废弃露天矿坑的综合利用系统的制作方法

本实用新型涉及一种综合利用系统，具体是一种废弃露天矿坑的综合利用系统，属于露天开采领域。

背景技术：

露天开采是指将矿体资源上的覆盖物移走，从敞露地表的采矿场采出有用矿物的过程，开采过程中，随着矿体的不断被开采，露天矿会形成一个占地面积巨大、深度较大的矿坑。露天开采因其开采效率高、机械化程度高、安全性强等特点，在采矿行业得到广泛应用。

截止2017年底，全国共计439座露天煤矿。其中，已经闭坑的露天煤矿大约十几座，面临闭坑的露天煤矿约三十几座。这其中大部分为上世纪五六十年代兴建的倾斜、急倾斜深凹露天煤矿，开采后留下巨大的矿坑和排土场，主要分布在东北、新疆和陕西等地方。对这些露天矿坑的处理最直接的做法是填土掩埋，然而露天矿坑的填土掩埋工程量大、耗时长、耗资巨大，闭坑后掩埋难以操作；虽然企业在闭坑前后还可以采用其他方法进行治理及利用，但尚有一些重大瓶颈问题克服不了。因此，如何统筹做好全国露天矿废弃矿坑利用分区分时规划，探索单个露天矿坑分区综合利用新模式是亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种废弃露天矿坑的综合利用系统，可操作性强，工程量小，施工快速、成本低，能够对矿坑的巨大空间充分有效利用。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种废弃露天矿坑的综合利用系统，包括设在矿坑中的人工重力坝，所述人工重力坝将矿坑分隔成相邻的能量转化利用区和储油区，

所述人工重力坝内设有连通能量转化利用区和储油区的排水管路，所述排水管路露出人工重力坝朝向储油区一侧壁面的管口为入水口，排水管路露出人工重力坝朝向能量转化利用区一侧壁面的管口为出水口，所述储油区地表的水平标高高于能量转化利用区地表的水平标高，且所述入水口所在水平位置高于出水口所在水平位置，所述人工重力坝朝向能量转化利用区一侧壁面上设有水力发电设备，所述水力发电设备包括相连的水轮机和发电机，所述水轮机置于排水管路内部；

所述储油区地表下设有油罐安置地层，油罐安置地层包括上下依次布置的防护层、容置层和基底层，所述容置层中并列设有多个油罐组件，油罐组件上方设有总输油管路，油罐组件下方设有总输水管路；所述油罐组件包括上下布置且相连的多个球型油罐，每个油罐组件中最上部的球型油罐通过输油支路连接至总输油管路，总输油管路末端与设在矿坑外的油泵连接；每个油罐组件中最下部的球型油罐通过输水支路连接至总输水管路，所述总输水管路伸入人工重力坝内且连接到排水管路上，所述总输水管路位于人工重力坝内的部分安装有一抽水电机。正常使用时打开抽水电机后总输水管路即可导通，为了更方便控制总输水管路的通断，总输水管路与排水管路相接的位置设有一总输水阀门。

进一步的，所述能量转化利用区中设有抽水泵和抽水管路，所述抽水管路一端与抽水泵的输出口连接，另一端穿过人工重力坝并连通至储油区。抽水泵可由发电机直接供电，也可以由其他电源供电。当区域内电能富裕时，打开抽水管路上的抽水阀门，抽水泵启动，通过抽水管路将能量转化利用区内的水资源输送至矿坑另一侧，将电能再次转化为水资源的势能储存在储油区一侧，从而实现了能量的转换和多种形式的储存。

作为一个优选的方案，所述油罐安置地层上表面距离排水管路入水口的垂直高度为30-50m。在该处储水的同时可以起到对油罐组件的消防和防打击作用，可以对油罐组件进行有效保护。

每个油罐组件可以包括多个球型油罐，然而数量越多施工难度越大、可操作性越差，具体数量与矿坑可利用深度、单个球罐体积有关。优选的，每个油罐组件包括两个球型油罐，两个球型油罐通过连接管路相连接。两个球型油罐能够满足存储需求，且能够保证较低的施工难度、保证可操作性。

进一步的，所述输油支路上设有支路阀门ⅰ，输水支路上设有支路阀门ⅱ。当其中一个油罐组件出现故障时，通过关闭其上部的支路阀门ⅰ与下部的支路阀门ⅱ可将本油罐组件隔离，而不影响其他油罐的正常储油功能。

优选的，上述支路阀门ⅰ、支路阀门ⅱ为电磁阀，且支路阀门ⅰ、支路阀门ⅱ、抽水电机与远程监测系统的控制器相连接。通过远程监测系统的控制器可直接控制抽水电机、支路阀门ⅰ、支路阀门ⅱ的开启和关闭，控制操作简单方便，可实现阀门的自动启闭、人工远程干预和人工手动控制阀门开启闭合等操作。

优选的，所述防护层由铺设的两层混凝土层和两层混凝土层之间的土石混合物层组成，总厚度30-100m，单层混凝土层厚度为10-15m；容置层由露天矿废弃物料排弃堆积压实而成，厚度50-200m；且容置层底表面的水平标高高于排水管路露出人工重力坝朝向能量转化利用区一侧壁面的出水口的水平标高；所述基底层由矿区废弃物压实处理制成。各层的建设利用到了矿区废弃物料，且由露天矿废弃物料排弃堆积压实而成的容置层对油罐的挤压力小，避免了罐体破裂导致油的流失、以及对地下环境产生污染。由于容置层底表面的水平标高高于排水管路露出人工重力坝朝向能量转化利用区一侧壁面的出水口的水平标高，储油时油罐组件中的水可以在连通器原理和重力作用下流出至总输水管路中继而驱动排水管路中的水轮机发电、为当地电网提供绿色能源；与此同时外部的油在自身重力和油罐组件中的水自然流出后形成的负压吸力作用下可以快速流入油罐组件中被储存起来，降低了输油能耗。

优选的，所述人工重力坝两端分别与矿坑的边帮连接修筑在一起，且人工重力坝的两端表面分别与对应的边帮地表高度一致。上述设置同时起到了加固两侧露天矿边坡和连接露天矿坑两侧交通的作用。

优选的，所述人工重力坝的坝体顶部宽度20-50m，表面根据矿坑两侧交通量需求铺设双向4-8车道的硬化路面行车道，硬化路面行车道两侧布置防护栏和绿化带。硬化路面行车道方便了行车，且能够保证行车安全。

本实用新型相对现有技术，具有如下优势：

(1)本实用新型在露天矿坑底建设人工重力坝，将矿坑分隔成相邻的能量转化利用区和储油区，提高了矿坑边坡的稳定性，同时人工重力坝表面的道路也沟通了大面积露天矿坑的两侧交通。能量转化利用区和储油区的地表的水平标高不同，在人工重力坝内设排水管路、并且在人工重力坝一侧的能量转化利用区中合理集合布设水力发电设备以及抽水泵，利用势能发电、并可以利用抽水泵将电能再次转化为势能，从而实现了能量的转换和多种形式的储存；

(2)油罐存放在矿坑的人工重力坝一侧的储油区地表下的油罐安置地层，采用连通器原理，可以实现水油的交替快速输入存储与输出，实现对露天矿坑空间的充分利用，减少了地面建设储油场所的投资与土地资源损失；

球型油罐埋藏在土石中，防护层和上方的水层共同起到对油罐的保护作用，并可在地表蓄水，避免了油罐顶部遭受巨大的外力冲击导致泄漏或爆炸，保证了油罐的安全，更保障了区域能源安全，具有很强的战略意义。油罐采用多层球形罐，具有最佳的耐内外压力性能，同时使油罐周围的围岩形成拱形、分散了应力，减少了油罐自身受的挤压力，避免了罐体破裂对地下环境产生污染，且球型油罐在相同容积的条件下，设备的净重最小，节约了成本且方便施工。

(3)本实用新型储油时外部的油在自身重力和油罐组件中的水自然流出后形成的负压吸力作用下可以快速流入油罐组件中被储存起来，降低了输油能耗，同时油罐组件中流出的水可以直接驱动水轮机发电、为当地电网提供绿色能源；取用油时抽水电机起到高压水泵的作用，将能量转化利用区中的水输入至最下部的油罐内对油罐的内部空间加压，将油罐中的油直接快速挤出，避免了采用外接油泵直接抽油时油罐中负压对抽油过程产生阻力的问题、降低了取油能耗。本实用新型利用了水和油的不可压缩性，有利于实现油罐的内外压力平衡，降低了罐体承压。

(4)本实用新型所需的材料成本不高，可操作性好，且总体施工工程量不大，施工周期短、所需成本较低；更重要的是功能多布置合理，能够储水发电提供能源，矿坑蓄水储油的功能节约了地面空间成本、更具有战略物资储备的指导意义，总体实现了对露天矿坑空间的充分有效利用，值得大力推广应用。

附图说明

图1为本实用新型的总体结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本实用新型中的油罐安置地层内部结构布置示意图；

图中：1.矿坑，1a.边帮，1-1.能量转化利用区，1-2.储油区，2-1.抽水泵，2-2抽水管路，2-3.抽水阀门，3-1.水轮机，3-2.发电机，4.排水管路，4-1.排水阀门，5.人工重力坝，5-1.硬化路面行车道，6.油罐安置地层，6-1.土石混合物层，6-2.混凝土层，6-3.容置层，6-4.基底层，7.油罐组件，7-1.球型油罐，9.总输油管路，10.总输水管路，10-1.总输水阀门，11-1.输油支路，11-2.输水支路，12-1.支路阀门ⅰ，12-2.支路阀门ⅱ，13.油泵，14.抽水电机，15.连接管路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1至图3所示，一种废弃露天矿坑的综合利用系统，包括设在矿坑1中的人工重力坝5，所述人工重力坝5将矿坑1分隔成相邻的能量转化利用区1-1和储油区1-2，

所述人工重力坝5内设有连通能量转化利用区1-1和储油区1-2的排水管路4，所述排水管路4露出人工重力坝5朝向储油区1-2一侧壁面的管口为入水口，排水管路4露出人工重力坝5朝向能量转化利用区1-1一侧壁面的管口为出水口，所述储油区1-2地表的水平标高高于能量转化利用区1-1地表的水平标高，且所述入水口所在水平位置高于出水口所在水平位置，所述人工重力坝5朝向能量转化利用区1-1一侧壁面上设有水力发电设备，所述水力发电设备包括相连的水轮机3-1和发电机3-2，所述水轮机3-1置于排水管路4内部；

所述储油区1-2地表下设有油罐安置地层6，油罐安置地层6包括上下依次布置的防护层、容置层6-3和基底层6-4，所述容置层6-3中并列设有多个油罐组件7，油罐组件7上方设有总输油管路9，油罐组件7下方设有总输水管路10；所述油罐组件7包括上下布置且相连的多个球型油罐7-1，每个油罐组件7中最上部的球型油罐7-1通过输油支路11-1连接至总输油管路9，总输油管路9末端与设在矿坑1外的油泵13连接；每个油罐组件7中最下部的球型油罐7-1通过输水支路11-2连接至总输水管路10，所述总输水管路10伸入人工重力坝5内且连接到排水管路4上，所述总输水管路10位于人工重力坝5内的部分安装有一抽水电机14。正常使用时打开抽水电机14后总输水管路10即可导通，为了更方便控制总输水管路10的通断，总输水管路10与排水管路4相接的位置设有一总输水阀门10-1。

进一步的，所述能量转化利用区1-1中设有抽水泵2-1和抽水管路2-2，所述抽水管路2-2一端与抽水泵2-1的输出口连接，另一端穿过人工重力坝5并连通至储油区1-2。抽水泵2-1可由发电机3-2直接供电，也可以由其他电源供电。当区域内电能富裕时，打开抽水管路2-2上的抽水阀门2-3，抽水泵2-1启动，通过抽水管路2-2将能量转化利用区1-1内的水资源输送至矿坑1另一侧，将电能再次转化为水资源的势能储存在储油区1-2一侧，从而实现了能量的转换和多种形式的储存。

作为一个优选的方案，所述油罐安置地层6上表面距离排水管路4入水口的垂直高度为30-50m。在该处储水的同时可以起到对油罐组件7的消防和防打击作用，可以对油罐组件7进行有效保护。

每个油罐组件7可以包括多个球型油罐7-1，然而数量越多施工难度越大、可操作性越差，具体数量与矿坑可利用深度、单个球罐体积有关。优选的，每个油罐组件7包括两个球型油罐7-1，两个球型油罐7-1通过连接管路15相连接。两个球型油罐7-1能够满足存储需求，且能够保证较低的施工难度、保证可操作性。

进一步的，所述输油支路11-1上设有支路阀门ⅰ12-1，输水支路11-2上设有支路阀门ⅱ12-2。当其中一个油罐组件7出现故障时，通过关闭其上部的支路阀门ⅰ12-1与下部的支路阀门ⅱ12-2可将本油罐组件7隔离，而不影响其他油罐的正常储油功能。

优选的，上述支路阀门ⅰ12-1、支路阀门ⅱ12-2、总输水阀门10-1、抽水阀门2-3、为电磁阀，且总输水阀门10-1、抽水阀门2-3、支路阀门ⅰ12-1、支路阀门ⅱ12-2、抽水电机14与远程监测系统的控制器相连接。通过远程监测系统的控制器可直接控制抽水电机14、支路阀门ⅰ12-1、支路阀门ⅱ12-2、总输水阀门10-1、抽水阀门2-3的开启和关闭，控制操作简单方便，可实现阀门的自动启闭、人工远程干预和人工手动控制阀门开启闭合等操作。

优选的，所述防护层由铺设的两层混凝土层6-2和两层混凝土层6-2之间的土石混合物层6-1组成，总厚度30-100m，单层混凝土层6-2厚度为10-15m；容置层6-3由露天矿废弃物料排弃堆积压实而成，厚度50-200m；且容置层6-3底表面的水平标高高于排水管路4露出人工重力坝5朝向能量转化利用区1-1一侧壁面的出水口的水平标高；所述基底层6-4由矿区废弃物压实处理制成。各层的建设利用到了矿区废弃物料，且由露天矿废弃物料排弃堆积压实而成的容置层6-3对油罐的挤压力小，避免了罐体破裂导致油的流失、以及对地下环境产生污染。由于容置层6-3底表面的水平标高高于排水管路4露出人工重力坝5朝向能量转化利用区1-1一侧壁面的出水口的水平标高，储油时油罐组件中的水可以在连通器原理和重力作用下流出至总输水管路10中继而驱动排水管路4中的水轮机发电、为当地电网提供绿色能源；与此同时外部的油在自身重力和油罐组件中的水自然流出后形成的负压吸力作用下可以快速流入油罐组件7中被储存起来，降低了输油能耗；

优选的，所述人工重力坝5两端分别与矿坑1的边帮1a连接修筑在一起，且人工重力坝5的两端表面分别与对应的边帮1a地表高度一致。上述设置同时起到了加固两侧露天矿边坡和连接露天矿坑两侧交通的作用。

优选的，所述人工重力坝5的坝体顶部宽度20-50m，表面根据矿坑两侧交通量需求铺设双向4-8车道的硬化路面行车道5-1，硬化路面行车道5-1两侧布置防护栏和绿化带。硬化路面行车道5-1方便了行车，且能够保证行车安全。

优选的，为了保证油罐组件7的安全稳定，相邻的油罐组件7之间的间距为20-40m(不小于油罐半径)，油罐组件7中相邻的两个球型油罐7-1的间距为20m。较大的间距保证了单个球型油罐7-1的空间稳定性和受力稳定性；即使一个球型油罐7-1出现破损的危险也不会危及相邻的球型油罐7-1。

废弃露天矿坑的综合利用方法如下，具体步骤：

步骤一：在矿坑1中间修筑人工重力坝5，将矿坑1分隔成相邻的能量转化利用区1-1和储油区1-2，在人工重力坝5内留设连通能量转化利用区1-1和储油区1-2的排水管路4，且使排水管路4位于储油区1-2一侧的入水口高度高于另一侧出水口的高度，人工重力坝5朝向能量转化利用区1-1一侧壁面上设置发电机3-2，与发电机3-2相连的水轮机3-1设在排水管路4内部；能量转化利用区1-1在储油区1-2一侧依次铺设基底层6-4，并在基底层6-4中设置总输水管路10，总输水管路10从人工重力坝5底部穿过、且末端位于能量转化利用区1-1，总输水管路10位于人工重力坝5内的部分设有一抽水电机14；

步骤二：基底层6-4表面依次铺设容置层6-3、混凝土层6-2、土石混合物层6-1，并在容置层6-3中并列设置多个油罐组件7，且使各油罐组件7中最上部的球型油罐7-1通过输油支路11-1连接至总输油管路9，总输油管路9末端连接至设在矿坑1外的油泵13；每个油罐组件7中最下部的球型油罐7-1通过输水支路11-2连接至总输水管路10上；

步骤三：预先向储油区1-2地表以上的空间中注水，需要储油时，通过远程监测系统的控制器打开需要用到的油罐组件7对应输油支路11-1上的支路阀门ⅰ12-1，通过油泵13将外部的油通过总输油管路9输入至上下布置的球型油罐7-1中从而将油安全储存起来；

步骤四：当区域内电能缺乏时，打开排水管路4上的排水阀门4-1开通排水管路4，储油区1-2地表以上的空间中储存的水从入水口进入排水管路4并从出水口流出至能量转化利用区1-1内，在高差作用下具有势能的水流对水轮机3-1进行冲击并驱动水轮机3-1转动，水流的势能经水轮机3-1转换成水轮机3-1的机械能，水轮机3-1推动发电机3-2发电将机械能转换成电能存储起来并传输至电网中；

步骤五：需要取用油时，通过远程监测系统的控制器打开需要取用的油罐组件7所对应的输油支路11-1上的支路阀门ⅰ12-1，打开总输水管路10上的总输水阀门10-1、启动抽水电机14并打开油罐组件7所对应的输水支路11-2上的支路阀门ⅱ12-2，抽水电机14将能量转化利用区1-1中的水沿着总输水管路10和输水支路11-2输入至最下部的球型油罐7-1内对油罐内部空间加压，将油罐中的油通过输油支路11-1挤出并经总输油管路9向外排出，取用油完毕后通过控制器关闭抽水电机14、总输水阀门10-1、支路阀门ⅰ12-1和支路阀门ⅱ12-2即可；

步骤六：需要再次储油时，通过控制器打开油罐组件7所对应的输水支路11-2上的支路阀门ⅱ12-2、该油罐组件7对应输油支路11-1上的支路阀门ⅰ12-1以及总输水阀门10-1，油罐组件7中的水会在重力作用下通过输水支路11-2流出至总输水管路10中并进入排水管路4中，水的动能对排水管路4内的水轮机3-1进行冲击并驱动水轮机3-1转动，水轮机3-1同步推动发电机3-2发电将机械能转换成电能存储起来并传输至电网中；同时经油泵13从外部输来的油在自身重力和油罐组件7中的水流出后形成的负压吸力作用下流入油罐组件7中被储存起来，储油完成后关闭总输水阀门10-1、支路阀门ⅰ12-1和支路阀门ⅱ12-2。