《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Theory, application and prospect of full-life-cycle operation and maintenance technique system in coal underground water reservoir
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闭环地下水库技术（CUWR）系统综述及其在解决煤矿关闭后水资源利用矛盾中的应用，提出全生命周期运营维护体系涵盖设计、施工、运营及再利用阶段，重点分析储水容量、坝体稳定性、矿井水处理与安全监测技术，创新性识别地面振动和渗漏双重风险并建立“监测-预警-加固-处置”闭环管理策略，规划风光储一体化、跨区域季节调水及可再生能源混合储能三大发展方向，以山西神东矿区为例验证其生态经济协同效益。
宋佳辉|王汉鹏|王伟|张冰|郑文琪|吴云浩|李景峰|方杰|吴宝阳|李正岱
山东大学隧道工程国家重点实验室，中国济南250061
摘要
中国关闭和废弃的煤矿为未来的地下空间开发提供了巨大的潜力。在中国西部，煤炭开采与水资源保护之间的矛盾十分严峻，这使得协调发展成为可持续煤炭开采的关键问题。因此，提出了煤炭地下水库（CUWR）技术来解决矿井水保护和水资源高效利用的问题。本文全面回顾了地下水库的全生命周期运营和维护（O&M）系统，包括设计、建设、运营以及未来的再利用前景。文章讨论了关键方面，如蓄水能力、大坝稳定性、矿井水处理和安全监测，以及生态和经济效益。同时，创新性地识别了两种主要运营风险：地表振动和地面渗漏。建立了一套“长期监测、动态预警、主动加固和应急处理”的全生命周期风险管理策略。提出了三个有前景的发展方向：风能-太阳能-电能-热能-水力抽水蓄能一体化、跨区域季节性水资源调配以及可再生能源混合储能。这项工作为关闭/废弃煤矿的地下空间高效利用提供了参考。
引言
中国面临着石油和天然气资源稀缺的严峻能源形势，这导致煤炭在其能源生产和消费结构中占据主导地位。受国家低碳减排政策的影响，煤炭在能源消费中的比重逐年下降。尽管如此，煤炭仍然是中国能源结构的重要组成部分（Green和Stern，2017）。目前，中国的煤炭资源正在逐渐枯竭，政府已经出台了减少煤炭生产的政策。大量资源枯竭或生产能力落后的煤矿面临关闭或已经关闭（Hu等人，2018）。到2020年，中国的关闭/废弃煤矿数量已达到12,000座，预计到2030年这一数字将上升至15,000座（Lu等人，2020；Peralta Ramos等人，2015；Wu等人，2025）。与此同时，这些关闭的煤矿将提供约8000万立方米的地下空间可供利用（Xie等人，2018；Xie等人，2020；Zhang等人，2021a），为中国未来的地下空间建设提供了广阔的发展前景。
在中国生产每吨煤炭会产生2吨矿井水，年产量约为80亿立方米。然而，矿井水的利用率仅为40%，这意味着每年约有50亿立方米的矿井水未被利用——相当于中国工业和民用领域年用水短缺量的50%（Gu等人，2021a；Gu等人，2024）。随着中国中部和东部能源资源的逐渐枯竭，西部矿区的开发已成为重点。中国的主要产煤区位于中部和西部省份（山西、陕西、内蒙古、宁夏和新疆），这些地区的煤炭储量占全国总量的80%以上，煤炭产量占全国总产量的70%以上。然而，这些地区的水资源仅占中国总量的6.7%和全球总量的0.3%（Gu，2015；Gu等人，2021b）（见图1）。中国西部大部分地区处于干旱和半干旱的生态脆弱地带，气候炎热干燥。这里的水资源蒸发量约为降水量的六倍，导致极度缺水（Gu，2013）。煤炭开采与干旱、脆弱的生态环境的耦合影响将引发严重的环境和社会问题。西部矿区的供水将主要依赖于地下水抽取和矿井水的利用。因此，协调煤炭开采与水资源保护成为中国西部煤炭资源科学开发的主要挑战之一。
在中国中部和西部，煤层埋藏较浅、厚度较大，并被薄层覆盖岩层覆盖。全高度开采煤层不可避免地会导致含水层破裂和连通以及地下水泄漏等问题。以前采用了一些被动的保水开采技术来解决这个问题，例如限高开采、回填开采和分区开采。这些技术可以确保覆盖岩层中的导水裂缝不与含水层相连（Qian等人，2006；Miao等人，2009；Wu等人，2024a；Wu等人，2024b）。然而，采矿过程中产生的裂缝实际上是矿井水储存的理想空间。据估计，开采10,000吨煤炭会形成1,000–1,600立方米的裂缝空间（Chen等人，2016），这正是矿井水储存的理想位置。为了解决中国西部矿区的水资源蒸发和损失问题，顾大照院士提出了基于“引导-储存-利用”协同效应的矿井水储存和利用概念（Gu等人，2016a）。该概念的核心是利用采矿形成的岩体缝隙作为储水载体。通过将采空区的剩余煤柱与人造大坝连接起来构建复合地下水库，并建立引导矿井水进入水库和循环利用的配套设施。充分利用采空区岩层的自然过滤特性，实现矿井水的原位净化，最终形成一个完整的矿井地下水储存系统（见图2）。CUWR技术已在陕西省的神府矿区得到广泛应用，满足了该矿区日常生活、生产和生态用水需求的95%以上，还为附近的工业项目提供水源，实现了从“用水”到“供水”的转变（Gu等人，2016b）。
中国的CUWR技术不同于西方的矿井水储存和利用方法。西方的地下水库主要利用废弃的矿井巷道（Cairney，1973）。地下水通过采矿引起的裂缝和渗漏汇集在储水空间中，最终形成淹没的矿井（Renz等人，2009；Kranz和Dillenardt，2010；Kitsikoudis等人，2020）。这些矿井不需要考虑煤层开采的影响，也不需要提前规划水库建设。对于西方的淹没矿井来说，建造人工大坝等蓄水结构也是不必要的。相比之下，中国的CUWR技术将剩余煤柱与人造大坝结合，形成CUWR的蓄水结构，这种组合结构的稳定性决定了CUWR的储水安全性。
为了解决中国西部的“煤炭-水资源”矛盾，CUWR技术应运而生。然而，CUWR的建设可能会遇到许多关键工程问题，如水库选址、矿井地震、水浸、干湿循环、高浓度矿井水的腐蚀、复杂应力条件下的大坝稳定性以及水化学处理（Wang等人，2024a）。有效解决这些问题对于实现CUWR的全生命周期O&M至关重要。本文将对CUWR的全生命周期O&M系统进行全面系统的讨论。
CUWR的核心理论技术
CUWR技术是一项创新的跨学科技术，涉及采矿工程、土木工程、水利工程、地质工程和环境工程。经过20多年的探索，已经形成了三个核心技术体系：CUWR的设计、建设和运营关键技术。CUWR的全生命周期是指从初步调查和设计到储水利用的整个过程
大规模工程模拟测试和验证方法
对于大规模工程问题，目前在实验室进行的类似物理模型测试是最常用的研究方法。由顾大照院士领导的国家煤炭采矿水资源保护与利用重点实验室的研究团队进行了20多年的持续技术研发。他们在中国西部的神府矿区推广和应用了CUWR的全生命周期O&M技术系统
结论
本文重点关注中国西部煤炭开采与水资源保护的协调发展以及关闭/废弃矿井地下空间的利用，系统回顾了CUWR的全生命周期O&M技术体系，并提出了未来的发展前景。主要结论如下：
1.全生命周期O&M系统包括四个阶段：设计、建设、运营和再利用。它解决了两个关键难题（蓄水能力评估和
资金声明
本工作得到了煤炭重大项目（项目编号：2024ZD1700102）、中国国家重点科学仪器设备开发项目（项目编号：52227901）、山东省泰山学者基金会（项目编号：tstp20230603）和山东省青年科学家自然科学基金（项目编号：ZR2024QE181）的共同支持。
CRediT作者贡献声明
宋佳辉：撰写——原始稿件、方法论、调查、数据分析、概念化。王汉鹏：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。王伟：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。张冰：撰写——审稿与编辑、监督。郑文琪：撰写——审稿与编辑、监督。吴云浩：撰写——审稿与编辑、监督。李景峰：资源协调、项目管理。方杰：资源协调
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
