废弃矿井资源的可再生能源开发利用

谢友泉，高 辉，苏志国，李 春，李宝山

（1.国华投资有限公司，北京 100007；2.中国可再生能源学会，北京 100190）

0 引言

随着煤炭去产能的深入推进，大批煤矿被淘汰，成为废弃矿井。仅2016年，我国就关闭退出煤矿2000个左右[1]。过去粗放式的开采并不注意保护环境，很多矿井并未实现资源综合利用。在巅峰时期，我国矿井多达8万多处，其中小煤矿占到80%～90%。这些废弃矿井不仅造成资源的巨大浪费，还有可能诱发后续的安全、环境及社会等问题。因此，合理开展废弃矿井资源的开发利用，不仅能够减少资源浪费、变废为宝，提高资源开发利用效率，而且可为废弃矿井企业提供转型和可持续发展的战略路径，推动资源枯竭型城市转型发展。

煤炭开采后会遗留大量的采空区和地表沉陷区。以山西为例，因采煤累计形成100亿m3的采空区，采空区面积达到2万km2，相当于山西1/8的国土面积[2]。废弃矿井的地下空间经改造后，可建设地下石油、天然气等战略物资储备库和深层核废料埋藏库，以及压缩空气、水力蓄能发电站，也可开发矿山公园或进行特殊实验。我国废弃矿井资源丰富，发展潜力巨大，对其进行科学开发利用具有重要的经济效益、环境效益和社会效益，是保障我国能源可持续发展的战略途径。

我国对废弃矿井资源开发利用的研究起步较晚，基础理论研究薄弱，关键技术不成熟，且存在煤矿地质条件复杂、阶段性废弃矿井数量大等特殊条件。因此，我国废弃矿井资源利用必须走智能精准开发之路，运用现代化信息技术，遵循因地制宜、多能互补、综合利用、讲求实效的基本原则，实现我国废弃矿井资源的精准开发与利用。

1 废弃矿井资源特点

1.1 矿区土地资源

废弃矿井废弃地是指在采矿活动中被破坏、未经治理而无法使用的土地。根据矿业废弃地的来源可划分为4种类型[3]：一是由剥离表土、开采的岩石碎块和低品位矿石堆积而成的废石堆废弃地；二是随着矿物开采而形成的大量的采空区和塌陷区，即采矿坑废弃地；三是开采的矿石经各种方法分选出精矿后的剩余物排放堆积形成的尾矿废弃地；四是采矿作业面、机械设施、矿山辅助建筑物和道路交通等先占用而后废弃的土地。

土地是最重要的自然资源之一，是人类赖以生存和发展的物质基础[4]。大量的矿井废弃地不仅占用和破坏了土地资源，加剧了人地矛盾，而且也带来了影响深远的环境问题，尤其是土地重金属污染问题。因此，加快矿井废弃地的治理，实现区域生态经济的可持续发展，已经成为环境生态研究的焦点问题。

1.2 地下坑道空间

废弃矿井有巨大的空间资源。为保证安全生产，开采煤炭所需的井筒、巷道等建筑设施质量非常好，如果经改造直接用于地下储物，是最简单、最直接、最省钱的办法。

截至2018年，我国废弃矿井数量已达1.2万个；到2030年，这一数字将变为1.5万个。按每个矿井地下资源空间60万m3计算，1.2万个就是72亿m3，相当于一座千万人口大城市的空间[1]。

1.3 其他资源

我国废弃矿井中赋存煤炭高达420亿t，天然气近5 000亿m3，还有大量水、地热、土地及可再生能源、生态开发及工业旅游资源。

2 废弃矿井的可再生能源开发利用模式

2.1 光伏发电

①采煤沉陷区建设光伏电站

对采煤沉陷区进行综合治理，在采煤沉陷区上建设光伏电站，是我国采煤沉陷区土地利用、矿区生态修复、推动资源型城市转型发展、促进经济发展的一个重要手段。

在采煤沉陷区建设光伏电站，要根据具体的地质釆矿条件进行采空区地基稳定性评估，新建建筑时必须采取一定的抗变形措施，必要时还需对采空区进行勘查和采空区注浆处理。对于我国绝大多数的废弃矿区，采取相应技术措施后，在采煤沉陷区上建设光伏电站是可行的。

由于采煤沉陷区会产生一定的地表破坏、移动与变形，对采动影响范围内的建（构）筑物产生一定的影响，故在采煤沉陷区地表建设光伏电站时，可能会对光伏电站产生不利影响。根据矿区开采沉陷情况，地下煤层开采结束以后经过一段时间，当地表连续6个月下沉值不超过30 mm时，可认为采空区地表沉陷达到稳定状态[5]。但实际上由于受多种因素的影响，地表还会发生残余沉降，甚至会发生突然塌陷，从而对地表建筑物产生一定程度的影响。因此，采空区基础设施建设时应对采空区地表的沉陷状况进行分析，针对不同情况应采取不同的应对措施。

②政府强力推进

利用采煤沉陷区建设光伏电站，为煤矿企业转型提供了一种新的思路，并会带来很好的社会效益、生态效益和能源效益。

《煤炭工业发展“十三五”规划》要求，促进行业调整转型，鼓励利用废弃的煤矿工业广场及其周边地区，发展风电、光伏发电和现代农业。盘活土地资源，支持退出煤矿用好存量土地，促进矿区更新改造和土地再开发利用等多项措施。

③经济、环保效益突出

将采煤沉陷区治理与光伏产业扶贫、光伏产业技术进步和光伏规模指标管理有机结合起来，即解决了沉陷区土地闲置问题，又统筹推进沉陷区产业发展与生态环境治理，对于促进资源型城市转变能源发展方式具有重大意义。

废弃矿井的太阳能开发利用装置规模可大可小，因地制宜灵活方便，而且受地域限制因素影响较小，非常适合大部分废弃矿区的推广使用。作为我国可再生能源推广量最大的光伏发电技术，已经过长期的考验，技术水平较成熟，系统清洁、高效无污染、对环境友好，投资小、日常运行维护成本低，具有较好的经济、环保效益，随着可持续发展战略的实施，该技术将会在废弃矿井治理过程中发挥不可替代的作用，发展前景广阔。

2.2 压缩空气储能

传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术开发的一种储能系统，利用弃光、弃风和低谷电，将空气压缩并储存于大型储气洞穴中；在用电高峰，高压空气从储气洞穴释放，与燃料燃烧后驱动透平发电。但是，传统压缩空气储能系统不适合我国这类“缺油少气”的国家，还需要特殊地理条件建造大型储气室。

我国的研发团队通过十余年的努力，先后完成了蓄热式压缩空气储能系统和液态空气储能系统的研发及示范[6]。在此基础上，提出了超临界压缩空气储能技术，同时解决了传统压缩空气储能依赖大型储气室和化石燃料的技术瓶颈，并进一步提高了系统效率。

压缩空气储能是一种可以实现大容量和长时间电能存储的电力储能系统，可将风电、太阳能等不易储藏的电力用于压缩空气，将压缩后的高压空气密封在储气空间中，在需要时释放压缩空气推动透平发电的储能方式。

地下储气站可以采用废弃矿井，其中最理想的是恒压储气站，能保持输出恒压气体。压缩空气储能具有容量大、工作时间长、经济性能好、充放电循环多等优点。在我国不具备建设抽水蓄能电站的矿区，尤其远离消费中心的大型太阳能发电场，利用空气储能实现大规模长时间的储能。压缩空气储能优势明显，可以弥补抽水蓄能的先天不足，将是有效解决我国大规模储能问题的重要选择。

2.3 抽水蓄能发电

①废弃矿井建设抽水蓄能电站的优势

随着风能、太阳能发电的发展，用电侧的要求不断提高，电源侧的调控也变得更加复杂，系统中需要大量的调峰电源和可灵活调节的电源。抽水蓄能电站具有启动快、运行灵活等特点，在电力系统中可承担削峰填谷、调频、调相和紧急备用等任务，可为电力系统带来可观的动态效益，有效地改善火电及其他类型机组的运行条件[7]。

煤矿报废后留下的矿洞具有空间大、深度不一、不同高差、水源充足等特点，这些恰恰是建设抽水蓄能电站的有利条件。利用矿洞建设蓄能电站是很有前景的储能方式，不仅有利于拓宽蓄能选点范围，使蓄能电站更加接近负荷中心、可再生能源基地和特高压线路交集处，还可以根据矿区能源开发情况，构成可再生能源微电网系统，使矿区从工业耗水、耗电大户转变为可再生能源电源输出地；同时可以减少筑坝工程量和征地费用，缓解水源蒸发问题，有效减少项目投资；还可促进矿区自然生态环境的恢复，带动周边相关产业发展，实现变废为宝。因此，利用废弃矿洞建设抽水蓄能电站，对于废弃矿洞的再利用具有重大的生态环保和经济意义。

②废弃矿井建设抽水蓄能电站的可行性

在我国利用废弃矿井建设抽水蓄能电站的工程技术研究与工程建设尚处于探索性阶段，还未形成系统的理论方法和技术规范。随着这些领域理论与技术进展、工程示范及其推广，不仅能够有效实现能源储存和电力调蓄，使我国可再生能源产业发展产生新的增长点，也为我国西部缺水地区煤炭开采及水资源保护利用提供重要科技支撑。煤矿地下水库、矿井水循环利用与抽水蓄能发电一体化技术，能够实现矿井储水、蓄能发电、矿井水循环利用和可再生能源开发等多重目标，并有助于控制地表沉陷、维护矿区生态平衡，将对未来现代化、生态化矿井开拓布局、节能减排、绿色开发产生深远影响。

3 结语

废弃矿井可再生能源开发利用要走绿色发展的道路，注重废弃矿井资源开发和生态保护的协调发展，遵循“在保护中开发，在开发中保护”的基本原则，应把绿色发展理念贯穿于废弃矿井开发利用全过程。在项目选择上要以环保优先为前提条件，做到高门槛准入、高标准开发、高要求监管；废弃矿井的生态环境保护与治理要规划先行，项目实施前要经过充分调研、论证；开发利用方案要经政府相关部门审核，做到科学、合理、有序、协调发展。