废弃矿井抽水蓄能地下水库构建的基础问题探索"

废弃矿井抽水蓄能地下水库的构建既可有效利用废弃煤矿地下空间,又可实现风能、光能等可再生能源的大规模利用,还可防止废弃矿井地质灾害的发生。全面阐述了废弃矿井抽水蓄能地下水库的概念与构建技术,根据地下水库所处的工程与应力环境,指出了构建废弃矿井抽水蓄能地下水库至少有2个科学问题需要解决:一是水文地质、水化学特征与地下水循环过程对选址的影响;二是围岩体-支护结构的稳定性和密闭性对建设和运行的影响,并全面综述了废弃矿井抽水蓄能地下水库技术框架及研究现状。针对上述问题,结合废弃矿井抽水蓄能地下水库建设的矿井地下空间利用途径、岩体稳定性及地下水库库容、巷道围岩长期变形及支护的时效性与水循环对水源及水质的保障等方面的研究现状,分别从地下水库库容、地下水循环、围岩稳定性与水质因素等4个方面进行研究,揭示了废弃矿井抽水蓄能地下水库构建的关键因素,即准确计算地下水库特征库容,掌握地下空间有效库容的变化规律;良好的水循环既可保证地下水库合理的库容,又能保证水动力过程不影响工程的安全;明确矿井水文地质特征及水库密闭性、地下空间围岩稳定性及应对措施,保证地下水库合理库容及工程安全;实时全空间矿井水品监测、水污染...     

基于模糊多准则决策模型的废弃矿井抽水蓄能电站选址研究

抽水蓄能电站建设投资大,对环境、社会、经济和安全要求严格,电站选址面临诸多因素制约。废弃矿井拥有天然高差和空间资源,将废弃矿井改造成抽水蓄能电站,可节约成本、缩短建设工期。本文基于阈值理论提出废弃矿井抽水蓄能电站选址初步筛选模型,运用专家意见与三角模糊TOPSIS决策耦合模型对通过初步筛选的矿井进行综合评价与优化排序,结合可持续发展和资源再利用要求,提出了最佳抽水蓄能电站选址的多阶段决策过程和方法体系。结果表明:选址决策的关键性指标分别为矿井水量、水位差、与电网的距离、地下空间、地震发生频率、地下围岩支护稳定性和当地用电量,矿井本身的自然条件在抽水蓄能电站改造中起决定性作用。备选矿井中石圪节煤矿最适合开展矿后抽水蓄能电站建设。     

基于空间句法的矿井应急疏散研究与应用

地下矿井作业危险,空间拓扑结构复杂,因而矿山安全事故时有发生,合理的应急疏散路线规划以及疏散指示布置,能够有效提高井下人员的逃生效率,降低人员伤亡与财产损失。结合某地下矿井实例,基于空间句法和GIS网络分析搭建地下矿井巷道网络模型,从逃生人员的空间认知角度出发,利用标准化角度选择度值选取巷道网络模型中的前景网络和背景网络作为主要避险通道,为应急疏散指示标志布置提供参考;考虑巷道宽度、巷道类型、巷道坡度等巷道基础属性信息,并结合空间句法指标——标准化角度整合度,构建巷道网络应急脆弱模型,顾及巷道空间单元的稳定性,规划井下人员的最优认知路径,进而实现了多目标的地下矿井紧急疏散路线规划。该研究不仅能够为地下矿井的巷道布局设计提供建议,还可为地下矿井的应急疏散路线规划辅助决策、应急预案制定提供理论依据,同时为紧急避险系统的建设与完善提供新的思路。     

句法视角下矿山地下空间结构研究与优化

地下矿山开采通常持续几十年到几百年,新的掘进巷道在已有的巷道规划基础上加建,新旧更替致使许多矿山地下空间结构趋于复杂。从全局与局部视角,以国内某金属矿山为例,构建了地下矿山空间句法模型,借鉴空间句法各项指标,分别对该矿东区某矿段的整体空间特征以及主要工作面的局部空间特征进行分析,并提出了对应的优化策略。通过对矿山地下空间组构的量化分析,揭示了矿山地下空间结构布局特征以及与巷道功能之间的映射关系,为巷道前期开采设计与后期空间优化提供了直接且有效的支持和引导,同时对于该矿山智慧化建设具有重要参考意义。     

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。     

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。     

煤矿抽水蓄能电站水陆两栖机器人的设计与分析

针对煤矿抽水蓄能电站建设前期废弃矿洞地下空间稳定性差,人工勘探分险大;后期电站建成后,其地下厂房系统错综复杂、地下水库空间环境的复杂性,人工维护、巡检难度大且安全性难以保障等问题,设计了一种煤矿抽水蓄能电站水陆两栖机器人。介绍了水陆两栖机器人的结构及工作原理,并对机器人关键部件进行强度校核分析。水陆两栖机器人采用基于全水液压的沉浮-姿态调节功能一体化系统,具备两栖通行和巡检作业能力,具有结构布局合理、姿态调节稳定、控制精确和环保性等优点,研究结果可为未来新型水陆两栖机器人的设计提供参考。     

废弃煤矿抽水蓄能发电新技术可行性分析

为克服可再生能源天然的随机性和不稳定性,以及对电网蓄能设施越来越大的需求,提出了利用废弃煤矿的矿井空间建设地下抽水蓄能发电站的设想。通过以某废弃煤矿的实际布局为对象设计了地下蓄能电站,计算了电站主要参数,并分析了其经济技术和经济指标。研究结果表明,利用废弃煤矿改造建设蓄能电站具有可行性,为技术选址提供了参考,可有效降低建设成本,具有较好的社会经济和环境效益,也为类似条件下的废弃煤矿再利用提供了借鉴。     

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。     

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。     

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...     

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。     

基于空间句法的高铁站域地下空间连通整合性能研究

随着高速铁路的蓬勃发展,高铁站域地下空间的连通整合问题成为影响通行效率的重要因素之一。然而,当前研究多从定性分析出发,缺乏针对空间内部的系统性定量研究。基于此,文章以高铁站域地下空间的连通整合性能为主要研究对象,结合其特征属性确定研究范围,以空间句法为主要定量分析方法,构建了高铁站域地下空间连通整合模型,通过对现有案例的建模提出了两方面的优化方案,并进行了进一步的对比研究。研究表明：1)连通中心对于站域地下空间连通性能提升呈现较强的整体性;2)连通主轴对于站域地下空间连通性能提升呈现较强的局部性;3)高铁站域地下空间布局中可以考虑将连通轴与连通中心组合布置以提高连通能力。本文内容可为国内外高铁站域地下空间开发及连通整合性能提升提供参考。     

“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。     

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,...     

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。     

河南省煤矿城市地下空间量估算

河南省内，因资源枯竭、非法开采、经营不当以及国家去产能政策等导致大量煤矿关闭/废弃，形成了大量的井筒、巷道、硐室和采空区等地下空间。基于河南省煤矿统计数据和矿井地面数据、井下调研数据，采用比例系数法和采空区模型计算法对河南省煤矿井巷和采空区可利用地下空间进行了估算，获得井巷地下可利用空间5265.97万m³,采空区可利用地下空间180255.21万m³,空间上主要分布在全省的中部和西部城市。并对空间资源量超过10000 m³的典型煤矿城市郑州市、平顶山市、三门峡市、鹤壁市和洛阳市提出了综合开发利用建议。     

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。     

双馈风机控制系统参数优化

将废旧地下矿井改造成抽水蓄能电站,与地面的双馈风电系统相结合构成互补发电系统可稳定地输出电能。而双馈风机控制系统含有大量的状态变量,与抽水蓄能电站结合后增加了影响电网小干扰稳定的潜在不确定因素。从双馈风机内部小干扰稳定机理出发,分析了风机控制系统参数与特征根之间的相关性,引入表征系统小干扰稳定性强弱的裕度指标,据此提出提高系统小干扰稳定的控制系统参数优化方案。算例验证所提方案有效性。