某壓縮空氣儲能電站淺埋鹽穴穩定性研究

虞海兵，紀文棟，侯景崢，商浩亮，萬繼方，馬洪嶺

(1. 中能建數字科技集團有限公司，北京 100044；2. 中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北 武漢 430071 )

0 引言

壓縮空氣儲能電站成敗與否的關鍵在于地下儲氣庫建設。近年來，鹽穴作為能源儲存的理想介質，已被相關領域的專家學者廣泛認可，尤其是鹽穴儲氣庫和壓縮空氣儲能庫的成功應用，使得鹽穴的設計與建造得到高度重視。安徽省某礦區鹽層埋深為100 ～500 m，為國內最淺的鹽礦，同時該礦區地質資料顯示其鹽層傾角較大。然而，經調研發現該礦區地下鹽礦開采后的鹽腔形態極不規則，甚至出現破頂現象，導致鹽穴無法得到有效利用。為做好后期鹽穴作為壓縮空氣儲能電站地下儲庫的利用準備，需在前期設計階段針對礦層特征鹽穴開采埋深位置和鹽層傾角的影響進行分析，以滿足穩定性要求。

有關傾角和埋深對地下洞室的影響一直是研究人員關注的重點。潘培澤[1]等通過圖解法研究了大傾角巖鹽層對溶腔形態的影響。周冬林[2]等通過對比中國各類典型鹽礦的鹽腔形態，分析了影響鹽腔溶蝕形態的主要因素，發現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 數值模擬法分析了鹽層傾角(2°～5°)對溶腔穩定性的影響，由于傾角較小使得計算結果不顯著。郭延輝[4]等和楊舜[5]等研究了礦體傾角對礦體開采引起的圍巖變形規律，以及礦體開采過程中不同傾角下采場覆巖的內部應力變化與裂隙擴展規律。

王兵武[6]等結合軟硬互層層狀模型材料的三軸壓縮試驗，研究了界面傾角對材料強度和變形特性的影響，并討論了層狀鹽巖地層中鹽穴儲庫容易變形破壞的位置。紀文棟[7]等分析了傾角泥巖夾層對儲庫群的影響，明確了傾角夾層受鹽巖層蠕變影響而產生的破壞形式。楊強[8]等將變形穩定理論引入鹽穴儲庫的穩定性評價中，研究了埋深對儲庫穩定性的影響。梁光川[9]等通過數值模擬的方法研究了400 ～1 000 m 埋深對鹽穴儲氣庫位移和應力變化規律。趙國慶[10]等計算了陳四樓煤田的合理開采深度，發現深部開采和淺部開采的圍巖變形和塑性區分布區別較為顯著。

以往的研究主要關注鹽層傾角對地下鹽腔形態變化、小傾角穩定性以及傾角對煤礦的影響等方向，對于鹽層傾角對地下鹽腔的穩定性研究，尤其是長期穩定性方面的研究較少。此外，埋深對地下鹽腔的影響主要集中在埋深較大的地下儲庫，關于較淺埋深對鹽腔穩定性的研究較少。本文以安徽省某擬開采淺埋鹽礦工程為實例，分析礦區鹽層傾角和埋深對鹽腔變形及體積收縮的影響規律，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能庫的可行性研究提供技術支撐。

1 工程地質概況

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。礦區鹽礦為沉積礦床，鹽礦層均勻連續的分布于整個盆地之中，為層狀礦體。水平方向上，礦體整個形態反映為不規則的長圓形，長軸方向約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 的標高內，礦層上部及其頂部巖層表現為單斜狀態且傾角較小，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象很可能是巖鹽本身的物理性質或斷層引起的。

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

2 數值模擬計算

2.1 數值模型的建立

由于全礦區巖鹽層分布存在差異，選取具有代表性的4 號孔鉆井數據開展模擬研究。4 號孔地質柱狀圖顯示鹽層厚度為101.7 m，鹽層間共含有7 個夾層，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 的夾層簡化為鹽巖層。為保證鹽層水溶開采后鹽腔具有幾何穩定性，初步設計鹽腔形狀為半球形腔頂，圓柱形主體，倒錐形底部，側溶角為30°[11]。基于現場已有溶腔情況，溶腔頂板預留10 m 保護層，底板預留5 m。因此，溶腔高度設定為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，數值計算模型如圖1 所示。

圖1 溶腔穩定性數值計算模型

模擬計算淺埋層狀鹽層中傾角和埋深對溶腔穩定性的影響時，以單個溶腔作為研究對象。考慮到水溶采鹵過程對圍巖擾動范圍以及網格模型和邊界條件對模擬結果的影響，網格模型取不小于溶腔半徑5 倍的尺寸，即：網格模型尺寸為500 m×250 m×700 m(長×寬×高)。計算模型具有對稱性，采用整個模型的一半進行計算。

模型由地表開始建立，模型的4 個垂直面和底部通過位移邊界約束以防止水平和垂直位移，頂部不設約束，允許沿高度方向的自由位移。在進行網格劃分時，對洞穴周圍巖體進行網格細化，網格大小隨著與洞穴距離的增加而增大。在模擬計算時，模型頂部施加荷載為0 MPa，礦區地層應力梯度約為2.3 MPa/100 m，鹽腔內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，腔體內壓的計算式為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。在開展蠕變計算時，為了消除洞室一次性開挖對計算結果產生的不利影響，對地應力重分布進行預計算。

2.2 計算參數的取值

對該礦區含鹽地層巖芯進行力學實驗[12]，確定鹽巖、夾層和泥巖物理力學性質參數見表1 所列。材料本構模型采用Mohr-Coulomb 準則，鹽巖蠕變規律選用冪函數指數模型[13]，如式(1)所示。

表1 鹽巖、夾層和泥巖力學特性參數

式中：ε表示穩態蠕變率；σ表示偏應力；A、n為蠕變參數。

根據礦區鹽巖蠕變實驗結果，A=1.12×10-6MPa-n/h，其中，n=1.13。

3 數值結果分析

3.1 工況設計

為了得到淺埋鹽穴在不同工況下的位移分布及穩定性特征，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 淺埋鹽穴穩定性計算工況

3.2 溶腔位移

圖2(a)為溶腔蠕變30 a 后埋深為300 m 時，不同鹽層傾角條件下腔周最大位移變化曲線。可以看出，鹽層傾角在0°～20°之間時，隨著鹽層傾角的增加，腔周最大位移量逐漸增大；溶腔運行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°時相應的最大位移為1.254 m；當鹽層傾角超過20°后，位移量隨著鹽層傾角的增加呈遞減的變化趨勢。鹽層傾角為30°時的腔周最大位移為1.223 m。因此，礦區埋深為300 m 的工況下，鹽層傾角為20°時為最危險工況。將鹽層簡化為水平0°的工況后，相對位移量下降了5.73%。可見，鹽層傾角的差異對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增長，做溶腔圍巖最大位移X與埋深H的擬合公式，如式(2)所示，擬合確定性系數為R2=0.999 5，接近于1。

圖2 不同影響因素對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，最大位移發生在沿傾斜方向的洞室側壁附近。隨著傾角增加，洞室圍巖最大位移由側壁中上部逐漸轉為側壁中下部。傾角的增加使得腔體左側的位移逐漸減小，而腔體右側的位移先增加后減小，可能原因是：當傾角達到20°時，腔體右側最大位移向下移動時受到夾層的約束，使得位移量減小。因此，當腔體處于含傾角的鹽層中時，應重點監測沿傾斜方向側壁中部附近的位移。

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。可以看出，腔體位于水平鹽層時，兩側的位移呈對稱分布，離洞室中心軸線越近，位移越大。隨著埋深的增加，腔體受到的偏應力增加，使得腔體兩側的位移逐漸增大，并且位移受腔體的影響范圍隨埋深逐漸變大。夾層處位移相對較小，這是因為夾層的存在對附近的鹽巖變形有一定約束[14]。此外，可以發現5 種工況下，腔頂位移量均遠小于側壁位移，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間的推移逐漸增大，且沉降位移的增長速率隨著蠕變時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，該現象與溶腔最大位移隨傾角的變化趨勢不同，可能原因是在傾角變化的過程中，腔頂位置處沒有受到夾層的約束，此時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增長，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相近，說明埋深的變化對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

鹽腔體積變化是評價鹽穴穩定性的重要指標[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淺部鹽腔體積收縮率的影響

由圖5(a)可知，隨著蠕變時間的增加，體積收縮率逐漸增大，當蠕變時間達到30 a 后，6種傾角工況下的體積收縮率處于7%～8%之間。同時，隨著傾角的增大，體積收縮率逐漸減小，結果表明，單個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，埋深的差異對鹽穴體積收縮率影響較大，近似呈指數增長，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，收縮率達到了19.99%，增長幅度逐漸擴大，原因在于同一埋深處腔內鹵水壓力低于地層應力，隨著埋深的增加，2 種壓力差逐漸增大，導致鹽巖受力不均等性增大，鹽層不斷向腔內移動，鹽腔收縮率變大。基于已有文獻[16]，建議鹽腔蠕變5 a 的體積收縮率控制在6%以內；而埋深為500 m 時，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 結論

新建鹽穴是未來壓縮空氣儲能電站大規模建設的重點方向，本文以安徽省某淺埋鹽礦為實例，分析該礦區鹽層傾角和埋深對新建鹽穴穩定性的影響，得到以下結論：

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

2)當腔體位于傾斜鹽層中，圍巖最大位移出現在沿傾斜方向的側壁附近。隨著鹽層傾角的增大，最大位移值出現先增后減的變化趨勢，傾角為20°時位移量達到最大值1.254 m，而腔頂沉降位移隨傾角增加變化趨勢不顯著，說明鹽層傾角主要影響腔體的水平位移，后續鹽腔變形監測時應重點關注腔體側壁位置處。腔體體積收縮率隨傾角的增加呈現下降的趨勢，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增長，埋深的變化對腔體各向位移影響顯著。當鹽腔埋深為500 m 時，腔體蠕變5 a 后體積收縮率超過建議值6%，已不能達到安全生產要求。