智能化和无人化是废弃矿井抽水蓄能电站的未来

据预测，2020年中国关闭矿井数量达到1.2万处，2030年将到达1.5万处。关闭矿井中赋存大量可利用资源，直接关闭或废弃不仅会造成资源的巨大浪费，还可能引发安全事故、环境污染及系列社会问题。

　　本文分析了电站建设的总体改造方案，指出了电站建立的必要性、可行性和战略意义；结合现有的工程机械装备，论述了电站基础建设装备群的构成及其应用场景；针对电站的具体施工与运维过程，总结了相关技术难题，并给出了相应的解决方案。

　　袁亮、姜耀东等多次建言“政府应尽快制定废弃矿井资源开发利用中长期规划，健全废弃矿井能源资源治理机制”。

　　谢和平等多次强调了煤矿井下抽水蓄能发电技术的重要性，为未来关停矿井资源化利用、立体式开发和全面转型升级提供解决思路。

　　国外针对煤矿井下抽水蓄能电站的研究起步较早，少数国家已进入应用阶段，可见借助废弃矿井开展抽水蓄能电站建设在技术和经济上都是可行的。

　　目前国内相关研究较少，主要处于概念设计阶段，缺少施工建设经验。为加快中国煤矿抽水蓄能电站基础研究与应用进程，迫切需要开展基础建设装备及施工方法研究。

　　煤矿井下抽水蓄能电站基本原理

　　煤矿井下抽水蓄能电站主要是通过水体位势能、电能和机械能间的能量转换，在用电低谷时借助电网过剩电力将水从下水库抽至上水库，在用电高峰时放水发电。

　　Prosper-Haniel抽水蓄能电站示意

　　利用废弃矿井建设抽水蓄能电站主要是对煤矿已有设施进行改造和扩建，在地表建造控制楼、升压开关站、上水库，地下构造上下水库、输水系统、地下厂房及辅助洞室等。

　　电站工作原理

　　煤矿抽水蓄能电站分为2种：半地下式，以地表露天矿坑或沉陷区为上水库，地下巷道或预留煤柱采空区作为地下厂房和下水库；全地下式，由地下不同高度差的地下巷道或预留煤柱的采空区作为上下水库和地下厂房。

　　通过废弃矿井已有构造改建抽水蓄能电站，相对于传统抽水蓄能电站具有天然高程大、引水输水管道短、无库区人口移民成本、电站选址难度小等特点，可与现有常规抽水蓄能电站优势互补，具有重要应用前景。

　　基础建设装备需求

　　废弃矿井抽水蓄能电站建设均在现有设施基础上改建，尽量避免大规模开挖建造。

　　掘扩支护装备中，竖井全液压凿岩伞钻可对已有竖井扩建成引水、输水隧洞及调压井；顶管机可用于部分废弃矿井地下小型通道开挖；全断面硬岩隧道掘进机（TBM）、掘进机主要用于巷道、隧道、压力管道等的掘支护一体化作业。

　　掘扩支护装备

　　支锚护平台与掘进机组合构成了快速掘进系统，适用于煤巷和半煤岩巷以及软岩巷道掘进；锚杆锚索钻车、钻机等适用于煤矿巷道支护锚固作业以及地质勘探孔、抽放瓦斯孔、探放水孔及注水孔等钻孔作业。

　　土方作业装备中，巷道修复机具备挖掘毛水沟、卧底、破岩、清理、平整巷道及小型配件吊装等多种功能；配备破碎锤、锚杆机及锚杆切断器，可完成破岩、钻锚杆孔、锚杆（索）切割作业以及部分断面排险、清沟等工作。

　　土方作业装备

　　混凝土作业装备中，混凝土湿喷台车可满足长大隧道混凝土喷射；混凝土摊铺机集混凝土摊铺、布料、振实、提浆、找平、整平等功能为一体，与混凝土搅拌运输机协作可高效完成井下摊铺整平作业。

　　铲运装备中，铲运机集铲、装、运、卸于一体，适用于回采出矿和巷道掘进出渣，以及道路修筑平整、材料运输等辅助作业。

　　辅助机械装备

　　地下厂房配有大型水泵水轮机、大型球阀或蝶阀及其他配套重型装备，主厂房需配备双梁桥式起重机。

　　煤矿井下地下空间错综复杂，部分地下空间稳定性差，且存在瓦斯等易燃易爆气体，空间有限，环境恶劣，作业难度大，研发应用智能机器人可降低安全风险、提高生产效率、减轻人员劳动强度。

　　智能机器人装备

　　智能机器人装备涉及支护、巡检、运维、抢险及喷涂作业等方面，其中临时支护机器人适用于复杂、危险地下空间的围岩支护作业；两栖运维机器人可完成地下水系巡检及运维作业；巡检机器人可完成室内管路、水泵房和配电房等项目检测；管道巡检机器人具备气体测定、管壁检测、缺陷定位、清淤、除垢等功能。

　　小型混凝土喷涂机器人主要用于狭小空间及危险区域喷涂自动化作业。

　　存在的技术问题及解决办法

　　中国废弃矿井抽水蓄能电站研究起步晚，基础理论研究薄弱，关键技术不够成熟，且煤矿地质条件复杂，抽水作业过程交变应力-冲击应力-热应力影响大，亟需开展相关问题分析与对策研究，以预估在施工及运维过程中可能遇到的技术难题。

　　如何加强输水系统密闭、防止内渗、消除湍流冲击是输水系统首要解决的难题。

　　拟采用拼接方式安装内部高压管道，在管道外层安装柔性塑料保护套，管道外部与岩层之间采用护网支护，并使用钢筋混凝土加固；管道内部采用表面强化处理，以增强其硬度和强度。

　　同时在发电室周围设置保护层，其内部充满可控压力静压水介质，以耗散发电室周边高压冲击，实现输水系统柔性加固；管道内部可设置移动拦污栅，清理水道杂物。

　　此外可考虑开发专用施工作业装备。

　　废弃矿井地下巷道错综复杂、高低不平，多巷道交接的局部区域会产生涡流，对巷道内壁产生间断水锤作用，进而威胁整个输水系统稳定性。

　　在多巷道交接处应设置引流和节流装置，且对偏深巷道还应设置专门水泵、引流和导流装置。

　　可开发相应引流装置，安装在多巷道的交接处，根据水流方向调整导流片方向，实现巷道间引流。

　　在发电机周边安装容积较大格栅节流装置，降低湍流强度，维持抽水稳定，保障水泵水轮机安全。

　　此外可据流固耦合及寿命评估模型，结合疲劳损伤评估算法，进行数值分析，确保输水系统稳定及引流便捷。

　　大空间地下厂房设计和施工将是废弃矿井抽水蓄能电站工程的难点之一。

　　地下厂房及辅助洞室不仅受围岩压力，还受水道振动冲击，且发电机室周壁也承受较大冲击应力，可产生汽蚀和水锤效应，直接影响电站效率和安全性。

　　同时发电装备和一些检测设备将也将承受地下水和输水系统慢渗透及水流冲击，为确保相关装备安全和可靠运行，亟需对地下厂房及周边洞室进行防渗和加固。

　　地下厂房布置应充分发挥围岩条件，优化结构，并对地下厂房周边巷道、采空区围岩破碎面的裂隙注浆加固，必要时进行二次衬砌；部分薄弱区域应采用钢板衬砌或混凝土+锚杆的柔性支护方案；为提高作业效率应开发专用砌衬及锚护装备。

　　此外，还应根据水文地质条件进行渗流分析，估算厂房最大渗水量及地下水位线，做好厂房通风、防潮、防火及防淹预案；并针对围岩收敛、拱顶下沉、围岩位移和松弛范围、锚杆和锚索应力、围岩内部温度及地下水渗流等环境工况实时监测工作。

　　中国矿井深度较深，地下水积水增加了地下厂房的改造、施工和维护难度，积水还会对洞顶和洞壁围岩长期侵蚀，进而对厂房系统安全造成威胁，且积水还会导致环境潮湿，不利于人员身体健康和电力设备安全可靠运行。

　　厂房地下水抽排措施包括2种方法：直接方法为在厂房设计时使发电机房高程大于周围天然地下水浸润线在洞壁溢出点高程，确保厂房大部分洞壁处于干燥环境；间接方法为在厂房四周设置垂直排水孔幕，由排水孔幕收集渗水至排水幕廊道抽排，且部分抽排系统汇集的渗水可作为机组冷却水和生活用水，实现废水再利用。

　　为确保输送过程快捷、安全，除借助煤矿副井扩建成交通井外，还应针对煤矿井下特种工况及输送装备的特点设计专门的输送装备工具，方便后续施工、维修及装备更换。

　　为确保下井人员的安全，可设计用于矿井升降输送的胶囊运输舱，具有承载能力高、密封性能好、升降平稳、安全可靠的特点，并具有防爆性能；到达井下后，人员乘坐专用运输车到达指定作业区域。

　　大型装备主要通过升降设备由交通洞进入地下，并设计匹配的成套运输、吊装、转载及拆装设备，借助单轨吊或者地面轨道实现运输、拆装、更换一体化作业。

　　结论

　　从已有条件看，借助废弃矿井开展抽水蓄能电站建设不仅在环境治理、煤矿转型、矿业人口安置等方面具有重要社会意义，而且在技术和经济层面上也具有很强的可行性，可见煤矿废弃矿井抽水蓄能电站具有很好的发展前景。

　　针对基础建设装备匮乏的难题，建议首批电站的建设施工应优先选用已有的成熟的工程机械装备，以减少成本、降低难度；而在一些特种施工场合应选择性地研发专用配套作业装备，以提高效率、确保安全。

　　随首批电站建成后，施工工艺及流程逐渐规范成熟，届时应重点逐步完善专用施工装备体系，以期最终在各环节均实现智能化和无人化。

　　未来煤矿抽水蓄能电站应重点关注其在输水系统、地下厂房、节流和引流、人员设备运输及厂房积水抽排等方面存在的技术问题，并结合所提出的对策和预案，有针对性地做好前期预研工作，从而为中国未来煤矿井下抽水蓄能电站特种装备的前瞻性研究奠定基础，进而缩短电站建设周期，加速中国首座煤矿抽水蓄能电站的落地建成和生产运营。

本文作者：何涛，王传礼，高博，陈凡，王伟俊，赵凯平

　　作者简介：何涛，安徽理工大学机械工程学院、安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室、安徽理工大学安徽省智能矿山技术与装备工程实验室、教育部矿山智能技术与装备省部共建协同创新中心，博士，研究方向为矿山智能装备与机器人；王传礼（通信作者），安徽理工大学机械工程学院、安徽理工大学安徽省智能矿山技术与装备工程实验室、教育部矿山智能技术与装备省部共建协同创新中心，教授，研究方向为矿山流动传动与控制。

　　论文全文发表于《科技导报》2021年第13期，原标题为《废弃矿井抽水蓄能电站基础建设装备关键问题及对策》，本文有删减，欢迎订阅查看。

　　来源：科技导报