废弃矿井抽水蓄能地下水库构建的基础问题探索

卞正富，周跃进，曾春林，黄 赳，浦 海，AXEL Preusse，张保生， HABIL Christoph Bruecker，白海波，孟庆彬，陈 宁

(1.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；3.RWTH Aachen University, Institute for Mine Surveying, Aachen 52062；4.中国矿业大学 电气与动力工程学院，江苏 徐州 221116；5.City University of London, Dept. Mechanical Engineering and Aeronautics, London EC1V0HB)

我国关闭矿井数量庞大,根据中国工程院重点咨询项目“我国煤炭资源高效回收及节能战略研究”预测:2020年，我国关闭矿井数量达到12 000处，2030年将到达15 000处[1]。关闭矿井造成地下空间体量巨大，初步统计现有可利用地下空间长约100万km，体积可达156亿m3左右[2]。针对巨大的煤矿地下空间，谢和平、钱鸣高、洪伯潜、袁亮、蔡美峰、武强等院士和专家提出了废弃矿井转型升级与地下空间综合利用战略构想，包括:建立压缩空气蓄能电站、抽水蓄能电站、井筒式小型智能化地下停车库、地下生态景观体验区等。谢和平等[3]对我国煤矿井下储水蓄能发电能力进行了预测,研究表明,利用废旧煤矿和矿井水库的蓄能发电量约为2014年我国全年发电总量的1.5倍。废弃矿井储水蓄能利用，不仅可以解决废弃矿井地下空间高效利用、生态环境修复、工人就地安置等问题，而且可以突破常规抽水蓄能电站的选址限制。从地理位置上看，横向废弃矿井区、纵向废弃矿井区分别与北部风/光能源带、东部沿海风/核能源带地理分布相一致,因此建立废弃矿井抽水蓄能电站可为我国能源结构调整特别是新能源、智能电网的发展提供巨大的战略空间，与传统的化学蓄能相比能很好的解决部分地区弃风弃光的现象。

1 废弃矿井抽水蓄能机理及其结构

抽水蓄能电站已经成功运用了100多年，是目前可靠性最高、经济性最好、容量最大、技术最成熟的规模储能解决方案。与常规抽水蓄能电站工作原理相同，废弃矿井抽水蓄能电站是在蓄能时将电网过剩电力或风能、光能等电力驱动水泵，将下水库的水抽至上水库，此时为耗能过程，在用电高峰时则将上水库的水通过发电机排到下水库，将水的势能转换为电能。不同的是，废弃矿井抽水蓄能电站的下水库由巷道、采空区等井下废弃空间构成。

(1)上水库。对井工矿井来说，在资源开采后必然在地表形成大量的采煤塌陷地。从空间上来说,这些采煤塌陷地分布在工业广场周边，因此，通过采煤塌陷地治理与生态修复相结合，实施挖深垫浅、水利改造等工程，把采煤塌陷地连片改造,打造集水产养殖、水生种植等为一体的生态修复示范工程,构建地表塌陷区水库为主、周边河流、湖泊为辅的废弃矿井抽水蓄能地表水库。由于该模式中上水库暴露于地表，下水库封闭于地下，因此也被称为“半开放式”废弃矿洞抽水蓄能模式，其缺点是水库蒸发量大，对上下水库循环水的水质要求较高，如有污染则需要进行净化处理达到外排要求，因此增加了抽水蓄能电站的发电成本;对于不具备构建地表水库的废弃矿井，则可以利用矿井上下水平空间落差，利用地下不同深度的巷道构建上水库于较高的水平，由于水库均封闭在地下，故此国际上也称其为“封闭式”废弃矿洞抽水蓄能模式，其缺点是水库密封性要求较高，避免上下水库之间以及水库与地下水的水力联系，但其优点是水库蒸发量极少、对上下水库循环水的水质要求不是很高，特别适于干旱缺水地区的废弃矿洞再利用。

(2)下水库。对于废弃矿井抽水蓄能下水库而言，其建设必须满足几个必要条件，即:密闭的环境、充足的地下空间、丰富的水源以及能被排空水体的矿井。由于矿井的地下空间结构主要由矿井的开拓巷道、上下山及采空区等井下空间构成，因此可以根据不同的地下空间再利用模式，将下水库分为唯巷道建设模式及巷道加采空区建设模式。相比较而言，采空区作为地下水库的一部分实施较为困难，可以根据采空区与地下水体的水力联系程度、水库库容与发电机组装机容量、水处理能力及经济投入等方面进行综合考虑，而巷道作为地下水库其密封性较易实现，因此本文以开拓巷道作为地下水库的主要研究对象。

(3)发电设备。废弃矿井抽水蓄能电站除了常规抽水管路、控制设备、废弃矿洞抽水蓄能变速机组运行控制与集群调度系统外，水泵水轮机也是废弃矿井抽水蓄能电站最核心和最关键的装备。水泵水轮机是水泵与水轮机的结合，可以实现水泵抽水蓄能，又可以作为水轮机拖动发电机发电，是抽水蓄能电站最核心的设备。由于废弃矿井抽水蓄能电站面临着上水库与下水库落差大(300～1 200 m)、井下水库高程变化很大、井下空间普遍狭窄、矿井水品质差的特点，需要开发并安装适用废弃矿井抽水蓄能电站的“三超三耐”(即超高水头、超大变幅、超高转速、耐气蚀、耐磨蚀、耐腐蚀)水泵水轮机。

(4)其他设备。废弃矿洞空间密闭且狭长、地下水温相对较高等特点，需要安装用于设备完好性、围岩稳定性及水质检测的深水深地水陆两栖机器人巡护系统、废弃矿洞群抽水蓄能电站监控大数据平台、废弃矿井抽水蓄能潮汐式余热高效利用系统等。另外抽水蓄能属于电网调峰或可再生能源储用的间隙式发电过程，需地面智能电网的支持。

2 废弃矿井地下水库构建科学问题

2.1 废弃矿井地下水库面临的难题

废弃矿井抽水蓄能电站地下水库所处的工程与应力环境为:地下水库围岩及人工坝体处于高地应力环境;采空区垮落的岩体及上覆岩层在很长时期内处于运动状态，对水库围岩会产生侧向压力;库内长期频繁抽充水对围岩产生强烈的循环疲劳载荷作用;高落差大流量水流冲击、巷道内波浪及其反射、矿震等强动力冲击对水库围岩的作用;受采煤扰动后覆岩水文地质条件、地下水环境质量及重金属污染物分布等重大变化情况，尤其是在抽放水下涌浪引发的地下水与煤岩体的相互作用下离子浓度、pH值和总溶解固体浓度等更具不确定性。可见，废弃矿井地下空间虽然为建设抽水蓄能电站地下水库创造了得天独厚的条件，但其地下水库围岩处于高地应力、循环工况载荷、动力冲击等复杂荷载的多重作用与原有矿井所处的环境有了本质的变化，原巷道作为地下水库再利用时，除了需要考虑经济可行性、环境影响、抽水蓄能发电系统对大落差、有限空间的适宜性外，还需考虑地下水质及水循环的适宜性;地下水库围岩在长期、频繁抽充水条件下原有支护技术的时效性;废弃矿井抽水蓄能电站水库具有的密闭性等。因此，作为地下水库应用的基础理论研究，还有大量与矿山岩石力学有关的关键科学问题需要解决:① 地下矿井水库抽水蓄能发电选址标准和安全、环境、水源等综合性评价标准;② 在长期蓄水和循环抽充水(循环加、卸载)条件下，围岩的流固耦合行为及矿井和巷道等储水库的长期稳定性、安全性和密闭性;③ 老旧矿井稳定性、安全性和密闭性改良方法[1-5]。

综上所述，利用废弃矿井地下空间作为抽水蓄能水库又不同于一般的抽水蓄能项目，基于可再生能源利用、废弃矿井资源再利用和废弃矿井综合治理的巨大现实需求，在把战略构想转化为实际工程之前，有许多基础性的科学问题需要解决，其中最为关键的2个科学问题:一是水文地质与水化学特征及水循环过程对选址的影响;二是废弃矿井地下空间岩体稳定性和密闭性对运行的影响。这些基础性问题探索为建立废弃矿井地下空间再利用准则、围岩稳定与密闭性、抽水蓄能电站地下水库加固设计和施工提供科学依据。

2.2 废弃矿井抽水蓄能地下水库构建技术框架

针对上述问题，拟开展废弃矿井水文地质、水化学特征与水循环过程、废弃矿井地下水库库容及其变化、围岩体-支护结构的稳定性与密闭性、地下水库工程的安全性等4个方面的研究，通过研究，一方面证明废弃矿井地下空间作为抽水蓄能的地下水库利用的可行性，提出适宜作为地下水库的废弃矿井地下空间的判别准则；另一方面通过对地下水库库容的计算与加固后水库长期稳定性的分析，提出废弃矿井地下水库服务年限(寿命)的计算方法。通过对循环抽放水诱发地震、瓦斯聚集的分析，为加固、密封地下空间、释放水气压力，保障抽水蓄能工程的安全运行提供理论依据。

针对废弃矿井抽水蓄能地下水库建设的2个关键问题，可将其划分成4个技术方面进行分析:① 矿井地下空间利用基本条件。废弃矿井抽水蓄能地下水库的建设必须具备3个必要条件，即:充足的地下空间、丰富的水源以及较好的空间密闭性。② 岩体稳定性及地下水库库容。抽水蓄能地下水库利用的是废弃矿井地下空间，包括废弃巷道、硐室及采空区等，连通性强，围岩稳定性各异，其库容量需要综合考虑地下水源及其连通性、围岩稳定性、地下空间的储水系数等。③ 巷道围岩长期变形及支护的时效性。废弃矿井巷道再利用时，尤其在井下抽水蓄能电站水库长期抽充水的条件下，需要考虑巷道围岩的时效性，为废弃矿井地下水库围岩的长期稳定提供理论基础。④ 水循环对水源及水质的保障。抽水蓄能水循环过程中地下水库必须保持适当的水位，以免淹井、缺水或过量抽取地下水导致地下水位大幅下降，此外在良好的水循环中，通过沉淀、过滤、生化及水化等作用可保证水质，与此同时水质的情况同样影响着水循环及围岩的稳定性，良好的水质可有效防止污染的地下水损害抽水蓄能设备，又能防止污染的地下水抽排到地面污染地表水体。

从以上分析可知，废弃矿井作为抽水蓄能地下水库再利用的关键因素，即:水库库容、地下水循环、围岩稳定与水质因素。具体技术路线如图1所示。

图1 废弃矿井抽水蓄能地下水库建设技术路线Fig.1 Technical route of underground reservoir construction for water pumping and energy storage in abandoned mines

3 废弃矿井抽水蓄能地下水库建设研究现状

从可检索到的文献看，尚缺乏选址时如何考虑水文地质与水化学特征及水循环过程问题的研究，以及废弃煤矿地下空间作为抽水蓄能地下水库使用时的围岩长期稳定性和密闭性问题的研究，但国内外专家从不同层面对相关问题进行了有益探索。

3.1 矿井地下空间利用途径研究

针对巨大的煤矿地下空间，不少学者提出了利用废弃煤矿地下空间储气、储油、储存危险固体废料及储能的设想，储能又包括压缩空气蓄能、抽水蓄能等[1-4]。对于煤矿地下空间再利用而言，由于裂隙发育、岩体稳定性差，储气、储油、储存危险固废、压缩空气蓄能等均需要做较大的改造方可使用[5]，在地下水较为丰富的地区，抽水蓄能与以上用途比较，则不需做较大的改造。盐岩具有非常低的渗透特性与良好的蠕变行为，能够适应储存压力的变化，能够保证储存洞库的密闭性，且盐岩溶解于水的特性使盐岩洞库的施工更加容易、经济，因此，国际上公认为盐岩体是石油、天然气储存的最理想介质[6]。利用地下盐穴作为油气储库是一种常见的方法[7]，波兰贵都煤矿及维利奇卡盐矿废弃后地下空间则被开发为博物馆，成为观光游览胜地[8]。BARTEL较为详细地介绍了德国地下空间规划的必要性、潜在的冲突、空间规划的法规、数据的有效性、环境风险等，提出了采矿地下空间利用应遵循的原则[9]。德国除提出利用地下空间抽水蓄能外，还开展了地下空间储氢的实验室研究[10]。南非则提出利用金矿地下空间抽水蓄能[11]，芬兰皮海萨尔米矿废弃矿井是欧洲最深的金属矿井之一(1 445 m)，现已在地下75 m处建成一座物理实验室，并在地下1 430 m处开拓出了建设一座120 m2实验室所需的空间，规划的关闭后开发利用方向包括:抽水蓄能、建设数据中心、生物质燃料中转站等[5]。比利时的学者提出利用露天石灰石矿坑作为抽水蓄能的下水库[12]。在众多的研究设想中，都认为利用废弃矿井地下空间作为抽水蓄能下水库必须具备几个必要条件，即:充足的地下空间、丰富的水源以及不被淹没的矿井。

3.2 岩体稳定性及地下水库库容研究

地下抽水蓄能电站的主要成本来自于地下空间的建造。虽然利用废弃矿井地下空间不必进行大量的地下空间开挖，但是现有矿井硐室及地下空间在频繁的抽水、蓄水过程及形成的大气压力环境下，岩体必须具备足够的稳定性，否则既影响库容，又影响抽水蓄能设备的安全运行[13]。目前尚没有利用废弃煤矿地下空间作为抽水蓄能地下水库运行的实际案例，但是我国学者提出了“导储用”为核心的煤矿地下水库地下水保护利用理念[14]，研究开发了涵盖煤矿地下水库设计、建设和运行的技术体系，包括水源预测、水库选址、库容设计、坝体构建、安全运行和水质保障等六大关键技术，并在神东矿区成功建设了示范工程;针对煤矿地下水库是利用采空区垮落岩体孔隙储水的特点，提出了储水系数的概念，并提出煤矿地下水库坝体具有结构特殊和受力复杂的特征，结构特殊体现为:非连续、变断面和非均质，地下水库坝体受力复杂表现在:矿压、水压和地震。美国有关地下抽水蓄能电站的研究表明:岩石的强度对于地下空间的建造特别重要，首选侵入岩和变质岩等渗透性小的岩石，而页岩、石化岩和沉积岩(包括煤岩)被列为次选，同时，地下水库选址的岩石特别是含铁的岩石不能和水发生化学作用，且岩石的强度不受蓄能电站运行(循环加卸载)的影响[3]。关于水封地下储油库岩体稳定性的研究，LI等[15]提出了围岩分类分析模型，提出了由5个主要指标构成的指标体系，即岩石强度、岩石整体性、不连续表面特性、地下水及主断面倾角。这些研究为利用废弃矿井地下空间作为抽水蓄能地下水库提供了参考。关于采空区储水库容的计算，庞义辉等[16]基于工作面上覆岩层断裂分带划分结果，确定煤矿地下水库的主要储水空间为垮落带与块体铰接带垮落岩层的孔隙、裂隙与离层空间，得出了近水平煤层垮落带与块体铰接带有效储水空间的计算表达式。鞠金峰等[17]则提出了极限库容与合理库容的概念，认为地下水库的储水容量即为储水范围内覆岩垮落带破碎岩块间自由孔隙量与裂隙带断裂岩层离层裂隙量的总和，并基于覆岩垮落带类抛物空间形态模型的构建，得到了考虑煤层倾角条件下垮落带岩体孔隙量的计算公式;利用覆岩采动裂隙分布的“O”形圈理论模型，获得了覆岩各层关键层底界面及相邻关键层间断裂岩层的离层孔隙量确定方法;由此根据储水水位在覆岩垮裂带内的不同位置，建立了地下水库储水容量的数学表达式，形成了地下水库极限库容与合理库容的确定方法。抽水蓄能地下水库利用的是废弃矿井地下空间，包括废弃巷道、硐室及采空区等，连通性强，围岩稳定性各异，其库容量需要综合考虑地下水源及其连通性、围岩稳定性、地下空间的储水系数等。

3.3 巷道围岩长期变形及支护的时效性研究

国外学者提出破裂岩石在围压状态下蠕变破坏的时间随围压按指数规律增加，并存在一个围压渐近值，在小于该值时，破裂岩石处于长期稳定状态[18]。我国学者以砂岩、含软弱夹层的页岩等为研究对象开展了蠕变试验，揭示了破裂砂岩蠕变失稳过程存在减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变多阶段的特性，建立了能够较好地反映损伤破裂砂岩单轴蠕变特征的西原体模型，发现含软弱夹层页岩的剪切蠕变位移和蠕变速率呈非线性递增的关系，建立了改进的Burgers非线性损伤蠕变模型，充分反映了炭质页岩的蠕变变形过程[19-20]。在模型研究方面，以广泛应用的元件组合模型为基础，引入损伤变量和硬化变量，建立了软岩非线性蠕变模型[21-22];采用非线性Kelvin模型研究和证明了深部岩体蠕变变形具有混沌行为[23];采用多相耦合蠕变试验装置及声发射监测系统，对2种粒径粉砂质泥岩进行了饱水状态下不同温度和围压的蠕变力学试验，得出稳态蠕变速率随围压的升高呈线性降低，而随温度的升高呈指数函数增长[24];以西原体蠕变模型为基础，添加含水元件，建立了与含水量相关的泥岩蠕变模型[25]。在巷道支护方面，我国学者研发了能量吸收锚杆，利用锚杆较大的伸长量适应软岩大变形，防止锚杆拉伸变形过大而破断，构建了软岩大变形力学分析系统，研发了具有负泊松比效应的恒阻大变形锚杆/锚索[26];提出了高预应力、强力支护理论，开发了煤矿锚杆支护成套技术与地质力学测试设备[27];研制了大型地质力学模型试验系统，揭示了巷道开挖支护过程中的围岩内部应力与变形的演化规律，研制了高承载力的矿用U型约束混凝土拱架[28];采用现场调研、矿物成分分析、围岩结构窥视等方法，揭示了围岩变形破坏机理，提出了“协调围岩非均匀变形、控制挤压流动底臌、强化围岩承载结构”的支护理念[29];揭示了深部破碎巷道围岩变形破坏过程与非线性大变形机制，提出了深部岩巷分步联合支护技术[30];研究了支护阻力对深部高应力巷道围岩变形的影响规律，提出了深部巷道围岩预留“给定变形”与多重支护理念[31]。

废弃矿井原巷道的支护系统只考虑了服务年限内满足矿山安全生产需求，没有考虑矿井停产后地下空间的再利用时围岩变形与稳定问题。废弃矿井巷道再利用时，尤其在井下抽水蓄能电站水库长期存放地下水的条件下，需要考虑巷道围岩的时效性，为废弃矿井地下水库围岩的长期稳定提供理论基础。

3.4 水循环对水源及水质的保障分析

抽水蓄能需要保障良好的水循环，水循环过程需要有丰富的水源和良好的水质。良好的水循环在于:地下水必须保持适当的水位不至于淹井，同时也需要有充足的水源不至于缺水或过量抽取地下水导致地下水位大幅下降。良好的水质既要防止污染的地下水损害抽水蓄能设备，又要防止污染的地下水抽排到地面污染地表水体。

我国学者围绕受采煤扰动后覆岩水文地质条件演变机理开展了富有成效的研究，最为关注的问题包括浅埋煤层岩层移动、导水裂隙带发育规律、隔水层有效厚度、保水采煤、矿井水井下储用、煤炭开采对地下水系统的影响评价与区域水资源动态平衡等[32-33]。关于关闭矿井的水文地质变化与灾害，虎维岳等[34]在研究废弃矿井地下水运移介质场结构特征、地下水循环运动特征、水动力场特征的基础上，分析了废弃矿井水位回弹诱致的环境与安全灾害，指出了已关闭矿井的水资源及地质灾害面临的种种问题;WANG等[35]对地下储油设施的水文地球化学变化进行了分析，研究了地下水、围岩与水幕的相互作用，通过比较离子浓度、pH值和总溶解固体浓度变化研究了地下水与围岩体的相互作用，通过统计分析化学物质的相似度研究地下水与水幕系统的相互作用;国际上以BRODIE为首的科学家以煤矿开采区地下水水质及水量为主要研究对象，率先提出“水文地质效应”一词[36]，PRASAD等[37]提出了矿区附近地下水环境质量及重金属污染物指标，BANKS等[38]对波兰Siersza矿区内废弃矿井水位回弹进行监测，建立了矿井基于水位变化的变体积矿坑充水模型(MIFIM)，成功预测了废弃矿井内第1次水位回弹出现的时间与预期水位，发现在改变矿区地下水系统后污染现象会更加严重，增加治理难度。关于抽水蓄能系统地下水化学循环问题，德国、比利时和西班牙的学者对地下抽水蓄能系统(UPSH)地下水库中的水在孔隙介质中流动受硫铁矿等影响导致pH值下降及地面水库的水受方解石和水合氧化铁等的影响开展了数值模拟研究，得出在硫化矿物存在的地下空间，会因为局部氧气压力的增加引起水化学变化，而水化学变化是UPSH系统设计需要考虑的重要因素[39-40]。

4 废弃矿井抽水蓄能地下水库构建的关键因素

4.1 水库库容

为保障一定的装机容量，地下储水库应具备足够大的可利用空间。地下水库特征库容是反映抽水蓄能能力最直观、最重要的指标[41]。准确计算特征库容可以为废弃矿井地下水库装机容量提供可靠的科学依据。特征库容的大小取决于废弃矿井主井、副井、风井、大巷、水仓等可用性空间的布置特点及巷道网络的空间拓扑关系，并受地下水文条件、蓄水位、水循环频率、地下空间构成、围岩性质及其稳定性、改造措施等因素影响。但是，为防止泥沙淤积造成泵的堵塞抽水口不能设置在仓底，或由于压缩空气的存在导致水库并不能完全充满水，这部分库容定义为死水库容;另外，在矿井抽放水进行蓄能和释能的过程中，由于矿井涌水占据一定的空间并具有不确定性，实际的人工放水量远小于库容量，这部分库容定义为非确定性涌水库容。因此地下水库装机容量实际取决于有效库容，即由矿井在蓄能过程中可以释放的水量或地下水库人工补给量决定的，是特征库容扣除死水库容、非确定性涌水库容及其他无效库容后的库容。

围岩稳定性能保证地下空间的有效利用，废弃矿井的库容取决于其地下空间的可利用规模。针对以巷道作为地下水库的利用模式来说，由于采动后期巷道变形的不确定性，其库容计算具有一定的复杂性，如图2(a)所示。在使用巷道作为空间拓扑结构再利用进行总库容计算时，应综合考虑涌水量、储水空间、导水通道等条件，对于每一巷道水容量进行叠加处理，同时应避免死水区与气堵区作为特征库容计算在内。对于每一巷道而言，其水容量以水库特征水位为标准进行计算。其库容计算公式可表达为

图2 以巷道和采空区作为地下水库Fig.2 Roadway and goaf act as underground reservoir

(1)

式中，V为水库特征库容;n为不同巷道分支数；Vi为单一巷道水容量;Vm，Vn，Vp，Vq分别为死水库容、非确定性涌水库容、死水区容量与气堵区容量。

对于将采空区作为地下水库的模式而言，地下水主要储存于裂隙和孔隙中，其储水空间主要由垮落带与断裂带组成，如图2(b)所示。其中储水系数表示垮落带内的孔隙和断裂带内的裂隙占相应空间的比例，因此是采空区储存能力主要衡量参数之一。采空区地下水库库容可利用储水系数进行计算，即:

VZ=μV0

(2)

式中，VZ为水库总库容;μ为储水系数;V0为储水空间体积。

4.2 地下水循环

地下水库的构建需要防止2种情况发生:一是废弃地下空间源源不断地获得邻近采空区的补给造成地下水库无法腾空，使得上水库的水无法下放;二是地下空间腾空后，放下的水通过采空区裂隙流失而无法蓄积。这2种情况都是地下空间密闭性差造成的，因此需要探测井下尤其是矿区具有密闭性的采空区范围，对可能出现裂隙渗漏的区段采取封堵措施，达到密闭要求。

煤矿采动造成的上覆岩层的变形与破坏，同样极大地影响到矿区的水文地质特征，改变地表、地下水系的连通性与矿井来水，从而直接影响到地下空间的储水量、水位以及水质，直接决定了抽水蓄能利用的库容稳定性与环境影响风险。通过前期研究发现，同一矿区内的临近矿井采区在不同水平上往往有交叉和重叠，岩层变形剧烈，井下空间交错，有很大的概率井下空间会发生连通，进而改变矿井来水和地下库容、水位。如果废弃矿井水来自矿区内多个矿井，需要通过废弃煤矿井下观测获取影响井下空间来水量、水位的关键因素，并确定重要参数与主要补径排通道，再进行井下空间水量与水位的预测与控制研究，综合能影响到该矿井水量与水位的各种因素和参数进行实时水量试验，在此基础上研究不同矿井通过水文地质的补径排关系建立整体连通模型，从而构建整个研究矿区的矿井水量-水位-流动的模型。伴随水资源在地下有限空间的循环与水力运动，水循环过程既受巷道分布形态的影响，又影响地下水库围岩的稳定性和水沙运动过程。亚琛工业大学研发的抽水蓄能电站水循环模型则很好的模拟了这一过程[42]，如图3所示。

图3 抽水蓄能水循环分支通道及单通道实验装置Fig.3 Experimental device for the branched channel model and the single channel model

4.3 地下水库围岩稳定性

围岩稳定是废弃矿井地下空间用作抽水蓄能水库的前提和决定性因素，保证着地下空间密闭性。废弃矿井原巷道的支护系统只考虑服务年限内满足矿山安全生产需求，废弃矿井巷道再利用时，尤其在井下抽水蓄能电站水库长期存放地下水的条件下，需要考虑巷道围岩的时效性，为废弃矿井地下水库围岩的长时稳定提供理论基础。另外，在抽水蓄能电站服务年限内，地下水库需要经受频繁充放水的影响，巷道的空间分布及转向、地下水库水沙过程等影响水库中水的运动和冲击力，对废弃矿井巷道而言，是一个多相(固、液)、多场(渗流场、应力场、损伤场)相互交叉作用的过程，会对围岩-支护体的稳定性产生破坏。一旦围岩体失稳，必然影响库容和水流通道。开展循环蓄放水过程大型相似材料模型试验，揭示地下水库围岩变形、应力及支护结构的受力状态，研究地下水库运行过程中的围岩结构失效致灾机理，提出合理的注浆密闭围岩的工艺方法与稳定控制技术，将为废弃矿井蓄水电站设计、灾害预警与防控技术提供理论基础与科学指导。

我国矿井井筒及巷道穿过的岩层多为富含水且孔隙发育的泥岩、砂岩等沉积岩，该类岩石具有孔隙度大、孔隙微小、吸水性强的特点，分布范围较广。岩石内部孔隙及孔隙流体的存在直接影响着岩石的物理、力学性质，如强度、渗透性等。废弃矿井抽水蓄能电站水库要求矿井井下再利用空间具有密闭性，其不同于抵抗地应力技术，而是在有效支撑空间利用立体结构的前提下，保证空间的密闭性，以防止地下水渗透。因此为进一步提高围岩的强度及地下水库的密闭性，除了采用常规的水泥注浆、化学注浆外，亟需结合水泥类浆液的特性、孔隙渗流规律方面的成果，研制低黏度、高注性、强密闭的新型注浆材料，构建低渗透性煤岩体劈裂-渗透注浆技术，解决岩石微观孔隙堵水密闭与加固技术难题，这是保障废弃矿井地下水库围岩密闭性与长期稳定的关键技术。

4.4 水质因素

水质既影响水环境，又影响设备的使用寿命甚至影响其能否正常运转，破坏地下水的循环，还影响围岩-支护体的稳定性。因此需要解决3方面的技术，一是矿井水品质实时全空间监测系统构建技术。基于采矿活动所遗弃的井下垃圾类别和矿井所特有的酸性环境，建立矿井水品质指标体系，开发针对矿井水的物理、化学、生物特征提取技术;针对矸石山淋滤水、井巷窜水、采空区积水、第四系水、地表水等污染类型，建立井下-井上一体化的实时全空间水质监控系统，并实现数据的实时采集和海量存储。二是矿井水污染预测与报警技术。基于矿井水品质实时全空间监测数据库，开发矿井水品质特征数据提取技术，构建矿井水品质实时/长期变化模型，建立水质-围岩-设备-环境耦合损伤模型，确定污染报警综合评判值，开发矿井水污染预测与报警技术。三是矿井水污染防治技术。基于矿井水品质实时全空间监测系统和污染预测/报警技术，根据矿井水污染的特点、来源、类型、程度，开发不同条件下有效控制矿井水污染的技术方法、工程工艺和设备系统。

5 工程设计示例分析

5.1 废弃矿井抽水蓄能设计概况

以江苏省徐州市权台煤矿为例，该煤矿位于徐州市贾汪区，始建于1958年，2011年关井，矿井生产能力150万t/a，其中竖井截面直径为9.42 m，深度为500 m。基于对废弃矿井抽水蓄能电站设计需求，可以把矿井周边权台矿和旗山矿水深1.5～4.0 m的部分采煤塌陷区域作为上水库，井下约21 km的开拓巷道作为下水库。根据矿井地下水库容量，初步设计废弃矿井单井抽水蓄能容量100 MW的电站工程。

5.2 电站地下水库建设

5.2.1装机容量计算

利用废弃矿井空间作为地下水库，其装机容量或电站日平均出力主要取决于电站设备能力及地下水库的蓄能能力，而地下水库设计流量、有效水头决定了电站蓄能能力大小。由于地下水库空间拓朴关系的复杂性、狭长空间密封性等特点，其水体设计流量除了与抽水蓄能电站设备有关外，还与地下水库的库容、径流、每天满负荷发电时间、巷道汇流反射及变幅等限制因素[42]呈非线性关系，如图4所示。地下水库库容、电站日平均出力与设计流量等因素之间的基本关系为

V=150(24T-T2)Qn(x1,x2,…,xn)

(3)

N=KQs(Hm-Hs)

(4)

式中，V为日调节需要的库容，m3;T为每天满负荷发电时间，h;Qn为设计流量，其数值由多因素决定，m3/s;x1,x2,…,xn为设计流量各影响参数;N为电站日平均出力，kW;K为电站出力系数;Hm为电站毛水头，m;Hs为电站水头损失量，m。

根据式(3),(4)可以计算出不同的抽水蓄能建设规模在理想条件下的最小水库库容大小。以徐州权台矿为例，设计抽水蓄能建设规模100 MW，设计流量为20.8 m3/s、每天发电时间4 h、500 m水头计算，则权台煤矿下水库库容最小需550 000 m3，否则就不具备抽水蓄能电站设计能力。

5.2.2废弃矿井水循环优化

抽水蓄能电站地下水库沿用原有的矿井巷道，竖井作为电站引水通路，引水管道采用承压螺旋缝焊接钢管。钢管的一端从塌陷区湖底引出，为保护湖中鱼虾等生物及避免湖底的淤泥进入管道发生堵塞，在钢管的进口截面设置2层钢丝网起过滤作用。钢管向地下井巷延伸时固定在竖井壁面，结合井下开拓巷道空间拓扑关系钢管在水平巷道中设置多个取放水点。

权台煤矿地下井巷根据煤层高程及功能的变化而变化，所以走向、深度及截面大小不尽相同。为确保下水库中的水能够在井巷里流通顺畅，需要在原井巷的基础上做封堵调整和改扩建施工，井巷未经改善的走势如图5(a)所示，优化后的流水路线如图5(b)所示。通过井巷的调整和改正，保证了地下水库良好的水循环。

图5 井巷改善前、后的对比(单位：m)Fig.5 Comparison of roadway before and after

5.2.3井巷防水防渗加固

根据地下水库围岩岩性及裂隙了发育情况，在设计中除了采用常见的水泥砂浆、混凝土、均质黏壤性土壤、沥青混凝土防渗层、化学材料等进行衬砌和注浆外，还采用新型的水泥基碳纳米管注浆材料对微细裂缝进行注浆。对于水库吸排水口地基软弱部，进行重锤冲击试验，将此处所含夹泥层冲洗干净，然后用胶管水泥砂浆和混凝土进行堵封，再在其上铺设沥青混凝土，以保持防渗层的稳定，减少吸排水过程中涌浪对地基泥岩的冲刷。通过防水防渗加固处理，避免地下水库围岩的稳定性和水沙运动过程受到影响。

5.2.4水质净化

煤矿井下与表生环境具有明显差异，地下水流入采空区后使得水质较差，如通过废弃矿井抽水蓄能电站外排到地表水库后，矿井水中的有害物质必将污染上水库水体及周边土地，同时这些下水库的连续抽排作用，还会对水泵水轮机、管路等发电装备产生腐蚀作用。为了使水质达到外排的环保要求，在地表上水库附近增设水体净化厂房，经过污水净化处理水质达标后进行外排，从而避免水质对环境及设备的影响。

5.3 经济性分析

权台煤矿废弃矿井抽水蓄能电站装机容量按照100 MW(单机容量100 MW，2台，一用一备)设计，经初步测算，其基建、设备等固定资产投资约16 020万元;每年抽水量为4 529万m3，抽水电费2 080万元/a，平均水处理费用以0.3元/t计约1 358万元/a，综合折旧费、修理维护费、职工工资福利费、材料费等1 335万元/a，则发电总成本费用总计4 773万元/a;年发电量约9 372万kW·h，按照峰谷电价并考虑新能源发电量折算上网电量电价0.868元/(kW·h)，则年发电销售毛收入8 135万元。综上，权台矿废弃矿井抽水蓄能电站年发电利润总额3 362万元，约4.8 a可以收回投资。如果加大风、光等绿色能源的转换比例则可以进一步提高发电销售收入，同时地面水库进行防渗处理则水处理成本会大幅下降，经济效益更为明显。

6 结 论

(1)我国废弃煤矿井从地理位置分布看，废弃煤矿井横向、纵向分布区与我国北部风/光能源带、东部沿海风/核能源带地理分布相一致，指出与普通抽水蓄能电站相比，废弃矿井上水库、下水库、发电装备及其他设备等组成上的异同。

(2)分析了废弃矿井抽水蓄能电站地下水库所处的工程与应力环境，并据此提出了最为关键的2个科学问题:一是水文地质与水化学特征及水循环过程对选址的影响;二是废弃矿井地下空间岩体稳定性和密闭性对运行的影响，并分析了废弃矿井抽水蓄能地下水库技术框架及研究现状。

(3)从地下水库库容、地下水循环、围岩稳定性与水质因素等4个方面分析了废弃矿井抽水蓄能地下水库构建的关键因素，并以权台矿废弃矿井抽水蓄能设计为例，指出在原有矿井基础上改建为矿井抽水蓄能电站需要采取的措施，论证了废弃矿井地下空间作为抽水蓄能的地下水库利用的可行性。