CN114876572A - 地下储气库及其选址与改造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下储气库及利用废弃矿洞改建地下储气库的选址与改造方法，充分利用天然地层良好的密封性能、低渗透性以及地下水压力来封存高压气体，可大幅度降低地下储气库密封措施的工程造价；同时利用废弃矿洞的采空区和各类废弃洞室等地下废弃空间，大大提高了地下废弃空间的利用效率；此外依据选址步骤确定的废弃矿洞顶板具有抗变形能力良好，强度高等特点，因此，不需要对原有的废弃采空区及其巷道进行大规模加固处理，从而大幅度降低了工程改建的造价；本发明防渗结构简单，工程施工工艺简单，施工技术难度小，可进一步提高利用废弃矿洞改建大规模地下储气库的建设技术水平。
Description
技术领域
本发明属于地下储气库领域，尤其涉及一种利用废弃矿洞改建地下储气库的选址与改造方法、地下储气库。
背景技术
对于深埋于地下的各种矿藏的开采，需要开掘一系列的巷道或者硐室，矿藏被开采后将留下大量的采空区。对于顶板岩体质量好的采空区，开采后一般不会进行回填处理；同时，因地下开采需要而建设的准备巷道和开拓巷道等地下空间在采矿工作完成后也会保留下来。
废弃矿洞空间的利用方式分为单一开发利用和多元开发利用两种。单一开发利用是将废弃矿洞空间进行改造后作为一种物质存储空间，如蓄水、储气、储油以及压缩空气储能等。为实现碳达峰、碳中和的目标，利用废弃矿洞建设压缩空气储能电站地下储气库在世界各国都得到了高度关注。一些学者对此进行了探索性的研究，但这些研究大多基于概念性的探讨，在工程实际应用中，还存在一些关键技术问题没有解决。此外，尽管世界各国都有大量的废弃矿洞空间，但并不是所有的废弃矿洞空间都适宜于改建成为地下储气库，特别是压缩空气储能电站的地下储气库。
对于地下储气库，保证其密封性是关键。申请号为CN201610353657.5的发明专利公开了一种利用水平和垂直水幕来防止储库天然气泄露的设计方法，该方法不适用于采空区改建的储气库。申请号为202010352353.3的发明专利提出利用增加水幕和帷幕的方式来实现高压气体的封存。由于地下储气库内封存的气体压力高达10MPa以上，所需的水封压力高，改造费用大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用废弃矿洞改建地下储气库的选址与改造方法，以解决现有废弃矿洞改建高压地下储库存在密封性和改建造价过高的问题。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种利用废弃矿洞改建地下储气库的选址与改造方法，包括：
收集废弃矿洞的水文地质、工程地质以及开采期所揭示的各种地质资料，整理、绘制废弃矿洞的地质平面图和地质剖面图；
根据所述地质剖面图分析地下空间的顶板和底板的岩性，定性判断所述顶板及顶板以上岩层的强度特性、渗透特性和地下水压力分布特征；所述地下空间包括采空区及其巷道；
判断废弃矿洞是否同时满足以下条件，如果是，则确定该废弃矿洞作为地下储气库的正式场址：
条件1：顶板及顶板以上岩层包含有由至少一层隔水层和一层承压含水层构成的地层组合结构；
条件2：根据所述地质平面图核查隔水层和承压含水层的平面覆盖范围，且所述平面覆盖范围超过采空区及其巷道水平边界之外至少500m；
条件3：获取所述隔水层的渗透率，根据所述渗透率计算所述隔水层所需的最小厚度，且所述隔水层的实际厚度为所述最小厚度的1.5～2倍；
条件4：分析采空区及其巷道的埋深，且采空区及其巷道的埋深大于200m；
条件5：分析采空区及其巷道上方的地下水位高度，且采空区及其巷道的上方边界至地下水位面之间的距离至少大于150m。
进一步地，所述渗透率的获取方式包括两种，第一种是收集矿藏开采期间获取的隔水层渗透率，第二种是在废弃矿洞进行钻孔压水实验，获取隔水层渗透率。
进一步地，所述最小厚度的计算表达式为：
其中，H为最小厚度，单位为m；k为隔水层的渗透率，单位为m2；t为储气库运行时间，单位为s；p1为地下储气库的最高储气压力，单位为Pa；p2为隔水层的水压力，单位为 Pa；μ为粘滞系数，单位为Pa.s。
进一步地，所述条件4中，采空区及其巷道的埋深为200～500m。
进一步地，所述选址与改造方法还包括：
在与所述隔水层对应的竖井内设置堵头，所述堵头与隔水层共同形成密封层；
在所述采空区及其巷道上方设置水位监测及补水井，水位监测及补水井的一端位于承压含水层，另一端向上延伸出地面；
在所述竖井的底部开挖积水坑，并在所述积水坑内布置潜水泵，所述潜水泵通过排水管与潜水含水层对应的竖井连通；
在注采井内设置进出气管道，对注采井与隔水层之间的间隙进行浇筑封堵；
对隔水层的局部裂隙和不良地质体进行注浆封堵，由此形成完整、密封的地下储气库。
进一步地，所述堵头为含进人孔的钢筋混凝土堵头。
本发明还提供一种利用如上所述的选址与改造方法改造的地下储气库，包括底板、采空区及其巷道、位于采空区及其巷道上方的顶板、竖井、潜水含水层以及注采井；所述顶板至少包含一层隔水层和一层承压含水层；还包括水位监测及补水井，所述水位监测及补水井的一端位于所述承压含水层，另一端依次穿过承压含水层上的隔水层、潜水含水层并延伸出地面；
在与所述隔水层对应的竖井内设置堵头，所述堵头与隔水层共同形成密封层；在所述竖井的底部设有积水坑，在所述积水坑内布置有潜水泵，所述潜水泵通过排水管与潜水含水层对应的竖井连通；在所述注采井内设置进出气管道，对注采井与隔水层之间的间隙浇筑封堵；对所述隔水层的局部裂隙和不良地质体注浆封堵。
进一步地，采用聚合物砂浆或聚合物泥浆对所述隔水层的局部裂隙和不良地质体进行注浆封堵。
有益效果
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明所提供的一种利用废弃矿洞改建地下储气库的选址与改造方法，充分利用天然地层良好的密封性能、低渗透性以及地下水压力来封存高压气体，可大幅度降低地下储气库密封措施的工程造价；同时利用废弃矿洞的采空区和各类废弃洞室等地下废弃空间，大大提高了地下废弃空间的利用效率；此外依据选址步骤确定的废弃矿洞顶板具有抗变形能力良好，强度高等特点，因此，不需要对原有的废弃采空区及其巷道进行大规模加固处理，从而大幅度降低了工程改建的造价。
本发明防渗结构简单，工程施工工艺简单，施工技术难度小，可进一步提高利用废弃矿洞改建大规模地下储气库的建设技术水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中废弃矿洞改建的地下储气库的平面布置示意图；
图2是本发明实施例中废弃矿洞改建的地下储气库的剖面结构示意图；
图3是本发明实施例中采空区及其巷道的边界示意图。
其中，1-底板，2-巷道，3-采空区，4-竖井，5-隔水层，6-承压含水层，7-潜水含水层，8-注采井，9-水位监测及补水井，10-堵头，11-潜水泵，12-排水管，13-地下水位面，14-积水坑，15-注采井与隔水层之间的间隙，17-隔水层水平边界，18-巷道水平边界，19-采空区水平边界。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
本实施例所提供的一种利用废弃矿洞改建地下储气库的选址与改造方法包括两个部分，即选址部分和改造部分，选址的具体实施步骤包括：
步骤1：收集废弃矿洞的水文地质、工程地质以及开采期所揭示的各种地质资料，整理、绘制废弃矿洞的地质平面图和地质剖面图。
废弃矿洞相关地质资料为现有资料，可以通过国家地质资料数据中心、地质资料信息服务平台等途径获取、收集。
步骤2：根据地质剖面图分析地下空间的顶板和底板的岩性，定性判断顶板及顶板以上岩层的强度特性、渗透特性和地下水压力分布特征；地下空间包括采空区及其巷道。
废弃矿洞本身存在采空区及其巷道，充分利用地下空间主要是充分利用采空区及其巷道空间，如图1所示，废弃矿洞内本身存在的采空区及其巷道。采空区及其巷道上方为顶板及顶板以上岩层，顶板主要承受高压压缩空气的压力，需要有较高的强度要求；同时顶板或顶板以上岩层的岩石强度很高，不仅具有很好的密封性，且隔水效果好。
步骤3：如果顶板及顶板以上岩层包含有由至少一层隔水层和一层承压含水层构成的地层组合结构，则初步确定该废弃矿洞作为地下储气库的备选场址。
如图2所示，采空区及其巷道下方为底板，上方为顶板及顶板以上岩层，如果在顶板及顶板以上岩层内至少包含有一层隔水层和一层承压含水层，则表明采空区及其巷道上方具有良好的防渗性能，同时还具有良好的水密封性能，可初步确定该废弃矿洞作为地下储气库的备选场址。
步骤4：根据地质平面图核查隔水层和承压含水层在采空区及其巷道上方的平面覆盖范围，并判断平面覆盖范围是否超过采空区及其巷道水平边界之外至少500m(如图3所示)；如果是，则进一步确定该废弃矿洞作为地下储气库的备选场址。
绝大多数情况下采空区及其巷道气体渗流影响范围都小于500m，因此隔水层和承压含水层的平面覆盖范围超过采空区及其巷道水平边界之外至少500m，能够确保高压气体不会从储气库的侧面发生渗漏。
步骤5：获取隔水层的渗透率，根据渗透率计算隔水层所需的最小厚度。
本实施例中，隔水层的渗透率的获取方式包括两种，第一种是收集矿藏开采期间获取的隔水层渗透率，第二种是在废弃矿洞现场进行钻孔压水实验，获取隔水层渗透率。
隔水层所需的最小厚度的计算表达式为：
其中，H为最小厚度，单位为m；k为隔水层的渗透率，单位为m2；t为储气库运行时间，单位为s；p1为地下储气库的最高储气压力，单位为Pa；p2为隔水层的水压力，单位为 Pa；μ为粘滞系数，单位为Pa.s。
步骤6：如果隔水层的实际厚度为其最小厚度的1.5～2倍，则进一步确定该废弃矿洞作为地下储气库的备选场址。
隔水层的实际厚度为其最小厚度的1.5～2倍，表明具有良好的抗渗能力。
步骤7：分析采空区及其巷道的埋深，如果采空区及其巷道的埋深大于200m，则进一步确定该废弃矿洞作为地下储气库的备选场址。
采空区及其巷道的埋深大于200m，埋深越大，采空区及其巷道的稳定性越好，高压气体作用下地面变形量越小，储气库越安全；埋深过小，储气库安全风险高。本实施例中，埋深的优选值为200～500m。
步骤8：分析采空区及其巷道上方天然地下水位高度，如果采空区及其巷道的上方边界至天然地下水位面之间的距离至少大于150m，则确定该废弃矿洞作为地下储气库的正式场址。
采空区及其巷道的上方边界至天然地下水位面之间的距离至少大于150m，表明对储气库内高压气体具有较好的水密封性能。
如果废弃矿洞同时满足步骤3、4、6、7、8记载的条件(步骤3、4、6、7、8无先后顺序要求，只需同时满足即可)，则可以确定该废弃矿洞可以作为压缩空气储能电站地下储气库的正式场址或选址。
改造部分的具体实施步骤包括：
步骤9：在隔水层对应的竖井内设置堵头，堵头与隔水层共同形成密封层。
如图2所示，在与每层隔水层对应的竖井内均设置堵头，堵头与对应的隔水层共同形成密封层，以切断封闭在采空区内的高压气体的渗漏通道，提高了地下储气库的密封性。
废弃矿洞中一般均分布有竖井或斜井，或两者兼有。竖井和斜井作为通道一般会与采空区连通，为防止高压气体从竖井或斜井中泄漏，需要采用堵头进行封堵。有些情况下，可利用的废弃矿洞群上方可能没有布置矿藏开采用的竖井，此时，应在改造为储气库位置处的采空区或废弃巷道中新开挖竖井，作为高压气体进出储气库的通道。竖井最好布置在改建完成的储气库的中心部位。
本实施例中，堵头采用含进人孔的钢筋混凝土堵头。
步骤10：在采空区及其巷道上方设置水位监测及补水井，水位监测及补水井的一端位于承压含水层，另一端向上延伸出地面。
水位监测及补水井的作用有两种：一是监测废弃矿洞改建而成的储气库上方的地下水位的动态变化，为储气库内高压气体的渗漏判别提供依据；二是当地下水位下降，出现水封性能不足时，可通过水位监测及补水井向为储气库提供水封压力的承压含水层和潜水含水层进行人工补水，恢复水封压力。
步骤11：在竖井的底部开挖积水坑，并在积水坑内布置潜水泵，潜水泵通过排水管与潜水含水层对应的竖井连通。
在工程建设期，积水坑可用于排出施工过程中储气库内的积水，在运行期，从围岩渗透进入储气库内的积水可以通过潜水泵排至潜水含水层。由积水坑、潜水泵和排水管构成渗水抽排设施，确保储气库的储气容积。
潜水含水层是地表以下距离地表不远处的含水层，所有工程都会存在潜水含水层。潜水含水层与承压含水层都是地下水分布的两种形式。
步骤12：在注采井内设置进出气管道，对注采井与隔水层之间的间隙进行浇筑封堵。
采用高弹性、抗渗透、防裂的材料对进出气管道与隔水层之间的间隙进行浇筑封堵，防止高压气体沿注采井渗漏。
步骤13：对隔水层的局部裂隙和不良地质体进行注浆封堵，由此形成完整、密封的地下储气库。
对于顶板因采动出现的裂隙以及局部不良地质体，采用聚合物砂浆或聚合物泥浆进行注浆封堵，防止局部渗漏。
如图1和2所示，本实施例还提供一种利用如上所述的选址与改造方法改造的地下储气库，包括底板、采空区及其巷道、位于采空区及其巷道上方的顶板、竖井、潜水含水层以及注采井；所述顶板至少包含一层隔水层和一层承压含水层；还包括水位监测及补水井，所述水位监测及补水井的一端位于所述承压含水层，另一端依次穿过承压含水层上的隔水层、潜水含水层并延伸出地面。
在与每层隔水层对应的竖井内均设置堵头，堵头与对应隔水层共同形成密封层；在竖井的底部设有积水坑，在积水坑内布置有潜水泵，潜水泵通过排水管与潜水含水层对应的竖井连通；在注采井内设置进出气管道，对注采井与隔水层之间的间隙浇筑封堵；对隔水层的局部裂隙和不良地质体注浆封堵。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种利用废弃矿洞改建地下储气库的选址与改造方法，其特征在于，包括：
收集废弃矿洞的水文地质、工程地质以及开采期所揭示的各种地质资料，整理、绘制废弃矿洞的地质平面图和地质剖面图；
根据所述地质剖面图分析地下空间的顶板和底板的岩性，定性判断顶板及顶板以上岩层的强度特性、渗透特性和地下水压力分布特征；所述地下空间包括采空区及其巷道；
判断废弃矿洞是否同时满足以下条件，如果是，则确定该废弃矿洞作为地下储气库的正式场址：
条件1：顶板及顶板以上岩层包含有由至少一层隔水层和一层承压含水层构成的地层组合结构；
条件2：根据所述地质平面图核查隔水层和承压含水层的平面覆盖范围，且所述平面覆盖范围超过采空区及其巷道水平边界之外至少500m；
条件3：获取所述隔水层的渗透率，根据所述渗透率计算所述隔水层所需的最小厚度，且所述隔水层的实际厚度为所述最小厚度的1.5～2倍；
条件4：分析采空区及其巷道的埋深，且采空区及其巷道的埋深大于200m；
条件5：分析采空区及其巷道上方的地下水位高度，且采空区及其巷道的上方边界至地下水位面之间的距离至少大于150m。
2.如权利要求1所述的利用废弃矿洞改建地下储气库的选址与改造方法，其特征在于，所述渗透率的获取方式包括两种，第一种是收集矿藏开采期间获取的隔水层渗透率，第二种是在废弃矿洞进行钻孔压水实验，获取隔水层渗透率。
3.如权利要求1所述的利用废弃矿洞改建地下储气库的选址与改造方法，其特征在于，所述最小厚度的计算表达式为：
其中，H为最小厚度，单位为m；k为隔水层的渗透率，单位为m2；t为储气库运行时间，单位为s；p1为地下储气库的最高储气压力，单位为Pa；p2为隔水层的水压力，单位为Pa；μ为粘滞系数，单位为Pa.s。
4.如权利要求1所述的利用废弃矿洞改建地下储气库的选址与改造方法，其特征在于，所述条件4中，采空区及其巷道的埋深为200～500m。
5.如权利要求1～4中任一项所述的利用废弃矿洞改建地下储气库的选址与改造方法，其特征在于，还包括：
在与所述隔水层对应的竖井内设置堵头，所述堵头与隔水层共同形成密封层；
在所述采空区及其巷道上方设置水位监测及补水井，水位监测及补水井的一端位于承压含水层，另一端向上延伸出地面；
在所述竖井的底部开挖积水坑，并在所述积水坑内布置潜水泵，所述潜水泵通过排水管与潜水含水层对应的竖井连通；
在注采井内设置进出气管道，对注采井与隔水层之间的间隙进行浇筑封堵；
对隔水层的局部裂隙和不良地质体进行注浆封堵，由此形成完整、密封的地下储气库。
6.如权利要求5所述的利用废弃矿洞改建地下储气库的选址与改造方法，其特征在于，所述堵头为含进人孔的钢筋混凝土堵头。
7.一种利用如权利要求5或6所述的选址与改造方法改造的地下储气库，包括底板、采空区及其巷道、位于采空区及其巷道上方的顶板、竖井、潜水含水层以及注采井；所述顶板至少包含一层隔水层和一层承压含水层；其特征在于：还包括水位监测及补水井，所述水位监测及补水井的一端位于所述承压含水层，另一端依次穿过承压含水层上的隔水层、潜水含水层并延伸出地面；
在与所述隔水层对应的竖井内设置堵头，所述堵头与隔水层共同形成密封层；在所述竖井的底部设有积水坑，在所述积水坑内布置有潜水泵，所述潜水泵通过排水管与潜水含水层对应的竖井连通；在所述注采井内设置进出气管道，对注采井与隔水层之间的间隙浇筑封堵；对所述隔水层的局部裂隙和不良地质体注浆封堵。
8.如权利要求7所述的地下储气库，其特征在于：采用聚合物砂浆或聚合物泥浆对所述隔水层的局部裂隙和不良地质体进行注浆封堵。
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