關閉/廢棄礦井地熱能開發利用研究現狀與進展

浦 海，許軍策，卞正富，HOLGER Schüttrumpf

(1.中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.新疆工程學院 礦業工程與地質學院，新疆 烏魯木齊， 830023；3.中國礦業大學 教育部礦山生態修復工程中心，江蘇 徐州 221116；4.亞琛工業大學 水利工程和水資源管理研究所，亞琛 52062)

隨著全球能源需求的持續增長，化石能源的使用導致過量溫室氣體的排放，對氣候環境造成了嚴重的負面影響，極易產生暴雨、干旱、臺風等極端災害天氣。我國政府承諾了“雙碳”目標，為應對全球氣候環境的變化做出更大的貢獻。推動可再生清潔能源的發展是實現這一目標的重要途徑，且清潔能源屬于國內能源，不依賴于進口，有利于維護國家能源的安全與獨立。可再生清潔能源如風能、太陽能和地熱能被認為是零碳清潔能源，其中地熱能因其廣泛性、便捷性和穩定性而倍受關注。然而，地熱能的開采面臨著前期投資成本大，利用規模小，風險高易引發地下水位下降和水體污染等問題。

考慮到上述限制地熱能開發的因素，關閉/廢棄礦井的再利用提供了克服這些阻礙的新思路。廢棄礦井中，地下空間作為采礦作業的“副產品”，投資和運營成本已經確定，不需要鉆井成本即可轉化為地熱井，且具有較為完整的水文與地質數據。此外，采礦作業增強了圍巖及地層間的滲透率，對于提高地熱能的開采效率和持續性起到了重要作用。因此，將廢棄礦井用于地熱能的開采不僅可以降低礦井廢棄對環境的破壞，且能延長礦井的經濟壽命，進而在礦區產生新的經濟活動。研究數據表明全球有超過一百萬口廢棄礦井，改造并利用地熱能的潛力巨大。然而，從廢棄礦井中開采地熱能的相關研究與利用項目仍相對較少。

自加拿大Springhill創新性的利用廢棄礦井地熱能以來，改造廢棄礦井已經成為地熱能開發的一種潛在途徑。HALL等分析了相關研究結果，認為地下礦井地熱能的儲量可從幾百千瓦到數百兆瓦不等。如BAILEY等針對英國廢棄礦井水的排放問題，探討了回收地熱能的可能性，得出約47.5 MW地熱能的回收量，而處理礦井水所需電力僅為2.3 MW；FARR等利用南威爾士廢棄礦井排放及地溫數據，估算出該地區礦井可產生約72 MW的地熱能，能為約6 500戶住宅進行供暖或制冷；MENéNDEZ等評估了Asturian廢棄礦井地熱能的利用潛力，結果顯示礦井地熱能的利用可減少該地區碳排放量的80%左右。綜上所述，廢棄礦井地熱能用于供暖、制冷及減碳潛力已被相關研究證明。然而，基于RAMOS等對世界范圍內廢棄礦井項目的篩選結果，僅有16個廢棄煤炭礦井(以下均用廢棄礦井)地熱能項目記錄在案，其中最成功的案例是荷蘭的Heerlen礦，利用廢棄礦井地熱能為約500 000 m建筑物進行供暖與制冷，且二氧化碳(CO)排放量減少了65%左右，綜合性能系數(Coefficient of performance，COP)達7左右。西班牙利用廢棄Barredo礦井，為距離礦井2 km的醫院和大學提供熱水與空間供能，系統的COP達5.5左右，CO的排放量降低約72%。與之相比，英國廢棄礦井地熱能的利用，如CapHouse和Markham等礦井，面臨著利用規模小、COP低、設備易腐蝕和堵塞等嚴重問題。此外，部分項目運行中存在著熱突破的風險，出現汲水點溫度下降的現象，影響了礦井地熱能利用的可持續性。針對上述問題，部分學者開展了相關現場實驗、理論分析和數值模擬研究，主要集中在廢棄礦井地球化學特征、溫度分布、水巖相互作用對礦井地熱能開采的影響、系統開或閉環的選擇及地熱潛力的評價等方面。基于關閉礦井水文地質數據，HUISAMEN等提出了一種礦井地球化學建模方法，用于預測礦井內水化學場的動態變化。JANSON等通過抽水實驗，探究了波蘭關閉Bytom礦井溫度空間分布特征。BANKS等估算了廢棄礦井靜態儲能潛力，而BAO等認為評估礦井儲能潛力時必須要考慮圍巖熱量的動態補給。筆者等詳細總結了廢棄礦井地熱能利用系統開或閉環的選擇及優缺點。此外，部分研究也涉及到礦井地熱能生產中的各種關鍵參數，如熱泵選擇(制冷劑、多級熱泵等)、泵送速率、泵送位置、熱交換器類型(U型管、螺旋管、板型)、系統回注點位置及潛在用戶間的距離等方面。MENéNDEZ等分析了CO代替氯氟烴等合成制冷劑時對熱泵性能的影響，指出需優化換熱器、壓縮機、膨脹閥等裝置的設計，以適應CO臨界循環并提升熱泵COP。部分研究也關注了廢棄礦井地熱能利用過程中的經濟問題(融資、獲利途徑)、對環境的影響(地表水、濕地、生物多樣性)及政策和法規等方面。到目前為止，廢棄礦井地熱能利用的研究涉及方面較多，但仍缺乏對其地熱能利用方面的綜述研究。

因此，考慮到所述問題，筆者參考了國內外相關研究成果，對廢棄礦井地熱能的利用進行了相關綜述。為了更好的理解廢棄礦井的研究現狀，筆者首先闡述了研究的背景與方法，主要概述了我國廢棄礦井的現狀及本文研究方法；其次，根據廢棄礦井地熱能利用原理，分別討論了地熱能開采系統、熱源、熱能需求及政策等因素的研究成果；并利用關閉張集礦的開采參數，考慮動態補熱的作用，評估了廢棄礦井地熱能利用潛力和環境效益；最后，得到了主要研究結論并進行了展望。

1 研究背景與方法

廢棄礦井主要指資源枯竭或不能滿足安全生產要求而關閉的礦井，由于缺乏明確的分配責任、恢復標準及高昂的資本支出，各國廢棄礦井的利用均面臨著巨大的困境。為改善這一現狀，歐盟于2016年出臺了相關法規，通過財政補貼鼓勵企業和社區進行廢棄礦井的再利用，將廢棄礦井轉化為可再生能源的生產和儲存設施，進而在礦區產生新的經濟活動。煤炭是我國重要的一次能源，在國家和地區經濟發展中起到了關鍵作用。隨著資源枯竭和國家政策的原因，大量礦井將被關閉或廢棄。然而，我國礦井關閉后，往往停止抽水或封堵豎井，不符合可持續發展的要求。

1.1 關閉/廢棄礦井現狀

截至2020年底，我國關閉廢棄礦井的數目已達12 000個，預計2030年達到15 000個。如圖1所示，關閉/廢棄礦井主要集中在我國中西部地區，該地區人口稠密，經濟相對發達，利用潛力巨大。相關研究表明，2016—2020年，關閉礦井累計提供了約80 Mm地下空間資源。同時，我國煤炭開采平均每年破壞地下水約60億t，利用率僅為25%。礦井關閉廢棄后產生了大量未開發利用的空間和水資源，易誘發地質災害、環境污染(圖2)進而影響礦井地表生態平衡與周邊居民的健康。因此，針對我國廢棄礦井的再利用，需要結合社會資源與能源的需求，因地制宜的開發利用。

圖1 2016—2020年我國關閉/廢棄煤炭礦井分布[49]

圖2 廢棄礦井地質災害及環境污染

習近平主席提出了“中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的目標。然而，如圖3所示，我國CO排放量的增長勢頭依然迅猛，年均增長量為2.5%左右，2020年達9 452 Mt，占全球排放量的30.7%，實現“碳達峰”目標形勢依然嚴峻。可再生清潔能源是實現“碳達峰”的重要支柱。然而，目前我國家庭和商業的熱水需求、空間供暖與制冷仍以化石能源為主，冬季能源供需緊張，易造成大量碳排放和嚴重的霧霾問題。地熱能的利用可以有效解決這一困境，顯著降低碳排放量。廢棄礦井擁有豐富的水熱資源是地熱能潛在利用對象。因此，將廢棄礦井的開發與地熱資源的需求因地制宜的結合，是一種開拓性和可持續性的“后采礦”技術，可減少對環境的影響并產生新的資源，為推動資源枯竭城市轉型及降低碳排放提供了一條可持續的途徑。

圖3 2010—2020年主要碳排放國CO2排放量

1.2 研究方法

詳細回顧了已發表的文獻資料，對廢棄礦井地熱資源利用過程中涉及到重要因素，如儲層水的來源、儲層體積評估及水文地質變化對系統的影響等，進行了論述與分析。如圖4所示，文獻資料主要包括同行評審論文、會議演講稿和新聞雜志等，來源于“中國知網”“Web of Science”“Scopus”及“ResearchGate”等數據庫，檢索時遵循“關閉/廢棄礦井”、“廢棄煤炭礦井”、“礦井水”、“地熱能”等主題，且只考慮中文和英文資料。為了兼顧深度和廣度，使研究內容更具代表性，僅討論已廢棄煤炭礦井用以地熱研究的文獻，并強調以礦井水為系統工作基質。此外，由于廢棄礦井的利用與政策因素間的關系不可忽略，因此也檢索了礦井再利用相關的政策研究。在此基礎上，筆者總結了上述各個方面的主要研究成果，用以分析廢棄礦井地熱能利用方面的研究現狀與進展。

圖4 文獻資料檢索方式

2 關閉/廢棄礦井地熱能研究框架

目前為止，化石能源仍是居民供暖與制冷的主要能源，導致了大量溫室氣體的排放。如美國供暖和制冷消耗約占家庭能源消耗的56%，碳排放量約占美國的20%；英國約占家庭能源的50%，年消耗330億英鎊，造成英國約30%的碳排放量。因此，需選擇一種持續性清潔能源用于居民能源脫碳。而廢棄礦井具有豐富地熱資源，可加快居民熱能脫碳和零碳排放目標的實現。針對此，世界各國開展了廢棄礦井地熱的研究與利用，表1概括了有關廢棄礦井地熱能利用主題的研究成果以及最新的國際研究。HALL等、PERALTA等和CHU等回顧了世界各地利用礦井地熱能利用項目，認為這種巨大的地熱能潛力并未得到有效開發。

表1 廢棄礦井地熱能研究文獻簡述

廢棄礦井地熱能的開發取決于多種因素，可概括為4類(圖5)：① 政策上的指導與支持，允許廢棄礦井成為新的資源并加以利用。針對廢棄礦井地熱能的應用，在支持機制和政策引導不明確的情況下，將無法保障投資者的合法取水和采熱權，影響資金的來源與系統的長期運行。此外，需要界定開采所引起地下水污染的責任及持續時長，及礦井水排放時處理標準和責任等。② 評估廢棄礦井熱源潛力，確定礦井再利用規模。而水、熱以及連通性是評價熱源的3個關鍵要素。③ 地熱能開采系統，選擇合適熱泵系統將熱量從地下輸送到建筑內或釋放到地下，進行空間供暖或制冷。④ 考慮用戶規模與需求，評估投資成本與經濟上的可行性。基于此，論述了廢棄礦井地熱能利用研究現狀與進展。

圖5 廢棄礦井地熱能系統關鍵因素及開采原理示意

3 關閉/廢棄礦井地熱能系統

地源熱泵系統是利用淺部地熱能的最佳方式，可將廢棄礦井水作為地熱資源和熱能儲存的介質，為工業、商業和住宅提供熱水、供暖或制冷。根據利用對象不同，熱泵系統可分為：地下水熱泵、土壤耦合熱泵和地表水熱泵。熱泵(HP)是這些系統能量轉換的關鍵一環。如圖6所示，熱泵通過壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器和制冷劑運行整個循環，以達到能量轉移至用戶或礦井水的目的。夏季循環時：首先，冷凝器中的高溫高壓液態制冷劑被減壓，通過膨脹閥節流后進入蒸發器，變為低溫低壓液態制冷劑。隨之，低溫低壓液態制冷劑吸熱后成為低溫低壓氣態制冷劑，進一步被壓縮機壓縮為高溫高壓氣態制冷劑。最后，氣態制冷劑進入冷凝器將熱量釋放到恒溫礦井水中。釋放熱量后，變為高溫高壓液態制冷劑再次被減壓，形成了“減壓—蒸發—壓縮—冷凝”封閉循環。冬季供暖時，通過循環系統切換可實現反向供暖模式。目前，隨著熱泵技術的發展與節能減排的需求，越來越多高性能熱泵系統被設計，如復合多級循環熱泵、光伏-太陽能-熱泵(PV-SHP)、化學熱泵及新型制冷劑熱泵，可以參考文獻[1,40,73-74]。然而，將新型熱泵技術集成到廢棄礦井再利用創新系統中仍需要更多的工作。

圖6 熱泵系統及廢棄礦井地熱利用模式

3.1 系統開/閉環配置

可再生能源區域供能系統是高密度城市一種有潛力的節能減碳措施。圖6顯示了幾類基于熱泵系統，利用廢棄礦井地熱能區域供暖與制冷的模式。根據是否直接接觸利用礦井水，可將系統進一步細分為開環和閉環配置。

開環式系統通過循環礦井水運行，當礦井水流經換熱器(蒸發器和冷凝器)時，熱泵系統進行捕獲熱量(供暖)或釋放熱量(制冷)，熱量傳遞結束后，礦井水被排出或再次泵入。然而，廢棄礦井水不可避免的受到開采污染，包含固體懸浮物和化學離子等，可能腐蝕堵塞輸送管道(圖7(a))。因此，開環系統仍然需要額外的熱交換器(Heat Exchanger,HE)，以避免礦井水和熱泵管路之間的接觸(圖6)。針對熱交換器管路的堵塞，可以通過機械清洗、化學處理或安裝過濾網等方法降低堵塞的風險。根據汲水和排放的類型，開環系統具有以下3種不同配置連接(圖6)：① 雙井回注系統，如英國Lumphinnans和Shettleston廢棄礦井，需考慮系統長期運行可能導致礦井水溫度的均質化；② 單井回注系統，如英國Markham 豎井，針對該系統，可采用Thiem公式(式(1))估算由井壁獲得熱量補給，需要注意的是式(1)僅可用來計算幾何形狀相對簡單熱源；③ 地表排放系統，如西班牙Barredo礦井等，但仍需要對礦井水進行處理。此外，為了彌補季節波動和供能需求間的不平衡，筆者提出了一種利用關閉礦井采場反季節儲能的開環系統，通過太陽能加熱夏季制冷的尾水并儲存于深部水庫，用于冬季供暖，夏季則反之(圖7(b))。為了克服礦井水水溫均質化問題，Heerlen運行了全新Minewater 2.0系統，通過集群(Cluster)調控實現了用戶間熱量即時交換，最大化利用礦井水的能量，并實現了回注水溫度的控制，避免礦井水溫度急劇的變化(圖7(c))。

圖7 廢棄礦井利用面臨問題與利用途徑

(1)

與開環系統相比，閉環系統更為復雜，需要固定體積的熱載體流體和浸沒式熱交換器，以捕獲或釋放熱量。熱載體流體作為熱源和熱泵系統間的能量交換介質，可以攜帶熱源熱量或向熱源釋放熱量，一般采用乙二醇、鹽水溶液或清潔水等流體。受黏度影響，不同熱載體循環所需輸入能量不同，如乙二醇黏度大，流動時會產生層流行為，增加功耗降低效率。此外，系統效率也受熱交換器形狀的影響。由于螺旋管內二次流的影響，螺旋管比直管或U型管能提供更好的流體混合和熱交換，且螺旋管的螺距、螺旋直徑和長度也是影響熱交換器效率的關鍵因素。熱交換器一般由高密度聚乙烯(HDPE)/聚丙烯(HDPP)、聚氯乙烯(PVC)/聚丁烯(PB)塑料管或金屬管制成，內徑一般為20～50 mm，壁厚2.0～2.3 mm。圖6顯示了幾種廢棄礦井閉環利用系統，如在淹沒的露天礦地表水和地下礦井水中實施。如果水量不足，或者開環系統影響生態環境時，閉環系統則是較好的代替方案。

顯然，每種與熱泵結合的系統配置都有其優點和局限性。表2給出了選擇系統配置時需要考慮的因素，這與CHU等、BANKS等所總結內容相類似。盡管如此，選擇哪種特定系統配置時，應考慮廢棄礦井的具體特征、熱能需求及建筑物的類型等。

表2 開、閉環系統對比

3.2 系統性能參數

礦井水地熱能成功利用的案例證明了使用這種清潔能源為建筑物供暖和制冷的可行性。系統供暖時，熱量被釋放，礦井水的溫度下降Δ；制冷時，熱量被傳輸至礦井水中，導致礦井水溫度升高Δ。當礦井水作為熱源或冷源時，則熱泵制冷劑由流動水流中提取的熱能為

=Δ

(2)

式中，為泵入回路流量，m/s；為水的密度，kg/m；為水的比熱容，J/(kg·K)。

COP是衡量熱泵性能的關鍵參數，表示熱泵運行時所耗電能()與產生熱能()的比值。熱泵運行時COP一般為3～6。

當系統供暖時，熱泵COP為

COP=

(3)

當系統加熱時，壓縮機所做功為正，因此，式(3)中的表達式為

=+

(4)

因此，熱泵供暖側所輸出熱能和消耗的電能可以用COP與礦井水處所獲得的熱能衡量表達，而COP與熱泵選擇有關，是一個明確的參量。

=COP(COP-1)

(5)

=(COP-1)

(6)

如果考慮到供能的損失為4%，每年加熱時間為小時，則每年可獲得熱能為

(7)

與系統供暖相比，供冷時壓縮機所做功為負向，因此這里引用了另一個參數能效系數(Energy Efficiency Ratio,EER)來描述熱泵供冷性能。事實上，COP和EER之間只是表示形式的不同，兩者的物理意義是相似的。EER表示熱泵輸出的制冷量與消耗電能的比值，計算式為

EER=

(8)

不同于式(4)，由于壓縮機所做功對熱泵系統制冷產生了負面影響，因此制冷時：

(9)

式中，為熱泵通過礦井水輸出的制冷量，與物理含義類似；為每年可獲得冷卻能。

由式(2)可知，對于系統來說，溫差Δ和回路流量是影響熱泵系統熱能的主要因素。首先，為了分析溫度對系統的影響，圖8總結部分仍在運行廢棄礦井地熱能項目。

由圖8可知，礦井水的溫度參數對于系統COP和輸出功率至關重要。例如，隨著供暖時礦井水溫度的升高，系統COP呈現增大趨勢，而隨著輸出溫度的增大，系統COP呈相反趨勢。可以從熱力學角度解釋這些現象，根據逆卡諾循環可知，在2個溫度(用戶)和(礦井)條件下獲得熱機的COP為/(-)。分別對或求導，由式(10)可知COP隨著增大而減小，而隨增大而增大。換言之，系統熱泵COP與溫差Δ是正相關關系。由于COP的物理意義與EER相似，因此很少研究關注溫度變化對熱泵EER的影響。

圖8 部分廢棄礦井地熱項目

(10)

回路流量是影響熱泵系統的另一個重要參數。考慮到礦井水的溫度25 ℃，提供35 ℃熱水用于供暖(1 700 h)，采用某種熱量輸出的熱泵，假定冷凝器和蒸發器出口溫度分別為35和20 ℃，熱泵COP=5。則根據方程式(2)～(5)可知，當流量為5 L/s時，=105 kW，而=131.25 kW，因此，冷凝器每年可獲得熱量為223 125 kWh，耗電量為44 625 kW·h。由式(5)可知每年獲得熱量178 500 kW·h。這些結果與YOUNGER等、ATHRESH等結果相類似，使用5 K溫差，每100 kW加熱或冷卻需要回路流量5 L/s。當流量為100 L/s，可達到2 625 kW，可獲得熱量為4 462 500 kW·h。此外，根據式(2)～(6)分析了流量、COP和輸入電能之間關系。

如圖9(a)所示，當流量不變時，COP隨著消耗電能的增加而降低；當消耗電能一定時，COP隨著流量的增加而增大。當熱泵參數確定時，可由式(11)確定。圖9(b)給出了礦井水流量、峰值熱負荷(一般指平均負荷)與COP關系。由圖9可知，流量和熱負荷呈線性關系；當熱負荷確定時，系統汲取流量隨著COP增大呈現增大趨勢。

圖9 熱泵COP與運行參數間關系

(11)

上述討論了回路流量與利用溫差對礦井地熱系統熱泵性能參數的影響，然而這些參數并不是恒定的，礦井水溫度分布與鹽度分布有著密切關系，同時又受到儲水層圍巖熱導系數、比熱容、放射性熱產量和滲透率等參數的影響，如BAO等分析了礦井水溫鹽分層對系統瞬態吸收能量的影響；KRANZ等評估了礦井圍巖熱物性參數對礦井地熱系統效率的影響。這些參數也是理論分析和數值模擬中的關鍵輸入量，這將在熱源部分進行進一步的討論。

4 關閉/廢棄礦井熱源

由于多數礦井位于地下飽水帶區域，當礦井關閉或廢棄后，停止泵送抽水，礦井水將逐漸充滿地下空間形成儲水儲熱層。缺乏對廢棄礦井儲層熱源清晰的認識是限制礦井地熱資源開發的主要因素，尤其是被淹沒的廢棄礦井，在地應力和地下水的長期作用下，礦井的地下結構如支護體、礦柱、頂板或破碎巖體等結構易發生嚴重的變形破壞，進一步阻礙了對儲層地熱能潛力的評價。礦井儲層熱源的潛力是指可從該礦井獲得的地熱能總量。JESSOP從不同角度估算了礦井地下熱流體的體積，提出了2種用于估算儲層地熱能潛力的方法。RAFAEL等建立一種簡單的模型，根據礦井運行的參數，可估算出礦井地熱能潛力的上限和下限。然而，這些方法均是靜態儲能的表述，由于不考慮礦井深部動態補水補熱，并不能真實反映出關閉礦井儲層熱源的地熱能潛力。因此，評估廢棄礦井熱源時，需要考慮地下水流向和補給、儲層連通性變化、溫度分布特征、抽取速率信息、水位及水化學的變化等對礦井熱源的影響。

4.1 礦井熱源水補給

確定礦井水的補給來源量，是評價礦井地熱能系統利用的關鍵。礦井水的補給來源一般分為有效降雨滲流補給、深層地下水補給及地表水域補給。由于補給水源的存在，礦井關閉后泵送停止，礦井逐漸被淹沒導致所謂的地下水回彈。地下水回彈速率由補給水滲透量和礦井有效空隙分布與體積決定，因此確定補給滲透量進而通過回彈速率確定有效儲水空隙分布和體積，可更加準確評估礦井熱源潛力。同時為了平衡礦井地下水水位波動，總補給滲透量與系統泵送速率之間要基本保持一致。此外，補給水源的不同會導致礦井水溫度鹽度不同而出現分層現象，影響了礦井儲層熱源溫度分布特征。如BURNSIDE等利用化學離子示蹤劑分析了CapHouse礦井水的補給來源，發現從豎井抽出混合富鐵水中存在大量的晚更新世水，這是礦井水穩定熱量的來源。JANSON等通過抽水實驗測試了礦井水特征的動態變化，結果顯示泵送系統中水成分和礦井水溫度基本穩定，反映了礦井完善的地下水熱來源。HABAIBEH等研究了開環單井回注地熱系統可持續性，認為明確流入儲層中新鮮水的來源是評估系統長期潛力的關鍵。然而，上述研究礦井水來源方法需要重新鉆井或抽水進行大量礦井水物理化學參數的收集。針對此，YOUNGER基于礦井地質資料、開采及泵送排放數據等，提出了一種簡單低成本方法用于預測關閉礦井水位上升速率、平衡水位及地下水和地表水的流入質量和速度。因此，評估廢棄礦井地熱系統潛力時需先確定礦井水補給來源，在此基礎上制定合理開采方案，避免礦井水熱源大量流失。

4.2 礦井熱源儲水體積

與礦井水來源相比，礦井水體積是影響礦井熱源的另一個關鍵因素。地下采掘作業改變了地下水的自然流動，形成了具有3個孔隙度級別(巷道和開采層、裂隙孔隙度和原始巖石基質孔隙度)人工“偽巖溶”儲水空間。因此，評估廢棄礦井地下儲水體積時，采礦作業方式應需提前考慮。如“長壁”開采形成了垮落帶、裂隙帶和位移帶，其中垮落帶和裂隙帶具有一定儲水能力；充填開采會產生壁面收斂、充填材料壓實、開采層以上地層破裂等現象，形成了孔隙與破裂并存的“含水層”；崩落開采會產生頂板崩落，導致上部巖層連續崩落直至穩定，產生了一個孔隙度與巖溶層相似的“含水層”。此外，如英國、加拿大等廢棄礦井常采用房柱式開采，開采空間可充滿地下水。我國地下采掘以長壁開采為主，可以通過不同半經驗公式計算兩帶高度，然而計算儲層空隙體積時需要確定開采引起兩帶中的孔隙度，因此計算時進行了假設且忽略時間因素導致結果偏差較大，這也是文獻[83,86]更傾向于通過水反彈速率確定有效儲水體積的原因。

廢棄礦井地下結構的地質力學行為亦是影響礦井儲層水體積的關鍵因素。礦井關閉/廢棄后，地下水逐漸淹沒礦井地下結構，不僅導致甲烷等礦井有害氣體發生遷移聚集引發災害，且礦井水削弱了礦井結構導致地表沉降再次發生，影響了礦井儲水體積。如英國愛丁堡以東廢棄礦井停止排水后，區域水位恢復伴隨著突然發生的地表沉降，礦井水涌出地表，使原址鐵路線被迫遷移2 km。事實上，對某一特定地點的廢棄礦井水儲層(空隙、廢物、破碎巖體及煤體)塌陷狀態很難預測，但這些因素非常關鍵，因為其強烈影響礦井水資源及其長期可用體積的評價。然而，目前很少研究涉及到廢棄礦井地下結構變形坍塌行為對礦井地熱能開采的影響。此外，礦井儲層體積也受礦井坍塌結構的巖性和其沉積過程的影響。了解這些“礦井廢物”的特征和相關形成過程，利于準確評估儲層容量和流動特性。如ANDREWS等調查了英格蘭Whitley Bay附近海岸侵蝕暴露的坍塌礦柱和硐室的內部結構，發現這些礦井產生分階段坍塌，留下一個富含黏土的沉積層，該沉積層將逐漸降低礦井儲層的水容量。同時，地下水在塌陷礦井中流動導致煤炭角礫巖和層狀泥漿等礦物的沉積，該過程與時間密切相關，也會嚴重影響礦井水力特性和潛在儲水體積。但上述研究未考慮地熱系統運行過程中，水熱抽取或回注對礦井地質力學行為的影響。因此，利用關閉前遺留數據去評估礦井儲水潛力存在明顯不足，需要更加關注系統運行時礦井地下結構的變形破壞行為對礦井儲水的影響。

4.3 礦井熱源水力連通性

在采礦業之外，地下水流主要是通過地層內的自然滲透特征(裂縫、裂隙、相互連接的孔隙)向地熱系統輸送熱量。然而，儲層的這種自然滲透特征很難長期維持，進而限制系統長期運行。巷道和采空區是煤炭開采的副產物，作為地熱儲層時具有極強的滲透性，可滿足地熱流體抽取或注入時誘發大量地下水流動的需求。如圖10所示，廢棄礦井儲層空間可分為采空區和巷道2類(長壁開采為主)。采空區作為儲層時，上覆荷載和礦井水的作用造成破碎巖體再破碎、結構變形、浸水軟化(化學侵蝕、溶解和膨脹)和滲流侵蝕(侵蝕膨脹)等耦合損傷。同時，長期浸水會改變破碎巖石的孔隙結構，加劇了破碎巖體結構的變形。破碎巖體的再破碎、孔隙結構調整和擠壓及顆粒沉積堵塞極大地減少了孔裂隙連通性，降低了礦井地熱系統的開采效率。此外，由于垮落帶的壓實作用，熱源儲層頂板將逐漸下沉，從而將應力轉移到殘余礦柱上，可能損壞承載結構，導致礦井進一步垮塌，威脅地下水流動通道的流通性。因此，探究采空區破碎巖體的孔隙演化規律，對礦井熱源水力連通性和穩定性至關重要。

圖10 關閉廢棄礦井儲水結構變形破壞過程

此外，多數廢棄礦井水pH值呈現中性或微酸性，含有可溶性鐵、錳、鎂等金屬礦物及各種礦物離子。圖11為南威爾士地區16個廢棄礦井水中的離子分布特征。在自然條件下，礦井水各種礦物離子處于化學平衡狀態。然而系統運行時，當(O)(水中氧氣分壓)增加時，部分礦井水的pH值會逐漸下降(式(12))，水中會產生赭石顆粒(式(15))、軟錳礦(式(16))或施威特曼石。若圍巖存在方解石時，礦井水pH值變化將被抑制(式(13))，但(CO)(CO水中分壓)增大時易生成碳酸鹽顆粒沉淀(14)。例如英國Shettleston，Glasgow和Lumphinnans礦井地熱能在利用時，由于接觸空氣引起回注水的(O)和(CO)發生變化，導致回注井圍巖孔隙因沉淀堵塞，嚴重影響了礦井水回注效率，進而導致開采井水位急劇下降。同時，酸性礦井水加速了破碎巖體和礦柱結構的劣化。

圖11 南威爾士16個廢棄礦井水化學離子Piper圖[18]

由于破碎巖體的非均質性、多物理化學場的耦合及空間形態多樣性，采用宏觀方法很難準確描述破碎巖體內部結構劣化和破壞機制。因此，針對采場破碎巖體孔隙變化，未來的研究應從微觀上研究破碎巖體在應力-水浸泡/浸潤-化學侵蝕過程中的孔隙演化。

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

巷道作為熱儲層時，儲層間水力連通會受圍巖結構變形和破壞影響，因此利用礦井巷道儲熱時需評估巷道結構的長期穩定性。針對巷道穩定研究已有很多，如不同形狀、支護、荷載及圍巖等條件下巷道變形破壞特征及控制，然而現有研究很少關注水-巖耦合長期作用對巷道變形破壞特征影響，尤其是巷道長期浸水條件下受到化學場與應力場的作用(圖10)。因此，巷道作為熱儲層時，應更多關注多物理場和化學場耦合作用下巷道變形破壞及評估破壞后結構對礦井地熱系統運行的影響。

4.4 礦井熱源溫度特征

溫度分布特征是決定廢棄礦井地熱能潛力的關鍵因素。為了分析廢棄礦井儲層熱源溫度特征，本節首先探究了熱源溫度(熱)成因，主要考慮了熱場、地溫梯度、大地熱流值及地層構造對其影響；其次是討論了礦井水化反應對熱源溫度的貢獻；最后分析了礦井水溫度和鹽度分層的變化對礦井熱源溫度分布的影響。

4.4.1 熱源溫度成因

明確廢棄礦井熱源溫度成因及其影響因素是礦井地熱資源實現經濟利用的基礎。礦井熱源溫度特征受控于熱場、地溫梯度及大地熱流等因素。根據熱量來源的不同，熱場可分為地熱場(地殼深部)和巖漿熱場(巖漿)。巖漿熱場具有持續時間有限、分布呈現區域性、相對溫度較高的特征。YANG等分析了錢家營煤礦深部地熱溫度異常因素，發現礦區熱場以地熱場為主，但部分地區溫度異常受到了巖漿熱場余熱的影響。因此分析礦井熱源溫度可持續性時需要考慮熱場的分布特征。與熱場相比，地溫梯度取決于巖石的傳熱性、地層特征、地下水的流動性及區域地質構造特征等。熱導率是影響地溫梯度的重要因素，同時也決定了巖壁間的換熱速率。KRANZ等測試了Freiberg礦井片麻巖的熱物理性質，并分析了巖石熱導率對礦井地熱系統效率的影響。而巖石熱導率受地層年代、巖石巖性及組分的影響，總體上與地層年代呈正相關，表明熱場熱量更易沿著巖層方向傳遞；砂巖和粉砂巖等碎屑巖的熱導率普遍小于白云巖、灰巖等碳酸鹽，而煤、泥巖最小，熱導率總體上隨著泥質組分增大而降低。

如圖12所示，文獻[64]利用鉆孔穩態測溫和巖石導熱率數據確定了礦區地溫分布特征(圖12(a))，發現中西部厚松散地層和泥巖層由于熱導率低而產生“鍋蓋效應”，進而易形成高溫地熱區。礦井地溫分布與地質構造的分布也存在耦合性。研究表明，地質構造(褶皺和斷層)形成過程中，由于機械摩擦導致區域地溫異常，同時地質構造也是地下熱源熱量交換和散失的有利通道，因此可能觀察到礦井局部溫度呈現高異常或低異常(圖12(a))。此外，由于地下水的高比熱容及其流動性，深部地熱場也受到地下水流場的影響，尤其是存在斷層時地熱場會驅使深層高溫水向低溫水流動，影響了整個礦井溫度分布特征。大地熱流(熱流)指地球內部熱量傳送至地表的一種現象，一維穩態條件下等于地溫梯度與巖石熱導率乘積。因此，廢棄礦井地熱利用時需詳細調研該區域地溫成因及補給因素，以確保廢棄礦井熱源的可持續性利用。

圖12 錢家營礦井地溫分布特征[64]

4.4.2 水化反應放熱

廢棄礦井水中具有明顯的化學特征，見表3，總結了部分廢棄礦井水pH值、離子濃度、金屬溶解度、硬度以及懸浮固體含量等特征。如前所述(式(12)～(16))，當礦井水內部化學平衡狀態被打破時，改變氧化還原條件將促進礦物氧化進而影響礦井熱源局部溫度分布。事實上，大多數涉及礦物與礦井水的地球化學反應都是放熱的。如JESSOP等發現當礦井水的溶氧量由8.5 mg/L降低至0.05 mg/L時，可溶性鐵的氧化將引起15.7 J/m熱量的釋放，導致每立方米礦井水溫度升高約0.004 K。YOUNGER等和BANKS等也在廢棄礦井中發現了類似的升溫現象。大量研究表明，深部礦山環境下任何可溶性錳(Mn)和鐵(Fe)都處于還原狀態，是影響礦井水溶氧量的主要礦物。礦井水溶氧量變化時將會產生強烈化學反應。因此，除了深度外，化學反應放熱是儲層熱源溫度的主要驅動因素，確定放熱反應釋放的能量將顯示出礦井化學反應對熱源潛在貢獻。例如黃鐵礦(FeS)氧化反應具有很高的放熱性，其氧化還原如式(12)所示，假定礦井水中鐵總濃度為0.002 mol/L，則由計算結果可知，黃鐵礦的氧化導致礦井水溫度升高了0.732 ℃。南威爾士廢棄礦井水文調查結果也顯示出了類似結果，氧化反應導致了Ynysarwed，Morlais，Glyncastle和Tan Y Garn關閉礦井溫度分別升高了0.507，0.150，0.130和0.370 ℃。此外，其他礦物化學反應(如方解石溶解)也可能引起礦井水溫度的升高。與地熱梯度影響相比，礦井水化學反應放熱引起的溫度升高是相對較小的，但卻促進了不同溫度礦井水的混合。這里沒有詳細介紹廢棄礦井水化學特征監測方法，一般采用多探針傳感器對礦井水溫度、pH值、氧化還原電位(Eh)、電導率和總溶解固體(Total Dissolved Solids,TDS)進行了現場測量，具體可參考文獻[103]。

(17)

(18)

其中，Δ為整個反應的熱焓，kJ/mol，負號表示反應是放熱；為水的摩爾熱容。

4.4.3 溫鹽分層

大型水體受溫度和地球化學場的影響通常具有層狀結構，如露天礦積水、湖泊、海洋等水體可被分為不同水平層。在這種層狀結構中，水體的溫度和鹽度被分為不同的層，相鄰層間的界面處出現顯著的溫度和鹽度梯度，每一層的溫度和鹽度幾乎相同，因此被稱為溫鹽分層。溫度和鹽度梯度對于礦井水垂直密度的分布貢獻是相反的，這是浮力的來源，也是溫鹽分層的主要原因。如圖13(a)所示，通過雙擴散對流模型(Double Diffusive Convection,DDC)模擬出了海洋中出現的溫鹽分層結構，并描述了層間擾動導致了高溫層合并為中低溫層的現象，進而影響了水體溫度的分布；通過井測數據和水樣分析，圖13(b)顯示了由于大氣降雨導致露天礦水體出現溫鹽分層的現象，兩層間的溫差達到3 ℃。廢棄礦井水作為一種常見類型的地下水體，通常也具有層狀結構，如加拿大Springhill、英國Markham及德國Wolf礦井水中均觀察到這種明顯溫鹽分層現象。研究表明，這種礦井水分層現象可以限制或停滯礦井水體間的熱量和質量傳輸，但穩定層內可充分混合循環形成不連通對流單元。如果熱泵運行時未考慮熱源溫度分層邊界，易引起汲取點礦井水水質和溫度的變化，導致沉淀、堵塞和腐蝕發生，從而限制了礦井水熱儲資源的開發。因此，地熱系統的設計和運行需考慮系統參數對礦井水溫鹽結構的影響，如泵送位置和泵送速率很大程度上取決于溫鹽分層結構，而溫鹽分層結構的形成和演化又受到了這些參數的影響。換言之，溫鹽分層以一種非常復雜的方式與地熱能系統參數的選擇相互作用。例如過高的泵送速率，可能通過破壞溫鹽分層加劇分層的不穩定性，促進礦井水熱量與鹽度的運動混合，以復雜的方式改變熱源溫度特征。而這種層間的混合可能導致系統運行時熱源水溫顯著下降，從而影響礦井熱源溫度分布與系統的可持續性。因此，深入了解溫鹽分層的形成和演化機制對于評估礦井儲層熱源溫度特征和地熱能系統效率與持續性至關重要。在此基礎上，達到主動調節溫鹽分層的目的，從而實現礦井水地熱能開發系統的設計和優化。

圖13 大型水中溫鹽分層現象

然而，關于溫鹽結構的層化機制，尤其是分層界面位置隨時間和空間的動態變化，難以預測。為此，大量相關研究為層化機制提供了有意義的見解，如文獻[14]提出了對流臨界溫度梯度的判據，分別計算了直徑25 mm和1 m豎井發生雙擴散對流的溫度梯度為50，0.14 mK/m；文獻[35]確定分層的臨界溫度梯度和出現分層結構的浮力比，認為浮力比為1時可作為確定分層的標準。事實上，溫鹽分層是流體力學和傳熱學的一個重要交叉學科，特別是自然/強迫對流和熱傳導/對流。如文獻[112]提出了利用無量綱Richardson數識別由自然/強迫對流引起的不同類型的溫鹽分層，如Richardson數小于0.1時，強迫對流占據分層主導地位。部分學者也采用無量綱Rayleigh數和Grashof數描述對流過程中的傳熱，以判斷溫鹽層間破壞與平衡。盡管已有廢棄礦井中溫鹽分層的研究，但關于溫鹽層形成和演化過程對礦井系統參數影響仍未透徹。此外，很少研究提及到采空區，尤其是厚煤層采空區是否會產生溫鹽分層及對溫度分布特征的影響。

4.5 礦井熱源利用的可行性

廢棄礦井與地源熱泵耦合系統運行時，系統的效率和持續性受控于礦井水在地質系統中熱量和溶質的傳輸，且礦井的熱源熱容量有限，應與需求相匹配，因此量化礦井熱源與系統間的熱交換對于評價熱源利用的可行性至關重要。為了實現這一目標，如圖14所示，相關學者建立了解析模型和數值計算方法，并與實驗結果互相結合，但缺乏地下礦井詳細水文地質及溫度數據，阻礙了這些結果的準確性。

圖14 廢棄礦井熱源利用可行性的研究方法

如果可用數據有限，解析模型方法可能產生與復雜數值模型相類似的結果。通常，解析模型使用流動和傳熱控制方程的精確數學解，只能處理簡單的幾何形狀和均質的情況。如圖15(a)所示，假設巖體各向同性，在水流速、密度等不變情況下，考慮徑向發散，利用遞歸計算法推導了流體通過長為巷道時出口的溫度(R-D模型)，發現流量為10 m/h時礦井水每升高5 ℃需要流經長度為1 km巷道，且30 a后系統熱補給功率由200 kW下降至125 kW。此外，如圖15(b)所示,另一種解析模型LPB模型常用來分析充滿流動地下水在水平層的熱傳遞，幾何上更加適用于描述采空區熱傳遞。與R-D模型相比較，LPB模型估算系統熱交換能力值偏低，主要因為該模型適用于含水層和裂隙，不考慮熱量沿徑向的發散，這一點在圖15(c),(d)中可以看出。R-D模型更為真實，考慮了流體熱交換能力隨流體流量和巖石熱導率增加而增大，且這種增加隨時間推移而遞減。LOREDO等評價了這2種水巖熱交換的模型，認為計算大直徑巷道時R-D模型可能落入層流狀態，不滿足假設湍流條件下獲得Nusselt數，模型將傾向于高估礦井水熱傳遞。雖然解析模型只能用于簡單系統情景，但在早期可行性研究階段可為系統與熱源熱交換及回注方案的可行性提供關鍵的洞察。

圖15 2種解析模型及結果比較

如上所述，解析模型適用于概念型礦井地熱系統，所分析的幾何結構簡單。然而考慮到礦井復雜的水文地質條件時，解析方法不夠強大，需要使用數值計算的方法。數值計算一般將控制方程式(19)～(21)通過某種方法離散或轉化為代數方程組。常見離散方法為有限差分方法(FDM)、有限元方法(FEM)及有限體積法(FVM)，其中FVM是計算流體力學(CFD)中最常用方法。為此，總結了部分利用數值模型研究礦井地熱能利用可行性的成果(表4)。

表4 廢棄礦井地熱可行性數值模擬

連續性方程(質量守恒)：

?=0

(19)

動量守恒方程:

(20)

能量守恒方程:

(21)

式中，(·?)和?分別為對流項和擴散項；，，，，，，，，和分別為速度場、時間、密度、壓力、運動黏度、單位體積力、恒壓比熱、溫度、導熱系數和耗散能。

FERKET等通過FEM方法對Heerlen礦井水流動和傳熱進行了建模，由于所研究礦井工作面的范圍和復雜性，僅獲得了10～20周期泵送結果。此外，如圖16(a)所示，HAMM等建立了包括巷道、豎井、回填工作面和圍巖體的數值計算模型，采用Fluent模擬了Vouters礦井水流動和傳熱過程對礦井溫度場的影響，認為礦井溫度場下降不僅取決于生產流量，而且與圍巖滲透系數密切相關。GHOREISHI等基于模擬結果，發現圍巖滲透系數為10m/s礦井水溫度比圍巖滲透系數10m/s的高1 ℃，而滲透系數為10m/s的模擬結果20 a后僅比滲透系數為10m/s的結果高0.01 ℃。因此，圍巖滲透系數為10m/s可作為判斷熱傳導或自然對流傳熱方式的近似標準。GUO等使用了Tough2模擬了裂隙帶高度和滲透率對礦井水熱交換的影響，并分析了礦井熱提取率與系統參數間的敏感性，發現熱提取率與開采速率、回注水溫度密切相關，這與Heerlen地熱項目Minwater 1.0升級原因相一致。此外，為了分析多孔介質和礦井水水熱傳輸問題，RENZ等提出了針對復雜地質條件下關閉礦井的建模方案，LOREDO等詳細的論述了廢棄礦井地熱開采中的滲流和傳熱數值模擬現狀，并討論了特定場景數值方法的選取依據。

圖16 礦井地熱能利用可行性的研究方法

然而，解析模型和數值計算需要簡化或假設條件不能帶來準確的研究結果，因此部分學者開展了實驗研究，主要包括現場試驗、抽水/回灌試驗或物理相似試驗。如波蘭USCB礦區通過泵送利用同位素進行了水文地質和水文化學的研究，以評估礦井地熱能開采的可行性(圖16(b))；HABAIBEH等開發了一套小型仿真模擬器(圖16(c))，利用紅外熱像儀和溫度監測系統評估了礦井地熱系統的可行性。因此，關閉廢棄礦井地熱能項目實施之前，必須要建立相關解析模型、數值計算或進行實驗研究，以評估礦井地熱開采技術上的可行性。

5 需求影響

關閉/廢棄礦井地熱能的開發受到潛在需求、環境和經濟效益的驅動。潛在需求是評估廢棄礦井地熱能開發可行性的基礎，決定了礦井地熱系統設計規模、投資成本及經濟獲益等。然而，礦井熱源與潛在需求間的距離往往影響投資成本與經濟獲益，阻礙了廢棄礦井地熱能利用的推廣。隨著兩者距離的增大，需要挖掘溝渠，安裝保溫水管、液壓附件及大功率的循環泵，增加了投資成本，且長距離管道輸送降低了系統的效率。如圖17所示，廢棄礦井地熱能源廠凈現值(Net present value,NPV)、內部收益率(Internal rate of return,IRR)、潛在需求(能量負荷)和距離間的關系。當廢棄礦井能量負荷為1 MW時，系統凈現值為負，表示該方案不具備經濟可行性，而當負荷增大時(10 MW)，系統凈現值為正意味著投資者可從該方案獲益，同時需求距離的增加導致系統凈現值顯著降低。內部收益率指凈現值為0時的回報率。從圖17可知，系統的內部收益率與需求距離呈負相關，而能量負荷的增加可以降低這種影響。此外，系統COP對于礦井地熱能源廠凈現值和內部收益率起到積極作用，隨著COP增大，系統的內部收益率和凈現值呈增大趨勢。需要指出是系統COP并非系統熱泵的COP，系統COP計算式為

圖17 廢棄礦井地熱能源廠NPV,IRR與需求距離關系[24]

(22)

式中，為系統熱泵輸出的熱能，kW·h；為熱泵工作時所消耗的電能，kW·h；為系統抽水泵工作時需要電能，kW·h。

利用現有豎井和通風井作為廢棄礦井熱能開采和存儲的通道，可以有效降低投資成本。然而，豎井和通風井位置與潛在需求用戶間的距離難以控制，限制了礦井地熱能的開發，過遠的距離不僅降低了系統經濟可行性，且嚴重影響輸出功率。為了解決該問題，選取合適地點重新鉆井至礦井地層或許是一種有效途徑。此外，重新鉆井也為部分豎井填埋、坍塌的廢棄礦井地熱能再利用提供了可能。

6 政策與法規

煤炭開采受到國家嚴格監管，必須遵守管理監督機構制定的法令、條例和政策。在國家和區域間，煤炭運營商需要遵守許多法規，這些法規幾乎涵蓋了煤炭行業勘探、生產、關閉和廢棄等各個方面。然而，礦井關閉/廢棄相關法規并不完善，已成為區域環境經濟嚴重的負擔。由于資源枯竭，英國關閉了所有運行的煤炭礦井，大量廢棄礦井給英國帶來了沉重的管理和經濟負擔。英國煤炭管理局要求運營商需承擔關閉礦井的環境責任，大量礦井被迫抽水避免礦井水的反彈污染地下水。此外，歐盟要求其區域內所有煤炭企業于2018年年底停止運營，大量礦井被關閉遺棄，導致了區域經濟和環境惡化。我國國家能源局也制定了廢棄礦井的處理方式，主要是豎井填埋、封堵等方面的要求。但是，這些政策或法規并未提供任何有效方針，指導關閉廢棄礦井重新用于其他有益方面。環境保護意識的增強和清潔可再生能源需求的增長，促使各國發布了地熱能源開發的相關法規，這些政策為利用廢棄礦井地熱能提供了可能性。一般來說，開采地熱能的法律框架考慮了各種因素，如可持續發展、能源需求和方案、土地和水資源的使用期限、鉆井、環境和社會效應等。如美國建立了各種地熱能利用的法律政策，要求地熱能的開發應遵守國家和區域法規，并于2005年頒布了《能源法》。同時，任何地熱能項目實施，可以獲得能源部和農業部資金支持。此外，我國也制定了開發地熱能的相關政策，增加了開發地熱能的投資來源，如《中華人民共和國可再生能源法》《促進地熱能開發利用指導意見》及《可再生能源發展專項資金管理暫行辦法》等，進一步規范了我國地熱資源的開采行為。

盡管許多國家發布了地熱能源的政策，但據筆者所知，尚未制定專門政策或法規來管理約束廢棄礦井的用途，包括地熱能的開采和地下儲能方面。隨著對廢棄礦井地熱能開采的研究與推廣，缺乏支持性法規或政策不僅會阻礙這些技術的廣泛采用，而且會導致希望利用廢棄礦井的企業和投資者陷入困境。因此，需要將地熱能開采相關較為完善政策嵌入或擴展到廢棄礦井相關現行法規政策中，進而推動廢棄礦井地熱能資源的利用與技術的進步。

7 案 例

通過上述討論和收集數據表明，利用地源熱泵系統回收或釋放熱量于礦井水中是廢棄礦井地熱能主要的利用模式。根據利用原理從熱泵系統選擇、熱源溫度特征、潛在需求和法律法規等方面概述了廢棄礦井地熱能利用的研究進展。因此，這里重點分析了一個案例，用于直觀評估廢棄礦井地熱能開采潛力、持續性及環境效益。同時計算儲熱時，考慮了BAO等提出的圍巖動態補熱對系統運行的影響。

7.1 靜態儲熱

由于煤炭資源的枯竭和低碳經濟的發展，徐州地區所有煤炭礦井已于2016年之前都已關閉(表5)。全市區域內礦井運行期間煤炭資源開采總量約為5.74億t，抽排水總消耗量達到了36.8億t，其中溶巖水為14.2億t，表明該地區關閉廢棄礦井具有豐富的水、空間資源。

表5 徐州礦區主要廢棄礦井生產數據[120]

在本研究中，考慮徐州礦區作為計算案例有以下原因：① 地溫梯度高，徐州部分千米深廢棄煤礦地下溫度超過45 ℃，有良好的熱源；② 地下水資源豐富，可保持地下水動態平衡，降低熱儲損失量；③ 多數廢棄礦井位于大型復向斜中，具有極強的滲透性；④ 徐州地區礦井水質量較好，可利用開環系統進行大規模的供能。

關閉的張集礦位于徐州北部，于1978年投產，2016年底關閉。礦區占地面積約15 km，年生產原煤90萬t，總產量約為2 872萬t。假定煤體的密度為1 500 kg/m，考慮體積轉換系數為0.25，對于多數礦井這是個保守估計值，則根據總采煤量可計算出地下礦井的儲水量約為4.787×10m。基于儲水體積數據，可根據式(23)初步計算出礦井靜態儲熱量：

(23)

表6 廢棄張集礦靜態儲能與化石能源轉化值

7.2 動態補熱

如圖18所示，地下采礦活動形成了豎井、巷道和采空區等空間結構，不同結構間幾何形態存在顯著的差異性。根據結構間差異性，BAO等提出了一種估算礦井儲熱潛力的模型(圖18(c))，該模型只考慮2種補熱模式，即來自圍巖的熱傳導和通過圍巖的熱對流。正如LOREDO所指出，熱影響的半徑是隨著開采時間逐漸增大的，即圍巖的溫度會隨著開采時間逐漸降低。因此，該模型可能高估礦井地熱能的開采潛力。由于是廢棄的銅礦，該模型僅考慮了豎井和巷道空間，為了方便計算均假設為圓形，CHU等、HARM等計算時也采用了類似的假設。然而，由于采礦方式的差別，地下煤炭礦井的長壁開采會形成更大儲水體積的采空區，如顧大釗等利用采空區建立了大柳塔地下水庫，滿足了礦區日常用水的需求。針對采空區的儲水，ZHANG等綜述了地下水庫研究進展，考慮膨脹系數和開采高度的影響，計算了采空區的儲水系數，并分析了采空區儲水后水巖的相互作用對儲水系數的影響。此外，GUO等考慮不同頂板的巖性對采空區儲層地熱潛力的影響，結果顯示，堅硬頂板的廢棄礦井比其他情況下具有更多的地熱潛力。因此，綜合考慮CHU等、BAO等、ZHANG等及GUO等研究成果，提出了一種用于評估關閉礦井(張集礦)地熱潛力的模型(式(24))。由于考慮到地熱梯度的影響，因此模型中未考慮豎井的利用。

(24)

(25)

如圖18(a)所示，采空區的等效體積可以由開采的參數進行確定，根據式(26)～(27)確定兩帶的高度，同時獲得孔隙度即可通過式(28)計算兩帶內空隙的等效體積。考慮到張集礦頂板為中等強度砂巖(40～60 MPa)，因此，式(26)～(27)中的計算參數見表7。然后，參考文獻[65]，和分別取14.3%和5%，即可得和分別為388 245 m和376 500 m。因此，礦井采空區可視為長度()為1 000 m、直徑()為31 m的等效圓柱。

表7 中等強度頂板兩帶(垮落帶和裂隙帶)高度計算參數[85]

圖18 模型簡化示意

(26)

(27)

(28)

式中，，，分別為垮落帶、裂隙帶和煤層高度；～為計算兩帶高度的經驗參數；，分別為垮落帶的體積與孔隙率；，分別為裂隙帶體積和孔隙率。

為了描述圍巖熱傳導對系統靜態儲能的補熱效率，引入了表示圍巖熱傳導補熱與靜態儲能的比值，即

(29)

其中，為礦井水體外部表面積與體積的比值。需要注意的是由于模型長度遠大于直徑，因此未考慮等效圓柱體兩端面積。

圖19(a)顯示了不同大地熱流條件下，補熱效率與時間的關系，可以發現系統通過圍巖熱傳導補熱時高度依賴。考慮到對實際應用具有現實意義的能量補充下限，這里以=0.1作為分析案例。例如，當=25 mW/m時，需要超過5 a才能達到靜態儲能的10%。而當=100 mW/m，仍需要超過12 a才能完全達到靜態儲能的估算量。此外，如圖19(b)所示，分析了=100 mW/m時利用溫差Δ對的影響。由圖19可知，Δ越小，增加越快，圍巖熱傳導可在更短時間內達到靜態儲能的估算量。如Δ=10 ℃，圍巖達到靜態儲能的40%需要約11 a，而Δ=5 ℃時，相同條件下僅需要5 a。因此，為獲得更多能量而盲目提高利用溫差，不利于系統運行的長期穩定性。另一方面，通過比表面積反映了圍巖快速熱補給能力，越趨近于1，礦井水與圍巖熱傳導越強，熱量補給也越快。當=0.1時，不同值條件下，與時間函數關系如圖19(c)所示，可以得出一定時，值越大，達到0.1速度越快。例如當=0.4，為100，25 mW/m時，達到0.1的時間分別約為2.5 a與9 a。此外，相同條件下，越大，熱能補給越快，說明增大比表面積可以提高系統熱能補給。因此，可以認為采空區的空隙空間增加了圍巖與礦井水的接觸，促進了熱量的補給，是廢棄礦井優先采熱儲熱的區域。

圖19 大地熱流、利用溫差及比表面積對圍巖熱傳導補熱的影響

此外，定義了用以表征圍巖熱對流對靜態儲能補熱的影響：

(30)

其中，假定礦井深部圍巖溫度與利用溫度相同即=，為與的比值。與其他參數相比，充能因子很難確定，其取決于巖體性質和流動條件(例如巖體滲透率和流體流速等)。圖20(a)給出了4種體積比條件下與充能因子之間的函數關系，即隨著線性增加，且越大，增加速率越快。相反，的值一定時，充能因子隨著增大而減小(圖20(b))。由于熱量來源于周圍巖體，更大的巖體能夠提供更多的熱補給，可以解釋上述關系。根據CATALDI的研究，合理的充能因子可能是1.5%。然而，這一結論并未考慮采掘活動對圍巖滲透性的影響，因此圖20中考慮選擇0.25作為的上限值。對于實際補熱速率(=0.1時)，圍巖與礦井水體積比=5(事實上圍巖體積應大于礦井水體積)時，充能因子為3.5%，該結果與CHU等與BAO等獲得結果相類似。

圖20 圍巖熱對流補熱參數間關系

圖21 圍巖熱對流和熱傳導補熱量

表8 cf計算值

表9 cr計算值

7.3 效益評價

表10 計算案例的參數

8 結 論

(1)關閉/廢棄煤炭礦井不應被視為一種問題，而應被視為一種資源或能源。將廢棄礦井再利用進行地熱能的開發在未來的熱能供給方案中具有巨大潛力。盡管利用潛力大，但由于技術、經濟、環境及社會等因素，我國廢棄礦井地熱資源的發展仍相對緩慢，相關利用項目較少。隨著我國煤炭開采重心的西移，中東部遺留了大量關閉礦井，迫切需要尋求高效利用廢棄礦井資源的途徑。

(2)廢棄礦井地熱能回收系統主要分為開環和閉環系統。礦井水的特征、熱負荷及系統復雜性決定了系統開環或閉環設計，其中回路流量和利用溫差是影響系統性能的關鍵參數。此外，地熱系統運行時對熱源化學和溫度特征的影響需要著重考慮，前者易產生堵塞腐蝕，后者決定泵送位置和速率。

(3)廢棄礦井儲水體積、水力連通性及溫度特征是決定礦井儲層熱源可用性的關鍵因素。評估時不僅需考慮關閉前礦井地質參數，更需注意關閉后礦井變化特征，如關閉后結構變形破壞，影響礦井水體積與連通性等；同時，需考慮系統運行時對熱源影響，如取水熱和回注水時對礦井圍巖地質力學性質的影響等。

計算結果表明，盡管考慮圍巖的熱補給作用，系統達到靜態儲能的水平仍需要近10 a時間，不能滿足長期穩定性的供能要求。因此，未來的研究應著眼于多能互補方式開發廢棄礦井地熱資源，結合風能或太陽能將廢棄礦井作為產-儲熱能的關鍵結構，并需發展完善相關的法規與政策以管理和支持廢棄礦井再利用，推動廢棄礦井地熱資源再利用的技術進步。