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,...     

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...     

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。     

矿井降温与热能利用一体化技术

以高温热害矿井为研究对象,设计一套井下降温与热能利用的综合系统,该系统既可以制冷工况运行,为高温矿井井下降温提供低温冷源,也可以在冬季制热工况运行回收高温矿井井下热能,为地面建筑提供供热热源。该技术综合利用热泵与井下降温技术,在进行矿井降温的同时,实现了井下热能回收利用,一套系统解决了高温矿井井下降温和地面建筑供热的双重需求,同时极大地降低了设备投资和运行费用,实现了能源的循环利用。     

废弃井巷抽水储能技术构想及关键技术参数研究

结合煤矿井巷和采空区废弃过程及废弃矿井抽水储能研究现状,提出了废弃井巷抽水储能技术构想、技术方案及实现方法,对系统关键技术参数及其计算方法进行了介绍和推导,研究结果表明: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;采空区涌水量、废弃井巷水库库容、系统电能储备量是废弃井巷抽水储能的三项重要技术参数;结合废弃井巷及采空区的空间资源特性,在废弃井巷水库库容计算中提出了阶梯式死水位的概念,提高了水库库容的计算精度。进一步厘清了废弃井巷抽水储能技术实现方式及关键技术参数,为废弃井巷抽水储能系统设计及技术推广应用提供了参考。     

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。     

双碳目标下废弃矿井绿色低碳多能互补体系建设思考

双碳战略目标下煤炭行业高质量发展迎来新的机遇与挑战,充分释放废弃矿井负碳增能潜力,创新风、光、水、热等新能源开发利用耦合新型物化储能协同发展模式,推进绿色循环低碳能源体系稳定发展。应对清洁能源稳定供给与煤炭工业净零发展挑战,提出废弃矿井绿色低碳多能互补体系,集成全息地质结构重构、多种能源融合、物化联合储能、碳固结利用、多网智慧调控、智能应急救援的产-储-固智慧新型负碳绿色能源供储体系,以地表地下联合空间为载体,多源数据融合数字孪生技术为支撑,风险智能判识预警与灾害应急救援为保障,实现废弃矿区多维度分级分类分区域联动清洁能源生产、储备、供给与碳捕集、封存、利用。凝练了废弃矿井绿色低碳多能互补体系发展面临的数字工程地质、多场时空耦合演化、功能地层空间维稳、风险超前精准预警和智能应急抢修救援等5个关键科学问题,提出了数字孪生工程原态场景、工程扰动多场耦合灾变演化、创新多能互补技术体系、CO₂工程封存与生态碳汇、分布式智能电网建设、数字风险预警系统和应急救援技术装备等7个主要研究方向,将为实现清洁能源稳续供给、碳永久封存、能-碳平衡循环发展,保障国家能源安全与经济社会高质...     

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。     

废弃煤矿压缩空气储能地质安全稳定性分析

为解决去产能废弃矿井的再利用问题，根据压缩空气储能的技术特点，提出了利用废弃煤矿的深地空间进行压缩空气储能的五个原则和要求，并针对具体矿井计算了可作为压缩空气储能的地下可利用空间，提出了用于选取合适储气压力区间的四个稳定性评价准则，利用FLAC3D数值模拟软件对新集三矿地下可利用空间建立了数学模型，对主、副井筒以及-340m水平巷道和硐室在10.8MPa下支护前后的地质安全稳定性进行了数值模拟分析。研究结果表明：在10.8MPa的压力范围内，经过支护、加固后的井筒、巷道和硐室，可以满足压缩空气储能的安全稳定性要求，这为利用废弃矿井进行压缩空气储能提供了研究基础和理论依据。     

一种废弃矿井地热资源再利用系统研究

废弃矿井的再利用对矿业产业的可持续发展起着至关重要的作用。矿井废弃后仍赋存着丰富的资源,有潜在的积极用途,尤其是大量可再生地热资源有着巨大的应用前景。分析了国外废弃矿井地热资源开采与利用现状,提出了一种废弃矿井地热资源利用循环系统模型,该系统利用顶板垮落后采空区的储水优势,能够充分利用废弃矿井地热、水及空间资源,进行清洁能源的生产,避免了矿井废弃后资源的浪费与次生灾害的发生,同时可有效地降低温室气体排放和环境污染。研究结果表明:倾向长度350 m,走向长度4 000 m,高度6 m近水平工作面采空区的储水能力约为580 000 m~3,静态储能约为5 200 MW·h;考虑不同地层采空区的温度特性,设置冷热源水库,整个系统运行时功率可达8.4 MW,年供能约24 960 MW·h,可约为250 000 m~2住宅空间进行有效的供暖或制冷。与传统化石能源煤炭相比,系统运行时每年可减少约为7 812 t二氧化碳排放,碳排放系数仅为0.072 kg/(kW·h),降低了81%以上。此外,相关部门应建立健全废弃矿井的管理机构,提前做好矿井关闭前再利用计划。同时,矿业企业要做好再利用的技术储备与措施,实现废弃矿井的再利用,推动采矿区域环境恢复和经济复苏。     

国内外废弃矿井资源化利用现状与关键技术研究

废弃矿井的处置是能源环境领域面临的一大关键问题,严重影响着全球资源开发与环境保护协调发展。为了更好地利用矿井废弃后遗留的大量资源,介绍了国内外废弃矿井现状以及废弃矿井资源化利用现状与特点,简述了废弃矿井的潜在危害,阐述了废弃矿井综合利用的内涵与关键科学问题,探讨了废弃矿井地热能开发利用、地下水资源精准利用、建设地下储气库等关键技术,指明了废弃矿井地热能资源勘察评估、地下水库煤柱坝体稳定性以及储水能力计算、地下储气库选址的技术难点,提出了废弃矿井资源化利用思路。研究表明,废弃矿井资源化综合利用在废弃矿井转型与可持续发展等方面具有广阔应用前景,可促进我国资源枯竭型城市转型发展。     

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。     

“以废治废”的CO2封存新思路-碱性固废固化于地下废弃空间

我国目前的CO₂封存能力距“碳达峰”、“碳中和”双碳目标的要求仍有较大差距,多元化的CO₂地下封存方式并举对于助力实现碳达峰、碳中和目标具有重要的推动作用。本文在总结我国目前CO₂地下封存现状、碳源碳汇分布的空间格局、碱性固废处理现状、碱性固废矿化CO₂能力和地下废弃空间治理现状的基础上,提出了通过碱性固废对CO₂进行矿化捕集,再将其以固态的形式输送到地下废弃空间的封存方式,实现“以废治废”。依据现有地下废弃空间总量、距离地级城市周边50 km以内的地下废弃空间量以及省域级地下废弃空间量分布,分别计算了相应的碱性固废包括粉煤灰、钢渣、电石渣封存量及CO₂封存量,从封存总量和空间分布格局两方面证明了上述CO₂封存方式的封存潜力,同时指出了该封存方式尚待开展的研究内容以及地质工程专业的优势。     

水源热泵在东欢坨煤矿的应用

为充分利用丰富的矿井水资源,实现节能减排,东欢坨煤矿实施了水源热泵节能工程。该工程利用矿井水热能资源,采用水源热泵技术满足矿井冬季供暖和供热、夏季制冷的需求,实现替代锅炉。工程主要包括井筒防冻系统、工业广场建筑供暖系统、联合建筑空调和工业场地职工浴室洗浴热水加热系统。     

煤矿井下抽水蓄能发电新技术:原理、现状及展望

煤炭开采引发矿山灾害、地表沉陷、水土流失及生态环境损害等问题,但同时在地下形成了巨大的可供利用空间。全面阐述了煤矿井下抽水蓄能发电的概念与技术,对比分析了落差型、活塞抬举型、海洋浮力型和高压风储库蓄能4种非常规蓄能发电技术,指出利用废旧煤矿的开采空间（巷道及采空区）的煤矿井下抽水蓄能发电新技术具有得天独厚的优势,对我国废旧矿井重复利用、可再生能源开发和电力调蓄、矿区生态保护等提供了新思路。估算了我国废弃煤矿和现有煤矿的蓄水储能发电总量。进一步提出了煤矿地下水库、矿井水循环利用与抽水蓄能发电一体化技术构想,充分利用煤炭开采过程中形成的巨大的地下空间,实现储水、蓄能发电、矿井水循环利用和新能源开发等多重目标,并有助于控制地表沉陷、维护生态平衡,对我国可再生能源产业发展以及水资源严重短缺的西部地区煤炭开发提供重要的技术保障,并对未来现代化、生态化矿井开拓布局、节能减排、绿色开发产生深远影响。     

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,〖JP2〗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。     

浙江废弃矿井现状调查及影响分析

浙江省废弃矿井占据了大量的土地资源,未经治理的废弃矿井区域普遍存在地面建筑物破旧,地下采空区安全隐患,地下、地表水体及土壤污染,环境景观恶劣等现象,局部存在引发地质灾害的危险。通过对全省范围内的废弃矿井展开系统全面调查,查明各类废弃矿井2 806处,主要集中于浙西低山丘陵区的衢州市1 442个、浙南西部山地丘陵区的丽水市509个、浙中丘陵盆地的金华市445个,占全省废弃矿井总数的85.39%,并对各类废弃矿井进行影响分析,归纳总结废弃矿井影响现状,为开展系统、全面、有针对性的治理工作提供依据。     

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)...     

轻型轮式废弃矿井探测机器人的防爆设计

废弃矿井的重新再利用成为世界资源再利用的新主题,而用于井下探测工作的矿井机器人必须具有一定的防爆设计。在分析了国内外煤矿机器人防爆设计现状的基础上,对用于探测废弃矿井井下环境的轮式矿井机器人的结构进行了介绍,重点探讨机器人防爆设计,为今后矿井探测机器人的设计提供参考。     

新型矿井热害防治系统及其可行性分析

随着地下矿开采深度的不断增加,矿井热害问题日益突出,不仅威胁井下作业人员的健康,而且严重影响劳动效率及企业的经济效益。通过对传统制冷工艺的深入研究,在分析以往人工制冷措施利弊的基础上,提出了一种新型的矿井热害防治系统,该系统由2部分组成,分别运用了传热学及热力学的相关原理。第一部分是覆盖在制冷巷道围岩表面的隔热材料,作用是降低围岩热辐射及与制冷系统配合延缓空气升温。第二部分是一套人工制冷系统,是在传统空气压缩制冷循环的基础上合理改进而来。该系统以制冷巷道作为制冷对象,将原有的换热方式改为2股气流的混合,在不影响井下风量和风速的前提下,降低制冷巷道中的风流温度。该系统不仅使制冷效果得以显著提高,而且简化了系统组成,降低了施工及运行管理的技术难度,同时减少了资金投入,节约了生产成本,而且系统安全性也相对更高。