废弃煤矿压缩空气储能地质安全稳定性分析

王 帅，蒲宝基，蹇军强，宋立平，李瑞华，李 庆

(1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；2.中煤电力有限公司，北京 100120)

煤矿关闭或退出后，仍赋存着多种可利用资源，比如地下空间、水、煤及共伴生资源、土地等。随着煤炭去产能政策的不断推进，废弃矿井的再利用是学术界关注的一大热点话题[1-5]。压缩空气储能作为一种清洁无污染的利用方式，近年来得到了广泛关注[6-8]。

利用废弃矿井进行压缩空气储能不仅可以有效应对矿井退出后的经济和社会问题，还可以削峰填谷、消纳弃光弃风，为电网的稳定和风、光发电的健康发展提供关键支撑。此外，废弃矿井的巨大地下空间可实现长时间、大功率的电力存储和释放，并且可节约投资和运营成本。

据估计，截止到2019年，若能利用全国已退役的30%的废弃矿井的地下空间建设压缩空气储能机组，每对矿井可利用地下5万m3容积计算，储能总装机容量可达22500MW，相当于三峡电站的总装机容量。

目前，诸多学者在压缩空气储能热力学特性分析[9-11]和地下硐室的受力稳定性进行过一些理论和数值模拟研究[12，，13]，但还未有针对具体煤矿的地质安全稳定性分析。基于上述研究现状，提出了利用废弃煤矿进行压缩空气储能的安全稳定性要求，并针对具体矿井支护前后的井筒、巷道和硐室的安全稳定性进行了论证分析。

1 利用废弃煤矿压缩空气储能的原则

由于废弃矿井地下空间的赋存情况各异，因此要利用废弃矿井的地下空间进行压缩空气储能，必须遵循一定的原则和要求：①推荐选取布置在岩巷里的地下空间作为存储空间，严禁利用采空区和工作面巷道的空间；②必须采取措施使储气空间与煤层隔离；③应对原有岩巷里的巷道和硐室的稳定性做安全性分析，并做相应的加固，使之能承受压缩空气的储存压力；④应对储气空间覆岩的完整性做可利用性判识分析；⑤采取相关措施严格控制检修工况下矿井水的渗入量。

2 新集三矿可用空间和储气压力区间的选取

选取2016年退出的新集三矿做为研究对象，该矿井地下开采有-340m和-550m两个生产水平，设计生产能力为0.75Mt/a。

2.1 可用空间的选取

矿井地下空间的选取必须要考虑围岩岩性的影响。根据新集三矿的工程勘察资料和岩体的计算参数见表1，在参数选取时，参考《公路隧道设计规范》[14]中的各级围岩物理力学指标，-340m和-550m井底车场和硐室的围岩参数按照III级围岩、Ⅳ级围岩之间取值。根据剪切模量和体积模量与弹性模量和泊松比的换算关系，可以换算得到剪切模量和体积模量。

根据上面提出的原则，经初步分析，新集三矿主、副井筒穿越地层较复杂，支护强度高，建议利用-250m至井底段岩层，空间约16344m3；-340m井底车场及硐室处于III级粉砂岩岩层，胶结良好，坚硬致密，渗透率较小，抗压强度高，抗风化能力强，建议使用的空间约8350m3；-550m井底车场及硐室处于III级石英砂岩，为中等稳定岩层，建议使用的空间约32962m3。所有可利用空间合计57656m3。可利用空间及地面装置系统如图1所示。

表1 新集三矿岩体计算参数

图1 新集三矿可利用空间及地面装置系统

2.2 储气压力区间的选取

为了选择合适的储气压力区间，选择以下四个稳定性评价准则作为判断的依据。

2.2.1 片帮破坏准则

参照莫尔-库仑理论，当岩体内部某一面所受的滑动力大于其抗剪力时，岩体将沿该面发生剪切滑动，发生剪切破坏[15]。由此推出片帮破坏准则：

式中，T为剪切面所受抗剪力，N；S为滑动力，N。

以该矿井为例，主副井筒均采用C30混凝土浇注，主副井井壁厚分别为350mm和450mm，支护强度较高，未见井壁片帮破坏的情况。此外，-340m和-550m井底车场及硐室布置在稳定性较好的岩层中，采用钢筋混凝土砌碹支护，也未见巷道冒顶片帮破坏的情况，可利用性较强。

2.2.2 安全净距准则

参照岩盐储气库有关安全净距的经验公式：

B=KD

(2)

式中，K为硐室间安全系数，根据实际情况在一定范围内取值，对于储气库一般取1.5～3.0；D为单个储气硐室或单条巷道的最大直径，m。

由于该矿井不同水平巷道之间的距离远远大于巷道的直径，完全可以符合安全净距准则的要求。

2.2.3 抗抬准则

参照挪威准则[16]，用于压缩空气储能硐室时岩体最小覆盖厚度可表示为：

式中，H为岩体最小覆盖厚度，m；p为硐室气压，kPa；γ为岩体重度，kN/m3；α为地面倾角，(°)；F为经验系数，一般取1.1～1.5。

由于该矿井地面较为平坦，α取0°，若p取11MPa，γ取26kN/m3，F取1.1，根据式(3)得到岩体最小覆盖厚度为465.4m，而-340m和-550m井底车场上覆岩层厚度分别为363.5m和573.5m。因此-550m井底车场及巷道满足要求，而-340m井底车场及巷道不满足该准则，但该准则只适用于无衬砌巷道，若采用内衬和密封层进行加固和密封，可以使之满足该准则的要求。

2.2.4 最小主应力准则

参考水力劈裂准则，将水压改为硐室气压，不衬砌压力隧洞的气体压力应小于围岩初始应力场最小主应力准则，可表示为：

Fp≤σmin

(4)

式中，σmin为隧洞周边围岩初始应力场最小主应力，MPa；F为安全系数，一般取1.3～1.5。

以该矿井为例，如果p取11MPa，则最小主应力为14.3～16.5MPa。根据上覆岩层厚度计算地应力可得，-340m井底车场的地应力为9.45MPa，-550m井底车场地应力为14.9MPa，因此-340m和-550m储气巷道及硐室并不严格满足该准则，但考虑内衬及围岩的作用，则可以满足该准则。

根据以上四个准则的分析，考虑到储气压力与储能发电量的关系，选取8～10.8MPa作为该矿井压缩空气储能的压力变化区间。

3 新集三矿地下安全稳定性分析

3.1 模型建立与边界条件

假定岩体材料为理想弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb强度准则，利用Midas GTS建立模型，并导入FLAC3D数值模拟软件进行计算。为消除边界效应，模型取80m×80m×80m的整体尺寸，并充分考虑了竖井与水平硐室连接处的七组岩层穿越。此外，在储气硐室与井筒交叉的四个方向均设置了可以嵌入围岩中的齿状堵头。以-340 m处竖井与硐室连接位置的计算模型为例，网格划分如图2所示。

图2 竖井与-340m水平硐室连接处计算模型的网格划分

三维计算模型采用弹塑性模型，初始应力为围岩自重应力，无构造应力。模型在左右两侧的边界条件分别约束x方向(左右向)的位移，前后分别约束y方向(前后向)的位移，模型的下平面约束z方向(竖向)的位移，模型的上表面为自由面，不受约束，在其他五个面上采用固定边界，上部地层对计算模型处的影响通过在模型上表面施加竖向自重荷载体现。由于半径大、断面面积大的情况更为不利，因此选取-340m和-550m水平处的最大断面进行计算和网格划分，如图3所示。

图3 -340m和-550m水平最大断面处网格划分

3.2 稳定性评价标准

围岩的整体破坏形式可以分为受拉破坏、剪切破坏以及拉剪复合破坏。在本文的研究中，采用第一主应力和第三主应力判断受拉破坏情况，采用剪切塑性区判断剪切破坏，采用衬砌切向应变判断气密稳定性。

3.3 井筒的安全稳定性分析

3.3.1 原井筒的安全稳定性分析

本文采用秦巴列维奇公式[17]对主、副井筒的侧压力进行计算，并选取了最不利断面作为计算断面：主井筒选取-287.9m和-309.8m标高处的衬砌，副井筒选取-250m和-299.5m标高处的衬砌。

由于主、副井筒均为厚壁圆筒，其应力分布为轴对称分布，根据弹性理论，并结合主、副井计算断面的混凝土衬砌厚度，假设储气内压为11MPa，不同断面外径、外边界压力及最大拉应力计算结果见表2。

表2 原主、副井筒的安全稳定性分析结果

计算结果显示，主井筒在-287.9m断面处的最大拉应力为4.4MPa，超过了混凝土抗拉强度，应进行加固处理，而在-309.8m断面处的最大拉应力均小于混凝土抗拉强度，满足稳定性要求；副井筒在-299.5m断面处的最大拉应力为6.51MPa，超过混凝土抗拉强度，应进行加固处理，而在-250m断面处的最大拉应力均小于混凝土抗拉强度，满足稳定性要求。

3.3.2 支护加固后井筒的稳定性分析

根据以上计算结果，考虑储气硐室对密封性的设计要求，在主井筒和副井筒既有衬砌层内分别新增200mm和300mm厚的C30混凝土衬砌，对支护及加固后的主、副井筒进行验算，其计算结果见表3。

表3 支护加固后主、副井筒最大拉应力

支护加固后主井筒在-287.9m断面处的最大拉应力为1.24MPa，小于混凝土抗拉强度，满足稳定性要求；副井筒在-299.5m断面处的最大拉应力为1.14MPa，小于混凝土抗拉强度，满足稳定性要求。

3.4 巷道和硐室的安全稳定性分析

下面以承载压力范围为8～10.8MPa来具体分析该矿井巷道和硐室的安全稳定性。由于-340m处于更加不安全的位置，为简化研究，只给出了-340m在10.8MPa下的稳定性分析结果。

3.4.1 原巷道与竖井连接处的安全稳定性

如图4(a)所示，在10.8MPa内压工况下没有产生新的剪切塑性区。如图4(b)和(c)所示，在堵头处围岩的拉应力较大，在10.8MPa内压下最大拉应力为2.2MPa，大于围岩的抗拉强度，不能满足稳定性要求，要进行局部加固。而硐室衬砌、竖井井筒和堵头的最大拉应力均小于2.01MPa，满足抗拉强度要求。图4(d)中表示了10.8MPa内压下硐室混凝土衬砌结构开裂情况，红色范围为超过混凝土开裂应变的衬砌，衬砌的应变为正值，表示为受拉状态，而应变值也超过了一般混凝土开裂应变。但从超过的量值上分析，通过增加一定厚度的钢筋混凝土衬砌就能满足压缩空气储能硐室的限裂设计要求。

图4 10.8MPa内压工况下原连接处的稳定性分析

3.4.2 原巷道和硐室的安全稳定性

如图5(a)所示，在10.8MPa内压工况下没有产生剪切塑性区，稳定性较好。如图5(b)和(c)所示围岩拉应力在拱脚处较大，在10.8MPa下最大拉应力为0.84MPa，略大于围岩的抗拉强度，需要对衬砌进行加固处理。

3.4.3 支护及加固后巷道和硐室安全稳定性分析

采用常规钢筋混凝土衬砌方案对该矿井进行支护和加固，将-340m断面的衬砌加厚至450mm，并且浇筑350mm厚混凝土底板，试算的结果如图6所示。

加固后巷道周围所有的围岩处于弹性状态，没有塑性区，巷道的稳定性较好。除去由于网格划分导致的应力集中点，加固后的应力状况比加固前有了很大改善，衬砌上的拉应变也明显变小，通过在混凝土中配置一定量的钢筋，可以将混凝土应变控制在压缩空气储能硐室的限裂要求内。

图5 -340m水平10.8MPa内压工况下原硐室围岩及支护塑性区及结构应力分布

图6 支护和加固后-340m水平10.8MPa内压工况下硐室围岩及支护塑性区及结构应力分布

4 结 论

1)要利用废弃矿井建立压缩空气储能空间，必须遵循一定的原则，并满足安全稳定性要求。

2)利用废弃矿井进行压缩空气储能的井筒、巷道、硐室宜采用第一主应力和第三主应力判断受拉破坏情况，宜采用剪切塑性区判断剪切破坏情况，宜采用衬砌切向应变作为气密稳定性的判据。

3)通过对新集三矿主、副井筒以及-340m水平巷道和硐室的稳定性分析可以看出，在合理的压力变动范围内，通过采取适当的加固和密封措施，能满足压缩空气储能的要求。