CN114562404A - 一种煤矿抽水蓄能发电系统和建造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤矿抽水蓄能发电系统和建造方法。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和光伏发电站；地面塌陷区水库通过输水通道连通煤矿地下空间水库，输水通道上设有双向发电机组，双向发电机组为可逆式水泵水轮机；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可逆式水泵水轮机的水泵；煤矿地下空间为废弃煤矿采空区或和井巷工程。能够将不稳定的光伏电能转化为稳定的电能，而且能够对电能进行储蓄。

Description

一种煤矿抽水蓄能发电系统和建造方法

技术领域

本发明涉及抽水蓄能电站领域，尤其涉及一种煤矿抽水蓄能发电系统和建造方法，特别是涉及一种厚冲积层厚隔水层厚煤层煤矿抽水蓄能发电系统和建造方法。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。

背景技术

我国煤矿资源丰富，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，可为废弃矿井企业提供一条转型脱困和可持续发展新路径，不断推动资源枯竭型城市的转型发展。

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。

华北焦作矿区是典型的厚冲积层厚隔水层厚煤层煤矿。以赵固二矿为例，赵固二矿位于焦作煤田东部，主采二₁煤层为单一近水平煤层，倾角多在6°以内，煤层平均厚度6.2m。煤层赋存具有埋藏深度大（埋深大于680 m）、基岩薄（最小厚度仅36.8 m）等典型特征。矿井属第四系、新近系全掩盖区，松散层厚（厚度366.7～808.1 m）。井田范围内共有7个主要含水层及5个主要隔水层，煤层顶板以上为泥岩、砂质泥岩、粘土（隔水层）及砂岩、砾石层（含水层）互层；煤层底板以下为泥岩、砂质泥岩（隔水层）及灰岩（L8、L2、O2灰岩含水层）互层。煤矿开采形式为全部垮落法。

至今并无针对厚冲积层厚隔水层厚煤层缓煤层煤矿的抽水蓄能电站实现方案。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种煤矿抽水蓄能发电系统和建造方法，能够将不稳定的光伏电能转化为稳定的电能，而且能够对电能进行储蓄。

本发明的技术方案为：一种煤矿抽水蓄能发电系统，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和光伏发电站；地面塌陷区水库通过输水通道连通煤矿地下空间水库，输水通道上设有双向发电机组，双向发电机组为可逆式水泵水轮机；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可逆式水泵水轮机的水泵；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，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。

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。其中，地面塌陷区水库作为抽水蓄能电站的高位水库，设置在煤矿地面塌陷区，并通过改造煤矿地面塌陷区形成。具体改造为，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，形成地面塌陷区水库。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。

其中，光伏电站是指设置在高位水库水面之上光伏太阳能板发电系统，光伏电站的太阳能板设置在高位水库水面或者地面塌陷区水库水面上，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，可以将光伏发电用于抽水蓄能以便实现多能互补。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，输水通道是指连接煤矿地面塌陷区水库和煤矿地下空间水库的扬水和排水的通道，通过改造煤矿竖井实现，在煤矿竖井中铺设大口径、耐高温、耐腐蚀、高强度材质的输水连通管道，该管道可以是钢管或者整体式钢衬钢筋混凝土输水管，输水管靠竖井岩壁固定。

由于埋深大，井下开采方式的煤矿都会设置竖井作为运输通道，竖井包括主井和副井。可以通过改造竖井做为输水通道，在煤矿竖井中设有输水连通管道以实现将低位水库水体提升至高位水库实现抽水蓄能，以及将高位水库水体送至低位水库实现发电。

其中，双向发电机组是指可逆式抽排水水泵水轮机，水泵水轮机是水泵和水轮机的结合，可以将低位水库水体提升至高位水库实现抽水蓄能，以及将高位水库水体送至低位水库实现发电。

优选的，由于煤层埋深较大，意即由地面塌陷区改造而成的高位水库和由采空区、井巷工程等煤矿地下空间改造而成的地位水库之间的水头落差极大（一般超过300m），因此，双向发电机组是必须具备“三超三耐”（即超高水头、超大变幅、超高转速、耐气蚀、耐磨蚀、耐腐蚀）特性的水泵水轮机。

此外，本发明还提供了一种煤矿抽水蓄能发电系统的构建方法，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：煤矿在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“超前主动、区域治理、全面改造、带压开采”模式区域超前治理，提前对整个采区的防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。

（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，对地面塌陷区的塌陷盆地或地面塌陷区进行底部整平和压实，提升地面塌陷盆地或地面塌陷区底部第四纪冲积层的防渗性能，并在地面塌陷盆地黏土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者地下防渗墙作为侧向隔水防渗设施，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改造成具有良好防渗性能的地面塌陷区水库。

（4）将煤矿竖井改造成输水通道并安装输水管道：

通过在煤矿竖井（主井或副井）中架设大口径、耐高温、耐腐蚀、高强度材质的输水管道，将输水管道固定在煤矿竖井的侧壁上。抽水蓄能电站输水通道的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）在输水通道中安装抽水和发电设备：

在输水通道的管道中安装双向发电机组，双向发电机组需设置配套输配电措施；抽水蓄能电站抽水蓄能和发电设备的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）》）。

（6）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，安装太阳能板，铺设输配电线路，完成光伏电站的建设。光伏电站的建设可以参照《光伏发电站设计规范(GB 50797-2012)》《光伏发电站施工规范(GB 50794-2012)》等相关规范。

（7）水库蓄水并开始抽水蓄能电站运行：

地面塌陷区高位水库蓄水及整个厚冲积层厚煤层煤矿抽水蓄能发电系统开始运行，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，光伏电站的通过输电线为抽水蓄能供电，开始进行抽水蓄能以及发电。

本发明所提出的煤矿抽水蓄能发电系统，能够将不稳定的光伏电能转化为稳定的电能，而且能够对电能进行储蓄。尤其是华北焦作矿区厚冲积层厚隔水层厚煤层缓煤层煤矿抽水蓄能电站具有巨大蓄能发电潜力，且高位水库和低位水库库容量巨大、防渗性能优越，尤其适用于本申请的煤矿抽水蓄能发电系统。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图以及具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，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下述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，本申请使用的技术术语应当为本发明所述技术人员所理解的通常意义。

一种煤矿抽水蓄能发电系统，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和光伏发电站；地面塌陷区水库通过输水通道连通煤矿地下空间水库，输水通道上设有双向发电机组，双向发电机组为可逆式水泵水轮机；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可逆式水泵水轮机的水泵；煤矿地下空间为废弃煤矿采空区或和井巷工程。

（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、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。在防水煤柱上方顶板处进行注浆封堵，制造出的注浆封堵的侧顶板，在防水煤柱下方直接底板处进行注浆封堵，制造出的注浆封堵的侧直接底板。注浆封堵的侧直接底板方便密封注浆加固防水煤柱与注浆加固的隔水底板层的连接处。注浆封堵的侧顶板为防止地下水径流的原因，造成的外界水流入煤矿地下空间水库，污染煤矿地下空间水库中的水。

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、注浆封堵的侧顶板和注浆封堵的侧直接底板，等隔水设施，将整个相连的煤矿地下空间隔离成的大型煤矿地下空间，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，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，本发明中防水煤柱主要是指整个采区外围的防水煤柱而非工作面之间的隔离煤柱和护巷煤柱，通过对煤矿地下空间水库的侧方和下端进行注浆加固和注浆封堵形成侧方隔水层和下端隔水层，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。

优选的，对用于构建煤矿地下空间水库的侧方防水煤柱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，改善煤矿地下空间水库蓄水效果，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40l/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 GB 51070-2014》《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。

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。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裂隙注浆封堵，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。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：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^{- 11}cm/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土工膜提高其隔水性能

一般来说，由于华北焦作矿区厚冲积层中有巨厚冲积层和巨厚隔水层，巨厚冲积层为行业常规用词，冲积层中黏土质含量高，黏土层是一种很好的隔水层。所以，华北焦作矿区形成的地面塌陷区防渗性能优越，经过简单压实后可以满足作为水库库底的防渗功能要求；但如果出现防渗性能不满足要求的情况时，需对塌陷区土体进行防渗处理，可以采取铺设防渗膜或者注浆方式提高防渗性能。此外，在地面塌陷盆地四周设置防渗墙，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。

（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，可以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，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通道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通道。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）输水通道

输水通道连通煤矿地下空间水库和地面塌陷区水库。

输水通道可以通过煤矿竖井连通煤矿地下空间水库，竖井包括主井和副井。

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，可以将煤矿竖井或改造为输水通道中的一段通道，或者煤矿竖井中设有输水连通管道，输水连通管道为输水通道中的一段通道。

输水通道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）将高位的地面塌陷区水库的水体输送的低位的煤矿地下空间水库以进行发电过程。

竖井铺设的输水连通管道可以为大口径、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/T 35056—2015 水电站压力钢管设计规范》等规范的要求执行。

输水通道包括地面上的输水通道，地面上的输水通道还设有加压泵或和抽水泵。

（五）双向发电机组

双向发电机组采用可逆式水泵水轮机。可逆式水泵水轮机是水泵和水轮机的结合，可以将低位水库水体提升至高位水库实现抽水蓄能，以及将高位水库水体送至低位水库实现发电。

由于华北型煤田的煤层埋深较大，这意味着由地面塌陷区改造而成的高位水库和由采空区、井巷工程等煤矿地下空间改造而成的地位水库之间的水头落差极大（一般超过300m），因此，双向发电机组是必须具备“三超三耐”（即超高水头、超大变幅、超高转速、耐气蚀、耐磨蚀、耐腐蚀）特性的水泵水轮机。

优选的，可以根据煤矿地下空间水库和地面塌陷区水库之间的水头差和双向发电机组的扬程，合理选择采用单级可逆式水泵和多级可逆式水泵。双向发电机组的选型和设计施工需满足《DL/T 293 抽水蓄能可逆式水泵水轮机运行规程》、《GB T 32878-2016 可逆式水泵水轮机调节系统运行规程》和《DL/T 5208-2005 抽水蓄能电站设计导则》等规范的要求。

本发明的创造性在于创造性提出利用华北焦作矿区厚冲积层厚煤层缓煤层这一得天独厚的特点，将整井田采区（内含所有的采空区和井巷工程）整合成一个大型地下水库，同时将整个煤矿地面塌陷区整合在一起成为大的地上水库，同时由于煤层较厚，整个采空区和形成的地面塌陷区体积庞大。而且，煤层埋藏深度大，因此，由地面塌陷区改造而成的高位水库和由采空区、井巷工程等煤矿地下空间改造而成的地位水库之间的水头落差极大。对于其它区域，不方便整合的，可以使用本申请的方法，只是对于煤矿地下空间水库不进行整合，分别作为煤矿地下空间水库，设置煤矿抽水蓄能发电系统，就可以了。

综上，本发明所提出的华北焦作矿区厚冲积层厚煤层缓煤层煤矿抽水蓄能电站具有巨大蓄能发电潜力，且高位水库和低位水库库容量巨大、防渗性能优越。

实例

如图1所示，本例以焦作矿区某煤矿的地质地层和煤矿开采情况为基础进行改造。该煤矿基本情况参见本发明背景技术。

黏土层是一种很好的隔水层。一般来说，由于华北焦作矿区厚冲积层中有巨厚冲积层，冲积层中黏土质含量高，防渗性能优越，经过简单压实后可以满足作为水库库底的防渗功能要求。由于华北焦作矿区主采煤层为单一近水平煤层（倾角多在6°以内），断层发育较少，整个采区所有采掘工作面连成一体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。再一方面，由于华北焦作矿区所处的冲积平原地势平缓，形成的地面塌陷区改造而成的高位水库库容较大。因此，华北焦作矿区的采区所形成的地面塌陷区可以整合改造成一个大的高位水库。

地面塌陷区水库14是由整个煤矿采区形成的地面塌陷区14改造形成。由于地面塌陷区14周边地形比较平缓，为防止高位水库14中水体向两侧渗漏，在水库四周设置防水幕墙3。本实施方式中地面塌陷区14下方土层中存在巨厚黏土层2，由新近系河湖相沉积的粘土、砂质粘土组成，呈半固结状态，厚度215～571m，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。在将地面塌陷区改造成地面塌陷区水库14时，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，保证库区所有区域用于地面塌陷区水库14底部隔水层的黏土层的防渗系数不超过10^-6m/s。

其中，光伏电站的太阳能板13架设设置在地面塌陷区水库水面之上，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。

其中，输水通道是指连接高位水库和低位水库的扬水和排水的通道，通过改造煤矿竖井实现。本实施方式中，输水通道使用耐高压、耐腐蚀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（这里为示意图，图中未显示竖井）中并靠竖井岩壁固定，实现高位水库、双向发电机组和低位水库之间的连接和输送水。图中输水管道11实现了从高水水库—地面塌陷区水库14、双向发电机组12和低位水库—煤矿地下空间地下水库10之间的水体输送。整体式钢衬钢筋混凝土输水管建造的设计和施工需按照《NB/T 35056—2015 水电站压力钢管设计规范》等规范的要求执行。

为防止动力不足，地面上的输水通道需设置加压泵。从地面塌陷区水库14向下输送水时，避免不好输出底部的水，输水通道连接地面塌陷区水库14的一端可以设有抽水泵，抽水泵最好为双向泵。

其中，双向发电机组12采用“三超三耐”（即超高水头、超大变幅、超高转速、耐气蚀、耐磨蚀、耐腐蚀）特性的水泵水轮机，可以选择ALSTOM 300MW级混流可逆式水泵水轮机-电动发电机组。双向发电机组12安装在竖井底部，用以将低位水库水体提升至高位水库实现抽水蓄能，以及将高位水库水体送至低位水库实现发电。

其中，低位水库由煤矿地下空间改造而成。本实施方式中，煤层平缓，断层不发育，因此，采区工作面并列布置，可以连成一片。因此，本发明将所有井下的采空区、井巷工程、上下山等地下空间整合在一起，组成一个巨大地下空间。在这个巨大地下空间四周预留防水煤柱，对整个采区的防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，分别形成注浆加固的防水煤柱6、注浆加固的隔水底板层8；在防水煤柱上方顶板处进行注浆封堵，形成注浆封堵的侧顶板5，在防水煤柱下方直接底板处进行注浆封堵，形成注浆封堵的侧直接底板7。通过注浆加固的底板隔水层8、注浆加固的防水煤柱6、防水煤柱上方的注浆封堵的侧顶板5和防水煤柱下方的注浆封堵的侧直接底板7，可以共同圈出一个巨型地下空间区域—煤矿地下空间地下水库10，具有侧方和底部密闭性良好、空间稳定性极好、储水空间巨大等特点。

因为煤层平缓，断层不发育，采区工作面并列布置，可以连成一片，因此地面塌陷区也事实上可以连成一片。再一方面，由于煤矿周边地势平坦，所有采区形成的地面塌陷区在地面上形成一个巨型塌陷盆地。加上本实施方式中煤矿采深平均6.2 m，且煤矿属于薄基岩厚冲积层，因此形成的地面塌陷区平均深度超过4m。因此，这个巨型塌陷盆地改造成高位水库之后容积巨大，且因下覆黏土防渗层的缘故，防渗性能良好。

本实施方式中，煤矿采深超过600m，且地面地形平缓，井下煤层为近水平煤层。因此，由地面塌陷区改造而成的高位水库和由采空区、井巷工程等煤矿地下空间改造而成的低位水库之间的水头落差极大。

综上，本发明所提出的华北焦作矿区厚冲积层厚隔水层厚煤层缓煤层煤矿抽水蓄能电站具有高位水库和低位水库库容量巨大、防渗性能优越、蓄能发电潜力巨大等特点。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，而不是全部的实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。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和本发明的原理的精神的前提下，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 (11)

1.一种煤矿抽水蓄能发电系统，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和光伏发电站；地面塌陷区水库通过输水通道连通煤矿地下空间水库，输水通道上设有双向发电机组，双向发电机组为可逆式水泵水轮机；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可逆式水泵水轮机的水泵；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所述的煤矿抽水蓄能发电系统，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。

3.根据权利要求2所述的煤矿抽水蓄能发电系统，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隔水底板层；注浆加固的隔水底板层或注浆加固的防水煤柱中注浆深度不低于10m。

4.根据权利要求1所述的煤矿抽水蓄能发电系统，其特征在于：地面塌陷区水库，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。

5.根据权利要求4所述的煤矿抽水蓄能发电系统，其特征在于：底部隔水层为铺设的防渗土工膜，或底部隔水层为注浆加固和封堵改造地面塌陷区第四纪冲积层中的黏土层；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，土工膜的渗透系数应小于10^-11cm/s；作为底部隔水层的低渗透性的黏土层，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。

6.根据权利要求1所述的煤矿抽水蓄能发电系统，其特征在于：输水通道通过煤矿竖井连通煤矿地下空间水库。

7.根据权利要求6所述的煤矿抽水蓄能发电系统，其特征在于：煤矿竖井为输水通道中的一段通道，或者煤矿竖井中设有输水连通管道，输水连通管道为输水通道中的一段通道。

8.根据权利要求7所述的煤矿抽水蓄能发电系统，其特征在于：输水连通管道为在煤矿竖井中铺设输水连通管道，该管道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。

9.根据权利要求1所述的煤矿抽水蓄能发电系统，其特征在于：输水通道包括地面上的输水通道，地面上的输水通道还设有加压泵或和抽水泵。

10.根据权利要求1所述的煤矿抽水蓄能发电系统，其特征在于：所述双向发电机组采用“三超三耐”特性的水泵水轮机，双向发电机组安装在竖井底部，用以将低位水库水体提升至高位水库实现抽水蓄能，以及将高位水库水体送至低位水库实现发电。

11.一种煤矿抽水蓄能发电系统的构建方法，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）将煤矿竖井改造成输水通道并安装输水管道；

（5）在输水通道中安装抽水和发电设备；

（6）在地面塌陷区水库中建设光伏电站；

（7）水库蓄水并开始抽水蓄能电站运行。

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