廢棄礦井資源的可再生能源開發利用

謝友泉，高 輝，蘇志國，李 春，李寶山

（1.國華投資有限公司，北京 100007；2.中國可再生能源學會，北京 100190）

0 引言

隨著煤炭去產能的深入推進，大批煤礦被淘汰，成為廢棄礦井。僅2016年，我國就關閉退出煤礦2000個左右[1]。過去粗放式的開采并不注意保護環境，很多礦井并未實現資源綜合利用。在巔峰時期，我國礦井多達8萬多處，其中小煤礦占到80%～90%。這些廢棄礦井不僅造成資源的巨大浪費，還有可能誘發后續的安全、環境及社會等問題。因此，合理開展廢棄礦井資源的開發利用，不僅能夠減少資源浪費、變廢為寶，提高資源開發利用效率，而且可為廢棄礦井企業提供轉型和可持續發展的戰略路徑，推動資源枯竭型城市轉型發展。

煤炭開采后會遺留大量的采空區和地表沉陷區。以山西為例，因采煤累計形成100億m3的采空區，采空區面積達到2萬km2，相當于山西1/8的國土面積[2]。廢棄礦井的地下空間經改造后，可建設地下石油、天然氣等戰略物資儲備庫和深層核廢料埋藏庫，以及壓縮空氣、水力蓄能發電站，也可開發礦山公園或進行特殊實驗。我國廢棄礦井資源豐富，發展潛力巨大，對其進行科學開發利用具有重要的經濟效益、環境效益和社會效益，是保障我國能源可持續發展的戰略途徑。

我國對廢棄礦井資源開發利用的研究起步較晚，基礎理論研究薄弱，關鍵技術不成熟，且存在煤礦地質條件復雜、階段性廢棄礦井數量大等特殊條件。因此，我國廢棄礦井資源利用必須走智能精準開發之路，運用現代化信息技術，遵循因地制宜、多能互補、綜合利用、講求實效的基本原則，實現我國廢棄礦井資源的精準開發與利用。

1 廢棄礦井資源特點

1.1 礦區土地資源

廢棄礦井廢棄地是指在采礦活動中被破壞、未經治理而無法使用的土地。根據礦業廢棄地的來源可劃分為4種類型[3]：一是由剝離表土、開采的巖石碎塊和低品位礦石堆積而成的廢石堆廢棄地；二是隨著礦物開采而形成的大量的采空區和塌陷區，即采礦坑廢棄地；三是開采的礦石經各種方法分選出精礦后的剩余物排放堆積形成的尾礦廢棄地；四是采礦作業面、機械設施、礦山輔助建筑物和道路交通等先占用而后廢棄的土地。

土地是最重要的自然資源之一，是人類賴以生存和發展的物質基礎[4]。大量的礦井廢棄地不僅占用和破壞了土地資源，加劇了人地矛盾，而且也帶來了影響深遠的環境問題，尤其是土地重金屬污染問題。因此，加快礦井廢棄地的治理，實現區域生態經濟的可持續發展，已經成為環境生態研究的焦點問題。

1.2 地下坑道空間

廢棄礦井有巨大的空間資源。為保證安全生產，開采煤炭所需的井筒、巷道等建筑設施質量非常好，如果經改造直接用于地下儲物，是最簡單、最直接、最省錢的辦法。

截至2018年，我國廢棄礦井數量已達1.2萬個；到2030年，這一數字將變為1.5萬個。按每個礦井地下資源空間60萬m3計算，1.2萬個就是72億m3，相當于一座千萬人口大城市的空間[1]。

1.3 其他資源

我國廢棄礦井中賦存煤炭高達420億t，天然氣近5 000億m3，還有大量水、地熱、土地及可再生能源、生態開發及工業旅游資源。

2 廢棄礦井的可再生能源開發利用模式

2.1 光伏發電

①采煤沉陷區建設光伏電站

對采煤沉陷區進行綜合治理，在采煤沉陷區上建設光伏電站，是我國采煤沉陷區土地利用、礦區生態修復、推動資源型城市轉型發展、促進經濟發展的一個重要手段。

在采煤沉陷區建設光伏電站，要根據具體的地質釆礦條件進行采空區地基穩定性評估，新建建筑時必須采取一定的抗變形措施，必要時還需對采空區進行勘查和采空區注漿處理。對于我國絕大多數的廢棄礦區，采取相應技術措施后，在采煤沉陷區上建設光伏電站是可行的。

由于采煤沉陷區會產生一定的地表破壞、移動與變形，對采動影響范圍內的建（構）筑物產生一定的影響，故在采煤沉陷區地表建設光伏電站時，可能會對光伏電站產生不利影響。根據礦區開采沉陷情況，地下煤層開采結束以后經過一段時間，當地表連續6個月下沉值不超過30 mm時，可認為采空區地表沉陷達到穩定狀態[5]。但實際上由于受多種因素的影響，地表還會發生殘余沉降，甚至會發生突然塌陷，從而對地表建筑物產生一定程度的影響。因此，采空區基礎設施建設時應對采空區地表的沉陷狀況進行分析，針對不同情況應采取不同的應對措施。

②政府強力推進

利用采煤沉陷區建設光伏電站，為煤礦企業轉型提供了一種新的思路，并會帶來很好的社會效益、生態效益和能源效益。

《煤炭工業發展“十三五”規劃》要求，促進行業調整轉型，鼓勵利用廢棄的煤礦工業廣場及其周邊地區，發展風電、光伏發電和現代農業。盤活土地資源，支持退出煤礦用好存量土地，促進礦區更新改造和土地再開發利用等多項措施。

③經濟、環保效益突出

將采煤沉陷區治理與光伏產業扶貧、光伏產業技術進步和光伏規模指標管理有機結合起來，即解決了沉陷區土地閑置問題，又統籌推進沉陷區產業發展與生態環境治理，對于促進資源型城市轉變能源發展方式具有重大意義。

廢棄礦井的太陽能開發利用裝置規模可大可小，因地制宜靈活方便，而且受地域限制因素影響較小，非常適合大部分廢棄礦區的推廣使用。作為我國可再生能源推廣量最大的光伏發電技術，已經過長期的考驗，技術水平較成熟，系統清潔、高效無污染、對環境友好，投資小、日常運行維護成本低，具有較好的經濟、環保效益，隨著可持續發展戰略的實施，該技術將會在廢棄礦井治理過程中發揮不可替代的作用，發展前景廣闊。

2.2 壓縮空氣儲能

傳統壓縮空氣儲能系統是基于燃氣輪機技術開發的一種儲能系統，利用棄光、棄風和低谷電，將空氣壓縮并儲存于大型儲氣洞穴中；在用電高峰，高壓空氣從儲氣洞穴釋放，與燃料燃燒后驅動透平發電。但是，傳統壓縮空氣儲能系統不適合我國這類“缺油少氣”的國家，還需要特殊地理條件建造大型儲氣室。

我國的研發團隊通過十余年的努力，先后完成了蓄熱式壓縮空氣儲能系統和液態空氣儲能系統的研發及示范[6]。在此基礎上，提出了超臨界壓縮空氣儲能技術，同時解決了傳統壓縮空氣儲能依賴大型儲氣室和化石燃料的技術瓶頸，并進一步提高了系統效率。

壓縮空氣儲能是一種可以實現大容量和長時間電能存儲的電力儲能系統，可將風電、太陽能等不易儲藏的電力用于壓縮空氣，將壓縮后的高壓空氣密封在儲氣空間中，在需要時釋放壓縮空氣推動透平發電的儲能方式。

地下儲氣站可以采用廢棄礦井，其中最理想的是恒壓儲氣站，能保持輸出恒壓氣體。壓縮空氣儲能具有容量大、工作時間長、經濟性能好、充放電循環多等優點。在我國不具備建設抽水蓄能電站的礦區，尤其遠離消費中心的大型太陽能發電場，利用空氣儲能實現大規模長時間的儲能。壓縮空氣儲能優勢明顯，可以彌補抽水蓄能的先天不足，將是有效解決我國大規模儲能問題的重要選擇。

2.3 抽水蓄能發電

①廢棄礦井建設抽水蓄能電站的優勢

隨著風能、太陽能發電的發展，用電側的要求不斷提高，電源側的調控也變得更加復雜，系統中需要大量的調峰電源和可靈活調節的電源。抽水蓄能電站具有啟動快、運行靈活等特點，在電力系統中可承擔削峰填谷、調頻、調相和緊急備用等任務，可為電力系統帶來可觀的動態效益，有效地改善火電及其他類型機組的運行條件[7]。

煤礦報廢后留下的礦洞具有空間大、深度不一、不同高差、水源充足等特點，這些恰恰是建設抽水蓄能電站的有利條件。利用礦洞建設蓄能電站是很有前景的儲能方式，不僅有利于拓寬蓄能選點范圍，使蓄能電站更加接近負荷中心、可再生能源基地和特高壓線路交集處，還可以根據礦區能源開發情況，構成可再生能源微電網系統，使礦區從工業耗水、耗電大戶轉變為可再生能源電源輸出地；同時可以減少筑壩工程量和征地費用，緩解水源蒸發問題，有效減少項目投資；還可促進礦區自然生態環境的恢復，帶動周邊相關產業發展，實現變廢為寶。因此，利用廢棄礦洞建設抽水蓄能電站，對于廢棄礦洞的再利用具有重大的生態環保和經濟意義。

②廢棄礦井建設抽水蓄能電站的可行性

在我國利用廢棄礦井建設抽水蓄能電站的工程技術研究與工程建設尚處于探索性階段，還未形成系統的理論方法和技術規范。隨著這些領域理論與技術進展、工程示范及其推廣，不僅能夠有效實現能源儲存和電力調蓄，使我國可再生能源產業發展產生新的增長點，也為我國西部缺水地區煤炭開采及水資源保護利用提供重要科技支撐。煤礦地下水庫、礦井水循環利用與抽水蓄能發電一體化技術，能夠實現礦井儲水、蓄能發電、礦井水循環利用和可再生能源開發等多重目標，并有助于控制地表沉陷、維護礦區生態平衡，將對未來現代化、生態化礦井開拓布局、節能減排、綠色開發產生深遠影響。

3 結語

廢棄礦井可再生能源開發利用要走綠色發展的道路，注重廢棄礦井資源開發和生態保護的協調發展，遵循“在保護中開發，在開發中保護”的基本原則，應把綠色發展理念貫穿于廢棄礦井開發利用全過程。在項目選擇上要以環保優先為前提條件，做到高門檻準入、高標準開發、高要求監管；廢棄礦井的生態環境保護與治理要規劃先行，項目實施前要經過充分調研、論證；開發利用方案要經政府相關部門審核，做到科學、合理、有序、協調發展。