煤炭是我国一次能源重要组成部分[1]。煤炭的使用导致了大量温室气体的释放及各种环境问题的产生。根据《巴黎气候协定》，各国政府必须采取措施提高清洁能源份额，减少化石能源，尤其是煤炭资源的使用[2]。我国政府采取了煤炭去产能的政策，淘汰了一批落后产能及资源枯竭的矿井和露天矿。相比于露天矿，我国煤矿开采方式仍以地下开采为主，产出率保持在90%左右[3]。相关研究表明:仅2016年，地下矿井关闭数量达2 000处左右，到2030年数量将到达15 000处[4]。大量地下矿井的关闭或废弃，势必对环境造成严重破坏，导致地下水水位下降、水质污染、地表沉陷、采空区积水灾害、地质环境变化和次生灾害等[5]。同时，矿井关闭后地区经济萧条，大量矿工失业，严重阻碍了区域社会经济的稳定发展。为此，习近平总书记提出了要科学规划搞好评估论证，做好关闭矿区资源整合利用的要求。因此，探讨如何有效地再利用废弃矿井的潜在资源，实现后矿业区域的清洁生产、生态恢复与经济复苏势在必行。
受采矿活动的影响，地下工程围岩的初始渗透率发生改变，致使该地区水文地质情况发生巨大的变化[6]。矿井关闭后，水泵停止工作，地表积水、含水层、离层腔、溶蚀腔或老井的水将逐渐充满地下空间，即发生地下矿井水的回弹[7]。且关闭后矿井水水质急剧恶化，严重威胁地下水的循环，因此部分矿井在关闭后仍要投入大量人力物力控制矿井水水位[8]。为了降低废弃矿井的维护成本，一种低碳方案是将矿井水与热泵结合从废弃矿井水中回收能量。由于地球持续加热，储存在矿井中的水，冬季可用于建筑供暖，夏季可用于建筑制冷[9]。针对此，开展了废弃矿井地热资源开采理论与实践的研究:ANDREW等研究了欧美废弃矿井地热能利用状况，认为废弃矿井地热能的再利用可为当地社区建立能源恢复能力，并提供更多就业机会，为经济可持续发展做出贡献[10];JARD
N等根据废弃矿井水温度分布特点提出了两种矿井水地热能利用模式，为民居和大型公共场所进行供暖和制冷，同时回注时采用小型涡轮发电机回收势能[11];ATHRESH基于地源热泵技术，提出了一种开环通用技术，以评估利用矿井水热量应用效能，并进行了两处商业性实践[12];GARETH等分析了英国废弃矿井地热能利用机遇与挑战，认为持续利用废弃矿井地热资源必须解决各种挑战，包括调节热量、绘制和量化资源以及了解矿井水温度不均匀性驱动因素等[13];JAVIER等针对西班牙Asturias废弃矿井的地热能利用状况，分析了其利用的可行性并评估了经济与环境效益[6]。另一种低碳方案是将废弃矿井与可再生清洁能源结合利用，主要用于开发地下抽水蓄能电站(UPSH)，地下蓄水水库或压缩空气蓄能电站(CAES)等。顾大钊利用西部废弃矿井采空区建立了地下水库，有效缓解了矿区地表水蒸发问题[14];谢和平等初步探究了使用废弃矿井采空区作为抽水蓄能水库的可能性[2,15-16]。然而，以往的研究过多关注采场储水功能，却忽略了矿井地热能的开发与利用。事实上，深部矿井采场空间具有蓄水量大、温度稳定、焓值较高等优点，适合为周边建筑提供稳定可持续的地热能，具有重要的经济价值和环境效益，但我国废弃矿井地热资源利用项目仍是少数。
为此，笔者总结了国外废弃矿井地热资源的利用现状，提出了一种利用废弃矿井不同地层采空区地热能进行供暖和制冷的混合循环系统模型，该系统依托于废弃矿井地热资源、水资源及空间资源，极大的提高了废弃矿井的资源利用率。并初步评估了整个系统的经济效益和环境效益。该研究对地热资源丰富、矿业发达区域综合利用矿井地热资源具有借鉴意义。
1 废弃矿井地热开采与利用
废弃矿井主要指矿产资源枯竭、不能满足安全绿色开采要求等政策原因而关闭的矿井[17]。之所以被废弃，根源在于缺乏合理再利用方案和管理监督机构。矿井废弃后，仍赋存种类丰富的潜在资源，决定了其再利用模式的多样化。与其他资源如残余煤气和空间等资源利用相比[18-23]，地热资源属于可再生清洁能源，利用成本较低，符合可持续发展的要求。
1.1 废弃矿井地热回收系统
废弃矿井地热资源开采常用地源热泵(HP)与开环或闭环回路相结合，通过热泵进行空间的加热和冷却，冬季热量从矿井水中汲取用以空间供暖，夏季热量转移到矿井水中用以空间制冷[12]。目前，主要有以下几种矿井地热开采系统。
1.1.1 闭环系统
当矿井地下水源受到矸石污染时，通常采用闭环系统开采地热资源[7,24]。如图1(a)所示，一般采用环状钢制或聚乙烯管式热交换器(HE)浸入到淹没的竖井中，通过热交换器内传热流体的循环与热泵(HP)耦合，为内层循环的建筑空间供暖或制冷。该系统的主要优点是只取热不取水，避免了矿井水水位的下降和相关水化学处理的难题。但由于热交换器只能通过热传导和热对流方式采集矿井水中的热量，易受矿井水温度变化的影响产生产热量不稳定等问题[25]。针对此，BANKS等[8]提出了另一种形式的闭循环系统(图1(b))，采用水泵将矿井水注入到地表临时水库，用热泵进行空间的供暖和制冷，但是该系统仍面临着污水排放与尾水回注的问题。
图1 废弃矿井地热能利用闭环系统示意
Fig.1 Schematic diagram of closed-loop system for geothermal energy utilization in abandoned mines
图2 废弃矿井地热利用开环系统示意
Fig.2 Schematic diagram of opened-loop system for geothermal energy utilization in abandoned mines
1.1.2 开环系统
与闭环系统相比，开环系统更适用于水量大、水质好的矿井水源[25]。因此，在关闭的废弃矿井中，当水质不存在极端pH值、悬浮固体颗粒时，可以考虑优先采用开环地热开采回收系统。如图2(a)所示，通过水泵从竖井中汲取矿井水，利用管式换热器传递给用户。经过热交换后，矿井水进行处理被排到地表自然水域中。然而，矿井水的排放，势必会导致地下水位下降及系统可开采总热容量的降低。与之相反，如图2(b)所示，为了避免将矿井水处置到地表浪费地下水资源，热交换之后，可将尾水重新回注至矿井某一水平面或另一个含水层单元[26]。图2(b)中I表示开环安装到同一竖井不同深度与温度处，经过热交换后，矿井水部分或全部回注到竖井中，回注的水通常沿着井筒壁流向水泵，从井筒壁吸收热量。但由于热量主要来源于围岩向井壁的传导，因此该系统的持续性往往受到限制。II表示开环安装到另一个含水层单元，与I相比该系统热量来源稳定，但存在热突破的风险，即汲水点和回注点连接过于直接，导致出水口温度急剧降低。
1.1.3 开闭环混合系统
图3给出了一种用于空间供暖、制冷的开闭环混合系统，主要由矿井水回路、管式换热器、清洁水回路和热泵组成[6]。与闭环或开环系统相比，该系统主管网采用开环系统，供给侧局域管网为闭环系统，能够在供需两端建立人工智能化管理系统，实现供需集群间能量交换与储存。然而，无论是开环、闭环或者混合环系统，矿井的竖井空间是有限的，矿井水补热速率要远慢于系统采热速率[25]。同时，矿井深部地热利用途径及补热方式单一，不利于系统长期稳定运行。
图3 废弃矿井地热利用混合环系统示意
Fig.3 Schematic diagram of hybrid system for geothermal utilization in abandoned mines
1.2 废弃矿井地热资源利用
国外开展废弃矿井地热资源利用的研究较早，如荷兰、德国、英国和加拿大等已有相关装置从废弃矿井水中回收地热能。这些装置都有一个相似的特点，它们利用废弃矿井中的水，通过热泵升级热能，并与地暖循环连接实现建筑物的供暖。而有些热泵可以在夏季逆转水流方向进行空间制冷[27]。从单个建筑到区域供暖和制冷，系统选择和安装大小各不相同。表1总结了部分废弃矿井地热能源厂的运行情况。由表1可知，矿井水的温度对地热能源厂的运行功率有较大的影响，随着废弃矿井水温度的升高，供暖输出功率和能效比(COP)呈增大趋势。其中，能效比是指系统生产的热量与系统运行所需要的全部能量的比值。
表1 已运行部分地热能源厂状况
Table 1 Operation of some geothermal energy plants
城市(国家)功率/kW水温/℃COPNova Scotia(加拿大)3.7318.03.50Heerlen(荷兰)2 800.0022.0～28.05.60Marienberg(德国)690.0012.04.30Freiberg(德国)25.0010.23.50Park Hills(美国)112.0014.03.67Hope Shaft(英国)10.0014.03.95Caphouse(英国)10.5017.05.20Barredo Shaft(西班牙)3 500.0023.05.50
加拿大Nova Scotia在 Springhill被水淹没的废弃矿井中，建立了世界上第1座废弃矿井地热能源采集系统。该系统采用开环设计(图2(b))，利用11个热泵，从已关闭矿井-140 m处抽取约18 ℃的水，为16 700 m2建筑提供空间供暖，尾水回注到矿井另一高度水平面，整个系统的能效比约为3.5。同时，由于系统抽水工作的运行，保持了矿井上层工作区域干燥，使上部矿井成为了地上矿业博物馆。此外，为了解决矿井关闭后面临的经济与环境问题，荷兰Heerlen利用废弃矿井地热能，为350栋住宅、3 800 m2商业建筑和16 200 m2社区建筑供暖和制冷[28]。系统采用开环设计，利用塑料管和钛制热交换器，从5口-750 m矿井处抽取30～35 ℃水进行冬季供暖，夏季则从3口-250 m深的井中抽取16～19 ℃水进行空间制冷。整个系统采用4台功率为700 kW，能效比为5.6的热泵，提供了该区域80%的年供能需求，为地区经济复苏和环境治理提供了重要保障。
为了解决矿井水质的问题，英国约克郡为Caphouse废弃矿井设计了一种闭环系统(图1(b))，系统通过功率10.5 kW的热泵采集临时蓄水池的热量(图4(a))[8]，为居民社区进行供暖。该系统运行时不依赖竖井的实时供水，同时矿井水不通过换热器或热泵，避免了系统赭石堵塞或过滤器清除的问题。德国对Marienberg废弃Wismut矿竖井进行修复，并进行矿井地热再利用的研究，建立地热发电站。该竖井深度为144 m，矿井水的温度为12 ℃。整个地热发电站具有一个由矿井水加热的二级闭环回路，处理矿井水能力为120 m3/h，提供了690 kW的热容量，并与公共热电厂并网，满足用户高峰时期的使用。
图4 废弃矿井地热应用部分项目
Fig.4 Partial project of geothermal application in abandoned mines
为了提高清洁能源的占比，欧盟要求相关煤炭生产企业必须于2018-12-31前关闭。西班牙的阿斯图里亚(Asturian)矿区，面积超过1 400 km2于2018年底关闭，遗留了严重环境与经济问题[6]。针对此，当局考虑矿井水温度(平均21.6 ℃)与当地气温的波动，设计了一种如图3所示的开闭环混合地热利用系统(图4(b))。通过估算矿井水量和地区能源需求，分别设计了1，3.5，5和10 MW四种功率的系统，并且评估了投资与管理成本，认为功率1 MW地热发电厂在经济上不可行，3.5 MW地热发电厂在距离小于1.5 km的距离上是可行的，5 MW和10 MW的地热发电厂在接近2 km的距离内达到了预期的盈利能力。
目前，国外针对废弃矿井地热能的利用多集中于浅部，如荷兰、德国等多为200～600 m。与之相比，我国现有的矿井1 000 m已成常态，部分矿井甚至达到了1 500 m。当深度超过千米时，矿井原始围岩温度能达到50 ℃左右，有些矿井温度甚至能达到60 ℃以上，地热开采潜力巨大不可忽视[29-30]。但是，我国废弃矿井地热资源的利用处于刚起步阶段，部分学者开始意识到了再利用的紧迫性，而对如何进行再利用方式的选择却缺乏详细的说明[3]。此外，很少研究提及深部废弃矿井地热能的利用，且我国废弃矿井地质条件复杂，缺少代表性示范工程的建设[4]。因此，要结合国外已有的成功经验，因地制宜提出我国废弃矿井地热资源的利用途径。
2 废弃矿井地热开采系统设计
废弃矿井地热能的利用是一种绿色低碳选择，可以在受矿区影响的区域创造新的经济活动，促进矿区环境与经济的恢复。基于国外废弃矿井工程案例，笔者总结了废弃矿井地热资源再利用时需要考虑的因素，主要包含:矿井深度、矿井水的温度、矿井水温度随季节变化规律、矿井水的水质、矿井水的排放、废弃矿井与潜在用户之间的距离、装机功率与供给需求、地下空间的稳定性、矿井基础设施及矿区范围等。由表1可知，废弃矿井地热资源在开采技术上是可行的，然而以往的研究与应用都只关注巷道空间储水储热的利用，忽略了采空区储水储热的巨大潜力[2]。事实上，矿井中水的储量和温度决定了矿井中可利用的地热容量。因此，考虑到采场空间的储水能力，提出了一种利用废弃矿井采场地热能与太阳能结合的系统模型。
煤炭矿井一般有多个埋深不一的工作面，合理规划利用高度不一的地层空间将会极大提高废弃矿井资源的利用率。如图5所示，根据工作面埋深不同，系统设计了浅层蓄冷水库和深层蓄热水库。系统的循环示意图如图6所示，可分为3个部分，即地表用户区域I，浅层蓄冷区域II和深层储热与发电区域III。地表区域采用闭环设计，通过热交换器或热泵与地板环路相连进行用户供暖或制冷。同时，采用了能量梯级利用设计，尾水可用于工业和农业生产。夏季，由浅层水库汲取矿井水，通过换热器或热泵进行建筑空间制冷，而尾水通过太阳能进行加热，回注到深层热储区域，并采用小型涡轮发电机回收势能，同时采用有机朗肯(ORC)发电系统结合气源热泵进行地热发电。冬季，由深部储热区汲取矿井水，通过换热器或热泵回收地热能用于居民供暖，而尾水仍具有一定温度可用于农业生产，最终回注到浅层蓄冷区域。由于存在冷热源水库，系统循环时所需外部能量小于单一热源的系统，因此该系统的能效比要大于传统的系统。需要指出的是，有机朗肯发电系统只针对温度大于50 ℃矿井水。
图5 系统的空间分布示意简图
Fig.5 Schematic diagram of spatial distribution of the system
图6 系统循环示意
Fig.6 Diagram of cyclic system
3 系统模型参数
矿井水的温度和体积是决定废弃矿井地热能再利用的主导因素[31]。矿井水的温度与矿井埋深有着直接关系，同时受地质构造特征、地层地热性质、局部和区域地下水状况、矿井水停留时间及微生物呼吸放热反应等影响。而矿井水的体积则受到地层岩性、煤层厚度、地质构造、围岩渗透系数及开采方式等影响。当温度和体积确定时，估算矿井关闭后地下储层地热能常用的方法是体积法[32]:
Eg=ηcρVΔT
(1)
式中，Eg为储层存储的静态能，kW·h;η为转换系数，η=0.000 27 (kW·h)/kJ;c为矿井水的比热,c=4.18 kJ/(kg·℃);ρ为矿井水的密度,ρ=1 000 kg/m3;V为矿井水的体积，m3;ΔT为矿井水使用前后温度差，℃。
3.1 系统温度
研究废弃矿井水温度变化的规律是地热资源评估、开采可行性和利用方案设计的基础。因此，针对此问题，英国政府要求企业必须提交矿井水温度的数据，用以绘制全国废弃矿井水温度图，以使地方政府、开发商和规划者能够确定煤田热量回收和储存的潜力[13]。图7总结了部分文献中，矿井水温度随地层深度和季节变化规律。由图7可知，矿井水的温度不仅受煤层埋深的影响，也受到季节变化的影响。而深度对矿井水温度有显著影响，当深度大于700 m时，矿井将具有地热开发潜力。相反，矿井水温度受季节影响波动较小(图7(b))，仅在夏季出现增大趋势，而夏季地温的升高能够增加地热发电系统总发电量。
图7 矿井温度随深度和季节变化
Fig.7 Changes of mine temperature with depth and seasons
3.2 蓄水空间
我国煤炭地下开采主要采用长壁式开采，煤层开采之后，上覆岩层受到采动的影响垮落形成了“三带”，即垮落带、裂隙带和位移带(图8)。垮落带和裂隙带内存在大量的孔隙和裂隙为储水及流动提供有力地质条件，而位移带内存在较少微裂隙不能提供有效储水空间。因此，评估采空区储水能力时，可不考虑位移带的影响。采用了式(2)估算整个采场储水体积[2]:
Vsg=
FlllwfdH
(2)
式中，Vsg为单个采空区的储水体积，m3;H为垮落带裂隙带高度之和，与煤层的厚度与顶板的岩性密切相关，垮落带高度(H1)和裂隙带高度(H2)可根据经验公式计算，m，具体参考文献[33];F为储层的可用系数，取值为0.8，表示有20%库容水无法利用;ll为采空区长度，m;lw为采空区宽度，m;f为采场储存系数，可用垮落带岩石膨胀系数进行计算f=1-1/K，K为碎胀系数,与顶板岩层岩性和孔隙度有关。
图8 储水空间计算示意
Fig.8 Schematic diagram of water storage calculation
3.3 系统能效比
能效比(COP)是衡量系统性能的关键参数之一，反映了系统运行时能量转换的效率。评估系统的能效比时，需考虑热泵、地下水泵、循环泵运行时所消耗电能。基于此，可按式(3)计算系统的能效比:
(3)
其中，QHP为热泵输出的热能,与选用热泵性能有关，kW·h;WHPe为热泵工作时消耗的电能,kW·h;WCPe为系统循环泵消耗电能，kW·h;WMPe为系统抽水泵工作时需要电能，kW·h。热泵的电力消耗受效率的影响，而效率反过来又取决于进入和离开热泵的水的输入和输出温度。热泵输入和输出端温度差值越大，热泵消耗的电能就越大，而热泵所消耗电能是指热泵系统中工作流体在使用温度和压力下发生相变所需要的外功。当进行供暖或制冷时，换热器中的温度与使用温度差值越小，热泵中的压缩机所需外功越小，相应的系统能效比也就越大。同时，工作流体的性质亦能影响热泵的能效比。此外，与潜在用户的距离过大时，循环泵也可能消耗大量电能，进而影响系统的能效比。
4 系统评估
废弃矿井地热资源的开采与利用是后资源型城市清洁生产强大的内生产动力，同时，提供更多就业岗位，最终实现矿业产业绿色可持续发展。而系统评估是废弃矿井清洁生产实践的一个重要方面，可以充分挖掘废弃矿井地热资源利用价值，节约社会投资生产成本。
4.1 储热性能
由于系统冷源和热源水库均设置在采场空间，确定水库储水体积时需考虑采场几何尺寸。根据已有研究，选取了倾向350 m,走向4 000 m，煤层厚度为6 m的近水平采场区域，根据式(2)可估算储能水库的容量。但水库的最大水位不可能无限上涨，通常由建立在巷道中的防水墙高度来决定。因此，确定废弃矿井采场储水体积时，除了确定采场面积和上覆岩层膨胀系数K外，必须考虑防水墙的高度。系统设计时采用防水墙高度为17.8 m[14]，K值选用1.03[2]，则单个采空区静态库容量约为5.8×105 m3。同时，防水墙的设置为井巷空间的利用，尤其是有机朗肯发电系统及其他设备安置提供了便利条件。系统设计初始参数和具体分析的条件见表2。考虑到系统设计为地板循环式供暖制冷，可以采用大于30 ℃流体，而不是传统暖气片要求大于60 ℃流体[6]，因此这里保守将温度变化设置为8 ℃。
表2 系统初始参数设定
Table 2 Initial parameter setting of the system
水密度/(kg·m-3)水比热/(kJ·(kg·℃)-1)蓄冷温度/℃蓄热温度/℃温度差/℃采场尺寸/(m×m×m)供暖时长/h制冷时长/h上水库埋深/m下水库埋深/m1 0004.1815458350×4 000×61 700800200～400 800～1 000
矿井地热资源的采集量与水库库容有着密切关系。由上述可知，单个水库矿井水的容量约为5.8×105 m3，则根据式(1)可估算单个水库静态蓄能约为5.24×106 kW·h。事实上，系统运行时由于大地热流的补热作用，系统动态储能远大于静态储能，为了便于分析计算，这里只采用了静态储能的指标。地热能源站的输出功率取决于矿井水的可用流量，考虑到年利用时长，则计算可得系统的功率2.1 MW，输出流量为232.8 m3/h。根据表2数据，考虑不同数量储能水库的工况，系统静态储能和功率见表3。同时，表3也给出了矿井水静态储能与传统化石能源转换(天然气11.7 (kW·h)/m3;煤炭7 kW/kg)，当储水空间为1.74×106 m3时，其储存热量相当于1.34×106 m3的天然气或2.992×103 t煤。
4.2 系统利用
与利用单井矿井水源地热能系统相比，由于系统设计了高温蓄热水库(45 ℃)与低温蓄冷水库(15 ℃)，采用热泵进行供暖制冷时，能够增大热泵能效比提高系统供暖制冷效率，降低耗能。因此，根据文献[8]，系统选择了冷凝器出口温度为35 ℃，蒸发器出口温度15 ℃，能效比为4.5的热泵。需要指出的是，由于回注时采用了小型涡轮发电机回收势能，回收率达80%以上，同时采用了有机朗肯发电系统，因此这里将不考虑抽水水泵所需电能。根据表3可知，当系统分别设置两冷源和热源水库时，系统的功率可达到8.4 MW，蓄能为20.95×106 kW·h。根据文献[6]可计算出冷凝器出口的年可用热能为25 920 MW·h，耗电为6 000 MW·h，则每年获得热能为24 960 MW·h。假设保温效果良好的住宅热负荷为40 W/m2，则100 m2的住宅年(2 500 h)耗能约10 000 kW·h[9]，该系统能够约为2 500户住户供暖或制冷。
表3 系统蓄能随储水体积和温度差变化
Table 3 System energy storage varies with water volume and temperature difference
项目温差/℃储水空间/105 m3储能/106 kW·h流量/(m3·h-1)输出功率/MW转换化石能源天然气/m3煤/kg案例1511.66.55460.752.6560 000963 000案例2517.49.81691.123.9840 0001 401 000案例3817.415.72697.676.31 340 0002 244 000案例4823.220.96930.248.41 840 0002 992 000案例51017.419.64700.007.91 678 0002 806 000
4.3 环境效益
废弃矿井地热能的再利用能够有效减少环境中碳的排放。目前，煤炭资源仍是我国主体能源，虽然清洁可再生能源发展迅速，但占比仍较小。而废弃矿井地热能的利用能有效地改变地区能源结构，增加清洁可再生能源的占比。随着可再生能源发电的增加，二氧化碳排放系数降低到0.246 kg/(kW·h)，而天然气供暖系统二氧化碳排放比电能少，约为0.204 kg/(kW·h)[6]。表4给出了系统功率为8.4 MW时，矿井水地热能与传统化石能源供暖时二氧化碳排放量。与天然气、电能、柴油和煤炭相比，使用废弃矿井水地热能可显著减少二氧化碳排放量达81%以上，约为0.072 kg/(kW·h)。这也意味着废弃矿井地热资源利用份额的增加能够有效减少碳的排放。
表4 8.4 MW能源厂二氧化碳排放量
Table 4 CO2 emission from 8.4 MW power plant t/a
天然气电能柴油煤炭矿井地热5 0926 1407 1649 2881 476
4.4 风险与挑战
正如4.3节所述，利用废弃矿井地热资源进行建筑供暖或制冷有益于节能减排。同时，废弃矿井资源的再利用亦有助于资源枯竭地区环境恢复和经济复苏。然而，我国废弃矿井地热资源的项目鲜见，系统实际运行中可能面临以下风险:
(1)蓄能的估算。采用静态能概念估算了废弃矿井的蓄能，可能是非常保守的，因为地下矿井类似于一个巨大的“蓄电池”，矿井水中的热量可以通过周围地质构造的热量来“充电”。根据相关研究，如果考虑岩石的热通量，矿井水的热量补给可以迅速达到原来静态能的10%以上，而之前的研究忽略了这一点[9]。
(2)能源供给安全。与天然气或煤炭锅炉系统相比,废弃矿井地热系统更为复杂，包含了水泵、循环泵、换热器、热泵和隔热管道等。因此，地热系统设备或管网出现故障的风险性增加，同时复杂工作条件增加了维修难度。
(3)外部环境变化。由于矿井地热资源的开采依托于矿井水，外部环境如干旱、当地气候变化、矿井水温度变化及化学组分的改变应加以考虑。同时，外部环境的变化亦影响地热能源供给需求。
(4)技术难题。我国已关闭或临近关闭矿井数量多，现有地热资源勘查与评估很难摸清废弃矿井所蕴含地热资源量。同时，矿井储能水库运行时，矿井水的污染防治与地下水库空间结构长期稳定性维护仍是重中之重。
此外，废弃矿井地热资源的再利用也面临着以下挑战:
(1)资金来源。地方政府和煤炭企业的资金无法满足废弃矿井再利用改建的需求，尤其是前期投资成本较大地热资源利用项目。因此，有必要建立健全社会资本参与的建设机制，带动更多投资来源，采取更灵活的融资方式，实现废弃矿井地热资源健康平稳开发。
(2)行政许可。废弃矿井地热能利用涉及到资源种类较多，采取不同系统设计所面临责任也不同。如采用闭环设计时，不涉及到水资源和废水排放环境问题，而开环设计时，将会涉及到能源、环境、水资源等部门管理。因此，有必要建立废弃矿井再利用管理部门，进行统筹管理，降低企业开采废弃矿井地热资源许可的审批流程与成本。
(3)关闭计划。国家能源局发布的6项废弃矿山治理标准，由于需要填埋矿井、破坏建筑物等设施、切断水电供应，已不能满足废弃矿井再利用的要求，遗留严重社会环境问题(图9)。同时，我国绝大部分煤炭企业开采时也未进行矿井资源再利用长期计划。理想的情况下，能源回收系统的设计和开发应与矿井开采本身的规划一致，这将有助于在矿井开采或关闭后对地热能回收进行前瞻性规划。
图9 未管理废弃矿井导致矿井水灾害[7]
Fig.9 Failure to manage a mine leads to an outburst of mine water[7]
5 结 论
(1)废弃矿井资源的再利用是资源枯竭地区转型的核心基础，目前废弃矿井不考虑再利用的做法不符合可持续发展的基本要求。而从废弃矿井中回收地热能，提供了一种可行的解决方案，以一种环保、经济可靠的方式重新利用废弃矿井，满足了资源枯竭地区清洁能源的需求。基于此，本文提出了一种废弃矿井地热资源再利用的方案。
(2)该方案根据矿井采场地层分布特点，利用不同埋深采空区建立蓄能水库，采用混合环系统回收地热能进行建筑空间供暖和制冷。系统单个储水库的蓄水体积达到了5.8×105 m3，静态蓄能达到了5.24×106 kW·h。当系统运行时，功率可达8.4 MW，年输出能量24 960 MW·h，可为约250 000 m2住宅进行供暖和制冷。
(3)废弃矿井地热资源的利用具有重要的经济和环境效益。研究结果表明，与传统化石燃料能源相比，功率8.4 MW的地热能源系统，每年可减少7 812 t二氧化碳的排放。此外，废弃矿井地热能二氧化碳的排放系数仅为0.072 kg/(kW·h)，低于天然气和电能的二氧化碳排放系数。
(4)矿井关闭或废弃后仍赋存着丰富可利用资源，但缺乏再利用的意识。相关部门应建立健全废弃矿井的管理机构，提前做好矿井关闭前再利用计划。同时，矿山企业做好再利用技术储备与措施，实现废弃矿井再利用，推动采矿区域环境恢复和经济复苏。
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