針對廢棄礦井的可再生能源綜合開發(fā)利用

■ 李寶山 肖明松* 周志學 徐玉杰 王婷婷 趙棟利 朱家玲

(1.中國可再生能源學會；2.中國科學院工程熱物理研究所；3.中國水電顧問集團北京勘測設計研究院；4.北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司；5.天津大學)

0 引言

我國是世界采礦大國之一，各類大中小型礦山企業(yè)達8萬余個。2016年2月，國務院發(fā)布的《關于煤炭行業(yè)化解過剩產(chǎn)能 實現(xiàn)脫困發(fā)展的意見》中指出，在近年淘汰落后產(chǎn)能的基礎上，用3～5年時間，再退出煤炭產(chǎn)能5億t左右，減量重組5億t左右。據(jù)相關專家預測，到2020年，我國廢棄礦井數(shù)量將達到1.2萬個，按每個礦井地下空間資源60萬m3計算，相當于1座擁有千萬人口的大城市的空間。針對廢棄礦井的合理利用已經(jīng)迫在眉睫。實現(xiàn)關停礦井成功轉型升級，不僅僅是當前煤炭革命中的一個重要的經(jīng)濟問題，更是一個重要的科學問題。

本文主要針對廢棄礦井的可再生能源綜合開發(fā)利用，重點提出了廢棄礦井開發(fā)利用應遵循的基本原則，以及開發(fā)利用時可采用的關鍵技術與工程建設中的相關問題，并提出利用廢棄礦井實現(xiàn)可再生能源轉型升級的解決思路。

1 廢棄礦井利用原則

廢棄礦井不僅遺留了巨大的地下空間資源，還伴隨著廣闊的土地資源。為了更好地發(fā)揮這些資源的作用，必須根據(jù)資源的類型、特點及地理環(huán)境等因素，對廢棄礦井進行合理的開發(fā)利用，使資源得到最大化的利用。同時，在有效保護工業(yè)遺產(chǎn)的前提下，將工業(yè)遺產(chǎn)保護與老工業(yè)區(qū)的更新改造有機結合，確保經(jīng)濟、文化、環(huán)境等方面的共同協(xié)調發(fā)展，在社會發(fā)展中發(fā)揮更大的經(jīng)濟效益和社會效益。根據(jù)可再生能源賦存特點和廢棄礦井的地理環(huán)境特性，全面推進“廢棄礦井沉陷土地光伏+生態(tài)治理”“廢棄礦井沉陷土地光伏+農(nóng)業(yè)種植”“廢棄礦井沉陷土地光伏+溫室大棚”“廢棄礦井沉陷區(qū)光伏+水產(chǎn)養(yǎng)殖”等開發(fā)利用模式。為實現(xiàn)廢棄礦井的合理利用這一目標，可再生能源與廢棄礦井資源的有機結合是根本保證，所以，在推廣應用過程中應遵循規(guī)劃先行、生態(tài)優(yōu)先、立體式開發(fā)利用、可持續(xù)發(fā)展和經(jīng)濟可行的原則。

1)規(guī)劃先行。廢棄礦井的地面、地下資源應整體規(guī)劃、統(tǒng)籌發(fā)展、一體化開發(fā)，實現(xiàn)立體式、科學合理的開發(fā)利用。

2)生態(tài)優(yōu)先。廢棄礦井轉型升級以構建自循環(huán)生態(tài)恢復為優(yōu)先選擇。生態(tài)恢復是廢棄礦井的地下空間和土地資源利用的核心組成部分，廢棄礦井的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、工程建設和運行維護管理都應在完善生態(tài)功能的前提下進行。廢棄礦井地下空間和土地資源轉型升級與利用的可持續(xù)發(fā)展要以生態(tài)恢復為基礎，自循環(huán)生態(tài)恢復是廢棄礦井開發(fā)利用應遵循的原則之一。

3)立體式開發(fā)利用。廢棄礦井往往擁有復雜的、分層的地下空間連通網(wǎng)絡，而且不同的礦井具有各自獨特的結構。廢棄礦井在升級轉型過程中，開發(fā)利用區(qū)域是全方位式的立體空間。比如，光伏發(fā)電系統(tǒng)的推廣應用必須將廢棄礦井地下空間縱向和橫向的開發(fā)利用緊密結合起來，集成地下交通體系，地下供水系統(tǒng)，地下能源供應體系，地下排水及污水處理系統(tǒng)，地下生活垃圾的清除、處理和回收利用系統(tǒng)，以及地下綜合管線廊道的建設，從而保證廢棄礦井轉型升級的綜合化、系統(tǒng)化、高效化、空間化應用。

4)可持續(xù)發(fā)展。廢棄礦井地下空間是一種不可逆的自然資源，開發(fā)利用一定要慎重，既要服務當下，更要有長期效益。廢棄礦井的利用必須考慮可持續(xù)性，規(guī)劃建設要貫徹全鏈條、全領域、全壽命周期。比如光伏，其最大優(yōu)勢在于能夠提供清潔、可持續(xù)的能源供應，符合國家產(chǎn)業(yè)政策，有較好的發(fā)展前景，并且其在我國的發(fā)展現(xiàn)狀也已經(jīng)證實了這一點。

5)經(jīng)濟可行。對廢棄礦井進行科學的轉型升級和合理的開發(fā)利用，既可避免煤礦采空區(qū)被充填，造成極大的空間浪費，又可解決廢棄礦井帶來的一系列社會、經(jīng)濟問題。將光伏與廢棄礦井的治理相結合，在確保國家能源安全的同時，還可為我國煤礦產(chǎn)業(yè)轉型、社會穩(wěn)定、生態(tài)文明建設和科技創(chuàng)新做出貢獻。但由于廢棄礦井的資源特點各不相同，所以規(guī)劃設計時的財務指標也應作為重點考核指標，以確保項目建成后能夠可持續(xù)的運行。

2 廢棄礦井可再生能源開發(fā)利用新技術

2.1 光伏

廢棄礦區(qū)及露天廢棄礦井可選擇“光伏+農(nóng)業(yè)”模式。采用此類模式的工程以“上光下牧”和“上光下農(nóng)”的立體化技術方案為主，研究光伏與養(yǎng)殖、光伏與農(nóng)作物相互影響的規(guī)律，探索互利互贏的合作發(fā)展模式。

交際情境的創(chuàng)設是交際的首要條件。蘇霍姆林斯基說：“兒童是用表象、色彩、聲音來思維的?！睂Τ錆M樂趣的事物或情節(jié)，孩子們往往有很大的興趣，并樂于參與。因此，我們可以創(chuàng)設合理、有趣的情境，對學生進行口語交際的訓練。

“上光下牧”是指在光伏組件下大面積種植苜蓿等植物，以放養(yǎng)牛、羊、馬等牲畜為主。為避免限制動物活動，該類項目的光伏支架要比普通光伏電站的高1～2 m。光伏組件的遮陰效果可減少土壤的水分蒸發(fā)，有助于植物生長。

“上光下農(nóng)”是光伏農(nóng)業(yè)一體化的現(xiàn)代化種植方案，其綜合考慮了農(nóng)作物對光照的需求，優(yōu)化設計了光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝形式。光伏支架采用可調式雙軸跟蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)了一年四季傾角的智能調節(jié)，既可增加發(fā)電量，還可以為農(nóng)作物生長提供合適的光照。該類項目的支架距離地面的高度約為4 m，將陰影對農(nóng)作物的遮擋降到最低，同時不影響農(nóng)業(yè)的大規(guī)?，F(xiàn)代化機械生產(chǎn)。

光伏農(nóng)業(yè)大棚作為“上光下農(nóng)”方案的一種表現(xiàn)形式，是指在大棚的部分或全部向陽面上鋪設光伏組件，既能夠發(fā)電，又能為農(nóng)作物提供適宜的生長環(huán)境，以此創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益和社會效益。光伏農(nóng)業(yè)大棚內可種植反季的蔬菜、水果等，光伏組件主要安裝在大棚的南面區(qū)域，北面采用透光性好的玻璃，從而保證蔬菜、水果等農(nóng)作物的光照需求。采用光伏農(nóng)業(yè)大棚方式時，需要統(tǒng)籌考慮透光性、保溫散熱性、耐久性和光伏發(fā)電性能等因素。對于不同的光伏農(nóng)業(yè)大棚形式，棚內的匯流電纜敷設方式、路徑、匯流箱安裝位置等均會不同。此外，對于逆變器的容量選擇，容量大的可考慮采用集中式逆變器，容量小的可采用組串式逆變器，且應與光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝容量相匹配。

從現(xiàn)有廢棄礦井的光伏利用狀況來看，“光伏+農(nóng)業(yè)”的應用模式可以根據(jù)礦區(qū)當?shù)氐木唧w情況，開展農(nóng)光、林光、漁光、牧光等多種模式的應用。對于土地資源較好且較為平坦的礦區(qū)，可以建設光伏農(nóng)業(yè)大棚；而對于沉降嚴重、地勢低洼的廢棄礦井，由于填埋成本太高，則可以考慮儲水，采用漂浮式安裝方式建設水上光伏電站。

2.2 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能是針對廢棄礦井地下空間綜合利用的一種方式。

2.2.1 壓縮空氣儲能的儲存空間的基本條件與要求

可進行壓縮空氣儲能的廢棄礦井的地下空間主要有2類：一類是礦井的開拓巷道和準備巷道，另一類是采場老空區(qū)。

建設廢棄礦井壓縮空氣儲能系統(tǒng)對地層的厚度、滲透率、孔隙度、不均質性等均有特定要求，一般來說，其應該具有較高的結構強度、大體積和低滲透率。地層的滲透率應不大于0.12～0.13 μm2，孔隙度應不低于10%，可接受的空氣泄漏率為每日4%以內。

由于廢棄礦井壓縮空氣儲能系統(tǒng)需要承壓，這將有可能引起采場覆巖裂隙帶的“氣壓致裂”。因此，應首先確定采場覆巖裂隙帶最大標高處的埋深，然后根據(jù)該處地應力場的大小，求出極限存儲壓力，最后再按一定的安全系數(shù)確定最大儲氣壓力。

2.2.2 新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)

近年來，為解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術的瓶頸問題，國內外學者開展了新型壓縮空氣儲能技術的研發(fā)工作，包括蓄熱式壓縮空氣儲能(或稱為“絕熱壓縮空氣儲能”，不使用燃料)、液態(tài)空氣儲能、超臨界壓縮空氣儲能等。

3 抽水蓄能

抽水蓄能是將廢棄礦井地下空間和地上水塘相結合的一種利用方式，是目前解決棄光棄風問題，實現(xiàn)儲能最可靠、最經(jīng)濟、壽命最長、容量最大的有效方式。通過利用煤炭開采過程中形成的巨大的高落差地下空間，使發(fā)展抽水蓄能發(fā)電成為可能。

抽水蓄能系統(tǒng)由上水庫、下水庫、水泵、水輪機、風力發(fā)電機(光伏組件)、電動機、發(fā)電機等構成。其原理為：利用風電場或光伏電站發(fā)出的電力驅動水泵將水從位置低的水庫(下水庫)抽到位置高的水庫(上水庫)，將不穩(wěn)定的電能轉換為重力勢能儲存；然后，根據(jù)電網(wǎng)的調度計劃安排上水庫規(guī)律性放水，水借助地勢差沖向下水庫，推動水輪機轉動，實現(xiàn)機組并網(wǎng)發(fā)電。這一過程將不穩(wěn)定的可再生能源電力轉變成了可控可調的友好電力。

3.1 抽水蓄能的利用模式

1)純抽水蓄能電站。該類電站是指發(fā)電量絕大部分來自抽水蓄存的水能。用于發(fā)電的水量基本上等于抽水蓄存的水量，重復循環(huán)使用；僅需少量天然徑流來補充蒸發(fā)和滲漏損失，補充水量既可來自上水庫的天然徑流，也可來自下水庫的天然徑流。純抽水蓄能電站要求有足夠的庫容來蓄存發(fā)電水量，上、下水庫形式多樣，在山區(qū)、江河梯級、湖泊，甚至地下均可修建，構成了不同類型的抽水蓄能電站格局。我國所建的抽水蓄能電站大多數(shù)屬于純抽水蓄能電站，其約占我國總蓄能裝機規(guī)模的95%。

2)混合式抽水蓄能電站。該類電站既設有抽水蓄能機組，也設有常規(guī)水輪發(fā)電機組。上水庫有天然徑流來源，既可利用天然徑流發(fā)電，也可從下水庫抽水蓄能發(fā)電。該類電站的上水庫一般建于河流上，下水庫根據(jù)抽水蓄能需要的容積覓址另建。

3)調水式抽水蓄能電站。該類電站的上水庫一般建于分水嶺高程較高的地方。利用方式為：在分水嶺某一側攔截河流建下水庫；并設水泵站抽水到上水庫；在分水嶺另一側的河流設常規(guī)水電站從上水庫引水發(fā)電，尾水流入水面高程最低的河流。

3.2 抽水蓄能電站的主要功能和作用

抽水蓄能電站不僅能產(chǎn)生調峰填谷的靜態(tài)效益，而且由于其啟動迅速、運行靈活，特別適宜在電力系統(tǒng)中承擔調頻、調相、負荷調整、負荷備用和事故備用等“動態(tài)”任務，滿足系統(tǒng)運行上的需要，其由此而產(chǎn)生的經(jīng)濟效益統(tǒng)稱為動態(tài)效益?？傊?，抽水蓄能具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟等多重效益。

4 廢棄礦井可再生能源開發(fā)利用的可行性

我國的能源供應體系正在由高環(huán)境成本的煤炭向低碳、環(huán)境友好的可再生能源轉型。當前，我國政府已出臺了一系列政策措施，全面推進能源系統(tǒng)向可持續(xù)和低碳的方向轉變?？稍偕茉吹陌l(fā)展與國家的能源轉型緊密結合，其技術創(chuàng)新可有效推動煤炭利用的減少。政策措施是可再生能源創(chuàng)新發(fā)展及高效實施的關鍵，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的平穩(wěn)轉型，擺脫長期以來以煤炭為主的束縛，可持續(xù)的政策措施和執(zhí)行力度是可再生能源技術創(chuàng)新發(fā)展及其與能源系統(tǒng)整體融合的重要保障。

隨著國家“去產(chǎn)能”政策的穩(wěn)步實施，大批煤礦將被淘汰，成為廢棄礦井，我們必須積極應對由此帶來的生態(tài)環(huán)境方面的影響。我國廢棄礦井資源化利用，要采取智能、精準開發(fā)的方法，科學合理、講求實效。比如，地下空間抽水蓄能和儲能發(fā)電站的開發(fā)、農(nóng)光互補模式的開發(fā)，以及水資源智能精準開發(fā)、非常規(guī)天然氣開發(fā)、生態(tài)修復開發(fā)和工業(yè)旅游開發(fā)等。

廢棄礦井的可再生能源應用，可以將目前已經(jīng)非常成熟的可再生能源技術與廢棄礦井資源開發(fā)有機結合起來，比如，地上部分采用農(nóng)業(yè)與光伏或光熱結合，地下坑道部分可采用抽水蓄能和壓縮空氣儲能技術等。同時，利用廢棄礦井的資源特點，發(fā)揮可再生能源裝備可大可小的靈活性，通過先進的技術手段，最終實現(xiàn)資源的有效和最大化利用。

廢棄礦井作為可再生能源技術的典型應用場所，光伏發(fā)電作為利用方式之一已經(jīng)有了較為廣泛的應用，并取得了較好的成效，起到了引領和示范的作用，可以加大加快推廣力度，實現(xiàn)從點到面的成效。抽水蓄能和空氣儲能技術在國外已經(jīng)有成功的案例，但在國內還處于實驗和中試階段，所以對這部分技術需加大研發(fā)投入，以期在最短的時間內突破關鍵制約因素，實現(xiàn)對廢棄礦井地下坑道部分的利用。

5 結語

隨著煤炭使用減量化的推進，我國廢棄礦井資源的數(shù)量會逐年增加，如何將這些資源科學有效、充分合理地開發(fā)利用，如何實現(xiàn)廢棄資源再利用已經(jīng)成為擺在人們面前的現(xiàn)實問題。其中，廢棄礦井的地面資源及地下空間都為可再生能源的開發(fā)和利用提供了良好條件。然而，從目前情況來看，本文提到的開發(fā)思路的盈利能力和工程經(jīng)驗尚不足，需國家出臺一系列政策措施予以支持，啟動科技計劃進行探索。