廢棄礦井抽水蓄能地下水庫構(gòu)建的基礎(chǔ)問題探索

卞正富，周躍進(jìn)，曾春林，黃 赳，浦 海，AXEL Preusse，張保生， HABIL Christoph Bruecker，白海波，孟慶彬，陳 寧

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.RWTH Aachen University, Institute for Mine Surveying, Aachen 52062；4.中國礦業(yè)大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；5.City University of London, Dept. Mechanical Engineering and Aeronautics, London EC1V0HB)

我國關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量龐大,根據(jù)中國工程院重點(diǎn)咨詢項(xiàng)目“我國煤炭資源高效回收及節(jié)能戰(zhàn)略研究”預(yù)測:2020年，我國關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量達(dá)到12 000處，2030年將到達(dá)15 000處[1]。關(guān)閉礦井造成地下空間體量巨大，初步統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有可利用地下空間長約100萬km，體積可達(dá)156億m3左右[2]。針對巨大的煤礦地下空間，謝和平、錢鳴高、洪伯潛、袁亮、蔡美峰、武強(qiáng)等院士和專家提出了廢棄礦井轉(zhuǎn)型升級與地下空間綜合利用戰(zhàn)略構(gòu)想，包括:建立壓縮空氣蓄能電站、抽水蓄能電站、井筒式小型智能化地下停車庫、地下生態(tài)景觀體驗(yàn)區(qū)等。謝和平等[3]對我國煤礦井下儲水蓄能發(fā)電能力進(jìn)行了預(yù)測,研究表明,利用廢舊煤礦和礦井水庫的蓄能發(fā)電量約為2014年我國全年發(fā)電總量的1.5倍。廢棄礦井儲水蓄能利用，不僅可以解決廢棄礦井地下空間高效利用、生態(tài)環(huán)境修復(fù)、工人就地安置等問題，而且可以突破常規(guī)抽水蓄能電站的選址限制。從地理位置上看，橫向廢棄礦井區(qū)、縱向廢棄礦井區(qū)分別與北部風(fēng)/光能源帶、東部沿海風(fēng)/核能源帶地理分布相一致,因此建立廢棄礦井抽水蓄能電站可為我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整特別是新能源、智能電網(wǎng)的發(fā)展提供巨大的戰(zhàn)略空間，與傳統(tǒng)的化學(xué)蓄能相比能很好的解決部分地區(qū)棄風(fēng)棄光的現(xiàn)象。

1 廢棄礦井抽水蓄能機(jī)理及其結(jié)構(gòu)

抽水蓄能電站已經(jīng)成功運(yùn)用了100多年，是目前可靠性最高、經(jīng)濟(jì)性最好、容量最大、技術(shù)最成熟的規(guī)模儲能解決方案。與常規(guī)抽水蓄能電站工作原理相同，廢棄礦井抽水蓄能電站是在蓄能時(shí)將電網(wǎng)過剩電力或風(fēng)能、光能等電力驅(qū)動(dòng)水泵，將下水庫的水抽至上水庫，此時(shí)為耗能過程，在用電高峰時(shí)則將上水庫的水通過發(fā)電機(jī)排到下水庫，將水的勢能轉(zhuǎn)換為電能。不同的是，廢棄礦井抽水蓄能電站的下水庫由巷道、采空區(qū)等井下廢棄空間構(gòu)成。

(1)上水庫。對井工礦井來說，在資源開采后必然在地表形成大量的采煤塌陷地。從空間上來說,這些采煤塌陷地分布在工業(yè)廣場周邊，因此，通過采煤塌陷地治理與生態(tài)修復(fù)相結(jié)合，實(shí)施挖深墊淺、水利改造等工程，把采煤塌陷地連片改造,打造集水產(chǎn)養(yǎng)殖、水生種植等為一體的生態(tài)修復(fù)示范工程,構(gòu)建地表塌陷區(qū)水庫為主、周邊河流、湖泊為輔的廢棄礦井抽水蓄能地表水庫。由于該模式中上水庫暴露于地表，下水庫封閉于地下，因此也被稱為“半開放式”廢棄礦洞抽水蓄能模式，其缺點(diǎn)是水庫蒸發(fā)量大，對上下水庫循環(huán)水的水質(zhì)要求較高，如有污染則需要進(jìn)行凈化處理達(dá)到外排要求，因此增加了抽水蓄能電站的發(fā)電成本;對于不具備構(gòu)建地表水庫的廢棄礦井，則可以利用礦井上下水平空間落差，利用地下不同深度的巷道構(gòu)建上水庫于較高的水平，由于水庫均封閉在地下，故此國際上也稱其為“封閉式”廢棄礦洞抽水蓄能模式，其缺點(diǎn)是水庫密封性要求較高，避免上下水庫之間以及水庫與地下水的水力聯(lián)系，但其優(yōu)點(diǎn)是水庫蒸發(fā)量極少、對上下水庫循環(huán)水的水質(zhì)要求不是很高，特別適于干旱缺水地區(qū)的廢棄礦洞再利用。

(2)下水庫。對于廢棄礦井抽水蓄能下水庫而言，其建設(shè)必須滿足幾個(gè)必要條件，即:密閉的環(huán)境、充足的地下空間、豐富的水源以及能被排空水體的礦井。由于礦井的地下空間結(jié)構(gòu)主要由礦井的開拓巷道、上下山及采空區(qū)等井下空間構(gòu)成，因此可以根據(jù)不同的地下空間再利用模式，將下水庫分為唯巷道建設(shè)模式及巷道加采空區(qū)建設(shè)模式。相比較而言，采空區(qū)作為地下水庫的一部分實(shí)施較為困難，可以根據(jù)采空區(qū)與地下水體的水力聯(lián)系程度、水庫庫容與發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量、水處理能力及經(jīng)濟(jì)投入等方面進(jìn)行綜合考慮，而巷道作為地下水庫其密封性較易實(shí)現(xiàn)，因此本文以開拓巷道作為地下水庫的主要研究對象。

(3)發(fā)電設(shè)備。廢棄礦井抽水蓄能電站除了常規(guī)抽水管路、控制設(shè)備、廢棄礦洞抽水蓄能變速機(jī)組運(yùn)行控制與集群調(diào)度系統(tǒng)外，水泵水輪機(jī)也是廢棄礦井抽水蓄能電站最核心和最關(guān)鍵的裝備。水泵水輪機(jī)是水泵與水輪機(jī)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)水泵抽水蓄能，又可以作為水輪機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，是抽水蓄能電站最核心的設(shè)備。由于廢棄礦井抽水蓄能電站面臨著上水庫與下水庫落差大(300～1 200 m)、井下水庫高程變化很大、井下空間普遍狹窄、礦井水品質(zhì)差的特點(diǎn)，需要開發(fā)并安裝適用廢棄礦井抽水蓄能電站的“三超三耐”(即超高水頭、超大變幅、超高轉(zhuǎn)速、耐氣蝕、耐磨蝕、耐腐蝕)水泵水輪機(jī)。

(4)其他設(shè)備。廢棄礦洞空間密閉且狹長、地下水溫相對較高等特點(diǎn)，需要安裝用于設(shè)備完好性、圍巖穩(wěn)定性及水質(zhì)檢測的深水深地水陸兩棲機(jī)器人巡護(hù)系統(tǒng)、廢棄礦洞群抽水蓄能電站監(jiān)控大數(shù)據(jù)平臺、廢棄礦井抽水蓄能潮汐式余熱高效利用系統(tǒng)等。另外抽水蓄能屬于電網(wǎng)調(diào)峰或可再生能源儲用的間隙式發(fā)電過程，需地面智能電網(wǎng)的支持。

2 廢棄礦井地下水庫構(gòu)建科學(xué)問題

2.1 廢棄礦井地下水庫面臨的難題

廢棄礦井抽水蓄能電站地下水庫所處的工程與應(yīng)力環(huán)境為:地下水庫圍巖及人工壩體處于高地應(yīng)力環(huán)境;采空區(qū)垮落的巖體及上覆巖層在很長時(shí)期內(nèi)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對水庫圍巖會產(chǎn)生側(cè)向壓力;庫內(nèi)長期頻繁抽充水對圍巖產(chǎn)生強(qiáng)烈的循環(huán)疲勞載荷作用;高落差大流量水流沖擊、巷道內(nèi)波浪及其反射、礦震等強(qiáng)動(dòng)力沖擊對水庫圍巖的作用;受采煤擾動(dòng)后覆巖水文地質(zhì)條件、地下水環(huán)境質(zhì)量及重金屬污染物分布等重大變化情況，尤其是在抽放水下涌浪引發(fā)的地下水與煤巖體的相互作用下離子濃度、pH值和總?cè)芙夤腆w濃度等更具不確定性?？梢?，廢棄礦井地下空間雖然為建設(shè)抽水蓄能電站地下水庫創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的條件，但其地下水庫圍巖處于高地應(yīng)力、循環(huán)工況載荷、動(dòng)力沖擊等復(fù)雜荷載的多重作用與原有礦井所處的環(huán)境有了本質(zhì)的變化，原巷道作為地下水庫再利用時(shí)，除了需要考慮經(jīng)濟(jì)可行性、環(huán)境影響、抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)對大落差、有限空間的適宜性外，還需考慮地下水質(zhì)及水循環(huán)的適宜性;地下水庫圍巖在長期、頻繁抽充水條件下原有支護(hù)技術(shù)的時(shí)效性;廢棄礦井抽水蓄能電站水庫具有的密閉性等。因此，作為地下水庫應(yīng)用的基礎(chǔ)理論研究，還有大量與礦山巖石力學(xué)有關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問題需要解決:① 地下礦井水庫抽水蓄能發(fā)電選址標(biāo)準(zhǔn)和安全、環(huán)境、水源等綜合性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn);② 在長期蓄水和循環(huán)抽充水(循環(huán)加、卸載)條件下，圍巖的流固耦合行為及礦井和巷道等儲水庫的長期穩(wěn)定性、安全性和密閉性;③ 老舊礦井穩(wěn)定性、安全性和密閉性改良方法[1-5]。

綜上所述，利用廢棄礦井地下空間作為抽水蓄能水庫又不同于一般的抽水蓄能項(xiàng)目，基于可再生能源利用、廢棄礦井資源再利用和廢棄礦井綜合治理的巨大現(xiàn)實(shí)需求，在把戰(zhàn)略構(gòu)想轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程之前，有許多基礎(chǔ)性的科學(xué)問題需要解決，其中最為關(guān)鍵的2個(gè)科學(xué)問題:一是水文地質(zhì)與水化學(xué)特征及水循環(huán)過程對選址的影響;二是廢棄礦井地下空間巖體穩(wěn)定性和密閉性對運(yùn)行的影響。這些基礎(chǔ)性問題探索為建立廢棄礦井地下空間再利用準(zhǔn)則、圍巖穩(wěn)定與密閉性、抽水蓄能電站地下水庫加固設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 廢棄礦井抽水蓄能地下水庫構(gòu)建技術(shù)框架

針對上述問題，擬開展廢棄礦井水文地質(zhì)、水化學(xué)特征與水循環(huán)過程、廢棄礦井地下水庫庫容及其變化、圍巖體-支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與密閉性、地下水庫工程的安全性等4個(gè)方面的研究，通過研究，一方面證明廢棄礦井地下空間作為抽水蓄能的地下水庫利用的可行性，提出適宜作為地下水庫的廢棄礦井地下空間的判別準(zhǔn)則；另一方面通過對地下水庫庫容的計(jì)算與加固后水庫長期穩(wěn)定性的分析，提出廢棄礦井地下水庫服務(wù)年限(壽命)的計(jì)算方法。通過對循環(huán)抽放水誘發(fā)地震、瓦斯聚集的分析，為加固、密封地下空間、釋放水氣壓力，保障抽水蓄能工程的安全運(yùn)行提供理論依據(jù)。

針對廢棄礦井抽水蓄能地下水庫建設(shè)的2個(gè)關(guān)鍵問題，可將其劃分成4個(gè)技術(shù)方面進(jìn)行分析:① 礦井地下空間利用基本條件。廢棄礦井抽水蓄能地下水庫的建設(shè)必須具備3個(gè)必要條件，即:充足的地下空間、豐富的水源以及較好的空間密閉性。② 巖體穩(wěn)定性及地下水庫庫容。抽水蓄能地下水庫利用的是廢棄礦井地下空間，包括廢棄巷道、硐室及采空區(qū)等，連通性強(qiáng)，圍巖穩(wěn)定性各異，其庫容量需要綜合考慮地下水源及其連通性、圍巖穩(wěn)定性、地下空間的儲水系數(shù)等。③ 巷道圍巖長期變形及支護(hù)的時(shí)效性。廢棄礦井巷道再利用時(shí)，尤其在井下抽水蓄能電站水庫長期抽充水的條件下，需要考慮巷道圍巖的時(shí)效性，為廢棄礦井地下水庫圍巖的長期穩(wěn)定提供理論基礎(chǔ)。④ 水循環(huán)對水源及水質(zhì)的保障。抽水蓄能水循環(huán)過程中地下水庫必須保持適當(dāng)?shù)乃?，以免淹井、缺水或過量抽取地下水導(dǎo)致地下水位大幅下降，此外在良好的水循環(huán)中，通過沉淀、過濾、生化及水化等作用可保證水質(zhì)，與此同時(shí)水質(zhì)的情況同樣影響著水循環(huán)及圍巖的穩(wěn)定性，良好的水質(zhì)可有效防止污染的地下水損害抽水蓄能設(shè)備，又能防止污染的地下水抽排到地面污染地表水體。

從以上分析可知，廢棄礦井作為抽水蓄能地下水庫再利用的關(guān)鍵因素，即:水庫庫容、地下水循環(huán)、圍巖穩(wěn)定與水質(zhì)因素。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 廢棄礦井抽水蓄能地下水庫建設(shè)技術(shù)路線Fig.1 Technical route of underground reservoir construction for water pumping and energy storage in abandoned mines

3 廢棄礦井抽水蓄能地下水庫建設(shè)研究現(xiàn)狀

從可檢索到的文獻(xiàn)看，尚缺乏選址時(shí)如何考慮水文地質(zhì)與水化學(xué)特征及水循環(huán)過程問題的研究，以及廢棄煤礦地下空間作為抽水蓄能地下水庫使用時(shí)的圍巖長期穩(wěn)定性和密閉性問題的研究，但國內(nèi)外專家從不同層面對相關(guān)問題進(jìn)行了有益探索。

3.1 礦井地下空間利用途徑研究

針對巨大的煤礦地下空間，不少學(xué)者提出了利用廢棄煤礦地下空間儲氣、儲油、儲存危險(xiǎn)固體廢料及儲能的設(shè)想，儲能又包括壓縮空氣蓄能、抽水蓄能等[1-4]。對于煤礦地下空間再利用而言，由于裂隙發(fā)育、巖體穩(wěn)定性差，儲氣、儲油、儲存危險(xiǎn)固廢、壓縮空氣蓄能等均需要做較大的改造方可使用[5]，在地下水較為豐富的地區(qū)，抽水蓄能與以上用途比較，則不需做較大的改造。鹽巖具有非常低的滲透特性與良好的蠕變行為，能夠適應(yīng)儲存壓力的變化，能夠保證儲存洞庫的密閉性，且鹽巖溶解于水的特性使鹽巖洞庫的施工更加容易、經(jīng)濟(jì)，因此，國際上公認(rèn)為鹽巖體是石油、天然氣儲存的最理想介質(zhì)[6]。利用地下鹽穴作為油氣儲庫是一種常見的方法[7]，波蘭貴都煤礦及維利奇卡鹽礦廢棄后地下空間則被開發(fā)為博物館，成為觀光游覽勝地[8]。BARTEL較為詳細(xì)地介紹了德國地下空間規(guī)劃的必要性、潛在的沖突、空間規(guī)劃的法規(guī)、數(shù)據(jù)的有效性、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等，提出了采礦地下空間利用應(yīng)遵循的原則[9]。德國除提出利用地下空間抽水蓄能外，還開展了地下空間儲氫的實(shí)驗(yàn)室研究[10]。南非則提出利用金礦地下空間抽水蓄能[11]，芬蘭皮海薩爾米礦廢棄礦井是歐洲最深的金屬礦井之一(1 445 m)，現(xiàn)已在地下75 m處建成一座物理實(shí)驗(yàn)室，并在地下1 430 m處開拓出了建設(shè)一座120 m2實(shí)驗(yàn)室所需的空間，規(guī)劃的關(guān)閉后開發(fā)利用方向包括:抽水蓄能、建設(shè)數(shù)據(jù)中心、生物質(zhì)燃料中轉(zhuǎn)站等[5]。比利時(shí)的學(xué)者提出利用露天石灰石礦坑作為抽水蓄能的下水庫[12]。在眾多的研究設(shè)想中，都認(rèn)為利用廢棄礦井地下空間作為抽水蓄能下水庫必須具備幾個(gè)必要條件，即:充足的地下空間、豐富的水源以及不被淹沒的礦井。

3.2 巖體穩(wěn)定性及地下水庫庫容研究

地下抽水蓄能電站的主要成本來自于地下空間的建造。雖然利用廢棄礦井地下空間不必進(jìn)行大量的地下空間開挖，但是現(xiàn)有礦井硐室及地下空間在頻繁的抽水、蓄水過程及形成的大氣壓力環(huán)境下，巖體必須具備足夠的穩(wěn)定性，否則既影響庫容，又影響抽水蓄能設(shè)備的安全運(yùn)行[13]。目前尚沒有利用廢棄煤礦地下空間作為抽水蓄能地下水庫運(yùn)行的實(shí)際案例，但是我國學(xué)者提出了“導(dǎo)儲用”為核心的煤礦地下水庫地下水保護(hù)利用理念[14]，研究開發(fā)了涵蓋煤礦地下水庫設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行的技術(shù)體系，包括水源預(yù)測、水庫選址、庫容設(shè)計(jì)、壩體構(gòu)建、安全運(yùn)行和水質(zhì)保障等六大關(guān)鍵技術(shù)，并在神東礦區(qū)成功建設(shè)了示范工程;針對煤礦地下水庫是利用采空區(qū)垮落巖體孔隙儲水的特點(diǎn)，提出了儲水系數(shù)的概念，并提出煤礦地下水庫壩體具有結(jié)構(gòu)特殊和受力復(fù)雜的特征，結(jié)構(gòu)特殊體現(xiàn)為:非連續(xù)、變斷面和非均質(zhì)，地下水庫壩體受力復(fù)雜表現(xiàn)在:礦壓、水壓和地震。美國有關(guān)地下抽水蓄能電站的研究表明:巖石的強(qiáng)度對于地下空間的建造特別重要，首選侵入巖和變質(zhì)巖等滲透性小的巖石，而頁巖、石化巖和沉積巖(包括煤巖)被列為次選，同時(shí)，地下水庫選址的巖石特別是含鐵的巖石不能和水發(fā)生化學(xué)作用，且?guī)r石的強(qiáng)度不受蓄能電站運(yùn)行(循環(huán)加卸載)的影響[3]。關(guān)于水封地下儲油庫巖體穩(wěn)定性的研究，LI等[15]提出了圍巖分類分析模型，提出了由5個(gè)主要指標(biāo)構(gòu)成的指標(biāo)體系，即巖石強(qiáng)度、巖石整體性、不連續(xù)表面特性、地下水及主斷面傾角。這些研究為利用廢棄礦井地下空間作為抽水蓄能地下水庫提供了參考。關(guān)于采空區(qū)儲水庫容的計(jì)算，龐義輝等[16]基于工作面上覆巖層斷裂分帶劃分結(jié)果，確定煤礦地下水庫的主要儲水空間為垮落帶與塊體鉸接帶垮落巖層的孔隙、裂隙與離層空間，得出了近水平煤層垮落帶與塊體鉸接帶有效儲水空間的計(jì)算表達(dá)式。鞠金峰等[17]則提出了極限庫容與合理庫容的概念，認(rèn)為地下水庫的儲水容量即為儲水范圍內(nèi)覆巖垮落帶破碎巖塊間自由孔隙量與裂隙帶斷裂巖層離層裂隙量的總和，并基于覆巖垮落帶類拋物空間形態(tài)模型的構(gòu)建，得到了考慮煤層傾角條件下垮落帶巖體孔隙量的計(jì)算公式;利用覆巖采動(dòng)裂隙分布的“O”形圈理論模型，獲得了覆巖各層關(guān)鍵層底界面及相鄰關(guān)鍵層間斷裂巖層的離層孔隙量確定方法;由此根據(jù)儲水水位在覆巖垮裂帶內(nèi)的不同位置，建立了地下水庫儲水容量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，形成了地下水庫極限庫容與合理庫容的確定方法。抽水蓄能地下水庫利用的是廢棄礦井地下空間，包括廢棄巷道、硐室及采空區(qū)等，連通性強(qiáng)，圍巖穩(wěn)定性各異，其庫容量需要綜合考慮地下水源及其連通性、圍巖穩(wěn)定性、地下空間的儲水系數(shù)等。

3.3 巷道圍巖長期變形及支護(hù)的時(shí)效性研究

國外學(xué)者提出破裂巖石在圍壓狀態(tài)下蠕變破壞的時(shí)間隨圍壓按指數(shù)規(guī)律增加，并存在一個(gè)圍壓漸近值，在小于該值時(shí)，破裂巖石處于長期穩(wěn)定狀態(tài)[18]。我國學(xué)者以砂巖、含軟弱夾層的頁巖等為研究對象開展了蠕變試驗(yàn)，揭示了破裂砂巖蠕變失穩(wěn)過程存在減速蠕變、等速蠕變和加速蠕變多階段的特性，建立了能夠較好地反映損傷破裂砂巖單軸蠕變特征的西原體模型，發(fā)現(xiàn)含軟弱夾層頁巖的剪切蠕變位移和蠕變速率呈非線性遞增的關(guān)系，建立了改進(jìn)的Burgers非線性損傷蠕變模型，充分反映了炭質(zhì)頁巖的蠕變變形過程[19-20]。在模型研究方面，以廣泛應(yīng)用的元件組合模型為基礎(chǔ)，引入損傷變量和硬化變量，建立了軟巖非線性蠕變模型[21-22];采用非線性Kelvin模型研究和證明了深部巖體蠕變變形具有混沌行為[23];采用多相耦合蠕變試驗(yàn)裝置及聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，對2種粒徑粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行了飽水狀態(tài)下不同溫度和圍壓的蠕變力學(xué)試驗(yàn)，得出穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨圍壓的升高呈線性降低，而隨溫度的升高呈指數(shù)函數(shù)增長[24];以西原體蠕變模型為基礎(chǔ)，添加含水元件，建立了與含水量相關(guān)的泥巖蠕變模型[25]。在巷道支護(hù)方面，我國學(xué)者研發(fā)了能量吸收錨桿，利用錨桿較大的伸長量適應(yīng)軟巖大變形，防止錨桿拉伸變形過大而破斷，構(gòu)建了軟巖大變形力學(xué)分析系統(tǒng)，研發(fā)了具有負(fù)泊松比效應(yīng)的恒阻大變形錨桿/錨索[26];提出了高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論，開發(fā)了煤礦錨桿支護(hù)成套技術(shù)與地質(zhì)力學(xué)測試設(shè)備[27];研制了大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，揭示了巷道開挖支護(hù)過程中的圍巖內(nèi)部應(yīng)力與變形的演化規(guī)律，研制了高承載力的礦用U型約束混凝土拱架[28];采用現(xiàn)場調(diào)研、礦物成分分析、圍巖結(jié)構(gòu)窺視等方法，揭示了圍巖變形破壞機(jī)理，提出了“協(xié)調(diào)圍巖非均勻變形、控制擠壓流動(dòng)底臌、強(qiáng)化圍巖承載結(jié)構(gòu)”的支護(hù)理念[29];揭示了深部破碎巷道圍巖變形破壞過程與非線性大變形機(jī)制，提出了深部巖巷分步聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[30];研究了支護(hù)阻力對深部高應(yīng)力巷道圍巖變形的影響規(guī)律，提出了深部巷道圍巖預(yù)留“給定變形”與多重支護(hù)理念[31]。

廢棄礦井原巷道的支護(hù)系統(tǒng)只考慮了服務(wù)年限內(nèi)滿足礦山安全生產(chǎn)需求，沒有考慮礦井停產(chǎn)后地下空間的再利用時(shí)圍巖變形與穩(wěn)定問題。廢棄礦井巷道再利用時(shí)，尤其在井下抽水蓄能電站水庫長期存放地下水的條件下，需要考慮巷道圍巖的時(shí)效性，為廢棄礦井地下水庫圍巖的長期穩(wěn)定提供理論基礎(chǔ)。

3.4 水循環(huán)對水源及水質(zhì)的保障分析

抽水蓄能需要保障良好的水循環(huán)，水循環(huán)過程需要有豐富的水源和良好的水質(zhì)。良好的水循環(huán)在于:地下水必須保持適當(dāng)?shù)乃徊恢劣谘途?，同時(shí)也需要有充足的水源不至于缺水或過量抽取地下水導(dǎo)致地下水位大幅下降。良好的水質(zhì)既要防止污染的地下水損害抽水蓄能設(shè)備，又要防止污染的地下水抽排到地面污染地表水體。

我國學(xué)者圍繞受采煤擾動(dòng)后覆巖水文地質(zhì)條件演變機(jī)理開展了富有成效的研究，最為關(guān)注的問題包括淺埋煤層巖層移動(dòng)、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律、隔水層有效厚度、保水采煤、礦井水井下儲用、煤炭開采對地下水系統(tǒng)的影響評價(jià)與區(qū)域水資源動(dòng)態(tài)平衡等[32-33]。關(guān)于關(guān)閉礦井的水文地質(zhì)變化與災(zāi)害，虎維岳等[34]在研究廢棄礦井地下水運(yùn)移介質(zhì)場結(jié)構(gòu)特征、地下水循環(huán)運(yùn)動(dòng)特征、水動(dòng)力場特征的基礎(chǔ)上，分析了廢棄礦井水位回彈誘致的環(huán)境與安全災(zāi)害，指出了已關(guān)閉礦井的水資源及地質(zhì)災(zāi)害面臨的種種問題;WANG等[35]對地下儲油設(shè)施的水文地球化學(xué)變化進(jìn)行了分析，研究了地下水、圍巖與水幕的相互作用，通過比較離子濃度、pH值和總?cè)芙夤腆w濃度變化研究了地下水與圍巖體的相互作用，通過統(tǒng)計(jì)分析化學(xué)物質(zhì)的相似度研究地下水與水幕系統(tǒng)的相互作用;國際上以BRODIE為首的科學(xué)家以煤礦開采區(qū)地下水水質(zhì)及水量為主要研究對象，率先提出“水文地質(zhì)效應(yīng)”一詞[36]，PRASAD等[37]提出了礦區(qū)附近地下水環(huán)境質(zhì)量及重金屬污染物指標(biāo)，BANKS等[38]對波蘭Siersza礦區(qū)內(nèi)廢棄礦井水位回彈進(jìn)行監(jiān)測，建立了礦井基于水位變化的變體積礦坑充水模型(MIFIM)，成功預(yù)測了廢棄礦井內(nèi)第1次水位回彈出現(xiàn)的時(shí)間與預(yù)期水位，發(fā)現(xiàn)在改變礦區(qū)地下水系統(tǒng)后污染現(xiàn)象會更加嚴(yán)重，增加治理難度。關(guān)于抽水蓄能系統(tǒng)地下水化學(xué)循環(huán)問題，德國、比利時(shí)和西班牙的學(xué)者對地下抽水蓄能系統(tǒng)(UPSH)地下水庫中的水在孔隙介質(zhì)中流動(dòng)受硫鐵礦等影響導(dǎo)致pH值下降及地面水庫的水受方解石和水合氧化鐵等的影響開展了數(shù)值模擬研究，得出在硫化礦物存在的地下空間，會因?yàn)榫植垦鯕鈮毫Φ脑黾右鹚瘜W(xué)變化，而水化學(xué)變化是UPSH系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素[39-40]。

4 廢棄礦井抽水蓄能地下水庫構(gòu)建的關(guān)鍵因素

4.1 水庫庫容

為保障一定的裝機(jī)容量，地下儲水庫應(yīng)具備足夠大的可利用空間。地下水庫特征庫容是反映抽水蓄能能力最直觀、最重要的指標(biāo)[41]。準(zhǔn)確計(jì)算特征庫容可以為廢棄礦井地下水庫裝機(jī)容量提供可靠的科學(xué)依據(jù)。特征庫容的大小取決于廢棄礦井主井、副井、風(fēng)井、大巷、水倉等可用性空間的布置特點(diǎn)及巷道網(wǎng)絡(luò)的空間拓?fù)潢P(guān)系，并受地下水文條件、蓄水位、水循環(huán)頻率、地下空間構(gòu)成、圍巖性質(zhì)及其穩(wěn)定性、改造措施等因素影響。但是，為防止泥沙淤積造成泵的堵塞抽水口不能設(shè)置在倉底，或由于壓縮空氣的存在導(dǎo)致水庫并不能完全充滿水，這部分庫容定義為死水庫容;另外，在礦井抽放水進(jìn)行蓄能和釋能的過程中，由于礦井涌水占據(jù)一定的空間并具有不確定性，實(shí)際的人工放水量遠(yuǎn)小于庫容量，這部分庫容定義為非確定性涌水庫容。因此地下水庫裝機(jī)容量實(shí)際取決于有效庫容，即由礦井在蓄能過程中可以釋放的水量或地下水庫人工補(bǔ)給量決定的，是特征庫容扣除死水庫容、非確定性涌水庫容及其他無效庫容后的庫容。

圍巖穩(wěn)定性能保證地下空間的有效利用，廢棄礦井的庫容取決于其地下空間的可利用規(guī)模。針對以巷道作為地下水庫的利用模式來說，由于采動(dòng)后期巷道變形的不確定性，其庫容計(jì)算具有一定的復(fù)雜性，如圖2(a)所示。在使用巷道作為空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)再利用進(jìn)行總庫容計(jì)算時(shí)，應(yīng)綜合考慮涌水量、儲水空間、導(dǎo)水通道等條件，對于每一巷道水容量進(jìn)行疊加處理，同時(shí)應(yīng)避免死水區(qū)與氣堵區(qū)作為特征庫容計(jì)算在內(nèi)。對于每一巷道而言，其水容量以水庫特征水位為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。其庫容計(jì)算公式可表達(dá)為

圖2 以巷道和采空區(qū)作為地下水庫Fig.2 Roadway and goaf act as underground reservoir

(1)

式中，V為水庫特征庫容;n為不同巷道分支數(shù)；Vi為單一巷道水容量;Vm，Vn，Vp，Vq分別為死水庫容、非確定性涌水庫容、死水區(qū)容量與氣堵區(qū)容量。

對于將采空區(qū)作為地下水庫的模式而言，地下水主要儲存于裂隙和孔隙中，其儲水空間主要由垮落帶與斷裂帶組成，如圖2(b)所示。其中儲水系數(shù)表示垮落帶內(nèi)的孔隙和斷裂帶內(nèi)的裂隙占相應(yīng)空間的比例，因此是采空區(qū)儲存能力主要衡量參數(shù)之一。采空區(qū)地下水庫庫容可利用儲水系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即:

VZ=μV0

(2)

式中，VZ為水庫總庫容;μ為儲水系數(shù);V0為儲水空間體積。

4.2 地下水循環(huán)

地下水庫的構(gòu)建需要防止2種情況發(fā)生:一是廢棄地下空間源源不斷地獲得鄰近采空區(qū)的補(bǔ)給造成地下水庫無法騰空，使得上水庫的水無法下放;二是地下空間騰空后，放下的水通過采空區(qū)裂隙流失而無法蓄積。這2種情況都是地下空間密閉性差造成的，因此需要探測井下尤其是礦區(qū)具有密閉性的采空區(qū)范圍，對可能出現(xiàn)裂隙滲漏的區(qū)段采取封堵措施，達(dá)到密閉要求。

煤礦采動(dòng)造成的上覆巖層的變形與破壞，同樣極大地影響到礦區(qū)的水文地質(zhì)特征，改變地表、地下水系的連通性與礦井來水，從而直接影響到地下空間的儲水量、水位以及水質(zhì)，直接決定了抽水蓄能利用的庫容穩(wěn)定性與環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)。通過前期研究發(fā)現(xiàn)，同一礦區(qū)內(nèi)的臨近礦井采區(qū)在不同水平上往往有交叉和重疊，巖層變形劇烈，井下空間交錯(cuò)，有很大的概率井下空間會發(fā)生連通，進(jìn)而改變礦井來水和地下庫容、水位。如果廢棄礦井水來自礦區(qū)內(nèi)多個(gè)礦井，需要通過廢棄煤礦井下觀測獲取影響井下空間來水量、水位的關(guān)鍵因素，并確定重要參數(shù)與主要補(bǔ)徑排通道，再進(jìn)行井下空間水量與水位的預(yù)測與控制研究，綜合能影響到該礦井水量與水位的各種因素和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)水量試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上研究不同礦井通過水文地質(zhì)的補(bǔ)徑排關(guān)系建立整體連通模型，從而構(gòu)建整個(gè)研究礦區(qū)的礦井水量-水位-流動(dòng)的模型。伴隨水資源在地下有限空間的循環(huán)與水力運(yùn)動(dòng)，水循環(huán)過程既受巷道分布形態(tài)的影響，又影響地下水庫圍巖的穩(wěn)定性和水沙運(yùn)動(dòng)過程。亞琛工業(yè)大學(xué)研發(fā)的抽水蓄能電站水循環(huán)模型則很好的模擬了這一過程[42]，如圖3所示。

圖3 抽水蓄能水循環(huán)分支通道及單通道實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental device for the branched channel model and the single channel model

4.3 地下水庫圍巖穩(wěn)定性

圍巖穩(wěn)定是廢棄礦井地下空間用作抽水蓄能水庫的前提和決定性因素，保證著地下空間密閉性。廢棄礦井原巷道的支護(hù)系統(tǒng)只考慮服務(wù)年限內(nèi)滿足礦山安全生產(chǎn)需求，廢棄礦井巷道再利用時(shí)，尤其在井下抽水蓄能電站水庫長期存放地下水的條件下，需要考慮巷道圍巖的時(shí)效性，為廢棄礦井地下水庫圍巖的長時(shí)穩(wěn)定提供理論基礎(chǔ)。另外，在抽水蓄能電站服務(wù)年限內(nèi)，地下水庫需要經(jīng)受頻繁充放水的影響，巷道的空間分布及轉(zhuǎn)向、地下水庫水沙過程等影響水庫中水的運(yùn)動(dòng)和沖擊力，對廢棄礦井巷道而言，是一個(gè)多相(固、液)、多場(滲流場、應(yīng)力場、損傷場)相互交叉作用的過程，會對圍巖-支護(hù)體的穩(wěn)定性產(chǎn)生破壞。一旦圍巖體失穩(wěn)，必然影響庫容和水流通道。開展循環(huán)蓄放水過程大型相似材料模型試驗(yàn)，揭示地下水庫圍巖變形、應(yīng)力及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，研究地下水庫運(yùn)行過程中的圍巖結(jié)構(gòu)失效致災(zāi)機(jī)理，提出合理的注漿密閉圍巖的工藝方法與穩(wěn)定控制技術(shù)，將為廢棄礦井蓄水電站設(shè)計(jì)、災(zāi)害預(yù)警與防控技術(shù)提供理論基礎(chǔ)與科學(xué)指導(dǎo)。

我國礦井井筒及巷道穿過的巖層多為富含水且孔隙發(fā)育的泥巖、砂巖等沉積巖，該類巖石具有孔隙度大、孔隙微小、吸水性強(qiáng)的特點(diǎn)，分布范圍較廣。巖石內(nèi)部孔隙及孔隙流體的存在直接影響著巖石的物理、力學(xué)性質(zhì)，如強(qiáng)度、滲透性等。廢棄礦井抽水蓄能電站水庫要求礦井井下再利用空間具有密閉性，其不同于抵抗地應(yīng)力技術(shù)，而是在有效支撐空間利用立體結(jié)構(gòu)的前提下，保證空間的密閉性，以防止地下水滲透。因此為進(jìn)一步提高圍巖的強(qiáng)度及地下水庫的密閉性，除了采用常規(guī)的水泥注漿、化學(xué)注漿外，亟需結(jié)合水泥類漿液的特性、孔隙滲流規(guī)律方面的成果，研制低黏度、高注性、強(qiáng)密閉的新型注漿材料，構(gòu)建低滲透性煤巖體劈裂-滲透注漿技術(shù)，解決巖石微觀孔隙堵水密閉與加固技術(shù)難題，這是保障廢棄礦井地下水庫圍巖密閉性與長期穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)。

4.4 水質(zhì)因素

水質(zhì)既影響水環(huán)境，又影響設(shè)備的使用壽命甚至影響其能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，破壞地下水的循環(huán)，還影響圍巖-支護(hù)體的穩(wěn)定性。因此需要解決3方面的技術(shù)，一是礦井水品質(zhì)實(shí)時(shí)全空間監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)。基于采礦活動(dòng)所遺棄的井下垃圾類別和礦井所特有的酸性環(huán)境，建立礦井水品質(zhì)指標(biāo)體系，開發(fā)針對礦井水的物理、化學(xué)、生物特征提取技術(shù);針對矸石山淋濾水、井巷竄水、采空區(qū)積水、第四系水、地表水等污染類型，建立井下-井上一體化的實(shí)時(shí)全空間水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和海量存儲。二是礦井水污染預(yù)測與報(bào)警技術(shù)。基于礦井水品質(zhì)實(shí)時(shí)全空間監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，開發(fā)礦井水品質(zhì)特征數(shù)據(jù)提取技術(shù)，構(gòu)建礦井水品質(zhì)實(shí)時(shí)/長期變化模型，建立水質(zhì)-圍巖-設(shè)備-環(huán)境耦合損傷模型，確定污染報(bào)警綜合評判值，開發(fā)礦井水污染預(yù)測與報(bào)警技術(shù)。三是礦井水污染防治技術(shù)?；诘V井水品質(zhì)實(shí)時(shí)全空間監(jiān)測系統(tǒng)和污染預(yù)測/報(bào)警技術(shù)，根據(jù)礦井水污染的特點(diǎn)、來源、類型、程度，開發(fā)不同條件下有效控制礦井水污染的技術(shù)方法、工程工藝和設(shè)備系統(tǒng)。

5 工程設(shè)計(jì)示例分析

5.1 廢棄礦井抽水蓄能設(shè)計(jì)概況

以江蘇省徐州市權(quán)臺煤礦為例，該煤礦位于徐州市賈汪區(qū)，始建于1958年，2011年關(guān)井，礦井生產(chǎn)能力150萬t/a，其中豎井截面直徑為9.42 m，深度為500 m?；趯U棄礦井抽水蓄能電站設(shè)計(jì)需求，可以把礦井周邊權(quán)臺礦和旗山礦水深1.5～4.0 m的部分采煤塌陷區(qū)域作為上水庫，井下約21 km的開拓巷道作為下水庫。根據(jù)礦井地下水庫容量，初步設(shè)計(jì)廢棄礦井單井抽水蓄能容量100 MW的電站工程。

5.2 電站地下水庫建設(shè)

5.2.1裝機(jī)容量計(jì)算

利用廢棄礦井空間作為地下水庫，其裝機(jī)容量或電站日平均出力主要取決于電站設(shè)備能力及地下水庫的蓄能能力，而地下水庫設(shè)計(jì)流量、有效水頭決定了電站蓄能能力大小。由于地下水庫空間拓樸關(guān)系的復(fù)雜性、狹長空間密封性等特點(diǎn)，其水體設(shè)計(jì)流量除了與抽水蓄能電站設(shè)備有關(guān)外，還與地下水庫的庫容、徑流、每天滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)間、巷道匯流反射及變幅等限制因素[42]呈非線性關(guān)系，如圖4所示。地下水庫庫容、電站日平均出力與設(shè)計(jì)流量等因素之間的基本關(guān)系為

V=150(24T-T2)Qn(x1,x2,…,xn)

(3)

N=KQs(Hm-Hs)

(4)

式中，V為日調(diào)節(jié)需要的庫容，m3;T為每天滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)間，h;Qn為設(shè)計(jì)流量，其數(shù)值由多因素決定，m3/s;x1,x2,…,xn為設(shè)計(jì)流量各影響參數(shù);N為電站日平均出力，kW;K為電站出力系數(shù);Hm為電站毛水頭，m;Hs為電站水頭損失量，m。

根據(jù)式(3),(4)可以計(jì)算出不同的抽水蓄能建設(shè)規(guī)模在理想條件下的最小水庫庫容大小。以徐州權(quán)臺礦為例，設(shè)計(jì)抽水蓄能建設(shè)規(guī)模100 MW，設(shè)計(jì)流量為20.8 m3/s、每天發(fā)電時(shí)間4 h、500 m水頭計(jì)算，則權(quán)臺煤礦下水庫庫容最小需550 000 m3，否則就不具備抽水蓄能電站設(shè)計(jì)能力。

5.2.2廢棄礦井水循環(huán)優(yōu)化

抽水蓄能電站地下水庫沿用原有的礦井巷道，豎井作為電站引水通路，引水管道采用承壓螺旋縫焊接鋼管。鋼管的一端從塌陷區(qū)湖底引出，為保護(hù)湖中魚蝦等生物及避免湖底的淤泥進(jìn)入管道發(fā)生堵塞，在鋼管的進(jìn)口截面設(shè)置2層鋼絲網(wǎng)起過濾作用。鋼管向地下井巷延伸時(shí)固定在豎井壁面，結(jié)合井下開拓巷道空間拓?fù)潢P(guān)系鋼管在水平巷道中設(shè)置多個(gè)取放水點(diǎn)。

權(quán)臺煤礦地下井巷根據(jù)煤層高程及功能的變化而變化，所以走向、深度及截面大小不盡相同。為確保下水庫中的水能夠在井巷里流通順暢，需要在原井巷的基礎(chǔ)上做封堵調(diào)整和改擴(kuò)建施工，井巷未經(jīng)改善的走勢如圖5(a)所示，優(yōu)化后的流水路線如圖5(b)所示。通過井巷的調(diào)整和改正，保證了地下水庫良好的水循環(huán)。

圖5 井巷改善前、后的對比(單位：m)Fig.5 Comparison of roadway before and after

5.2.3井巷防水防滲加固

根據(jù)地下水庫圍巖巖性及裂隙了發(fā)育情況，在設(shè)計(jì)中除了采用常見的水泥砂漿、混凝土、均質(zhì)黏壤性土壤、瀝青混凝土防滲層、化學(xué)材料等進(jìn)行襯砌和注漿外，還采用新型的水泥基碳納米管注漿材料對微細(xì)裂縫進(jìn)行注漿。對于水庫吸排水口地基軟弱部，進(jìn)行重錘沖擊試驗(yàn)，將此處所含夾泥層沖洗干凈，然后用膠管水泥砂漿和混凝土進(jìn)行堵封，再在其上鋪設(shè)瀝青混凝土，以保持防滲層的穩(wěn)定，減少吸排水過程中涌浪對地基泥巖的沖刷。通過防水防滲加固處理，避免地下水庫圍巖的穩(wěn)定性和水沙運(yùn)動(dòng)過程受到影響。

5.2.4水質(zhì)凈化

煤礦井下與表生環(huán)境具有明顯差異，地下水流入采空區(qū)后使得水質(zhì)較差，如通過廢棄礦井抽水蓄能電站外排到地表水庫后，礦井水中的有害物質(zhì)必將污染上水庫水體及周邊土地，同時(shí)這些下水庫的連續(xù)抽排作用，還會對水泵水輪機(jī)、管路等發(fā)電裝備產(chǎn)生腐蝕作用。為了使水質(zhì)達(dá)到外排的環(huán)保要求，在地表上水庫附近增設(shè)水體凈化廠房，經(jīng)過污水凈化處理水質(zhì)達(dá)標(biāo)后進(jìn)行外排，從而避免水質(zhì)對環(huán)境及設(shè)備的影響。

5.3 經(jīng)濟(jì)性分析

權(quán)臺煤礦廢棄礦井抽水蓄能電站裝機(jī)容量按照100 MW(單機(jī)容量100 MW，2臺，一用一備)設(shè)計(jì)，經(jīng)初步測算，其基建、設(shè)備等固定資產(chǎn)投資約16 020萬元;每年抽水量為4 529萬m3，抽水電費(fèi)2 080萬元/a，平均水處理費(fèi)用以0.3元/t計(jì)約1 358萬元/a，綜合折舊費(fèi)、修理維護(hù)費(fèi)、職工工資福利費(fèi)、材料費(fèi)等1 335萬元/a，則發(fā)電總成本費(fèi)用總計(jì)4 773萬元/a;年發(fā)電量約9 372萬kW·h，按照峰谷電價(jià)并考慮新能源發(fā)電量折算上網(wǎng)電量電價(jià)0.868元/(kW·h)，則年發(fā)電銷售毛收入8 135萬元。綜上，權(quán)臺礦廢棄礦井抽水蓄能電站年發(fā)電利潤總額3 362萬元，約4.8 a可以收回投資。如果加大風(fēng)、光等綠色能源的轉(zhuǎn)換比例則可以進(jìn)一步提高發(fā)電銷售收入，同時(shí)地面水庫進(jìn)行防滲處理則水處理成本會大幅下降，經(jīng)濟(jì)效益更為明顯。

6 結(jié) 論

(1)我國廢棄煤礦井從地理位置分布看，廢棄煤礦井橫向、縱向分布區(qū)與我國北部風(fēng)/光能源帶、東部沿海風(fēng)/核能源帶地理分布相一致，指出與普通抽水蓄能電站相比，廢棄礦井上水庫、下水庫、發(fā)電裝備及其他設(shè)備等組成上的異同。

(2)分析了廢棄礦井抽水蓄能電站地下水庫所處的工程與應(yīng)力環(huán)境，并據(jù)此提出了最為關(guān)鍵的2個(gè)科學(xué)問題:一是水文地質(zhì)與水化學(xué)特征及水循環(huán)過程對選址的影響;二是廢棄礦井地下空間巖體穩(wěn)定性和密閉性對運(yùn)行的影響，并分析了廢棄礦井抽水蓄能地下水庫技術(shù)框架及研究現(xiàn)狀。

(3)從地下水庫庫容、地下水循環(huán)、圍巖穩(wěn)定性與水質(zhì)因素等4個(gè)方面分析了廢棄礦井抽水蓄能地下水庫構(gòu)建的關(guān)鍵因素，并以權(quán)臺礦廢棄礦井抽水蓄能設(shè)計(jì)為例，指出在原有礦井基礎(chǔ)上改建為礦井抽水蓄能電站需要采取的措施，論證了廢棄礦井地下空間作為抽水蓄能的地下水庫利用的可行性。