浦 海，卞正富，張吉雄，許軍策

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 2.新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023; 3.中國礦業(yè)大學(xué) 教育部礦山生態(tài)修復(fù)工程中心，江蘇 徐州 221116; 4.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤炭是我國一次能源重要組成部分[1]。煤炭的使用導(dǎo)致了大量溫室氣體的釋放及各種環(huán)境問題的產(chǎn)生。根據(jù)《巴黎氣候協(xié)定》，各國政府必須采取措施提高清潔能源份額，減少化石能源，尤其是煤炭資源的使用[2]。我國政府采取了煤炭去產(chǎn)能的政策，淘汰了一批落后產(chǎn)能及資源枯竭的礦井和露天礦。相比于露天礦，我國煤礦開采方式仍以地下開采為主，產(chǎn)出率保持在90%左右[3]。相關(guān)研究表明:僅2016年，地下礦井關(guān)閉數(shù)量達(dá)2 000處左右，到2030年數(shù)量將到達(dá)15 000處[4]。大量地下礦井的關(guān)閉或廢棄，勢必對環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致地下水水位下降、水質(zhì)污染、地表沉陷、采空區(qū)積水災(zāi)害、地質(zhì)環(huán)境變化和次生災(zāi)害等[5]。同時，礦井關(guān)閉后地區(qū)經(jīng)濟(jì)蕭條，大量礦工失業(yè)，嚴(yán)重阻礙了區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。為此，習(xí)近平總書記提出了要科學(xué)規(guī)劃搞好評估論證，做好關(guān)閉礦區(qū)資源整合利用的要求。因此，探討如何有效地再利用廢棄礦井的潛在資源，實(shí)現(xiàn)后礦業(yè)區(qū)域的清潔生產(chǎn)、生態(tài)恢復(fù)與經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇勢在必行。

受采礦活動的影響，地下工程圍巖的初始滲透率發(fā)生改變，致使該地區(qū)水文地質(zhì)情況發(fā)生巨大的變化[6]。礦井關(guān)閉后，水泵停止工作，地表積水、含水層、離層腔、溶蝕腔或老井的水將逐漸充滿地下空間，即發(fā)生地下礦井水的回彈[7]。且關(guān)閉后礦井水水質(zhì)急劇惡化，嚴(yán)重威脅地下水的循環(huán)，因此部分礦井在關(guān)閉后仍要投入大量人力物力控制礦井水水位[8]。為了降低廢棄礦井的維護(hù)成本，一種低碳方案是將礦井水與熱泵結(jié)合從廢棄礦井水中回收能量。由于地球持續(xù)加熱，儲存在礦井中的水，冬季可用于建筑供暖，夏季可用于建筑制冷[9]。針對此，開展了廢棄礦井地?zé)豳Y源開采理論與實(shí)踐的研究:ANDREW等研究了歐美廢棄礦井地?zé)崮芾脿顩r，認(rèn)為廢棄礦井地?zé)崮艿脑倮每蔀楫?dāng)?shù)厣鐓^(qū)建立能源恢復(fù)能力，并提供更多就業(yè)機(jī)會，為經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)[10];JARDN等根據(jù)廢棄礦井水溫度分布特點(diǎn)提出了兩種礦井水地?zé)崮芾媚Ｊ?，為民居和大型公共場所進(jìn)行供暖和制冷，同時回注時采用小型渦輪發(fā)電機(jī)回收勢能[11];ATHRESH基于地源熱泵技術(shù)，提出了一種開環(huán)通用技術(shù)，以評估利用礦井水熱量應(yīng)用效能，并進(jìn)行了兩處商業(yè)性實(shí)踐[12];GARETH等分析了英國廢棄礦井地?zé)崮芾脵C(jī)遇與挑戰(zhàn)，認(rèn)為持續(xù)利用廢棄礦井地?zé)豳Y源必須解決各種挑戰(zhàn)，包括調(diào)節(jié)熱量、繪制和量化資源以及了解礦井水溫度不均勻性驅(qū)動因素等[13];JAVIER等針對西班牙Asturias廢棄礦井的地?zé)崮芾脿顩r，分析了其利用的可行性并評估了經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益[6]。另一種低碳方案是將廢棄礦井與可再生清潔能源結(jié)合利用，主要用于開發(fā)地下抽水蓄能電站(UPSH)，地下蓄水水庫或壓縮空氣蓄能電站(CAES)等。顧大釗利用西部廢棄礦井采空區(qū)建立了地下水庫，有效緩解了礦區(qū)地表水蒸發(fā)問題[14];謝和平等初步探究了使用廢棄礦井采空區(qū)作為抽水蓄能水庫的可能性[2,15-16]。然而，以往的研究過多關(guān)注采場儲水功能，卻忽略了礦井地?zé)崮艿拈_發(fā)與利用。事實(shí)上，深部礦井采場空間具有蓄水量大、溫度穩(wěn)定、焓值較高等優(yōu)點(diǎn)，適合為周邊建筑提供穩(wěn)定可持續(xù)的地?zé)崮?，具有重要的?jīng)濟(jì)價值和環(huán)境效益，但我國廢棄礦井地?zé)豳Y源利用項(xiàng)目仍是少數(shù)。

為此，筆者總結(jié)了國外廢棄礦井地?zé)豳Y源的利用現(xiàn)狀，提出了一種利用廢棄礦井不同地層采空區(qū)地?zé)崮苓M(jìn)行供暖和制冷的混合循環(huán)系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)依托于廢棄礦井地?zé)豳Y源、水資源及空間資源，極大的提高了廢棄礦井的資源利用率。并初步評估了整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。該研究對地?zé)豳Y源豐富、礦業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)域綜合利用礦井地?zé)豳Y源具有借鑒意義。

1 廢棄礦井地?zé)衢_采與利用

廢棄礦井主要指礦產(chǎn)資源枯竭、不能滿足安全綠色開采要求等政策原因而關(guān)閉的礦井[17]。之所以被廢棄，根源在于缺乏合理再利用方案和管理監(jiān)督機(jī)構(gòu)。礦井廢棄后，仍賦存種類豐富的潛在資源，決定了其再利用模式的多樣化。與其他資源如殘余煤氣和空間等資源利用相比[18-23]，地?zé)豳Y源屬于可再生清潔能源，利用成本較低，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

1.1 廢棄礦井地?zé)峄厥障到y(tǒng)

廢棄礦井地?zé)豳Y源開采常用地源熱泵(HP)與開環(huán)或閉環(huán)回路相結(jié)合，通過熱泵進(jìn)行空間的加熱和冷卻，冬季熱量從礦井水中汲取用以空間供暖，夏季熱量轉(zhuǎn)移到礦井水中用以空間制冷[12]。目前，主要有以下幾種礦井地?zé)衢_采系統(tǒng)。

1.1.1閉環(huán)系統(tǒng)

當(dāng)?shù)V井地下水源受到矸石污染時，通常采用閉環(huán)系統(tǒng)開采地?zé)豳Y源[7,24]。如圖1(a)所示，一般采用環(huán)狀鋼制或聚乙烯管式熱交換器(HE)浸入到淹沒的豎井中，通過熱交換器內(nèi)傳熱流體的循環(huán)與熱泵(HP)耦合，為內(nèi)層循環(huán)的建筑空間供暖或制冷。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是只取熱不取水，避免了礦井水水位的下降和相關(guān)水化學(xué)處理的難題。但由于熱交換器只能通過熱傳導(dǎo)和熱對流方式采集礦井水中的熱量，易受礦井水溫度變化的影響產(chǎn)生產(chǎn)熱量不穩(wěn)定等問題[25]。針對此，BANKS等[8]提出了另一種形式的閉循環(huán)系統(tǒng)(圖1(b))，采用水泵將礦井水注入到地表臨時水庫，用熱泵進(jìn)行空間的供暖和制冷，但是該系統(tǒng)仍面臨著污水排放與尾水回注的問題。

圖1 廢棄礦井地?zé)崮芾瞄]環(huán)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of closed-loop system for geothermal energy utilization in abandoned mines

圖2 廢棄礦井地?zé)崂瞄_環(huán)系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of opened-loop system for geothermal energy utilization in abandoned mines

1.1.2開環(huán)系統(tǒng)

與閉環(huán)系統(tǒng)相比，開環(huán)系統(tǒng)更適用于水量大、水質(zhì)好的礦井水源[25]。因此，在關(guān)閉的廢棄礦井中，當(dāng)水質(zhì)不存在極端pH值、懸浮固體顆粒時，可以考慮優(yōu)先采用開環(huán)地?zé)衢_采回收系統(tǒng)。如圖2(a)所示，通過水泵從豎井中汲取礦井水，利用管式換熱器傳遞給用戶。經(jīng)過熱交換后，礦井水進(jìn)行處理被排到地表自然水域中。然而，礦井水的排放，勢必會導(dǎo)致地下水位下降及系統(tǒng)可開采總熱容量的降低。與之相反，如圖2(b)所示，為了避免將礦井水處置到地表浪費(fèi)地下水資源，熱交換之后，可將尾水重新回注至礦井某一水平面或另一個含水層單元[26]。圖2(b)中I表示開環(huán)安裝到同一豎井不同深度與溫度處，經(jīng)過熱交換后，礦井水部分或全部回注到豎井中，回注的水通常沿著井筒壁流向水泵，從井筒壁吸收熱量。但由于熱量主要來源于圍巖向井壁的傳導(dǎo)，因此該系統(tǒng)的持續(xù)性往往受到限制。II表示開環(huán)安裝到另一個含水層單元，與I相比該系統(tǒng)熱量來源穩(wěn)定，但存在熱突破的風(fēng)險，即汲水點(diǎn)和回注點(diǎn)連接過于直接，導(dǎo)致出水口溫度急劇降低。

1.1.3開閉環(huán)混合系統(tǒng)

圖3給出了一種用于空間供暖、制冷的開閉環(huán)混合系統(tǒng)，主要由礦井水回路、管式換熱器、清潔水回路和熱泵組成[6]。與閉環(huán)或開環(huán)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)主管網(wǎng)采用開環(huán)系統(tǒng)，供給側(cè)局域管網(wǎng)為閉環(huán)系統(tǒng)，能夠在供需兩端建立人工智能化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供需集群間能量交換與儲存。然而，無論是開環(huán)、閉環(huán)或者混合環(huán)系統(tǒng)，礦井的豎井空間是有限的，礦井水補(bǔ)熱速率要遠(yuǎn)慢于系統(tǒng)采熱速率[25]。同時，礦井深部地?zé)崂猛緩郊把a(bǔ)熱方式單一，不利于系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 廢棄礦井地?zé)崂没旌檄h(huán)系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of hybrid system for geothermal utilization in abandoned mines

1.2 廢棄礦井地?zé)豳Y源利用

國外開展廢棄礦井地?zé)豳Y源利用的研究較早，如荷蘭、德國、英國和加拿大等已有相關(guān)裝置從廢棄礦井水中回收地?zé)崮?。這些裝置都有一個相似的特點(diǎn)，它們利用廢棄礦井中的水，通過熱泵升級熱能，并與地暖循環(huán)連接實(shí)現(xiàn)建筑物的供暖。而有些熱泵可以在夏季逆轉(zhuǎn)水流方向進(jìn)行空間制冷[27]。從單個建筑到區(qū)域供暖和制冷，系統(tǒng)選擇和安裝大小各不相同。表1總結(jié)了部分廢棄礦井地?zé)崮茉磸S的運(yùn)行情況。由表1可知，礦井水的溫度對地?zé)崮茉磸S的運(yùn)行功率有較大的影響，隨著廢棄礦井水溫度的升高，供暖輸出功率和能效比(COP)呈增大趨勢。其中，能效比是指系統(tǒng)生產(chǎn)的熱量與系統(tǒng)運(yùn)行所需要的全部能量的比值。

表1 已運(yùn)行部分地?zé)崮茉磸S狀況Table 1 Operation of some geothermal energy plants

加拿大Nova Scotia在 Springhill被水淹沒的廢棄礦井中，建立了世界上第1座廢棄礦井地?zé)崮茉床杉到y(tǒng)。該系統(tǒng)采用開環(huán)設(shè)計(jì)(圖2(b))，利用11個熱泵，從已關(guān)閉礦井-140 m處抽取約18 ℃的水，為16 700 m2建筑提供空間供暖，尾水回注到礦井另一高度水平面，整個系統(tǒng)的能效比約為3.5。同時，由于系統(tǒng)抽水工作的運(yùn)行，保持了礦井上層工作區(qū)域干燥，使上部礦井成為了地上礦業(yè)博物館。此外，為了解決礦井關(guān)閉后面臨的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境問題，荷蘭Heerlen利用廢棄礦井地?zé)崮?，?50棟住宅、3 800 m2商業(yè)建筑和16 200 m2社區(qū)建筑供暖和制冷[28]。系統(tǒng)采用開環(huán)設(shè)計(jì)，利用塑料管和鈦制熱交換器，從5口-750 m礦井處抽取30～35 ℃水進(jìn)行冬季供暖，夏季則從3口-250 m深的井中抽取16～19 ℃水進(jìn)行空間制冷。整個系統(tǒng)采用4臺功率為700 kW，能效比為5.6的熱泵，提供了該區(qū)域80%的年供能需求，為地區(qū)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和環(huán)境治理提供了重要保障。

為了解決礦井水質(zhì)的問題，英國約克郡為Caphouse廢棄礦井設(shè)計(jì)了一種閉環(huán)系統(tǒng)(圖1(b))，系統(tǒng)通過功率10.5 kW的熱泵采集臨時蓄水池的熱量(圖4(a))[8]，為居民社區(qū)進(jìn)行供暖。該系統(tǒng)運(yùn)行時不依賴豎井的實(shí)時供水，同時礦井水不通過換熱器或熱泵，避免了系統(tǒng)赭石堵塞或過濾器清除的問題。德國對Marienberg廢棄Wismut礦豎井進(jìn)行修復(fù)，并進(jìn)行礦井地?zé)嵩倮玫难芯?，建立地?zé)岚l(fā)電站。該豎井深度為144 m，礦井水的溫度為12 ℃。整個地?zé)岚l(fā)電站具有一個由礦井水加熱的二級閉環(huán)回路，處理礦井水能力為120 m3/h，提供了690 kW的熱容量，并與公共熱電廠并網(wǎng)，滿足用戶高峰時期的使用。

圖4 廢棄礦井地?zé)釕?yīng)用部分項(xiàng)目Fig.4 Partial project of geothermal application in abandoned mines

為了提高清潔能源的占比，歐盟要求相關(guān)煤炭生產(chǎn)企業(yè)必須于2018-12-31前關(guān)閉。西班牙的阿斯圖里亞(Asturian)礦區(qū)，面積超過1 400 km2于2018年底關(guān)閉，遺留了嚴(yán)重環(huán)境與經(jīng)濟(jì)問題[6]。針對此，當(dāng)局考慮礦井水溫度(平均21.6 ℃)與當(dāng)?shù)貧鉁氐牟▌?，設(shè)計(jì)了一種如圖3所示的開閉環(huán)混合地?zé)崂孟到y(tǒng)(圖4(b))。通過估算礦井水量和地區(qū)能源需求，分別設(shè)計(jì)了1，3.5，5和10 MW四種功率的系統(tǒng)，并且評估了投資與管理成本，認(rèn)為功率1 MW地?zé)岚l(fā)電廠在經(jīng)濟(jì)上不可行，3.5 MW地?zé)岚l(fā)電廠在距離小于1.5 km的距離上是可行的，5 MW和10 MW的地?zé)岚l(fā)電廠在接近2 km的距離內(nèi)達(dá)到了預(yù)期的盈利能力。

目前，國外針對廢棄礦井地?zé)崮艿睦枚嗉杏跍\部，如荷蘭、德國等多為200～600 m。與之相比，我國現(xiàn)有的礦井1 000 m已成常態(tài)，部分礦井甚至達(dá)到了1 500 m。當(dāng)深度超過千米時，礦井原始圍巖溫度能達(dá)到50 ℃左右，有些礦井溫度甚至能達(dá)到60 ℃以上，地?zé)衢_采潛力巨大不可忽視[29-30]。但是，我國廢棄礦井地?zé)豳Y源的利用處于剛起步階段，部分學(xué)者開始意識到了再利用的緊迫性，而對如何進(jìn)行再利用方式的選擇卻缺乏詳細(xì)的說明[3]。此外，很少研究提及深部廢棄礦井地?zé)崮艿睦?，且我國廢棄礦井地質(zhì)條件復(fù)雜，缺少代表性示范工程的建設(shè)[4]。因此，要結(jié)合國外已有的成功經(jīng)驗(yàn)，因地制宜提出我國廢棄礦井地?zé)豳Y源的利用途徑。

2 廢棄礦井地?zé)衢_采系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廢棄礦井地?zé)崮艿睦檬且环N綠色低碳選擇，可以在受礦區(qū)影響的區(qū)域創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)活動，促進(jìn)礦區(qū)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)。基于國外廢棄礦井工程案例，筆者總結(jié)了廢棄礦井地?zé)豳Y源再利用時需要考慮的因素，主要包含:礦井深度、礦井水的溫度、礦井水溫度隨季節(jié)變化規(guī)律、礦井水的水質(zhì)、礦井水的排放、廢棄礦井與潛在用戶之間的距離、裝機(jī)功率與供給需求、地下空間的穩(wěn)定性、礦井基礎(chǔ)設(shè)施及礦區(qū)范圍等。由表1可知，廢棄礦井地?zé)豳Y源在開采技術(shù)上是可行的，然而以往的研究與應(yīng)用都只關(guān)注巷道空間儲水儲熱的利用，忽略了采空區(qū)儲水儲熱的巨大潛力[2]。事實(shí)上，礦井中水的儲量和溫度決定了礦井中可利用的地?zé)崛萘?。因此，考慮到采場空間的儲水能力，提出了一種利用廢棄礦井采場地?zé)崮芘c太陽能結(jié)合的系統(tǒng)模型。

煤炭礦井一般有多個埋深不一的工作面，合理規(guī)劃利用高度不一的地層空間將會極大提高廢棄礦井資源的利用率。如圖5所示，根據(jù)工作面埋深不同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了淺層蓄冷水庫和深層蓄熱水庫。系統(tǒng)的循環(huán)示意圖如圖6所示，可分為3個部分，即地表用戶區(qū)域I，淺層蓄冷區(qū)域II和深層儲熱與發(fā)電區(qū)域III。地表區(qū)域采用閉環(huán)設(shè)計(jì)，通過熱交換器或熱泵與地板環(huán)路相連進(jìn)行用戶供暖或制冷。同時，采用了能量梯級利用設(shè)計(jì)，尾水可用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。夏季，由淺層水庫汲取礦井水，通過換熱器或熱泵進(jìn)行建筑空間制冷，而尾水通過太陽能進(jìn)行加熱，回注到深層熱儲區(qū)域，并采用小型渦輪發(fā)電機(jī)回收勢能，同時采用有機(jī)朗肯(ORC)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合氣源熱泵進(jìn)行地?zé)岚l(fā)電。冬季，由深部儲熱區(qū)汲取礦井水，通過換熱器或熱泵回收地?zé)崮苡糜诰用窆┡菜跃哂幸欢囟瓤捎糜谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，最終回注到淺層蓄冷區(qū)域。由于存在冷熱源水庫，系統(tǒng)循環(huán)時所需外部能量小于單一熱源的系統(tǒng)，因此該系統(tǒng)的能效比要大于傳統(tǒng)的系統(tǒng)。需要指出的是，有機(jī)朗肯發(fā)電系統(tǒng)只針對溫度大于50 ℃礦井水。

圖5 系統(tǒng)的空間分布示意簡圖Fig.5 Schematic diagram of spatial distribution of the system

圖6 系統(tǒng)循環(huán)示意Fig.6 Diagram of cyclic system

3 系統(tǒng)模型參數(shù)

礦井水的溫度和體積是決定廢棄礦井地?zé)崮茉倮玫闹鲗?dǎo)因素[31]。礦井水的溫度與礦井埋深有著直接關(guān)系，同時受地質(zhì)構(gòu)造特征、地層地?zé)嵝再|(zhì)、局部和區(qū)域地下水狀況、礦井水停留時間及微生物呼吸放熱反應(yīng)等影響。而礦井水的體積則受到地層巖性、煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖滲透系數(shù)及開采方式等影響。當(dāng)溫度和體積確定時，估算礦井關(guān)閉后地下儲層地?zé)崮艹Ｓ玫姆椒ㄊ求w積法[32]:

Eg=ηcρVΔT

(1)

式中，Eg為儲層存儲的靜態(tài)能，kW·h;η為轉(zhuǎn)換系數(shù)，η=0.000 27 (kW·h)/kJ;c為礦井水的比熱,c=4.18 kJ/(kg·℃);ρ為礦井水的密度,ρ=1 000 kg/m3;V為礦井水的體積，m3;ΔT為礦井水使用前后溫度差，℃。

3.1 系統(tǒng)溫度

研究廢棄礦井水溫度變化的規(guī)律是地?zé)豳Y源評估、開采可行性和利用方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。因此，針對此問題，英國政府要求企業(yè)必須提交礦井水溫度的數(shù)據(jù)，用以繪制全國廢棄礦井水溫度圖，以使地方政府、開發(fā)商和規(guī)劃者能夠確定煤田熱量回收和儲存的潛力[13]。圖7總結(jié)了部分文獻(xiàn)中，礦井水溫度隨地層深度和季節(jié)變化規(guī)律。由圖7可知，礦井水的溫度不僅受煤層埋深的影響，也受到季節(jié)變化的影響。而深度對礦井水溫度有顯著影響，當(dāng)深度大于700 m時，礦井將具有地?zé)衢_發(fā)潛力。相反，礦井水溫度受季節(jié)影響波動較小(圖7(b))，僅在夏季出現(xiàn)增大趨勢，而夏季地溫的升高能夠增加地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)總發(fā)電量。

3.2 蓄水空間

我國煤炭地下開采主要采用長壁式開采，煤層開采之后，上覆巖層受到采動的影響垮落形成了“三帶”，即垮落帶、裂隙帶和位移帶(圖8)。垮落帶和裂隙帶內(nèi)存在大量的孔隙和裂隙為儲水及流動提供有力地質(zhì)條件，而位移帶內(nèi)存在較少微裂隙不能提供有效儲水空間。因此，評估采空區(qū)儲水能力時，可不考慮位移帶的影響。采用了式(2)估算整個采場儲水體積[2]:

(2)

式中，Vsg為單個采空區(qū)的儲水體積，m3;H為垮落帶裂隙帶高度之和，與煤層的厚度與頂板的巖性密切相關(guān)，垮落帶高度(H1)和裂隙帶高度(H2)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，m，具體參考文獻(xiàn)[33];F為儲層的可用系數(shù)，取值為0.8，表示有20%庫容水無法利用;ll為采空區(qū)長度，m;lw為采空區(qū)寬度，m;f為采場儲存系數(shù)，可用垮落帶巖石膨脹系數(shù)進(jìn)行計(jì)算f=1-1/K，K為碎脹系數(shù),與頂板巖層巖性和孔隙度有關(guān)。

圖8 儲水空間計(jì)算示意Fig.8 Schematic diagram of water storage calculation

3.3 系統(tǒng)能效比

能效比(COP)是衡量系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，反映了系統(tǒng)運(yùn)行時能量轉(zhuǎn)換的效率。評估系統(tǒng)的能效比時，需考慮熱泵、地下水泵、循環(huán)泵運(yùn)行時所消耗電能?；诖?，可按式(3)計(jì)算系統(tǒng)的能效比:

(3)

其中，QHP為熱泵輸出的熱能,與選用熱泵性能有關(guān)，kW·h;WHPe為熱泵工作時消耗的電能,kW·h;WCPe為系統(tǒng)循環(huán)泵消耗電能，kW·h;WMPe為系統(tǒng)抽水泵工作時需要電能，kW·h。熱泵的電力消耗受效率的影響，而效率反過來又取決于進(jìn)入和離開熱泵的水的輸入和輸出溫度。熱泵輸入和輸出端溫度差值越大，熱泵消耗的電能就越大，而熱泵所消耗電能是指熱泵系統(tǒng)中工作流體在使用溫度和壓力下發(fā)生相變所需要的外功。當(dāng)進(jìn)行供暖或制冷時，換熱器中的溫度與使用溫度差值越小，熱泵中的壓縮機(jī)所需外功越小，相應(yīng)的系統(tǒng)能效比也就越大。同時，工作流體的性質(zhì)亦能影響熱泵的能效比。此外，與潛在用戶的距離過大時，循環(huán)泵也可能消耗大量電能，進(jìn)而影響系統(tǒng)的能效比。

4 系統(tǒng)評估

廢棄礦井地?zé)豳Y源的開采與利用是后資源型城市清潔生產(chǎn)強(qiáng)大的內(nèi)生產(chǎn)動力，同時，提供更多就業(yè)崗位，最終實(shí)現(xiàn)礦業(yè)產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。而系統(tǒng)評估是廢棄礦井清潔生產(chǎn)實(shí)踐的一個重要方面，可以充分挖掘廢棄礦井地?zé)豳Y源利用價值，節(jié)約社會投資生產(chǎn)成本。

4.1 儲熱性能

由于系統(tǒng)冷源和熱源水庫均設(shè)置在采場空間，確定水庫儲水體積時需考慮采場幾何尺寸。根據(jù)已有研究，選取了傾向350 m,走向4 000 m，煤層厚度為6 m的近水平采場區(qū)域，根據(jù)式(2)可估算儲能水庫的容量。但水庫的最大水位不可能無限上漲，通常由建立在巷道中的防水墻高度來決定。因此，確定廢棄礦井采場儲水體積時，除了確定采場面積和上覆巖層膨脹系數(shù)K外，必須考慮防水墻的高度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時采用防水墻高度為17.8 m[14]，K值選用1.03[2]，則單個采空區(qū)靜態(tài)庫容量約為5.8×105m3。同時，防水墻的設(shè)置為井巷空間的利用，尤其是有機(jī)朗肯發(fā)電系統(tǒng)及其他設(shè)備安置提供了便利條件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)初始參數(shù)和具體分析的條件見表2?？紤]到系統(tǒng)設(shè)計(jì)為地板循環(huán)式供暖制冷，可以采用大于30 ℃流體，而不是傳統(tǒng)暖氣片要求大于60 ℃流體[6]，因此這里保守將溫度變化設(shè)置為8 ℃。

表2 系統(tǒng)初始參數(shù)設(shè)定Table 2 Initial parameter setting of the system

礦井地?zé)豳Y源的采集量與水庫庫容有著密切關(guān)系。由上述可知，單個水庫礦井水的容量約為5.8×105m3，則根據(jù)式(1)可估算單個水庫靜態(tài)蓄能約為5.24×106kW·h。事實(shí)上，系統(tǒng)運(yùn)行時由于大地?zé)崃鞯难a(bǔ)熱作用，系統(tǒng)動態(tài)儲能遠(yuǎn)大于靜態(tài)儲能，為了便于分析計(jì)算，這里只采用了靜態(tài)儲能的指標(biāo)。地?zé)崮茉凑镜妮敵龉β嗜Q于礦井水的可用流量，考慮到年利用時長，則計(jì)算可得系統(tǒng)的功率2.1 MW，輸出流量為232.8 m3/h。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，考慮不同數(shù)量儲能水庫的工況，系統(tǒng)靜態(tài)儲能和功率見表3。同時，表3也給出了礦井水靜態(tài)儲能與傳統(tǒng)化石能源轉(zhuǎn)換(天然氣11.7 (kW·h)/m3;煤炭7 kW/kg)，當(dāng)儲水空間為1.74×106m3時，其儲存熱量相當(dāng)于1.34×106m3的天然氣或2.992×103t煤。

4.2 系統(tǒng)利用

與利用單井礦井水源地?zé)崮芟到y(tǒng)相比，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)了高溫蓄熱水庫(45 ℃)與低溫蓄冷水庫(15 ℃)，采用熱泵進(jìn)行供暖制冷時，能夠增大熱泵能效比提高系統(tǒng)供暖制冷效率，降低耗能。因此，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，系統(tǒng)選擇了冷凝器出口溫度為35 ℃，蒸發(fā)器出口溫度15 ℃，能效比為4.5的熱泵。需要指出的是，由于回注時采用了小型渦輪發(fā)電機(jī)回收勢能，回收率達(dá)80%以上，同時采用了有機(jī)朗肯發(fā)電系統(tǒng)，因此這里將不考慮抽水水泵所需電能。根據(jù)表3可知，當(dāng)系統(tǒng)分別設(shè)置兩冷源和熱源水庫時，系統(tǒng)的功率可達(dá)到8.4 MW，蓄能為20.95×106kW·h。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可計(jì)算出冷凝器出口的年可用熱能為25 920 MW·h，耗電為6 000 MW·h，則每年獲得熱能為24 960 MW·h。假設(shè)保溫效果良好的住宅熱負(fù)荷為40 W/m2，則100 m2的住宅年(2 500 h)耗能約10 000 kW·h[9]，該系統(tǒng)能夠約為2 500戶住戶供暖或制冷。

表3 系統(tǒng)蓄能隨儲水體積和溫度差變化Table 3 System energy storage varies with water volume and temperature difference

4.3 環(huán)境效益

廢棄礦井地?zé)崮艿脑倮媚軌蛴行p少環(huán)境中碳的排放。目前，煤炭資源仍是我國主體能源，雖然清潔可再生能源發(fā)展迅速，但占比仍較小。而廢棄礦井地?zé)崮艿睦媚苡行У馗淖兊貐^(qū)能源結(jié)構(gòu)，增加清潔可再生能源的占比。隨著可再生能源發(fā)電的增加，二氧化碳排放系數(shù)降低到0.246 kg/(kW·h)，而天然氣供暖系統(tǒng)二氧化碳排放比電能少，約為0.204 kg/(kW·h)[6]。表4給出了系統(tǒng)功率為8.4 MW時，礦井水地?zé)崮芘c傳統(tǒng)化石能源供暖時二氧化碳排放量。與天然氣、電能、柴油和煤炭相比，使用廢棄礦井水地?zé)崮芸娠@著減少二氧化碳排放量達(dá)81%以上，約為0.072 kg/(kW·h)。這也意味著廢棄礦井地?zé)豳Y源利用份額的增加能夠有效減少碳的排放。

表4 8.4 MW能源廠二氧化碳排放量Table 4 CO2 emission from 8.4 MW power plant t/a

4.4 風(fēng)險與挑戰(zhàn)

正如4.3節(jié)所述，利用廢棄礦井地?zé)豳Y源進(jìn)行建筑供暖或制冷有益于節(jié)能減排。同時，廢棄礦井資源的再利用亦有助于資源枯竭地區(qū)環(huán)境恢復(fù)和經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇。然而，我國廢棄礦井地?zé)豳Y源的項(xiàng)目鮮見，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中可能面臨以下風(fēng)險:

(1)蓄能的估算。采用靜態(tài)能概念估算了廢棄礦井的蓄能，可能是非常保守的，因?yàn)榈叵碌V井類似于一個巨大的“蓄電池”，礦井水中的熱量可以通過周圍地質(zhì)構(gòu)造的熱量來“充電”。根據(jù)相關(guān)研究，如果考慮巖石的熱通量，礦井水的熱量補(bǔ)給可以迅速達(dá)到原來靜態(tài)能的10%以上，而之前的研究忽略了這一點(diǎn)[9]。

(2)能源供給安全。與天然氣或煤炭鍋爐系統(tǒng)相比,廢棄礦井地?zé)嵯到y(tǒng)更為復(fù)雜，包含了水泵、循環(huán)泵、換熱器、熱泵和隔熱管道等。因此，地?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)備或管網(wǎng)出現(xiàn)故障的風(fēng)險性增加，同時復(fù)雜工作條件增加了維修難度。

(3)外部環(huán)境變化。由于礦井地?zé)豳Y源的開采依托于礦井水，外部環(huán)境如干旱、當(dāng)?shù)貧夂蜃兓⒌V井水溫度變化及化學(xué)組分的改變應(yīng)加以考慮。同時，外部環(huán)境的變化亦影響地?zé)崮茉垂┙o需求。

(4)技術(shù)難題。我國已關(guān)閉或臨近關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量多，現(xiàn)有地?zé)豳Y源勘查與評估很難摸清廢棄礦井所蘊(yùn)含地?zé)豳Y源量。同時，礦井儲能水庫運(yùn)行時，礦井水的污染防治與地下水庫空間結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性維護(hù)仍是重中之重。

此外，廢棄礦井地?zé)豳Y源的再利用也面臨著以下挑戰(zhàn):

(1)資金來源。地方政府和煤炭企業(yè)的資金無法滿足廢棄礦井再利用改建的需求，尤其是前期投資成本較大地?zé)豳Y源利用項(xiàng)目。因此，有必要建立健全社會資本參與的建設(shè)機(jī)制，帶動更多投資來源，采取更靈活的融資方式，實(shí)現(xiàn)廢棄礦井地?zé)豳Y源健康平穩(wěn)開發(fā)。

(2)行政許可。廢棄礦井地?zé)崮芾蒙婕暗劫Y源種類較多，采取不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨責(zé)任也不同。如采用閉環(huán)設(shè)計(jì)時，不涉及到水資源和廢水排放環(huán)境問題，而開環(huán)設(shè)計(jì)時，將會涉及到能源、環(huán)境、水資源等部門管理。因此，有必要建立廢棄礦井再利用管理部門，進(jìn)行統(tǒng)籌管理，降低企業(yè)開采廢棄礦井地?zé)豳Y源許可的審批流程與成本。

(3)關(guān)閉計(jì)劃。國家能源局發(fā)布的6項(xiàng)廢棄礦山治理標(biāo)準(zhǔn)，由于需要填埋礦井、破壞建筑物等設(shè)施、切斷水電供應(yīng)，已不能滿足廢棄礦井再利用的要求，遺留嚴(yán)重社會環(huán)境問題(圖9)。同時，我國絕大部分煤炭企業(yè)開采時也未進(jìn)行礦井資源再利用長期計(jì)劃。理想的情況下，能源回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)與礦井開采本身的規(guī)劃一致，這將有助于在礦井開采或關(guān)閉后對地?zé)崮芑厥者M(jìn)行前瞻性規(guī)劃。

5 結(jié) 論

(1)廢棄礦井資源的再利用是資源枯竭地區(qū)轉(zhuǎn)型的核心基礎(chǔ)，目前廢棄礦井不考慮再利用的做法不符合可持續(xù)發(fā)展的基本要求。而從廢棄礦井中回收地?zé)崮?，提供了一種可行的解決方案，以一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)可靠的方式重新利用廢棄礦井，滿足了資源枯竭地區(qū)清潔能源的需求?；诖?，本文提出了一種廢棄礦井地?zé)豳Y源再利用的方案。

(2)該方案根據(jù)礦井采場地層分布特點(diǎn)，利用不同埋深采空區(qū)建立蓄能水庫，采用混合環(huán)系統(tǒng)回收地?zé)崮苓M(jìn)行建筑空間供暖和制冷。系統(tǒng)單個儲水庫的蓄水體積達(dá)到了5.8×105m3，靜態(tài)蓄能達(dá)到了5.24×106kW·h。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，功率可達(dá)8.4 MW，年輸出能量24 960 MW·h，可為約250 000 m2住宅進(jìn)行供暖和制冷。

(3)廢棄礦井地?zé)豳Y源的利用具有重要的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)化石燃料能源相比，功率8.4 MW的地?zé)崮茉聪到y(tǒng)，每年可減少7 812 t二氧化碳的排放。此外，廢棄礦井地?zé)崮芏趸嫉呐欧畔禂?shù)僅為0.072 kg/(kW·h)，低于天然氣和電能的二氧化碳排放系數(shù)。

(4)礦井關(guān)閉或廢棄后仍賦存著豐富可利用資源，但缺乏再利用的意識。相關(guān)部門應(yīng)建立健全廢棄礦井的管理機(jī)構(gòu)，提前做好礦井關(guān)閉前再利用計(jì)劃。同時，礦山企業(yè)做好再利用技術(shù)儲備與措施，實(shí)現(xiàn)廢棄礦井再利用，推動采礦區(qū)域環(huán)境恢復(fù)和經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇。