趙同彬，劉淑敏，馬洪嶺，梅東升，魏振鑫，梅城瑋

（1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院,山東 青島 266590；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430071；3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；4.北京京能能源技術(shù)研究有限責(zé)任公司,北京 100022）

0 引言

我國煤炭資源開采歷史悠久，受煤層自然賦存條件特征影響，井工開采是煤礦的主要開采方式。對于煤礦而言，隨著煤炭資源的不斷開采，達(dá)到生產(chǎn)服務(wù)年限后必將面臨礦井關(guān)閉退出的局面，我國在20 世紀(jì)70 年代前后集中開發(fā)建設(shè)的一批煤礦，目前已經(jīng)陸續(xù)進(jìn)入關(guān)閉階段，在未來5～10 a 我國東部礦區(qū)將出現(xiàn)更多的煤礦關(guān)井閉坑。

如今，國內(nèi)外針對關(guān)閉煤礦進(jìn)行轉(zhuǎn)型利用的類型主要是將礦區(qū)地面建設(shè)成礦山公園，利用沉陷區(qū)修建人工湖或?qū)⑼恋匦迯?fù)治理再利用，并未實(shí)現(xiàn)關(guān)閉煤礦的最大化利用，造成地下空間資源的極大浪費(fèi)[1-2]。因此，廢棄煤礦再利用刻不容緩，怎樣把廢棄煤礦地下空間更好地開發(fā)與進(jìn)一步利用是社會持續(xù)關(guān)注和研究的焦點(diǎn)問題[3]。近年來，利用廢棄礦井進(jìn)行壓縮空氣儲能受到廣泛關(guān)注[4-7]，其不僅可以有效利用資源，還可以為電網(wǎng)的穩(wěn)定健康發(fā)展提供關(guān)鍵支撐[8]。國內(nèi)外已存在將廢棄礦井地下空間作為儲能庫進(jìn)行壓縮空氣儲能的實(shí)例，如德國于1978 年利用鹽穴構(gòu)建了額定功率為290 MW，發(fā)電能力為4 h的Huntorf 壓縮空氣儲能電站，美國于1991 年利用地下鹽穴建成McIntosh 商運(yùn)電站[9]。我國盧強(qiáng)院士團(tuán)隊(duì)將研發(fā)的零排放壓縮空氣儲能技術(shù)應(yīng)用于大同云岡礦，搭建了全球首個(gè)煤礦巷道壓縮空氣儲能電站[10-11]。針對利用層狀鹽巖地層大規(guī)模儲能存在的關(guān)鍵理論和技術(shù)難題，楊春和院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年的持續(xù)攻關(guān)，在實(shí)驗(yàn)裝置研發(fā)、層狀鹽巖力學(xué)特性研究、儲能庫建造技術(shù)、注氣排鹵關(guān)鍵技術(shù)和運(yùn)行壓力優(yōu)化方法等方面取得了突破，并在國內(nèi)多座已建和在建的鹽穴儲能庫中得到推廣與應(yīng)用[12-14]。夏才初等[5,15]通過數(shù)值模擬對壓縮儲能洞室的空氣泄漏量、圍巖應(yīng)力以及變形等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為后續(xù)研究提供了指導(dǎo)。王建國等[6,16]針對廢棄煤礦地下硐室壓縮空氣儲能中的多物理場耦合問題，詳細(xì)研究了空氣泄漏、地下硐室溫度和壓力變化的熱力學(xué)規(guī)律。目前比較成功的是利用廢棄鹽礦井建設(shè)地下儲氣庫，如對金壇、云應(yīng)、淮安、平頂山等地的鹽礦及含山石膏礦空區(qū)進(jìn)行改造構(gòu)建儲氣庫[17-18]。

然而，由于地質(zhì)賦存、采掘條件的復(fù)雜性，廢棄煤礦壓縮空氣儲能技術(shù)整體處于初級階段，關(guān)鍵技術(shù)與工程示范方面均需進(jìn)一步研究?；诖耍疚膶嚎s空氣地質(zhì)儲能分類、廢棄煤礦儲能及地下空間利用現(xiàn)狀、地下空間容量估算方面進(jìn)行了綜述，系統(tǒng)梳理了壓縮空氣儲能在廢棄煤礦中應(yīng)用的主要研究方向及現(xiàn)狀，分析總結(jié)了現(xiàn)有研究存在的不足，針對性的提出了廢棄煤礦壓縮空氣儲能關(guān)鍵技術(shù)以及擬解決的科學(xué)問題，為壓縮空氣儲能技術(shù)在廢棄煤礦中應(yīng)用提供借鑒。

1 壓縮空氣儲能技術(shù)及廢棄煤礦儲能空間

1.1 壓縮空氣地質(zhì)儲能概念及儲能庫分類

電力儲能技術(shù)主要包括機(jī)械儲能技術(shù)、電氣儲能技術(shù)、電化學(xué)儲能技術(shù)等[19-20]，2021 年我國各儲能技術(shù)裝機(jī)規(guī)模占比如圖1 所示，其中以機(jī)械儲能和電化學(xué)儲能應(yīng)用較廣，這兩類儲能技術(shù)特點(diǎn)見表1。綜合圖1 與表1 可知，由于受能量密度、充放電效率、儲能周期與容量、運(yùn)行費(fèi)用與壽命等問題所限，雖然目前抽水儲能是最常用的物理儲能方式，但相比之下，CAES 具有建設(shè)成本低、設(shè)備占地面積小、儲能周期長以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的大規(guī)模儲能技術(shù)之一[21-22]。CAES 在裝機(jī)容量上可達(dá)到幾百兆瓦，規(guī)模與抽水蓄能相當(dāng)，便于大規(guī)模商業(yè)化的應(yīng)用和推廣，并且CAES 的能源轉(zhuǎn)化效率較高，理論最高可達(dá)70%左右[21]。

表1 各類儲能技術(shù)特點(diǎn)Table 1 Characteristics of various energy storage technologies

圖1 2021 年中國各儲能技術(shù)裝機(jī)規(guī)模占比Fig.1 Proportion of installed capacity of each energy storage technology in China in 2021

壓縮空氣地質(zhì)儲能是采用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)的剩余電力或可再生能源的電力對空氣進(jìn)行壓縮，將高壓壓縮空氣注入并儲存到地質(zhì)儲能庫（如地下巖石硐室、鹽穴、含水層等）中；當(dāng)用電高峰時(shí)將高壓壓縮空氣釋放出來，推動(dòng)汽輪機(jī)膨脹做功發(fā)電[23-28]，其工作原理如圖2 所示。

圖2 壓縮空氣地質(zhì)儲能技術(shù)原理Fig.2 Principle of compressed air geological energy storage technology

儲能庫是CAES 系統(tǒng)重要的組成部分，通常地下儲能庫多選在層狀鹽穴或鹽丘、含水層、枯竭的油氣井或硬巖礦山等的地質(zhì)體中。每種地質(zhì)條件存儲壓縮空氣的地層示意圖如圖3 所示。按照地質(zhì)條件可將儲能庫分為以下4 類：

圖3 儲存壓縮空氣的地層示意Fig.3 Stored compressed air formation diagram

1）鹽穴儲能庫（圖3a）。將高壓空氣儲存于水溶法開采的地下鹽層或鹽丘形成的地下空穴中，這種儲能庫有許多優(yōu)點(diǎn)是其他類型的儲能庫不可比擬的，如成本低、密封性好、壽命長，缺點(diǎn)是受地域限制，只能在鹽礦賦存地區(qū)建設(shè)。各國將具有巨大巖鹽礦床地質(zhì)構(gòu)造的區(qū)域改建成了鹽穴儲能庫電站，如德國Huntorf（290 MW，2007 年擴(kuò)容至321 MW）[25]，美國McIntosh（110 MW），江蘇金壇（60 MW）和山東泰安（10 MW）壓縮空氣電站均屬于此類儲能系統(tǒng)[9]。

2）人工洞室儲能庫。在地下100～300 m 范圍內(nèi)的巖石區(qū)域，人工開挖隧道式或大罐式硐室，硐室內(nèi)加密封層（鋼或橡膠）保證高壓氣體的密封。該方式的特點(diǎn)是不受地域限制，目前處于工程示范與試驗(yàn)階段。湖南平江壓縮空氣儲能試驗(yàn)洞、遼寧朝陽壓縮空氣儲能電站和寧夏中寧壓縮空氣儲能電站均屬于此類儲能系統(tǒng)[10-11]。

3）含水層儲能庫（圖3b）。地下含水層封存CO2（埋深800 m 以下含水層）和天然氣的實(shí)施應(yīng)用，證實(shí)了含水層能夠作為儲存氣體的地質(zhì)體。相較鹽穴儲能庫，地下含水層作為儲能庫具有成本低、分布廣泛，可降低儲能系統(tǒng)對地質(zhì)條件的限制等優(yōu)點(diǎn)。美國匹茲菲爾德（Pittsfield）場地的實(shí)踐案例充分驗(yàn)證了含水層構(gòu)建儲能庫的可行性[27]。含水層儲能庫類型與巖石洞穴儲能庫類型相似，目前處于工程示范與試驗(yàn)階段。

4）枯竭油氣田儲能庫（圖3b）。在油氣藏開采過程中已獲取較豐富的儲能庫建庫相關(guān)地質(zhì)信息（如地層巖性、圈閉性信息、油（氣）藏面積、儲層均質(zhì)性及厚度、原始地層壓力和溫度、儲氣層孔隙度、滲透率等），大幅降低了儲能庫的選址建設(shè)成本，有力推動(dòng)了在枯竭油氣田中CAES 的開展[28]。但此類儲能庫只能基于已有枯竭油氣田進(jìn)行開發(fā)利用，范圍相對比較局限。目前，清華大學(xué)薛小代團(tuán)隊(duì)和勝利油田在孤東22-3 井、墾東642-7 井開展1 kW 枯竭油氣藏壓縮空氣儲能的驗(yàn)證試驗(yàn)，真正形成穩(wěn)定的規(guī)?；萁哂蜌馓飰嚎s空氣儲能，還面臨很大挑戰(zhàn)。真正形成穩(wěn)定的規(guī)?；萁哂蜌馓飰嚎s空氣儲能，還面臨很大挑戰(zhàn)。

5）廢棄煤礦及巖洞儲能庫（圖3c）。廢棄煤礦及巖洞儲能庫是一種利用符合儲氣條件的廢棄礦井或洞穴改建的地下儲能庫。在建的大同云岡礦廢棄巷道壓縮空氣儲能電站屬于此類儲能系統(tǒng)。

1.2 廢棄煤礦地下空間現(xiàn)狀分析

1.2.1 廢棄煤礦數(shù)量

近年來我國關(guān)閉煤礦數(shù)量快速增加，截止到2020 年底，“十三五”期間我國累計(jì)關(guān)閉煤礦7 448處[29-30]（圖4）并且隨著資源枯竭，累計(jì)關(guān)閉煤礦會越來越多。關(guān)閉/廢棄煤礦數(shù)量增多一方面帶來了土地資源破壞，生態(tài)環(huán)境惡化問題[31-32]，另一方面關(guān)閉/廢棄煤礦仍賦存大量可利用資源（如廢棄煤礦生產(chǎn)區(qū)還有很多閑置廠房和設(shè)備，大量的土地資源及礦井地下空間得不到充分利用）[33-35]，開發(fā)利用空間巨大。

圖4 “十五”以來我國已關(guān)閉煤礦數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistics on the number of closed coal mines in China since the Tenth Five-year Plan

1.2.2 廢棄煤礦的開發(fā)利用現(xiàn)狀

關(guān)閉煤礦再利用主要體現(xiàn)在以下方面：開發(fā)與轉(zhuǎn)化非常規(guī)天然氣，搭建抽水蓄能電站，利用地下空間開發(fā)工業(yè)旅游，處理中低放廢料，儲存農(nóng)作物種子及軍事物資，搭建國家級科研平臺等[3]。雖然我國在晉城寺河礦成功建設(shè)了工業(yè)旅游園，將峰峰五礦改造成地下儲物室，順利建成神華地下水庫，但我國在關(guān)閉煤礦地下空間再利用方面起步較晚，在綜合化、高端化、智能化開發(fā)與利用方面仍然存在很大距離。

國外自20 世紀(jì)中葉就開始研究關(guān)閉礦井的再利用，在煤礦瓦斯采集與利用、礦井水資源利用、地下空間博物館、物資儲存庫以及礦山地質(zhì)公園等方面積累了豐富的開發(fā)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，形成了瓦斯利用、水熱聯(lián)用、地下空間利用、礦山公園等一系列關(guān)閉煤礦資源化利用模式[1,36]。例如，德國在魯爾工業(yè)區(qū)建設(shè)了博物館和公共游憩地，將風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)在廢棄礦山的排土場上[37]，荷蘭運(yùn)用水熱聯(lián)用模式將放射性廢物放置在奧蘭治納蘇I、III 和IV3 座大型煤礦中[38]；美國第一個(gè)地下文件存儲中心建立在關(guān)閉礦井地下空間[39]；英國對關(guān)閉的30 座廢棄煤礦進(jìn)行瓦斯開發(fā)利用[40]。

近年來，基于環(huán)境保護(hù)和資源能源轉(zhuǎn)型升級的新要求，綜合利用技術(shù)、措施和手段不斷更新，信息化、科技化、產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化模式不斷創(chuàng)新，一些資源枯竭型城市更加重視資源開發(fā)與再利用，出現(xiàn)了多種新型再利用模式（如農(nóng)林用地[41]、建設(shè)用地、水域綜合利用[42-43]、空間再利用等[44-46]），為我國廢棄煤礦空間資源的綜合利用提供了充足的經(jīng)驗(yàn)[1,47-48]。國內(nèi)外關(guān)閉煤礦空間資源再利用的案例很多，對其進(jìn)行歸納總結(jié)可知，主要存在如圖5 所示的8 種再利用模式：農(nóng)林用地、建設(shè)用地、場地綠化、水域利用、水熱聯(lián)用、濕地公園、礦山公園、空間再利用。

1.2.3 廢棄煤礦地下空間容量估算

在全國典型煤礦地下空間可利用量的調(diào)研數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)雷明星等提出的地下空間估算模型，并結(jié)合礦井井巷斷面的經(jīng)驗(yàn)值（小型礦井10 m2，中型礦井14 m2，大型礦井16 m2，特大型礦井18 m2，）對重點(diǎn)產(chǎn)煤省份的礦井地下空間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估算[49-50]，最終得到見表2 和表3 所列的重點(diǎn)產(chǎn)煤省份礦井（大巷和井筒）空間容量的估算值。

表2 重點(diǎn)產(chǎn)煤省份礦井大巷空間估算Table 2 Estimation of mine roadway space in key coal-producing provinces

表3 重點(diǎn)產(chǎn)煤省份礦井井筒空間估算Table 3 Estimation of shaft space in key coal-producing provinces

根據(jù)表2 和表3 可知，大巷空間容量近1.5×108m3，井筒空間容量超過5.0×107m3。其中，小型礦井可利用井巷空間容量主要分布在貴州、云南、黑龍江等省份，中、大型礦井可利用井巷空間容量主要分布在山西、內(nèi)蒙古、陜西、寧夏等，且占比超60%。礦井地下空間的開發(fā)模式在未來一段時(shí)間內(nèi)將成為這些資源型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展的巨大動(dòng)力。

我國對煤礦地下空間容量存在統(tǒng)計(jì)不足，廢棄煤礦地下空間開發(fā)再利用模式仍處于探索階段，相關(guān)核心技術(shù)不成熟，無法形成可推廣的開發(fā)利用模式。并且廢棄煤礦的開發(fā)與利用在國家層面并未開展頂層設(shè)計(jì)，地方政府、企業(yè)對廢棄煤礦地下空間利用的相關(guān)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的重視程度較低，使廢棄煤礦地下空間開發(fā)與利用受到嚴(yán)重制約。

廢棄煤礦地下空間作為壓縮空氣儲能電站大規(guī)模地下儲能庫的類型之一，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注廢棄煤礦地下儲能庫建設(shè)的相關(guān)問題，并且從地下儲能庫封閉層的氣密性和穩(wěn)定性、氣體泄漏率、儲能庫腔體變形及收縮率等方面展開了研究與討論，取得了一定成果，為壓縮空氣儲能在廢棄煤礦中的應(yīng)用提供了理論支撐。

2 廢棄煤礦壓縮空氣儲能研究現(xiàn)狀

2.1 地下儲能庫建設(shè)研究現(xiàn)狀

CAES 電站儲能庫多采用地下空間作為能源存儲庫。將廢棄煤礦中已有的巷道和硐室改造成儲能庫，既節(jié)約土地資源，又環(huán)保安全，還節(jié)省大量的前期建設(shè)投資。但儲能庫的建設(shè)對地層有特別要求，一般來說，儲能庫的地層應(yīng)該具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，滲透率低于0.12～0.13 μm2[51]。

1978 年，德國將2 個(gè)地下鹽穴改造成了儲能庫，建立了第一座額定功率為290 MW 的Huntorf 壓縮空氣儲能商業(yè)電站；1991 年，美國運(yùn)用一個(gè)地下鹽穴建設(shè)了McIntosh 電站，這兩座傳統(tǒng)壓縮空氣儲能電站至今仍在商業(yè)運(yùn)行[9]，具體技術(shù)參數(shù)見表4。

1990 年，日本在一座已開采完的煤礦內(nèi)研究建造了一座35 MW 的壓縮空氣試驗(yàn)電站[52]。美國于2001 年開始將地下廢棄石灰?guī)r礦硐改造為儲能庫，建設(shè)了一座2 700 MW 的大型壓縮空氣蓄能商業(yè)電站。韓國于2011 年在地下100 m 深的石灰?guī)r中建設(shè)壓縮空氣儲能電站，證實(shí)內(nèi)襯硐室作為壓縮空氣儲能地下儲能庫是可行的[53]。何秋德等[4]以徐州權(quán)臺煤礦為例，從理論上證明了將煤礦廢棄巷道與壓縮空氣蓄能技術(shù)相結(jié)合完全可行。牛文進(jìn)等[54]提出了在廢棄礦山地下空間布置瓦斯抽采裝置與儲水槽以保證儲氣空間安全的廢棄礦山空氣壓縮蓄能電站技術(shù)。2019 年，我國第1個(gè)利用廢棄煤礦巷道改造成壓縮空氣儲能庫的項(xiàng)目在云岡礦開工[55]。但由于煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜、階段性廢棄煤礦數(shù)量大、基礎(chǔ)研究相對薄弱、關(guān)鍵技術(shù)還不成熟等因素影響，壓縮空氣儲能在廢棄煤礦中的應(yīng)用（如儲存壓縮空氣的礦井遴選、密封性能、儲存空間大小、儲存時(shí)間等）亟需開展深入研究，以便形成適合中國國情、自然地質(zhì)條件的廢棄煤礦壓縮空氣儲能的保障理論與技術(shù)。

2.2 地下儲能庫的密封性研究現(xiàn)狀

良好的密封性是CAES 地下儲能庫長期穩(wěn)定運(yùn)行的保障之一。由于儲能庫密封性影響壓氣儲能電站運(yùn)行效率，ALLEN 等[56]針對壓縮空氣儲能電站地下儲能庫的氣體泄漏情況進(jìn)行分析，研究提出儲能庫每天的空氣泄漏量應(yīng)低于1%才能保證壓氣儲能電站的運(yùn)行效率，若空氣泄漏量達(dá)到每天2%將會造成每年約100 萬美元的損失。因此，通常需要增加工程措施（如施加內(nèi)襯）來保證儲能庫的氣密性。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過現(xiàn)場試驗(yàn)、解析解計(jì)算和數(shù)值模擬的方法來評估壓縮空氣儲能電站地下儲能庫的空氣泄漏情況。ISHIHATA[57]于1990 年嘗試在已采煤礦的硬巖硐室增加內(nèi)襯密封層，成功開展了壓氣儲能試驗(yàn)且獲取了現(xiàn)場空氣的泄漏數(shù)據(jù)。通過現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)軌颢@得實(shí)際的空氣泄漏率，但該方法成本較高，因此，有關(guān)學(xué)者采用解析解計(jì)算法對儲能庫的空氣泄漏量進(jìn)行估算。葉斌等[58]借助解析解計(jì)算法研究了襯砌滲透率、襯砌厚度和洞室形狀對洞室中空氣泄漏量的影響規(guī)律。周瑜等[59-60]研究表明CAES 無襯砌洞室的空氣泄漏率的迭代估算方法可以直接應(yīng)用在壓氣儲能內(nèi)襯洞室研究的初始階段。夏才初等[61]針對空氣泄漏率的影響因素（襯砌滲透率、襯砌厚度與儲氣壓力）進(jìn)行了分析探討，結(jié)果表明：隨著襯砌厚度的增大，襯砌厚度對空氣滲漏的控制效果逐漸減弱，且滲透率越低；襯砌厚度與初始壓強(qiáng)越大，空氣滲漏百分比越小；通過基于多孔介質(zhì)滲流力學(xué)理論構(gòu)建的空氣滲漏量估算公式，計(jì)算得到的空氣泄漏量小于傳統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)徑向滲流理論解析計(jì)算得到的空氣滲漏量[62]。為評估無襯砌洞室的空氣泄漏情況，WU 等[63]提出了熱-流-固耦合模型，并運(yùn)用現(xiàn)場測試、解析解計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法綜合探討了空氣泄漏對無襯砌洞室的溫度和壓力變化以及圍巖氣體滲流的影響。相較解析解計(jì)算方法，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)通過數(shù)值模擬更容易獲取高精度的空氣泄漏率，如KIM 和RUTQVIST 等[64-65]通過TOUGH-FLAC 軟件數(shù)值模擬了襯砌洞室的熱力學(xué)和變形特性，研究認(rèn)為在混凝土襯砌洞室中儲氣壓力在5～8 MPa，可以控制內(nèi)襯洞室每天的氣體泄漏率在1%以下。LI 等[66]提出了一種考慮氣體溫度的熱-流-固耦合模型，并模擬了CAES 洞室內(nèi)的空氣泄漏和力學(xué)行為。NAKAGAWA 等[67]通過連續(xù)兩相流模型模擬計(jì)算了一個(gè)特定儲能庫的空氣泄漏量。ZHOU 等[68]通過COMSOL Multiphysics 軟件模擬得到了采用橡膠密封的襯砌巖石洞室的空氣泄漏量。

在壓縮空氣地下儲能庫儲能運(yùn)行過程中，頻繁充氣與放氣將引起儲能庫內(nèi)溫度和壓力發(fā)生變化，進(jìn)而影響儲能庫的空氣泄漏情況。因此，地下儲能庫的氣密性問題涉及了儲能庫熱力學(xué)、滲透和力學(xué)的復(fù)雜多場耦合問題。目前，國內(nèi)外學(xué)者對廢棄煤礦地下儲能庫受擾動(dòng)時(shí)的氣密性研究較少。

2.3 地下儲能庫的穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

壓氣儲能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，頻繁地充氣、放氣過程將導(dǎo)致地下儲能庫各結(jié)構(gòu)層的受力、變形和滲透率發(fā)生變化，影響地層穩(wěn)定性。因此，對地下儲能庫不同受載條件下的穩(wěn)定性研究是十分有必要的。

在地下儲能庫穩(wěn)定性研究過程中，KIM 等[69-71]針對韓國地下儲氣實(shí)驗(yàn)庫進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了開挖擾動(dòng)作用下儲能庫的受力情況及變形特征，并探討了襯砌力學(xué)性能變化對儲能庫氣體滲透的影響規(guī)律。RUTQVIST 等[65]綜合考慮了儲能庫內(nèi)襯洞室運(yùn)行時(shí)的溫度與壓力因素，通過TOUGH-FLAC 軟件模擬研究了韓國CAES 地下儲能庫內(nèi)襯洞室的熱力學(xué)問題。ZIMMELS 等[72]運(yùn)用FLAC 模擬研究了儲能庫內(nèi)部壓力作用下單洞和群洞的穩(wěn)定性。SERBIN 等[73]進(jìn)行熱力耦合模擬分析了洞室熱力學(xué)效應(yīng)對洞室收斂的影響。夏才初等[5,74-75]針對壓氣儲能洞室穩(wěn)定性開展了一系列試驗(yàn)與模擬研究，提出了綜合考慮洞室的組成結(jié)構(gòu)、氣壓和溫度聯(lián)合作用引起的應(yīng)力計(jì)算方法，得出了充氣與放氣過程中洞室的受力變化規(guī)律，并通過熱-力-壓縮空氣耦合求解的數(shù)值模型驗(yàn)證了應(yīng)力結(jié)果的正確性，闡述了洞室總應(yīng)力的溫度效應(yīng)[76]。周瑜等[59]提出了估算洞室空氣泄漏率和圍巖應(yīng)力、位移的方法，為壓氣儲能內(nèi)襯洞室的圍巖穩(wěn)定性與安全性評價(jià)提供借鑒。蔣中明等[77]結(jié)合我國建造的第一個(gè)花崗巖洞室儲能庫，模擬分析了循環(huán)動(dòng)載下儲能庫的受力、變形特性以及熱力學(xué)變化過程，研究發(fā)現(xiàn)圍巖在氣體壓力（8.7 MPa）作用下僅發(fā)生4 mm 以下的變形量，且壓力影響區(qū)小于10 m[78-79]。王其寬等[80]基于正交設(shè)計(jì)理念，采用ABAQUS 有限元模擬研究了儲能庫主要布局參數(shù)（硐室埋深、間距及內(nèi)徑）對圍巖變形和穩(wěn)定性的影響，提出了硐室群的最優(yōu)布置方案。

壓縮空氣地下能源儲備是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其建造和運(yùn)營過程中存在多種影響穩(wěn)定性的因素（如地應(yīng)力、埋深、圍巖性質(zhì)、溫度、采掘活動(dòng)等），國內(nèi)外學(xué)者圍繞壓縮空氣地下儲能庫的圍巖穩(wěn)定性以及影響因素開展了一系列研究工作，研究結(jié)論對指導(dǎo)工程實(shí)踐具有非常重要的意義，但我國廢棄煤礦儲能庫的建設(shè)尚處于起步階段，需要更廣泛、深入的研究多因素作用對廢棄煤礦儲能庫穩(wěn)定性的影響。

3 廢棄煤礦壓縮空氣儲能關(guān)鍵技術(shù)

鹽穴壓縮空氣儲能發(fā)電在國外已商業(yè)運(yùn)行了二十多年，技術(shù)成熟，經(jīng)驗(yàn)豐富。我國在壓縮空氣地下儲能庫儲能方面進(jìn)行了諸多研究，并成功建設(shè)了金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站和泰安鹽穴壓縮空氣儲能電站，但目前我國廢棄煤礦壓縮空氣儲能的發(fā)展仍較為緩慢。

針對廢棄煤礦壓縮空氣儲能機(jī)理和儲能庫穩(wěn)定性方面的研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)，亟待實(shí)現(xiàn)理論和技術(shù)突破，這也是制約廢棄煤礦壓縮空氣儲能技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，諸多政策導(dǎo)向的激勵(lì)，廢棄煤礦壓縮空氣儲能的規(guī)?；?、商業(yè)化勢必要加快步伐，而在此過程中，必須實(shí)現(xiàn)以下三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究突破（圖6）。

圖6 廢棄煤礦壓縮空氣儲能關(guān)鍵技術(shù)Fig.6 Key technologies of CAES in abandoned coal mines

3.1 廢棄煤礦儲能庫建設(shè)選址評估方法

雖然我國礦山生命周期臨近衰減報(bào)廢的礦井?dāng)?shù)量逐年增長，但這些廢棄煤礦只是壓縮空氣儲能地下儲能庫的潛在可利用對象。由于礦井地下空間分布不規(guī)則，巷道連續(xù)性差，地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水滲流等特點(diǎn)，同時(shí)礦井巷道在幾何尺度上還具有斷面小、空間狹長、內(nèi)表面積大等特征，并非所有廢棄煤礦均可改造成壓縮空氣儲能電站的儲能庫。關(guān)于壓縮空氣儲能的地下儲能庫建設(shè)選址，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開了諸多研究，并建立了相關(guān)評估方法[81-84]。但壓縮空氣儲能在廢棄煤礦應(yīng)用選址評估的研究目前報(bào)道較少。因此，在廢棄煤礦中選址建設(shè)壓縮空氣儲能庫是廢棄煤礦壓縮空氣儲能技術(shù)面臨的首要關(guān)鍵科學(xué)問題。針對該問題，在遵循安全可靠性、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性三大原則的同時(shí)，廢棄煤礦壓縮空氣儲能庫可按照圖7 所示的流程進(jìn)行建設(shè)選址。

圖7 廢棄煤礦儲能庫建設(shè)選址流程Fig.7 Site selection flow chart of abandoned coal mine energy storage

首先，對儲能電站的市場需求進(jìn)行分析，論證建設(shè)CAES 電站的必要性，然后從電力負(fù)荷、光伏和風(fēng)能資源分布以及現(xiàn)有設(shè)施（如老井或廢井?dāng)?shù)量、固井環(huán)境與質(zhì)量）方面，規(guī)劃儲能電站的區(qū)域選址。然后，針對適合建設(shè)儲能庫的廢棄煤礦進(jìn)行進(jìn)一步評價(jià)，確定CAES 電站的廢棄煤礦地下儲能庫類型（礦井巷道、洞室、井筒儲能庫），之后再對選定井下區(qū)域的區(qū)域地質(zhì)條件（主要包括工程和水文地質(zhì)條件）進(jìn)行評價(jià)；如蓋層、斷層密封性評價(jià)，評價(jià)埋深、蓋層的巖性、厚度、連續(xù)性、平面分布、裂隙發(fā)育、蓋層封氣能力、孔隙度、滲透率等密封性指標(biāo)；針對有斷層存在的待選區(qū)域，可主要進(jìn)行斷層發(fā)育程度、儲能庫與主要斷層距離的評價(jià)；通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與仿真模擬評估廢棄煤礦儲能庫的儲量規(guī)模。最后，協(xié)同考慮地面設(shè)施布局、交通運(yùn)輸條件、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)等，從而優(yōu)化確定廢棄煤礦儲能庫建設(shè)的具體地址。

3.2 廢棄煤礦儲能庫密封性關(guān)鍵技術(shù)

如何保證礦山地下儲能庫不發(fā)生空氣泄漏或者將空氣泄漏控制在允許值之內(nèi)是壓縮空氣儲能技術(shù)的關(guān)鍵問題之一。隨著地下儲能庫的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者提出利用鋼板或高分子材料（丁基橡膠、三元乙丙橡膠、天然橡膠和玻璃鋼等）作為密封層防止儲能庫中壓縮空氣泄露[59,84]。儲能庫中空氣的溫度和壓力將隨著充、放氣過程的熱力學(xué)效應(yīng)發(fā)生變化，地下儲能庫的氣密性問題是儲能庫熱力學(xué)、力學(xué)和氣體滲透的復(fù)雜多場耦合問題。為此，可借助數(shù)值模擬、相似模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)等手段，研究不同廢棄煤礦儲能庫的埋深、地層條件、巖層理化性質(zhì)、溫度等因素以及不同密封材料對廢棄煤礦儲能庫空氣泄漏率的影響與作用機(jī)制；提出壓縮空氣儲能廢棄煤礦儲能庫空氣泄漏的多場耦合控制方程；揭示多場耦合下廢棄煤礦儲能庫空氣泄漏規(guī)律與影響機(jī)理；建立多場耦合作用下考慮廢棄煤礦儲能庫空氣泄漏率的熱力學(xué)模型，探索空氣泄漏率對儲能庫中壓縮空氣溫度和壓力變化的影響規(guī)律，從而得到廢棄煤礦儲能庫氣密性影響機(jī)理與主控因素，研發(fā)能夠有效解決儲能庫氣密性問題的低成本密封材料。利用氮?dú)庑孤z測方法對待選儲能庫的全面密封性進(jìn)行分段測試，明確儲能庫具體的泄漏位置，采用密封材料對泄漏位置進(jìn)行封堵，使儲能庫每天的空氣泄漏量控制在1%以下。

3.3 廢棄煤礦儲能庫安全穩(wěn)定性分析

壓縮空氣儲能電站在運(yùn)行過程中，廢棄煤礦儲能庫存在壓力差且頻繁的充氣與放氣，使其長期穩(wěn)定性面臨巨大挑戰(zhàn)，因此，針對廢棄煤礦儲能庫穩(wěn)定性的研究尤為重要。國內(nèi)外學(xué)者在儲能庫穩(wěn)定性方面已經(jīng)開展了諸多研究，并提出最優(yōu)布置方案[5,74-76,80]。但廢棄煤礦儲能庫穩(wěn)定性機(jī)理與安全評價(jià)方面的研究目前鮮有報(bào)道。針對該問題，運(yùn)用三維斷層掃描、電法勘探、地質(zhì)雷達(dá)等技術(shù)對候選儲能庫地層開展多尺度、全方位地質(zhì)結(jié)構(gòu)觀測，建立三維可視化地質(zhì)模型，對廢棄煤礦儲能庫地質(zhì)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行探測評估；通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論建模、數(shù)值模擬等相結(jié)合的方法，研究地質(zhì)結(jié)構(gòu)（如斷層、褶皺）、巖石力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力、地下水、蠕變和工程因素（如儲能庫形態(tài)、埋深、方位、支護(hù)形式、運(yùn)行壓力、充放氣速率）等對廢棄煤礦儲能庫穩(wěn)定性的影響與作用機(jī)制；建立壓縮空氣注入-穩(wěn)定-釋放全周期儲能庫圍巖變形場演化模型，結(jié)合廢棄煤礦現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對所選廢棄煤礦儲能庫已有的圍巖變形進(jìn)行合理的預(yù)測，并對儲能庫壓縮空氣注入-穩(wěn)定-釋放全周期的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬；根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，當(dāng)儲能庫存在最大應(yīng)力超過圍巖的抗拉強(qiáng)度，說明該處應(yīng)進(jìn)行加固處理；反之，滿足穩(wěn)定性要求。同樣根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以給出，在一定的運(yùn)行壓力范圍內(nèi)圍巖沒有發(fā)生剪切塑性區(qū)，儲能庫穩(wěn)定性較好[8]?？赏ㄟ^圍巖變形監(jiān)測、電磁輻射監(jiān)測、振動(dòng)波CT 監(jiān)測、微地震監(jiān)測與地質(zhì)雷達(dá)探測等技術(shù)對廢棄煤礦儲能庫進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警，探明廢棄煤礦儲能庫充放氣過程的多元物理效應(yīng)規(guī)律，選取能夠更準(zhǔn)確表征廢棄煤礦儲能庫穩(wěn)定性的狀態(tài)指標(biāo)，揭示儲能庫穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警原理，同時(shí)建立廢棄煤礦壓縮空氣儲能全生命周期多尺度多元失穩(wěn)探測與監(jiān)測預(yù)警方法與準(zhǔn)則。

利用以上研究方法可對廢棄煤礦儲能庫巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性進(jìn)行評估，對廢棄煤礦壓縮空氣儲能全周期潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判，最終實(shí)現(xiàn)可利用廢棄煤礦的優(yōu)選。

4 結(jié)論與展望

1）廢棄煤礦儲能庫建設(shè)選址評估方法。廢棄煤礦儲能庫的選址評估對廢棄煤礦壓縮空氣儲能的實(shí)施起到了決定性作用，應(yīng)從廢棄煤礦壓縮空氣儲能電站建設(shè)的必要性與廢棄煤礦的可利用性著手確定地下儲能庫類型，根據(jù)所選電站場址區(qū)域水文地質(zhì)條件進(jìn)一步具體化地下儲能庫的候選區(qū)域。

2）廢棄煤礦儲能庫密封性關(guān)鍵技術(shù)。研究廢棄煤礦儲能庫空氣泄漏率的影響因素，及其作用機(jī)制，提出廢棄煤礦儲能庫空氣泄漏的多場耦合控制方程，揭示多場耦合下廢棄煤礦儲能庫空氣泄漏規(guī)律與影響機(jī)理，確定影響廢棄煤礦儲能庫空氣泄漏率的主導(dǎo)因素，研發(fā)解決儲能庫氣密性問題的低成本密封材料。

3）廢棄煤礦儲能庫穩(wěn)定與安全評價(jià)。利用地質(zhì)勘探技術(shù)對廢棄煤礦儲能庫進(jìn)行全方位地質(zhì)結(jié)構(gòu)觀測與穩(wěn)定性評估，并借助實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論建模和數(shù)值模擬等手段，研究地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖石力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力、地下水、蠕變和工程因素等對廢棄煤礦儲能庫穩(wěn)定性的影響規(guī)律，揭示壓縮空氣注入-穩(wěn)定-釋放全周期儲能庫圍巖變形失穩(wěn)機(jī)理，提出加強(qiáng)儲能庫穩(wěn)定與安全性實(shí)施方案，通過對廢棄煤礦儲能庫穩(wěn)定性的監(jiān)測預(yù)警，確定表征儲能庫穩(wěn)定性的狀態(tài)指標(biāo)，得到廢棄煤礦壓縮空氣儲能全生命周期多尺度多元失穩(wěn)探測與監(jiān)測預(yù)警方法與準(zhǔn)則。