某壓縮空氣儲(chǔ)能電站淺埋鹽穴穩(wěn)定性研究

虞海兵，紀(jì)文棟，侯景崢，商浩亮，萬(wàn)繼方，馬洪嶺

(1. 中能建數(shù)字科技集團(tuán)有限公司，北京 100044；2. 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071 )

0 引言

壓縮空氣儲(chǔ)能電站成敗與否的關(guān)鍵在于地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)。近年來(lái)，鹽穴作為能源儲(chǔ)存的理想介質(zhì)，已被相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者廣泛認(rèn)可，尤其是鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)和壓縮空氣儲(chǔ)能庫(kù)的成功應(yīng)用，使得鹽穴的設(shè)計(jì)與建造得到高度重視。安徽省某礦區(qū)鹽層埋深為100 ～500 m，為國(guó)內(nèi)最淺的鹽礦，同時(shí)該礦區(qū)地質(zhì)資料顯示其鹽層傾角較大。然而，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)該礦區(qū)地下鹽礦開采后的鹽腔形態(tài)極不規(guī)則，甚至出現(xiàn)破頂現(xiàn)象，導(dǎo)致鹽穴無(wú)法得到有效利用。為做好后期鹽穴作為壓縮空氣儲(chǔ)能電站地下儲(chǔ)庫(kù)的利用準(zhǔn)備，需在前期設(shè)計(jì)階段針對(duì)礦層特征鹽穴開采埋深位置和鹽層傾角的影響進(jìn)行分析，以滿足穩(wěn)定性要求。

有關(guān)傾角和埋深對(duì)地下洞室的影響一直是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。潘培澤[1]等通過(guò)圖解法研究了大傾角巖鹽層對(duì)溶腔形態(tài)的影響。周冬林[2]等通過(guò)對(duì)比中國(guó)各類典型鹽礦的鹽腔形態(tài)，分析了影響鹽腔溶蝕形態(tài)的主要因素，發(fā)現(xiàn)地層傾角是造成腔體偏溶的決定性因素。劉成倫[3]等采用ADINA 數(shù)值模擬法分析了鹽層傾角(2°～5°)對(duì)溶腔穩(wěn)定性的影響，由于傾角較小使得計(jì)算結(jié)果不顯著。郭延輝[4]等和楊舜[5]等研究了礦體傾角對(duì)礦體開采引起的圍巖變形規(guī)律，以及礦體開采過(guò)程中不同傾角下采場(chǎng)覆巖的內(nèi)部應(yīng)力變化與裂隙擴(kuò)展規(guī)律。

王兵武[6]等結(jié)合軟硬互層層狀模型材料的三軸壓縮試驗(yàn)，研究了界面傾角對(duì)材料強(qiáng)度和變形特性的影響，并討論了層狀鹽巖地層中鹽穴儲(chǔ)庫(kù)容易變形破壞的位置。紀(jì)文棟[7]等分析了傾角泥巖夾層對(duì)儲(chǔ)庫(kù)群的影響，明確了傾角夾層受鹽巖層蠕變影響而產(chǎn)生的破壞形式。楊強(qiáng)[8]等將變形穩(wěn)定理論引入鹽穴儲(chǔ)庫(kù)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，研究了埋深對(duì)儲(chǔ)庫(kù)穩(wěn)定性的影響。梁光川[9]等通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了400 ～1 000 m 埋深對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)位移和應(yīng)力變化規(guī)律。趙國(guó)慶[10]等計(jì)算了陳四樓煤田的合理開采深度，發(fā)現(xiàn)深部開采和淺部開采的圍巖變形和塑性區(qū)分布區(qū)別較為顯著。

以往的研究主要關(guān)注鹽層傾角對(duì)地下鹽腔形態(tài)變化、小傾角穩(wěn)定性以及傾角對(duì)煤礦的影響等方向，對(duì)于鹽層傾角對(duì)地下鹽腔的穩(wěn)定性研究，尤其是長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面的研究較少。此外，埋深對(duì)地下鹽腔的影響主要集中在埋深較大的地下儲(chǔ)庫(kù)，關(guān)于較淺埋深對(duì)鹽腔穩(wěn)定性的研究較少。本文以安徽省某擬開采淺埋鹽礦工程為實(shí)例，分析礦區(qū)鹽層傾角和埋深對(duì)鹽腔變形及體積收縮的影響規(guī)律，給出了擬開采鹽礦安全開采深度，以期為鹽穴作為壓縮空氣儲(chǔ)能庫(kù)的可行性研究提供技術(shù)支撐。

1 工程地質(zhì)概況

安徽省某擬開采淺埋鹽礦工程下伏基巖為中生界古近系紅色巖層，巖性以陸源的河床相、濱湖相及鹽湖相砂巖、泥巖及含膏泥巖等，夾有厚層巖鹽。礦區(qū)鹽礦為沉積礦床，鹽礦層均勻連續(xù)的分布于整個(gè)盆地之中，為層狀礦體。水平方向上，礦體整個(gè)形態(tài)反映為不規(guī)則的長(zhǎng)圓形，長(zhǎng)軸方向約8 500 m，短軸寬1 400 ～2 390 m，面積約為14.4 km2；垂直方向上，礦體主要位于-500 ～-100 m 的標(biāo)高內(nèi)，礦層上部及其頂部巖層表現(xiàn)為單斜狀態(tài)且傾角較小，僅為5°～10°，巖鹽層傾角介于10°～25°，局部有30°，到了礦層底部，尤其是底板含膏泥巖中，傾角增陡至40°～50°。礦層傾角由上而下逐漸變陡的現(xiàn)象很可能是巖鹽本身的物理性質(zhì)或斷層引起的。

礦層厚度較大，由西南部和西北部向中、東部逐漸加厚。全區(qū)巖鹽厚度變化在30 ～110 m之間，大部分區(qū)域厚度為70 ～100 m，礦區(qū)中部的2 號(hào)孔巖鹽厚度最大，為108.90 m。鹽層平均品位為74.77%。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 數(shù)值模型的建立

由于全礦區(qū)巖鹽層分布存在差異，選取具有代表性的4 號(hào)孔鉆井?dāng)?shù)據(jù)開展模擬研究。4 號(hào)孔地質(zhì)柱狀圖顯示鹽層厚度為101.7 m，鹽層間共含有7 個(gè)夾層，夾層厚度從上到下依次為2.1 m、0.3 m、0.6 m、2.2 m、1.6 m、0.6 m和1.7 m。為便于建模，將厚度小于1 m 的夾層簡(jiǎn)化為鹽巖層。為保證鹽層水溶開采后鹽腔具有幾何穩(wěn)定性，初步設(shè)計(jì)鹽腔形狀為半球形腔頂，圓柱形主體，倒錐形底部，側(cè)溶角為30°[11]?；诂F(xiàn)場(chǎng)已有溶腔情況，溶腔頂板預(yù)留10 m 保護(hù)層，底板預(yù)留5 m。因此，溶腔高度設(shè)定為86.7 m，最大直徑為50 m。巖鹽層與水平軸的夾角為鹽層傾角θ，腔頂與地表距離為埋深H，地表載荷為P，數(shù)值計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 溶腔穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算模型

模擬計(jì)算淺埋層狀鹽層中傾角和埋深對(duì)溶腔穩(wěn)定性的影響時(shí)，以單個(gè)溶腔作為研究對(duì)象?？紤]到水溶采鹵過(guò)程對(duì)圍巖擾動(dòng)范圍以及網(wǎng)格模型和邊界條件對(duì)模擬結(jié)果的影響，網(wǎng)格模型取不小于溶腔半徑5 倍的尺寸，即：網(wǎng)格模型尺寸為500 m×250 m×700 m(長(zhǎng)×寬×高)。計(jì)算模型具有對(duì)稱性，采用整個(gè)模型的一半進(jìn)行計(jì)算。

模型由地表開始建立，模型的4 個(gè)垂直面和底部通過(guò)位移邊界約束以防止水平和垂直位移，頂部不設(shè)約束，允許沿高度方向的自由位移。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)洞穴周圍巖體進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格大小隨著與洞穴距離的增加而增大。在模擬計(jì)算時(shí)，模型頂部施加荷載為0 MPa，礦區(qū)地層應(yīng)力梯度約為2.3 MPa/100 m，鹽腔內(nèi)壁的工作壓力主要為鹵水作用下的靜水壓力，且壓力值隨深度呈梯度變化，腔體內(nèi)壓的計(jì)算式為P=ρgH×10-3MPa，鹵水密度值ρ近似選取為1.2 g/cm3，g取9.81 N/kg。在開展蠕變計(jì)算時(shí)，為了消除洞室一次性開挖對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，對(duì)地應(yīng)力重分布進(jìn)行預(yù)計(jì)算。

2.2 計(jì)算參數(shù)的取值

對(duì)該礦區(qū)含鹽地層巖芯進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)[12]，確定鹽巖、夾層和泥巖物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1 所列。材料本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，鹽巖蠕變規(guī)律選用冪函數(shù)指數(shù)模型[13]，如式(1)所示。

表1 鹽巖、夾層和泥巖力學(xué)特性參數(shù)

式中：ε表示穩(wěn)態(tài)蠕變率；σ表示偏應(yīng)力；A、n為蠕變參數(shù)。

根據(jù)礦區(qū)鹽巖蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果，A=1.12×10-6MPa-n/h，其中，n=1.13。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 工況設(shè)計(jì)

為了得到淺埋鹽穴在不同工況下的位移分布及穩(wěn)定性特征，分別模擬10 種工況下，溶腔變形、體積收縮率與鹽層傾角和埋深的關(guān)系，其中，鹽層傾角0°與埋深300 m 的組合工況模擬2 次，見表2 所列。

表2 淺埋鹽穴穩(wěn)定性計(jì)算工況

3.2 溶腔位移

圖2(a)為溶腔蠕變30 a 后埋深為300 m 時(shí)，不同鹽層傾角條件下腔周最大位移變化曲線?？梢钥闯?，鹽層傾角在0°～20°之間時(shí)，隨著鹽層傾角的增加，腔周最大位移量逐漸增大；溶腔運(yùn)行30 a 后，鹽層傾角為0°的圍巖最大位移為1.186 m，鹽層傾角為20°時(shí)相應(yīng)的最大位移為1.254 m；當(dāng)鹽層傾角超過(guò)20°后，位移量隨著鹽層傾角的增加呈遞減的變化趨勢(shì)。鹽層傾角為30°時(shí)的腔周最大位移為1.223 m。因此，礦區(qū)埋深為300 m 的工況下，鹽層傾角為20°時(shí)為最危險(xiǎn)工況。將鹽層簡(jiǎn)化為水平0°的工況后，相對(duì)位移量下降了5.73%?？梢?，鹽層傾角的差異對(duì)溶腔圍巖位移有一定的影響。圖2(b)中可以看出隨著埋深的增加，溶腔受到上覆鹽層壓力不斷增加，腔周圍巖最大位移近似呈指數(shù)增長(zhǎng)，做溶腔圍巖最大位移X與埋深H的擬合公式，如式(2)所示，擬合確定性系數(shù)為R2=0.999 5，接近于1。

圖2 不同影響因素對(duì)淺部鹽腔腔周最大位移的影響

圖3 為6 種鹽層傾角條件下，30 a 后鹽腔蠕變后的位移云圖。從圖3 可以看出，從開挖面到外部圍巖，位移逐漸減小，最大位移發(fā)生在沿傾斜方向的洞室側(cè)壁附近。隨著傾角增加，洞室圍巖最大位移由側(cè)壁中上部逐漸轉(zhuǎn)為側(cè)壁中下部。傾角的增加使得腔體左側(cè)的位移逐漸減小，而腔體右側(cè)的位移先增加后減小，可能原因是：當(dāng)傾角達(dá)到20°時(shí)，腔體右側(cè)最大位移向下移動(dòng)時(shí)受到夾層的約束，使得位移量減小。因此，當(dāng)腔體處于含傾角的鹽層中時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)沿傾斜方向側(cè)壁中部附近的位移。

注：圖中DISP(displacement)表示位移。圖3 鹵水壓力作用下鹽腔30 a后不同鹽層傾角的位移云圖

圖4 為5 種埋深條件下30 a 后，洞室蠕變的位移云圖?？梢钥闯?，腔體位于水平鹽層時(shí)，兩側(cè)的位移呈對(duì)稱分布，離洞室中心軸線越近，位移越大。隨著埋深的增加，腔體受到的偏應(yīng)力增加，使得腔體兩側(cè)的位移逐漸增大，并且位移受腔體的影響范圍隨埋深逐漸變大。夾層處位移相對(duì)較小，這是因?yàn)閵A層的存在對(duì)附近的鹽巖變形有一定約束[14]。此外，可以發(fā)現(xiàn)5 種工況下，腔頂位移量均遠(yuǎn)小于側(cè)壁位移，可能原因是：與洞室頂部的球形相比，洞室中部為圓柱形，不利于抵抗壓縮荷載。

圖4 在鹵水壓力作用下30 a后不同埋深的位移云圖

表3 為不同工況下，鹽腔運(yùn)行1 ～30 a 的頂板沉降位移情況。由表3 可知，不同工況下，頂板沉降位移隨著時(shí)間的推移逐漸增大，且沉降位移的增長(zhǎng)速率隨著蠕變時(shí)間的增加而逐漸變緩。腔體頂板位移隨著傾角的增加，近似呈增大的趨勢(shì)，該現(xiàn)象與溶腔最大位移隨傾角的變化趨勢(shì)不同，可能原因是在傾角變化的過(guò)程中，腔頂位置處沒有受到夾層的約束，此時(shí)沉降位移的變化主要由傾角引起。腔體頂板位移隨埋深的增大呈指數(shù)增長(zhǎng)，腔頂沉降位移Z與埋深H的擬合曲線方程如式(3)所示，腔頂沉降隨埋深的變化與溶腔最大位移的變化趨勢(shì)相近，說(shuō)明埋深的變化對(duì)腔體的各向位移均影響較大。

表3 不同工況下鹽腔頂板沉降位移變化情況

3.3 體積收縮率

鹽腔體積變化是評(píng)價(jià)鹽穴穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[15]。圖5 為溶腔蠕變30 a 鹽層傾角和埋深與鹽腔體積收縮率的變化曲線圖。

圖5 鹵水壓力作用下不同影響因素對(duì)淺部鹽腔體積收縮率的影響

由圖5(a)可知，隨著蠕變時(shí)間的增加，體積收縮率逐漸增大，當(dāng)蠕變時(shí)間達(dá)到30 a 后，6種傾角工況下的體積收縮率處于7%～8%之間。同時(shí)，隨著傾角的增大，體積收縮率逐漸減小，結(jié)果表明，單個(gè)腔體在淺部地層中鹽層傾角的增大有利于降低腔體體積收縮，然而體積收縮率隨鹽層傾角變化的影響不夠明顯，僅為1%左右。從圖5(b)可以看出，埋深的差異對(duì)鹽穴體積收縮率影響較大，近似呈指數(shù)增長(zhǎng)，如式(4)所示。埋深為100 m 的工況下，鹽穴蠕變30 a 后的收縮率僅為0.88%，埋深為500 m時(shí)，收縮率達(dá)到了19.99%，增長(zhǎng)幅度逐漸擴(kuò)大，原因在于同一埋深處腔內(nèi)鹵水壓力低于地層應(yīng)力，隨著埋深的增加，2 種壓力差逐漸增大，導(dǎo)致鹽巖受力不均等性增大，鹽層不斷向腔內(nèi)移動(dòng)，鹽腔收縮率變大?；谝延形墨I(xiàn)[16]，建議鹽腔蠕變5 a 的體積收縮率控制在6%以內(nèi)；而埋深為500 m 時(shí)，腔體蠕變5 a 的體積收縮率為9.01%，已不能滿足安全要求。

式中：V為體積收縮率。

4 結(jié)論

新建鹽穴是未來(lái)壓縮空氣儲(chǔ)能電站大規(guī)模建設(shè)的重點(diǎn)方向，本文以安徽省某淺埋鹽礦為實(shí)例，分析該礦區(qū)鹽層傾角和埋深對(duì)新建鹽穴穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論：

1)為確保礦區(qū)后期鹽穴作為壓縮空氣儲(chǔ)能庫(kù)利用的穩(wěn)定性，建議擬建鹽穴位置應(yīng)避開傾角為20°的鹽層，同時(shí)，基于該礦區(qū)礦層分布特征，建議開采深度不超過(guò)500 m。

2)當(dāng)腔體位于傾斜鹽層中，圍巖最大位移出現(xiàn)在沿傾斜方向的側(cè)壁附近。隨著鹽層傾角的增大，最大位移值出現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，傾角為20°時(shí)位移量達(dá)到最大值1.254 m，而腔頂沉降位移隨傾角增加變化趨勢(shì)不顯著，說(shuō)明鹽層傾角主要影響腔體的水平位移，后續(xù)鹽腔變形監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注腔體側(cè)壁位置處。腔體體積收縮率隨傾角的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但整體變化不大。

3)隨著埋深的增加，腔周最大位移、腔頂沉降位移以及體積收縮率均近似呈指數(shù)增長(zhǎng)，埋深的變化對(duì)腔體各向位移影響顯著。當(dāng)鹽腔埋深為500 m 時(shí)，腔體蠕變5 a 后體積收縮率超過(guò)建議值6%，已不能達(dá)到安全生產(chǎn)要求。