王 帥，蒲寶基，蹇軍強(qiáng)，宋立平，李瑞華，李 慶

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

煤礦關(guān)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(chǎn)能政策的不斷推進(jìn)，廢棄礦井的再利用是學(xué)術(shù)界關(guān)注的一大熱點(diǎn)話題[1-5]。壓縮空氣儲(chǔ)能作為一種清潔無污染的利用方式，近年來得到了廣泛關(guān)注[6-8]。

利用廢棄礦井進(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)能不僅可以有效應(yīng)對(duì)礦井退出后的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問題，還可以削峰填谷、消納棄光棄風(fēng)，為電網(wǎng)的穩(wěn)定和風(fēng)、光發(fā)電的健康發(fā)展提供關(guān)鍵支撐。此外，廢棄礦井的巨大地下空間可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、大功率的電力存儲(chǔ)和釋放，并且可節(jié)約投資和運(yùn)營(yíng)成本。

據(jù)估計(jì)，截止到2019年，若能利用全國(guó)已退役的30%的廢棄礦井的地下空間建設(shè)壓縮空氣儲(chǔ)能機(jī)組，每對(duì)礦井可利用地下5萬m3容積計(jì)算，儲(chǔ)能總裝機(jī)容量可達(dá)22500MW，相當(dāng)于三峽電站的總裝機(jī)容量。

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

1 利用廢棄煤礦壓縮空氣儲(chǔ)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(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)空間，嚴(yán)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(chǔ)氣空間與煤層隔離；③應(yīng)對(duì)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(yīng)的加固，使之能承受壓縮空氣的儲(chǔ)存壓力；④應(yīng)對(duì)儲(chǔ)氣空間覆巖的完整性做可利用性判識(shí)分析；⑤采取相關(guān)措施嚴(yán)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(chǔ)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(duì)象，該礦井地下開采有-340m和-550m兩個(gè)生產(chǎn)水平，設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(jù)新集三礦的工程勘察資料和巖體的計(jì)算參數(shù)見表1，在參數(shù)選取時(shí)，參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]中的各級(jí)圍巖物理力學(xué)指標(biāo)，-340m和-550m井底車場(chǎng)和硐室的圍巖參數(shù)按照III級(jí)圍巖、Ⅳ級(jí)圍巖之間取值。根據(jù)剪切模量和體積模量與彈性模量和泊松比的換算關(guān)系，可以換算得到剪切模量和體積模量。

根據(jù)上面提出的原則，經(jīng)初步分析，新集三礦主、副井筒穿越地層較復(fù)雜，支護(hù)強(qiáng)度高，建議利用-250m至井底段巖層，空間約16344m3；-340m井底車場(chǎng)及硐室處于III級(jí)粉砂巖巖層，膠結(jié)良好，堅(jiān)硬致密，滲透率較小，抗壓強(qiáng)度高，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，建議使用的空間約8350m3；-550m井底車場(chǎng)及硐室處于III級(jí)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(jì)57656m3?？衫每臻g及地面裝置系統(tǒng)如圖1所示。

表1 新集三礦巖體計(jì)算參數(shù)

圖1 新集三礦可利用空間及地面裝置系統(tǒng)

2.2 儲(chǔ)氣壓力區(qū)間的選取

為了選擇合適的儲(chǔ)氣壓力區(qū)間，選擇以下四個(gè)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則作為判斷的依據(jù)。

2.2.1 片幫破壞準(zhǔn)則

參照莫爾-庫(kù)侖理論，當(dāng)巖體內(nèi)部某一面所受的滑動(dòng)力大于其抗剪力時(shí)，巖體將沿該面發(fā)生剪切滑動(dòng)，發(fā)生剪切破壞[15]。由此推出片幫破壞準(zhǔn)則：

式中，T為剪切面所受抗剪力，N；S為滑動(dòng)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(hù)強(qiáng)度較高，未見井壁片幫破壞的情況。此外，-340m和-550m井底車場(chǎng)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(hù)，也未見巷道冒頂片幫破壞的情況，可利用性較強(qiáng)。

2.2.2 安全凈距準(zhǔn)則

參照巖鹽儲(chǔ)氣庫(kù)有關(guān)安全凈距的經(jīng)驗(yàn)公式：

B=KD

(2)

式中，K為硐室間安全系數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況在一定范圍內(nèi)取值，對(duì)于儲(chǔ)氣庫(kù)一般取1.5～3.0；D為單個(gè)儲(chǔ)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于巷道的直徑，完全可以符合安全凈距準(zhǔn)則的要求。

2.2.3 抗抬準(zhǔn)則

參照挪威準(zhǔn)則[16]，用于壓縮空氣儲(chǔ)能硐室時(shí)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(jīng)驗(yàn)系數(shù)，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(xiàn)取1.1，根據(jù)式(3)得到巖體最小覆蓋厚度為465.4m，而-340m和-550m井底車場(chǎng)上覆巖層厚度分別為363.5m和573.5m。因此-550m井底車場(chǎng)及巷道滿足要求，而-340m井底車場(chǎng)及巷道不滿足該準(zhǔn)則，但該準(zhǔn)則只適用于無襯砌巷道，若采用內(nèi)襯和密封層進(jìn)行加固和密封，可以使之滿足該準(zhǔn)則的要求。

2.2.4 最小主應(yīng)力準(zhǔn)則

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

Fp≤σmin

(4)

式中，σmin為隧洞周邊圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)最小主應(yīng)力，MPa；F為安全系數(shù)，一般取1.3～1.5。

以該礦井為例，如果p取11MPa，則最小主應(yīng)力為14.3～16.5MPa。根據(jù)上覆巖層厚度計(jì)算地應(yīng)力可得，-340m井底車場(chǎng)的地應(yīng)力為9.45MPa，-550m井底車場(chǎng)地應(yīng)力為14.9MPa，因此-340m和-550m儲(chǔ)氣巷道及硐室并不嚴(yán)格滿足該準(zhǔn)則，但考慮內(nèi)襯及圍巖的作用，則可以滿足該準(zhǔn)則。

根據(jù)以上四個(gè)準(zhǔn)則的分析，考慮到儲(chǔ)氣壓力與儲(chǔ)能發(fā)電量的關(guān)系，選取8～10.8MPa作為該礦井壓縮空氣儲(chǔ)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(qiáng)度準(zhǔn)則，利用Midas GTS建立模型，并導(dǎo)入FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算。為消除邊界效應(yīng)，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(chǔ)氣硐室與井筒交叉的四個(gè)方向均設(shè)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(jì)算模型為例，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 豎井與-340m水平硐室連接處計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分

三維計(jì)算模型采用彈塑性模型，初始應(yīng)力為圍巖自重應(yīng)力，無構(gòu)造應(yīng)力。模型在左右兩側(cè)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(gè)面上采用固定邊界，上部地層對(duì)計(jì)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(xiàn)。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(jìn)行計(jì)算和網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 -340m和-550m水平最大斷面處網(wǎng)格劃分

3.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

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(fù)合破壞。在本文的研究中，采用第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)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(yīng)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(duì)主、副井筒的側(cè)壓力進(jìn)行計(jì)算，并選取了最不利斷面作為計(jì)算斷面：主井筒選取-287.9m和-309.8m標(biāo)高處的襯砌，副井筒選取-250m和-299.5m標(biāo)高處的襯砌。

由于主、副井筒均為厚壁圓筒，其應(yīng)力分布為軸對(duì)稱分布，根據(jù)彈性理論，并結(jié)合主、副井計(jì)算斷面的混凝土襯砌厚度，假設(shè)儲(chǔ)氣內(nèi)壓為11MPa，不同斷面外徑、外邊界壓力及最大拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 原主、副井筒的安全穩(wěn)定性分析結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，主井筒在-287.9m斷面處的最大拉應(yīng)力為4.4MPa，超過了混凝土抗拉強(qiáng)度，應(yīng)進(jìn)行加固處理，而在-309.8m斷面處的最大拉應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度，滿足穩(wěn)定性要求；副井筒在-299.5m斷面處的最大拉應(yīng)力為6.51MPa，超過混凝土抗拉強(qiáng)度，應(yīng)進(jìn)行加固處理，而在-250m斷面處的最大拉應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度，滿足穩(wěn)定性要求。

3.3.2 支護(hù)加固后井筒的穩(wěn)定性分析

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，考慮儲(chǔ)氣硐室對(duì)密封性的設(shè)計(jì)要求，在主井筒和副井筒既有襯砌層內(nèi)分別新增200mm和300mm厚的C30混凝土襯砌，對(duì)支護(hù)及加固后的主、副井筒進(jìn)行驗(yàn)算，其計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 支護(hù)加固后主、副井筒最大拉應(yīng)力

支護(hù)加固后主井筒在-287.9m斷面處的最大拉應(yīng)力為1.24MPa，小于混凝土抗拉強(qiáng)度，滿足穩(wěn)定性要求；副井筒在-299.5m斷面處的最大拉應(yīng)力為1.14MPa，小于混凝土抗拉強(qiáng)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(jiǎn)化研究，只給出了-340m在10.8MPa下的穩(wěn)定性分析結(jié)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(nèi)壓工況下沒有產(chǎn)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(yīng)力較大，在10.8MPa內(nèi)壓下最大拉應(yīng)力為2.2MPa，大于圍巖的抗拉強(qiáng)度，不能滿足穩(wěn)定性要求，要進(jìn)行局部加固。而硐室襯砌、豎井井筒和堵頭的最大拉應(yīng)力均小于2.01MPa，滿足抗拉強(qiáng)度要求。圖4(d)中表示了10.8MPa內(nèi)壓下硐室混凝土襯砌結(jié)構(gòu)開裂情況，紅色范圍為超過混凝土開裂應(yīng)變的襯砌，襯砌的應(yīng)變?yōu)檎?，表示為受拉狀態(tài)，而應(yīng)變值也超過了一般混凝土開裂應(yīng)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(chǔ)能硐室的限裂設(shè)計(jì)要求。

圖4 10.8MPa內(nèi)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(nèi)壓工況下沒有產(chǎn)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(yīng)力在拱腳處較大，在10.8MPa下最大拉應(yīng)力為0.84MPa，略大于圍巖的抗拉強(qiáng)度，需要對(duì)襯砌進(jìn)行加固處理。

3.4.3 支護(hù)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(duì)該礦井進(jìn)行支護(hù)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(jié)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(wǎng)格劃分導(dǎo)致的應(yīng)力集中點(diǎn)，加固后的應(yīng)力狀況比加固前有了很大改善，襯砌上的拉應(yīng)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(yīng)變控制在壓縮空氣儲(chǔ)能硐室的限裂要求內(nèi)。

圖5 -340m水平10.8MPa內(nèi)壓工況下原硐室圍巖及支護(hù)塑性區(qū)及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖6 支護(hù)和加固后-340m水平10.8MPa內(nèi)壓工況下硐室圍巖及支護(hù)塑性區(qū)及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

4 結(jié) 論

1)要利用廢棄礦井建立壓縮空氣儲(chǔ)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(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)能的井筒、巷道、硐室宜采用第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)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(yīng)變作為氣密穩(wěn)定性的判據(jù)。

3)通過對(duì)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(dòng)范圍內(nèi)，通過采取適當(dāng)?shù)募庸毯兔芊獯胧?，能滿足壓縮空氣儲(chǔ)能的要求。