压缩空气储能技术在地下空间的稳定性分析：煤矿巷道与盐穴储能的对比研究

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Stability analysis of compressed air energy storage in underground space: A comparative research of coal mine roadway and salt cavern

压缩空气储能（CAES）在废弃煤矿巷道中的应用研究显示，高频率运行（如每日一次）可显著降低巷道变形（最大顶板沉降仅20mm，体积收缩0.76%）和塑性损伤，优于盐穴储能的长期稳定性（30年体积收缩率8.85%-16%）。数值模拟表明，蠕变与循环荷载共同作用下，巷道变形集中在初期（前3天），稳定运营期变形率下降至初期的30%以下。研究还指出，中国废弃煤矿巷道可用于储能的空间是盐矿的47倍，且建设成本仅为盐穴储能的1/3。建议优先选择结构简单的连续巷道布局，并需进一步验证疲劳-蠕变耦合效应。

　　随着全球能源结构的不断调整，可再生能源的利用成为各国能源转型的重要方向。然而，由于可再生能源如风能和太阳能具有波动性，其发电量无法稳定输出，这给电网调度和能源存储带来了挑战。压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage, CAES）作为一种大型储能技术，因其能够有效应对可再生能源的波动特性，受到广泛关注。CAES不仅具有较高的储能容量，还能在多种地质条件下灵活部署，包括天然溶洞、盐矿腔体以及废弃煤矿巷道等。在这些选项中，废弃煤矿巷道因其较大的地下空间和较低的开发难度，成为CAES系统建设的一个重要方向。本研究以山西大同的阳泉煤矿为例，对CAES在煤矿巷道中的长期运行稳定性进行了深入探讨，分析了蠕变和循环载荷对巷道变形和破坏的影响，并将其与传统的盐矿CAES进行了对比，揭示了煤矿巷道CAES（CAES-R）在多个方面的优势。

在实际应用中，CAES系统的运行频率对巷道的稳定性有着重要影响。通过模拟不同频率下的CAES运行情况，研究人员发现，较高的运行频率能够显著减少巷道的变形和塑性破坏。具体而言，在日常运行频率下，经过十年模拟，巷道顶板下沉量约为20毫米，体积收缩率为0.76%。而在每10天运行一次的模式下，顶板下沉量增加至33毫米，体积收缩率也上升到1.05%。这表明，运行频率的高低直接影响着巷道的变形程度，较高的频率有助于维持较高的内部压力，从而减缓巷道的下沉速度。此外，连接巷道的区域表现出更大的变形，显示出更高的结构破坏风险。因此，在选择CAES-R的运行频率时，需要考虑巷道的结构特点，选择适当的频率以确保系统的长期稳定性。

在实际应用中，废弃煤矿巷道的改造是CAES-R建设的重要环节。通常情况下，这些巷道在挖掘后需要进行加固处理，以提高其抗压能力。研究指出，为了提高巷道的稳定性，应将原本呈马蹄形的巷道改造成圆形截面，以增强其围岩约束和结构强度。这种改造不仅有助于减少巷道的变形，还能有效防止裂缝的扩展。在改造过程中，混凝土衬砌的厚度是关键参数之一，通常至少为30厘米。这种衬砌可以提供额外的结构支撑，从而提高整个系统的安全性和使用寿命。

从研究结果来看，CAES-R的总体变形和塑性区的分布呈现出明显的规律。在运行初期，巷道的变形速度较快，而随着时间推移，变形逐渐趋于稳定。这表明，在运行初期，系统需要特别关注巷道的稳定性，以防止因变形过大而引发结构破坏。而在长期运行阶段，由于变形速率的减缓，CAES-R的稳定性相对较好。此外，塑性区的分布呈现出一定的规律性，主要集中在巷道连接处和顶板区域。这说明，这些区域是系统中最容易发生结构破坏的地方，因此在设计和运行过程中需要加强监测和维护。

与传统的盐矿CAES相比，CAES-R在多个方面展现出明显的优势。首先，CAES-R的体积收缩率显著低于盐矿CAES。在盐矿CAES中，经过30年的运行，体积收缩率通常在10%到20%之间，而CAES-R的体积收缩率仅为1.05%。其次，CAES-R的塑性区分布更为均匀，这有助于提高系统的整体稳定性。此外，CAES-R的建设成本相对较低，仅为盐矿CAES的三分之一左右。这种成本优势使得CAES-R在大规模推广中具有更高的可行性。

在地理分布方面，煤矿巷道比盐矿腔体更具优势。中国拥有众多的煤矿，这些煤矿的分布广泛，尤其是在北方和东部地区。相比之下，盐矿的分布较为集中，主要集中在江苏、山东和湖北等省份。这使得盐矿CAES在地理分布上受到一定限制，而煤矿巷道则能够更广泛地满足储能需求。同时，由于煤矿巷道的建设通常基于现有的地下空间，其施工周期较短，一般在一年以内即可完成。这种快速建设的特点，使得CAES-R能够更灵活地适应能源需求的变化，提高系统的响应速度。

从环境角度来看，CAES-R对地下水的影响较小，因此在环境保护方面具有明显优势。传统的盐矿开采通常需要大量水资源，且存在地下水污染的风险。而煤矿巷道的改造和利用，能够有效减少对地下水的扰动，降低环境影响。此外，CAES-R的建设还能促进煤矿的绿色转型，减少废弃煤矿可能带来的地质灾害风险，提高煤矿的再利用价值。

尽管CAES-R展现出诸多优势，但其适用性仍然受到地质条件和运行环境的影响。不同地区的煤矿地质条件存在差异，因此在实际应用中需要进行详细的现场评估。此外，CAES-R的运行频率和周期也需要根据具体的工程需求进行优化。研究指出，在确保系统稳定性的前提下，适当提高运行频率可以有效减少巷道的变形，从而延长系统的使用寿命。

综上所述，CAES-R作为一种新型的储能方式，具有良好的稳定性、较低的成本和广泛的地理适应性。它不仅能够有效应对可再生能源的波动性，还能为废弃煤矿的再利用提供新的思路。随着中国可再生能源装机容量的不断增长，CAES-R的应用前景将更加广阔。然而，为了确保其长期稳定运行，还需要进一步研究其在不同地质条件下的适应性，并结合实际情况进行优化设计。此外，还需要关注CAES-R在运行过程中可能遇到的其他问题，如设备维护、环境影响等，以确保其在实际应用中发挥最大效益。