摘要：矿产资源在社会经济发展中发挥着十分重要的作用，是国家安全、人类生存的重要保障。地下开采是矿产资源开采的主要方式。当矿产资源被开采后在地下形成了巨量的采空区，如何安全、有效的对这些采空区进行处置，是我国当前矿业领域亟需解决的问题。与此同时我国清洁能源弃能严重，2016我国弃水、弃风、弃光电量分别达300亿度、400亿度和100亿度，因此需要一种大规模的储能方式在用电低峰时对这些废弃电能进行储存，而在用电高峰时将其释放，来弥补电力缺口。本文对利用金属矿山地下采空区作为蓄水库，建设井下抽水蓄能电站的可行性进行探讨。
关键词：金属矿山；采空区；抽水蓄能电站
引言
金属矿床是经过一系列长期复杂的地质运动与作用而形成的，其空间分布特点表现为杂乱而无序，品位分布也呈现不确定性。矿山开采根据矿体赋存情况而进行设计，开采后遗留采空区与矿体分布有相似的空间形态，加之开采过程中受到构造、地应力、爆破震动等多重作用，其形态表现更为不确定性及非线性。
1抽水蓄能电站发展情况
我国第一座抽水蓄能电站，始建于1968年，直到1997年才进入建设高峰。截至2017年，我国已建大型抽水蓄能电站35座，总装机达到28490MW。电网的运行质量逐年提高，煤电占比逐年下降，风电的消纳能力逐年增大。从电站的占地规模看，呈现三阶段发展趋势。第一阶段是2014年前，由于国土部门介入较晚，超规模用地、超任务范围用地现象比比皆是；第二阶段，由于国土部门高度重视，节地评价开始逐步发挥作用，占地规模呈逐年快速下降态势；第三阶段从2016年开始，呈现平稳波动缓慢下降态势。以1200MW抽水蓄能电站为例，年度占地变化趋势为：2014年前约280~320hm2，2014—2016年由300hm2左右快速下降到220~250hm2，2016年至今基本稳定在180~200hm2水平。
随着社会的进步，人们更加关注利用天然的地质条件建造地表抽水蓄能发电设施。美国在地下抽水蓄能电站的前期研究中投入了大量的工作。其中比较重要的是Arces的研究，他在研究中指出：地下抽水蓄能电站的主要成本来自于地下空间的建造。
综上所述，地表抽水蓄能发电是一项非常成熟的技术，在我国未来有着广阔的发展与应用空间，为此将地表抽水蓄能发电技术应用到金属矿山地下采空区，建设地下抽水蓄能发电站，在发电技术方面有着较好的基础。
2金属矿山采空区利用现状
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%。在云南等西部地区的中小型矿山中，留矿法使用比重更高达80%。由于空场法的大量使用，在井下存在有大量老旧空区。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，相当于三峡水库的容量，可以使上海市区整体塌陷超过30m。
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。据测算，采空区突然垮塌产生的空气冲击波最大速度高达274m/s。因此在矿山开采的同时，亟需对井下老旧空区进行科学评价与有效处置。
3金属矿山采空区处理实施要点
在处理金属矿山踩空区域的过程中，为确保处理的有效性，最关键的就是要正确认知采空区处理工作实施的要点所在，只有这样，才能够实现处理金属矿山的目标。首先，管理工作人员必须要结合采空区域的具体状况，科学合理地制定专业计划与处理的方案。目前阶段，由于尾矿库溃坝等相关问题始终存在，政府部门与社会机构都给予了高度的重视。基于此，尾矿专项整治规划已经开启，为尾矿专项整治行动的贯彻与落实提供了必要的保障。其次，对于金属矿山采空区应积极设置专项的基金，以保证对采空区域的治理费用问题加以解决。近年来，环保与工程地质灾害等相关领域都已经设立了专项资金，为各项工作的开展奠定了坚实的基础。再次，应严格规范矿山企业技术资料，并制定矿山采空区域的资料档案。结合这一状况，管理部门要对矿山企业技术资料加以规范，尤其是图纸资料内容。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由此可见，采空区域资料档案的构建具有一定的现实意义。最后，深入研究并分析金属矿山采空区域探测仪器与安全检测装备等预警机制，并强调对于充水状况、采空区域的规模以及实际的赋存情况的探测作用，对于采空区域的稳定性展开实时地监控。
4利用金属矿山采空区建设抽水蓄能电站分析
4.1矿井抽水蓄能电站的建设必要性
采用矿井水循环利用与抽水蓄能发电一体化技术，可以充分利用矿山开采形成的巨大的地下空间，实现储水、蓄能发电、矿井水循环利用和新能源开发等多重目标，并有助于控制地表沉陷、维护矿区生态平衡，实现可再生能源开发和矿产资源绿色开采的协同发展，将对未来现代化、生态化矿井开拓布局、节能减排、绿色开发产生深远影响，有效解决清洁能源稳定性差、弃能严重的难题。
4.2矿井抽水蓄能电站国内外研究现状
国内对此项研究仍处于起步阶段，技术储备与基础性研究严重不足。
德国2015年总用电量的1/3来自可再生能源，至2050年将不低于总用电量的80%。德国在矿井抽水蓄能发电技术方面走在世界前列。
在德国鲁尔区，煤矿的开采深度已达到1200m，巷道总长约100km，学者在研究中计划利用其中一个深度971~1008m，储水量45~75万m3的巷道，建立一个功率为300MW的抽水蓄能电站。
2013年10月，Mineville抽水蓄能项目提交了计划，准备在纽约Moriah镇的废弃矿井中建造一个完全地下的抽水蓄能设施；2012年，GridflexEnergy公司计划在Maysbille的一个石灰岩矿中修建抽水蓄能电站的下库。
4.3建设井下抽水蓄能电站需要解决的问题
矿井抽水蓄能电站的建设主要是利用地下采空区、废弃硐室、巷道等来建设蓄水的上库、下库及发电硐室，为此地下采空区、硐室的长期稳定性是井下抽水蓄能电站建设的关键，为此在今后需要着重开展以下几方面的研究：
（1）井下储能设施选址标准和安全、环境综合评估；
（2）深部岩石力学特性研究；
（3）循环荷载作用下的岩体流固耦合行为研究；
（4）超深巷道、硐室长期稳定服役及健康监测研究；
（5）老旧空区灾变机制与处置技术研究。
结语
综述上所述，将抽水蓄能发电一体化技术利用到金属矿山地下采空区处置当中，建设井下抽水蓄能电站，可实现矿井储水、蓄能发电、矿井水循环利用和新能源开发等多重目标，并有助于控制地表塌陷、维护矿区生态平衡，将对未来现代化生态化矿井开拓布局、节能减排、绿色开发产生深远影响。
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论文作者:宁如平,王瑞栋
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/8
标签：采空区论文; 电站论文; 矿井论文; 矿山论文; 地下论文; 井下论文; 金属论文; 《电力设备》2019年第4期论文;