。研究表明：基于局部空间特征的地下空间单元可利用性与连接值、控制值、选择度、局部整合度成正比,与平均深度值成反比;基于整体空间特征的地下空间结构全局整合度、可理解度和空间智能度较低,反映在抽水蓄能电站地下水库建设中存在空间导向性差、空间利用率低和蓄能能力弱等问题。因此通过选取局部整合度与全局整合度均高于其平均值的空间单元重新构建新的地下空间拓扑模型,优化后地下空间单元数量减少73%,空间可理解度从很差(0.217)提升到一般(0.480)...     

“双碳”目标下赋煤区新能源开发——未来煤矿转型升级新路径

“双碳”目标下我国能源结构正加速转型升级，以太阳能、风能、地热能等为代表的新能源正逐步替代传统煤、油、气等化石能源。推动煤炭和新能源优化组合是实现“双碳”目标提出的新要求，也是未来煤矿绿色低碳转型的重要路径。分析我国赋煤区能源分布特点，发现以煤为主的化石能源分布区域，往往也是太阳能、风能、热能等新能源富集区，适宜于在赋煤区大规模开发新能源。研究结果如下：(1)提出了赋煤区全生命周期能源开发理念，将赋煤区能源发展历程划分为煤炭、煤炭与新能源优化组合、新能源3个阶段，并搭建了赋煤区新能源开发总体架；(2)在太阳能开发方面，基于赋煤区与太阳能资源富集区的重叠关系对赋煤区太阳能理论储量与开发潜力进行评估，提出了分布式/集中式光伏发电、太阳能热利用和太阳能制氢等光化利用耦合的太阳能分级综合利用方案，实现太阳能多元高效转化与利用以及与煤炭资源的协同开采；(3)在地热能开发方面，基于赋煤区与地热能资源富集区的重叠关系对赋煤区地热能开发潜力进行评估，结合矿井地热形成机理、分布规律和矿井采掘情况，构建深部矿产资源与地热资源协同开发系统，形成包含矿井热水型、岩温型、混合型的矿井地热能分级开采与热用户梯级利...