CN114971338A - 一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法 - Google Patents
一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法 Download PDFInfo
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Abstract
本公开提供了一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法,确定矿井沉陷区以及巷道建设抽水蓄能电站的评估范围，获得各种不同条件下的适宜性分区并评级，计算适宜性分区矩阵，构建整体适宜性矩阵，能够全面、准确、高效的获得废弃矿井沉陷区和地下巷道群建设抽水蓄能电站适宜性分区，为确保抽水蓄能电站安全建设中及建成后正常运行提供科学依据。
Description
技术领域
本公开涉及沉陷区建设技术领域，具体涉及一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
我国矿产资源丰富，其中煤炭资源的产量和储量均居世界首位，但锁着我国能源结构调整以及煤炭资源的枯竭，大量矿井报废关闭或进入报废过渡阶段，废弃矿井沉陷区和地下巷道群有着巨大的空间可以用来蓄水，因此，利用废弃矿井沉陷区和地下巷道建设抽水蓄能不仅是一种抽水蓄能电站新形式的探索，更是基于电力市场和生态环境恢复双向需求的产物，同时，可以为废弃矿井抽水蓄能电站可行性提供评估方法助力我国构建以新能源为主体的新型电力系统。
利用废弃矿井沉陷区和地下巷道群建设抽水蓄能电站较传统地表抽水蓄能电站的修建存在诸多不同，传统地表抽水蓄能电站是通过水泵将下游水库的水经过管道输送到上游水库储存起来，由此将电能转换为势能，传统地表抽水蓄能电站需要在河流上下游修建水库和水道，但是修建的选址受山川河流等地形地貌条件的约束，但是将废弃矿井沉陷区和地下巷道群改建为抽水蓄能电站可以减少地形地貌的限制。此外，传统地表抽水蓄能电站的建立需要消耗大量的地表资源，且建立的蓄能库也将影响自然环境和生态环境带来的不利影响，利用废弃矿井建造抽水蓄能电站是废弃矿井综合利用的重要方式；在工程技术方面，废弃矿井抽水蓄能电站与传统地表抽水蓄能电站有许多不同，利用废弃矿井沉陷区和地下巷道群建设抽水蓄能电站不仅要考虑水源条件还要考虑废弃矿井复杂的工程地质、安全性、经济性等难题。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法，利用废弃矿井沉陷区和地下巷道群建设抽水蓄能电站作为常规蓄能电站的一种补充，确保抽水蓄能电站在建设中的安全施工及建成后正常运行发挥效益。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法，包括：
采集废弃矿井沉陷区的形变数据以及地下巷道群的分布情况数据，确定废弃矿井沉陷区和地下巷道群地块评估范围；
获取废弃矿井以及地下巷道所在区域的气象水文、地质条件、废弃现状环境数据以及待建设的抽水蓄能电站系统模拟参数并与预先构建的建设抽水蓄能电站的水源条件、地址条件、现状环境以及抽水蓄能电站安装设备参数的适宜性评估准则对比，分别获得各自划分的适宜性分区；
预估待建设电站的工作效率以及经费损耗与预先构建的建设抽水蓄能电站安装设备的经济适宜性评估准则对比，获的建设抽水蓄能电站的安装设备经济适宜性分区；对获得的各条件下适宜性分区进行评级，计算各条件下分级的权值并构建各个条件下的整体适宜性分区矩阵，再计算整体权重矩阵，获取最大值位置，获得最佳适宜性指标。
具体的，在整体权重矩阵中查看最大值的位置，并按照适宜性程度查找与最大值位置相对应的评价指标作为该废弃矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站的适宜性。
所述适宜性程度划分为非常适宜、适宜、较适宜、适宜性较差以及适宜性差。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开的评估方法可以准确的确定待建设抽水蓄能电站的适宜性，利用废弃矿井沉陷区和地下巷道群建设抽水蓄能电站不仅可以破解高比例清洁能源入网调节的难题，还能解决废弃矿井带来的危害，且能帮助周围生态环境的恢复；帮助关闭煤矿下岗工人再就业的优点。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开的评估方法流程图；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
本公开提供一种矿区沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法，具体包括以下步骤：
步骤1：采集废弃矿井沉陷区的形变数据以及地下巷道群的分布情况数据，确定废弃矿井沉陷区和地下巷道群地块评估范围；
步骤2：获取废弃矿井以及地下巷道所在区域的气象水文、地质条件、废弃现状环境数据以及待建设的抽水蓄能电站系统模拟参数并与预先构建的建设抽水蓄能电站的水源条件、地址条件、现状环境以及抽水蓄能电站安装设备参数的适宜性评估准则对比，分别获得各自划分的适宜性分区；
步骤3：预估待建设电站的工作效率以及经费损耗与预先构建的建设抽水蓄能电站安装设备的经济适宜性评估准则对比，获的建设抽水蓄能电站的安装设备经济适宜性分区；
步骤4：对获得的各条件下适宜性分区进行评级，计算各条件下分级的权值并构建各个条件下的整体适宜性分区矩阵，再计算整体权重矩阵，获取最大值位置，获得最佳适宜性指标。
具体的，采集废弃矿井沉陷区的形变数据以及地下巷道群的分布情况数据，确定废弃矿井沉陷区和地下巷道群地块评估范围，即获取所述废弃矿井的塌陷形状以及范围，以及在该范围内的巷道分布的情况，确定对废弃矿井以及地下巷道群地块进行评估的范围。
在确定地块的评估范围之后，要对该废弃矿井以及地下巷道所在区域的是否适宜建设抽水蓄能电站的数据进行获取并评估，具体的为：
需要获取废弃矿井以及地下巷道所在区域的气象水文、地质条件、废弃现状环境数据以及待建设的抽水蓄能电站系统模拟参数，将其与预先构建的建设抽水蓄能电站的水源条件、地址条件、现状环境以及抽水蓄能电站安装设备参数的适宜性评估准则对比，分别获得各自划分的适宜性分区；
所述的适宜性评估准则是由各种适宜性评估准则数据组成的，对各个条件进行评估的准则数据包括多种，其中:
预定的水源条件适宜性评估准则数据具体包括年平均降雨量、年平均蒸发量、距河流距离、含沙量、年平均径流、水质级别以及年平均最低温度。
并对水源条件进行适宜性分区，对水源条件的评估具体划分为优秀、良好、中等、较差以及差五个等级分区。
其中，又对水质级别进行划分，由高到低划分为I、I I、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个等级。具体的水源条件适宜评估准则见下表1。
例如，其中，预先设定的优秀的评估方式是年平均降水量大于800mm，年平均蒸发量小于400mm，距河流距离小于0.5km，含沙量小于0.2kg/m3，年平均径流深大于100mm，年平均渗流量小于20万m3，水质级别为I级别，年平均最低温度为20～23℃。
预定的地址条件适宜性评估准则数据具体包括：正常地下涌水量、矿区岩石等级、围岩稳定状态等级、地震级别、沉陷区边坡稳定性系数、岩石风化程度以及地下水质级别。
并对地址条件进行适宜性分区，对地址条件的评估具体划分为优秀、良好、中等、较差以及差五个等级分区。
其中，对矿区岩石等级进行划分，由高到低划分为I、II、III、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ以及以上。
对围岩稳定状态等级进行划分，由高到低划分为I、II、III、、Ⅳ、Ⅴ。
对地下水质级别进行划分，由高到低为I、II、III、、Ⅳ、Ⅴ。
具体的地址条件适宜评估准则见下表2。
预设的废弃现状环境适宜性评估准则数据包括：废弃矿井年限、井口断面值、有害气体浓度、沉陷区容积、下巷道群容积、沉陷区与巷道群高差，巷道群水力坡度、引水隧道距高比、地下巷道群温度、废弃矿区面积以及周围人口密度。
并对废弃现状环境进行适宜性分区，对废弃现状环境的评估具体划分为优秀、良好、中等、较差以及差五个等级分区。
具体的地址条件适宜评估准则见下表3。
预设的废弃矿井沉陷区和地下巷道群待建设抽水蓄能电站安装设备参数适宜性评估准则数据包括：装机容量、水泵扬程、上水库有效容积、上下水库库容比、地下厂房占地面积以及地下厂房高度。
并对待建设抽水蓄能电站安装设备参数适宜性进行适宜性分区，对待建设抽水蓄能电站安装设备参数适宜性的评估具体划分为优秀、良好、中等、较差以及差五个等级分区。
具体的抽水蓄能电站安装设备参数适宜评估准则见下表4。
预设的待建设的抽水蓄能电站的安装设备经济适宜性评估准则数据包括：年发电量、转化效率、年净利润、平均工作时长、年利润率、距负荷区域距离以及利用新能源抽水占比。
并对待建设的抽水蓄能电站的安装设备经济适宜性进行适宜性分区，对待建设的抽水蓄能电站的安装设备经济适宜性的评估具体划分为优秀、良好、中等、较差以及差五个等级分区。
具体的待建设的抽水蓄能电站的安装设备经济适宜性评估准则见下表5。
在进行具体数据评估时，对获取的各条件下的待测数据与上述表格中的评估准则数据进行对比，获的各个条件所在的分区，具体分区等级包括：优秀、良好、中等、较差以及差。
通过上述的评估准则数据进行评估之后，获取待测数据的适宜性分区，然后经过专家对各适宜性分区进行评级。
分别在煤矿领域、地质领域、抽水蓄能领域、新能源发电领域、环境领域专家库中，各自领域随机挑选2位专家对各适宜性分区进行评级，共n位专家，分别计算每个专家对各个适宜性分区优秀、良好、中等、较差、差评级的权值并构建各个适宜性分区矩阵。
具体的，每一位专家都对不同条件下的适宜性分区进行评级，分别计算每个专家对各个适宜性分区优秀、良好、中等、较差、差评级的权值并构建各个适宜性分区矩阵。
各适宜性分区矩阵计算方法为Ui＝(优秀评价数量/n，良好评价数量/n，中等评级数量/n，较差评级数量/n，较差评级数量/n)。
然后，按照水源条件适宜性分区、工程地质适宜性分区、废弃矿井现状适宜性分区、安装设备参数适宜性分区及经济性适宜性分区的顺序作为行的顺序构建整体适宜性矩阵。构建的整体适宜性矩阵如下：
由多位专家根据水源条件适宜性分区、工程地质条件适宜性分区、废弃矿井现状适宜性分区、安装设备参数适宜性分区及经济性适宜性分区对建设抽水蓄能电站的重要程度定义的权重值构成的权重矩阵A。
根据水源条件适宜性分区、工程地质条件适宜性分区、废弃矿井现状适宜性分区、安装设备参数适宜性分区及经济性适宜性分区对建设抽水蓄能电站的重要程度定义权重矩阵A与构建的整体适宜性矩阵相乘，得到1行1列的矩阵M。具体计算为：
M＝A·U
在计算得到的矩阵M中查看最大值位置，并从(非常适宜，适宜，较适宜，适宜性较差，适宜性差)查找与最大值位置相应的评价指标作为该废弃矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站的适宜性。
实施例2
本公开提供一种矿区沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法，步骤为：
采集废弃矿井沉陷区的形变数据以及地下巷道群的分布情况数据，确定废弃矿井沉陷区和地下巷道群地块评估范围；
获取废弃矿井以及地下巷道所在区域的气象水文、地质条件、废弃现状环境数据以及待建设的抽水蓄能电站系统模拟参数并与预先构建的建设抽水蓄能电站的水源条件、地址条件、现状环境以及抽水蓄能电站安装设备参数的适宜性评估准则对比，分别获得各自划分的适宜性分区；
预估待建设电站的工作效率以及经费损耗与预先构建的建设抽水蓄能电站安装设备的经济适宜性评估准则对比，获的建设抽水蓄能电站的安装设备经济适宜性分区；对获得的各条件下适宜性分区进行评级，计算各条件下分级的权值并构建各个条件下的整体适宜性分区矩阵，再计算整体权重矩阵，获取最大值位置，获得最佳适宜性指标。
一种实施案例中，该废弃矿井占地面积80Km2，项目预计安装六台水电机，建设地上及地下厂房各一个。
采集该废弃矿井中所在区域中各个条件下的待测数据，其中获取到：
水源条件数据为：年平均降雨量在645mm，年平均蒸发量在400mm左右，距离某河流2Km，河流含沙量为0.3kg/m3，年平均径流深为100mm，年平均渗流量在20万m3，水质级别为Ⅱ级，年平均最低温度20℃。
地质条件数据为：正常地下涌水量为400mm/h，矿区岩石等级为Ⅴ级，巷道围岩稳定状态等级为Ⅲ级，地震级别为2级，沉陷区边坡稳定性系数为1.3，岩石风化程度为微风化，地下水质级别为Ⅱ级。
现状环境数据为：废弃矿井废弃年限为1年，井口段面直径为8m，有害气体浓度为0.1％，上巷道群容积约为80万m3，下巷道群容积约为60万m3，巷道群高差800m，巷道群水力坡度为1.5，引水隧道距高比为4.5，地下巷道群温度为26℃，废弃矿井面积为150平方公里，周围人口密度每平方公里为150。
待建设抽水蓄能电站安装设备参数数据为：拟装机容量200MW，拟采用水泵扬程250m，拟建设上水库有效容积250万m3，上下水库库容比为2：1.，地下厂房占地面积为500m2，地下厂房高度为9m。
预估建设抽水蓄能电站的经济性指标数据为:预计改建后年发电量700KW，转化效率为80％，预计年净利润240万元，平均工作时长为6h/d，年利润率16％，距负荷区域距离17km，利用新能源抽水占比28％。
然后在专家库中随机抽取在煤矿领域、地质领域、抽水蓄能领域、新能源发电领域、环境领域中的10为专家，每个领域2位，对各适宜性分区进行评级，各专家评级如下表6所示。
分别计算每个专家对各个适宜性分区优秀、良好、中等、较差、差评级的权值并构建1行5列的各个适宜性分区矩阵。各适宜性分区矩阵计算方法为Ui＝(优秀评价数量/n，良好评价数量/n，中等评级数量/n，较差评级数量/n，较差评级数量/n)，n＝10,计算过程如下：
(1)水源条件适宜性分区矩阵：
U1＝(0.2，0.6，0.2，0，0)
(2)工程地质适宜性分区矩阵：
U2＝(0.1，0.4，0.4，0，0)
(3)废弃矿井现状适宜性分区矩阵：
U3＝(0.2，0.3，0.5，0，0)
(4)安装设备参数适宜性分区矩阵：
U4＝(0.1，0.4，0.2，0.1，0)
(5)经济性适宜性分区矩阵：
U5＝(0.3，0.4，0.3，0，0)
按照水源条件适宜性分区、地质条件适宜性分区、废弃矿井现状适宜性分区、安装设备参数适宜性分区及经济性适宜性分区的顺序作为行的顺序构建5行5列的整体适宜性矩阵。构建的整体适宜性矩阵如下：
再根据水源条件适宜性分区、工程地质条件适宜性分区、废弃矿井现状适宜性分区、安装设备参数适宜性分区及经济性适宜性分区对建设抽水蓄能电站的重要程度定义权重矩阵A与构建的整体适宜性矩阵相乘，得到1行1列的矩阵M。权重矩阵A＝(0.2，0.3，0.2，0.2，0.1),计算过程如下：
经计算得到的矩阵查看最大值位置，并从(非常适宜，适宜，较适宜，适宜性较差，适宜性差)查找与最大值位置相应的评价指标作为该废弃矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站的适宜性。计算结果(0.16 0.42 0.33 0.02 0)中0.42最大，位于第二列，(非常适宜，适宜，较适宜，适宜性较差，适宜性差)中第二列为适宜，因此该废弃矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站的适宜性为适宜。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集废弃矿井沉陷区的形变数据以及地下巷道群的分布情况数据，确定废弃矿井沉陷区和地下巷道群地块评估范围；
获取废弃矿井以及地下巷道所在区域的气象水文、地质条件、废弃现状环境数据以及待建设的抽水蓄能电站系统模拟参数并与预先构建的建设抽水蓄能电站的水源条件、地址条件、现状环境以及抽水蓄能电站安装设备参数的适宜性评估准则对比，分别获得各自划分的适宜性分区；
预估待建设电站的工作效率以及经费损耗与预先构建的建设抽水蓄能电站安装设备的经济适宜性评估准则对比，获的建设抽水蓄能电站的安装设备经济适宜性分区；对获得的各条件下适宜性分区进行评级，计算各条件下分级的权值并构建各个条件下的整体适宜性分区矩阵，再计算整体权重矩阵，获取最大值位置，获得最佳适宜性指标。
2.如权利要求1所述的一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法，其特征在于，所述水源条件适宜性评估准则数据具体包括：年平均降雨量、年平均蒸发量、距河流距离、含沙量、年平均径流、水质级别以及年平均最低温度。
3.如权利要求1所述的一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法，其特征在于，所述地址条件适宜性评估准则数据具体包括：正常地下涌水量、矿区岩石等级、围岩稳定状态等级、地震级别、沉陷区边坡稳定性系数、岩石风化程度以及地下水质级别。
4.如权利要求1所述的一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法，其特征在于，所述废弃现状环境适宜性评估准则数据包括：废弃矿井年限、井口断面值、有害气体浓度、沉陷区容积、下巷道群容积、沉陷区与巷道群高差，巷道群水力坡度、引水隧道距高比、地下巷道群温度、废弃矿区面积以及周围人口密度。
5.如权利要求1所述的一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法，其特征在于，废弃矿井沉陷区和地下巷道群待建设抽水蓄能电站安装设备参数适宜性评估准则数据包括：装机容量、水泵扬程、上水库有效容积、上下水库库容比、地下厂房占地面积以及地下厂房高度。
6.如权利要求1所述的一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法，其特征在于，待建设的抽水蓄能电站的安装设备经济适宜性评估准则数据包括：年发电量、转化效率、年净利润、平均工作时长、年利润率、距负荷区域距离以及利用新能源抽水占比。
7.如权利要求1所述的一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法，其特征在于，对获取的各条件下的数据与评估准则数据进行对比，获的各个条件所在的分区，具体分区等级包括：优秀、良好、中等、较差以及差。
8.如权利要求1所述的一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法，其特征在于，构建各个适宜性分区矩阵过程为：分别在煤矿领域、地质领域、抽水蓄能领域、新能源发电领域、环境领域专家库中，各自领域随机挑选2为专家对各适宜性分区进行评级，分别计算每个专家对各个适宜性分区优秀、良好、中等、较差、差评级的权值并构建1行5列的各个适宜性分区矩阵。
9.如权利要求1所述的一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法，其特征在于，各适宜性分区矩阵计算方法为Ui＝(优秀评价数量/n，良好评价数量/n，中等评级数量/n，较差评级数量/n，较差评级数量/n)，n代表参与评级的专家的总数量。
10.如权利要求1所述的一种矿井沉陷区和巷道群建设抽水蓄能电站适宜性评估方法，其特征在于，
按照水源条件适宜性分区、地质条件适宜性分区、废弃矿井现状适宜性分区、安装设备参数适宜性分区及经济性适宜性分区的顺序作为行的顺序构建5行5列的整体适宜性矩阵，构建的整体适宜性矩阵如下：
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|---|---|
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