邯鄲陶二礦礦井建設(shè)抽水蓄能電站可行性分析

張勝利

（河北冀中新能源科技有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引言

煤礦是資源型企業(yè)，隨著礦井的不斷開采，煤炭資源儲量逐步減少，礦井服務(wù)年限逐漸縮短，盡管利用先進技術(shù)延長礦井壽命，但仍面臨資源枯竭而關(guān)閉的問題。為了減少因礦井廢棄造成的國有資產(chǎn)浪費，廢棄礦井的開發(fā)利用十分重要，但一直沒有很好的解決辦法，大量廢棄礦井和存量資產(chǎn)仍舊閑置。利用廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站，可充分利用煤礦生產(chǎn)時遺留下來的井巷工程，且作為儲能發(fā)電的重要部分，不僅形成了新能源結(jié)構(gòu)，而且盤活了廢棄煤礦的存量資產(chǎn)，還可成為持久、有效利用廢棄煤礦資源的方法，是廢棄煤礦資源化利用的最佳選擇。

1 煤礦抽水蓄能電站基本原理

對煤礦現(xiàn)有的一些設(shè)施進行改建，在地面建設(shè)抽水蓄能上水庫、控制室等，在采掘巷道建造下水庫、輸水系統(tǒng)等。基本原理是利用上下水位勢能、電能和機械能之間的能量轉(zhuǎn)換，在電力低負荷時，系統(tǒng)機組處于電動機和水泵的工作狀態(tài)，利用電網(wǎng)谷段或是棄風棄光的電將下水庫的水抽到上水庫，將這些電儲存起來，待白天和傍晚用電負荷急劇增加時，將水從上水庫放出，把水的勢能轉(zhuǎn)換成電能，緩解電網(wǎng)在高峰時段的用電壓力，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行以及削峰填谷起到調(diào)節(jié)作用。

2 陶二礦概況

陶二礦位于河北省邯鄲市復(fù)興區(qū)，冀中能源股份有限公司下屬礦井，該煤礦于2020 年關(guān)閉，關(guān)閉后留下了大量的沉陷區(qū)、地下采掘巷道，以及工業(yè)廣場、辦公用樓等，井上下高差700 m 左右。由于煤礦的關(guān)閉，井下鋼軌、機車、電纜等設(shè)備已拆除，已毀閉井筒，填實蓋帽，副井由于留做排水使用需保留，因工業(yè)場地保安煤柱的存在，礦山的辦公生活區(qū)及礦山道路不存在開采塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，閉坑后，礦山的辦公生活區(qū)及礦山道路均可保留利用。同時，還導(dǎo)致礦井水不斷增加，在地下空間集聚水資源。利用陶二礦建設(shè)抽水蓄能電站，可充分利用煤礦關(guān)閉后遺留的地下空間以及豐富的礦井水資源。

3 邯鄲陶二礦水儲能發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)

3.1 原有地下空間的利用

項目考慮-710—0 m 標高作為蓄水空間，主要包括礦井的-710 m 水平大巷以及-710 m 水平采空區(qū)。

陶二礦礦井開拓方式為立井開拓，混合式通風，主井、新副井以及東副井井筒進風，中央風井、北風井回風。立井與-258 m 水平相連，再通過暗斜井連接-710 m 水平，加上水平大巷、機電硐室、連接巷等空間，蓄水能力在50 萬m3左右。

3.2 蓄水空間可擴性

-710 m 水平以上至0 m 存在大量采空區(qū)，需要做增透工程，提高匯水速度。在-710 m 水平以上附近已經(jīng)形成的采空區(qū)，打開原工作面上下兩巷，并在采空區(qū)合適位置打鉆疏通，布置一定的鉆孔，使鉆孔成為疏水通路，確保蓄水空間的水流通暢，形成采空區(qū)有效蓄水空間50 萬m3。

3.3 蓄水能力的確定

根據(jù)陶二礦的-710 m 水平巷道、機電硐室、連接巷，匯水巷及工程情況、工作面采空區(qū)情況以及該項目的布置方案確定下水庫的蓄水能力。-710 m 水平大巷、機電硐室、連接巷，匯水巷比較完好，巷道蓄水能力在50 萬m3左右，-710 m 水平采空區(qū)蓄水能力在50 萬m3。

該項目僅利用陶二礦原有地下空間50 萬m3，節(jié)約采空區(qū)探測、治理等費用，下水庫共計蓄水能力50 萬m3。

4 經(jīng)濟效益分析

（1）在計算最大可發(fā)電量時，抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)的整體機械效率，所選設(shè)備廠家提供效率為89%，見式（1）。

式中：Wf為最大可發(fā)電量；H 為平均水頭高度；ΣHf為放水總水頭損失，經(jīng)計算得到放水總水頭損失為2.48 m；V 為上水庫容積；ρ 的數(shù)值是1.0×103kg/m3；g 取9.81 m/s2；ηf為抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)的整體機械效率。

根據(jù)式（1）可以計算出，最大可發(fā)電量為845 830.19 kw·h，在發(fā)電8 h 的模式下，平均發(fā)電機功率為105.73 MW。

（2）在計算水泵最大耗電量時，泵和電機的整體機械效率，所選設(shè)備廠家提供效率為90%，見式（2）。

式中：Wh為最大可發(fā)電量；ΣHh為抽水總水頭損失，經(jīng)計算得到抽水總水頭損失為2.61 m；ηh為泵和電機的整體機械效率。

根據(jù)式（2）可以計算出，水泵最大耗電量為1 063 673.47 kw·h，在水泵工作8 h 的模式下，電機的平均功率為132.96 MW。

（3）根據(jù)綜合電網(wǎng)的日負荷特性和河北省邯鄲市峰谷時段劃分為，水泵抽水時間段選擇為23時—第二日7 時，發(fā)電時間選擇為11 時—19 時，綜合夏季、冬季和其他季節(jié)峰谷時段劃分，水泵抽水時間在低谷8 時，發(fā)電時間在高峰6 時、尖峰2時。邯鄲市低谷電價為0.44 元，平段為0.53 元，高峰為0.88 元，尖峰為1.01 元，實際計算時，所發(fā)電能按均價0.88 元，抽水耗能按0.44 元計算。

抽水蓄能所發(fā)的電：Wf×0.88=74.43 萬元。

抽水消耗的電：Wh×0.44=46.80 萬元。

因此，計算得到收益為27.63 萬元/d，折合為9 117.90 萬元/a。

5 存在的難點及解決辦法

5.1 蓄水空間巖體裂隙問題

利用廢棄礦井地下空間建設(shè)地下水庫時，需要一定的巷道圍巖穩(wěn)定性支持，其直接決定巷道空間的區(qū)域穩(wěn)定性、抽水蓄能電站的穩(wěn)定性和可靠性。同時由于地下水庫需儲存大量的水，巷道的滲透性將直接影響建設(shè)抽水蓄能電站的可行性。

針對以上問題，可以通過采集廢棄礦井蓄水空間巖體的裂隙參數(shù)，構(gòu)建流體流動的復(fù)合裂隙介質(zhì)模型，通過添加、改變模型中流體的邊界條件，模擬蓄水在巖體中的運移特征，分析巖體的傳輸特性及其敏感性因子，建立巖體的傳輸特性與裂隙孔參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式，推導(dǎo)此條件下的流固耦合應(yīng)力作用下裂隙的擴展規(guī)律，然后采用注漿防滲的方法，確保蓄水空間的穩(wěn)定性。

5.2 上水庫存在安全隱患

工業(yè)廣場內(nèi)的上水庫下方存在采空區(qū)，采空區(qū)導(dǎo)致巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞，上覆巖土體有塌陷、下落的可能，上水庫的建設(shè)以及后期運營因采空區(qū)地面的垮塌、變形而產(chǎn)生了極為嚴重的安全隱患。

可以采用水庫庫盆加固的方法，目的是解決采空區(qū)引起的裂隙發(fā)育、塌陷問題，將裂縫或縫隙進行封堵，防滲層底部土體不出現(xiàn)巖溶塌陷，庫盆防滲問題得到保障。為了提高庫盆的抗剪斷能力，增強庫底巖體抗滑穩(wěn)定性，可以采用錨筋樁施工技術(shù)對采空區(qū)上方的庫盆進行加固處理。

5.3 上水庫滲漏問題

廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站時，上水庫通常選擇在工業(yè)廣場，可獲得高水頭、大落差的優(yōu)越條件，且該位置建設(shè)上水庫無新水源作為補給，上水庫作為儲水的場所，里面的水可以反復(fù)使用，所以上水庫的水不允許有大范圍的外滲。

應(yīng)對上水庫的地層巖性、構(gòu)造發(fā)育規(guī)律，覆蓋層分布及厚度等基本地質(zhì)情況進行深入地質(zhì)測繪和詳細了解。進一步了解是否有大斷裂的情況出現(xiàn)，若有，則需對斷裂的方向、大小、滲透性等方面進行詳細剖析，可以采用三維滲流場的分析工作進行電量分析。引水隧道和尾水隧道采用鋼筋混凝土襯砌，高壓管道和尾水支管段一般采用鋼板襯砌型的方式進行防滲。

6 結(jié)語

利用廢棄煤礦進行水儲能發(fā)電，可充分利用原來煤礦生產(chǎn)時留下的井巷工程，且作為儲能發(fā)電的重要部分，不僅形成了一個新能源結(jié)構(gòu)，而且還盤活了廢棄煤礦的存量資產(chǎn)，是廢棄煤礦進一步資源化利用的最佳選擇。上下水庫位置的選擇、環(huán)保的要求和水源是制約抽水蓄能發(fā)電項目的因素，而利用廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站有著得天獨厚的條件，既有上下水庫位置條件和現(xiàn)成水頭高差可利用，又有非常小的距高比和良好的經(jīng)濟性，為國家實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標和企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。