廢棄礦井抽水蓄能地下水庫構建的基礎問題探索

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

(1.中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；3.RWTH Aachen University, Institute for Mine Surveying, Aachen 52062；4.中國礦業大學 電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221116；5.City University of London, Dept. Mechanical Engineering and Aeronautics, London EC1V0HB)

我國關閉礦井數量龐大,根據中國工程院重點咨詢項目“我國煤炭資源高效回收及節能戰略研究”預測:2020年，我國關閉礦井數量達到12 000處，2030年將到達15 000處[1]。關閉礦井造成地下空間體量巨大，初步統計現有可利用地下空間長約100萬km，體積可達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、武強等院士和專家提出了廢棄礦井轉型升級與地下空間綜合利用戰略構想，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、地下生態景觀體驗區等。謝和平等[3]對我國煤礦井下儲水蓄能發電能力進行了預測,研究表明,利用廢舊煤礦和礦井水庫的蓄能發電量約為2014年我國全年發電總量的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、生態環境修復、工人就地安置等問題，而且可以突破常規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、縱向廢棄礦井區分別與北部風/光能源帶、東部沿海風/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構調整特別是新能源、智能電網的發展提供巨大的戰略空間，與傳統的化學蓄能相比能很好的解決部分地區棄風棄光的現象。

1 廢棄礦井抽水蓄能機理及其結構

抽水蓄能電站已經成功運用了100多年，是目前可靠性最高、經濟性最好、容量最大、技術最成熟的規模儲能解決方案。與常規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將電網過剩電力或風能、光能等電力驅動水泵，將下水庫的水抽至上水庫，此時為耗能過程，在用電高峰時則將上水庫的水通過發電機排到下水庫，將水的勢能轉換為電能。不同的是，廢棄礦井抽水蓄能電站的下水庫由巷道、采空區等井下廢棄空間構成。

(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廣場周邊，因此，通過采煤塌陷地治理與生態修復相結合，實施挖深墊淺、水利改造等工程，把采煤塌陷地連片改造,打造集水產養殖、水生種植等為一體的生態修復示范工程,構建地表塌陷區水庫為主、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，其缺點是水庫蒸發量大，對上下水庫循環水的水質要求較高，如有污染則需要進行凈化處理達到外排要求，因此增加了抽水蓄能電站的發電成本;對于不具備構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系，但其優點是水庫蒸發量極少、對上下水庫循環水的水質要求不是很高，特別適于干旱缺水地區的廢棄礦洞再利用。

(2)下水庫。對于廢棄礦井抽水蓄能下水庫而言，其建設必須滿足幾個必要條件，即:密閉的環境、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構主要由礦井的開拓巷道、上下山及采空區等井下空間構成，因此可以根據不同的地下空間再利用模式，將下水庫分為唯巷道建設模式及巷道加采空區建設模式。相比較而言，采空區作為地下水庫的一部分實施較為困難，可以根據采空區與地下水體的水力聯系程度、水庫庫容與發電機組裝機容量、水處理能力及經濟投入等方面進行綜合考慮，而巷道作為地下水庫其密封性較易實現，因此本文以開拓巷道作為地下水庫的主要研究對象。

(3)發電設備。廢棄礦井抽水蓄能電站除了常規抽水管路、控制設備、廢棄礦洞抽水蓄能變速機組運行控制與集群調度系統外，水泵水輪機也是廢棄礦井抽水蓄能電站最核心和最關鍵的裝備。水泵水輪機是水泵與水輪機的結合，可以實現水泵抽水蓄能，又可以作為水輪機拖動發電機發電，是抽水蓄能電站最核心的設備。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、礦井水品質差的特點，需要開發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、超高轉速、耐氣蝕、耐磨蝕、耐腐蝕)水泵水輪機。

(4)其他設備。廢棄礦洞空間密閉且狹長、地下水溫相對較高等特點，需要安裝用于設備完好性、圍巖穩定性及水質檢測的深水深地水陸兩棲機器人巡護系統、廢棄礦洞群抽水蓄能電站監控大數據平臺、廢棄礦井抽水蓄能潮汐式余熱高效利用系統等。另外抽水蓄能屬于電網調峰或可再生能源儲用的間隙式發電過程，需地面智能電網的支持。

2 廢棄礦井地下水庫構建科學問題

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力環境為:地下水庫圍巖及人工壩體處于高地應力環境;采空區垮落的巖體及上覆巖層在很長時期內處于運動狀態，對水庫圍巖會產生側向壓力;庫內長期頻繁抽充水對圍巖產生強烈的循環疲勞載荷作用;高落差大流量水流沖擊、巷道內波浪及其反射、礦震等強動力沖擊對水庫圍巖的作用;受采煤擾動后覆巖水文地質條件、地下水環境質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的地下水與煤巖體的相互作用下離子濃度、pH值和總溶解固體濃度等更具不確定性。可見，廢棄礦井地下空間雖然為建設抽水蓄能電站地下水庫創造了得天獨厚的條件，但其地下水庫圍巖處于高地應力、循環工況載荷、動力沖擊等復雜荷載的多重作用與原有礦井所處的環境有了本質的變化，原巷道作為地下水庫再利用時，除了需要考慮經濟可行性、環境影響、抽水蓄能發電系統對大落差、有限空間的適宜性外，還需考慮地下水質及水循環的適宜性;地下水庫圍巖在長期、頻繁抽充水條件下原有支護技術的時效性;廢棄礦井抽水蓄能電站水庫具有的密閉性等。因此，作為地下水庫應用的基礎理論研究，還有大量與礦山巖石力學有關的關鍵科學問題需要解決:① 地下礦井水庫抽水蓄能發電選址標準和安全、環境、水源等綜合性評價標準;② 在長期蓄水和循環抽充水(循環加、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定性、安全性和密閉性;③ 老舊礦井穩定性、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實需求，在把戰略構想轉化為實際工程之前，有許多基礎性的科學問題需要解決，其中最為關鍵的2個科學問題:一是水文地質與水化學特征及水循環過程對選址的影響;二是廢棄礦井地下空間巖體穩定性和密閉性對運行的影響。這些基礎性問題探索為建立廢棄礦井地下空間再利用準則、圍巖穩定與密閉性、抽水蓄能電站地下水庫加固設計和施工提供科學依據。

2.2 廢棄礦井抽水蓄能地下水庫構建技術框架

針對上述問題，擬開展廢棄礦井水文地質、水化學特征與水循環過程、廢棄礦井地下水庫庫容及其變化、圍巖體-支護結構的穩定性與密閉性、地下水庫工程的安全性等4個方面的研究，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則；另一方面通過對地下水庫庫容的計算與加固后水庫長期穩定性的分析，提出廢棄礦井地下水庫服務年限(壽命)的計算方法。通過對循環抽放水誘發地震、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行提供理論依據。

針對廢棄礦井抽水蓄能地下水庫建設的2個關鍵問題，可將其劃分成4個技術方面進行分析: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必須具備3個必要條件，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、硐室及采空區等，連通性強，圍巖穩定性各異，其庫容量需要綜合考慮地下水源及其連通性、圍巖穩定性、地下空間的儲水系數等。③ 巷道圍巖長期變形及支護的時效性。廢棄礦井巷道再利用時，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效性，為廢棄礦井地下水庫圍巖的長期穩定提供理論基礎。④ 水循環對水源及水質的保障。抽水蓄能水循環過程中地下水庫必須保持適當的水位，以免淹井、缺水或過量抽取地下水導致地下水位大幅下降，此外在良好的水循環中，通過沉淀、過濾、生化及水化等作用可保證水質，與此同時水質的情況同樣影響著水循環及圍巖的穩定性，良好的水質可有效防止污染的地下水損害抽水蓄能設備，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鍵因素，即:水庫庫容、地下水循環、圍巖穩定與水質因素。具體技術路線如圖1所示。

圖1 廢棄礦井抽水蓄能地下水庫建設技術路線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研究現狀

從可檢索到的文獻看，尚缺乏選址時如何考慮水文地質與水化學特征及水循環過程問題的研究，以及廢棄煤礦地下空間作為抽水蓄能地下水庫使用時的圍巖長期穩定性和密閉性問題的研究，但國內外專家從不同層面對相關問題進行了有益探索。

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，不少學者提出了利用廢棄煤礦地下空間儲氣、儲油、儲存危險固體廢料及儲能的設想，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，由于裂隙發育、巖體穩定性差，儲氣、儲油、儲存危險固廢、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，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、經濟，因此，國際上公認為鹽巖體是石油、天然氣儲存的最理想介質[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為博物館，成為觀光游覽勝地[8]。BARTEL較為詳細地介紹了德國地下空間規劃的必要性、潛在的沖突、空間規劃的法規、數據的有效性、環境風險等，提出了采礦地下空間利用應遵循的原則[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驗室研究[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)，現已在地下75 m處建成一座物理實驗室，并在地下1 430 m處開拓出了建設一座120 m2實驗室所需的空間，規劃的關閉后開發利用方向包括:抽水蓄能、建設數據中心、生物質燃料中轉站等[5]。比利時的學者提出利用露天石灰石礦坑作為抽水蓄能的下水庫[12]。在眾多的研究設想中，都認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行大量的地下空間開挖，但是現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境下，巖體必須具備足夠的穩定性，否則既影響庫容，又影響抽水蓄能設備的安全運行[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行的實際案例，但是我國學者提出了“導儲用”為核心的煤礦地下水庫地下水保護利用理念[14]，研究開發了涵蓋煤礦地下水庫設計、建設和運行的技術體系，包括水源預測、水庫選址、庫容設計、壩體構建、安全運行和水質保障等六大關鍵技術，并在神東礦區成功建設了示范工程;針對煤礦地下水庫是利用采空區垮落巖體孔隙儲水的特點，提出了儲水系數的概念，并提出煤礦地下水庫壩體具有結構特殊和受力復雜的特征，結構特殊體現為:非連續、變斷面和非均質，地下水庫壩體受力復雜表現在:礦壓、水壓和地震。美國有關地下抽水蓄能電站的研究表明:巖石的強度對于地下空間的建造特別重要，首選侵入巖和變質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，地下水庫選址的巖石特別是含鐵的巖石不能和水發生化學作用，且巖石的強度不受蓄能電站運行(循環加卸載)的影響[3]。關于水封地下儲油庫巖體穩定性的研究，LI等[15]提出了圍巖分類分析模型，提出了由5個主要指標構成的指標體系，即巖石強度、巖石整體性、不連續表面特性、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。關于采空區儲水庫容的計算，龐義輝等[16]基于工作面上覆巖層斷裂分帶劃分結果，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算表達式。鞠金峰等[17]則提出了極限庫容與合理庫容的概念，認為地下水庫的儲水容量即為儲水范圍內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模型的構建，得到了考慮煤層傾角條件下垮落帶巖體孔隙量的計算公式;利用覆巖采動裂隙分布的“O”形圈理論模型，獲得了覆巖各層關鍵層底界面及相鄰關鍵層間斷裂巖層的離層孔隙量確定方法;由此根據儲水水位在覆巖垮裂帶內的不同位置，建立了地下水庫儲水容量的數學表達式，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、硐室及采空區等，連通性強，圍巖穩定性各異，其庫容量需要綜合考慮地下水源及其連通性、圍巖穩定性、地下空間的儲水系數等。

3.3 巷道圍巖長期變形及支護的時效性研究

國外學者提出破裂巖石在圍壓狀態下蠕變破壞的時間隨圍壓按指數規律增加，并存在一個圍壓漸近值，在小于該值時，破裂巖石處于長期穩定狀態[18]。我國學者以砂巖、含軟弱夾層的頁巖等為研究對象開展了蠕變試驗，揭示了破裂砂巖蠕變失穩過程存在減速蠕變、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，發現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系，建立了改進的Burgers非線性損傷蠕變模型，充分反映了炭質頁巖的蠕變變形過程[19-20]。在模型研究方面，以廣泛應用的元件組合模型為基礎，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裝置及聲發射監測系統，對2種粒徑粉砂質泥巖進行了飽水狀態下不同溫度和圍壓的蠕變力學試驗，得出穩態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函數增長[24];以西原體蠕變模型為基礎，添加含水元件，建立了與含水量相關的泥巖蠕變模型[25]。在巷道支護方面，我國學者研發了能量吸收錨桿，利用錨桿較大的伸長量適應軟巖大變形，防止錨桿拉伸變形過大而破斷，構建了軟巖大變形力學分析系統，研發了具有負泊松比效應的恒阻大變形錨桿/錨索[26];提出了高預應力、強力支護理論，開發了煤礦錨桿支護成套技術與地質力學測試設備[27];研制了大型地質力學模型試驗系統，揭示了巷道開挖支護過程中的圍巖內部應力與變形的演化規律，研制了高承載力的礦用U型約束混凝土拱架[28];采用現場調研、礦物成分分析、圍巖結構窺視等方法，揭示了圍巖變形破壞機理，提出了“協調圍巖非均勻變形、控制擠壓流動底臌、強化圍巖承載結構”的支護理念[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制，提出了深部巖巷分步聯合支護技術[30];研究了支護阻力對深部高應力巷道圍巖變形的影響規律，提出了深部巷道圍巖預留“給定變形”與多重支護理念[31]。

廢棄礦井原巷道的支護系統只考慮了服務年限內滿足礦山安全生產需求，沒有考慮礦井停產后地下空間的再利用時圍巖變形與穩定問題。廢棄礦井巷道再利用時，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效性，為廢棄礦井地下水庫圍巖的長期穩定提供理論基礎。

3.4 水循環對水源及水質的保障分析

抽水蓄能需要保障良好的水循環，水循環過程需要有豐富的水源和良好的水質。良好的水循環在于:地下水必須保持適當的水位不至于淹井，同時也需要有充足的水源不至于缺水或過量抽取地下水導致地下水位大幅下降。良好的水質既要防止污染的地下水損害抽水蓄能設備，又要防止污染的地下水抽排到地面污染地表水體。

我國學者圍繞受采煤擾動后覆巖水文地質條件演變機理開展了富有成效的研究，最為關注的問題包括淺埋煤層巖層移動、導水裂隙帶發育規律、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的影響評價與區域水資源動態平衡等[32-33]。關于關閉礦井的水文地質變化與災害，虎維岳等[34]在研究廢棄礦井地下水運移介質場結構特征、地下水循環運動特征、水動力場特征的基礎上，分析了廢棄礦井水位回彈誘致的環境與安全災害，指出了已關閉礦井的水資源及地質災害面臨的種種問題;WANG等[35]對地下儲油設施的水文地球化學變化進行了分析，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值和總溶解固體濃度變化研究了地下水與圍巖體的相互作用，通過統計分析化學物質的相似度研究地下水與水幕系統的相互作用;國際上以BRODIE為首的科學家以煤礦開采區地下水水質及水量為主要研究對象，率先提出“水文地質效應”一詞[36]，PRASAD等[37]提出了礦區附近地下水環境質量及重金屬污染物指標，BANKS等[38]對波蘭Siersza礦區內廢棄礦井水位回彈進行監測，建立了礦井基于水位變化的變體積礦坑充水模型(MIFIM)，成功預測了廢棄礦井內第1次水位回彈出現的時間與預期水位，發現在改變礦區地下水系統后污染現象會更加嚴重，增加治理難度。關于抽水蓄能系統地下水化學循環問題，德國、比利時和西班牙的學者對地下抽水蓄能系統(UPSH)地下水庫中的水在孔隙介質中流動受硫鐵礦等影響導致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值模擬研究，得出在硫化礦物存在的地下空間，會因為局部氧氣壓力的增加引起水化學變化，而水化學變化是UPSH系統設計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建的關鍵因素

4.1 水庫庫容

為保障一定的裝機容量，地下儲水庫應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[41]。準確計算特征庫容可以為廢棄礦井地下水庫裝機容量提供可靠的科學依據。特征庫容的大小取決于廢棄礦井主井、副井、風井、大巷、水倉等可用性空間的布置特點及巷道網絡的空間拓撲關系，并受地下水文條件、蓄水位、水循環頻率、地下空間構成、圍巖性質及其穩定性、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置在倉底，或由于壓縮空氣的存在導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，在礦井抽放水進行蓄能和釋能的過程中，由于礦井涌水占據一定的空間并具有不確定性，實際的人工放水量遠小于庫容量，這部分庫容定義為非確定性涌水庫容。因此地下水庫裝機容量實際取決于有效庫容，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模。針對以巷道作為地下水庫的利用模式來說，由于采動后期巷道變形的不確定性，其庫容計算具有一定的復雜性，如圖2(a)所示。在使用巷道作為空間拓撲結構再利用進行總庫容計算時，應綜合考慮涌水量、儲水空間、導水通道等條件，對于每一巷道水容量進行疊加處理，同時應避免死水區與氣堵區作為特征庫容計算在內。對于每一巷道而言，其水容量以水庫特征水位為標準進行計算。其庫容計算公式可表達為

圖2 以巷道和采空區作為地下水庫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；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、死水區容量與氣堵區容量。

對于將采空區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。其中儲水系數表示垮落帶內的孔隙和斷裂帶內的裂隙占相應空間的比例，因此是采空區儲存能力主要衡量參數之一。采空區地下水庫庫容可利用儲水系數進行計算，即:

VZ=μV0

(2)

式中，VZ為水庫總庫容;μ為儲水系數;V0為儲水空間體積。

4.2 地下水循環

地下水庫的構建需要防止2種情況發生:一是廢棄地下空間源源不斷地獲得鄰近采空區的補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具有密閉性的采空區范圍，對可能出現裂隙滲漏的區段采取封堵措施，達到密閉要求。

煤礦采動造成的上覆巖層的變形與破壞，同樣極大地影響到礦區的水文地質特征，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，直接決定了抽水蓄能利用的庫容穩定性與環境影響風險。通過前期研究發現，同一礦區內的臨近礦井采區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，有很大的概率井下空間會發生連通，進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內多個礦井，需要通過廢棄煤礦井下觀測獲取影響井下空間來水量、水位的關鍵因素，并確定重要參數與主要補徑排通道，再進行井下空間水量與水位的預測與控制研究，綜合能影響到該礦井水量與水位的各種因素和參數進行實時水量試驗，在此基礎上研究不同礦井通過水文地質的補徑排關系建立整體連通模型，從而構建整個研究礦區的礦井水量-水位-流動的模型。伴隨水資源在地下有限空間的循環與水力運動，水循環過程既受巷道分布形態的影響，又影響地下水庫圍巖的穩定性和水沙運動過程。亞琛工業大學研發的抽水蓄能電站水循環模型則很好的模擬了這一過程[42]，如圖3所示。

圖3 抽水蓄能水循環分支通道及單通道實驗裝置Fig.3 Experimental device for the branched channel model and the single channel model

4.3 地下水庫圍巖穩定性

圍巖穩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系統只考慮服務年限內滿足礦山安全生產需求，廢棄礦井巷道再利用時，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效性，為廢棄礦井地下水庫圍巖的長時穩定提供理論基礎。另外，在抽水蓄能電站服務年限內，地下水庫需要經受頻繁充放水的影響，巷道的空間分布及轉向、地下水庫水沙過程等影響水庫中水的運動和沖擊力，對廢棄礦井巷道而言，是一個多相(固、液)、多場(滲流場、應力場、損傷場)相互交叉作用的過程，會對圍巖-支護體的穩定性產生破壞。一旦圍巖體失穩，必然影響庫容和水流通道。開展循環蓄放水過程大型相似材料模型試驗，揭示地下水庫圍巖變形、應力及支護結構的受力狀態，研究地下水庫運行過程中的圍巖結構失效致災機理，提出合理的注漿密閉圍巖的工藝方法與穩定控制技術，將為廢棄礦井蓄水電站設計、災害預警與防控技術提供理論基礎與科學指導。

我國礦井井筒及巷道穿過的巖層多為富含水且孔隙發育的泥巖、砂巖等沉積巖，該類巖石具有孔隙度大、孔隙微小、吸水性強的特點，分布范圍較廣。巖石內部孔隙及孔隙流體的存在直接影響著巖石的物理、力學性質，如強度、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，其不同于抵抗地應力技術，而是在有效支撐空間利用立體結構的前提下，保證空間的密閉性，以防止地下水滲透。因此為進一步提高圍巖的強度及地下水庫的密閉性，除了采用常規的水泥注漿、化學注漿外，亟需結合水泥類漿液的特性、孔隙滲流規律方面的成果，研制低黏度、高注性、強密閉的新型注漿材料，構建低滲透性煤巖體劈裂-滲透注漿技術，解決巖石微觀孔隙堵水密閉與加固技術難題，這是保障廢棄礦井地下水庫圍巖密閉性與長期穩定的關鍵技術。

4.4 水質因素

水質既影響水環境，又影響設備的使用壽命甚至影響其能否正常運轉，破壞地下水的循環，還影響圍巖-支護體的穩定性。因此需要解決3方面的技術，一是礦井水品質實時全空間監測系統構建技術。基于采礦活動所遺棄的井下垃圾類別和礦井所特有的酸性環境，建立礦井水品質指標體系，開發針對礦井水的物理、化學、生物特征提取技術;針對矸石山淋濾水、井巷竄水、采空區積水、第四系水、地表水等污染類型，建立井下-井上一體化的實時全空間水質監控系統，并實現數據的實時采集和海量存儲。二是礦井水污染預測與報警技術。基于礦井水品質實時全空間監測數據庫，開發礦井水品質特征數據提取技術，構建礦井水品質實時/長期變化模型，建立水質-圍巖-設備-環境耦合損傷模型，確定污染報警綜合評判值，開發礦井水污染預測與報警技術。三是礦井水污染防治技術。基于礦井水品質實時全空間監測系統和污染預測/報警技術，根據礦井水污染的特點、來源、類型、程度，開發不同條件下有效控制礦井水污染的技術方法、工程工藝和設備系統。

5 工程設計示例分析

5.1 廢棄礦井抽水蓄能設計概況

以江蘇省徐州市權臺煤礦為例，該煤礦位于徐州市賈汪區，始建于1958年，2011年關井，礦井生產能力150萬t/a，其中豎井截面直徑為9.42 m，深度為500 m。基于對廢棄礦井抽水蓄能電站設計需求，可以把礦井周邊權臺礦和旗山礦水深1.5～4.0 m的部分采煤塌陷區域作為上水庫，井下約21 km的開拓巷道作為下水庫。根據礦井地下水庫容量，初步設計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

5.2.1裝機容量計算

利用廢棄礦井空間作為地下水庫，其裝機容量或電站日平均出力主要取決于電站設備能力及地下水庫的蓄能能力，而地下水庫設計流量、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系的復雜性、狹長空間密封性等特點，其水體設計流量除了與抽水蓄能電站設備有關外，還與地下水庫的庫容、徑流、每天滿負荷發電時間、巷道匯流反射及變幅等限制因素[42]呈非線性關系，如圖4所示。地下水庫庫容、電站日平均出力與設計流量等因素之間的基本關系為

V=150(24T-T2)Qn(x1,x2,…,xn)

(3)

N=KQs(Hm-Hs)

(4)

式中，V為日調節需要的庫容，m3;T為每天滿負荷發電時間，h;Qn為設計流量，其數值由多因素決定，m3/s;x1,x2,…,xn為設計流量各影響參數;N為電站日平均出力，kW;K為電站出力系數;Hm為電站毛水頭，m;Hs為電站水頭損失量，m。

根據式(3),(4)可以計算出不同的抽水蓄能建設規模在理想條件下的最小水庫庫容大小。以徐州權臺礦為例，設計抽水蓄能建設規模100 MW，設計流量為20.8 m3/s、每天發電時間4 h、500 m水頭計算，則權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計能力。

5.2.2廢棄礦井水循環優化

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湖底引出，為保護湖中魚蝦等生物及避免湖底的淤泥進入管道發生堵塞，在鋼管的進口截面設置2層鋼絲網起過濾作用。鋼管向地下井巷延伸時固定在豎井壁面，結合井下開拓巷道空間拓撲關系鋼管在水平巷道中設置多個取放水點。

權臺煤礦地下井巷根據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上做封堵調整和改擴建施工，井巷未經改善的走勢如圖5(a)所示，優化后的流水路線如圖5(b)所示。通過井巷的調整和改正，保證了地下水庫良好的水循環。

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

根據地下水庫圍巖巖性及裂隙了發育情況，在設計中除了采用常見的水泥砂漿、混凝土、均質黏壤性土壤、瀝青混凝土防滲層、化學材料等進行襯砌和注漿外，還采用新型的水泥基碳納米管注漿材料對微細裂縫進行注漿。對于水庫吸排水口地基軟弱部，進行重錘沖擊試驗，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行堵封，再在其上鋪設瀝青混凝土，以保持防滲層的穩定，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定性和水沙運動過程受到影響。

5.2.4水質凈化

煤礦井下與表生環境具有明顯差異，地下水流入采空區后使得水質較差，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必將污染上水庫水體及周邊土地，同時這些下水庫的連續抽排作用，還會對水泵水輪機、管路等發電裝備產生腐蝕作用。為了使水質達到外排的環保要求，在地表上水庫附近增設水體凈化廠房，經過污水凈化處理水質達標后進行外排，從而避免水質對環境及設備的影響。

5.3 經濟性分析

權臺煤礦廢棄礦井抽水蓄能電站裝機容量按照100 MW(單機容量100 MW，2臺，一用一備)設計，經初步測算，其基建、設備等固定資產投資約16 020萬元;每年抽水量為4 529萬m3，抽水電費2 080萬元/a，平均水處理費用以0.3元/t計約1 358萬元/a，綜合折舊費、修理維護費、職工工資福利費、材料費等1 335萬元/a，則發電總成本費用總計4 773萬元/a;年發電量約9 372萬kW·h，按照峰谷電價并考慮新能源發電量折算上網電量電價0.868元/(kW·h)，則年發電銷售毛收入8 135萬元。綜上，權臺礦廢棄礦井抽水蓄能電站年發電利潤總額3 362萬元，約4.8 a可以收回投資。如果加大風、光等綠色能源的轉換比例則可以進一步提高發電銷售收入，同時地面水庫進行防滲處理則水處理成本會大幅下降，經濟效益更為明顯。

6 結 論

(1)我國廢棄煤礦井從地理位置分布看，廢棄煤礦井橫向、縱向分布區與我國北部風/光能源帶、東部沿海風/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、發電裝備及其他設備等組成上的異同。

(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力環境，并據此提出了最為關鍵的2個科學問題:一是水文地質與水化學特征及水循環過程對選址的影響;二是廢棄礦井地下空間巖體穩定性和密閉性對運行的影響，并分析了廢棄礦井抽水蓄能地下水庫技術框架及研究現狀。

(3)從地下水庫庫容、地下水循環、圍巖穩定性與水質因素等4個方面分析了廢棄礦井抽水蓄能地下水庫構建的關鍵因素，并以權臺礦廢棄礦井抽水蓄能設計為例，指出在原有礦井基礎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。