基于矿井地下水库的煤矿采空区地下空间利用模式与关键技术

 利用煤矿采空区建设矿井地下水库对实现矿井采空区地下空间及矿井水资源化、能源化利用,促进矿区环境生态保护意义重大。综合国内外典型案例,论述了基于矿井地下水库的矿井地下空间及水资源的3种利用模式：矿井地下储滤水库、抽水蓄能电站及矿井地热开发利用。与国外传统地下水库以井巷为主要存储空间相比,目前国内构建的地下水库主要以矿井采空区垮落带为存储空间,这使得矿井地下水库的容量大幅度提升,且垮落带内的煤矸石对矿井水还具有过滤作用。在此基础上,凝练了中国煤矿地下水库2个关键科学问题：矿井地下水库库容能力和矿井地下水库稳定性控制。探讨了库容能力和坝体稳定性控制的影响因素和现阶段主要研究手段,提出了在产矿井和资源枯竭型矿井建设地下水库的后续研究方向。     

废弃矿井资源开发利用战略

正废弃矿井资源开发利用的三大方向:能源化利用(主要针对煤炭、煤层气、新能源),资源化利用(主要针对矿井水),功能化利用(主要针对地下空间和地上空间)。如在煤炭气化利用上,应根据矿井开采条件和废弃煤层的地质条件选择气化炉结构形式和地下气化工艺;废弃矿井可建设煤矿地下水库、地下水污水处理中心、抽水蓄能电站等。此外,还可进行生态修复、地表复垦后建设光伏园区、发展第三产业等。     

封面图片说明：废弃矿井资源开发利用战略

 废存矿井资源开发利用的三大方向：能源化利用（主要针对煤炭、煤层气、新能源），资源化利川（主要针对矿井水），功能化利用（主要针对地下空间和地上空间）。如在煤炭气化利用上，应根据矿井开采条件和废弃煤层的地质条件选择气化炉结构形式和地下气化工艺；废弃矿井可建设煤矿地下水库、地下水污水处理中心、抽水蓄能电站等。此外，还可进行生态修复、地标复垦后建设光伏园区、发展第三产业等。     

中国废弃矿山地下抽水蓄能电站技术要点与可行性分析

 为应对全球气候变化、化解资源环境危机，中国需推进能源结构调整与优化，逐步提高可再生能源开发利用比例，加快解决可再生能源存储的瓶颈问题。中国废弃矿山数量巨大，利用废弃矿山遗留下来的大量地下空间建造抽水蓄能电站为中国可再生能源存储提供了新的思路。基于德国利用废弃金属矿山和煤矿地下空间建造地下抽水蓄能电站的实例，从岩石力学、矿山规划、机械构置、能源系统规划、法律、环境影响以及经济性等方面深入探讨了中国利用废弃矿山建造地下抽水蓄能电站的相关评价原则与技术要点，并进一步提出了中国废弃矿山地下抽水蓄能电站研究的基本方向和主要内容。     

废弃煤矿采空区抽水蓄能水库初步可行性研究

近年来中国的风能太阳能发电取得了巨大的进步,装机容量跃居世界第一。由于相关配套储能设施的匮乏,造成了大量的弃风、弃光、弃电等现象。目前中国的电网储能主要依靠抽水蓄能电站。采用废弃煤矿建设抽水蓄能电站可以提高中国对风能太阳能的高效利用,同时实现废弃煤矿资源化和水资源保护。从采空区的可储空间和采空区的地下布置问题初步研究了废弃煤矿采空区抽水蓄能水库的可行性。研究发现:采空区的渗透系数越大,则越多的水可以被抽出或注入,其有效库容也越大。若是满足有效库容系数(有效库容与总库容的比值)大于0.8,则采空区的渗透系数需大于8×10~(-8) m~2,采空区上下水库间距越小,上水库水量的漏失量也越大。     

废弃矿井抽水蓄能电站水泵水轮机关键技术

 废弃矿井抽水蓄能电站“大落差、小空间、水质差”的特点决定了废弃矿井抽水蓄能电站水泵水轮机需要满足“超高水头、小体积、高耐蚀”的要求。目前适用于废弃矿井抽水蓄能电站的水泵水轮机的研究还不够全面,以矿井水为工作介质的水泵水轮机腐蚀-磨损-空蚀耦合机理还不够系统,针对新能源消纳的水泵水轮机频繁切换工况过渡过程还不够明确,需要进一步开发水泵水轮机水力实物模型设计优化技术,研发水泵水轮机频繁切换工况过渡过程安全稳定运行技术,研究矿井水条件下水泵水轮机腐蚀-泥沙磨损-空蚀耦合机理及协同控制技术。     

废弃矿井抽水蓄能电站基础建设装备关键问题及对策

 为了充分利用煤矿废弃矿井遗留的大量资源及地下空间,促进能源枯竭城市更好地转型与发展,引入煤矿废弃矿井抽水蓄能电站新技术。分析了电站建设的总体改造方案,指出了电站建立的必要性、可行性和战略意义;结合现有的工程机械装备,从掘扩支护、土方作业、辅助机械、智能机器人等4个方面论述了电站基础建设装备群的构成及其应用场景;针对电站的具体施工与运维过程,总结了电站在输水系统的稳定支护与密闭、多巷道间的节流与引流、地下厂房的防渗与加固、厂房周围天然地下水的抽排、人员及大型设备的高效与安全运输等技术难题,并给出了相应的解决方案。     

流域防洪系统中地下水库调蓄能力分析与计算

利用地下水库蓄水能增加洪水资源利用率,减少洪涝灾害,是实现水资源可持续利用的有效途径之一.首次将地下水库纳入到流域防洪系统中,在探讨地下水库的概念和调蓄原理、蓄水条件及其功能特征的基础上,对地下水库的调蓄能力进行了分析与计算.参照地表水库的调洪参数,定义了地下水库调蓄计算的部分参数,作为衡量地下水库调蓄能力的定量计算指标.在调蓄库容、调蓄系数、复蓄指数中,库容是最重要的评价因素.在此基础上针对孔隙介质地下水库和岩溶地下水库,分别给出其调蓄库容的计算公式,并将其应用于下辽河平原调蓄库容计算中,其结果可为流域防洪及地表水与地下水联合优化调度提供重要的参考和依据.     

基于知识图谱的抽水蓄能专利信息挖掘与可视化研究

抽水蓄能技术被公认为是助力实现“碳达峰、碳中和”的重要技术。为深入了解抽水蓄能的技术核心,客观探讨目前该技术的研究现状和热点问题,利用Web of science的德温特专利数据库中的抽水蓄能技术专利进行计量分析。通过知识图谱的构建并结合复杂网络分析,探究抽水蓄能技术发展过程及专利的时空分布、整体前沿技术与热点技术、专利权人间协作情况和建造抽水蓄能电站时要考虑的重要因素。结果表明：首先,抽水蓄能领域大部分技术专利来自中国,目前的前沿研究是聚焦太阳能与抽水蓄能混合发电系统、平衡网络负载和如何减少或防止功率振荡等技术。其次,机构间合作网络是无标度网络,国家电网有限公司在其中扮演着非常重要的中介角色。最后,在进行抽水蓄能电站建设时要结合地势和当地丰富的清洁能源进行具体分析,注重相关设备技术的升级换代和运营管理技术的更新。     

中国关闭/废弃矿井地下空间储物环境稳定性保障：现状、评价及改造

 中国存在大量关闭/废弃矿井,其中关闭/废弃矿井地下空间资源是稳定且易开发的资源。在梳理不同类型储物下（油、气、水、核废料、种子等）研究现状的基础上,研究了矿井遴选、密封性能、储物空间大小、储物时间等,提出了相应的地下空间储物评价指标和改造技术,形成了适合中国国情、自然地质条件的关闭/废弃矿井地下空间储物环境稳定性保障理论与技术。     

中国关闭/废弃矿井的分类利用与等级评价

 针对关闭/废弃矿井分类利用和等级评价,使用Adaboost迭代算法,建立了一个关闭/废弃矿井利用的可能性等级模型,总结得出关闭/废弃矿井分类利用可分为：关闭/废弃矿井生态文明开发,关闭/废弃矿井地下空间开发利用,关闭/废弃矿井遗留媒体资源开发利用,关闭/废弃矿井地下水资源开发利用,关闭/废弃矿井气油水光互补能源开发利用。确立了20项分类指标进行关闭/废弃矿井等级评价,初步构建出国内关闭/废弃矿井资源数据库,提出关闭/废弃矿井智能精准开发科学构想,构建了关闭/废弃矿井绿色资源评价技术体系,推动关闭/废弃矿井精准智能开采以及城市转型发展。     

我国抽水蓄能电站发展与展望

我国节能减排、能源结构调整和电力系统发展要求建设一定规模的抽水蓄能电站。分析了我国抽水蓄能电站开发潜力,以全社会电力供应总成本最低为目标,满足国家能源发展战略和电力行业发展规划,考虑各地区负荷预测、跨区电力交换、以及各类电源建设技术经济条件,提出了我国抽水蓄能电站的合理开发规模、布局、政策建议,为促进抽水蓄能电站可持续发展提供参考。     

电力市场背景下抽水蓄能电站交易机制设计

抽水蓄能电站具有运行灵活、反应迅速、清洁低碳等特点,可以为电力系统中提供调峰、填谷和备用电源等多种优质的辅助服务。目前中国已有河北、山东等省份开展了抽水蓄能电站抽水电量招标采购等市场化交易。随着各试点省份现货市场的逐步建立,抽水蓄能电站的市场化交易有待进一步完善提升,并形成常态化交易机制,以提升抽水蓄能电站的运行效益。对比总结了中国外抽水蓄能电站的运营模式和电价机制;针对中国现有政策机制下抽水蓄能电站运营面临的问题,提出了电力市场背景下抽水蓄能电站参与市场交易的具体方案;并以浙江省为例,进行了模拟测算。结果表明,抽水蓄能电站市场化交易机制对于引导抽水蓄能电站参与市场交易获取合理收益,提升电力市场环境下抽水蓄能电站运营效益,促进抽水蓄能电站长期健康发展具有积极意义。     

天荒坪抽水蓄能电站地下厂房洞室群围岩分类

随着抽水蓄能电站的建设发展,抽水蓄能电站地下厂房洞室群围岩的稳定性对于保证抽水蓄能电站安全生产运行,有着非常重要的实际意义,而围岩分类是评价地下洞室围岩稳定性的基础,本文采用了RQD分类和水利水电围岩工程地质综合分类对天荒坪抽水蓄能电站地下厂房洞室群围岩进行了分类,为分析地下厂房洞室群围岩稳定性提供了重要的依据。     

某抽水蓄能电站地下洞室群围岩三维稳定分析

某抽水蓄能电站地下厂房为大跨度、高边墙地下洞室群,地质条件复杂,分布软弱夹层,高边墙及洞室间岩体的稳定性是洞室设计的关键因素。根据水压致裂法地应力测试数据计算侧压力系数,构造初始地应力场,按照开挖顺序建立三维弹塑性计算模型,分析地下洞室群围岩应力与变形特征、塑性区分布,评价了地下厂房洞室群围岩稳定性,为洞室设计提供科学依据和基础数据。     

废弃油藏建储气库库容变化机理室内实验研究*

地下储气库作为应急气源在调峰中起到重要作用;但目前关于废弃油藏建储气库的基本理论和库容参数预测方面的研究相对较少。采用实际废弃油藏岩心,通过设计与建库过程相似的室内驱替实验,进行了初次注入及后续多次注采转换过程的实验;探索了库容与压力、库容与注采轮次之间的内在关系。结果表明:经过3个轮次注采储气库含气饱和度只能达到40%左右,而后的注采增容能力减弱,5个轮次后趋于达容,含气饱和度达到50%左右。说明废弃油藏由于含水和含油的影响,库容最大仅能达到废弃油藏整个储集空间的一半,解决了以往计算库容不准确的问题。     

基于鲁棒控制的光伏并网系统中抽水蓄能参与电网调频控制策略

抽水蓄能作为技术发展较为成熟的储能型式,主要参与系统的调峰、调频、调相等运行。本文针对抽水蓄能电站参与含大规模光伏电力系统中的调频运行进行研究,同时兼顾了火力发电的经济性与系统偏差调节速率,建立以综合考虑最大限度发挥抽水蓄能电站调节能力以及快速实现区域控制偏差为目标函数,以库容上下限、机组出力上下限等为约束条件的决策模型。同时提出将鲁棒控制应用于抽水蓄能参与电网调频的应用控制中,建立了火电-抽蓄联合调节的发电控制系统模型。最后,以以IEEE39节点系统为例,通过matlab仿真验证了本文提出的模型的有效性及可行性。     

某抽水蓄能电站尾水管三维有限元分析

结合某抽水蓄能电站工程实际情况,建立地下厂房三维有限元整体模型,将尾水管衬砌混凝土结构与围岩视为联合结构共同承担上部机电设备下传荷载和尾水管内外水压力等荷载作用,并考虑衬砌混凝土结构与围岩材料性质的差别,研究尾水管衬砌混凝土结构的受力变形特征,分析尾水管在三维受力状态下典型部位的主拉应力及主压应力,对应力状态作出评价,并计算典型截面配筋面积.     

低水头混流式水泵水轮机过流能力近似计算

为了保证电力系统的稳定运行和能源的合理利用,在综合利用的多能源小电力系统中,一般通过低水头抽水蓄能电站水泵水轮机进行调节.低水头水泵水轮机过流特性直接影响其性能和效率,而自身流道参数是影响水泵水轮机过流能力的主要因素.从低水头抽水蓄能电站水泵水轮机的工作特点出发,根据水泵水轮机工作原理推导出过流能力近似计算公式.通过数值模拟方法计算了不同水头工况的流量,并与近似计算公式结果进行了对比分析.结果表明两者基本一致,且相对误差较小,在5%左右.     

用随机生产模拟方法计算抽水蓄能电站的节煤效益

应用随机生产模拟理论,建立了等效电量函数法分段模型,从抽水蓄能的主要功能－调峰填谷作用以及较高的可靠性出发,以安徽琅琊山抽水蓄能电站为例,首先对抽水蓄能电站在电力系统中运行产生的节煤效益进行了计算和评价,然后对抽水蓄能电站最优运行方式进行了研究,从而证明了随机生产模拟方法的实用性,并由此得出了抽水蓄能电站的最佳运行方式。