基于模糊綜合評價法的廢棄礦硐儲油可行性研究

包興芮，劉欽節，楊卿干，鄧卓越，修雅馨

（1.安徽理工大學礦業工程學院，安徽 淮南 232001；2.合肥綜合性國家科學中心能源研究院，安徽 合肥 230031；3.深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001）

0 引言

近年來，我國持續實施去產能政策，導致大量煤礦被迫關閉，巨大的地下空間未得到合理利用，不僅造成資源浪費，也容易引起地面塌陷、瓦斯外逸等危害[1]。同時，我國石油進口對外依存度已連續三年超過70%，并且石油儲備量也極低，遠遠達不到國際能源署（IEA）規定的90 d 進口量儲備標準[2]。目前，石油儲備方式有地面儲罐、半地上儲罐、海上儲罐、地下水封洞庫和鹽穴儲庫等[3]。其中，地面儲罐是國內普遍采用的儲油方式，但因占地面積大、泄露風險高等劣勢導致其大規模發展存在障礙，而地下儲油成為一種極佳選擇。若能有效利用廢棄礦硐儲油，將解決大量廢棄礦井地下空間資源浪費以及石油儲備不足的問題。

國外開發利用廢棄礦硐的時間較早，技術也比較成熟，我國可以結合煤礦地下空間實際情況參考借鑒國外的開發利用模式與技術。1973 年，美國利用廢棄礦硐建成了儲油容量達1.4 億m3的地下儲油庫，這是歷史上全球首次成功采用廢棄礦硐建立儲油庫[4]；1963 年，美國的Leyden 煤礦利用廢棄礦硐建成的地下儲氣庫，即世界首座利用廢棄礦硐建成的地下儲氣庫[5]；1975 年，比利時建成廢棄礦硐地下儲氣庫，具有1.8 億m3的儲氣能力[6]。

國內關于廢棄礦硐利用仍處于理論探索階段，如袁亮等[7]提出廢棄礦硐精準開發利用的科學構想；謝和平等[8]利用廢棄礦硐進行抽水蓄能發電技術的研究；王帥等[9]提出了利用廢棄煤礦的深地空間進行壓縮空氣儲能的五個原則和要求；劉欽節等[10]針對關閉/廢棄礦井地下空間資源利用方式，提出了地下空間分類分級精準利用模式；郗富瑞等[11]從巖石力學、礦山規劃、機械構置、能源系統規劃、法律、環境影響以及經濟性等方面深入探討了中國利用廢棄礦山建造地下抽水蓄能電站的相關評價原則與技術要點。由于廢棄礦硐的地下條件較復雜，儲油的技術要求比較高，國內還沒有利用廢棄礦硐儲油的案例。因為鹽穴滲透性低且具有良好的蠕變特性，所以目前國際上認為鹽穴是建設儲油庫的優良儲備場所[12]。目前，在金壇區成功利用廢棄鹽礦建設地下儲氣庫，形成近5 000 萬m3的工作氣量；在泰安、江漢等地區利用廢棄鹽礦建設的地下儲氣庫也將陸續投入使用[13]；在安徽省含山縣的廢棄石膏礦井也利用采空區改造成地下儲油庫[4]。

根據廢棄礦硐的特點和儲油庫選址要素，選取具有代表性的評價指標，采用層次分析法[14-15]建立廢棄礦硐儲油可行性評價體系，在此基礎上構建模糊綜合評價模型[16]。以山西省白家莊煤礦為例，根據煤礦的實際條件對廢棄礦硐儲油的可行性進行綜合評判，為開展利用廢棄礦硐儲油的可行性研究提供一定的參考。

1 廢棄礦硐儲油庫建庫要素

1.1 確定廢棄礦硐儲油空間

煤礦地下開采控制頂板的方法主要有三種：一是自然垮落法，二是充填法，三是煤柱支撐法。不同的頂板控制方式形成的采空區種類不同，可利用性也不同[17]。廢棄礦井的地下空間資源主要有采空區、巷道、硐室[4]，由于白家莊煤礦采用走向長壁后退式全部垮落法，采空區已被矸石充滿，且裂隙發育，密閉性極差，因此選用白家莊煤礦的永久性巷硐作為儲油庫。

1.2 廢棄礦硐儲油原理

利用廢棄礦硐進行儲油的原理：廢棄礦硐通常位于地下水位一定高度以下，地下水會沿裂隙滲透實現油庫密封。但大部分地下水不能滿足要求，因此需要建設人工水幕系統實現密封。當儲油庫建成后，周圍煤巖體有壓力的裂隙水就向儲油巷道內流動，向儲油巷道輸送石油，由于油的密度比水的密度小且油水不能混合，同時任何一個方向的水壓都高于油壓，輸送進來的石油將會被水全方位包裹，避免石油從裂隙泄露。流入巷道內的水則沿巷道壁匯集到巷道底部提前修建的儲水坑，形成水墊層，通過水泵將多余的水量提升到地表供水管線，以此循環提供密封保障[18]。

1.3 廢棄礦硐儲油庫建庫條件

影響廢棄礦硐儲油庫建設的因素較多，難以將其全部涵蓋。在查閱大量地下空間儲油庫建設相關文獻資料的基礎上，參照《地下水封石洞油庫設計標準》（GB/T 50455—2020）中“庫址選擇”及“工程勘察”中的有關要求，按照科學性、系統性、可行性和代表性的原則選取了開發條件、地質條件和地下水條件作為體系的一級指標，并將其細化得到11 個二級指標，構建評價模型如圖1 所示[19]。

圖1 廢棄礦硐儲油可行性綜合評價體系Fig.1 Comprehensive evaluation system for the feasibility of oil storage in abandoned mine tunnel

1）開發條件。建設儲油庫前需要根據周圍原油供應及煉化廠等的原油需求量來確定儲油庫的建設規模，同時還需要考慮將原油運送到儲油庫和輸送到煉油廠等是否便捷[20-21]。

2）地質條件。地質活躍程度即地質災害發生的頻率最為關鍵，同時巷道圍巖巖體的結構類型和力學性質直接決定著礦區選擇后，儲油庫建設成功與否和質量好壞[22]，所以選擇圍巖穩定性、地質構造、巖體滲透性作為判斷巷道是否能建設儲油庫的指標。

3）地下水條件。地下水對儲油的影響主要體現在以下四方面：地下水位是否穩定對儲油庫建設起著重要的作用[23]；涌水量的大小影響著水的控制難度；判斷充水特征可以了解煤礦的主要裂隙類型，便于防止石油泄露；石油直接與地下水接觸，地下水腐蝕性影響著油品的質量和地下設備的損壞速度。

2 廢棄礦硐儲油層次評價指標體系

2.1 層次指標體系的建立

采用層次分析法[16]建立具有遞階層次的結構如圖1 所示。按照層次分析法的分層原則，綜合評價因素將廢棄礦硐儲油可行性分為3 層，從上到下分別為目標層、因素層和因子層[24]。

廢棄礦硐儲油可行性綜合評價體系所涵蓋的指標復雜，將其分為定量指標和定性指標兩類。定量指標：巖體滲透性和涌水量；定性指標：儲油庫規模、原油需求、原油集輸條件、地質活躍程度、圍巖穩定性、地質構造、地下水位、充水特征、地下水腐蝕性。將定量指標和定性指標進行量化[25]，根據相關規范以及行業專家的經驗，確定各指標對評判體系的界限值，并將廢棄礦硐儲油的可行性綜合評價結果分為4 個等級，分別為高、較高、適中、低，見表1。

表1 評價指標分級標準Table 1 Classification standards of evaluation indicators

2.2 判斷矩陣的建立

兩兩比較法[26]是同層次的兩個元素之間的相對重要性比較。根據比較結果建立相應的判斷矩陣A，從而得到各指標的權重向量。這種比較結果通過引入適當的標度表示，即1、3、5、7、9 分別表示各指標對廢棄礦硐儲油可開發利用程度的影響為同樣重要、稍微重要、明顯重要、非常重要、絕對重要；2、4、6、8 為重要性的過渡值，并寫成判斷矩陣[27]。

2.3 權重的計算

建立判斷矩陣后，利用和積法[25]計算出各判斷矩陣的最大特征值λ及其對應的特征向量和各指標的權重值，以式（1）對判斷矩陣進行一致性檢驗。當判斷矩陣的一致性比例CR＜0.10 時，判斷矩陣滿足要求，否則應對判斷矩陣進行適當修改，直至判斷矩陣滿足要求[27]。按照上述步驟進行計算，得到各指標的權重見表2。

表2 評價指標權重Table 2 Weight of evaluation indicators

式中：CR為一致性比例；CI為一致性指標；RI為判斷矩陣的平均隨機一致性比例。

2.4 權重分析

根據表2 結果繪制廢棄礦硐儲油因子層權重分布圖，如圖2 所示。由圖2 可知，在廢棄礦硐儲油可行性評價體系的因子層指標中，影響程度最大的是地質活躍程度，若儲油庫建設在地質災害頻發區域，受地質災害的影響容易發生泄露，所以建儲油庫的前提條件是該位置地質災害發生頻率低。圍巖穩定性和地下水位的權重分別居第二位和第三位，表明地下儲油洞庫圍巖易變形破壞，圍巖的長期穩定至關重要[28]；同時，地下洞庫與地下水密切相關，穩定的地下水位是儲油庫密封的關鍵。

圖2 廢棄礦硐儲油因子層權重分布圖Fig.2 Factor layer weight distribution of oil storage in abandoned mine tunnel

根據評價指標權重表繪制廢棄礦硐儲油的因素層權重分布圖，如圖3 所示。由表2 和圖3 可知，在廢棄礦硐儲油可行性評價體系的因素層中，權重值最大的是地質條件，權重為0.65，包括地質活躍程度、圍巖穩定性、地質構造、巖體滲透性。廢棄礦硐儲油可行性研究中，地質條件是重點研究因素，儲油庫選址必須選在地質條件較好的位置，否則儲油庫建設難度大且容易發生泄露。地下水條件是因素層權重值第二大因素，穩定的地下水位是儲油庫成功的關鍵，地下涌水防控也是建設儲油庫過程中的重點關注對象，通過充水特征了解裂隙類型，然后對巷道圍巖進行修補，地下水中可能含有腐蝕性的化學成分，會腐蝕礦井中的設備，因此地下水條件也是關鍵的影響因素。開發條件的權重值最小，由于我國儲油量遠不達標，且儲油庫作為戰略儲備，不宜將多個儲油庫建設在一起，若某位置的地質條件和地下水條件較好時，可以考慮作為儲油庫備選庫址。

圖3 廢棄礦硐儲油的因素層權重分布圖Fig.3 Factor layer weight distribution of oil storage in abandoned mine tunnel

3 廢棄礦硐儲油模糊綜合評價

由于建立判斷矩陣過程中具有主觀性，因此，引入模糊綜合評判法，將定性分析和定量分析有機結合，既能夠充分體現評價指標和評價過程的模糊性，又盡量減少主觀性所帶來的弊端，得到的評價結果更符合客觀實際[16]。

1）因素集的建立。建立因素集U=（U1，U2，U3，…，Ux），將因素集分為三類，且每類包含不同的子因素，開發條件U1=（儲油庫規模，原油需求，原油集輸條件），地質條件U2=（地質活躍程度，圍巖穩定性，地質構造，巖體滲透性），地下水條件U3=（地下水位，涌水量，充水特征，地下水腐蝕性）。

2）評價集的建立。建立評價集V=（V1，V2，…，Vx），在廢棄礦井地下空間資源利用評價中取V，即本文評價集V=（高，較高，適中，低）。

3）確定定性指標的隸屬度。采用德菲爾法確定定性指標的隸屬度。

4）確定定量指標的隸屬度。采用式（2）～式（4）計算定量指標的隸屬度函數，其中，偏小型見式（2）；中間型見式（3）；偏大型見式（4）。

式中：x為評價因素中各定量指標的實測值；a、b、c、d分別為評價因素中各指標對廢棄礦硐儲油利用程度等級為高、較高、適中、低的界限值。

5）模糊矩陣建立。對各評價指標進行分類，定量指標將實測值帶入建立的隸屬度函數中得到定量指標的隸屬度；定性指標通過德菲爾法確定其隸屬度。元素集中第m個元素對評價集中第n個元素的隸屬度表示為Rmn，結果為一個模糊集合R，由此得到單元素評價矩陣，見式（5）。

6）模糊綜合評價。模糊綜合評價通過對權重集w和模糊矩陣R運算得到，具體見式（6）。

式中：w為由層次分析法得到的權重集；R為單因素的模糊矩陣；B為綜合評價的結果。

4 白家莊煤礦實例應用

以白家莊廢棄煤礦為例，對其進行廢棄礦硐儲油可行性分析綜合評價，各指標實測值見表3。

表3 評價指標量化Table 3 Quantitative of evaluation indicators

4.1 一級模糊綜合評價

對于定性指標，根據表4 確定其指標對應的隸屬度。

表4 離散型因素隸屬度取值Table 4 Value of membership grades of discreteness variable factor

對于定量指標，將其實測值代入式（2）～式（4）確定其指標對應的隸屬度。開發條件的一級模糊綜合評價矩陣見式（7）。

結合表2 和表4 可知，開發條件的權重向量w1=（0.06，0.02，0.04），得到開發條件模糊綜合評價為B1=w1R1=（0.028 0，0.074 0，0.013 0，0.006 0）；地質條件的權重向量w2=（0.30，0.21，0.08，0.05），得到地質條件模糊綜合評價為B2=w2R2=（0.128 0，0.231 0，0.247 0，0.044 5）；地下水條件的權重向量w3=（0.11，0.07，0.02，0.03），得到地下水條件模糊綜合評價為B3=w3R3=（0.045 5，0.088 0，0.086 0，0.010 5）。

4.2 二級模糊綜合評價

通過將一級模糊綜合評價矩陣得到的單因素評價向量組合得到二級綜合評價矩陣R，見式（8）。

結合表2 可知，二級評價權重向量w=（0.12，0.65，0.23），得到二級模糊評價綜合向量B=wR=（0.097 0，0.179 3，0.181 9，0.032 1）。

根據最大隸屬度原則，分析二級模糊綜合評價向量可知白家莊煤礦廢棄礦硐儲油可行性程度的最大隸屬度為適中，屬于廢棄礦硐儲油開發利用適中區。

4.3 白家莊煤礦儲油庫開發利用建議

根據上述分析，白家莊煤礦廢棄礦硐儲油庫建設項目具備實施可行性，但需要針對影響儲油庫建設的問題采取相應解決措施。

1）地質條件的影響最大，建設儲油庫時應選擇較堅硬穩定的巖石，對巷道圍巖進行支護加固，同時做好密封防滲工作。

2）地下水條件對儲油庫的影響居中，由于儲油庫的底部通過水墊層來達到防滲目的，所以地下水位的穩定十分重要，可設置水位檢測系統對水位進行實時檢測，當超過水位線時及時抽出，低于水位線時及時補充，對于儲油庫周圍的裂隙應進行注漿加固等處理，減少油氣泄露的通道。

3）白家莊煤礦的開發條件較好，因而更需要聚焦解決以上兩個關鍵技術問題，提高白家莊煤礦儲油庫建設的可行性。

5 結論

1）采用層次分析法建立利用廢棄礦硐儲油可行性評價指標體系，通過兩兩比較法和標度法構建判斷矩陣，判斷矩陣采用和積法計算確定指標的權重并進行一致性檢驗，當判斷矩陣不滿足一致性要求，則需要調整判斷矩陣直至判斷矩陣滿足一致性要求。

2）采用德菲爾法和公式法分別確定定性指標和定量指標的隸屬度，得到一級模糊綜合評價矩陣，再根據計算公式得到一級評價向量，將一級評價向量按規定組合成二級模糊綜合評價矩陣，通過計算最終得到二級模糊綜合評價向量，最后根據最大隸屬度原則確定綜合評價結果。

3）利用構建的廢棄礦硐儲油可行性研究評價模型對白家莊煤礦進行綜合評價，評價結果客觀真實，避免主觀性。根據評價原理及評價結果，針對白家莊煤礦廢棄礦硐儲油工作提出一些解決建議：白家莊煤礦若要建設儲油庫則需要設置測量地質災害設備，提前制定應對災害的方案；白家莊煤礦的涌水量也較大，應做好防治水災的工作；同時，巖體滲透性和裂隙通道容易引起石油泄露，需要做好密封防滲的工作。

4）廢棄礦硐利用整體處于起步階段，廢棄礦硐儲油的可行性理論研究不多，建立的評價體系由于指標選取不同評價結果也有所不同，本文只選取了具有代表性的指標，未將各類因素充分涵蓋，各項指標的選取還需進一步優化和完善。