废弃矿井地热资源的开发利用

谢友泉，高 辉，苏志国，李 春，董丽静，朱家玲

(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；3. 天津大学地热研究培训中心，天津 300392)

0 引言

随着中国能源结构调整力度的加大，煤炭供给侧改革不断深入，大量煤矿被关闭，导致矿井也随之被废弃，由此带来了资源浪费、生态破坏、环境污染等方面的社会问题；且原生产厂区还有大量厂房和设备被闲置，占用了大量的土地资源；另外，还有很多下岗人员未被安置。仅2016年，中国就关闭退出煤矿2000个左右[1]。2018年底，中国采煤矿数量已由“十二五”初期的1.4万多个减少到5800个左右[2]。随着“去产能”的深入推进，将有更多煤矿被关闭，到2030年，废弃矿井数量将达到1.5万个[3]。

过去粗放式的煤矿开采并未注意保护环境，很多矿井未实现资源的综合利用。这些废弃矿井不仅造成了资源的巨大浪费，还有可能诱发后续的安全、环境等问题。由于各矿井的基础条件不同，矿井所在区域的区位优势、资源禀赋等也不同，因此，关闭或废弃矿井的开发利用也各有不同，探索关闭或废弃矿井的转产和转型存在很大难度。除少数矿井的转产和转型取得一定程度的成功外，大部分关闭或废弃矿井均被遗弃，造成大量资产被闲置，且留下了一定程度的安全隐患。因此，随着关闭或废弃矿井的大幅度增加，我国迫切需要解决已经关闭或废弃矿井的出路问题[4]。

本文介绍了废弃矿井的资源类型，分析了废弃矿井地热资源的现状和特点，研究了拥有不同地热资源的废弃矿井的开发利用模式，明确了适宜开发利用的废弃矿井地热资源的基本参数，并对废弃矿井地热资源的开发利用提出了发展建议。

1 废弃矿井的资源类型

1.1 废弃矿井的塌陷土地资源

废弃后的矿井会形成大量的采空区和塌陷区，即采矿坑废弃地和各种剩余物排放堆积形成的尾矿废弃地，以及采矿作业面、机械设施、矿山辅助建筑物和道路交通等占用的废弃土地。

大量的废弃矿井不仅占用土地资源，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，加快废弃矿井的治理，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[5]。

1.2 废弃矿井的坑道空间

废弃矿井内的空间资源巨大。由于需要保证安全生产，所以开采煤炭时所需的井筒、巷道等建筑设施的质量非常好。若将改造后的废弃矿井用于地下储物，则是最简单、最直接、最省钱的再利用办法[6]。

根据数据显示，到2020年，中国废弃矿井数量将达到1.2万个。按每个矿井地下空间资源为60万m3计算，1.2万个废弃矿井就是72亿m3的空间资源，相当于1座千万人口大城市的空间[2]。

1.3 地热及其他资源

中国废弃矿井中赋存多种资源，其中，煤炭高达420亿t、天然气近5000亿m3，还拥有大量水和地热等资源。

中国废弃矿井的深度从几十米到上千米不等，有的甚至更深；有些坑道内常年储存着热水资源，水温大多在10～30 ℃，是很好的热能资源[7]。

2 废弃矿井地热资源的开发利用模式

2.1 废弃矿井地热水资源的特点

由于地理条件、地质条件不同，废弃矿井资源状况不一样，且废弃矿井所在区域的经济条件、资源禀赋等不同，废弃矿井的利用方式和开发水平存在较大差异。因此，需要根据每个废弃矿井地热资源的特点进行有针对性的开发利用，切实可行地解决已经关闭或废弃矿井的合理开发利用问题[8]。

废弃矿井中可用的热水资源包括矿坑水、涌渗水、地热水等，其温度、可利用量等参数会随气候条件、地形地貌、地质情况、矿井深度等发生变化。一般1000 m深处的坑道温度多在35～45 ℃之间，部分高温区域可达60～70 ℃以上。

2.2 废弃矿井地热资源的发展优势

热泵技术可以有效解决废弃矿井低位热能的冷热源，即利用热泵机组把矿井水中的低位热能提取出来，转化为人们生活能够利用的高位热能，采用此技术的系统被称为“矿井水源热泵系统”。

矿井水源热泵系统具有以下优势：1)环境友好，经济效益显著；2)高效节能；3)运行稳定可靠、操作简单；4)一机多用，应用范围广。

2.2.1 环境友好，经济效益显著

矿井水源热泵系统是利用常年基本保持恒定的矿井水作为热泵机组的冷、热源，与传统的供热空调系统相比，该系统在冬季供热时不需要消耗燃煤，避免了CO2、SO2等污染气体的排放，并且无废弃物，减少了有毒、有害气体对大气环境的污染；在夏季为人们提供冷量时，该系统也省去了冷却塔等设备，避免了冷却塔在运行时产生的噪声，减少了冷却水的自然蒸发和霉菌的滋生。因此，矿井水源热泵系统不会对环境产生危害，保护环境的同时经济效益显著。

2.2.2 高效节能

矿井水源热泵系统所利用的矿井水的温度全年波动不大，在冬季其温度约在16～18 ℃，比室外的环境空气温度高，所以提高了矿井水源热泵系统循环的蒸发温度，有利于系统提取热量，能效比也得到提高。而在夏季，矿井水的温度为18～22 ℃，比环境空气温度低，所以降低了矿井水源热泵系统循环的冷凝温度，有利于系统释放热量，具有较好的冷却效果，提高了热泵机组工作效率。因此，矿井水源热泵系统比一般不利用矿井水的热泵系统运行更稳定、更节能。

2.2.3 运行稳定可靠、操作简单

矿井水的温度一年四季相对恒定、流量稳定，是非常理想的冷、热源，使矿井水源热泵系统的运行更加稳定可靠，提高了系统的运行效率，并且其不存在空气源热泵的融霜、除霜等问题。现在的矿井水源热泵系统自动化程度高，基本已实现计算机控制[9]，操作简单。

2.2.4 一机多用，应用范围广

矿井水源热泵系统除了能够实现冬季供暖和夏季制冷，还可以为日常生活提供生活热水，一机多用，1套矿井水源热泵系统可以代替1套传统的锅炉与1套传统的空调系统。特别是对于需要同时制冷和供热的场合，具有非常明显的优势。

矿井水源热泵系统不但减少了能量消耗，节省了大量资源，而且能同时满足建筑冷、热量供应的要求，因此，该系统在宾馆、学校、办公楼等建筑上得到了广泛的应用。

2.3 废弃矿井地热资源的利用模式

可以结合废弃矿井自身实际情况与工程实例，制定合理的废弃矿井地热资源利用模式，不仅能够为未来规划的废弃矿井产业园区提供热能，而且相较于化石燃料，其可极大地减少CO2的排放。根据能源品质的区别，废弃矿井地热能的利用方式主要有供热/制冷、发电这2种。

2.3.1 供热 /制冷

1)利用废弃矿井低温水资源进行供热/制冷。对于废弃矿井地热水的温度在16～30 ℃的热能资源，矿井水源热泵系统可以利用其对建筑物供暖/制冷。废弃矿井热泵供热/制冷系统由水泵、逆流壳管式热交换器、压缩机、热水水箱、分布空调和设备连接管道等组成，如图1所示。

从图1可以看到，矿井水被从1个或多个井眼中抽取出来，直接通过热泵或是直接通过连接到热泵的热交换器，将经过热交换后的水重新注入矿井或其他含水层单元。

另一种方式是利用单井提取热水，并同时将冷却水注入同一个竖井中，从而构建双合系统，这样能够最小化所需面积和初始投资成本，同时还可以保证矿井水的循环利用，节省了水资源及其处理成本。单井换热示意图如图2所示。但另一方面，若矿井水抽取点和注入点之间的连接过于直接，则需要对回注井眼进行钻探和维护，并且存在热“反馈”的风险。

2)废弃矿井季节性蓄热。对于废弃矿井的浅层地热资源，可以和蓄热利用相结合。废弃矿井巷道和深层的岩石可以提供非常充分的换热面积和较为有利的换热条件，而且由于废弃矿井还具有丰富的水资源，形成了一个容量巨大的天然热能储存器，并且会随着自然条件的变化自动进行充、放热，且矿井水的温度基本常年恒定，这都为废弃矿井巷道蓄热提供了条件。

利用废弃矿井巷道空间作为季节性太阳能蓄热的系统示意图如图3所示。

中国已经开始了上述研究，以水作为蓄热介质，整个蓄热系统由矿区地面的湖泊、矿区内的矿井、太阳能集热器、热泵机组及生活区用户端组成。在夏季时，太阳能集热器加热从热泵排出的水，通过热泵机组将被加热的水存入矿井巷道；在冬季时，利用夏季储存在巷道中的热水作为热泵系统的热源，对生活区供热，利用后的水排入湖泊以备循环使用。

在上述利用模式的基础上，还可以将生物质热电联产在夏季的热能可供回收的余热、可再生能源(太阳能、地热能等)、工业废热余热等，经过适当处理后存入废弃矿井中储存起来，等到供热季再提取利用。这一利用模式的工作原理如图4所示。

2.3.2 发电

利用废弃矿井地热资源进行发电时，有2种模式，分别为废弃矿井双循环地热发电系统和废弃矿井干热岩发电系统。

1)废弃矿井双循环地热发电系统。一般情况下，废弃矿井热源温度偏低，若直接利用，能源转换效率较低，因此需要借助中间介质来实现对热能的提取，常采用的是废弃矿井双循环地热发电系统[10]，其工作原理如图5所示。废弃矿井双循环地热发电系统主要由蒸汽发生器、冷凝器、水泵、汽轮机、发电机等构成。

废弃矿井双循环地热发电系统中存在2种流体。一种是热源流体，其一般为经处理后的地下水，在蒸汽发生器中被冷却后再次打入地下。另一种是以低沸点工质流体(如氟里昂、异戊烷、异丁烷、正丁烷等，沸点均低于30 ℃)作为工作介质，此种流体在蒸汽发生器内因吸收了地热水释放出的热量而汽化，这些低沸点的流体蒸汽被送入汽轮机发电机组进行发电；做完功后的蒸汽由汽轮机排出，并在冷凝器中冷凝成液体，然后经循环泵打回蒸汽发生器再循环工作[11]。

提升废弃矿井双循环地热发电系统发电技术的关键是开发高效的热交换器，以减少换热过程中的热量损失；同时，还要寻找和选择沸点低、成本低、安全环保的工质。

2)废弃矿井干热岩发电系统。我国一些废弃矿井的深度可以达到1 km，个别废弃矿井的深度甚至可以达到1.5 km。在具备开发条件的地方，可以利用这一优势，在此基础上进一步将矿井钻至4～6 km深，此处的岩层为高温岩体，如此便可获得 120～180 ℃的高温热源。通过这种方式的开发利用，可将废弃矿井开发成为干热岩发电系统[12]，其工作原理图如图6所示。

废弃矿井干热岩发电系统包括注水井、生产井、人工裂隙、汽轮机、发电机、冷凝器、水泵等。与常规地热发电系统不同，废弃矿井干热岩发电系统需先将外界冷水注入地下，由事先压裂而成的人工裂隙产生的高温蒸汽驱动汽轮机转动，从而带动发电机工作，过热蒸汽经冷凝器冷却后再次注入地下，构成闭合循环系统，以实现连续发电。

3 影响废弃矿井地热资源利用的因素

3.1 地理区位条件制约

废弃矿井地下空间长度可以从几千米到上万米，可分为临近城区、城区边缘和城郊之外等不同的区域类型。从地热资源的开发模式来看，建立的地热系统尽量远离城区，与城市保持一定的安全防护距离，但需要与用户建立供暖输配网络，且距离的远近将直接影响到输配成本[13]。

3.2 水质制约

我国许多废弃矿井的矿坑水，特别是老窖水，水质很差，总硬度约为30～76度，矿化度约为1～9 g/L，属于高矿化度矿井水。同时，矿井水中含有金属硫化物，会形成酸性矿井水；有的矿井水还存在有机物、微生物，还有高硫酸盐、高氟、高铁、高锰、砷超标等问题。

进行地热资源利用时，需要考虑到水泵、热交换器、管道和回注井的腐蚀或结垢堵塞问题，应根据情况选择添加滤网或进行水处理；回注时，需要注意抽取点和注入点之间的距离，防止热“反馈”风险。

3.3 废弃矿井地热利用基本要求

在对废弃矿井地热资源进行利用之前，需要从经济和技术条件方面进行分析，并对其利用价值做出评价。

一个矿井区域的温度会随着矿井深度的增加而增加，但是钻井的难度和复杂性也会随着钻井深度的增加而增加，且钻井成本也会增高。为此，将钻井深度小于2 km就可以利用的地热资源定义为经济型地热资源，钻井深度为2～3 km可以利用的地热资源定义为亚经济型地热资源；只有当温度大于40 ℃、出水量大于20 m3/h时，才能被当作适宜开发利用的地热资源加以评价。

4 结论

本文对废弃矿井地热资源的现状和特点进行了分析，并针对不同的地热资源类型进行了利用模式的研究，明确了适宜开发利用的废弃矿井地热资源的基本参数。废弃矿井的可再生能源开发利用要走绿色发展的道路，应注重废弃矿井地热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，把绿色发展理念贯穿于废弃矿井开发利用的全过程。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和论证；开发利用方案要经过政府相关部门的审核，做到科学、合理、有序、协调地发展。