废弃矿井改建能源储库的发展现状及方法研究.pdf
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1、第 9 期 山 西 焦 煤 科 技 No.92023 年 9 月Shanxi Coking Coal Science&TechnologySep.2023专题综述收稿日期:2023-04-21作者简介:韩桂武(1977),男,河北保定人,2007 年毕业于东北大学,高级工程师,主要从事地下岩土工程设计(隧道工程、岩土设计及地下储油库工程等)及地震灾害管道应力分析工程设计、咨询、科学研究等相关工作,(E-mail)hanguiwu 废弃矿井改建能源储库的发展现状及方法研究韩桂武1,郭书太1,张庆森1,周锐2(1.中国石油天然气管道工程有限公司,河北廊坊065000;2.河南理工大学 能源科学与工
2、程学院,河南焦作454000)摘要 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。关键词地下能源储库;废弃矿井利用;水封技术中图分类号:TD82;TH41文献标识码:B文章编号:1672-0652-(2023)09-0027-
3、04随着能源高效化、清洁化发展,传统能源产业相继去产能、去库存、转型升级,导致大量矿井关停,在现代化开采技术的加持下,产生了可观的矿井可利用空间。在形成如此巨大的地下空间后,若将其进行简单的封存处理,一方面是对矿井资源和地下空间的浪费,另一方面,巨大体量的地下空间不进行后续的修缮、维护,对于当地而言将会是重大的潜在地质隐患。对此巨大体量的地下空间进行利用,不仅能够促使其产业转型升级、重新定义矿井地下空间,也能够减小甚至消除巨大体量地下空间存在的地质隐患1.针对矿井储能,Eui-Seob Park 等2搭建了一个储存液化氮的试验装置,试验监测结果表明在衬砌岩洞中建造和运行地下液化天然气储存在技术
4、上是可行的;Celestino 等3基于储能矿井的围岩强度及蠕变情况,对围岩支护角度开展了风险分析;Hyung-Mok Kim等4研究了衬砌岩洞室开挖破坏区(EDZ)对压缩空气储能(CAES)地质力学性能的影响,并通过对比多种模拟方案得出最有利于降低衬砌抗拉破坏潜力的设计,该研究结论已为地下储能项目中钻孔和爆破的关键技术提供指导。在废弃矿井储气探索中,全球仅有 3 座煤矿储气库,分别位于比利时和美国,目前仅剩美国储气库仍在正常运行。矿井储油研究中,法国将 Maysurorne 的一座废弃铁矿改造为 500 万 m3的液化烃储库;德国将 Holsen 的一座废弃钾矿改造为液化烃储库;美国介绍了位
5、于俄亥俄州南部的石灰石矿 Ironton 被改造为地下水封石油洞库的全过程,从可行性分析到改建中的关键参数研究,全面对该矿区的岩土工程进行了阐述;Wang H 等5通过研究某矿区硬石膏岩饱水饱油后在不同围压下的力学特性差异,并结合现场钻孔高压注水试验、储水储油测试,评估水、油长期作用条件下硬石膏岩体渗透性,评价该硬石膏矿采空区储油的密封性,为深部硬石膏采空区建造储油库提供了理论依据和技术支撑。我国研究人员也做了大量关于废弃矿井储存石油或天然气的研究,但总体上相对于西方国家的进展还需进一步研究。1废弃矿井储油方法探索1.1石油地下储库选址原则石油地下储库作为国家应对能源储存提出来的新型方案,尤其
6、是结合了我国矿井地下空间,使得矿井地下空间得以转型升级,但根本上要求废弃煤矿能够满足基本的地质条件。总体上,地下水封石油洞库的选址包含区域位置、水文地质、经济条件及地面条件在内,可以总结为两个基本原则:1)围岩稳定性:围岩稳定性评价、岩体完整性评价和岩体质量评价。2)水封条件:保证充足的供水水源、做好防渗处理。此外,还应结合当地居民分布、经济条件、环境保护、石油运输管道、进口路线、军事地位等因素,综合评 价 遴 选 出 最 适 合 改 建 石 油 储 库 的 废 弃 矿 井区域6.1.2废弃矿井石油储库改建方案以希腊 Perama 地区地下储油库的改建方案为例,选址地区位于山区的东南部,距离附
7、近海域运输港口仅几公里,距离雅典市中心也仅 20 km,其作为石油储库能够满足市区的日常供应以及港口码头的石油运输。该地下石油储库埋深-40 m,拟建 5 个容积为 40 000 m3的无衬砌岩洞作为石油储库群,顶板上铺设两条注水长廊,并等距取孔用以注水设施贯穿,形成水幕系统,见图 1.该地下石油储库在满足调用的同时能够协调城市生活和资源储存的问题7.该矿区岩体评价是通过对同一地区不同深度进行取样,结合不同岩体评价指标(RMA、Q、GSI 等)来定量分析该地区的地质条件和岩性特征。该地区岩石地质较好,石灰岩占比较大,层状为中偏厚,底层总厚度 200 m,UCS 均值为 55 MPa,单轴抗拉强
8、度均值为 5 MPa,渗透系数在 10-5 10-6 cm/s.根据该地区的 RMR(地质力学分级)49 72、Q(巴顿岩体质量分类)2 22、GSI(地质强度因子)57,基本判定该地区石灰岩基岩符合要求,但岩体的特征仅为一般到优质,后续的岩体条件改善工作也基于以上岩体评价指标进行。在 Perama 方案的岩性改良中,根据 Q 系数为 2 22,支护手段选取锚杆结合喷射混凝土,再通过数值分析软件进一步确定参数后,对最终支撑特性进行了调整和决定8,顶板和侧壁采用 5 m 长的锚杆进行系统锚固,其最大承载力为250 kN,并喷射 150 mm 厚的钢纤维增强混凝土,支护手段见图 2.图 1Pera
9、ma 地区地下石油储库布局图除此之外,在岩石表面粗糙、孔隙变化大及裂隙较发育处,常用方解石或硬黏土等物填充,长度在 0.5 3.5 m,针对密集区,还可采用灌浆方式进行填充。这一点能够对我国进行地下石油储库的建设提供思路,通过用不同的岩体评价指标来定量描述矿井地下的岩体特性,并通过量化参数指导后续施工。图 2矿井改建石油地下储库支护图在石油地下储库水封条件的问题上,该选址地下水没有强烈的季节性波动,水文地质条件良好。但地下水位在海平面+0.5 m +1.0 m 附近,面临着地下水位高于海平面的问题,会导致封库水外溢,不符合水封条件9.针对此,选取了填海方式,人为增高附近海平面,并在地下水位+0
10、.5 m 处钻孔拦截,使地下水位始终控制在海平面以下,进一步确保了地下水的不断补充,在遵循水力遏制原理下,该石油地下储库82山 西 焦 煤 科 技2023 年第 9 期的水封条件良好。1.3我国废弃矿井储油适建性探索国外利用废弃矿井改造石油地下储库的发展时间较长,除了可参考一些设计、施工经验外,还应在我国石油传输、地质条件、能源安全等问题上综合考究,选出合适的改建区域及改建矿井,再针对废弃矿井岩层中的力学特性,进行合适的改建工作,以确保具体矿井选址的基本岩性要求。国外利用废弃矿井储油针对不同岩体的支护手段见表 1.表 1不同岩体支护经验表岩层主要岩体支护手段变钙长石锚杆+喷射混凝土(Ca 13
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