废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式研究_张源.pdf
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1、废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式研究张源1,2,他旭鹏2,师鹏2,张洪伟3(1.中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室,江苏徐州22116;2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221116;3.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京100083)摘要: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 1
2、3 个省份的废弃矿井地下空间近 6000 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 94500GJ,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 6835kW,可为 13.67万 m2的建筑供暖,减少二氧化碳排放量约 5330t,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
3、空间,还可以缓解汛期的局部洪涝灾害,并开发矿井水中的低品位清洁热能,对提高废弃矿井地下空间利用的附加值和推进废弃矿井地下空间利用有一定意义。关键词:废弃矿井;蓄洪;储能;地热能;供暖中图分类号:TD745;TKS2文献标志码:A文章编号:02532336(2023)06019708Energy storage via storing flood in abandoned mines and low temperatureheat energy utilization from mine waterZHANGYuan1,2,TAXupeng2,SHIPeng2,ZHANGHongwei3(1.K
4、ey Laboratory of Deep Coal Resource Mining,Ministry of Education of China,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.School of Mines,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;3.School of Energy and Mining Engineering,ChinaUniversity of Mining&Technology-Beijing,Beiji
5、ng 100083,China)Abstract:Theutilizationofundergroundspaceinabandonedminesisakeydirectionsupportedbythecoalindustry.Bycombiningunder-groundspaceutilization,floodstorage,andheatsupplyinwinter,thispaperproposesacomprehensiveutilizationmodeloffloodstorageandheatextractionintheabandonedmine,basedonthreet
6、echnologies:groundflooddiversion,undergroundfloodstorageandheatpump.Thispaperaddressestheconcept,keytechnologiesandscientificissuesofthemodel.ThedistributionofabandonedminesinChinaanditsrelationshipwithprecipitationdistributionwereanalyzed.Thepotentialforfloodandenergystorageinabandonedminewasalsost
7、udied.Resultsshowedthat13provinces,includingAnhui,Henan,andShandongprovince,canutilizeapproximately60millioncubicmetersofundergroundspaceandstorenearly6volumesofWestLakewater,makingitsuitableforengineeringdemonstrationoffloodstorageandheatextractioninabandonedmines.Amongthem,fiveabandonedminesinHuai
8、nanminingareacanutilizeapproximately300000cubicmetersofundergroundspace,withenergystoragecapacityofupto94500GJthatcanmeettheheatingdemandof210000squaremeters.TakingQishanMineasanexample,aschemewasdesignedbasedongroundflooddiversionandstorage,undergroundwaterstorage,and收稿日期:20220308责任编辑:黄小雨DOI:10.131
9、99/ki.cst.2022-0323基金项目:国家自然科学基金资助项目(52074266,51674242)作者简介:张源(1985),男,安徽阜阳人,副教授,博士。E-mail:第51卷第6期煤炭科学技术Vol.51No.62023年6月CoalScienceandTechnologyJun.2023张源,他旭鹏,师鹏,等.废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式研究J.煤炭科学技术,2023,51(6):197204.ZHANGYuan,TAXupeng,SHIPeng,et al.Energystorageviastoringfloodinabandonedminesandlowtemper
10、-atureheatenergyutilizationfromminewaterJ.CoalScienceandTechnology,2023,51(6):197204.197minewaterextractionandutilization.Accordingtopreliminarycalculations,theheatingpowerofQishanMinecanreach6835kWwhichcanprovideheatingfor136700squaremetersofbuildings,reducecarbondioxideemissionsbyabout5330tons,and
11、save3.5075mil-lionyuan.Thisdemonstratesthefeasibilityoffloodandenergystorageinabandonedundergroundspace.Researchshowedthatthecom-prehensiveutilizationmodeloffloodstorage,energystorage,andheatextractioninabandonedminescannotonlyeffectivelyutilizetheundergroundspaceofabandonedminesbutalsoalleviateloca
12、lflooddisastersduringthefloodseason.Itcandeveloplow-gradecleanen-ergyinminewaterandhascertainsignificanceinimprovingtheaddedvalueofundergroundspaceutilizationinabandonedminesandpromotingtheutilizationofundergroundspaceinabandonedmines.Key words:abandonedmine;floodstorage;energystorage;geothermalener
13、gy;heating0引言随着我国煤炭淘汰落后产能及绿色低碳政策的推进,关闭和废弃矿井数量日益增多。据统计,20182020 年,我国废弃(关闭)矿井至少 911 处,预计到2030 年这一数量将到达 150001-2。废弃矿井中仍存在大量的可利用资源,如煤炭资源约 420 亿 t、非常规天然气近 5000 亿 m3、地下空间资源约 60 万 m3/矿,以及丰富的矿井水、地热能与工业旅游等资源3-4。大量的废弃矿井资源得不到科学有效利用,不仅造成资源浪费,还会产生一系列经济、环境等问题5。因此,充分利用废弃矿井中的可再生能源及空间资源,对促进经济社会持续健康发展,践行“双碳”目标具有重要意义。
14、废弃矿井地热资源不受外部因素影响,是稳定的可再生能源,具有巨大的利用价值。针对废弃矿井地热资源利用,国内外学者从不同角度进行了有益探索。谢友泉等6根据矿井地热水能源品质,将废弃矿井地热能的利用方式分为供热/制冷和发电两种模式。GUO 等7利用数值计算评价了废弃矿井储层的地热资源,研究了废弃矿井地热提取与流量、注射温度及寿命之间的关系。DEZ8开发了用于评估废弃矿井地热能潜力的方法,估算了欧洲废弃煤矿可用的地热资源规模,认为该类能源的有效利用可减少二氧化碳的排放。目前,对于废弃矿井中地热能的认识相对统一,普遍认为矿井水中的热/冷能具有开发价值,主要用于供热/制冷、发电等9。例如,利用矿井水源热泵
15、系统直接抽取矿井水,通过热泵或热交换器对建筑物供暖/制冷;或者借助当地的地表水,利用巷道进行有效换热,进行季节性蓄水蓄热6。位于英格兰东北部的 SeahamGardenVillage项目利用当地废弃矿井的地热水对全镇 1500 处建筑供暖,实现了该地区的零碳排放目标10。荷兰海尔伦市利用奥兰治纳苏废弃煤矿的矿井水实现了80 万m2的室内供热/冷11。近年来,极端天气日益频繁,短时强降雨频发,造成地区排洪压力突增,引发区域内重大洪涝灾害,威胁社会正常生产生活秩序。废弃矿井地下构筑物的工程质量高,改造再利用成本低,是理想的蓄水空间。利用废弃矿井的地下空间分担区域蓄洪泄洪压力,再利用季节性洪水提取废
16、弃矿井地热,不仅可缓解地区排洪压力,还可实现废弃矿井地下空间及地热能的资源化利用。笔者提出了废弃矿井汛期蓄洪储能与冬季取热供暖综合利用模式,阐述了其关键技术与科学问题,估算了废弃矿井蓄洪与储能潜力,并以旗山煤矿为例,设计了废弃矿井蓄洪储能与取热方案,为废弃矿井资源化利用、区域洪水治理提供了新思路。1模式的提出废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式是指在汛期把季节性洪水引至废弃矿井地下空间内,使之与深部地下相对高温岩体发生换热形成高温矿井水,并储存在地下空间内,在冬季时把高温水提至地面,通过热泵换热后再回灌至地层或者处理后用于灌溉、养殖等,提取的热量用于建筑供暖、洗浴等,从而达到蓄洪、储能、利用地热
17、多种功能的废弃矿井地下空间和地热能资源化利用新模式。废弃矿井蓄洪储能与取热模式由引水、蓄水、提水、取热等环节构成,如图 1 所示。水处理用户换热系统监控模块监控模块蓄洪空间蓄洪空间引水蓄洪提水取热泄洪河道井筒井筒图1废弃矿井蓄洪储能与取热系统示意Fig.1Floodandenergystorageinabandonedminesandheatextractionsystem2023年第6期煤炭科学技术第51卷1981.1引水蓄洪系统引水蓄洪系统是控制蓄水流态、水质的核心机构,由泄洪沟渠及水处理 2 个子系统组成。泄洪沟渠通过构建引水渠、溢流堰、泄槽、消能防冲段及尾水渠等设施,控制蓄水流态及流量
18、,并消除蓄水动能。水处理系统通过物理及化学方法过滤蓄水中的漂浮物及有机污染物并软化水质。1.2蓄水监测系统蓄水监测系统是掌握储层巷道蓄水情况的关键机构。储层巷道在抽蓄水循环疲劳载荷作用下,巷道围岩易被冲蚀崩解,导致蓄水流失、水质污染等问题。因此,需要在储层巷道各区域布置监控模块,实现对储层各区域水量、水质及水温等情况的实时监控。1.3提水取热系统提水取热系统是实现取热用水的最后一环。提水取热系统由提水控制及换热两个子系统构成。提水控制系统通过学习区域用热用水历史情况,智能预测下阶段供暖取热需求,结合井下蓄水水量、水温情况,实现蓄水的智能调度与提取。换热系统首先要对蓄水进行净化处理,避免有机污染
19、物腐蚀设备,然后通过热泵机组对提取的矿井水进行取热,满足供暖用水需求。要实现废弃矿井蓄洪储能与取热,首先需要掌握区域内水文情况及矿井地热分布特征,综合考虑区域蓄洪泄洪需求与废弃矿井可用空间资源,科学规划地表引水系统与地下蓄洪储能空间;其次,要合理改造蓄洪空间,结合储层巷道多场耦合变形机理与传热效率,制定优选的储层巷道防渗改造方案与智能监测系统。在上述基础上,调研周边城镇供暖用水需求,规划布置抽水取热系统,制定技术经济可行的取热供暖方案,实现废弃矿井蓄洪储能与取热目标。2关键技术与科学问题2.1关键技术1)引水蓄洪技术。废弃矿井地表引水蓄洪是综合考虑蓄洪流量压力、洪水流态、消除洪水的动能、清污排
20、污等方面的技术。其中,河流泄洪需求预测是引水蓄洪改造的先导条件。我国在降雨降水历史高位及预测、河流水文观测等方面,积累了丰富的资料12-13。但是,从废弃矿井蓄洪改造角度看,泄洪规律预测还有很多基础工作要做,包括流域的地形地貌、长序列水文资料等,其中,重要流域的洪峰预测、河流泄洪需求与引水蓄洪能力设计息息相关。2)储层稳定性控制技术。废弃矿井储层空间稳定是蓄洪储能稳定运行的基础。储层空间蓄洪时间长、水温变化大,导致围岩渗透系数、热传导系数及强度等性质发生改变,储层巷道往往出现大变形、明显的蠕变等问题。此外,为保证蓄洪储能效率,储层空间围岩还需具备较强的导热能力。因此,废弃矿井储层空间再利用时,
21、需要综合考虑长时间尺度下多场耦合围岩变形机理、防渗改造后的导热系数及巷道原设计的时效性等因素。3)矿井水取热技术。提水取热技术是废弃矿井蓄洪储能与取热实现的关键。其中,提水取热系统的规划与布置是废弃矿井蓄洪储能可持续发展的基础,需要综合考虑周边城镇用热用水历史与发展需求。提水取热系统主要包括设备选型、智能监测及水源热泵系统。在设备选型方面,要全面考虑矿井空间条件,水的化学性质导致的设备锈蚀,长时间浸泡导致的失灵等问题。其次,为保证蓄洪储能系统稳定运行,需设置监测系统,在地表引水、井下储水环节检测流量、水质和水温,定期检测储水巷道的稳定性。在上述基础上,综合周边用热情况,规划布置提水取热系统,制
22、定取热供水方案,合理调度水热资源。4)矿井水污染物防治技术。矿井水污染物防治是保证废弃矿井蓄洪储能与取热模式绿色环保运行的重要一环。矿井水中往往赋存悬浮物、有机污染物、复杂的微生物群落等有毒有害物质,不仅影响系统管路及设备的正常运行,严重时还会影响储层的稳定性。矿井水污染物防治技术应综合考虑矿井水质演化的时间效应、矿井水中微生物作用影响,建立矿井水污染物来源、扩散途径及出口防治体系,形成时间空间上的配合。首先对洪水进行污染物过滤,从源头减少悬浮物等固体污染物的积聚;其次,研究蓄水在储层巷道的长期存储下污染源及扩散规律,针对性的采取注浆封堵等措施;最后,建立井下缓冲区域,分段利用蓄水,在出口处对
23、污染物进行吸附等。2.2科学问题1)废弃矿井地层温度场及热资源特征。废弃矿井地温分布规律及地热资源评价是蓄洪储能与取热的关键科学问题。对于储能与取热模式来说,可持续性是一个关键问题。热能资源不足会严重危及废弃矿井地热利用项目。因此,对废弃矿井地热资源进行准确的评价是非常必要的。废弃矿井地温场的调查与评价工作不仅有利于精准布置取热设备,还可智能调度蓄水,高效利用热源。我国矿井对煤系地层及上覆地层积累了丰富的勘探资料,然而,要实现废弃矿井蓄水资源化利用,还需要深入以下工作:储层巷道不同区域地温分布情况及变化规律、深部张源等:废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式研究2023年第6期199热源分析及水循
24、环对储层温度场的影响等。2)废弃矿井水岩热交换过程。洪水引入储层空间后,水与储层围岩间存在温度梯度,两者必然会产生热量交换,这一热交换平衡过程所持续的时间取决于储层岩层性质、水流状态,温度梯度、水岩温差等因素。此外,蓄水储能过程是水渗流与热传导、对流传热及热弥散过程相互作用的复杂过程。因此,需要在蓄水运移及热量运移的基础上,建立渗流-传热-传质三维模型,得到蓄水储能模型,分析并预测储能系统的变化规律,结合储层的渗流、传热、储能特性,提高系统的储能效率。3)废弃矿井水岩物化响应特征。水岩作用是复杂的力学、物理及化学作用过程。在这一过程中,围岩内部胶结物质逐渐被冲蚀溶解,加速了储层吸水崩解。同时,
25、劣化后的储层围岩内部结构发生改变,导致水质发生污染。水岩作用诱发的矿物微观结构变化是储层围岩吸水失稳的根本原因。因此,有必要深入分析水岩作用下围岩劣化的相关机理及物理力学性质变化规律,揭示储层围岩劣化机理,掌握频繁抽蓄水及干湿循环过程中围岩的劣化规律,并提出相应防治措施。3蓄洪储能潜力3.1蓄洪潜力废弃矿井拥有巨大的地下空间资源。“十三五”期间,全国有序退出煤矿 2347 个,主要分布在湖南、江西、河南、黑龙江等 11 个地区,产生废弃矿井地下空间约 0.8 亿 m314。然而,受限于地理位置、技术成本等问题,废弃矿井地下空间开发利用程度有限,造成大量地下空间资源的严重浪费。废弃矿井地下空间与
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