邯郸陶二矿矿井建设抽水蓄能电站可行性分析

张胜利

（河北冀中新能源科技有限公司，河北 邢台 054000）

0 引言

煤矿是资源型企业，随着矿井的不断开采，煤炭资源储量逐步减少，矿井服务年限逐渐缩短，尽管利用先进技术延长矿井寿命，但仍面临资源枯竭而关闭的问题。为了减少因矿井废弃造成的国有资产浪费，废弃矿井的开发利用十分重要，但一直没有很好的解决办法，大量废弃矿井和存量资产仍旧闲置。利用废弃矿井建设抽水蓄能电站，可充分利用煤矿生产时遗留下来的井巷工程，且作为储能发电的重要部分，不仅形成了新能源结构，而且盘活了废弃煤矿的存量资产，还可成为持久、有效利用废弃煤矿资源的方法，是废弃煤矿资源化利用的最佳选择。

1 煤矿抽水蓄能电站基本原理

对煤矿现有的一些设施进行改建，在地面建设抽水蓄能上水库、控制室等，在采掘巷道建造下水库、输水系统等。基本原理是利用上下水位势能、电能和机械能之间的能量转换，在电力低负荷时，系统机组处于电动机和水泵的工作状态，利用电网谷段或是弃风弃光的电将下水库的水抽到上水库，将这些电储存起来，待白天和傍晚用电负荷急剧增加时，将水从上水库放出，把水的势能转换成电能，缓解电网在高峰时段的用电压力，对电网安全稳定运行以及削峰填谷起到调节作用。

2 陶二矿概况

陶二矿位于河北省邯郸市复兴区，冀中能源股份有限公司下属矿井，该煤矿于2020 年关闭，关闭后留下了大量的沉陷区、地下采掘巷道，以及工业广场、办公用楼等，井上下高差700 m 左右。由于煤矿的关闭，井下钢轨、机车、电缆等设备已拆除，已毁闭井筒，填实盖帽，副井由于留做排水使用需保留，因工业场地保安煤柱的存在，矿山的办公生活区及矿山道路不存在开采塌陷等地质灾害，闭坑后，矿山的办公生活区及矿山道路均可保留利用。同时，还导致矿井水不断增加，在地下空间集聚水资源。利用陶二矿建设抽水蓄能电站，可充分利用煤矿关闭后遗留的地下空间以及丰富的矿井水资源。

3 邯郸陶二矿水储能发电系统建设

3.1 原有地下空间的利用

项目考虑-710—0 m 标高作为蓄水空间，主要包括矿井的-710 m 水平大巷以及-710 m 水平采空区。

陶二矿矿井开拓方式为立井开拓，混合式通风，主井、新副井以及东副井井筒进风，中央风井、北风井回风。立井与-258 m 水平相连，再通过暗斜井连接-710 m 水平，加上水平大巷、机电硐室、连接巷等空间，蓄水能力在50 万m3左右。

3.2 蓄水空间可扩性

-710 m 水平以上至0 m 存在大量采空区，需要做增透工程，提高汇水速度。在-710 m 水平以上附近已经形成的采空区，打开原工作面上下两巷，并在采空区合适位置打钻疏通，布置一定的钻孔，使钻孔成为疏水通路，确保蓄水空间的水流通畅，形成采空区有效蓄水空间50 万m3。

3.3 蓄水能力的确定

根据陶二矿的-710 m 水平巷道、机电硐室、连接巷，汇水巷及工程情况、工作面采空区情况以及该项目的布置方案确定下水库的蓄水能力。-710 m 水平大巷、机电硐室、连接巷，汇水巷比较完好，巷道蓄水能力在50 万m3左右，-710 m 水平采空区蓄水能力在50 万m3。

该项目仅利用陶二矿原有地下空间50 万m3，节约采空区探测、治理等费用，下水库共计蓄水能力50 万m3。

4 经济效益分析

（1）在计算最大可发电量时，抽水蓄能发电系统的整体机械效率，所选设备厂家提供效率为89%，见式（1）。

式中：Wf为最大可发电量；H 为平均水头高度；ΣHf为放水总水头损失，经计算得到放水总水头损失为2.48 m；V 为上水库容积；ρ 的数值是1.0×103kg/m3；g 取9.81 m/s2；ηf为抽水蓄能发电系统的整体机械效率。

根据式（1）可以计算出，最大可发电量为845 830.19 kw·h，在发电8 h 的模式下，平均发电机功率为105.73 MW。

（2）在计算水泵最大耗电量时，泵和电机的整体机械效率，所选设备厂家提供效率为90%，见式（2）。

式中：Wh为最大可发电量；ΣHh为抽水总水头损失，经计算得到抽水总水头损失为2.61 m；ηh为泵和电机的整体机械效率。

根据式（2）可以计算出，水泵最大耗电量为1 063 673.47 kw·h，在水泵工作8 h 的模式下，电机的平均功率为132.96 MW。

（3）根据综合电网的日负荷特性和河北省邯郸市峰谷时段划分为，水泵抽水时间段选择为23时—第二日7 时，发电时间选择为11 时—19 时，综合夏季、冬季和其他季节峰谷时段划分，水泵抽水时间在低谷8 时，发电时间在高峰6 时、尖峰2时。邯郸市低谷电价为0.44 元，平段为0.53 元，高峰为0.88 元，尖峰为1.01 元，实际计算时，所发电能按均价0.88 元，抽水耗能按0.44 元计算。

抽水蓄能所发的电：Wf×0.88=74.43 万元。

抽水消耗的电：Wh×0.44=46.80 万元。

因此，计算得到收益为27.63 万元/d，折合为9 117.90 万元/a。

5 存在的难点及解决办法

5.1 蓄水空间岩体裂隙问题

利用废弃矿井地下空间建设地下水库时，需要一定的巷道围岩稳定性支持，其直接决定巷道空间的区域稳定性、抽水蓄能电站的稳定性和可靠性。同时由于地下水库需储存大量的水，巷道的渗透性将直接影响建设抽水蓄能电站的可行性。

针对以上问题，可以通过采集废弃矿井蓄水空间岩体的裂隙参数，构建流体流动的复合裂隙介质模型，通过添加、改变模型中流体的边界条件，模拟蓄水在岩体中的运移特征，分析岩体的传输特性及其敏感性因子，建立岩体的传输特性与裂隙孔参数的函数关系式，推导此条件下的流固耦合应力作用下裂隙的扩展规律，然后采用注浆防渗的方法，确保蓄水空间的稳定性。

5.2 上水库存在安全隐患

工业广场内的上水库下方存在采空区，采空区导致岩体原有的应力平衡状态破坏，上覆岩土体有塌陷、下落的可能，上水库的建设以及后期运营因采空区地面的垮塌、变形而产生了极为严重的安全隐患。

可以采用水库库盆加固的方法，目的是解决采空区引起的裂隙发育、塌陷问题，将裂缝或缝隙进行封堵，防渗层底部土体不出现岩溶塌陷，库盆防渗问题得到保障。为了提高库盆的抗剪断能力，增强库底岩体抗滑稳定性，可以采用锚筋桩施工技术对采空区上方的库盆进行加固处理。

5.3 上水库渗漏问题

废弃矿井建设抽水蓄能电站时，上水库通常选择在工业广场，可获得高水头、大落差的优越条件，且该位置建设上水库无新水源作为补给，上水库作为储水的场所，里面的水可以反复使用，所以上水库的水不允许有大范围的外渗。

应对上水库的地层岩性、构造发育规律，覆盖层分布及厚度等基本地质情况进行深入地质测绘和详细了解。进一步了解是否有大断裂的情况出现，若有，则需对断裂的方向、大小、渗透性等方面进行详细剖析，可以采用三维渗流场的分析工作进行电量分析。引水隧道和尾水隧道采用钢筋混凝土衬砌，高压管道和尾水支管段一般采用钢板衬砌型的方式进行防渗。

6 结语

利用废弃煤矿进行水储能发电，可充分利用原来煤矿生产时留下的井巷工程，且作为储能发电的重要部分，不仅形成了一个新能源结构，而且还盘活了废弃煤矿的存量资产，是废弃煤矿进一步资源化利用的最佳选择。上下水库位置的选择、环保的要求和水源是制约抽水蓄能发电项目的因素，而利用废弃矿井建设抽水蓄能电站有着得天独厚的条件，既有上下水库位置条件和现成水头高差可利用，又有非常小的距高比和良好的经济性，为国家实现“双碳”战略目标和企业的可持续发展发挥重要作用。