随着浅部矿产资源的逐渐减少和枯竭，开发深部矿产资源是国家保证资源安全、扩展经济社会发展空间的重大需求[1-2]。同时，深部矿产资源开发利用也符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》提出的“深空、深海、深蓝和深地”四个领域的战略要求。然而，深部矿床开采势必会形成更多的采空区、引发的更多的地质灾害、环境破坏和固体废弃物排放等，已成为制约深部矿产资源可持续开发利用与矿业健康发展的重要因素。要彻底缓解资源、能源、环境和安全的瓶颈制约，必须大力发展以清洁生产、资源高效开采、绿色开采和废物循环利用为特征的资源开发模式——充填采矿技术。同时，国家也相继出台了多个政策，鼓励和引导矿山充填采矿技术的发展与应用。

发展绿色矿业、建设绿色矿山是践行十九大提出“绿色发展”理念的必由之路，而充填采矿技术又是实现绿色矿山的必然选择。同时，2016-12-25通过的《中华人民共和国环境保护税法》(2018年1月施行)，排污费变身环境保护税，税务部门代替环保部门，尾矿排放每吨15元、冶炼渣及粉煤灰排放25元/t等。新法规的颁布，必将进一步推动充填技术在深部矿床开采中的应用与推广。对于生产矿山，高成本问题一直是困扰充填采矿技术广泛应用的关键所在。那么，是否可以考虑改进充填材料与充填技术，拓展充填功能，以提高矿山充填的附带价值，进而弥补充填成本？

基于以上问题，在传统矿山充填技术的基础上，引入了矿山功能性充填(Functional Backfill,FB)的学术理念。首先，从充填材料性能的角度，将充填采矿技术演进历程划分为体积性充填、结构性充填和功能性充填3个阶段;然后，对功能性充填材料(Functional Backfill Material,FBM)和功能性充填技术(Functional Backfill Technology,FBT)的定义和内涵进行了科学界定，提出了功能性充填材料的概念模型;最后，根据充填材料实现效能不同，将功能性充填划分为:载冷/蓄冷功能性充填、蓄热/释热功能性充填和储库式功能性充填3种基本类别，并对其概念、功能及基本原理进行了详尽论述。矿山功能性充填以深地矿床-地热协同开采、井下空区再利用等为着眼点，拓展了传统矿山充填功能，为生产矿山或废弃矿山转型升级提供新路径。矿山功能性充填材料及技术的应用与探索将进一步革新充填采矿技术，对深地矿床-地热协同开采、井下空区再利用及战略能源储备等产生影响。

1 矿山功能性充填概念界定与演进历程

1.1 矿山功能性充填演进历程

矿山新型充填材料的研制及新技术的应用促进了充填采矿法的改进和创新。基于矿山充填材料性能，可将充填采矿技术的发展历程划分为3个阶段:体积性充填→结构性充填→功能性充填，如图1所示。体积性充填，即以推存、排放等方式，加填矿山固体废弃物，以满足采空区体积的需要，如矸石/废石充填等;结构性充填是以流动性、结构和强度为主要应用指标，制备理想结构流状态的充填料浆进行充填，固结后具有保持充填体形状、结构及优良力学性能的能力，如尾砂胶结充填、膏体充填等;功能性充填，是在满足结构性充填的基础上，具有载冷、蓄热、储能、资源储备、核废弃物堆存等拓展功能的矿山充填技术。

1.2 矿山功能性充填概念及内涵

矿山功能性充填材料(Functional Backfill Materials，FBM)是指除具有流动、力学等特性外兼顾载冷、蓄热、储能、防渗及防辐射等拓展功能的矿山充填材料。矿山功能性充填材料是以传统充填材料为载体，加入不同特性的功能体，使其具备载冷/蓄冷、蓄热/储能等特殊功能;或者在满足充填体强度与结构稳定性的前提下，利用功能性充填材料在矿井下构筑特定空间，使其具备石油、天然气等战略资源封存条件或核废弃物堆存条件等，以充分利用矿井下空间资源。从材料构成的角度，可将矿山功能性充填材料简化为基体、功能体以及两者之间的界面过渡层，其概念模型如图2所示。其中，基体为传统的充填材料，主要作用是满足体积性和结构性需求，使其在流态阶段具有良好的流动性，在固结阶段具有良好的力学性能;功能体是实现功能性充填的主要贡献者，加入不同特性的功能体可得到性能各异的功能性充填材料;界面过渡层在基体和功能体之间起着传递力、温度等信息功效。

矿山功能性充填技术(Functional Backfill Technology，FBT)是指基于矿山功能性充填材料的充填采矿技术。根据制备的功能性充填材料实现功能不同，矿山功能性充填技术基本类别有:载冷/蓄冷功能性充填、蓄热/储能功能性充填和储库式功能性充填等。同时，伴随着矿山生产实践及其对充填功能的需求，矿山功能性充填技术将不断拓展和延伸。

目前，关于矿山功能性充填材料和矿山功能性充填技术的概念国内外文献鲜见相关报道，其概念和内涵还没有公认的严格界定，还需要在矿山生产实践中不断完善和更新。

2 载冷/蓄冷功能性充填基础理论

载冷/蓄冷功能性充填材料(Cold Load/Storage-Functional Backfill Materials，CLS-FBM)是以传统充填材料为载体，均匀拌合一定量的载/蓄冷相变介质(功能体)，在其满足流动性、结构和强度的条件下，形成具有载冷/蓄冷属性的复合相变充填材料。载冷/蓄冷功能性充填材料通过充填输运系统进入采场，依靠载/蓄冷相变充填体对临近采场以导热、对流和辐射的方式实现供冷，这种降温方式可大幅缩减井下降温设备与管线，减少中间换热环节，降低冷量损失。载冷/蓄冷功能性充填技术是在践行绿色/清洁/无废开采的同时解决矿井热害问题，既丰富了充填材料的功能属性，又拓展了矿井降温的新方法。

2.1 载冷/蓄冷相变材料类型与选择

2.1.1 载冷/蓄冷相变材料类型

载冷/蓄冷相变介质作为功能体，在载冷/蓄冷功能性充填材料中起传递、贮存和释放冷量的作用。针对载冷/蓄冷功能性充填的特点，可选相变材料见表1。载冷/蓄冷相变材料主要包括有机类和无机类，无机类主要是单纯物质(如冰)和共晶盐(如Na2SO4·10H2O)，应用较多，技术较成熟，但存在过冷和相分离现象，影响了其使用寿命和蓄冷性能;有机类主要是单组分(如乙二醇)和低共融混合物(如石蜡油)/水，相变温度及理化性能好，但储能密度低。

2.1.2 载冷/蓄冷相变材料选择

在选择载冷/蓄冷相变材料时应主要考虑材料的热物性(相变温度适宜、潜热值高，比热大、导热系数大)、化学性(稳定性好、无腐蚀、不燃烧、无毒、无污染)、经济性(价格便宜、充冷成本低)。基于以上考虑，冰是目前较为适合的载冷/蓄冷相变功能材料。冰在吸热相变后变为水，一部分参加水化反应，另一部分从充填体渗流出来，通过井下排水设施排出，对矿井不会造成污染，遵从绿色清洁开采的原则;掺入充填料浆的载/蓄冷相变材料无法回收利用，故需求量巨大，从经济角度，冰也是最佳选择。

2.2 载冷/蓄冷功能性充填体协同降温原理

以含冰粒载冷/蓄冷功能性充填材料为例，用部分的冰粒代替传统充填材料中的水，优化冰/水比例、冰粒粒径及配比参数等，以保障功能性充填材料具有良好的流动性及固结强度。含冰粒功能性充填材料利用内部冰粒相变(图3)，大量吸收周围采场的热量(冰粒相变熔化潜热为335 J/g)，从而实现临近采场降温的目的。采场降温的效能与载冷/蓄冷混合物中冰粒的含量(含冰率)及冰粒颗粒大小有关。因此，在料浆输送过程中，除进行必要的管道保温外，还要提供必要的冷源，如在管道外壁贴半导体制冷模块[9-10]，吸收输送过程中物料颗粒的摩擦和水泥的水化等产生的热量，确保输入采空区膏体料浆的冰粒含量。此外，日本东京工业大学建筑系铃木敏郎教授通过实验发现，优化冰/水比例和冰粒粒径，可以有效提高混凝土强度[11]。该结论同样适用于充填材料(类混凝土材料)，同时，用冰粒替代水，可以使充填材料搅拌更为均匀，大大减少采场的排水压力及水泥流失问题，进而提高充填体的力学性能。

含冰粒载冷/蓄冷功能性充填材料释冷对毗邻采场的降温是一个涉及充填材料、矿体和采场3个温度场之间动态的热量耦合传递过程，如图4所示。根据热力学第一定律，充填材料释冷问题的总热平衡方程为

Qlat+Qsen=Qcond+Qrad+Qconv+Qhyd

(1)

式中,Qlat为冰粒融解向外界释放的相变潜冷量;Qsen为充填材料升温向外界释放的显冷量;Qcond和Qrad分别为矿体通过导热和辐射向充填材料传递的热量;Qconv为采场通过对流换热向充填材料传递的热量;Qhyd为充填材料中固体颗粒与水反应释放的热量(水化热/硬化热)。

含冰粒载冷/蓄冷功能性充填材料是由废石、尾砂、胶凝性材料、冰、水构成。在研究其传热机理过程中，将其视为多孔介质，其中废石、尾砂、胶凝性材料为多孔介质的固体骨架，冰粒和水嵌于多孔介质孔隙中。冰粒融化释放出潜冷量，融化后的水和原有的水升温释放出显冷量，密度随之变化，在充填体多孔结构孔隙内发生自然对流现象。对这一多孔材料中的微小冰粒融解问题的研究可以借助温度-焓法模型，即在整个充填体区域建立统一的能量方程，求出焓值分布，然后再确定相界面。研究基本假设:① 自然对流为层流，冰水处于局部热平衡;② 忽略由融化相变引起的速度变化;③ 忽略渗流，充填体与矿体间的保温涂层阻止了渗流;④ 密度符合Boussinesq假设。

按照体积平均理论，建立质量、动量、能量守恒微分方程[12]，如式(2)～(4)，其中的能量守恒微分方程基于温度-焓法模型而得到。

·u=0

(2)

(u·)u=-2u-

(3)

·(keffT)

(4)

式中,u为速度，m/s;ρ为密度，kg/m3;τ为时间，s;P为压强，Pa;T为温度，℃;h为比焓，J/kg;qhyd为比体积水化热，J/m3;μ为动力黏度，Pa·s;β为热膨胀系数，1/℃;C为惯性系数;K为多孔介质渗透系数;下标l，s，agg分别表示液态水、固态冰和废石尾砂等充填固体颗粒;ref表示环境条件;ε，γ，δ分别表示多孔介质的孔隙率，液体所占孔隙分数和液体所占体积单元分数;keff为有效导热系数，即

keff=ε[γkl+(1-γ)ks]+(1-ε)kf

(5)

由于冰水相变，γ，δ随相变进度发生改变。因融化有一定的温度范围，可以假设冰、水为常物性，水所占的体积分数可以由温度来确定[13]。由于水化反应，ε，γ，δ将随水化反应进度发生改变。水化反应的放热速率∂qhyd/∂τ可借鉴已有研究，但应注意放热速率在不同温度下差异巨大，应特别建立水化放热速率与工作温度间的函数关系。

为了减少充填体与矿体之间的传热量，充填体与采场边界上按对流和辐射换热的综合作用处理。在其它边界上布设隔热层，导热量较小，按照定热流密度边界条件处理;依据以上方程、边界条件及初始条件，采用数值传热计算方法可求解出含冰粒载冷/蓄冷功能性充填体非稳态传热特性，获得充填体温度场时空演化，有效释冷量比(提供给采场的冷量占总释冷量的比例)变化及相变充填体对采场的释冷降温效能的衰变规律。

3 蓄热/释热功能性充填基础理论

蓄热/释热功能性充填体(Heat Storage &Release-Functional Backfill Body,HSR-FBB)是以传统充填材料为载体，均匀拌合一定量的蓄热/释热相变材料(功能体)，并在充填过程中埋设采热管路，形成具备高热能存储/快速热能释放功能的复合充填体。对于深部矿床开采，高地温是导致出现热害的罪魁祸首，然而导致出现矿井热害的高地温却为地热开采提供了有利条件。地热作为一种可再生清洁能源，也属于深地开采的范畴。如果在深部矿产资源开采的同时，能借助其创造的开采系统实现矿床-地热协同开采(图5)，至少具有以下优势:① 矿床开采所开拓的地表至采深段的井巷，节省了地热开发的钻探工程，节约了地热开发成本;② 深部空区已具备相当规模，高温围岩可为地热开发提供源源不断的热源;③ 深部矿床开采具备完善的提升运输通路，以及完备的电力、给排水系统，可为地热开发过程管路布设和动力供应提供保障;④ 对于一个既定矿山终究会开采完毕，废弃的矿山可以作为一个地热开发的工厂，可以延续矿山的生命周期。

3.1 蓄热/释热相变材料类型与选择

3.1.1 蓄热/释热相变材料类型

蓄热/释热材料是一种能够储存/释放热能的化学材料，按蓄热方式可分为显热蓄热、相变蓄热、热化学蓄热和吸附蓄热材料，其中的相变蓄热材料在特定温度(相变温度)下发生物相变化，并伴随着热量的吸收或放出，因其具有蓄热密度较高(一般都可以达到200 kJ/kg以上)、蓄热/释热过程近似等温且过程容易控制等优点，是当今蓄热/释热材料研究和应用的主流。当相变材料的相变形态为气体或液体时，会引起材料体积显著变化或出现渗流等现象，应用在充填材料中，会影响充填体强度及蓄热/释热特性。

复合定型相变材料是近年发展起来的一种相变形态接近固-固相变材料的新型相变材料，能够克服固-液和固-气相变过程中体积变化大或渗流等导致的负面影响。此外，复合定型相变材料的相变温度可取范围宽，能够满足不同采深地温条件下的相变蓄能。

复合定型相变材料由载体基质和相变介质复合而成。载体基质一般为各种有机聚合物或具有较强吸附能力的无机多孔材料，其熔点显著高于相变储热介质[14]。载体基质在相变介质的相变过程中能保持外观形态和物化性能的稳定，同时具备良好的导热性能和力学特性，可承载并限制液态相变介质的渗漏。研究表明[15-17]，功能性充填材料中含有的尾砂、粉煤灰、废石等能为复合定型相变材料提供载体基质。相变介质是复合定型相变材料的核心部分，利用其相态转变过程中吸收或放出潜热来实现蓄热和释热。相变介质应具备相变温度适宜、相变潜热高、相变可逆、可重复循环且不变质、比热容大、无毒、无腐蚀性、无污染等特点。

3.1.2 蓄热/释热相变材料选择

复合定型相变材料作为功能体，其选择对功能性充填材料蓄热/释热能力的影响至关重要，为此提出比体积蓄热量和比体积有效蓄热量两表征参数。在此基础上，推导出相应相变材料的选择判别准则。

3.1.2.1 比体积蓄热量

比体积蓄热量是指某一温度范围内单位体积功能性充填材料的蓄热量。蓄热/释能功能性充填材料比体积蓄热量可细分为三个部分，即传统充填材料显热、复合定型相变材料显热和潜热，如式(6)所示。具体分别由式(7)和(8)计算得出。

(6)

qi,sen=φiρiCpi(T)dT

(7)

q2,lat=φ2ρ2r2

(8)

式中,φ为体积含量，%;r为相变潜热，kJ/kg;q为蓄热量，kJ;Cp为比热,kJ/(kg·K)；sen表示显热;lat表示潜热;i=1，2分别表示传统充填材料和复合定型相变材料;ini，final分别表示初状态和终状态。

功能性充填材料的比热在矿井所处温度范围的变化较小，可以采用平均比热代替。由式(6)～(8)计算得出，对比传统充填材料，蓄热/释能功能性充填材料比体积蓄热量差值为

Δq=φ2[ρ2r2-Δ(ρ·Cp)ΔT]

(9)

(10)

ΔT=Tfinal-Tini

(11)

由式(9)可以分析得知，提高蓄热/释能功能性充填材料的比体积蓄热量必须满足下面的不等式(12)。因此，不等式(12)是从蓄热/释热能力方面考虑，选取复合定型相变材料的基本判断准则。

ρ2r2>Δ(ρ·Cp)ΔT

(12)

3.1.2.2 比体积有效蓄热量

比体积有效蓄热量是指某一温差范围内单位体积功能性充填材料蓄热量的最大可用能，体现了所存储的蓄热量的可利用价值。蓄热/释能功能性充填材料比体积有效蓄热量包含显热和潜热两部分如式(13)所示。

(13)

(14)

(15)

由式(13)～(15)，功能性充填材料与传统充填材料的比体积有效蓄热量差值Δetot为

(16)

式中,T0为环境温度，K;e为有效能,kJ;下标pc表示相变。

根据式(16)可推出，选用的相变材料只有满足不等式(17)，才可提高功能性充填材料的有效蓄热量。因此，不等式(17)是从蓄热/释热量品质方面考虑，选取复合定型相变材料的基本判断准则。

(17)

从充填采矿的角度来讲，为了确保地下采矿空间结构的安全稳定，添加了复合定型相变材料的充填体应具有良好的承载能力、力学性质及韧性变形特征[18];从蓄热/释热的角度来讲，添加了复合定型相变材料的充填体，还应具有热导率高、热膨胀系数小、性能稳定等良好的热学性能。

3.2 蓄热/释热功能性充填原理

3.2.1 功能性充填体单元蓄热/释热工作原理

如图6所示，蓄热时，功能性充填体从围岩吸收热量，温度升高，当温度升高至相变温度时，内部相变介质吸热融化，之后充填体持续升温至预设蓄热温度，完成蓄热环节;如图7所示，释热时，载热介质(如水)流经换热管路，通过导热和对流换热方式不断吸取积蓄热，充填体内部温度逐渐降低，相变介质失热固化，之后充填体逐渐降温至预设释热温度，完成释热环节。如此反复，功能性充填体通过蓄热环节吸收围岩热量，通过释热环节将热量传递给换热管路内的载热介质，并送至热利用设备(如采暖设备、热泵机组等)。

如上可知，用充填采矿法实现深部矿床的开采的同时，形成规模化的蓄热/释热功能性充填体，为地热提供热量汇集、储存及开采条件，也为矿床-地热协同开采构想的实现奠定了基础。

3.2.2 功能性充填体蓄热/释热理论

复合定型相变材料一般通过多孔基吸附、微胶囊、溶胶-凝胶等方法制备而成[19]，利用相变介质微粒被包覆，或相变介质的吸附、嵌入等作用将液相相变介质限制在载体基质自身微孔内，故相变过程中没有液体的宏观流动现象。因此，均匀拌合复合定型相变材料的充填料浆固化形成的功能性充填体，其传热可看成均质固体材料的导热过程。

(1)蓄热/释热功能性充填体蓄热理论。蓄热过程中，充填体与围岩的传热是一个复杂的三维非稳态问题。为简化计算，作如下假设:材料热导率λ不随温度发生变化;忽略材料相变时的体积变化，密度ρ为定值;蓄热过程中，忽略采热管及内部载热介质的影响。

蓄热/释热功能性充填体的能量控制方程为

(18)

初始条件:

T(x,y,z,τ)|τ=0=Tini

边界条件:

Ts(x,y,z,τ)=Tb

式中，物质总焓变h等于功能性充填体的显热焓与相变焓之和;Tini为蓄热开始时充填体初始温度，℃;s是充填体的边界;Tb为充填体边界处的温度。

(2)蓄热/释热功能性充填体释热理论。释热时，为简化计算做如下假设:① 充填体热物性参数为常数;② 忽略充填体沿换热管轴向的传热，认为热量只在垂直换热管轴线方向传递;③ 充填体边界热流密度恒定;④ 忽略充填体与换热管壁面的接触热阻。

图8所示为充填体释热过程的物理模型，换热管内载热介质与充填体之间的传热问题，可以转化为换热管内介质一维换热模型和管外充填体的二维非稳态均值固体导热模型的耦合求解。

(1)换热管内载热介质轴向一维传热模型。如图8所示，取换热管微元管段Δx为研究对象，根据能量守恒定律:

(19)

Tw,out=Tf,in-q×R

(20)

载热介质入口边界:

Tf,in(x,τ)|x=0=Tf(τ)

式中，q为换热管微元段的局部热流密度，为管内载热介质质量流量，kg/s;Cpf为管内载热介质定压比热，J/(kg·K);Tf,in,Tf,out分别为微元管段进、出口处载热介质温度，K;R为载热介质到换热管外壁面的热阻，K/W。

(2)管外充填体二维导热模型。充填体的导热方程为

(21)

式中，Tfb为充填体温度，K;τ为时间，s;α为充填体的热扩散率，m2/s。

初始条件(τ=0):

Tf=Tw=Tfb=Tini

边界条件。

① 充填体各边界:

② 换热管外壁与充填体接触面边界:

Tw=Tfb

qw=qfb

③ 管内壁与流体边界条件:

式中，Tini为相变蓄热体释热过程的初始温度，K;λ为导热系数，W/(m·K);n为边界法线方向;hf为管内载热介质对流换热系数，W/(m2·K);下标f表示载热介质;fb表示充填体;w表示换热管壁;in表示进口或内部，out表示出口或外部。

4 储库式功能性充填基础理论

储库式功能性充填材料(Cavity-Building-Functional Backfill Materials，CB-FBM)是一种以传统充填材料为载体，根据储库类型不同均匀拌合一定量的防渗、防泄漏或防辐射介质(功能体)，在其满足流动性、结构和强度的条件下，形成具备油气等战略能源封存或核废弃物堆存条件的复合充填材料。利用储库式功能性充填材料在深部矿井大型空区群内构筑能源储库或核废料处置库，用以储备石油、天然气等战略能源和堆存放射性核废料等，以应对战争、强地震、恐怖事件、极端气候及油气极其紧张等致使能源供应中断带来的影响。作为能源储库，矿井下完备的动力供应、管路输运等系统为油气等战略能源接收、储存和提取提供保障[20-21]。比起地面储库，基于储库式功能性充填材料构筑的能源储备库更具有安全、经济、地面占地少等优势。储库式功能性充填是将矿山采矿、充填和建库有效的结合，用控制功能性充填材料的方式，保证储库强度、防渗等储备条件;用控制储库结构的方式，保证储库的稳定性与安全性。储库式功能性充填的提出，其实践意义在于:① 实现了由采空区治理到采空区利用的理念转变，开辟了矿井下采空区利用的新方向;② 提出在矿山采空区利用充填构筑一种新型储库，丰富了我国储库结构类型，为能源储备库探索提供了新思路;③ 丰富了矿山充填新功能，探索了采矿、充填、储库领域协同开发的新方法。

4.1 储库式功能性充填材料类型与选择

4.1.1 储库式功能性充填材料类型

以油气储库为例，其作为国家战略资源储备场所，必须具备结构稳定、强度高、密封和防渗等特点。在采矿、充填和建库协同作业过程中，形成由传统充填层、功能性充填层、防渗层、加固层等构筑而成的储备库，如图9所示。其中，功能性充填层是以矿山固废为基质，均匀拌合粘性黄土、盐粉等，以提高其自修复性、低渗透性和高固结强度，并配合锚杆加固，以提高储库整体结构的稳定性和功能性充填体强度等;防渗层是由聚乙烯醇缩丁醛、水泥和尾砂均匀拌合，形成具有黏结性、耐热性、耐油性和吸附性等特点的腻子层，采用揉旋法和横直法相结合均匀涂抹于充填功能层内侧，进一步提高储库的防渗功能;加固层是由钢筋混凝土构筑而成，是对储备库顶部结构的加固处理，以防止顶板的冒落，保证储油库的安全性。

4.1.2 储库式功能性充填材料选择

对于油气类储库，储库式功能性充填材料的选择依据主要体现在以下两个方面:

(1)高强度。相比于传统矿山充填而言，储库式功能性充填要求形成高强度的充填体，一方面储库式充填是局部充填，充填体承受的上覆平均荷载比传统充填时大;另一方面，为保证储库安全运营，对功能性充填所构筑的储库对强度有更要的要求。

(2)低渗透。储库式功能性充填实现的功能就是储库功能，储库一般分为储物库、储油库、储气库，不同类型储库对渗透要求不一样，储气库>储油库>储物库，应该根据储库用途选择不同渗透要求的功能性充填材料。

除了以上两个主要的功能特征，储库式功能性充填材料还应该具有其他一些功能，如长期强度、自修复特征等方面的要求，对储库长期运营起关键作用。

4.2 储库式功能性充填基本原理

4.2.1 单体储库技术原理

对采空区进行充填时，刻意预留一定空间并在其边界充填具有防渗、防泄漏或防辐射作用的功能性复合充填材料，形成基于废弃矿场的具有战略战备意义的深层地下储库。现以原油储库为例，详细说明其技术原理，如图10所示，利用采矿时遗留的天井和运输巷道等设施，铺设输送原油管路，连通储库与地面设备(如混输泵、原油运输车)。向单体储库输送原油时，由于原油占据储库空间引起压力升高，导致原油从地面设备输入储库困难以及储库体积膨胀，反之从单体储库取油时会出现储库内部压力下降，致使取油困难以及储库因受压而体积缩小。如此反复，不但会增加原油输送能耗，还会引起库体疲劳损坏，进而影响储库安全。为消除上述隐患，单体储库上方设置气体缓冲空间，利用铺设的稳压管线与地面气体稳压设备连通，内部充满惰性气体(如二氧化碳、氮气等)，通过控制地面稳压设备内的气压，稳定地下储库内部压力。此外，库顶部安装压力和液位传感器监控库内压力和原油液面，确保单体储库气体缓冲空间和压力波动在允许范围内。

4.2.2 储库群技术原理

为确保矿井充填区的稳固性，单体储库内部尺寸小，存储量十分有限，需要多个单体储库联结形成规模化的储库群，才具有实用价值。如图11所示，根据地下储库安全理论，单体储库采用圆柱形且成直角三角形分布稳固性最好，单体储库之间的间距为其直径的1.5～3倍[22-23]。充填过程中，在单体储库底部设置连通管路串联形成储库单元。如图12所示，处于运输巷道正下方的单体储库设置与输送管路连接的进、出口，储库单元之间采用并联关系。对储库单元独立控制有利于储库管理和规避风险，当一个单体储库出现问题，可以通过控制阀切断所在储库单元与储库群的联系，降低由于单体储库破损给储库群带来损害。

4.2.3 采矿-充填-建库协同原理

如图13所示，采矿-充填-建库协同系统由采矿、充填和建库3个子系统构成。储库式功能性充填在实践过程中，需要实现采矿、充填和建库时间协同、空间协同、工艺协同和环境协同。时间协同体现在采矿、充填、建库的顺序步骤之间的协调，先采矿后充填，通过储库式充填材料构筑储备库，实现采矿-充填-建库工序的无缝衔接和合理循环;空间协同体现在采矿、充填、建库的空间位置结构之间的协调布置实现采矿单元划分、充填空间设计、储库结构分布在地下空间的合理布局，才能保证地下空间稳定性;工艺协同体现在采矿、充填、建库3个子系统按照顺序完成各项工作的方法及其协调配合;环境协同表现在采矿、充填、建库所处环境的协同变化及相互影响。同时，储库构筑需具备一定的环境条件，主要受矿体围岩环境和矿体分布空间影响，围岩环境影响系统安全稳定性，矿体分布空间决定了采矿后储库空间大小及经济性。矿体围岩稳定，矿体赋存空间大规整，则越有利于储库的构筑。

5 结 论

(1)建立了含冰粒载冷/蓄冷功能性充填的冰、水以及传统充填材料的充填料浆非稳态多相耦合数值模型，研究含冰粒充填材料水化过程中的传热特性和对采场降温效能的衰变规律。

(2)提出了蓄热/释热功能性充填体中功能体(蓄热/释热相变介质)的选择基本判别准则，构建了预埋换热管路的蓄热/释热功能性充填体蓄热和释热简化模型，研究其蓄热/释热能力以及地热开采能效。

(3)阐述了储库式充填中单体储库和基于地下储库安全理论的储库群工作技术原理，提出采矿-充填-建库协同系统。

参考文献(References):

[1] 古德生，周科平.现代金属矿业的发展主题[J].金属矿山，2012(7):1-8.

GU Desheng,ZHOU Keping.Development theme of the modern metal mining[J].Metal Mine,2012(7):1-8.

[2] 谢和平，高峰，鞠杨，等.深部开采的定量界定与分析[J].煤炭学报，2015，40(1):1-10.

XIE Heping,GAO Feng,JU Yang,et al.Quantitative definition and investigation of deep mining[J].Journal of China Coal Society,2015,40(1):1-10.

[3] 杨世铭.传热学(第四版)[M].北京:高等教育出版社，2011.

YANG Shiming.Heat transfer (The 4th Edition)[M].Beijing:Higher Education Press,2011.

[4] 方贵银.蓄冷空调工程实用新技术[M].北京:人民邮电出版社，2000.

FANG Guiyin.New practical technology of cold storage in air conditioning engineering[M].Beijing:Post and Telecom Press,2000.

[5] 刘剑虹，刘瑞虹，王超会，等.Na2 SO4·10H2O复合相变储能体系的热力学测试[J].节能,2007(9):13-14,17.

LIU Jianhong,LIU Ruihong,WANG Chaohui,et al.Thermodynamic test of Na2SO4·10H2O phase change energy storage system[J].Energy Conservation,2007(9):13-14,17.

[6] 陶文博，谢如鹤.有机相变蓄冷材料的研究进展[J].制冷学报，2016，37(1):52-59.

TAO Wenbo,XIE Ruhe.Research and development of organic phase change materials for cool thermal energy storage[J].Journal of Refrigeration,2016,37(1):52-59.

[7] 贾代勇，杜雁霞，袁艳平，等.一种空调蓄冷用有机混合相变材料[P].中国专利:CN101220259,2008-07-16.

JIA Daiyong,DU Yanxia,YUAN Yanping,et al.An organic phase change material applied in cold storage of air conditioner[P].China Patent:CN101220259,2008-07-16.

[8] ROYON L,GUIFFANT G.Heat transfer in paraffin oil/water emulsion involving supercooling phenomenon[J].Energy Convers Manage,2001,42(18):2155-2161.

[9] 刘浪，张小艳，孙伟博，等.具有降温功能的高温深井采空区充填料浆输送系统及方法[P].中国专利:ZL201710057241.3,2017-09-29.

LIU Lang,ZHANG Xiaoyan,SUN Weibo,et al.High temperature deep gob filling slurry delivery system and method having a function of cooling[P].China Patent:ZL201710057241.3,2017-09-29.

[10] 刘浪，孙伟博，张小艳，等.高温深井采空区充填料浆蓄冷输送系统及方法[P].中国专利:ZL201710057230.5,2017-11-21.

LIU Lang,SUN Weibo,ZHANG Xiaoyan,et al.Device and method for simulating deep well filling body stope temperature drop and terrestrial heat exploitation experiment[P].China Patent:ZL201710057230.5,2017-11-21.

[11] SUZUKI T,TAKIGUCHI K,HOTTA H.Characteristics of concrete produced by new method using small ice flakes[J].JCI Conference,1986(6):357-360.

[12] 卢涛，姜培学.多孔介质融化相变自然对流数值模拟[J].工程热物理学报，2005,26(6):167-170.

LU Tao,JIANG Peixue.Numerical simulation of natural convection for melting phase change in porous media[J].Journal of Engineering Thermophysics,2005,26(6):167-170.

[13] 郭宽良，孔祥谦，陈善年.计算传热学[M].合肥:中国科学技术大学出版社，1988.

GUO Kuanliang,KONG Xiangqian,CHEN Shannian.Computational heat transfer[M].Hefei:Press of University of Science and Technology of China,1988.

[14] 张磊.聚乙二醇基复合储热材料的制备、性能及其相变传热过程研究[D].武汉:武汉理工大学，2012.

ZHANG Lei.Study on preparation,properties and phase change heat transfer process of polyethylene glycol-based composite thermal energy storage materials[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2012.

[15] 董昭.用于建筑节能的粉煤灰相变储能材料的制备及应用研究[D].重庆:重庆大学，2013.

DONG Zhao.Preparation and application of fly ash matrix phase change materials for thermal storage in building energy conservation[D].Chongqing:Chongqing University,2013.

[16] 赵海东，张咪，马宏芳，等.粉煤灰基高温复合相变蓄热材料的制备[J].山西大同大学学报，2016,32(5):38-40.

ZHAO Haidong,ZHANG Mi,MA Hongfang,et al.The preparation of high temperature composite phase change heat storage material of fly ash[J].Journal of Shanxi Datong University,2016,32(5):38-40.

[17] 王建宏.粉煤灰基高温复合相变蓄热材料的制备与性能研究[D].西安:西安建筑科技大学，2013.

WANG Jianhong.Study on preparation and properties of high temperature fly ash base phase change heat storage composite materials[D].Xi’an:Xi’an University of Architecture and Technology,2013.

[18] 邓代强，姚中亮，唐绍辉.深井充填体细观破坏及充填机制研究[J].矿冶工程，2008，28(6):15-17.

DENG Daiqiang,YAO Zhongliang,TANG Shaohui.Study on microcosmic damage and filling mechanism of backfill in deep mine[J].Mining and Metallurgical Engineering,2008,28(6):15-17.

[19] 陈占秀.相变储能材料相变过程的分子动力学研究[D].天津:天津大学，2012.

CHEN Zhanxiu.The molecular dynamic study on phase changing process of phase change material[D].Tianjin:Tianjin University,2012.

[20] 谢和平，高明忠，高峰，等.关停矿井转型升级战略构想与关键技术[J].煤炭学报，2017，42(6):1355-1365.

XIE Heping,GAO Mingzhong,GAO Feng,et al.Strategic conceptualization and key technology for the transformation and upgrading of shut-down coal mines[J].Journal of China Coal Society,2017,42(6):1355-1365.

[21] 刘峰，李树志.我国转型煤矿井下空间资源开发利用新方向探讨[J].煤炭学报，2017，42(9):2205-2213.

LIU Feng,LI Shuzhi.Discussion on the new development and utilization of underground space resources of transitional coal mines[J].Journal of China Coal Society,2017,42(9):2205-2213.

[22] 杨春和，周宏伟，李银平,等.大型盐穴储气库群灾变机理与防护[M].北京:科学出版社，2014.

YANG Chunhe,ZHOU Hongwei,LI Yinping,et al.Catastrophic mechanism and protection of gas storage groups in large salt cavern[M].Beijing:Science Press,2014.

[23] 吴文，候正猛，杨春和.盐岩中能源(石油和天然气)地下储存库稳定性评价标准研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(14):2493-2505.

WU Wen,HOU Zhengmeng,YANG Chunhe.Investigations on evaluating criteria of stabilities for energy (petroleum and natural gas) storage caverns in rock salt[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(14):2493-2505.