基于模糊综合评价法的废弃矿硐储油可行性研究

包兴芮，刘钦节，杨卿干，邓卓越，修雅馨

（1.安徽理工大学矿业工程学院，安徽 淮南 232001；2.合肥综合性国家科学中心能源研究院，安徽 合肥 230031；3.深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001）

0 引言

近年来，我国持续实施去产能政策，导致大量煤矿被迫关闭，巨大的地下空间未得到合理利用，不仅造成资源浪费，也容易引起地面塌陷、瓦斯外逸等危害[1]。同时，我国石油进口对外依存度已连续三年超过70%，并且石油储备量也极低，远远达不到国际能源署（IEA）规定的90 d 进口量储备标准[2]。目前，石油储备方式有地面储罐、半地上储罐、海上储罐、地下水封洞库和盐穴储库等[3]。其中，地面储罐是国内普遍采用的储油方式，但因占地面积大、泄露风险高等劣势导致其大规模发展存在障碍，而地下储油成为一种极佳选择。若能有效利用废弃矿硐储油，将解决大量废弃矿井地下空间资源浪费以及石油储备不足的问题。

国外开发利用废弃矿硐的时间较早，技术也比较成熟，我国可以结合煤矿地下空间实际情况参考借鉴国外的开发利用模式与技术。1973 年，美国利用废弃矿硐建成了储油容量达1.4 亿m3的地下储油库，这是历史上全球首次成功采用废弃矿硐建立储油库[4]；1963 年，美国的Leyden 煤矿利用废弃矿硐建成的地下储气库，即世界首座利用废弃矿硐建成的地下储气库[5]；1975 年，比利时建成废弃矿硐地下储气库，具有1.8 亿m³的储气能力[6]。

国内关于废弃矿硐利用仍处于理论探索阶段，如袁亮等[7]提出废弃矿硐精准开发利用的科学构想；谢和平等[8]利用废弃矿硐进行抽水蓄能发电技术的研究；王帅等[9]提出了利用废弃煤矿的深地空间进行压缩空气储能的五个原则和要求；刘钦节等[10]针对关闭/废弃矿井地下空间资源利用方式，提出了地下空间分类分级精准利用模式；郗富瑞等[11]从岩石力学、矿山规划、机械构置、能源系统规划、法律、环境影响以及经济性等方面深入探讨了中国利用废弃矿山建造地下抽水蓄能电站的相关评价原则与技术要点。由于废弃矿硐的地下条件较复杂，储油的技术要求比较高，国内还没有利用废弃矿硐储油的案例。因为盐穴渗透性低且具有良好的蠕变特性，所以目前国际上认为盐穴是建设储油库的优良储备场所[12]。目前，在金坛区成功利用废弃盐矿建设地下储气库，形成近5 000 万m³的工作气量；在泰安、江汉等地区利用废弃盐矿建设的地下储气库也将陆续投入使用[13]；在安徽省含山县的废弃石膏矿井也利用采空区改造成地下储油库[4]。

根据废弃矿硐的特点和储油库选址要素，选取具有代表性的评价指标，采用层次分析法[14-15]建立废弃矿硐储油可行性评价体系，在此基础上构建模糊综合评价模型[16]。以山西省白家庄煤矿为例，根据煤矿的实际条件对废弃矿硐储油的可行性进行综合评判，为开展利用废弃矿硐储油的可行性研究提供一定的参考。

1 废弃矿硐储油库建库要素

1.1 确定废弃矿硐储油空间

煤矿地下开采控制顶板的方法主要有三种：一是自然垮落法，二是充填法，三是煤柱支撑法。不同的顶板控制方式形成的采空区种类不同，可利用性也不同[17]。废弃矿井的地下空间资源主要有采空区、巷道、硐室[4]，由于白家庄煤矿采用走向长壁后退式全部垮落法，采空区已被矸石充满，且裂隙发育，密闭性极差，因此选用白家庄煤矿的永久性巷硐作为储油库。

1.2 废弃矿硐储油原理

利用废弃矿硐进行储油的原理：废弃矿硐通常位于地下水位一定高度以下，地下水会沿裂隙渗透实现油库密封。但大部分地下水不能满足要求，因此需要建设人工水幕系统实现密封。当储油库建成后，周围煤岩体有压力的裂隙水就向储油巷道内流动，向储油巷道输送石油，由于油的密度比水的密度小且油水不能混合，同时任何一个方向的水压都高于油压，输送进来的石油将会被水全方位包裹，避免石油从裂隙泄露。流入巷道内的水则沿巷道壁汇集到巷道底部提前修建的储水坑，形成水垫层，通过水泵将多余的水量提升到地表供水管线，以此循环提供密封保障[18]。

1.3 废弃矿硐储油库建库条件

影响废弃矿硐储油库建设的因素较多，难以将其全部涵盖。在查阅大量地下空间储油库建设相关文献资料的基础上，参照《地下水封石洞油库设计标准》（GB/T 50455—2020）中“库址选择”及“工程勘察”中的有关要求，按照科学性、系统性、可行性和代表性的原则选取了开发条件、地质条件和地下水条件作为体系的一级指标，并将其细化得到11 个二级指标，构建评价模型如图1 所示[19]。

图1 废弃矿硐储油可行性综合评价体系Fig.1 Comprehensive evaluation system for the feasibility of oil storage in abandoned mine tunnel

1）开发条件。建设储油库前需要根据周围原油供应及炼化厂等的原油需求量来确定储油库的建设规模，同时还需要考虑将原油运送到储油库和输送到炼油厂等是否便捷[20-21]。

2）地质条件。地质活跃程度即地质灾害发生的频率最为关键，同时巷道围岩岩体的结构类型和力学性质直接决定着矿区选择后，储油库建设成功与否和质量好坏[22]，所以选择围岩稳定性、地质构造、岩体渗透性作为判断巷道是否能建设储油库的指标。

3）地下水条件。地下水对储油的影响主要体现在以下四方面：地下水位是否稳定对储油库建设起着重要的作用[23]；涌水量的大小影响着水的控制难度；判断充水特征可以了解煤矿的主要裂隙类型，便于防止石油泄露；石油直接与地下水接触，地下水腐蚀性影响着油品的质量和地下设备的损坏速度。

2 废弃矿硐储油层次评价指标体系

2.1 层次指标体系的建立

采用层次分析法[16]建立具有递阶层次的结构如图1 所示。按照层次分析法的分层原则，综合评价因素将废弃矿硐储油可行性分为3 层，从上到下分别为目标层、因素层和因子层[24]。

废弃矿硐储油可行性综合评价体系所涵盖的指标复杂，将其分为定量指标和定性指标两类。定量指标：岩体渗透性和涌水量；定性指标：储油库规模、原油需求、原油集输条件、地质活跃程度、围岩稳定性、地质构造、地下水位、充水特征、地下水腐蚀性。将定量指标和定性指标进行量化[25]，根据相关规范以及行业专家的经验，确定各指标对评判体系的界限值，并将废弃矿硐储油的可行性综合评价结果分为4 个等级，分别为高、较高、适中、低，见表1。

表1 评价指标分级标准Table 1 Classification standards of evaluation indicators

2.2 判断矩阵的建立

两两比较法[26]是同层次的两个元素之间的相对重要性比较。根据比较结果建立相应的判断矩阵A，从而得到各指标的权重向量。这种比较结果通过引入适当的标度表示，即1、3、5、7、9 分别表示各指标对废弃矿硐储油可开发利用程度的影响为同样重要、稍微重要、明显重要、非常重要、绝对重要；2、4、6、8 为重要性的过渡值，并写成判断矩阵[27]。

2.3 权重的计算

建立判断矩阵后，利用和积法[25]计算出各判断矩阵的最大特征值λ及其对应的特征向量和各指标的权重值，以式（1）对判断矩阵进行一致性检验。当判断矩阵的一致性比例CR＜0.10 时，判断矩阵满足要求，否则应对判断矩阵进行适当修改，直至判断矩阵满足要求[27]。按照上述步骤进行计算，得到各指标的权重见表2。

表2 评价指标权重Table 2 Weight of evaluation indicators

式中：CR为一致性比例；CI为一致性指标；RI为判断矩阵的平均随机一致性比例。

2.4 权重分析

根据表2 结果绘制废弃矿硐储油因子层权重分布图，如图2 所示。由图2 可知，在废弃矿硐储油可行性评价体系的因子层指标中，影响程度最大的是地质活跃程度，若储油库建设在地质灾害频发区域，受地质灾害的影响容易发生泄露，所以建储油库的前提条件是该位置地质灾害发生频率低。围岩稳定性和地下水位的权重分别居第二位和第三位，表明地下储油洞库围岩易变形破坏，围岩的长期稳定至关重要[28]；同时，地下洞库与地下水密切相关，稳定的地下水位是储油库密封的关键。

图2 废弃矿硐储油因子层权重分布图Fig.2 Factor layer weight distribution of oil storage in abandoned mine tunnel

根据评价指标权重表绘制废弃矿硐储油的因素层权重分布图，如图3 所示。由表2 和图3 可知，在废弃矿硐储油可行性评价体系的因素层中，权重值最大的是地质条件，权重为0.65，包括地质活跃程度、围岩稳定性、地质构造、岩体渗透性。废弃矿硐储油可行性研究中，地质条件是重点研究因素，储油库选址必须选在地质条件较好的位置，否则储油库建设难度大且容易发生泄露。地下水条件是因素层权重值第二大因素，稳定的地下水位是储油库成功的关键，地下涌水防控也是建设储油库过程中的重点关注对象，通过充水特征了解裂隙类型，然后对巷道围岩进行修补，地下水中可能含有腐蚀性的化学成分，会腐蚀矿井中的设备，因此地下水条件也是关键的影响因素。开发条件的权重值最小，由于我国储油量远不达标，且储油库作为战略储备，不宜将多个储油库建设在一起，若某位置的地质条件和地下水条件较好时，可以考虑作为储油库备选库址。

图3 废弃矿硐储油的因素层权重分布图Fig.3 Factor layer weight distribution of oil storage in abandoned mine tunnel

3 废弃矿硐储油模糊综合评价

由于建立判断矩阵过程中具有主观性，因此，引入模糊综合评判法，将定性分析和定量分析有机结合，既能够充分体现评价指标和评价过程的模糊性，又尽量减少主观性所带来的弊端，得到的评价结果更符合客观实际[16]。

1）因素集的建立。建立因素集U=（U1，U2，U3，…，Ux），将因素集分为三类，且每类包含不同的子因素，开发条件U1=（储油库规模，原油需求，原油集输条件），地质条件U2=（地质活跃程度，围岩稳定性，地质构造，岩体渗透性），地下水条件U3=（地下水位，涌水量，充水特征，地下水腐蚀性）。

2）评价集的建立。建立评价集V=（V1，V2，…，Vx），在废弃矿井地下空间资源利用评价中取V，即本文评价集V=（高，较高，适中，低）。

3）确定定性指标的隶属度。采用德菲尔法确定定性指标的隶属度。

4）确定定量指标的隶属度。采用式（2）～式（4）计算定量指标的隶属度函数，其中，偏小型见式（2）；中间型见式（3）；偏大型见式（4）。

式中：x为评价因素中各定量指标的实测值；a、b、c、d分别为评价因素中各指标对废弃矿硐储油利用程度等级为高、较高、适中、低的界限值。

5）模糊矩阵建立。对各评价指标进行分类，定量指标将实测值带入建立的隶属度函数中得到定量指标的隶属度；定性指标通过德菲尔法确定其隶属度。元素集中第m个元素对评价集中第n个元素的隶属度表示为Rmn，结果为一个模糊集合R，由此得到单元素评价矩阵，见式（5）。

6）模糊综合评价。模糊综合评价通过对权重集w和模糊矩阵R运算得到，具体见式（6）。

式中：w为由层次分析法得到的权重集；R为单因素的模糊矩阵；B为综合评价的结果。

4 白家庄煤矿实例应用

以白家庄废弃煤矿为例，对其进行废弃矿硐储油可行性分析综合评价，各指标实测值见表3。

表3 评价指标量化Table 3 Quantitative of evaluation indicators

4.1 一级模糊综合评价

对于定性指标，根据表4 确定其指标对应的隶属度。

表4 离散型因素隶属度取值Table 4 Value of membership grades of discreteness variable factor

对于定量指标，将其实测值代入式（2）～式（4）确定其指标对应的隶属度。开发条件的一级模糊综合评价矩阵见式（7）。

结合表2 和表4 可知，开发条件的权重向量w1=（0.06，0.02，0.04），得到开发条件模糊综合评价为B1=w1R1=（0.028 0，0.074 0，0.013 0，0.006 0）；地质条件的权重向量w2=（0.30，0.21，0.08，0.05），得到地质条件模糊综合评价为B2=w2R2=（0.128 0，0.231 0，0.247 0，0.044 5）；地下水条件的权重向量w3=（0.11，0.07，0.02，0.03），得到地下水条件模糊综合评价为B3=w3R3=（0.045 5，0.088 0，0.086 0，0.010 5）。

4.2 二级模糊综合评价

通过将一级模糊综合评价矩阵得到的单因素评价向量组合得到二级综合评价矩阵R，见式（8）。

结合表2 可知，二级评价权重向量w=（0.12，0.65，0.23），得到二级模糊评价综合向量B=wR=（0.097 0，0.179 3，0.181 9，0.032 1）。

根据最大隶属度原则，分析二级模糊综合评价向量可知白家庄煤矿废弃矿硐储油可行性程度的最大隶属度为适中，属于废弃矿硐储油开发利用适中区。

4.3 白家庄煤矿储油库开发利用建议

根据上述分析，白家庄煤矿废弃矿硐储油库建设项目具备实施可行性，但需要针对影响储油库建设的问题采取相应解决措施。

1）地质条件的影响最大，建设储油库时应选择较坚硬稳定的岩石，对巷道围岩进行支护加固，同时做好密封防渗工作。

2）地下水条件对储油库的影响居中，由于储油库的底部通过水垫层来达到防渗目的，所以地下水位的稳定十分重要，可设置水位检测系统对水位进行实时检测，当超过水位线时及时抽出，低于水位线时及时补充，对于储油库周围的裂隙应进行注浆加固等处理，减少油气泄露的通道。

3）白家庄煤矿的开发条件较好，因而更需要聚焦解决以上两个关键技术问题，提高白家庄煤矿储油库建设的可行性。

5 结论

1）采用层次分析法建立利用废弃矿硐储油可行性评价指标体系，通过两两比较法和标度法构建判断矩阵，判断矩阵采用和积法计算确定指标的权重并进行一致性检验，当判断矩阵不满足一致性要求，则需要调整判断矩阵直至判断矩阵满足一致性要求。

2）采用德菲尔法和公式法分别确定定性指标和定量指标的隶属度，得到一级模糊综合评价矩阵，再根据计算公式得到一级评价向量，将一级评价向量按规定组合成二级模糊综合评价矩阵，通过计算最终得到二级模糊综合评价向量，最后根据最大隶属度原则确定综合评价结果。

3）利用构建的废弃矿硐储油可行性研究评价模型对白家庄煤矿进行综合评价，评价结果客观真实，避免主观性。根据评价原理及评价结果，针对白家庄煤矿废弃矿硐储油工作提出一些解决建议：白家庄煤矿若要建设储油库则需要设置测量地质灾害设备，提前制定应对灾害的方案；白家庄煤矿的涌水量也较大，应做好防治水灾的工作；同时，岩体渗透性和裂隙通道容易引起石油泄露，需要做好密封防渗的工作。

4）废弃矿硐利用整体处于起步阶段，废弃矿硐储油的可行性理论研究不多，建立的评价体系由于指标选取不同评价结果也有所不同，本文只选取了具有代表性的指标，未将各类因素充分涵盖，各项指标的选取还需进一步优化和完善。