廢棄煤礦壓縮空氣儲能地質安全穩(wěn)定性分析

王 帥，蒲寶基，蹇軍強，宋立平，李瑞華，李 慶

(1.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054；2.中煤電力有限公司，北京 100120)

煤礦關閉或退出后，仍賦存著多種可利用資源，比如地下空間、水、煤及共伴生資源、土地等。隨著煤炭去產能政策的不斷推進，廢棄礦井的再利用是學術界關注的一大熱點話題[1-5]。壓縮空氣儲能作為一種清潔無污染的利用方式，近年來得到了廣泛關注[6-8]。

利用廢棄礦井進行壓縮空氣儲能不僅可以有效應對礦井退出后的經濟和社會問題，還可以削峰填谷、消納棄光棄風，為電網的穩(wěn)定和風、光發(fā)電的健康發(fā)展提供關鍵支撐。此外，廢棄礦井的巨大地下空間可實現長時間、大功率的電力存儲和釋放，并且可節(jié)約投資和運營成本。

據估計，截止到2019年，若能利用全國已退役的30%的廢棄礦井的地下空間建設壓縮空氣儲能機組，每對礦井可利用地下5萬m3容積計算，儲能總裝機容量可達22500MW，相當于三峽電站的總裝機容量。

目前，諸多學者在壓縮空氣儲能熱力學特性分析[9-11]和地下硐室的受力穩(wěn)定性進行過一些理論和數值模擬研究[12，，13]，但還未有針對具體煤礦的地質安全穩(wěn)定性分析?；谏鲜鲅芯楷F狀，提出了利用廢棄煤礦進行壓縮空氣儲能的安全穩(wěn)定性要求，并針對具體礦井支護前后的井筒、巷道和硐室的安全穩(wěn)定性進行了論證分析。

1 利用廢棄煤礦壓縮空氣儲能的原則

由于廢棄礦井地下空間的賦存情況各異，因此要利用廢棄礦井的地下空間進行壓縮空氣儲能，必須遵循一定的原則和要求：①推薦選取布置在巖巷里的地下空間作為存儲空間，嚴禁利用采空區(qū)和工作面巷道的空間；②必須采取措施使儲氣空間與煤層隔離；③應對原有巖巷里的巷道和硐室的穩(wěn)定性做安全性分析，并做相應的加固，使之能承受壓縮空氣的儲存壓力；④應對儲氣空間覆巖的完整性做可利用性判識分析；⑤采取相關措施嚴格控制檢修工況下礦井水的滲入量。

2 新集三礦可用空間和儲氣壓力區(qū)間的選取

選取2016年退出的新集三礦做為研究對象，該礦井地下開采有-340m和-550m兩個生產水平，設計生產能力為0.75Mt/a。

2.1 可用空間的選取

礦井地下空間的選取必須要考慮圍巖巖性的影響。根據新集三礦的工程勘察資料和巖體的計算參數見表1，在參數選取時，參考《公路隧道設計規(guī)范》[14]中的各級圍巖物理力學指標，-340m和-550m井底車場和硐室的圍巖參數按照III級圍巖、Ⅳ級圍巖之間取值。根據剪切模量和體積模量與彈性模量和泊松比的換算關系，可以換算得到剪切模量和體積模量。

根據上面提出的原則，經初步分析，新集三礦主、副井筒穿越地層較復雜，支護強度高，建議利用-250m至井底段巖層，空間約16344m3；-340m井底車場及硐室處于III級粉砂巖巖層，膠結良好，堅硬致密，滲透率較小，抗壓強度高，抗風化能力強，建議使用的空間約8350m3；-550m井底車場及硐室處于III級石英砂巖，為中等穩(wěn)定巖層，建議使用的空間約32962m3。所有可利用空間合計57656m3。可利用空間及地面裝置系統(tǒng)如圖1所示。

表1 新集三礦巖體計算參數

圖1 新集三礦可利用空間及地面裝置系統(tǒng)

2.2 儲氣壓力區(qū)間的選取

為了選擇合適的儲氣壓力區(qū)間，選擇以下四個穩(wěn)定性評價準則作為判斷的依據。

2.2.1 片幫破壞準則

參照莫爾-庫侖理論，當巖體內部某一面所受的滑動力大于其抗剪力時，巖體將沿該面發(fā)生剪切滑動，發(fā)生剪切破壞[15]。由此推出片幫破壞準則：

式中，T為剪切面所受抗剪力，N；S為滑動力，N。

以該礦井為例，主副井筒均采用C30混凝土澆注，主副井井壁厚分別為350mm和450mm，支護強度較高，未見井壁片幫破壞的情況。此外，-340m和-550m井底車場及硐室布置在穩(wěn)定性較好的巖層中，采用鋼筋混凝土砌碹支護，也未見巷道冒頂片幫破壞的情況，可利用性較強。

2.2.2 安全凈距準則

參照巖鹽儲氣庫有關安全凈距的經驗公式：

B=KD

(2)

式中，K為硐室間安全系數，根據實際情況在一定范圍內取值，對于儲氣庫一般取1.5～3.0；D為單個儲氣硐室或單條巷道的最大直徑，m。

由于該礦井不同水平巷道之間的距離遠遠大于巷道的直徑，完全可以符合安全凈距準則的要求。

2.2.3 抗抬準則

參照挪威準則[16]，用于壓縮空氣儲能硐室時巖體最小覆蓋厚度可表示為：

式中，H為巖體最小覆蓋厚度，m；p為硐室氣壓，kPa；γ為巖體重度，kN/m3；α為地面傾角，(°)；F為經驗系數，一般取1.1～1.5。

由于該礦井地面較為平坦，α取0°，若p取11MPa，γ取26kN/m3，F取1.1，根據式(3)得到巖體最小覆蓋厚度為465.4m，而-340m和-550m井底車場上覆巖層厚度分別為363.5m和573.5m。因此-550m井底車場及巷道滿足要求，而-340m井底車場及巷道不滿足該準則，但該準則只適用于無襯砌巷道，若采用內襯和密封層進行加固和密封，可以使之滿足該準則的要求。

2.2.4 最小主應力準則

參考水力劈裂準則，將水壓改為硐室氣壓，不襯砌壓力隧洞的氣體壓力應小于圍巖初始應力場最小主應力準則，可表示為：

Fp≤σmin

(4)

式中，σmin為隧洞周邊圍巖初始應力場最小主應力，MPa；F為安全系數，一般取1.3～1.5。

以該礦井為例，如果p取11MPa，則最小主應力為14.3～16.5MPa。根據上覆巖層厚度計算地應力可得，-340m井底車場的地應力為9.45MPa，-550m井底車場地應力為14.9MPa，因此-340m和-550m儲氣巷道及硐室并不嚴格滿足該準則，但考慮內襯及圍巖的作用，則可以滿足該準則。

根據以上四個準則的分析，考慮到儲氣壓力與儲能發(fā)電量的關系，選取8～10.8MPa作為該礦井壓縮空氣儲能的壓力變化區(qū)間。

3 新集三礦地下安全穩(wěn)定性分析

3.1 模型建立與邊界條件

假定巖體材料為理想彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb強度準則，利用Midas GTS建立模型，并導入FLAC3D數值模擬軟件進行計算。為消除邊界效應，模型取80m×80m×80m的整體尺寸，并充分考慮了豎井與水平硐室連接處的七組巖層穿越。此外，在儲氣硐室與井筒交叉的四個方向均設置了可以嵌入圍巖中的齒狀堵頭。以-340 m處豎井與硐室連接位置的計算模型為例，網格劃分如圖2所示。

圖2 豎井與-340m水平硐室連接處計算模型的網格劃分

三維計算模型采用彈塑性模型，初始應力為圍巖自重應力，無構造應力。模型在左右兩側的邊界條件分別約束x方向(左右向)的位移，前后分別約束y方向(前后向)的位移，模型的下平面約束z方向(豎向)的位移，模型的上表面為自由面，不受約束，在其他五個面上采用固定邊界，上部地層對計算模型處的影響通過在模型上表面施加豎向自重荷載體現。由于半徑大、斷面面積大的情況更為不利，因此選取-340m和-550m水平處的最大斷面進行計算和網格劃分，如圖3所示。

圖3 -340m和-550m水平最大斷面處網格劃分

3.2 穩(wěn)定性評價標準

圍巖的整體破壞形式可以分為受拉破壞、剪切破壞以及拉剪復合破壞。在本文的研究中，采用第一主應力和第三主應力判斷受拉破壞情況，采用剪切塑性區(qū)判斷剪切破壞，采用襯砌切向應變判斷氣密穩(wěn)定性。

3.3 井筒的安全穩(wěn)定性分析

3.3.1 原井筒的安全穩(wěn)定性分析

本文采用秦巴列維奇公式[17]對主、副井筒的側壓力進行計算，并選取了最不利斷面作為計算斷面：主井筒選取-287.9m和-309.8m標高處的襯砌，副井筒選取-250m和-299.5m標高處的襯砌。

由于主、副井筒均為厚壁圓筒，其應力分布為軸對稱分布，根據彈性理論，并結合主、副井計算斷面的混凝土襯砌厚度，假設儲氣內壓為11MPa，不同斷面外徑、外邊界壓力及最大拉應力計算結果見表2。

表2 原主、副井筒的安全穩(wěn)定性分析結果

計算結果顯示，主井筒在-287.9m斷面處的最大拉應力為4.4MPa，超過了混凝土抗拉強度，應進行加固處理，而在-309.8m斷面處的最大拉應力均小于混凝土抗拉強度，滿足穩(wěn)定性要求；副井筒在-299.5m斷面處的最大拉應力為6.51MPa，超過混凝土抗拉強度，應進行加固處理，而在-250m斷面處的最大拉應力均小于混凝土抗拉強度，滿足穩(wěn)定性要求。

3.3.2 支護加固后井筒的穩(wěn)定性分析

根據以上計算結果，考慮儲氣硐室對密封性的設計要求，在主井筒和副井筒既有襯砌層內分別新增200mm和300mm厚的C30混凝土襯砌，對支護及加固后的主、副井筒進行驗算，其計算結果見表3。

表3 支護加固后主、副井筒最大拉應力

支護加固后主井筒在-287.9m斷面處的最大拉應力為1.24MPa，小于混凝土抗拉強度，滿足穩(wěn)定性要求；副井筒在-299.5m斷面處的最大拉應力為1.14MPa，小于混凝土抗拉強度，滿足穩(wěn)定性要求。

3.4 巷道和硐室的安全穩(wěn)定性分析

下面以承載壓力范圍為8～10.8MPa來具體分析該礦井巷道和硐室的安全穩(wěn)定性。由于-340m處于更加不安全的位置，為簡化研究，只給出了-340m在10.8MPa下的穩(wěn)定性分析結果。

3.4.1 原巷道與豎井連接處的安全穩(wěn)定性

如圖4(a)所示，在10.8MPa內壓工況下沒有產生新的剪切塑性區(qū)。如圖4(b)和(c)所示，在堵頭處圍巖的拉應力較大，在10.8MPa內壓下最大拉應力為2.2MPa，大于圍巖的抗拉強度，不能滿足穩(wěn)定性要求，要進行局部加固。而硐室襯砌、豎井井筒和堵頭的最大拉應力均小于2.01MPa，滿足抗拉強度要求。圖4(d)中表示了10.8MPa內壓下硐室混凝土襯砌結構開裂情況，紅色范圍為超過混凝土開裂應變的襯砌，襯砌的應變?yōu)檎?，表示為受拉狀態(tài)，而應變值也超過了一般混凝土開裂應變。但從超過的量值上分析，通過增加一定厚度的鋼筋混凝土襯砌就能滿足壓縮空氣儲能硐室的限裂設計要求。

圖4 10.8MPa內壓工況下原連接處的穩(wěn)定性分析

3.4.2 原巷道和硐室的安全穩(wěn)定性

如圖5(a)所示，在10.8MPa內壓工況下沒有產生剪切塑性區(qū)，穩(wěn)定性較好。如圖5(b)和(c)所示圍巖拉應力在拱腳處較大，在10.8MPa下最大拉應力為0.84MPa，略大于圍巖的抗拉強度，需要對襯砌進行加固處理。

3.4.3 支護及加固后巷道和硐室安全穩(wěn)定性分析

采用常規(guī)鋼筋混凝土襯砌方案對該礦井進行支護和加固，將-340m斷面的襯砌加厚至450mm，并且澆筑350mm厚混凝土底板，試算的結果如圖6所示。

加固后巷道周圍所有的圍巖處于彈性狀態(tài)，沒有塑性區(qū)，巷道的穩(wěn)定性較好。除去由于網格劃分導致的應力集中點，加固后的應力狀況比加固前有了很大改善，襯砌上的拉應變也明顯變小，通過在混凝土中配置一定量的鋼筋，可以將混凝土應變控制在壓縮空氣儲能硐室的限裂要求內。

圖5 -340m水平10.8MPa內壓工況下原硐室圍巖及支護塑性區(qū)及結構應力分布

圖6 支護和加固后-340m水平10.8MPa內壓工況下硐室圍巖及支護塑性區(qū)及結構應力分布

4 結 論

1)要利用廢棄礦井建立壓縮空氣儲能空間，必須遵循一定的原則，并滿足安全穩(wěn)定性要求。

2)利用廢棄礦井進行壓縮空氣儲能的井筒、巷道、硐室宜采用第一主應力和第三主應力判斷受拉破壞情況，宜采用剪切塑性區(qū)判斷剪切破壞情況，宜采用襯砌切向應變作為氣密穩(wěn)定性的判據。

3)通過對新集三礦主、副井筒以及-340m水平巷道和硐室的穩(wěn)定性分析可以看出，在合理的壓力變動范圍內，通過采取適當的加固和密封措施，能滿足壓縮空氣儲能的要求。