CN114508867A - 废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统及建造方法 - Google Patents

废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统及建造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种废弃煤矿的光伏‑抽水蓄能‑地热联合开发利用系统及建造方法，煤矿地下空间水库通过抽水取热井连通换热设备，降温后的地热水从换热设备出来通过地热水尾水输水管进入地面塌陷区水库，地面塌陷区水库通过回灌发电通道连通煤矿地下空间水库，抽水取热井上设有抽水泵，回灌发电通道上设有水力发电机组；热源利用端与换热设备之间设有循环水管道；地面塌陷区水库上方架设有光伏发电站的太阳能板；光伏发电站通过输电线连接抽水泵；煤矿地下空间为废弃煤矿采空区或和井巷工程。以实现太阳能、地热能和地下空间储能等多能互补模式联合开发和综合利用。

Description

废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统及建造 方法
技术领域
本发明涉及废弃煤矿开发利用领域，特别是涉及一种废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统及建造方法。本申请属于战略新兴产业目录之6新能源产业中的6.3太阳能产业重点方向下的6.32太阳能生产装备子方向的热发电设备及6.5其它新能源产业重点方向下的地热利用。
背景技术
煤炭是我国的主体能源，经过长时间的高强度开采，已有大量的煤矿因资源枯竭而关闭。据不完全统计，自二十世纪九十年代末到2019年底,全国关闭煤矿井近8万处。煤矿关闭后，仍有大量的剩余煤炭、矿井水、地下空间、土地、地热等资源可供开发利用。
我国煤矿开采以井下开采为主，长期开发形成了巨大的可利用特殊地下空间，为发展地下生态城市创造了得天独厚的条件。据调查，我国现有煤矿地下空间约139亿m³，到2030年，预计将达到241亿m³，长度约160万km，可绕赤道40圈。开发利用废弃煤矿地下空间，既可以避免煤矿采空区被充填造成极大的特殊地下空间浪费，又可以缓解地面城市发展面临的土地紧缺等问题。
煤矿地下空间开发利用的模式主要包括：地下储库、博物馆、地下旅游和文娱活动场所、抽水蓄能电站、地下生态城市示范区等。其中，废弃矿井抽水储能将废弃矿井资源化利用及可再生能源电力的消纳结合起来，是科学合理的废弃矿井资源开发利用模式之一。
抽水储能是利用存在一定高差的两个储水空间，通过电能与重力势能的转换实现电能的转化、储存与释放，大多数井工矿井开采区域的煤系地层含有多个可采煤层，矿井回采以后在不同煤层间形成多个存在高差的大面积储水空间，为建设废弃井巷抽水储能系统提供了可能。
此外，煤矿地下开采常常会造成严重的地面塌陷，形成了大量的塌陷盆地，对地表植被、耕地和居民住宅等造成很大的破坏和影响，从而进一步恶化生态环境，甚至造成无法挽救的生态损失。以淮南的顾桥煤矿为例，地面塌陷形成了一片一万多亩的湖泊。煤矿地面塌陷区的开发利用模式一般为改造成湿地公园。近年来，也有人提出在煤矿地面塌陷区建设光伏电站，比如2017年，淮南市在潘集区的采煤沉陷区建设了漂浮式水面光伏电站。
再一方面，废弃煤矿的地热资源也同样值得关注。近年来，随着煤矿开采深度不断加深，煤矿开采面临着热害，如河北省煤矿区采掘深度已达600~800 m，有的甚至达到1200m以深。河北省煤矿区的地热异常主要分布于邯郸市峰峰矿区、石家庄市元氏煤田、唐山市开滦矿区、河北平原的大城含煤区等。如峰峰矿区梧桐庄矿600 m，地温为24.3~41.9℃，在500~900 m的勘探深度内有16个钻孔的地温梯度在3℃/100 m以上，羊东矿1500 m，地热水温度达53.3℃。多数矿井生产时期把地热作为热害处理，少部分矿井也作为热源开发利用。煤矿一旦关闭后，地热已有益无害，地热资源的开发利用有着能源利用和减轻煤矿热害的双重意义，应引起足够重视。
目前，国内对于废弃矿井地表土地资源、地下空间资源和地热资源的开发利用处于刚刚起步阶段，缺乏基于废弃矿山太阳能、地热能和地下空间储能等多能互补模式联合开发和综合利用的工程案例和技术方案。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统及建造方法，以实现太阳能、地热能和地下空间储能等多能互补模式联合开发和综合利用。
本发明的目的是以下述方式实现的：一种废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统，包括设置在煤矿地下空间的煤矿地下空间水库、设置在地面塌陷区的地面塌陷区水库、换热设备、热源利用端和光伏发电站；煤矿地下空间水库通过抽水取热井连通换热设备，降温后的地热水从换热设备出来通过地热水尾水输水管进入地面塌陷区水库，地面塌陷区水库通过回灌发电通道连通煤矿地下空间水库，抽水取热井上设有抽水泵，回灌发电通道上设有水力发电机组；热源利用端与换热设备之间设有循环水管道；地面塌陷区水库上方架设有光伏发电站的太阳能板；光伏发电站通过输电线连接抽水泵；煤矿地下空间为废弃煤矿采空区或和井巷工程。
其中，煤矿地下空间水库作为抽水蓄能电站的低位水库以及地热开发利用中地下蓄热水库，位于煤矿地下空间内，煤矿地下空间设置有环周的侧方隔水层、下端隔水层，环周的侧方隔水层、下端隔水层相互连接形成的侧方和底部隔水的隔水空间即煤矿地下空间水库，抽水取热通道、回灌发电通道分别与煤矿地下空间水库连通。
煤矿地下空间水库环周的侧方隔水层为注浆加固的防水煤柱、注浆加固的防水煤柱上端的注浆封堵的侧顶板和注浆加固的防水煤柱下端的注浆封堵的侧直接底板连接形成，下端隔水层为煤矿地下空间的注浆加固隔水底板层。
优选的，煤矿煤层为平缓煤层，要求煤矿煤层倾角不宜超过25°；且采区断层不发育，便于将所有采空区、井巷工程等地下空间整合成一个对外密闭性良好的大型煤矿地下空间并形成密闭性良好的煤矿地下空间水库。
优选的，煤矿地下空间需具备一定的埋深，煤矿地下空间的深度不宜小于300m，以便产生足够的地热，以及与地面塌陷区水库形成足够大的水头差从而形成较大的蓄能发电潜能。
优选的，煤矿宜处于大地热流值、地温梯度高异常区或者深大断裂导热带，以便形成高于区域平均地温梯度的地热资源。优选的，具有开发价值的地热资源宜分布在煤矿地下空间地温梯度高于当地区域平均地温梯度1～3℃/100m的煤矿。
优选的，对用于构建煤矿地下空间水库的侧方隔水层和下端隔水层岩层等进行全面注浆加固和注浆封堵，提升煤矿地下空间围岩的致密性，进而提升防水煤柱、隔水底板以及防水煤柱上下方岩层等的热导率，改善煤矿地下空间水库蓄热效果和蓄水防渗效果。注浆工艺采用全面注浆加固以及渗漏点重点注浆的原则，采用高压注浆，浆液以渗流形式扩散，在预定隔水岩层或隔水岩体中注浆深度不低于10m，注浆结束标准为：达到设计终压，浆液流量在40l/min以下，并持续20分钟以上。
其中，地面塌陷区水库作为抽水蓄能电站的高位水库和地热水取热后的尾水水库，设置在煤矿地面塌陷区，并通过改造煤矿地面塌陷区形成。具体的，地面塌陷区水库所在的地面塌陷区下方设有底部隔水层，渗透系数为≤10-6m/s，侧方设有防水幕墙或地下防渗墙。底部隔水层可以通过铺设防渗土工膜或注浆加固和封堵改造地面塌陷区第四纪冲积层中的隔水层实现。
优选的，防渗土工膜厚度不宜小于5mm，抗渗强度应能保证在1.05MPa水压下48h不渗水，土工膜的渗透系数应小于10-11cm/s。
优选的，作为底部隔水层应为低渗透性的黏土层，要求黏土层厚度不低于10m，压实度大于等于90%，渗透系数不高于10-6m/s。
优选的，防水幕墙或地下防渗墙的墙底部嵌入隔水层中一定深度（嵌入深度不宜少于3m），从而可以较为彻底地截断地下渗流，大大减少渗透流量，提高地面塌陷区水库的防渗性能。
其中，抽水取热井和回灌发电井分别由竖井或斜井中的主井和副井改造而成，抽水取热井布置在地下水径流下游方向的竖井或斜井内，回灌发电井布置在地下水径流的上游方向的竖井或斜井内，以便通过回灌发电井回灌进入煤矿地下空间水库的地热尾水可以以自流方式流向抽水取热井方向，并在运移过程进行蓄热。
其中，抽水取热井是指抽取煤矿地下空间水库的地热水并将地热水提升送至地上的通道，在竖井或斜井中铺设安装大口径、耐高温、耐腐蚀、高强度材质的管道，即为抽水取热井连接管道，抽水取热井连接管道下端深入煤矿地下空间水库水体内，上端到地面上，与地面地热水输送管线Ⅰ相连，抽水取热井内设置抽水泵以便将煤矿地下空间水库的地热水抽取并提升送至地上。优选的，抽水取热井连接管道可以是钢管或者整体式钢衬钢筋混凝土输水管，输水管靠竖井岩壁固定。
其中，回灌发电井是指将地上经过换热之后的地热水尾水回灌至煤矿地下空间水库的通道，回灌发电井下端与发电机组的引流管相连，而后发电尾水通过尾水导流管进入煤矿地下空间水库，回灌发电井上端直至地面并在地面与地面地热水输送管线相连接。优选的，回灌发电井有两种形式：其一为不额外铺设管道而将换热之后的地热水尾水直接通过竖井或者斜井通过重力自流进入发电机组并最终进入煤矿地下空间水库；其二为安装与抽水取热井相同参数要求的钢管或者整体式钢衬钢筋混凝土输水管，即为回灌发电井连接管道，该回灌发电井连接管道与地面地热水输送管线Ⅱ相连，并靠竖井岩壁固定。
其中，抽水取热井中设立抽水泵。抽水泵设立在抽水取热井底部并深入煤矿地下空间水库中，并根据埋深、扬程和输水量等确定抽水泵的数量、型号和功率等，并根据需要在抽水取热井中间、上端、地面地热水输送管线上加设抽水加压泵，以便抽取和提升煤矿地下空间水库的地热水至地面用于后续使用。抽水泵较多时可以形成形成抽水泵站。
其中，发电机组是指位于安装在回灌发电井下端用于抽水蓄能发电的机组，主要由水轮机和发电机等组成，并根据实际需要增设引流管、蝴蝶阀、调压井、尾水导流管、输配电线等。发电机组工作原理主要是高位水库水流进入回灌发电井，而后进入水轮机推动水轮机转轮旋转，进而带动与之相联的发电机转子旋转发电，发电后的尾水通过尾水导流管进入煤矿地下空间水库并流向抽水取热井方向，并在运移过程进行蓄热。发电机组发出的电通过输配电线引出至地上进入电网。发电量较大时，也可以建设地下发电厂房。
其中，地面地热水输送管线是指将抽取至地面之后的煤矿地下空间水库的地热水输送至热交换器取热并进一步将换热之后的地热水尾水从热交换器输送至回灌井的管线，该管线采用大口径、耐高温、耐腐蚀、高强度材质的管道，并根据实际需要设立若干泵站通过抽水加压泵对地热水进行加压以便将其顺利输送。
优选的，抽水取热井连接管道、回灌发电井连接管道以及地面地热水输送管线管道外均包裹有保温层，保温材料优选用硬质聚氨酯泡沫塑料。
其中，换热设备可以热交换器；热交换器是指采用地源热泵技术（HP）用于提取煤矿地下空间水库地热水中的热量并将该热量传递至供暖管网的热交换器，热交换器包括蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀、管道等部分。优选的，需根据实际需求进行热交换器的型号、数量、功率等的配置，多个热交换器共同工作时采用并联模式同时进行取热换热工作。
其中，热源利用端为供热管网，热源利用端与换热设备之间设有循环水管道；或者热源利用端为供暖用户端，供暖用户端与换热设备之间通过供热管网连接。
供热管网是指用于城镇生活供暖的管网系统。供热管网为现有技术的常规设置。供热管网连接供暖用户端，供暖用户端是指用于居民室内供暖需求的采暖系统，为现有技术的常规设置。主要包括屋内地暖、暖气片等等散热设备、供热管道及附件等组成部分。
其中，光伏电站是指设置在高位水库水面之上的用以防止高位水库水面蒸发导致的水分散失及开发太阳能，并将光伏发电用于抽水蓄能以便实现多能互补的光伏太阳能板发电系统。本发明专利提出：在地面、地面塌陷区水库或者高位水库上建设光伏电站，地面塌陷区水库上建设光伏电站，需要在地面塌陷区水库底部设置支撑柱，在支撑柱上设立支撑平台，支撑平台上建设光伏电站；在地面塌陷区水库或者高位水库架设太阳能板，太阳能板下端通过设立支撑在地面塌陷区水库或者高位水库底部的支撑柱架设在地面塌陷区水库或者高位水库上方。
其中，输电线路是指连接各个发电设备、用电设备及电网之间的输电线路，主要包括将光伏电站发的电输送至抽水蓄能系统中的泵站用以蓄能及连接电网的输电线路、回灌发电井中发电机组发的电输送到地面与电网连接的输电线路、电网的电力输送到抽水取热井中抽水泵站用以支持抽水蓄能的输电线路，以及用以支持各用电设备的输电线路等。输电线路为现有技术的常规设置。
此外，本发明还提供了废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统的建造方法，包括以下几个步骤：
（1）采前超前注浆加固和封堵提前构筑煤矿地下空间水库的环周的侧方隔水层、下端隔水层：
煤矿开采之初即考虑煤矿关停后地下空间利用需求对底板承压水采用进行区域超前治理，采用进行“超前主动、区域治理、全面改造、带压开采”模式区域超前治理，提前对整个采区的隔水煤柱和底板隔水层进行全面注浆加固和裂缝注浆封堵，提前将整个采区的隔水煤柱改造成具有良好隔水性的煤矿地下空间水库的环周的侧方隔水层，提前将整个采区的隔水底板改造成具有良好隔水性的煤矿地下空间水库的下端隔水层，提前构筑出一个四周和底部均具有良好密闭性的巨型地下空间区域。
（2）采后查漏补漏并补充注浆加固和封堵，构建煤矿地下空间水库：
煤矿采矿结束后，通过物化探、钻探等技术对煤矿地下空间的隔水煤柱和底板隔水层等进行全面检查，查漏补漏，对所有的潜在漏水点进行全面注浆加固和封堵确保煤矿地下空间的密闭性，即注浆加固的防水煤柱和注浆加固的隔水底板包围的隔水空间—煤矿地下空间水库。
（3）采后对煤矿地面塌陷区进行防渗处理以将其改造成具有良好防渗性能的地面塌陷区水库：
采矿结束后，在地面塌陷区的塌陷盆地或地面塌陷区底部设置底部隔水层，或者对地面塌陷区的塌陷盆地或地面塌陷区底部进行底部整平和压实，提升地面塌陷盆地底部第四纪冲积层即防渗层的防渗性能，并在地面塌陷盆地黏土层底部隔水层进行注浆封堵提高其隔水性能形成底部隔水层；在地面塌陷盆地或地面塌陷区四周设置防水幕墙或地下防渗墙，防止地面塌陷区水库水体侧漏流失，通过上述措施，将地面塌陷区改造成具有良好防渗性能的地面塌陷区水库。
（4）将煤矿主井和副井分别改造成抽水取热井和回灌发电井，并在铺设输水管道：
对煤矿主井和副井进行检查，并对主井、副井四周侧壁注浆加固，将其分别改造成抽水取热井和回灌发电井，而后在抽水取热井和回灌发电井内架设输水管道，将输水管道固定在煤矿竖井的侧壁上。抽水取热井和回灌发电井的输水通道建设可以参照抽水蓄能电站建设相关规范（如《抽水蓄能电站水能规划设计规范（NB/T 35071-2015）》）。
（5）在抽水取热井中设立抽水泵站：
抽水泵站设立在抽水取热井底部并深入煤矿地下空间水库中，并根据埋深、扬程和输水量等确定抽水泵的数量、型号和功率等，并根据需要在抽水取热井中间、上端、地面地热水输送管线上加设抽水加压泵，以便抽取和提升煤矿地下空间水库的地热水至地面用于后续使用。抽水泵站的设计和建造需参照抽水蓄能电站建设相关规范（如《抽水蓄能电站水能规划设计规范（NB/T 35071-2015）》《水利泵站施工及验收规范(GB/T 51033-2014)》等）。
（6）在回灌发电井下端建造地下发电厂房：
在回灌发电井下端，建设引流管、蝴蝶阀、调压井、尾水导流管、输配电线等地下发电厂房设施，并安装水轮机和发电机；其中，引流管与回灌发电井相连，以便将回灌发电井的地热尾水引入水轮机推动水轮机转轮旋转，进而带动与之相联的发电机转子旋转发电；尾水导流管与煤矿地下空间水库相连，将发电后的尾水通过尾水导流管进入煤矿地下空间水库。同时铺设输配电线路，将发电机组发出的电通过输配电线引出至地上进入电网。
（7）在地面建造地面地热水输送管线、地热水取热和地热利用系统：
在地面构建地面地热水输送管线和地热取热系统，设置热交换器，通过地面地热水输送管线将抽水取热井与热交换器连通，降温后的地热水从换热设备出来通过尾水利用管道进入地面塌陷区水库，地面塌陷区水库通过回灌发电井连通煤矿地下空间水库，回灌发电井上压力不足的地方设置加压泵；热交换器通过循环管道与城镇居民的供热管网连接，从而构建出一套完整的地热开发利用系统。
（8）在地面塌陷区水库中建设光伏电站：
在地面塌陷区水库架设光伏电站，安装太阳能发电板，铺设输配电线路，完成光伏电站的建设；光伏电站的通过输电线连接抽水泵、加压泵为抽水泵、加压泵供电。
（9）水库蓄水并开始运行废弃煤矿光伏-抽水蓄能-地热联合开发系统：
通过水利设施引水对地面塌陷区水库进行蓄水，而后光伏电站开始运作，抽水蓄能电站开始进行抽水蓄能以及发电，同时地热利用系统中煤矿地下空间水库开始地热蓄热以及地面换热器取热及城镇供暖供热。
此外，本发明还提供了废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统的工作原理及使用方法，主要包括以下几个方面：
（1）光伏电站运作：光伏电站主要在白天进行光伏发电，同时把光伏发的电通过输配电线路输送至抽水蓄能电站用于抽水蓄能，将光伏发电转化为抽水蓄能的水势能，而后在抽水蓄能发电过程中把水势能转化为稳定电力，这样可以把不稳定的光伏发电转化为稳定的电力。
（2）抽水蓄能电站运作：抽水蓄能电站在用电高峰时以发电为主，将高位水库（即本发明中的地面塌陷区水库）的水通过回灌发电井输送到发电机组中用于发电，将高位水库水体的势能转化为电能，并将发出的电力输送到电网中支撑用电高峰时的电力需求。在用电低谷时，抽水蓄能电站以抽水蓄能为主，将电网中多余电力用于抽水取热井的抽水泵站以将低位水库（即本发明中的煤矿地下空间水库）的水提升至高位水库（即本发明中的地面塌陷区水库），将电网多余电能转化为高位水库的水势能。
（3）地热取热蓄热系统运作：地热取热蓄热系统运作分为抽水取热和回灌蓄热两个过程。抽水取热过程主要为将煤矿地下空间水库的地热水抽取并提升至热交换器中提取器热量，被取完热之后的地热水尾水排至地面塌陷区水库储存，或者直接通过回灌发电井回灌至煤矿地下空间水库。回灌蓄热过程主要为将地面塌陷区水库储存的地热水尾水，或者直接将被取完热之后的地热水尾水通过回灌发电井回灌至煤矿地下空间水库，而后回灌的水在重力作用下自流至抽水取热井方向，并在运移过程中通过周围深部地热的热传递作用下为地下水库中的水进行蓄热，从而为整个煤矿地下空间地热利用系统提供源源不断的热源。
（4）光伏-抽水蓄能-地热多能互补联合开发利用系统运作：光伏发电主要用于辅助抽水蓄能，由于光伏发电具有间歇性和功率不稳定性，通过将不稳定的光伏电能转化为稳定的水势能，而后通过抽水蓄能电站系统发电过程将水势能转化为稳定的电能，并将该稳定电能输送至电网系统用于支撑用电高峰时的用电需求；抽水蓄能-地热联合开发利用系统同步进行抽水蓄能发电和地热开发，其中抽水蓄能和地热取热过程同步进行，抽水蓄能过程中，将煤矿地下空间水库的水提升至地面塌陷区水库，将电网多余电能转化为高位水库的水势能，由于煤矿地下空间水库的水为地热水，将煤矿地下空间水库的地热水提升至地面热交换器中可以完成取热过程，因此抽水取热井中在抽水泵站作用下将煤矿地下空间水库的地热水提升至地面热交换器中可以完成取热过程，而后将地热尾水输送至地面塌陷区水库存储，这个过程中同时进行了抽水蓄能电站的抽水蓄能和地热开发利用的取热两个过程；其中，蓄能发电和地热尾水回灌蓄热两个过程同步进行，抽水蓄能电站发电过程中，将地面塌陷区水库的水通过回灌发电井输送至发电机组进而将发电后的尾水输送至煤矿地下空间水库，从而完成发电过程；在这个过程的同时，也同时将取完热的地热水尾水重新回灌至煤矿地下空间水库，而后回灌的水在重力作用下从回灌发电井自流至抽水取热井方向，并在运移过程中通过周围深部地热的热传递作用下为地下水库中的水进行蓄热，从而完成回灌蓄热过程。
相对于现有技术，本发明提供的一种废弃煤矿光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统具有以下几方面独创性的技术效果：
（1）创造性提出光伏-抽水蓄能-地热多能互补联合开发利用的概念。本发明创造性地提出“光伏-抽水蓄能-地热多能互补”和“联合开发”思想，相较于传统的光伏、抽水蓄能、地热各自开发利用模式具有创新性。
（2）创造性提出废弃煤矿光伏-抽水蓄能-地热多能互补联合开发利用的技术方案。本发明创造性地提出了一种废弃煤矿光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统及其构建方法和工作使用方法，完整提供了废弃煤矿光伏-抽水蓄能-地热多能互补联合开发利用的技术方案。
（3）实现废弃煤矿矿井水、地下空间、土地、地热等多种资源联合开发和综合利用，最大程度将废弃矿山的资源“吃干榨净”充分利用。
（4）因地制宜改造废弃矿山。创造性提出将煤矿地下空间改造成地下水库和蓄热池，同时可以作为抽水蓄能电站的低位水库和地热开发系统的蓄热池；创造性提出将煤矿竖井或斜井改造成抽水取热井和回灌发电井；创造性提出将煤矿地面塌陷区改造成抽水蓄能电站的高位水库；创造性提出将将地面塌陷区上架设光伏电站用于光伏发电并同时减少地面塌陷区水库蒸发量。
（5）建设成本低。本发明所涉及的废弃煤矿光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统因地制宜利用废弃煤矿的矿井水、地下空间、土地、地热等多种资源，如煤矿地下空间、竖井或斜井、地面塌陷区等均为现有空间资源，经过简单改造即可构建废弃煤矿光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统，因此，本发明的建设成本低。
（6）工艺简单、运行成本低。本发明所涉及的废弃煤矿光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统的运行过程中多为自动完成或自行完成，不需人工另行做功驱动，比如，本发明中回灌进入煤矿地下空间水库的水体在重力作用下自行运移到抽水取热井方向，并在运移过程中通过地热热传递作用自行完成蓄热过程。因此本发明所涉及的系统运行成本低。
（7）节能环保、绿色无污染。本发明所涉及的废弃煤矿光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统充分利用用电低峰时多余电力以及光伏发电开展抽水蓄能，具有节能环保的效果。再一点，本发明构建的煤矿地下空间水库具有良好密闭性，不与周边地下水连通，因此本发明所涉及的系统运行过程中不会对周边地下水产生污染，也不会受到周边地下水中污染物的影响，因此具有绿色无污染的特点。
因此，本发明专利提出了一种变废为宝、因地制宜、成本低、工艺简单、热源巨大、绿色无污染的废弃煤矿光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统，以实现废弃煤矿矿井水、地下空间、土地、地热等多种资源联合开发和综合利用，最大程度将废弃矿山的资源“吃干榨净”充分利用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1、供暖用户；2、供暖用户端；3、供暖管道；4、供暖管道输水泵；5、冷凝器；6、压缩机；7、热交换器；8、膨胀阀；9、蒸发器；10、地热水尾水输水管；11、地热水尾水输水管加压泵；12、光伏电站；13、地面塌陷区水库；14、砂土层；15、黏土层；16、回灌发电井抽水泵；17、主井；18、回灌发电井；19、煤层顶板岩层；20、煤层直接底板岩层；21、煤层隔水底板层；22、注浆封堵的侧顶板；23、防水煤柱；24、注浆封堵的侧直接底板；25、发电机组；26、煤矿地下空间地下水库；27、煤矿地下空间地下水库抽水泵；28、副井；29、抽水取热井；30、地面塌陷区水库隔水层；31、防水幕墙；32、地面塌陷盆地；33、地热水输水泵；34、地面地热水输送管线Ⅰ。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
如图1所示，一种废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统，包括设置在煤矿地下空间的煤矿地下空间水库、设置在地面塌陷区的地面塌陷区水库、换热设备、热源利用端和光伏发电站；煤矿地下空间水库通过即抽水取热井连通地面地热水输送管线Ⅰ，地面地热水输送管线Ⅰ与换热设备相连，经换热设备取热后的地热尾水从换热设备出来通过地热水尾水输水管进入地面塌陷区水库，地面塌陷区水库通过地面地热水尾水输送管线Ⅱ与回灌发电井相连，回灌发电井下端与煤矿地下空间水库连通，抽水取热井上设有抽水泵，回灌发电井下端设有水力发电机组；热源利用端与换热设备之间设有连接热源利用端的即供暖管网，从而形式水循环；地面塌陷区水库上方架设有光伏发电站的太阳能板；光伏发电站通过输电线连接抽水泵。
（一）煤矿地下空间水库
煤矿地下空间水库由废弃煤矿地下空间改造而成，具体可以包括采空区或和井巷工程等地下空间。
煤矿地下空间设置有环周的侧方隔水层、下端隔水层，环周的侧方隔水层、下端隔水层相互连接形成的侧方和底部隔水的隔水空间即煤矿地下空间水库，抽水取热井、回灌发电井分别与煤矿地下空间水库连通。
煤矿地下空间的环周的侧方隔水层为注浆加固的防水煤柱、注浆加固的防水煤柱上端的注浆封堵的侧顶板和注浆加固的防水煤柱下端的注浆封堵的侧直接底板连接形成，下端隔水层为煤矿地下空间的注浆加固隔水底板层。
即，煤矿地下空间水库的主体为煤矿地下空间，辅以注浆加固的防水煤柱、注浆加固的隔水底板注浆加固的防水煤柱上端的注浆封堵的侧顶板和注浆加固的防水煤柱下端的注浆封堵的侧直接底板等隔水设施。相较于传统的地热使用定向钻孔取热技术中水量偏少且取热过程中可能会污染地下水的弊端，本发明通过注浆加固的防水煤柱、注浆加固的隔水底板注浆加固的防水煤柱上端的注浆封堵的侧顶板和注浆加固的防水煤柱下端的注浆封堵的侧直接底板等隔水措施将整个相连的煤矿地下空间隔离成的大型煤矿地下空间，该地下空间通过下部注浆加固的隔水底板和侧面注浆加固的防水煤柱及注浆加固的防水煤柱上端的注浆封堵的侧顶板和注浆加固的防水煤柱下端的注浆封堵的侧直接底板的隔水性实现与周边地下水之间的隔离，从而避免了该地下空间中水体与周边地下水之间的流通，避免了地热开发过程中对地下水的潜在污染。因此，本发明提出的将煤矿地下空间改造而成的煤矿地下空间水库具有密闭性良好、空间稳定性极好、空间巨大的特点。煤矿地下空间水库的水体通过地热作用形成地热水，通过上述设置，本发明中的煤矿地下空间密闭性良好，有利于保持地温。
煤矿地下空间水库的作用主要包括：（1）用于抽水蓄能电站的低位水库储存水体，与高位水库水体产生水头差，从而产生蓄能和发电的势能；（2）作为地热开发中的地热水蓄热池和储存容器，煤矿地下空间水库位于深部地下，在深部地热的热传递作用下变成一个巨型“蓄热池”，通过周围地质构造热量为地下水库中的水进行蓄热，从而为整个煤矿地下空间地热利用系统提供源源不断的热源；（3）作为密闭性良好的地下水库，储存地下水资源，且不与周边地下水产生联系避免对周边地下水产生污染及周边污染物进入地下水库。
优选的，本发明中的煤矿煤层宜为平缓煤层，要求煤矿煤层倾角不宜超过25°，且采区断层不发育，便于将所有采空区、井巷工程等地下空间整合成一个对外密闭性良好的大型煤矿地下空间。
优选的，本发明中的煤矿开采过程底板承压水治理宜采用“超前主动、区域治理、全面改造、带压开采”模式，即在开采之初就设计好煤矿关停后地下空间利用需求，采用“区域超前治理”指导原则，对整个采区的隔水煤柱和底板隔水层进行全面注浆加固和封堵，提前构筑出一个四周和底部均具有良好密闭性的巨型地下空间区域，再煤矿开采完毕后，该巨型地下空间区域即可直接改造成煤矿地下空间水库。
优选的，本发明中防水煤柱主要是指整个采区外周的防水煤柱而非工作面之间的隔离煤柱和护巷煤柱，通过对外周的防水煤柱和下端的隔水底板岩层进行注浆加固和注浆封堵，可以将整个采区内的所有采空区和井巷工程等地下空间整合到一起，组成一个巨型煤矿地下空间水库区。
优选的，采区范围内采用沿空留巷技术，减少采区内隔离煤柱和护巷煤柱的设置，提高煤炭资源回收率，消除煤柱引起的应力集中及煤与瓦斯突出、冲击地压等风险，此外，也可以是采掘工作面连成一片，构成一个大采区和大的采空区，对应的，大采区形成的采空区上方所形成的地面塌陷区也会连成一片，构成一个大的地面塌陷区，便于后期的煤矿地下空间水库和地面塌陷区水库的改造。
由于煤矿地下空间水库为底部和侧面密封而上方未密封的半密封空间，而煤层一般具有一定倾角，因此处于地下水径流上游方向的隔水煤柱顶部的绝对高程要高于处于地下水径流下游方向的隔水煤柱顶部的绝对高程，为防止煤矿地下空间水库的水体从隔水煤柱上方越流进入周边地下岩体从而造成煤矿地下空间水库水的流失，需要对处于地下水径流下游方向的隔水煤柱上方岩层进行注浆加固和注浆封堵，隔水煤柱上方岩层注浆区域的高度不低于地下水径流越流发生的高度。优选的，处于地下水径流下游方向的隔水煤柱上方岩层注浆区域的高度为处于地下水径流上游方向的隔水煤柱顶部，这样整个侧方隔水层顶部绝对高程保持一致。即对防水煤柱上端煤层顶板岩层注浆进行封堵分别注浆封堵的侧顶板。另外对防水煤柱下方的煤层直接底板岩层注浆进行封堵形成注浆封堵的侧直接底板。最终注浆加固的侧直接底板连接在注浆加固的防水煤柱下端，与注浆加固的隔水底板层的侧方上端连接，注浆加固的侧顶板连接注浆加固的防水煤柱上端，最终形成煤矿地下空间水库。
优选的，本发明中的煤矿地下空间需具备一定的埋深（最小埋深不宜小于300m），以便产生足够的地热，以及与地面塌陷区水库形成足够大的水头差从而形成较大的蓄能发电潜能。
优选的，煤矿宜处于大地热流值、地温梯度高异常区或者深大断裂导热带，以便形成高于区域平均地温梯度的地热资源。优选的，具有开发价值的地热资源宜分布在煤矿地下空间地温梯度高于当地区域平均地温梯度1～3℃/100m的煤矿。
此外，固体导热系数主要用热导率进行评价指标，热导率=热扩散系数×比热×密度，因此，提高固体的密度、热扩散系数等有助于提升其热导率。
优选的，对用于构建煤矿地下空间水库的侧方隔水层和下端隔水层岩层等进行全面注浆加固和注浆封堵，提升煤矿地下空间水库围岩的致密性和防渗性，进而提升防水煤柱、隔水底板以及防水煤柱上下方岩层等的热导率，改善煤矿地下空间水库蓄水效果和蓄热效果，避免煤矿地下空间水库水体与周边地下水产生交换，从而避免煤矿地下空间水库对周边地下水产生污染以及周边地下水污染对煤矿地下空间水库水体产生影响。要求注浆工艺采用全面注浆加固以及渗漏点重点注浆的原则，采用高压注浆，浆液以渗流形式扩散，在预定隔水岩层或隔水岩体中注浆深度不低于10m，注浆结束标准为：达到设计终压，浆液流量在40 l/min以下，并持续20分钟以上。注浆工艺需参照《煤炭矿井防治水设计规范 GB51070-2014》《NB/T 51030-2015 煤矿井巷工作面注浆工程施工与验收规范》等规范执行。优选的，本发明中的煤矿可以采用高水材料或超高水材料充填开采的方式，使用高水材料充填采空区，避免顶板垮落填充采空区致使地下空间体积减少；同时，由于高水材料或超高水材料中含有大量自由水，因此，高水材料充填体可以用于储水，进而提升煤矿地下空间水库的库容量。考虑到地面塌陷区也可以改造成地上水库用于抽水蓄能电站的高位水库，因此，在煤矿开采过程中，可以在无房屋、交通线路、管线等重要设施的地方，采用全部垮落法开采，这样可以在地面自然形成一个地面塌陷区用于改造成为地面塌陷区水库，此时，“三下”采煤（三下采煤是建筑物下、铁路下和水体下采煤方法的统称）使用充填开采，特定区域采用全部垮落法开采用于制造地面塌陷区。
（二）地面塌陷区水库
地面塌陷区水库是由整个煤矿采区形成的地面塌陷区改造形成。改造后，地面塌陷区水库所在的地面塌陷区下方设有底部隔水层，侧方设有防水幕墙或地下防渗墙。
地面塌陷区水库的主要作用包括：（1）储存地热水尾水，经过热交换器取热及换热之后的地热水尾水通过地热尾水输送管线输送到并储存在地面塌陷区水库中；（2）作为高位水库用于蓄能发电，在用电低谷时进行抽水蓄能，将低位水库（即本发明中的煤矿地下空间水库）中的水体抽取提升至地面的高位水库（即本发明中的地面塌陷区水库），将用电低谷时多余的电能转化为抽水蓄能电站的水势能，实现蓄能过程。
优选的，底部隔水层可以通过铺设防渗膜或改造地面塌陷区第四纪冲积层中的隔水层实现。
优选的，用于水库底部防渗的土工膜是一种以高分子聚合物为基本原料的防水阻隔型材料；主要分为： 低密度聚乙烯（LDPE）土工膜、高密度聚乙烯（HDPE）土工膜和EVA土工膜；且符合以下幅宽、厚度规格齐全，具有优良的耐环境应力开裂性能及优良的耐化学腐蚀性能，优良的耐化学腐蚀性能，具有较大的使用温度范围和较长的使用寿命。土工膜厚度不宜小于5mm，抗渗强度应能保证在1.05MPa水压下48h不渗水，土工膜的渗透系数应小于10- 11cm/s。土工膜的参数要求和施工方法参照《聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范（SL/T231-98）》、《水电工程土工膜防渗技术规范（NB/T 35027-2014）》、《防水土工布(复合土工膜)国家标准（GB/T17642-2008）》等规范。
优选的，改造地面塌陷区第四纪冲积层中的隔水层实现底部隔水层这一方案中，作为底部隔水层应为低渗透性的黏土层，要求黏土层厚度不低于10m，压实度大于等于90%，渗透系数不高于10-6m/s。
优选的，防水幕墙或地下防渗墙的墙底部嵌入隔水层中一定深度（本发明中要求嵌入深度不宜少于3m），从而可以较为彻底地截断地下渗流，大大减少渗透流量，提高地面塌陷区水库的防渗性能。防水幕墙或地下防渗墙的设计和施工按现行国家标准《GB 50208地下防水工程施工质量验收规范》《SL 174-2014水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》等执行。
具体的，
由于地面塌陷区多为第四纪冲积层中，形成地面塌陷盆地，而第四纪冲积层中一般存在黏土层，黏土层防渗系数较低，可以改造成隔水层。因此，地面塌陷区水库主体由地面塌陷区改造而成，根据需要对地面塌陷区进行简单平整和压实，以提升黏土层的防渗性能；并根据需要在地面塌陷盆地底部土层进行注浆封堵或铺设防渗膜提高其隔水性能。此外，在地面塌陷盆地四周设置防水幕墙或地下防渗墙，防止地面塌陷区水库水体侧漏流失。
通过上述措施，可以因地制宜将地面塌陷区变废为宝，改造成地面塌陷区水库，充当抽水蓄能电站高位水库，且改造成本低。
需要注意的是，本领域技术人员不难理解，如果在地面处存在更为优越的高位水库，则不需改造地面塌陷区，使用更为优越的高位水库也一样可以实现抽水蓄能电站的功效。
（三）光伏电站
其中，光伏电站的太阳能板架设设置在高位水库水面之上，用以防止高位水库水面蒸发导致的水分散失及开发太阳能，并将光伏发电用于抽水蓄能以便实现多能互补的光伏太阳能板发电系统。由于半地下抽水蓄能电站的一个重大缺陷是高位水库蒸发量大，容易造成水库水量散失，因此，如何减少高位水库蒸发问题是半地下抽水蓄能电站的一大难题。本发明专利提出：在地面、地面塌陷区水库或者高位水库上建设光伏电站，地面塌陷区水库上建设光伏电站，需要在地面塌陷区水库底部设置支撑柱，在支撑柱上设立支撑平台，支撑平台上建设光伏电站；在地面塌陷区水库或者高位水库架设太阳能板，太阳能板下端通过设立支撑在地面塌陷区水库或者高位水库底部的支撑柱架设在地面塌陷区水库或者高位水库上方。光伏电站的设计、施工建造需要参照《T/CPIA 0017—2019 水上光伏发电系统设计规范》等规范要求执行。
通过太阳能板将水库水面覆盖以此减少水体蒸发，当然地面塌陷区水库或者高位水库上方不会全部覆盖，而且太阳能板设置在水库中，太阳能板是倾斜设置的，所以雨水可以直接沿着太阳能板流入水库。同时，雨水顺着太阳能板流入水库的过程中会把太阳能板上的灰尘带走，从而起到了清洗太阳能板的作用。雨水也可以补充地面塌陷区水库或者高位水库中的水，用以发电，此时连接地面塌陷区水库或者高位水库的回灌发电井进口或者进口前方的地面塌陷区水库或者高位水库设有过滤网，过滤后的水进入回灌发电井。此外，光伏电站发的电可以与抽水蓄能电站构成光电-抽水蓄能发电互补系统。光伏电站发的电可以通过输配电线与抽水蓄能需要使用的抽水泵、加压泵等相连，用以支持抽水蓄能电站的抽水蓄能过程，以便将不稳定的光伏发电转化为稳定的电力。
需要补充的是，本领域技术人员不难理解：所谓干旱地区主要原因是蒸发量大于降雨量，在干旱地区安装光伏电站之后，太阳能板可以吸收反射大量太阳能，从而极大降低太阳能板下的蒸发量，而降雨量不变，因此，干旱地区设置光伏电站之后可以改变局部微气候，将干旱气候变成湿润气候。所以，本发明提出在地面塌陷区水库安装光伏电站，可以极大降低蒸发量；而地面塌陷区水库收集到的雨水可以弥补整个废弃煤矿光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统运行过程中的各种水源损耗（包括地面塌陷区水库蒸发和侧漏、煤矿地下空间水库侧漏等），维持整个系统的总水量平衡。
不难理解的是：太阳能板倾斜设置在水库中，所以雨水可以直接沿着太阳能板流入水库，从而实现收集雨水至水库中的目的。同时，雨水顺着太阳能板流入水库的过程中会把太阳能板上的灰尘带走，从而起到了清洗太阳能板的作用。
（四）抽水取热井和回灌发电井
煤矿地下空间水库通过抽水取热井连通换热设备，降温后的地热水从换热设备出来通过尾水利用管道进入地面塌陷区水库，地面塌陷区水库通过回灌发电井连通煤矿地下空间水库，抽水取热井上设有抽水泵，回灌发电井上设有水力发电机组。
防止输水过程中动力不足，回灌发电井上还设置有加压泵，抽水取热井上还设置有加压泵。
抽水取热井是指抽取煤矿地下空间水库的地热水并将地热水提升送至地上的通道，即用于抽取和输送地热水的竖井。本发明中，抽水取热井通过煤矿竖井或斜井连通煤矿地下空间水库。
一般来说，煤炭地下开采需要设置竖井或者斜井作为运输的主井和副井，煤矿关闭之后，竖井或斜井作为运输通道的功能不复存在，因此，可以将煤矿竖井或斜井分别改造为抽水取热井和回灌发电井用以输送地热水。
可以通过在煤矿竖井或斜井中设置管道即为抽水取热井连接管道，将煤矿竖井或斜井改造为抽水取热井。
抽水取热井连接管道回灌发电井连接管道
抽水取热井的作用主要包括两大方面：（1）抽水蓄能，即在用电低谷时进行抽水蓄能，将低位水库（即本发明中的煤矿地下空间水库）中的水体抽取提升至地面的高位水库（即本发明中的地面塌陷区水库），将用电低谷时多余的电能转化为抽水蓄能电站的水势能，实现蓄能过程；（2）抽取提升地热水实现取热，即将地下水库（即本发明中的煤矿地下空间水库）中的地热水抽取并提升至地面用于取热。
其中，抽水泵设立在改造为抽水取热井的煤矿竖井或斜井底部或/和煤矿地下空间水库中，用于抽取煤矿地下空间水库抽取和提升煤矿地下空间水库的地热水。因此，煤矿竖井或斜井中需要设置抽水泵以便将煤矿地下空间水库的地热水抽取并提升送至地上，可以根据埋深、扬程和输水量等确定抽水泵的数量、型号和功率等；抽水泵的安装位置包括抽水取热井的下端，并根据需要在抽水取热井的任一位置增设抽水泵以便可以顺利将煤矿地下空间水库的地热水抽取提升至地面实现蓄能和取热。抽水泵的选型、数量和设置需参照《DL/T 5208-2005 抽水蓄能电站设计导则》等规范的要求。
其中，回灌发电井将地上经过换热之后进入地面塌陷区水库的地热水尾水，即地热水经过换热取热后的冷水（即地热尾水），回灌至煤矿地下空间水库以进行抽水蓄能发电过程的通道，即用于回灌地热水尾水的通道。
回灌发电井的作用主要包括：（1）将地热水尾水回灌进入煤矿地下空间水库以进行地热水蓄热过程；（2）将高位水库的水体输送的低位水库以进行发电过程。
改造为回灌发电井的可以为煤矿竖井或斜井的主井和副井。
可以通过在煤矿竖井或斜井中设置管道即为回灌发电井连接管道，将煤矿竖井或斜井改造为回灌发电井。
由于重力势能的存在，也可以不设置管道，直接把其中的煤矿竖井或斜井作为回灌发电井。
为了包括产生地下水径流（其实就是自流能力），煤矿巷道都是略微倾斜的（向上倾斜的称为上山，向下倾斜的称为下山），也会在整个矿井最低的地方挖一个水仓。这样，矿井水就能自流进入水仓。
所以本申请中抽水取热井的下端需处在地下水径流的下游方向，回灌发电井需处在地下水径流的上游方向，这样回灌进煤矿地下空间水库的地热水尾水（即被换热取热后的冷水）通过重力作用沿着地下水径流方向流向抽水取热井方向，并在运移过程中被地热加热成地热水，完成地热水的蓄热过程。再一点，从抽水蓄能角度来分析，由于抽水蓄能一般会存在一定比例的能量损耗，而且为了降低抽水蓄能难度，为此，要求水库水体，尤其是煤矿地下空间水库的水体，必须具有充分流动性，为此，低位水库的回灌水头和抽水水头必须具有一定高差（更确切的说是水头差），这样回灌进入煤矿地下空间水库才能在水头作用下自然流向抽水取热井方向。因此，改造为抽水取热井的竖井或者斜井选择处在地下水径流下游方向的竖井或者斜井改造而成，改造为回灌发电井的竖井或者斜井选择处在地下水径流上游方向的竖井或者斜井改造而成。
竖井或斜井中铺设的抽水取热井连接管道和回灌发电井连接管道可以为大口径、耐高温、耐腐蚀、高强度材质的管道，该管道可以是钢管或者整体式钢衬钢筋混凝土输水管，输水管架靠竖井岩壁固定。抽水蓄能电站输水管建造的设计和施工需按照《NB/T35056—2015 水电站压力钢管设计规范》等规范的要求执行。抽水取热井管道和回灌发电井管道与抽水泵和地面地热水输送管线相连。此外，必要的话，抽水取热井连接管道可以进行保温处理，优选采用硬质聚氨酯泡沫塑料作为保温材料。
如果回水热量较多，也可以在回灌发电井连接管道的外部进行保温处理，优选采用硬质聚氨酯泡沫塑料作为保温材料。此时地面地热水输送管线的管道的外部也进行保温处理，优选采用硬质聚氨酯泡沫塑料作为保温材料。
连通回灌发电井的竖井或者斜井可以不额外铺设管道而将换热之后的地热水尾水直接通过竖井或者斜井通过重力自流进入地下发电设施内进行发电，而后发电尾水进入煤矿地下空间水库，亦可安装与抽水取热井相同参数要求的钢管或者整体式钢衬钢筋混凝土输水管，输水管靠竖井岩壁固定。
（五）其它结构
其中，水力发电机组是指位于安装在回灌发电井下端用于抽水蓄能发电的机组，水力发电机组的结构与安装为现有技术。主要由水轮机和发电机等组成，并根据实际需要增设引流管、蝴蝶阀、调压井、尾水导流管、输配电线等。水力发电机组工作原理主要是高位水库水流进入回灌发电井，而后进入水轮机推动水轮机转轮旋转，进而带动与之相联的发电机转子旋转发电，发电后的尾水通过尾水导流管进入煤矿地下空间水库并流向抽水取热井方向，并在运移过程进行蓄热。发电机组发出的电通过输配电线引出至地上进入电网。
其中，地热的利用是指采用地源热泵技术（HP）用于提取煤矿地下空间水库地热水中的热量并将该热量传递至供暖管网，热交换器的结构为现有技术。地源热泵可以选用中国专利CN200520040921.7所提供的地源热泵，包括蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀、管道等部分。
优选的，需根据实际需求进行热交换器的型号、数量、功率等的配置，多个热交换器共同工作时采用并联模式同时进行取热换热工作。
其中，输电线路是指连接各个发电设备、用电设备及电网之间的输电线路，主要包括将光伏电站发的电输送至抽水蓄能系统中的泵站用以蓄能及连接电网的输电线路、回灌发电井中发电机组发的电输送到地面与电网连接的输电线路、电网的电力输送到抽水取热井中抽水泵站用以支持抽水蓄能的输电线路，以及用以支持各用电设备的输电线路等。
地面地热水输送管线是指将通过抽水取热井抽取提升至地面之后的煤矿地下空间水库的地热水输送至热交换器取热并进一步将换热之后的地热水尾水从热交换器输送至地面塌陷区水库完成蓄水储能过程，以及而后在发电取热过程中将地面塌陷区水库的水体引至回灌发电井的管线，该管线采用大口径、耐高温、耐腐蚀、高强度材质的管道，并根据实际需要设立若干泵站通过抽水加压泵对地热水及地热尾水进行加压以便将其顺利输送，其中，在将地面塌陷区水库的水体引至回灌发电井，需在地面塌陷区水库中设立地面塌陷区水库抽水泵以便将地面塌陷区水库的水体抽取并通过回灌发电井压送煤矿地下空间水库。地面地热水输送管线管道外均包裹有保温层，保温材料优选用硬质聚氨酯泡沫塑料。
热源利用端为供热管网或和供暖用户端。
热源利用端为供热管网，热源利用端与换热设备之间设有循环水管道；或者热源利用端为供暖用户端，供暖用户端与换热设备之间通过供热管网连接。
供热管网是指用于城镇生活供暖的管网系统。供热管网为现有技术的常规设置。这里的供热管网可以为按照现有技术中的要求重新铺设，也可以本申请的换热设备与供热管网通过管道进行连接。
具体，可以为，城镇居民供热管网采用水为供热介质，当采暖、通风、空调热负荷为主要负荷、生产工艺又必须采用蒸汽供热，经技术经济比较认为合理时，可以采用水和蒸汽两种供热介质。城镇居民供热管网优选采用闭式双管制，供热管道采用直埋敷设，直埋管道采用钢管、保温层、外护层紧密结合为一体的整体式预制直埋保温管；管材选用无缝钢管并采用焊接方式连接，保温材料选用硬质聚氨酯泡沫塑料，保护壳选用聚乙烯外护套。供热管网其他事宜需符合《城镇供热管网设计规范》（CJJ34-2010）相关要求。
供热管网连接供暖用户端，供暖用户端是指用于居民室内供暖需求的采暖系统，为现有技术的常规设置。主要包括屋内地暖、暖气片等等散热设备、供热管道及附件等组成部分。地暖、暖气片等等散热设备的选型及数量需根据散热量进行设计。室内供热管道需根据用户实际情况选择单管跨越式或者双管式供热系统。室内供热用户端其他事宜需符合《住宅设计规范 GB50096-2011》等规范的要求。
实例
以某废弃煤矿的地质地层和煤矿开采情况为基础进行改造举例。该煤矿煤层平缓（坡度最大约6°），埋深较大（采深为600-800m），断层不发育，因此，采区工作面并列布置，可以连成一片。由于该煤矿位于平原城镇带，“三下”压煤严重，因此，开采方式为充填开采和全部垮落法，充填物为超高水材料，其中，“三下”地区采用充填开采，大片耕地地区下方煤层采区全部垮落法。
全部垮落法采煤区域所在地表形成一个大的塌陷盆地，该煤矿对塌陷盆地进行整平和压实，长期降雨作用下在塌陷盆地形成一个大型塌陷湖。塌陷盆地下存在巨厚黏土层（巨厚黏土层为行业常规用语），由新近系河湖相沉积的粘土、砂质粘土组成，呈半固结状态，平均厚度约100m，黏土层2渗透系数极低（<10-8m/s），隔水性良好，可有效阻隔地表水、浅层水对矿床的影响，可以改造成本发明所需的隔水层。
其中，地面塌陷区水库13是由整个煤矿采区形成的地面塌陷盆地32或地面塌陷区改造形成。如该煤矿背景材料所述，该矿地面塌陷盆地32周边地形比较平缓，且下伏土层中存在巨厚黏土层15，黏土层15渗透系数极低，是防渗性能极好的隔水层。本实施方式中，在地面塌陷盆地32四周设置防水幕墙31以防止地面塌陷区水库13中水体向两侧渗漏；对地面塌陷区进行简单平整和压实，如果达不到渗透要求，可以进一步对地面塌陷盆地32下方的黏土层15进行注浆加固和封堵以提升黏土层15的防渗性能，保证库区所有区域用于隔水层的黏土层的防渗系数不超过10-6m/s。
由于该矿区煤田基底普遍发育巨厚奥陶系石灰岩强含水层，因此该矿存在严重奥灰承压水害。为了治理煤层底板奥灰承压水害，该矿采区采用“超前主动、区域治理、全面改造、带压开采”模式进行“区域超前治理”，对整个采区的隔水煤柱（防隔水煤柱）和隔水底板岩层（也叫底板隔水岩层，底板隔水岩层是由隔水岩形成的隔水底板岩层）进行全面注浆加固和封堵，形成注浆加固的防水煤柱23、注浆加固的隔水底板层21，从而提前构筑出一个四周和底部均具有良好密闭性的巨型区域，而后在这个巨型区域内开展采煤工作。因此，该煤矿的主要地下空间均位于这一密闭性良好的巨型区域内。
所以不在这样一个区域内的，则需要对隔水煤柱和底板隔水层进行全面注浆加固和封堵，构筑出一个四周和底部均具有良好密闭性的巨型区域。
为了进一步提高密闭性，采矿结束后，对防水煤柱上方煤层顶板岩层19及防水煤柱下方煤层的直接底板岩层20注浆进行封堵分别形成注浆封堵的侧顶板22、注浆封堵的侧直接底板24，注浆加固的侧直接底板连接在注浆加固的防水煤柱23下端，与注浆加固的隔水底板层21的侧方上端连接，注浆加固的侧顶板连接注浆加固的防水煤柱23上端，注浆加固的防水煤柱23、注浆加固的隔水底板层21、注浆封堵的侧顶板22和注浆封堵的侧直接底板24连接形成煤矿地下空间水库26。
该矿设置有主井和副井，地下水径流方向为从主井方向流向副井方向。此外，该煤矿所处地块属于地热异常区，地温梯度在3℃/100m以上，采区矿井地下空间的平均地温超过40℃。
所以，煤矿地下空间水库26由废弃煤矿地下空间改造而成，具体包括采空区、井巷工程等地下空间。由于该矿采区“区域超前治理”原则防治底板奥灰承压水害，通过注浆加固的防水煤柱23、注浆加固的隔水底板层21和注浆封堵的侧顶板22、注浆封堵的侧直接底板23等隔水措施将整个相连的煤矿地下空间隔离并整合成一个相互连通的大型煤矿地下空间。在煤矿采矿活动结束时，通过物化探钻探等方法对注浆加固的防水煤柱23、注浆加固的隔水底板岩层21和注浆封堵的侧顶板22、注浆封堵的侧直接底板24等区域进行全面检查，查漏补漏，对所有的潜在漏水点进行全面注浆加固和封堵，通过注浆加固的防水煤柱23、注浆封堵的侧顶板22、注浆封堵的侧直接底板24和注浆加固的隔水底板层21等隔离出一个密闭性良好的巨型煤矿地下空间。
此外，由于该矿“三下”地区采用超高水材料充填开采，超高水材料的含水率高达90%以上，且内部水分多为结合水和自由水，相当于采空区被高水材料充填之后内部仍存在大量自由水，大大提高了该地下空间的容水量。因此，该煤矿地下空间经过改造后形成的煤矿地下空间水库26的库容量极大。
此外，由于，该煤矿地下空间的地热较为明显，由于固体的密度大、导热系数更好，越密实的东西导热性越好，通过注浆封堵处理后的围岩导热性可以显著提高，因此煤矿地下空间水库26位于深部地下，在深部地热的热传递作用下变成一个巨型“蓄热池”，通过周围地质构造热量（即地热）为地下水库中的水进行蓄热，从而为整个煤矿地下空间地热利用系统提供源源不断的热源。
综上，本发明提出的煤矿地下空间水库26具有密闭性良好、空间稳定性极好、储水空间巨大、热源质量高、热源巨大等特点。
其中，通过在副井28中铺设大口径（本实施方式中口径为300mm）、耐高温、耐腐蚀、高强度材质的整体式钢衬钢筋混凝土输水管建造，并将整体式钢衬钢筋混凝土输水管安装在竖井中并架靠竖井岩壁固定形成抽水取热连接管道29，将抽水取热井连接管道29固定在副井28侧壁上，抽水取热井连接管道29底部设置有煤矿地下空间地下水库抽水泵27。抽水取热井连接管道29可以进行保温处理，优选采用硬质聚氨酯泡沫塑料作为保温材料。整体式钢衬钢筋混凝土输水管建造的设计和施工按照《NB/T 35056—2015 水电站压力钢管设计规范》等规范的要求执行。
其中，煤矿地下空间地下水库抽水泵27用于将煤矿地下空间地下水库26中的地热水提升至地面，以完成抽水蓄能过程以及便于后续的地热取热换热过程。
其中，通过在主井17中铺设与抽水取热井连接管道29相同的大口径（本实施方式中口径为300mm）、耐高温、耐腐蚀、高强度材质的整体式钢衬钢筋混凝土输水管形成回灌发电井连接管道18，回灌发电井连接管道18固定在主井17侧壁上，回灌发电井连接管道18采用重力自流模式将地热尾水回灌进入煤矿地下空间水库26。煤矿地面塌陷区水库13设置有回灌发电抽水泵16以便将煤矿地面塌陷区水库13的水输送到回灌发电连接管道18上端。
该矿地下水径流方向为从主井17方向流向副井28方向，因此，将主井17改造回灌发电连接管道18，回灌进入煤矿地下空间水库26地热尾水可以在重力作用自行流向抽水取热井29方向，并在运移过程通过地热作用完成蓄热过程。
其中，水力发电机组25安装在回灌发电井连接管道18下端用于抽水蓄能电站的发电过程。主要包括水轮机和发电机，并辅以引流管、蝴蝶阀、调压井、尾水导流管、输配电线等，水力发电机组25为现有技术的常规设备。
本申请中的地热水输送管线包括设置在副井28内的抽水取热井连接管道29，抽水取热井连接管道29的下端设有抽水泵27，抽水取热井连接管道29上端通过地面地热水输水管Ⅰ34连接换热器7，地热水输水管34上设有地热水输水泵33，降温后的地热水通过地热水尾水输水管10连通地面塌陷区水库13，地热水尾水输水管10上设有地热水尾水输水管加压泵11，地面塌陷区水库13通过地面地热水输送管Ⅱ连接设置在主井17内的回灌发电井连接管道18，回灌发电地面输送管上设有回灌发电抽水泵16，回灌发电井连接管道18下端设有水力发电机组25。
其中，地热水输水管道进行保温处理，采用硬质聚氨酯泡沫塑料作为保温材料。
其中，热交换器7采用地源热泵技术（HP）中常用的热交换器，为常规技术。选用中国专利CN200520040921.7所提供的地源热泵，包括蒸发器9、冷凝器5、压缩机6、膨胀阀8、管道等部分。
其中，供热管网是指用于城市生活供暖的管网系统，主要包括供热管道输水泵4和供热管道3。
其中，供暖用户端是指用于居民室内供暖需求的采暖系统，包括用户端2和用户1等部分，其中用户端包括屋内地暖、暖气片等等散热设备、供热管道及附件等组成部分，为常规技术。
其中，光伏电站的太阳能板12架设设置在地面塌陷区水库13水面之上，用以防止地面塌陷区水库水面蒸发导致的水分散失及开发太阳能，并将光伏发电用于抽水蓄能以便实现多能互补的光伏太阳能板发电系统。
在地面塌陷区水库或者高位水库架设太阳能板，太阳能板下端通过设立支撑在地面塌陷区水库底部的支撑柱架设在地面塌陷区水库上方。光伏电站发的电可以通过输配电线与抽水蓄能电站的各泵相连，如抽水泵、加压泵，用于支持抽水蓄能电站的抽水蓄能过程，以便将不稳定的光伏发电转化为稳定的电力。光伏电站发的电与抽水蓄能电站构成光电-抽水蓄能发电互补系统。
通过太阳能板将水库水面覆盖以此减少水体蒸发，当然地面塌陷区水库或者高位水库上方不会全部覆盖，雨水也可以补充地面塌陷区水库或者高位水库中的水，用以发电，此时连接地面塌陷区水库或者高位水库的地面地热水输送管Ⅱ进口或者进口前方的地面塌陷区水库或者高位水库设有过滤网，过滤后的水进入通过地面地热水输送管Ⅱ回灌发电井。
其中，输电线路是指连接各个发电设备、用电设备及电网之间的输电线路。
本实施方式提供了一种废弃煤矿光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统，该系统具有变废为宝、因地制宜、成本低、工艺简单、热源巨大、绿色无污染等特点，可以实现废弃煤矿矿井水、地下空间、土地、地热等多种资源联合开发和综合利用，最大程度将废弃矿山的资源“吃干榨净”充分利用。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，应当指出，对于本领域的及任何熟悉本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，及作出的若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统，其特征在于：包括设置在煤矿地下空间的煤矿地下空间水库、设置在地面塌陷区的地面塌陷区水库、换热设备、热源利用端和光伏发电站；煤矿地下空间水库通过抽水取热井连通换热设备，降温后的地热水从换热设备出来通过地热水尾水输水管进入地面塌陷区水库，地面塌陷区水库通过回灌发电通道连通煤矿地下空间水库，抽水取热井上设有抽水泵，回灌发电通道上设有水力发电机组；热源利用端与换热设备之间设有循环水管道；地面塌陷区水库上方架设有光伏发电站的太阳能板；光伏发电站通过输电线连接抽水泵；煤矿地下空间为废弃煤矿采空区或和井巷工程。
2.根据权利要求1所述的废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统，其特征在于：煤矿地下空间设置有环周的侧方隔水层、下端隔水层，环周的侧方隔水层、下端隔水层相互连接形成的侧方和底部隔水的隔水空间即煤矿地下空间水库，抽水取热井、回灌发电通道分别与煤矿地下空间水库连通；
地面塌陷区水库，地面塌陷区下方设有底部隔水层，底部隔水层的渗透系数为≤10-6m/s，侧方设有防水幕墙或地下防渗墙。
3.根据权利要求2所述的废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统，其特征在于：煤矿地下空间的环周的侧方隔水层为注浆加固的防水煤柱、注浆加固的防水煤柱上端的注浆封堵的侧顶板和注浆加固的防水煤柱下端的注浆封堵的侧直接底板连接形成，下端隔水层为煤矿地下空间的注浆加固的隔水底板层。
4.根据权利要求2所述的废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统，其特征在于：底部隔水层为厚度大于等于10m的黏土层，压实度大于等于90%；或，底部隔水层为铺设的防渗土工膜，土工膜厚度大于等于5mm，抗渗强度应能保证在1.05MPa水压下48h不渗水，土工膜的渗透系数小于10-11cm/s。
5.根据权利要求1所述的废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统，其特征在于：煤矿地下空间水库通过抽水取热井连通有地面地热水输送管线Ⅰ，地面地热水输送管线Ⅰ与换热设备相连，经换热设备取热后的地热尾水从换热设备出来通过地热水尾水输水管进入地面塌陷区水库，地面塌陷区水库通过设置的地面地热水尾水输送管线Ⅱ与回灌发电井相连。
6.根据权利要求5所述的废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统，其特征在于：抽水取热井为：煤矿的竖井或斜井中设置有抽水取热的管道，即为抽水取热井连接管道，形成抽水取热井；回灌发电井为：煤矿的竖井或斜井中设置有回水发电管道，即为回灌发电井连接管道，形成抽水取热井；或者用于回水发电的煤矿的竖井或斜井即为回灌发电井。
7.根据权利要求6所述的废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统，其特征在于：抽水取热井下端相对于回灌发电井下端处于地下水径流下游，抽水取热井连接管道、回灌发电井连接管道外部分别设有保温层。
8.根据权利要求1所述的废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统，其特征在于：煤矿地下空间的深度为大于等于300m；热源利用端为供热管网。
9.根据权利要求1所述的废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统，其特征在于：地面地热水尾水输送管线Ⅱ上还设置有加压泵，抽水取热井上还设置有加压泵。
10.根据权利要求1-9任一权利要求所述的废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统的建造方法，其特征在于：包括以下几个步骤：
（1）采前超前注浆加固和封堵提前构筑煤矿地下空间水库的环周的侧方隔水层、下端隔水层；
（2）采后查漏补漏并补充注浆加固和封堵，构建煤矿地下空间水库；
（3）采后对煤矿地面塌陷区进行防渗处理以将其改造成具有良好防渗性能的地面塌陷区水库；
（4）将煤矿主井和副井分别改造成抽水取热井和回灌发电井，并在铺设输水管道；
（5）在抽水取热井中设立抽水泵；
（6）在回灌发电井下端安装水力发电机组，建造地下发电厂房；
（7）在地面建造地面地热水输送管线、地热水取热和地热利用系统；
（8）在地面塌陷区水库中建设光伏电站；
（9）水库蓄水并开始运行废弃煤矿光伏-抽水蓄能-地热联合开发系统。
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