废弃煤矿改造为天然气储库过程中围岩应力演化与裂隙扩展机理研究

针对废弃煤矿改造为天然气储库面临的围岩稳定性挑战，研究人员通过理论建模与数值模拟相结合的方法，系统研究了注采循环下煤柱-顶板体系的应力重分布规律、变形特征及裂隙演化机制。研究发现：顶板初始挠度达142.91 mm，50次循环后增至226.06 mm；煤柱应力呈"拱形"分布；注采压力8.2 MPa时顶板-煤柱竖向位移差降至91.28 mm。该研究为废弃煤矿储气库工程实践提供了关键理论支撑。

　　

随着全球天然气消费量在2023年达到3.96×10¹² m³（占一次能源23.5%），储气设施需求激增。废弃煤矿改造为储气库具有建设成本低、周期短的优势，但长期注采循环导致的围岩蠕变与裂隙扩展可能引发气体泄漏风险。目前盐穴储气研究较成熟，而煤矿储气库的应力-变形耦合机制尚不明确，特别是煤柱支撑体系在循环载荷下的长期稳定性缺乏量化评估。

中国矿业大学（北京）的研究团队通过建立弹性基础梁-蠕变耦合模型，结合FLAC^3D数值模拟，揭示了注采过程中围岩力学响应规律。研究选取典型房柱式采空区，采用实验室测试获取煤岩体力学参数（如No.15煤层单轴抗压强度），通过Burgers蠕变模型表征时变特性。关键技术包括：1）基于弹性地基梁理论建立顶板-煤柱相互作用模型；2）考虑注采压力1.8-8.2 MPa的循环加载条件；3）采用Fish语言编程实现50次注采循环的渐进损伤模拟。

围岩变形特征
顶板初始挠度142.91 mm，经历50次注采循环后增至226.06 mm，呈现减速增长趋势。煤柱应力分布呈现典型"拱形"特征，最大应力集中于煤柱核心区。当注采压力升至8.2 MPa时，顶板与煤柱竖向位移差从108.22 mm降至91.28 mm，显示应力重分布效应。

裂隙演化规律
注采循环次数与裂隙发育呈正相关：循环次数增加导致覆岩裂隙比例上升，裂隙长度和开度分别增长37%和29%。当注采压力接近原地应力时（约8 MPa），裂隙网络出现贯通趋势，可能形成气体运移通道。

稳定性阈值
研究发现注采压力6.5 MPa为临界阈值，超过此值后煤柱塑性区扩展速度加快。通过对比Leyden煤矿案例（稳定运行37年），提出储库设计压力应控制在原地应力70%以下。

该研究首次量化了煤矿储气库注采过程中的应力-裂隙协同演化规律，建立的弹性梁-蠕变耦合模型可预测30年服务期内的围岩变形。结论为：1）顶板挠度增长符合对数函数规律；2）煤柱"应力拱"效应可延缓整体失稳；3）裂隙扩展存在压力门槛效应。研究成果发表于《Geomechanics for Energy and the Environment》，为亚洲缺乏盐岩地层地区的储气库建设提供了替代方案，同时为矿山转型能源储备设施制定了技术标准。