本发明涉及压缩空气
储能发电领域，具体地，涉及一种利用煤矿井下巷道进行压缩空气储能的方法。
背景技术：
当今我国电力负荷很不均衡问题日趋突出，季节甚至昼夜变化差别很大。因此，电能的存储和合理利用备受关注。为解决电能大规模存储问题，世界各国耗费了巨大的人力和财力，开发了各种各样的储能方式，蓄电池组、飞轮、超级电容、超导储电等，因效率不高，寿命短，存取不便，蓄能容量偏小，投资成本大等，难以运作。与其他储能技术相比，压缩空气储能发电系统具有投资少、运行维护费用低、动态响应快、运行方式灵活、经济性能高、环境污染小、占地面积小的特点，逐渐受到各国的重视。德国、美国、日本、意大利等发达国家均有压缩空气储能电站正在建设过程中。我国大力发展压缩空气储能发电技术在经济，社会和国家安全方面具有重要的战略意义，其可促进我国智能电网相关产业和重大装备制造技术的快速发展。
压缩空气储能是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在储存空间，比如储气罐和地下洞室，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式。
大规模压缩气体存储空间的选取是制约压缩空气储能发展的主要问题之一，目前的应用主要集中于地下盐穴，例如德国的huntorf压缩空气储能电站和美国的mcintosh压缩空气储能电站。但是盐岩的分布极不均匀，在我国可用的空间有限。相比较，我国是煤炭开采大国，不仅已经有大量因资源枯竭而报废的矿井，而且每年在煤矿开采过程中形成了数亿立方米的地下空间。废弃矿井巨大的地下空间，可为压缩空气储能技术应用提供新的途径。
我国的煤矿城市约有150座，分布范围遍及大江南北，因此废弃矿井压缩空气储能电站可以很好地满足三北、西部地区可再生能源消纳及东部负荷地区的调峰需求。尤其是我国的北方，由于干旱缺水，修建抽水储能电站的水文自然条件不易满足，所以可以选择地质条件较好的废矿井来建造变压气储能电站。
当前利用地下岩体中的开挖空间进行压缩空气储能时有两种方法，一种是在盐岩洞穴中，由于盐岩的渗透率极低，不需要对洞壁进行处理就可以存储压力达数个兆帕的压缩空气；另一种是在岩石隧道或洞穴中，由于岩体的渗透率一般较高，特别是巷道浅部受开挖扰动的岩体渗透率更大，需要对洞壁进行处理后才能存储压缩空气，处理的方法是在洞壁内施工混凝土衬砌，然后在衬砌表面加上防渗层，然后将压缩空气直接存储于处理后的腔体内，此种方法的缺点是难于长期保持衬砌的完整性，气体容易通过衬砌表面泄露到周围岩体内，使储存的气体能量降低，同时当发生气体泄露时，难以确定具体的泄露位置，给运行维护带来困难。
现有的相关中国专利有三个。第一个专利号为：cn200810033803.1，一种利用矿井进行压缩空气蓄能的方法，该发明专利公开了一种利用矿井进行压缩空气蓄能的方法，将由具有隔气性能材料制成的气袋放置于矿井里，所述气袋的形状与矿井内壁的形状相同，所述气袋以相同形状对应固定在矿井内壁里。
第二个专利号为：cn200810033801.2，一种利用矿井产生的水压力进行压缩空气蓄能的方法，该发明提供了一种利用矿井产生的水压力进行压缩空气蓄能的方法，首先对矿井进行防水处理使矿井里面充满水，矿井里面充满水后对矿井底部产生水压，然后将由具有防水隔气性能材料制成的气袋放置于矿井的底部的水里进行储气。
第三个专利号为：cn200810033800.8，一种利用在地穴中人造水压进行压缩空气蓄能的方法，该发明提供了一种利用在地穴中人造水压进行压缩空气蓄能的方法，将具有防水性能材料制成的防水袋放置于洞穴的内壁上，防水袋内充满水，然后将由具有防水隔气性能材料制成的气袋放置于水中，将空气压缩通过输气管进入气袋里，达到蓄能的目的；当需要能源时，洞穴里面的水压将气袋里的压缩空气挤压出来释放能量。
以上三个专利虽然都是关于地下硐室存储压缩空气方向的，但是这些专利都不适用于煤矿井下巷道，原因为：(1)煤矿井下巷道形状有不同类型，比如矩形和马蹄形等，且巷道表面凸凹不平，柔性储气袋放入巷道后，易引起袋子的不均匀变形和破损；(2)煤矿井下存在大量采空区，岩体的渗透率较高，水容易泄露，因而很难将水一直保持在井下空间中；(3)由于开挖扰动和岩体流变的影响，巷道围岩内部会存在一定范围的松动圈，该范围内岩体强度较低，尤其是抗拉强度，压缩空气储能的气体压力可达10mpa，在此工作压力长期作用下巷道围岩岩体极易产生破坏，从而影响整个储能系统的稳定性。综上，现有专利无法适用于煤矿井下巷道的压缩空气储能工程。
技术实现要素：
发明目的：对于现有岩石隧道或洞穴进行压缩空气储能方法的不足，针对煤矿井下巷道，提出一种利用煤矿井下巷道进行压缩空气储能的方法，解决现有方法存在的气体泄露风险高，后期维护困难的问题。
技术方案：一种利用煤矿井下巷道进行压缩空气储能的方法，包括如下步骤：
步骤1：对巷道围岩松动圈范围进行高压注浆加固；
步骤2：在巷道内施工钢筋混凝土衬砌，所述钢筋混凝土衬砌横截面为圆形，所述圆形大小确定方法为：作与所述巷道截面形状至少两条边相切的最大面积圆，所述圆形的位置确定方法为：圆下部与巷道断面的底板相切，且圆心处于巷道截面的竖向平分线上；
步骤3：对巷道原断面与所述钢筋混凝土衬砌之间的间隙空间进行注浆充填；
步骤4：对所述钢筋混凝土衬砌内表面进行光滑处理后粘贴橡胶或钢衬层；
步骤5：对巷道两端面进行封堵，封堵结构包括内层设置钢制屏障和外层混凝土屏障；在封堵结构的一端或两端设置进气管道、出气管道以及人员/设备通道；
步骤6：将由丁基橡胶或高分子弹性材料制作而成的柔性储气袋放入巷道内，并连接所述进气管道和出气管道。
进一步的，所述步骤1中，采用钻孔声波法进行现场测试确定所述巷道围岩松动圈范围。
进一步的，所述内层设置钢制屏障和外层混凝土屏障之间利用密封胶进行密封。
有益效果：本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明有两层气体密封措施，即柔性储气袋和钢筋混凝土衬砌表面的防渗层，整体可靠性大为提高。
(2)本发明中后期维护便捷，可快速替换掉泄漏的储气袋，保证系统的可持续运营。
(3)本发明对地质条件的适应性强，即使巷道周围存在断层等薄弱地带时，通过适当扩大高压注浆加固范围后即可实施本发明，由于存在两层气体密封措施，不会对整体储气结构的密封性产生影响，同时可有效避免储气袋易破损的问题。
本发明方案思路清晰，现场操作简便，解决了现有技术存在的气体易泄漏，后期维护困难的问题，具有广阔推广应用前景。
附图说明
图1是本发明中利用煤矿井下巷道进行压缩空气储能方案的侧视图；
图2是本发明中利用煤矿井下巷道进行压缩空气储能方案的正视图；
其中：1巷道原岩区，2注浆加固区，3原巷道与衬砌之间的注浆充填层区，4钢筋混凝土衬砌，5橡胶或钢防渗层，6钢制屏障，7混凝土屏障，8柔性储气袋，9进气管道，10出气管道，11人员/设备通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1，一种利用煤矿井下巷道进行压缩空气储能的方法，一种利用煤矿井下巷道进行压缩空气储能的方法，包括如下步骤：
步骤1：首先采用钻孔声波法对巷道原岩区1进行现场测试确定围岩松动圈范围，然后对巷道原岩区1的围岩松动圈范围进行高压注浆加固，形成注浆加固区2。注浆加固范围可稍大于松动圈范围，如图2为形成的环形注浆加固区。
步骤2：在巷道内施工钢筋混凝土衬砌，钢筋混凝土衬砌横截面为圆形，该圆形大小确定方法为：作与巷道截面形状至少两条边相切的最大面积圆，该圆形的位置确定方法为：圆下部与巷道断面的底板相切，且圆心处于巷道截面的竖向平分线上。当巷道截面为马蹄形断面时，钢筋混凝土衬砌4与马蹄形断面的距离最窄的两侧面以及巷道底板相切，如图2所示。当巷道截面为梯形或矩形截面时，按照本步骤方法确定钢筋混凝土衬砌4的大小和位置。
步骤3：对巷道原断面与钢筋混凝土衬砌之间的间隙空间进行注浆充填，要求充填体应密实，形成注浆充填层区3。
步骤4：对钢筋混凝土衬砌4内表面进行光滑处理后粘贴橡胶或钢衬层5，其作用为，一是使柔性储气袋与钢筋混凝土衬砌4内表面的接触更为均匀，防止由于钢筋混凝土衬砌4的缺陷引起柔性储气袋的局部大变形，二是当气体从储气袋中泄露时，阻止气体泄露到周围岩体中。
步骤5：对巷道两端面进行封堵，封堵结构包括内层设置钢制屏障6和外层混凝土屏障7，内层设置钢制屏障6和外层混凝土屏障7之间利用密封胶进行密封。施工时，先安装一个钢制屏障6，再在其后进行钢筋混凝土屏障7的施工。在封堵结构的一端或两端设置进气管道9、出气管道10以及人员/设备通道11，人员/设备通道11优选设置在屏障靠巷道底板位置。
步骤6：将由丁基橡胶或高分子弹性材料制作而成的柔性储气袋8放入巷道内，并连接进气管道9和出气管道10。
本发明的工作原理是：空气进入柔性储气袋8中后，柔性储气袋8会产生膨胀并与钢筋混凝土衬砌4和两端的钢制屏障6接触，当柔性储气袋8与钢筋混凝土衬砌4和钢制屏障6完全接触后，新增的气体压力将主要由钢筋混凝土衬砌4承担，并通过钢筋混凝土衬砌4传入周围的岩体中。本发明通过注浆加固提高了巷道周边岩体的强度和刚度，其通过岩体和钢筋混凝土衬砌之间的充填体可有效传递应力，对钢筋混凝土衬砌形成有力支撑，防止钢筋混凝土衬砌的过大变形和开裂。本发明方法对整体储气结构中较为薄弱的柔性储气袋和衬砌进行了有效保护，可确保系统的长期高效运行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
技术特征：
技术总结
本发明公开了一种利用煤矿井下巷道进行压缩空气储能的方法，首先对巷道断面进行改造，具体包括：对巷道围岩的岩体进行高压注浆加固，形成大范围稳定的承力层；根据巷道断面形状施工圆形钢筋混凝土衬砌，并对衬砌内表面进行光滑处理后粘贴橡胶或钢衬层；对巷道原断面与钢筋混凝土衬砌之间的空间进行注浆充填；然后，对巷道两端面进行封堵；最后，将柔性储气袋放入处理后的巷道内。工作过程中，通过连接于柔性储气袋的进气管和出气管进行压缩空气的存储和调用。该方法提供了一种可靠、安全和易维护的煤矿井下巷道压缩空气储能的途径。
技术研发人员：张凯;邓康宇;薛欣然;马占国;刘江峰
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2017.10.25
技术公布日：2019.02.19
技术领域：
本技术：
属矿山技术领域。
技术背景：
山坡露天斜溜槽放矿，正在成为许多陡帮开
采矿山的明智选择；这种开拓方式是将上部开采矿石用斜溜槽直接溜放到坡底装运场地，能减少运输功，节省汽车数量，节约基建道路开拓费用，最重要的是减少采场外布置运输线路的土地压占和破坏；但是，露天斜溜槽放矿存在一个很重要的安全隐患，那就是溜槽疏堵作业难度大、危险性大，疏堵不及时，会形成堵塞积压矿堆，一旦堵塞体崩塌倾泻，对下部工业场地就会造成极大冲击破坏；本发明旨在采用一种安全、便捷的方法，进行经常性的、及时的疏堵作业，避免酿成安全事故；同时，疏堵系统又能兼用于采场设备转移。
技术实现要素：
：
整个疏堵系统的设施布置如图1所示；系统的主体是：利用坡底支架1和坡顶支架10，在斜溜槽上方适宜位置，架设一条索道绳(钢丝绳)4，形成纵贯全局的悬空通道；图1中a表示电耙导向平台，其作用是将电耙绞车引到侧翼安全位置，以避开斜溜槽放矿的正面的滚石冲击破坏；图1中b表示电耙定位组件，其由索道滑轮17、配重物18和电耙滑轮19三部分组成；移位绞车11通过转向滑轮9和移位绳8拉动定位组件沿索道绳移动就位，转向滑轮9固定在索道绳适宜部位，定位组件下行则靠重力作用；电耙耙斗20的尾绳5(空载绳)绕过电耙滑轮19悬吊耙斗，并跟随定位组件移动；当定位组件移动到处理疏堵位置时，移位绞车11锁死，电耙滑轮19实现定位，电耙即可开始往复耙矿作业，疏通堵塞。
图2、图3中，电耙导向平台由电耙导向轮13、后托轮12、前托轮14和安装支架组成；两个导向轮13分别用于电耙的尾绳5(空载绳)和首绳6(重载绳)的平面导向，将电耙绞车引到侧翼安全位置；四个前托轮14用于电耙作业端尾绳和首绳的限位与导向，因为作业端的尾绳和首绳经常需要上行绕道高位滑轮，故设置上下双托轮；后托轮12用于电耙牵引端尾绳和首绳的限位，只设置下托轮即可；两个导向轮13的平面位置是可调的，应使牵引端尾绳和首绳的水平间距和上下高差适应电耙的重载卷筒和空载卷筒，同样要使作业端尾绳和首绳的相互位置适应定位组件；图3中电耙绞车16要离开导向轮13适宜距离，以保障安全和适宜绳偏角。
图4中，电耙滑轮(电耙原配滑轮)19吊装在配重物18上；配重物18的质量要适宜定位组件的上下移动和电耙作业；索道滑轮17的绳道要设置防滑脱机制。
可以用振荡器、冲击器、转轮之类机械代替电耙疏堵，此时，只需将电耙耙斗更换即可；也可以完全取消电耙，将自带电源和升降装置的振荡器之类机械直接悬吊在配重物18下面，遥控升降疏堵。
这套系统的斜溜槽要修建成适宜宽度，底板要平整光滑；中小型采掘、装运机械，可利用移位绞车辅助提升，以斜溜槽作为通道，转移到坡顶生产场地或者下放到坡底；设备转移作业前，应先将斜溜槽放空，再用不带耙齿的刮板类清障器具代替电耙耙斗，清理斜溜槽底板，去除浮渣，然后再牵引转移设备；大型机械需拆解吊运或牵引转运。
附图说明：
图1是系统整体布置的侧面示意图，图中标注符号的意义是：
1——坡底支架，2——防护坝，3——矿堆，
4——索道绳，5——电耙尾绳，6——电耙首绳，
7——斜溜槽，8——移位绳，9——转向滑轮，
10——坡顶支架，11——移位绞车。a、b——局部明细图标注。
图2是图1中a标示的局部明细图的放大图，图中标注符号的意义是：
5——电耙尾绳，6——电耙首绳，12——后托轮，
13——导向轮，14——前托轮，15——防护网，
c——俯视标注。
图3是图2中c标示的俯视图，图中标注符号的意义是：
12——后托轮，13——导向轮，14——前托轮，
16——电耙绞车。
图4是图1中b标示的局部明细图的放大图，图中标注符号的意义是：
4——索道绳，5——电耙尾绳，6——电耙首绳，
8——移位绳，17——索道滑轮，18——配重物，
19——电耙滑轮，20——电耙耙斗。
具体实施方法：
架空索道绳的规格、涨紧度和悬空高度要适宜；斜溜槽的坡度要适宜，本例推荐斜溜槽坡度42°±3°；空闲工况时，电耙耙斗宜吊起悬挂在斜溜槽中间位置或者易堵塞位置，备用状态不得妨碍溜槽放矿；电耙耙斗移动时，宜吊起悬空，利用电耙尾绳和首绳的控制收放使耙斗悬空移动，以不防碍放矿并保护耙斗免遭矿渣埋没；普通电耙绞车卷筒的容绳量可能不满足斜溜槽长度，应改装卷筒，或者用其他适宜的双筒绞车(卷扬)代替电耙绞车；普通电耙采场作业的有效长度一般不大于60米，但疏堵作业是分段进行，每个部位疏堵不需要耙动这么长距离，因此，溜槽长度大小一般不会防碍疏堵作业；如果斜溜槽长度过大，而又经常需要多部位疏堵时，可以设置两级或者三级疏堵；方法是在斜溜槽上方再架设次级导向平台，导向平台侧翼安全位置增设次级电耙绞车、次级移位绞车，在索道绳上增设次级转向滑轮和次级定位组件；这样就形成了相互独立的多级疏堵系统，索道绳仍可共用；次级疏堵系统的重点注意事项是：导向平台必须高度适宜，不得防碍斜溜槽放矿和设备转移通道。
技术特征：
1.露天矿斜溜槽放矿疏堵和设备转移的一种方法，其主要技术特征是：
利用坡底、坡顶支架，在斜溜槽上方适宜位置，架设一条索道绳，形成纵贯全局的悬空通道；利用电耙导向平台将电耙绞车引到侧翼安全和适宜作业的位置；利用移位绞车牵引定位组件沿索道绳移动，就位到疏堵位置；利用定位组件移动电耙耙斗到作业地点，即可进行往复耙矿作业，疏通堵塞；可以用振荡器、冲击器、转轮之类机械代替电耙疏堵；如果斜溜槽长度过大，而又经常需要多部位疏堵时，可以设置两级或者三级疏堵系统；中小型采掘、装运机械，可利用移位绞车辅助提升，以溜槽为通道，转移到坡顶生产场地或下放到坡底。
技术总结
露天矿斜溜槽放矿疏堵和设备转移的一种方法。利用坡底、坡顶支架，在斜溜槽上方适宜位置，架设一条索道绳，形成纵贯全局的悬空通道；利用电耙导向平台、移位绞车、定位组件移动电耙耙斗到堵塞位置，即可进行往复耙矿作业并疏通堵塞；中小型采掘、装运机械，可利用移位绞车辅助提升，以溜槽为通道，转移到坡顶生产场地或下放到坡底。
技术研发人员：刘照朗
受保护的技术使用者：广东安元矿业勘察设计有限公司
技术研发日：2020.03.04
技术公布日：2020.06.26
声明：
“露天矿斜溜槽放矿疏堵和设备转移的一种方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：广东安元矿业勘察设计有限公司
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