CN116201600B - 一种废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构及安置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构冲击缓冲结构及安置方法，属于储能技术领域。本发明通过冲击缓冲机构的设置，冲击缓冲机构可以相对于支撑结构进行滑动，水泵支撑平台受到的水流冲击力，会传递至冲击缓冲机构上，使冲击缓冲机构沿半球形凹槽的球面向上进行滑动，从而改变所受到的作用力的方向，从而实现缓冲效果；而且通过缓冲防水层的设置，在实现装置防水效果的同时，同样可以起到缓冲效果，防止高速下降的水流有可能通过冲击进入底部围岩中，影响地质的稳定性，从而降低水流的冲击力对围岩的破坏，有助于提高围岩的稳定性，保证废弃矿井地下空间的密闭性。
Description
技术领域
本发明属于储能技术领域，尤其涉及一种废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构及安置方法。
背景技术
我国关闭矿井数量庞大，关闭矿井造成地下空间体量巨大，初步统计现有可利用地下空间长约100万千米，体积可达156亿立方米左右。废弃矿井储水蓄能利用，不仅可以解决废弃矿井地下空间高效利用、生态环境修复、工人就地安置等问题，而且可以突破常规抽水蓄能电站的选址限制。
围岩稳定是废弃矿井地下空间用作抽水蓄能水库的前提和决定性因素，保证着地下空间密闭性。在抽水蓄能电站服务年限内，地下水库需要经受频繁充放水的影响，巷道的空间分布及转向、地下水库水沙过程等影响水库中水的运动和冲击力，会对围岩稳定性产生破坏。同时为了充分利用水的动力势能，实现最大化的能量收集，往往会在竖井中设置发电系统进行发电，如中国专利CN110017241A公开了一种煤田矿井水力发电与换热系统，采用防爆水力发电机代替煤田矿井中目前经常使用的减压阀，实现发电的目的。然而此时带来的冲击力更大，需要额外设计缓冲结构来提高围岩的稳定性，保证其密封性，若无法解决冲击问题，会导致能量的转化率太低。为此本申请提出一种冲击缓冲机构，以解决水流冲击力带来的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构及安置方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构，包括设置于废弃矿井底部的支撑结构，所述支撑结构的外侧设置有缓冲防水层，所述支撑结构顶部开设有半球形凹槽，所述半球形凹槽内滑动设置有两个对称设置的冲击缓冲机构，所述冲击缓冲机构与所述半球形凹槽相接触的面为球面；两个所述冲击缓冲机构相对的一侧底部设置有空腔，所述空腔内设置有减震器，所述减震器的两端分别与两个所述冲击缓冲机构铰接；两个所述冲击缓冲机构的顶面中部设置有水泵支撑平台，所述水泵支撑平台的顶端固定安装有水泵发电系统，所述水泵发电系统的两端分别连通有抽水蓄能水库、蓄水池，所述抽水蓄能水库为废弃矿井地下空间，所述蓄水池设置于地面上。
优选的，所述支撑结构为混凝土支撑结构，所述减震器为弹簧减震器。
优选的，所述冲击缓冲机构与所述水泵支撑平台之间设置有缓冲件，所述缓冲件的两端分别与所述水泵支撑平台、所述冲击缓冲机构铰接；所述缓冲件分布于所述水泵支撑平台底面的中部及四个拐角处，位于所述水泵支撑平台底面中部的所述缓冲件与所述冲击缓冲机构抵接。
优选的，所述缓冲件包括底板和顶板，所述底板的顶端固定安装有缸体，所述顶板的底端固定安装有活塞，所述活塞滑动安装在所述缸体内，所述活塞上沿周向开设有若干个过流孔；所述缸体的顶端固定安装有弹性波纹管，所述弹性波纹管的顶端与所述顶板的底端固定连接；所述缸体内设置有弹簧，所述弹簧的两端分别与所述底板、所述活塞固定连接，所述缸体内填充有液压油。
优选的，所述空腔内设置有分隔支撑板，所述分隔支撑板固定安装在所述半球形凹槽的内侧底部，所述减震器和所述冲击缓冲机构均对称设置在所述分隔支撑板的两侧，所述减震器与所述分隔支撑板铰接。
优选的，所述冲击缓冲机构包括结构本体，所述减震器铰接安装在所述结构本体上，所述结构本体的内部开设有若干个缓冲腔，相邻两所述缓冲腔之间通过连通管连通；所述缓冲腔内固定安装有若干个铰接轴，所述铰接轴上转动连接有挡板，若干个所述挡板分别与若干个所述连通管对应设置，所述挡板与所述缓冲腔的内壁间隙配合；所述铰接轴上套设有扭簧，所述扭簧的一端与所述挡板固定连接，所述扭簧的另一端与所述缓冲腔的腔壁固定连接；所述结构本体靠近所述水泵支撑平台的端面上开设有注水口，所述注水口与所述缓冲腔连通，所述注水口内可拆卸安装有封堵头，所述缓冲腔通过所述注水口进行注水，注水的体积占所述缓冲腔总体积的60％～80％。
优选的，所述支撑结构相对的两侧外壁上均安装有所述缓冲件，所述缓冲件的一端固定安装在围岩上，所述缓冲件的另一端与所述支撑结构外壁抵接；两个所述缓冲件沿水平方向设置，且两个所述缓冲件沿所述减震器的伸缩方向设置。
优选的，所述半球形凹槽的槽壁上固定安装有金属层，所述金属层靠近所述冲击缓冲机构的一面为光面。
一种废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构的安置方法，包括以下步骤：
S1、判断废弃矿井围岩的稳定性，若围岩的稳定性满足要求，在废弃矿井的竖井底部开挖基坑；
S2、基坑开挖完毕后，在基坑内依次进行缓冲防水层、混凝土支撑结构的施工，并在混凝土支撑结构的顶部预留半球形凹槽；
S3、将半球形凹槽的槽壁打磨光滑后，进行冲击缓冲机构的安装；
S4、在地面上利用弹簧减震器将两个冲击缓冲机构连接为一个整体，并整体吊装至半球形凹槽内，并调整至冲击缓冲机构的顶面水平；
S5、将水泵支撑平台、水泵发电系统依次安装到冲击缓冲机构的顶面中部。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明提供的废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构，通过冲击缓冲机构的设置，冲击缓冲机构可以相对于支撑结构进行滑动，水泵支撑平台受到的水流冲击力，会传递至冲击缓冲机构上，使冲击缓冲机构沿半球形凹槽的球面向上进行滑动，从而改变所受到的作用力的方向，从而实现缓冲效果；而且通过缓冲防水层的设置，在实现装置防水效果的同时，同样可以起到缓冲效果，防止高速下降的水流有可能通过冲击进入底部围岩中，影响地质的稳定性，从而降低水流的冲击力对围岩的破坏，有助于提高围岩的稳定性，保证废弃矿井地下空间的密闭性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构的结构示意图；
图2为本发明废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构的另一种结构示意图；
图3为本发明废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构的另一种结构示意图；
图4为图3中A的局部放大图；
图5为本发明缓冲件的结构示意图；
其中，1、支撑结构；2、缓冲防水层；3、半球形凹槽；4、冲击缓冲机构；5、减震器；6、水泵支撑平台；7、水泵发电系统；8、抽水蓄能水库；9、蓄水池；10、缓冲件；11、底板；12、顶板；13、缸体；14、活塞；15、弹性波纹管；16、弹簧；17、分隔支撑板；18、结构本体；19、缓冲腔；20、连通管；21、铰接轴；22、挡板；23、注水口；24、封堵头；25、金属层。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供一种废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构，包括设置于废弃矿井底部的支撑结构1，支撑结构1为混凝土支撑结构，支撑结构1的外侧设置有缓冲防水层2，支撑结构1顶部开设有半球形凹槽3，半球形凹槽3内滑动设置有两个对称设置的冲击缓冲机构4，冲击缓冲机构4与半球形凹槽3相接触的面为球面；两个冲击缓冲机构4相对的一侧底部设置有空腔，空腔内设置有减震器5，减震器5为弹簧减震器，减震器5的两端分别与两个冲击缓冲机构4铰接；两个冲击缓冲机构4的顶面中部设置有水泵支撑平台6，水泵支撑平台6的顶端固定安装有水泵发电系统7，水泵发电系统7的两端分别连通有抽水蓄能水库8、蓄水池9，抽水蓄能水库8为废弃矿井地下空间，蓄水池9设置于地面上。
在初始状态下，由于冲击缓冲机构4上侧的质量大，整体呈现下压状态，弹簧减震器呈现压缩变形的状态。在抽水蓄能水库8进行充水的过程中，当水流的冲击力过大时，水泵支撑平台6向下移动，促使两个冲击缓冲机构4沿着混凝土支撑结构的球面进行向上方向的移动，同时，弹簧减震器由受压状态转变为受拉状态，因此，弹簧减震器会吸收一部分水流冲击带来的能量，从而降低水流的冲击力。同时，因冲击缓冲机构4沿着混凝土支撑结构的球面向上方向的移动，从而使向下的冲击力被转变为沿着冲击缓冲机构4轴向的力以及沿着球面切向方向的切向力，从而大大减弱了水流的冲击力。当充水过程结束后，冲击缓冲机构4在重力的作用下，慢慢沿着球面下移从而再次回到初始位置，起到延迟释放水流冲击能量的效果，直至弹簧减震器也恢复到初始的受压状态。
如图2所示，为实现水泵支撑平台6作用在冲击缓冲机构4上的作用力进行缓冲，从而降低水流冲击力，冲击缓冲机构4与水泵支撑平台6之间设置有缓冲件10，缓冲件10的两端分别与水泵支撑平台6、冲击缓冲机构4铰接；缓冲件10分布于水泵支撑平台6底面的中部及四个拐角处，位于水泵支撑平台6底面中部的缓冲件10与冲击缓冲机构4抵接；缓冲件10包括底板11和顶板12，底板11的顶端固定安装有缸体13，顶板12的底端固定安装有活塞14，活塞14滑动安装在缸体13内，活塞14上沿周向开设有若干个过流孔；缸体13的顶端固定安装有弹性波纹管15，弹性波纹管15的顶端与顶板12的底端固定连接；缸体13内设置有弹簧16，弹簧16的两端分别与底板11、活塞14固定连接，缸体13内填充有液压油。
当水泵支撑平台6在水流冲击力的作用下向下移动时，顶板12上的活塞14沿缸体13向下移动，对弹簧16进行压缩的同时，迫使缸体13内的液压油由活塞14上的过滤孔流动至活塞14的上方，且通过弹性波纹管15的设置，在满足活塞14能够向下移动的同时，避免液压油泄露，从而将水流冲击力转变为内能消耗掉，并且在水流的波动下，活塞14在弹簧16的作用下也会进行上下起伏，从而使缓冲件10能够持续的对作用在水泵支撑平台6上的冲击力进行缓冲。在水泵支撑平台6不在受到水流冲击力的作用后，活塞14在弹簧16的作用下恢复至原位。
进一步的，为避免冲击缓冲机构4在半球形凹槽3内发生水平转动，影响水泵发电系统7的工作，在空腔内设置有分隔支撑板17，分隔支撑板17固定安装在半球形凹槽3的内侧底部，减震器5和冲击缓冲机构4均对称设置在分隔支撑板17的两侧，减震器5与分隔支撑板17铰接。利用分隔支撑板17对两个冲击缓冲机构4进行定位，限定冲击缓冲机构4的移动方向，同时，还可以保证两个冲击缓冲机构4向两侧移动的距离不会出现太大的偏差，从而保证水泵支撑平台6的稳定性。
如图3所示，为提高冲击缓冲机构4的缓冲效果，冲击缓冲机构4包括结构本体18，减震器5铰接安装在结构本体18上，结构本体18的内部开设有若干个缓冲腔19，相邻两缓冲腔19之间通过连通管20连通；缓冲腔19内固定安装有若干个铰接轴21，铰接轴21上转动连接有挡板22，若干个挡板22分别与若干个连通管20对应设置，挡板22与缓冲腔19的内壁间隙配合；铰接轴21上套设有扭簧，扭簧的一端与挡板22固定连接，扭簧的另一端与缓冲腔19的腔壁固定连接；结构本体18靠近水泵支撑平台6的端面上开设有注水口23，注水口23与缓冲腔19连通，注水口23内可拆卸安装有封堵头24，缓冲腔19通过注水口23进行注水，注水的体积占缓冲腔19总体积的60％～80％。
冲击缓冲机构4在水流的冲击力作用下发生移动时，缓冲腔19内的水在挡板22的作用下会先随结构本体18向上移，然后在重力作用下使各个缓冲腔19中的水面齐平，在此过程中，作用在冲击缓冲机构4上的作用力，有一部分的能量会转变为水的势能，从而实现减弱水流冲击力的效果。而且通过挡板22与连通管20对应设置，可以加快各个缓冲腔19中的水面齐平，进一步提高冲击缓冲机构4的缓冲效果。
进一步的，为实现对冲击缓冲机构4受到的轴向力进行缓冲，在支撑结构1相对的两侧外壁上均安装有缓冲件10，缓冲件10的一端固定安装在围岩上，缓冲件10的另一端与支撑结构1外壁抵接；两个缓冲件10沿水平方向设置，且两个缓冲件10沿减震器5的伸缩方向设置。
进一步的，为减小冲击缓冲机构4与支撑结构1之间的摩擦力，从而提高冲击缓冲机构4的缓冲效果，在半球形凹槽3的槽壁上固定安装有金属层25，金属层25靠近冲击缓冲机构4的一面为光面。
一种废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构的安置方法，包括以下步骤：
S1、判断废弃矿井围岩的稳定性，若围岩的稳定性满足要求，在废弃矿井的竖井底部开挖基坑；
S2、基坑开挖完毕后，在基坑内依次进行缓冲防水层2、混凝土支撑结构的施工，并在混凝土支撑结构的顶部预留半球形凹槽3；
S3、将半球形凹槽3的槽壁打磨光滑后，进行冲击缓冲机构4的安装；
S4、在地面上利用弹簧减震器将两个冲击缓冲机构4连接为一个整体，并整体吊装至半球形凹槽3内，并调整至冲击缓冲机构4的顶面水平；
S5、将水泵支撑平台6、水泵发电系统7依次安装到冲击缓冲机构4的顶面中部。
本发明提供的废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构，通过冲击缓冲机构4的设置，冲击缓冲机构4可以相对于支撑结构1进行滑动，水泵支撑平台6受到的水流冲击力，会传递至冲击缓冲机构4上，使冲击缓冲机构4沿半球形凹槽3的球面向上进行滑动，从而改变所受到的作用力的方向，从而实现缓冲效果；而且通过缓冲防水层2的设置，在实现装置防水效果的同时，同样可以起到缓冲效果，防止高速下降的水流有可能通过冲击进入底部围岩中，影响地质的稳定性，从而降低水流的冲击力对围岩的破坏，有助于提高围岩的稳定性，保证废弃矿井地下空间的密闭性。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构，其特征在于，包括设置于废弃矿井底部的支撑结构(1)，所述支撑结构(1)的外侧设置有缓冲防水层(2)，所述支撑结构(1)顶部开设有半球形凹槽(3)，所述半球形凹槽(3)内滑动设置有两个对称设置的冲击缓冲机构(4)，所述冲击缓冲机构(4)与所述半球形凹槽(3)相接触的面为球面；两个所述冲击缓冲机构(4)相对的一侧底部设置有空腔，所述空腔内设置有减震器(5)，所述减震器(5)的两端分别与两个所述冲击缓冲机构(4)铰接；两个所述冲击缓冲机构(4)的顶面中部设置有水泵支撑平台(6)，所述水泵支撑平台(6)的顶端固定安装有水泵发电系统(7)，所述水泵发电系统(7)的两端分别连通有抽水蓄能水库(8)、蓄水池(9)，所述抽水蓄能水库(8)为废弃矿井地下空间，所述蓄水池(9)设置于地面上；
所述冲击缓冲机构(4)包括结构本体(18)，所述减震器(5)铰接安装在所述结构本体(18)上，所述结构本体(18)的内部开设有若干个缓冲腔(19)，相邻两所述缓冲腔(19)之间通过连通管(20)连通；所述缓冲腔(19)内固定安装有若干个铰接轴(21)，所述铰接轴(21)上转动连接有挡板(22)，若干个所述挡板(22)分别与若干个所述连通管(20)对应设置，所述挡板(22)与所述缓冲腔(19)的内壁间隙配合；所述铰接轴(21)上套设有扭簧，所述扭簧的一端与所述挡板(22)固定连接，所述扭簧的另一端与所述缓冲腔(19)的腔壁固定连接；所述结构本体(18)靠近所述水泵支撑平台(6)的端面上开设有注水口(23)，所述注水口(23)与所述缓冲腔(19)连通，所述注水口(23)内可拆卸安装有封堵头(24)，所述缓冲腔(19)通过所述注水口(23)进行注水，注水的体积占所述缓冲腔(19)总体积的60％～80％。
2.根据权利要求1所述的废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构，其特征在于，所述支撑结构(1)为混凝土支撑结构，所述减震器(5)为弹簧减震器。
3.根据权利要求1所述的废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构，其特征在于，所述冲击缓冲机构(4)与所述水泵支撑平台(6)之间设置有缓冲件(10)，所述缓冲件(10)的两端分别与所述水泵支撑平台(6)、所述冲击缓冲机构(4)铰接；所述缓冲件(10)分布于所述水泵支撑平台(6)底面的中部及四个拐角处，位于所述水泵支撑平台(6)底面中部的所述缓冲件(10)与所述冲击缓冲机构(4)抵接。
4.根据权利要求3所述的废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构，其特征在于，所述缓冲件(10)包括底板(11)和顶板(12)，所述底板(11)的顶端固定安装有缸体(13)，所述顶板(12)的底端固定安装有活塞(14)，所述活塞(14)滑动安装在所述缸体(13)内，所述活塞(14)上沿周向开设有若干个过流孔；所述缸体(13)的顶端固定安装有弹性波纹管(15)，所述弹性波纹管(15)的顶端与所述顶板(12)的底端固定连接；所述缸体(13)内设置有弹簧(16)，所述弹簧(16)的两端分别与所述底板(11)、所述活塞(14)固定连接，所述缸体(13)内填充有液压油。
5.根据权利要求1所述的废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构，其特征在于，所述空腔内设置有分隔支撑板(17)，所述分隔支撑板(17)固定安装在所述半球形凹槽(3)的内侧底部，所述减震器(5)和所述冲击缓冲机构(4)均对称设置在所述分隔支撑板(17)的两侧，所述减震器(5)与所述分隔支撑板(17)铰接。
6.根据权利要求3所述的废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构，其特征在于，所述支撑结构(1)相对的两侧外壁上均安装有所述缓冲件(10)，所述缓冲件(10)的一端固定安装在围岩上，所述缓冲件(10)的另一端与所述支撑结构(1)外壁抵接；两个所述缓冲件(10)沿水平方向设置，且两个所述缓冲件(10)沿所述减震器(5)的伸缩方向设置。
7.根据权利要求1所述的废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构，其特征在于，所述半球形凹槽(3)的槽壁上固定安装有金属层(25)，所述金属层(25)靠近所述冲击缓冲机构(4)的一面为光面。
8.根据权利要求1-7任一项所述的废弃矿井抽水蓄能冲击缓冲结构的安置方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、判断废弃矿井围岩的稳定性，若围岩的稳定性满足要求，在废弃矿井的竖井底部开挖基坑；
S2、基坑开挖完毕后，在基坑内依次进行缓冲防水层(2)、混凝土支撑结构的施工，并在混凝土支撑结构的顶部预留半球形凹槽(3)；
S3、将半球形凹槽(3)的槽壁打磨光滑后，进行冲击缓冲机构(4)的安装；
S4、在地面上利用弹簧减震器将两个冲击缓冲机构(4)连接为一个整体，并整体吊装至半球形凹槽(3)内，并调整至冲击缓冲机构(4)的顶面水平；
S5、将水泵支撑平台(6)、水泵发电系统(7)依次安装到冲击缓冲机构(4)的顶面中部。
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