综述：中国煤矿地下空间利用：地下储能技术综述

《Engineering》：Underground Space Utilization in China’s Coal Mines: A Review of Underground Energy Storage Technologies

　　

摘要：中国作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，在含煤区（CBRs）拥有广泛的地下空间。随着国家能源系统的低碳转型，利用煤矿地下空间进行储能引起了研究人员的广泛关注。本研究基于Web of Science和中国国家知识基础设施（CNKI）的1044篇相关出版物，对中国煤矿地下储能（UES）技术的类型、工程适宜性、安全约束和未来路径进行了全面综述。结果表明，中国含煤区（CBRs）与太阳能、风能和地热资源存在显著重叠，分别占全国资源分布的82.2%、88.3%和85.2%，显示出集成可再生能源开发的巨大潜力。在此基础上，研究人员总结了适用于废弃和生产煤矿的主要UES技术，识别了不同地质条件下的关键技术要求和安全挑战。此外，功能充填（FB）技术正成为实现全碳循环的重要工具，通过地下CO₂封存、地热提取和能源载体的战略性地下存储。然而，煤矿UES的大规模部署仍受限于深部采矿环境的地质不确定性、循环加载效应以及耦合热-水文-力学扰动。长期硐室稳定性、密封完整性和泄漏风险需要进一步验证。未来进展将依赖于智能材料设计、数字孪生监测、多场耦合稳定性评估以及多能互补系统，这为中国含煤区（CBRs）的低碳转型提供了潜在路径。

2. 中国煤矿能源赋存与储能技术现状

2.1. 中国煤矿能源赋存与分布
中国煤炭资源在地理上分布广泛，主要集中在北方地区（山西、内蒙古和陕西），东北省份也有大量积累。近年来，新疆也已成为具有全国意义的含煤区（CBRs）。截至2023年底，中国煤炭总储量超过11000亿吨，其中约2500亿吨为已探明可采储量。此外，中国含煤区（CBRs）还提供了利用太阳能、风能、地热能以及地下空间本身进行地下储能（UES）的机会。太阳能资源方面，中国含煤区（CBRs）的理论太阳能潜力高达2.05367×10¹⁸ kJ·a^-1，相当于每年约7039.5亿吨标准煤，每年可减少CO₂排放约1892.56亿吨。风能资源方面，含煤区（CBRs）的理论可开发风能相当于每年248.8亿吨标准煤，每年可减少CO₂排放668.9亿吨。地热资源方面，中国地热资源丰富，约占全球总量的7.9%，含煤区（CBRs）的理论地热储量为7.7888×10¹⁷ kJ，相当于每年2.66亿吨标准煤，每年可减少CO₂排放高达7.15亿吨。地下空间资源方面，中国煤矿开采活动产生的地下空间体积约为1.38×10¹⁰ m³，预计到2030年，煤矿采空区地下空间资源可达9.0×10⁹ m³。总体而言，截至2020年，太阳能、风能和地热资源分布与中国含煤区（CBRs）的重叠比例分别为82.2%、88.3%和85.2%，表明含煤区（CBRs）可再生能源开发潜力巨大。

2.2. 煤矿地下空间利用的研究现状与储能路径
根据中国煤矿能源赋存与分布的统计分析，利用煤矿地下空间进行储能具有巨大潜力。常用的地下储能（UES）技术可分为五类：地下抽水蓄能（UPHS）、压缩空气储能（CAES）、地下热能储存（UTES）、地下生物质能储存（UBES）和地下电化学储能（UEES）。其中，相对成熟且可大规模部署的UES技术主要包括UPHS、CAES和UTES。国际上，研究主要集中在废弃煤矿的UPHS、UTES和CAES。例如，Hahn等人和Madlener与Specht提出了德国废弃煤矿UPHS的规划框架和技术经济评估；Menéndez等人和Farr与Busby评估了西班牙阿斯图里亚斯和英国的矿井水地热利用；Schmidt等人以西班牙北部地下煤矿450米深隧道为案例，研究了绝热CAES系统的技术可行性。在中国，煤矿地下空间利用不仅限于废弃煤矿，还延伸到生产煤矿。Wang等人和Xie等人为煤矿UPHS和矿井水循环建立了方法论基础；Zhang等人提出了基于长壁采空区的地下水库，采用煤柱或人工坝密封及原位矸石过滤；Wang等人揭示了含煤区（CBRs）与可再生能源资源的空间耦合关系；Feng等人建立了结构充填开采和含煤区（CBRs）系统性地下空间利用的基础理论框架，并提出了废弃煤矿CO₂封存方案；Xie等人和Zhang人综合了煤基固体废弃物充填采矿技术的进展，提出了用于碳中和的碳负排放高效充填采矿方法。目前，含煤区（CBRs）的UES技术应被视为嵌入“源-网-荷-储-碳”系统中的地下基础设施，推动中国煤炭工业的绿色、清洁和高效转型。

3. 废弃煤矿储能类型与现状

3.1. 地下抽水蓄能（UPHS）

3.1.1. UPHS系统概念
煤矿UPHS是一种利用废弃或关闭矿井的井筒和采空区作为地下水库（UWRs）实现大规模发电的技术。UPHS系统由上下水库、输水管道和泵-水轮机组成。通过具有自然高差的多个水库系统，利用水的势能发电。与传统的抽水蓄能电站相比，UPHS技术利用不同煤层开采后形成的采空区，满足水位差要求，且选址灵活，减少了对自然生态环境的影响。往返效率可达70%–80%。

3.1.2. UPHS系统关键技术进展
中国UPHS技术与地下水库（UWRs）工程实践密切相关，尤其在西部产煤区，需要同时解决矿井水保护、采空区再利用和可再生能源调节。工程实践将长壁采空区和巷道转化为可提供更大库容的储水空间，破碎矸石有助于原位矿井水净化。中国UPHS可理解为基于地下水库（UWRs）的混合储能系统，耦合了地下空间再利用、水资源保护、可再生能源消纳和采后生态治理。典型研究如江苏泉台煤矿被改造为100 MW抽水蓄能电站的方案。现有研究表明，UPHS技术面临两个关键科学问题：①水文地质-水化学条件和地下水循环对场地适宜性的影响；②岩体稳定性和水力密封性对水库完整性、运行安全性和长期可靠性的控制。主要风险包括长期巷道变形、支护退化、水-岩软化、裂隙渗流、坝体失稳、破碎岩石压实引起的容量损失、水锤、泥沙输送、设备腐蚀和水化学劣化。

3.2. 压缩空气储能（CAES）

3.2.1. CAES系统概念
CAES被认为是一种非常有前景的储能技术，具有大容量、高效率、长储能周期和环境友好等优点。利用关闭矿井或采空区开发地下空间进行空气储能，可重复利用现有地下空间和地面工业设施，减少储气设施开挖成本。CAES技术的主要原理是利用过剩风能、弃电或低成本电力压缩空气并储存在封闭地下空间中，压缩过程中产生的热量可储存起来用于辅助压缩空气释放，减压空气驱动涡轮发电。CAES储气库是CAES系统的关键组件，地下储气库通常选择在盐层、含水层、枯竭油气井或煤矿等地质构造中。在废弃煤矿或采空区中的CAES基于满足储气要求的改造井筒或硐室，如云冈煤矿废弃巷道CAES电站。

3.2.2. CAES系统关键技术进展
当前研究聚焦于将现有采空区改造为机械稳定、气密性好且运行可控的CAES储气库。关键科学问题包括：CAES系统选址评估、CAES硐室密封与泄漏控制、以及稳定性与安全评估。目前，废弃煤矿CAES仍处于早期示范和工程验证阶段，代表性进展为山西云冈煤矿巷道CAES项目。大规模部署仍受限于以下挑战：①压缩热耗散和膨胀阶段再加热需求导致的热力学效率低下；②循环高压空气注入和采出导致的储气库和巷道渐进失稳；③采矿诱发裂隙、断层带、采后变形和非均质地层导致的气密性降低；④缺乏对压力演化、围岩损伤、覆岩沉降、地下水扰动和泄漏相关危险的长周期监测和预测模型。

3.3. 地下热能储存（UTES）

3.3.1. UTES系统概念
UTES涉及从太阳能或其他热源捕获热能并储存在储存介质中。废弃煤矿通常具有稳定的低焓地热资源（低于85°C），并拥有大量矿井水和良好的水力连通性，为高效地热提取和储存提供了有利条件。根据储能模式不同，废弃煤矿UTES可分为：①地热热泵，利用矿井水或围岩作为换热介质实现高效供暖或制冷；②季节性热能储存和调峰，利用采空区、巷道或充填材料进行跨季节储热和释热；③发电和多能互补系统，利用高温矿井地热进行小规模发电或与风能、太阳能集成以增强系统稳定性。由于地下矿井水全年温度恒定，该系统可在夏季提供冷却，冬季提取热能供热，实现高效季节性热调节。

3.3.2. UTES系统关键技术进展
废弃煤矿UTES开发面临的关键科学问题包括：多尺度热储层表征、集成矿井水换热与回灌设计、以及涉及地热资源、热泵、太阳能/风电和季节性冷热调节的多能耦合运行。矿井水热提取和基于热泵的供暖/制冷已达到工程示范阶段，而大规模季节性蓄热和多源耦合调节仍处于早期系统集成阶段。中国陕西省首个集成矿井冬季供暖和地下冷却的废热利用项目已启动，预计每年节约1.2万吨标准煤，减少CO₂排放3.12万吨。然而，规模化部署仍存在两个关键瓶颈：①储层性能不确定性，由于废弃巷道、矿井水赋存、水力连通性和围岩温度场的强非均质性，导致储存容量和热回收效率难以量化；②长期运行和环境退化，主要与富含矿物质的矿井水引起的腐蚀和结垢、倾斜或不规则巷道中的非均匀传热、热泄漏以及潜在的地下水水质扰动有关。

3.4. 地下电化学储能（UEES）

3.4.1. UEES系统概念
风电、太阳能和水电存在间歇性、波动性和间接能源输送等固有局限性。UEES可以缓解发电侧的间歇性和波动性，提高电网稳定性，增强可再生能源消纳能力。UEES具有能量密度高、转换效率高、建设周期短、选址适应性强等优点。煤矿UEES充分利用煤矿开采产生的地下空间，具有以下优势：①旧采空区和废弃巷道提供广阔空间，缓解地面空间限制，便于部署大规模电化学储能系统；②现有地下空间成本低于开挖费用；③稳定的地下环境温度恒定，可减轻环境温度变化对电化学材料的影响，降低电池自放电效应；④煤矿空间深度较大，可减少对地表的环境影响，如地下水污染。

3.4.2. UEES系统关键技术进展
当前研究指出，废弃煤矿UEES需考虑三个关键问题：①地下环境控制技术，特别是恒温恒湿调节，防止电池短路或电化学效率损失；②标准化运行和电池管理技术，包括安全充放电协议、过充保护、热失控控制和模块化系统集成；③实时安全监测与保护技术，涉及温度、湿度、气体、泄漏、电缆状态、火灾风险和围岩稳定性的多参数传感。尽管电网级电化学储能技术正在快速成熟，但废弃煤矿UEES仍主要处于概念阶段，目标是将低成本、热稳定性好的地下空间用于可再生能源储存。四大挑战制约其工程应用：①地下水渗流、断层活化、岩爆风险和变形可能导致的地下电池站安全问题；②大规模地下电化学设施的安全运行与监管系统尚未完全建立；③在高度复杂地质条件下，电池介质和储存工艺的选择仍不成熟；④综合安全保障技术，特别是电解液泄漏预防，仍显不足。

3.5. 地下生物质能储存（UBES）

3.5.1. UBES系统概念
废弃煤矿UBES将煤矿开采剩余资源的综合利用与有机废弃物/残余有机物的清洁、可持续储存和利用相结合，支持中国双碳目标和能源安全战略。UBES的主要机制是将收集的有机生物质通过井注入地下空间，在煤矿中存在的产甲烷微生物群落作用下发酵，产生CH₄和H₂等能量气体。储存过程中产生的热量可通过生产井循环提取。此外，富含氮、钾、磷等元素的残余有机浆液可重新用作有机肥料。

3.5.2. UBES系统关键技术进展
中国废弃煤矿UBES仍处于概念阶段，但为矿井空间再利用与有机废弃物资源化利用及低碳能源供应提供了潜在路径。关键技术包括：生物质预处理与地下物流、厌氧发酵与沼气回收、固体/液体/气体生物燃料的热化学转化、以及温度、压力、渗透性和密封完整性的综合安全监测。目前，中国已发展大规模生物质发电和沼气项目，而煤-生物质混烧在大型燃煤机组中提供了间接工程参考。UBES更适合具有稳定巷道或采空区、可靠密封和通风条件、可控残余瓦斯风险、且靠近生物质资源和热/电需求的废弃煤矿。主要挑战包括：不完善的火灾和瓦斯风险控制系统、生物质反应和提取过程中地质体演化的研究不足、长期监测阈值不充分、以及预处理和固-液-气生物燃料转化技术不成熟。

4. 面向地下储能（UES）的功能充填（FB）技术新思考

4.1. 煤矿充填技术的概念与发展
中国煤矿充填采矿技术已从一种体积控制技术发展为多功能、基础设施级的UES平台。从材料性能角度看，煤矿充填技术的发展可分为三个阶段：第一阶段，体积充填技术用于处理矿山废弃物以满足采空区容量；第二阶段，结构充填技术涉及在理想状态下制备和充填充填料浆，固化后形成具有充填形状和优异力学性能的结构；第三阶段，功能充填（FB）技术将充填功能扩展到地下冷热储存、储能和CO₂封存等。其中，FB将采空区管理从被动控制转变为主动利用，实现了采矿-充填-储能协同发展的新范式。当前研究重点在于赋予充填多种功能，实现冷却工作面、提取热能、利用地下空间等目标，同时完成矿产资源开采。功能上，这些进步将充填技术从被动支护转变为集地质力学稳定、热管理和战略性储层建设于一体的多功能地下平台。

4.2. 冷负荷与储存功能充填（CLS-FB）

4.2.1. CLS-FB的概念
深部矿井热害已成为中国煤炭生产的关键制约因素。为解决煤矿热问题，研究人员提出了CLS-FB技术，将采场作为主要冷却目标。在CLS-FB中，预充冷能的相变介质（PCM）被掺入胶结充填体中并输送至采空区，通过充填体与相邻空间的传导、对流和辐射热交换提取热量。CLS系统包括四个耦合环节：①材料制备，制冰单元充装CLS介质，PCM与尾矿或碎石、水泥和水混合；②料浆运输，利用充填管道和泵输送；③吸热相变，控制冷释放动力学；④充填体后期固化。冷却性能取决于PCM冷释放速率。为减少损失并确保优先从采场吸热，需要在充填体与围岩之间以及采场与围岩之间进行隔热。

4.2.2. CLS-FB的技术要求
CLS材料的冷释放过程涉及充填材料、矿体和采场三个温度场之间的动态热耦合传递。根据热力学第一定律，冷却冷释放过程的热平衡方程为：Q_lat+Q_sen=Q_cond+Q_rad+Q_conv+Q_hyd，其中Q_lat为冰粒融化过程中释放到外部环境的潜热；Q_sen为CLS材料升温过程中释放到外部环境的显热；Q_cond和Q_rad分别为通过传导和辐射从矿体传递到充填材料的热量；Q_conv为通过对流换热从采场传递到充填材料的热量；Q_hyd为CLS材料中固体颗粒与水反应释放的热量。在材料方面，CLS-FB采用掺有相变介质（通常为冰）的胶结膏体充填（CPB）载体。配合比需平衡潜热容量与水化和孔隙结构演化。实验结果表明，最佳冰水比可在保持强度的同时最小化渗透率。工程上，CLS-FB作为充填体与采场之间的辐射冷却分区，数值和实验研究表明辐射主导热交换路径，增加充填厚度可延长相变持续时间，从而稳定采场温度。实际建议充填采空区的四分之三以优化潜热存量与建设成本。充填方向至关重要，向下充填可加速传热并产生比向上或侧壁充填更均匀的温度场。

4.3. 蓄热与释热功能充填（TSR-FB）

4.3.1. TSR-FB的概念
TSR-FB是地热集成的一种有效方法，利用胶结膏体充填（CPB）基体作为载体材料，与特定比例的相变介质（PCM）结合，发挥热储和释热介质的作用，有效缓冲显热和潜热。在充填作业中，嵌入的换热管道形成复合结构，最大化体积热容量并促进快速、可控的传热。配合比设计使PCM的相变温度和耐久性适应原位热状态，同时保持CPB基体的浆体可输送性、渗透性控制和服役强度。在常规充填过程中安装闭路换热器阵列，以采集热成熟采空区地层的准稳态热量，从而将深部采矿的主要危害（高地温梯度）转化为可调度的热资产。TSR-FB技术具有以下优点：①现有生产井筒和开拓巷道很大程度上替代了专门的地热钻井；②热成熟采空区地层提供准稳态热源；③现有运输和通风巷道以及已建立的动力和供水系统为闭路换热器和泵送设备提供了通道和公用设施；④关闭后，废弃煤矿可改造为地热电站，延长服务寿命。

4.3.2. TSR-FB的技术要求
地热资源提取与充填技术的集成提供了资源回收和储能可持续解决方案。TSR-FB系统的关键技术要求集中在充填材料开发、换热配置和系统优化方面。TSR-FB材料需要同时满足采场稳定性、采空区体积控制和UTES需求，比传统CPB具有更严格的约束。充填体应首先提供足够的早期和长期承载能力以维持顶板和底板完整性，并保护嵌入的埋地盘管或钻孔式充填耦合换热器。煤基胶结固体废物系统设计达到兆帕级单轴抗压强度（UCS），同时允许部分骨料被PCM和导热填料替代，而不会过度损失刚度或耐久性。研究表明，石蜡、石墨、冶金渣或硅砂掺合料可显著提高比热容，但会降低抗压强度和导热系数。因此，热导率与力学完整性之间的平衡至关重要，天然鳞片石墨等添加剂可增强热导率而不严重削弱结构性能。换热系统设计是另一个关键因素，蛇形管布置等优化配置可通过增强流体流动和优化载热流体与TSR-FB材料的接触来最大化换热效率。围岩温度、管间距和流速对系统性能影响显著，提高围岩温度和优化流体条件可提高热提取效率。

4.4. 造腔功能充填（CB-FB）

4.4.1. CB-FB的概念
CB-FB是一种集充填采矿、固体废物资源化利用、采空区重建和战略性能源储备于一体的地下空间重构策略。该方法遵循“先采后充”顺序，部署专门设计的功能充填（FB）材料以满足承载能力、密封性能和水力密封性的关键要求，从而将大范围采空区转化为工程化储存空间。所建硐室可用作战略储备库，增强能源安全。对于油气储库，关键属性包括几何稳定性、高力学容量、有效密封和低渗透性。该架构包括：①传统充填层，用于承载荷载并稳定采场；②FB层，作为主要屏障元件；③不透水屏障层，确保气密和水密性；④加固层，如锚杆支护，以增强整体刚度并最小化变形。FB材料主要利用固体废物，如煤矸石、粉煤灰或尾矿，并添加目标添加剂以赋予自修复性能、超低渗透性和增强强度。

4.4.2. CB-FB的技术要求
CB-FB材料以矿山固体废物为基材，与聚合物密封剂均匀混合，提供自修复能力、与碳氢化合物的化学相容性，以及满足深部高应力煤层油气储存标准的低渗透性。围岩与充填体界面处理及约束进一步确保储存寿命期间的热-水-力学（THM）耦合完整性，从而在现有矿井内建立地下储库，延长煤矿服务寿命。CB-FB系统采用多层衬砌充填结构，在采矿-充填-造腔作业中顺序形成：①结构性CPB充填，以支撑顶板荷载并约束围岩；②CB-FB材料层，作为主要密封屏障；③不透水屏障层，实现超低渗透性；④加固措施（系统锚杆支护、表面界面处理），以增强整体刚度并抑制裂纹萌生和扩展。该架构遵循采矿-充填-储存（MBS）协同，强调开挖、充填和储存准备之间的时空协调，使设计的硐室外壳随采矿推进而形成。

4.5. 碳捕集与地下储存功能充填（CCUS-FB）

4.5.1. CCUS-FB的概念
CO₂封存是碳捕集与地下储存（CCUS）范式的一部分，涉及从点源捕集CO₂并永久储存以减排。基于此，研究人员开发了FB技术以实现煤矿地下碳捕集与储存。CCUS-FB通过在采矿作业中应用充填采矿技术原位建造CO₂储存硐室。通过调整FB材料的力学和屏障性能，FB体被设计为满足CO₂储存硐室安全建造的必要岩土和地球化学要求。单个储存单元和集成硐室群的空间配置经过优化，以确保CO₂封存体的结构稳定性和长期密封性能。碱性固体废物的碳化作用为CO₂永久封存为稳定碳酸盐相提供了矿化途径。煤矿现有地下基础设施，包括可靠电源、管道网络和通风系统，为注入、监测和控制提供关键运行支持。CCUS-FB具有重要理论和实践价值：①建立了通过造腔FB技术进行CO₂封存的新概念，为采矿环境中的碳管理提供了替代途径；②实现了大规模固体废物利用、采空区再利用和原位碳储存相结合的综合技术路线；③扩展了煤矿地下空间的功能范围，将采后采空区转化为具有战略价值的碳储存硐室。

4.5.2. CCUS-FB的技术要求
CCUS-FB的关键技术要求包括：①专门用于CO₂储存的FB材料的开发与表征；②与FB作业协同的CO₂储存储层建造；③耦合物理化学CO₂封存机制的实施；④CO₂储存储层的安全与环境性能评估。近期研究聚焦于碱活性、含Ca/Mg的煤基固体废物作为胶凝基质和矿化介质。系统研究表明，引入CO₂养护可促进细分散CaCO₃的形成并加速水化硅酸钙生成，碳化养护7天后最高UCS可达8.85 MPa，是标准养护的27.84倍。电石渣-煤气化渣共混物的半干法碳化在90%电石渣时碳固定率达38.86%，矿化效率为53.36%。对于低碱度配方，80%粉煤灰负碳充填体3天强度达2.70 MPa，28天为5.12 MPa，最大CO₂吸收量为1.39 mg·g^-1。基于FB概念的CO₂储存硐室建造已从概念提案发展为采矿适应性工程方案。对于废弃煤矿，研究人员利用岩体失稳与控制原理，识别残余采区关键域，通过注浆、胶结充填和超高水充填材料顺序部署，构建CO₂储存硐室。对于生产煤矿，研究人员提出了碳负排放高效充填概念，利用高孔隙率、高强度、高容量充填材料，将CO₂、煤矸石和快凝粘结剂在地下混合形成CO₂-煤矸石-无机框架（CGIF），然后充入采空区，实现固体废物高效处置和规模化地下CO₂封存。研究人员通过短长壁采矿方法建立了经典的四阶段路线，利用FB在采空区获得机械稳定、低渗透性的储存硐室。在陕西胜利煤矿开展了先导试验，开发了高效低成本CO₂捕集与富集、CO₂矿化充填材料制备、管道输送监测、CO₂封存硐室建造以及气密性与稳定性监测技术。

5. 讨论与展望

5.1. 生产煤矿地下储能（UES）与盐穴的比较
随着中国煤矿开采深度的增加，含煤区（CBRs）UES技术与盐穴UES技术代表了两种不同的技术路径。盐穴在厚盐岩序列中通过溶浸建造，每个硐室可提供10⁴–10⁶ m³的储存容积，具有超低固有渗透性、粘塑性蠕变和长期循环荷载下良好的三维稳定性。油气储存成本比硬岩硐室低约64%，比地面储罐低约84%，使其成为目前高压天然气、H₂和CAES的基准技术。然而，其在中国的部署受限于有利盐盆的有限分布以及薄层盐岩-泥岩序列的复杂力学行为，其中夹层、杂质和断层可能影响硐室完整性。相比之下，中国含煤区（CBRs）拥有巨大但分散的地下空间，提供了大量地下空间资源和UES潜力。生产煤矿是指正在开采或计划关闭的煤矿，UES系统不部署在活跃工作面，而是部署在孤立非生产区、计划巷道、采空区或通过功能充填（FB）重建的空间，可在最终关闭前与采矿顺序协调并改造为储存硐室。通过FB，这些储层可在含煤岩石中重新工程化为封闭式压缩空气、CO₂、油气和热能储存库。然而，UES的安全性需要严格的岩土筛选、高强度低渗透充填材料以及长期THMC监测以控制泄漏、地下水迁移和采矿诱发扰动。

5.2. 废弃煤矿与生产煤矿UES的比较
废弃煤矿和生产煤矿的UES在储存规模、地质可控性、技术成熟度、主要挑战和风险以及建设成本方面存在显著差异。生产煤矿UES系统利用经工程充填加固的采空区，提供稳定可控的环境用于可靠储能。对扰动煤系地层进行FB涉及在复杂地质构造中密封储层，需要THMC耦合的充填体-岩石复合设计。相比之下，废弃煤矿空腔通常更老旧、稳定性较差，需要修复，但提供更大的储存潜力。废弃煤矿技术虽复杂，但作用于应力松弛、部分浸水的空腔中，遗留变形、涌水和沉降控制对其安全利用至关重要。在储能类型方面，生产煤矿UES技术更多样化，集成CO₂封存、热能和压缩空气储存，适用于多种应用。废弃煤矿主要关注UPHS和CAES等方法，适合长时间、电网级存储。技术成熟度方面，两者均逐步从理论概念向实验和试点阶段过渡。FB在储能目标方面提供多功能性和灵活性，作为采矿过程中的重新工程化储层，可根据地质条件调整。而废弃煤矿储能需要根据现有地质条件进行评估和改造，应用限制更多。目前，大多数基于FB的UES概念处于TRL 3–5，仍为概念性、实验室规模或试点技术，需进行大规模试点测试、循环THMC验证、气密性验证和监管开发才能商业部署。总体而言，煤矿UES的经济竞争力高度依赖于具体场地，其潜在成本优势在于现有地下空间和采矿基础设施的再利用，而经济惩罚来自硐室修复、密封、功能材料升级、安全监测和泄漏控制需求。

5.3. 展望

5.3.1. 功能充填（FB）材料的智能设计
结合深度学习的高效利用和智能设计煤基固体废物材料，为采矿充填和资源回收提供了广阔前景。煤基固体废物如煤矸石和粉煤灰可有效用于胶结膏体充填（CPB）系统。深度学习与数据驱动模型在克服这些挑战方面具有巨大潜力。通过集成实验数据，如抗压强度、流变特性和水化行为，深度学习可预测最优材料配方，提升性能和成本效率。机器学习技术可进一步辅助CPB管道输送过程的实时监测，确保稳定性并降低操作风险。例如，Qi等人建立了CPB配方的全球数据库