一种煤矿抽水蓄能发电系统

本技术涉及抽水蓄能电站领域，尤其涉及一种煤矿抽水蓄能发电系统，特别是涉及一种厚冲积层厚隔水层厚煤层煤矿抽水蓄能发电系统。本技术属于战略新兴产业目录之6新能源产业中的6.3太阳能产业重点方向下的6.32太阳能生产装备子方向的热发电设备。

背景技术：

1、我国煤矿资源丰富，长期开发形成了巨大的可利用特殊地下空间，为发展地下生态城市创造了得天独厚的条件。据调查，我国现有煤矿地下空间约139亿m³，到2030年，预计将达到241亿m³，长度约160万km，可绕赤道40圈。

2、开发利用废弃煤矿地下空间，既可以避免煤矿采空区被充填造成极大的特殊地下空间浪费，又可以缓解地面城市发展面临的土地紧缺等问题，可为废弃矿井企业提供一条转型脱困和可持续发展新路径，不断推动资源枯竭型城市的转型发展。

3、煤矿地下空间开发利用的模式主要包括：地下储库、博物馆、地下旅游和文娱活动场所、抽水蓄能电站、地下生态城市示范区等。其中，废弃矿井抽水储能将废弃矿井资源化利用及可再生能源电力的消纳结合起来，是科学合理的废弃矿井资源开发利用模式之一。

4、抽水储能是利用存在一定高差的两个储水空间，通过电能与重力势能的转换实现电能的转化、储存与释放，大多数井工矿井开采区域的煤系地层含有多个可采煤层，矿井回采以后在不同煤层间形成多个存在高差的大面积储水空间，为建设废弃井巷抽水储能系统提供了可能。

5、华北焦作矿区是典型的厚冲积层厚隔水层厚煤层煤矿。以赵固二矿为例，赵固二矿位于焦作煤田东部，主采二1煤层为单一近水平煤层，倾角多在6°以内，煤层平均厚度6.2m。煤层赋存具有埋藏深度大（埋深大于680 m）、基岩薄（最小厚度仅36.8 m）等典型特征。矿井属第四系、新近系全掩盖区，松散层厚（厚度366.7～808.1m）。井田范围内共有7个主要含水层及5个主要隔水层，煤层顶板以上为泥岩、砂质泥岩、粘土（隔水层）及砂岩、砾石层（含水层）互层；煤层底板以下为泥岩、砂质泥岩（隔水层）及灰岩（l8、l2、o2灰岩含水层）互层。煤矿开采形式为全部垮落法。

6、至今并无针对厚冲积层厚隔水层厚煤层缓煤层煤矿的抽水蓄能电站实现方案。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本实用新型提供一种煤矿抽水蓄能发电系统，能够将不稳定的光伏电能转化为稳定的电能，而且能够对电能进行储蓄。

2、本实用新型的技术方案为：一种煤矿抽水蓄能发电系统，包括设置在煤矿地下空间的煤矿地下空间水库、设置在地面塌陷区的地面塌陷区水库和光伏发电站；地面塌陷区水库通过输水通道连通煤矿地下空间水库，输水通道上设有双向发电机组，双向发电机组为可逆式水泵水轮机；地面塌陷区水库上方架设有光伏发电站的太阳能板；光伏发电站通过输电线连接可逆式水泵水轮机的水泵；煤矿地下空间为废弃煤矿采空区或和井巷工程。

3、其中，煤矿地下空间水库作为抽水蓄能电站的低位水库，位于煤矿地下空间内，煤矿地下空间设置有环周的侧方隔水层、下端隔水层，环周的侧方隔水层、下端隔水层相互连接形成的侧方和底部隔水的隔水空间即煤矿地下空间水库。

4、煤矿地下空间的环周的侧方隔水层为注浆加固的防水煤柱、注浆加固的防水煤柱上端的注浆封堵的侧顶板和注浆加固的防水煤柱下端的注浆封堵的侧直接底板连接形成，下端隔水层为煤矿地下空间的注浆加固的隔水底板层。其中，地面塌陷区水库作为抽水蓄能电站的高位水库，设置在煤矿地面塌陷区，并通过改造煤矿地面塌陷区形成。具体改造为，地面塌陷区下方设有底部隔水层，底部隔水层的渗透系数为≤10-6m/s，侧方设有防水幕墙或地下防渗墙，形成地面塌陷区水库。底部隔水层可以通过铺设防渗土工膜或注浆加固和封堵改造地面塌陷区第四纪冲积层中的隔水层实现。

5、其中，光伏电站是指设置在高位水库水面之上光伏太阳能板发电系统，光伏电站的太阳能板设置在高位水库水面或者地面塌陷区水库水面上，用以防止高位水库水面蒸发导致的水分散失及开发太阳能，可以将光伏发电用于抽水蓄能以便实现多能互补。本实用新型专利提出：在地面、地面塌陷区水库或者高位水库上建设光伏电站，地面塌陷区水库上建设光伏电站，需要在地面塌陷区水库底部设置支撑柱，在支撑柱上设立支撑平台，支撑平台上建设光伏电站；在地面塌陷区水库或者高位水库架设太阳能板，太阳能板下端通过设立支撑在地面塌陷区水库或者高位水库底部的支撑柱架设在地面塌陷区水库或者高位水库上方。

6、其中，输水通道是指连接煤矿地面塌陷区水库和煤矿地下空间水库的扬水和排水的通道，通过改造煤矿竖井实现，在煤矿竖井中铺设大口径、耐高温、耐腐蚀、高强度材质的输水连通管道，该管道可以是钢管或者整体式钢衬钢筋混凝土输水管，输水管靠竖井岩壁固定。

7、由于埋深大，井下开采方式的煤矿都会设置竖井作为运输通道，竖井包括主井和副井。可以通过改造竖井做为输水通道，在煤矿竖井中设有输水连通管道以实现将低位水库水体提升至高位水库实现抽水蓄能，以及将高位水库水体送至低位水库实现发电。

8、其中，双向发电机组是指可逆式抽排水水泵水轮机，水泵水轮机是水泵和水轮机的结合，可以将低位水库水体提升至高位水库实现抽水蓄能，以及将高位水库水体送至低位水库实现发电。

9、优选的，由于煤层埋深较大，意即由地面塌陷区改造而成的高位水库和由采空区、井巷工程等煤矿地下空间改造而成的地位水库之间的水头落差极大（一般超过300m），因此，双向发电机组是必须具备“三超三耐”（即超高水头、超大变幅、超高转速、耐气蚀、耐磨蚀、耐腐蚀）特性的水泵水轮机。

10、此外，本实用新型还提供了一种煤矿抽水蓄能发电系统的构建方法，包括以下几个步骤：

11、（1）采前超前注浆加固和封堵提前构筑煤矿地下空间水库的环周的侧方隔水层、下端隔水层：煤矿在开采之初即考虑煤矿关停后地下空间利用需求，对底板承压水采用进行“超前主动、区域治理、全面改造、带压开采”模式区域超前治理，提前对整个采区的防水煤柱和底板隔水层进行全面注浆加固和封堵，提前构筑出一个四周和底部均具有良好密闭性的巨型地下空间区域。

12、（2）采后查漏补漏并补充注浆加固和封堵，构建煤矿地下空间水库：

13、煤矿采矿结束后，通过物化探、钻探等技术对煤矿地下空间的隔水煤柱和底板隔水层等进行全面检查，查漏补漏，对所有的潜在漏水点进行全面注浆加固和封堵确保煤矿地下空间的密闭性，即注浆加固的防水煤柱和注浆加固的隔水底板包围的隔水空间—煤矿地下空间水库。

14、（3）采后对煤矿地面塌陷区进行防渗处理将其改造成具有良好防渗性能的地面塌陷区水库：采矿结束后，对地面塌陷区的塌陷盆地或地面塌陷区进行底部整平和压实，提升地面塌陷盆地或地面塌陷区底部第四纪冲积层的防渗性能，并在地面塌陷盆地黏土层进行注浆封堵提高其隔水性能形成底部隔水层；在地面塌陷盆地或地面塌陷区四周设置防水幕墙或者地下防渗墙作为侧向隔水防渗设施，防止地面塌陷区水库水体侧漏流失；通过上述措施，可以因地制宜将地面塌陷区改造成具有良好防渗性能的地面塌陷区水库。

15、（4）将煤矿竖井改造成输水通道并安装输水管道：

16、通过在煤矿竖井（主井或副井）中架设大口径、耐高温、耐腐蚀、高强度材质的输水管道，将输水管道固定在煤矿竖井的侧壁上。抽水蓄能电站输水通道的建设可以参照抽水蓄能电站建设相关规范（如《抽水蓄能电站水能规划设计规范（nb/t 35071-2015）》）。

17、（5）在输水通道中安装抽水和发电设备：

18、在输水通道的管道中安装双向发电机组，双向发电机组需设置配套输配电措施；抽水蓄能电站抽水蓄能和发电设备的建设可以参照抽水蓄能电站建设相关规范（如《抽水蓄能电站水能规划设计规范（nb/t 35071-2015）》）。

19、（6）在地面塌陷区水库中建设光伏电站：

20、在地面塌陷区水库架设光伏电站，安装太阳能板，铺设输配电线路，完成光伏电站的建设。光伏电站的建设可以参照《光伏发电站设计规范(gb 50797-2012)》《光伏发电站施工规范(gb 50794-2012)》等相关规范。

21、（7）水库蓄水并开始抽水蓄能电站运行：

22、地面塌陷区高位水库蓄水及整个厚冲积层厚煤层煤矿抽水蓄能发电系统开始运行，通过水利设施引水对地面塌陷区水库进行蓄水，而后光伏电站开始运作，光伏电站的通过输电线为抽水蓄能供电，开始进行抽水蓄能以及发电。

23、本发明所提出的煤矿抽水蓄能发电系统，能够将不稳定的光伏电能转化为稳定的电能，而且能够对电能进行储蓄。尤其是华北焦作矿区厚冲积层厚隔水层厚煤层缓煤层煤矿抽水蓄能电站具有巨大蓄能发电潜力，且高位水库和低位水库库容量巨大、防渗性能优越，尤其适用于本技术的煤矿抽水蓄能发电系统。