一种利用井下采空区、硐室进行抽水蓄能发电的系统及发电方法与流程

本发明涉及一种利用井下采空区、硐室进行抽水蓄能发电的系统及发电方法，属于矿业和能源工程技术领域。

背景技术：

地下开采是矿产资源开发的主要方式。我国现阶段空场法、崩落法和充填法的比重分别为59.2%、33.0%和5.8%，其中有色矿山三大类采矿方法使用比重分别是55.5%、33.1%和11.4%。空场法中，留矿法的比重占66.7%，而且保持稳定。由于空场法的大量使用，在井下存在有大量采空区。据有关部门保守估算，我国矿山采空区体积累计超过250亿m³。地下采空区对人们的危害主要有两种方式：一个是采空区顶板大面积冒落，造成地表沉陷和开裂，导致人员伤亡；另一个是采空区突然垮塌产生的高速气浪和冲击波，造成人员伤亡和设备破坏。

在中国未来能源需求结构预测中，可再生清洁能源的比例逐步提高，到2050年几乎占到能源总需求的一半。其中风能和太阳能的增速最为明显。但是水能、太阳能和风能受季节地点气候等因素的影响具有随机性、间歇性和波动性的特点，不能维持稳定的常量供给，导致弃能现象严重，仅2015年云南省弃水、弃风、弃光电量就达到153亿千瓦时。由于其发电稳定性和连续性较差，这就给风电并网后电力系统实时平衡、电网安全稳定运行带来巨大挑战。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用井下采空区、硐室进行抽水蓄能发电的系统及发电方法，本发明利用采矿形成的巷道与采空区、废弃硐室来蓄水，利用盈余的不稳定清洁能源在供电低峰时将水提升至高位蓄水硐室，在供电高峰时利用高位蓄水硐室水的势能实现储能发电，使这种随机性、间歇性和波动性强的清洁能源能够实现稳定、常量的供给，提高其利用效率。

一种利用井下采空区和硐室进行抽水蓄能发电的系统，包括地表井塔14、竖井15、地表输电线35、地表输电站36、输电线路34、发电硐室29、上位蓄水空间和下位蓄水空间，竖井15位于地表井塔14的下方，发电硐室29位于竖井15的底端，竖井15通过连接巷道ⅲ27与发电硐室29连通，发电硐室29内设置有输水管道ⅱ13、输水管道ⅲ28、输水管道ⅳ、输水管道ⅴ32、输水管道ⅵ38、水轮发电机30和水泵31，水轮发电机30的水轮机设置在输水管道ⅲ28内，水泵31设置在输水管道ⅴ32上，上位蓄水空间位于竖井15的上部，上位蓄水空间通过输水管道ⅰ12与发电硐室29的输水管道ⅱ13的进水端连通，输水管道ⅱ13的出水端分别与输水管道ⅲ28和输水管道ⅴ32连通，输水管道ⅲ28的出水端与输水管道ⅳ的进水端连通，输水管道ⅴ32的出水端与输水管道ⅵ38的进水端连通，输水管道ⅳ的出水端和输水管道ⅵ38的出水端均通过输水管道ⅶ33与下位蓄水空间连通；下位蓄水空间位于竖井15的底部，输水管道ⅰ12的进水端设置有阀门ⅰ42，输水管道ⅲ28上设置有阀门ⅱ41，输水管道ⅴ32上设置有阀门ⅲ40、输水管道ⅵ38上设置有阀门ⅳ39；

上位蓄水空间包括上位硐室ⅰ1、上位采空区ⅰ2、上位采空区ⅱ3、上位采空区ⅲ4、上位采空区ⅳ5、上位巷道ⅰ6、上位巷道ⅱ7、上位巷道ⅲ8，上位平巷9，上位硐室ⅰ1、上位采空区ⅰ2、上位采空区ⅱ3、上位采空区ⅲ4、上位采空区ⅳ5分别通过连接巷道ⅰ11与上位平巷9连通，上位巷道ⅰ6、上位巷道ⅱ7、上位巷道ⅲ8分别与上位平巷9连通，上位平巷9与输水管道ⅰ的顶端连通；

下位蓄水空间包括下位巷道ⅰ16、下位巷道ⅱ17、下位巷道ⅲ18、下位采空区ⅰ19、下位采空区ⅱ20、下位采空区ⅲ21、下位采空区ⅳ22、下位硐室23，下位平巷24，下位巷道ⅰ16、下位巷道ⅱ17、下位巷道ⅲ18分别与下位平巷24连通，下位采空区ⅰ19、下位采空区ⅱ20、下位采空区ⅲ21、下位采空区ⅳ22、下位硐室23分别通过连接巷道ⅱ25与下位平巷24连通，下位平巷24与输水管道ⅶ连通；

输电线路34设置在竖井15内，水轮发电机的电力输送端和水泵均依次通过输电线路34、地表输电线35与地表输电站36电连接，地表输电站36通过输送电缆37与电网电连接。

所述输电线路34包括发电机输电线缆ⅰ和水泵供电线缆ⅰ，地表输电线35包括发电机输电线缆ⅱ和水泵供电线缆ⅱ；水轮发电机的电力输送端依次通过发电机输电线缆ⅰ、发电机输电线缆ⅱ与地表输电站36电连接，水泵依次通过水泵供电线缆ⅰ、水泵供电线缆ⅱ与地表输电站36电连接。

所述上位平巷9与竖井15的交接处设置有封闭墙ⅰ10，下位平巷24与竖井15的交接处设置有封闭墙ⅱ26；封闭墙ⅰ10可避免上位蓄水空间内的水灌入竖井内，封闭墙ⅱ26可避免下位蓄水空间内的水灌入竖井内。

所述竖井15通过连接巷道ⅲ27与发电硐室29连通，便于人员材料运输。

本发明利用井下采空区和硐室进行抽水蓄能发电的系统进行发电的方法，具体步骤为：

（1）通过竖井将水通过输水管道ⅲ、输水管道ⅳ、输水管道ⅶ和下位平巷引入到下位蓄水空间的下位巷道ⅰ、下位巷道ⅱ、下位巷道ⅲ、下位采空区ⅰ、下位采空区ⅱ、下位采空区ⅲ、下位采空区ⅳ和下位硐室中进行储存；

（2）用电低峰期，关闭输水管道ⅰ上的阀门ⅰ和输水管道ⅲ上设置有阀门ⅱ，打开输水管道ⅴ上设置有阀门ⅲ和输水管道ⅵ上设置有阀门ⅳ，电网余电依次通过输送电缆、地表输电站、地表输电线和输电线路输送给水泵，下位蓄水空间的下位巷道ⅰ、下位巷道ⅱ、下位巷道ⅲ、下位采空区ⅰ、下位采空区ⅱ、下位采空区ⅲ、下位采空区ⅳ和下位硐室中储存的水在水泵的作用下依次通过输水管道ⅶ、输水管道ⅵ、输水管道ⅴ、输水管道ⅱ、输水管道ⅰ抽至上位蓄水空间的上位硐室ⅰ、上位采空区ⅰ、上位采空区ⅱ、上位采空区ⅲ、上位采空区ⅳ、上位巷道ⅰ、上位巷道ⅱ和上位巷道ⅲ中进行储存；

（3）用电高峰期，打开输水管道ⅰ上的阀门ⅰ和输水管道ⅲ上设置有阀门ⅱ，关闭输水管道ⅴ上设置有阀门ⅲ和输水管道ⅵ上设置有阀门ⅳ，上位蓄水空间的上位硐室ⅰ、上位采空区ⅰ、上位采空区ⅱ、上位采空区ⅲ、上位采空区ⅳ、上位巷道ⅰ、上位巷道ⅱ和上位巷道ⅲ中的水经输水管道ⅰ流入发电硐室内的输水管道ⅱ和输水管道ⅲ中，输水管道ⅲ内的水流推动水轮机旋转带动发电机发电，水流再依次通过输水管道ⅳ、输水管道ⅶ进入下位蓄水空间的下位巷道ⅰ、下位巷道ⅱ、下位巷道ⅲ、下位采空区ⅰ、下位采空区ⅱ、下位采空区ⅲ、下位采空区ⅳ和下位硐室中储存；发电机所发的电能依次通过输电线路、地表输电线输送至地表输电站，地表输电站再通过输送电缆并入电网。

本发明的有益效果是：

（1）本发明利用地下金属矿山不同高差位置的采空区、废旧硐室、巷道作为蓄水空间，在用电低峰时利用外界电网富余（废弃）电能将下位采空区中水抽至上位采空区中进行蓄水，用电高峰时将上位采空区水放至下位采空区进行发电，补充外界电网缺口；

（2）本发明在利用矿山地下废弃空间及废弃清洁能源的同时，确保了清洁能源的稳定、常量供给，具有工序简单、安全可靠的特点。

附图说明

图1为利用井下采空区和硐室进行抽水蓄能发电的系统的示意图；

图2为发电硐室的结构示意图；

其中：1-上位硐室ⅰ；2-上位采空区ⅰ；3-上位采空区ⅱ；4-上位采空区ⅲ；5-上位采空区ⅳ；6-上位巷道ⅰ；7-上位巷道ⅱ；8-上位巷道ⅲ；9-上位平巷；10-封闭墙ⅰ；11-连接巷道ⅰ；12-输水管道ⅰ；13-输水管道ⅱ；14-地表井塔；15-竖井；16-下位巷道ⅰ；17-下位巷道ⅱ；18-下位巷道ⅲ；19-下位采空区ⅰ；20-下位采空区ⅱ；21-下位采空区ⅲ；22-下位采空区ⅳ；23-下位硐室；24-下位平巷；25-连接巷道ⅱ；26-封闭墙ⅱ；27-连接巷道ⅲ；28-输水管道ⅲ；29-发电硐室；30-水轮发电机；31-水泵；32-输水管道ⅴ；33-输水管道ⅶ；34-输电线路；35-地表输电线；36-地表输电站；37-输送电缆；38-输水管道ⅵ；39-阀门ⅳ；40-阀门ⅲ；41-阀门ⅱ；42-阀门ⅰ。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1和图2所示，一种利用井下采空区和硐室进行抽水蓄能发电的系统，包括地表井塔14、竖井15、地表输电线35、地表输电站36、输电线路34、发电硐室29、上位蓄水空间和下位蓄水空间，竖井15位于地表井塔14的下方，发电硐室29位于竖井15的底端，竖井15通过连接巷道ⅲ27与发电硐室29连通，发电硐室29内设置有输水管道ⅱ13、输水管道ⅲ28、输水管道ⅳ、输水管道ⅴ32、输水管道ⅵ38、水轮发电机30和水泵31，水轮发电机30的水轮机设置在输水管道ⅲ28内，水泵31设置在输水管道ⅴ32上，上位蓄水空间位于竖井15的上部，上位蓄水空间通过输水管道ⅰ12与发电硐室29的输水管道ⅱ13的进水端连通，输水管道ⅱ13的出水端分别与输水管道ⅲ28和输水管道ⅴ32连通，输水管道ⅲ28的出水端与输水管道ⅳ的进水端连通，输水管道ⅴ32的出水端与输水管道ⅵ38的进水端连通，输水管道ⅳ的出水端和输水管道ⅵ38的出水端均通过输水管道ⅶ33与下位蓄水空间连通；下位蓄水空间位于竖井15的底部，输水管道ⅰ12的进水端设置有阀门ⅰ42，输水管道ⅲ28上设置有阀门ⅱ41，输水管道ⅴ32上设置有阀门ⅲ40、输水管道ⅵ38上设置有阀门ⅳ39；

上位蓄水空间包括上位硐室ⅰ1、上位采空区ⅰ2、上位采空区ⅱ3、上位采空区ⅲ4、上位采空区ⅳ5、上位巷道ⅰ6、上位巷道ⅱ7、上位巷道ⅲ8，上位平巷9，上位硐室ⅰ1、上位采空区ⅰ2、上位采空区ⅱ3、上位采空区ⅲ4、上位采空区ⅳ5分别通过连接巷道ⅰ11与上位平巷9连通，上位巷道ⅰ6、上位巷道ⅱ7、上位巷道ⅲ8分别与上位平巷9连通，上位平巷9与输水管道ⅰ的顶端连通；

下位蓄水空间包括下位巷道ⅰ16、下位巷道ⅱ17、下位巷道ⅲ18、下位采空区ⅰ19、下位采空区ⅱ20、下位采空区ⅲ21、下位采空区ⅳ22、下位硐室23，下位平巷24，下位巷道ⅰ16、下位巷道ⅱ17、下位巷道ⅲ18分别与下位平巷24连通，下位采空区ⅰ19、下位采空区ⅱ20、下位采空区ⅲ21、下位采空区ⅳ22、下位硐室23分别通过连接巷道ⅱ25与下位平巷24连通，下位平巷24与输水管道ⅶ连通；

输电线路34设置在竖井15内，水轮发电机的电力输送端和水泵均依次通过输电线路34、地表输电线35与地表输电站36电连接，地表输电站36通过输送电缆37与电网电连接。

实施例2：如图1和图2所示，一种利用井下采空区和硐室进行抽水蓄能发电的系统，包括地表井塔14、竖井15、地表输电线35、地表输电站36、输电线路34、发电硐室29、上位蓄水空间和下位蓄水空间，竖井15位于地表井塔14的下方，发电硐室29位于竖井15的底端，竖井15通过连接巷道ⅲ27与发电硐室29连通，发电硐室29内设置有输水管道ⅱ13、输水管道ⅲ28、输水管道ⅳ、输水管道ⅴ32、输水管道ⅵ38、水轮发电机30和水泵31，水轮发电机30的水轮机设置在输水管道ⅲ28内，水泵31设置在输水管道ⅴ32上，上位蓄水空间位于竖井15的上部，上位蓄水空间通过输水管道ⅰ12与发电硐室29的输水管道ⅱ13的进水端连通，输水管道ⅱ13的出水端分别与输水管道ⅲ28和输水管道ⅴ32连通，输水管道ⅲ28的出水端与输水管道ⅳ的进水端连通，输水管道ⅴ32的出水端与输水管道ⅵ38的进水端连通，输水管道ⅳ的出水端和输水管道ⅵ38的出水端均通过输水管道ⅶ33与下位蓄水空间连通；下位蓄水空间位于竖井15的底部，输水管道ⅰ12的进水端设置有阀门ⅰ42，输水管道ⅲ28上设置有阀门ⅱ41，输水管道ⅴ32上设置有阀门ⅲ40、输水管道ⅵ38上设置有阀门ⅳ39；

上位蓄水空间包括上位硐室ⅰ1、上位采空区ⅰ2、上位采空区ⅱ3、上位采空区ⅲ4、上位采空区ⅳ5、上位巷道ⅰ6、上位巷道ⅱ7、上位巷道ⅲ8，上位平巷9，上位硐室ⅰ1、上位采空区ⅰ2、上位采空区ⅱ3、上位采空区ⅲ4、上位采空区ⅳ5分别通过连接巷道ⅰ11与上位平巷9连通，上位巷道ⅰ6、上位巷道ⅱ7、上位巷道ⅲ8分别与上位平巷9连通，上位平巷9与输水管道ⅰ的顶端连通；

下位蓄水空间包括下位巷道ⅰ16、下位巷道ⅱ17、下位巷道ⅲ18、下位采空区ⅰ19、下位采空区ⅱ20、下位采空区ⅲ21、下位采空区ⅳ22、下位硐室23，下位平巷24，下位巷道ⅰ16、下位巷道ⅱ17、下位巷道ⅲ18分别与下位平巷24连通，下位采空区ⅰ19、下位采空区ⅱ20、下位采空区ⅲ21、下位采空区ⅳ22、下位硐室23分别通过连接巷道ⅱ25与下位平巷24连通，下位平巷24与输水管道ⅶ连通；

输电线路34设置在竖井15内，水轮发电机的电力输送端和水泵均依次通过输电线路34、地表输电线35与地表输电站36电连接，地表输电站36通过输送电缆37与电网电连接；

所述输电线路34包括发电机输电线缆ⅰ和水泵供电线缆ⅰ，地表输电线35包括发电机输电线缆ⅱ和水泵供电线缆ⅱ；水轮发电机的电力输送端依次通过发电机输电线缆ⅰ、发电机输电线缆ⅱ与地表输电站36电连接，水泵依次通过水泵供电线缆ⅰ、水泵供电线缆ⅱ与地表输电站36电连接；

所述上位平巷9与竖井15的交接处设置有封闭墙ⅰ10，下位平巷24与竖井15的交接处设置有封闭墙ⅱ26。

实施例3：利用井下采空区和硐室进行抽水蓄能发电的系统进行发电的方法，具体步骤为：

（1）通过竖井将水通过输水管道ⅲ、输水管道ⅳ、输水管道ⅶ和下位平巷引入到下位蓄水空间的下位巷道ⅰ、下位巷道ⅱ、下位巷道ⅲ、下位采空区ⅰ、下位采空区ⅱ、下位采空区ⅲ、下位采空区ⅳ和下位硐室中进行储存；

（2）用电低峰期，关闭输水管道ⅰ上的阀门ⅰ和输水管道ⅲ上设置有阀门ⅱ，打开输水管道ⅴ上设置有阀门ⅲ和输水管道ⅵ上设置有阀门ⅳ，电网余电依次通过输送电缆、地表输电站、地表输电线和输电线路输送给水泵，下位蓄水空间的下位巷道ⅰ、下位巷道ⅱ、下位巷道ⅲ、下位采空区ⅰ、下位采空区ⅱ、下位采空区ⅲ、下位采空区ⅳ和下位硐室中储存的水在水泵的作用下依次通过输水管道ⅶ、输水管道ⅵ、输水管道ⅴ、输水管道ⅱ、输水管道ⅰ抽至上位蓄水空间的上位硐室ⅰ、上位采空区ⅰ、上位采空区ⅱ、上位采空区ⅲ、上位采空区ⅳ、上位巷道ⅰ、上位巷道ⅱ和上位巷道ⅲ中进行储存；

（3）用电高峰期，打开输水管道ⅰ上的阀门ⅰ和输水管道ⅲ上设置有阀门ⅱ，关闭输水管道ⅴ上设置有阀门ⅲ和输水管道ⅵ上设置有阀门ⅳ，上位蓄水空间的上位硐室ⅰ、上位采空区ⅰ、上位采空区ⅱ、上位采空区ⅲ、上位采空区ⅳ、上位巷道ⅰ、上位巷道ⅱ和上位巷道ⅲ中的水经输水管道ⅰ流入发电硐室内的输水管道ⅱ和输水管道ⅲ中，输水管道ⅲ内的水流推动水轮机旋转带动发电机发电，水流再依次通过输水管道ⅳ、输水管道ⅶ进入下位蓄水空间的下位巷道ⅰ、下位巷道ⅱ、下位巷道ⅲ、下位采空区ⅰ、下位采空区ⅱ、下位采空区ⅲ、下位采空区ⅳ和下位硐室中储存；发电机所发的电能依次通过输电线路、地表输电线输送至地表输电站，地表输电站再通过输送电缆并入电网。

以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。