水平盐穴储能中的支柱稳定性：模型构建与现场应用

《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》：Pillar stability in horizontal salt cavern energy storage: Model development and field application

　　摘要：盐穴储库是国家能源战略储备的重要基础设施，而支柱的稳定性则是确保盐穴群安全高效运行的核心因素。本文借鉴煤矿支柱设计理论，建立了水平盐穴支柱安全因子的定量评估模型，将支柱长宽比、高宽比以及盐穴内部压力等参数纳入统一的安全因子体系。在此基础上，开发了相应的计算程序，并利用山东泰安压缩空气储能设施的现场数据对其进行了验证。研究结果表明，在理想的腔体几何条件下，支柱宽度不应小于80米；呈三角形布局的腔体群更有利于保持支柱稳定。根据3D地震数据得到的实际腔体几何形状，计算出的支柱最小安全因子为0.52。典型盐穴的压力密封测试以及相邻盐穴之间的卤水连通现象进一步证明了该模型的可靠性。这些研究成果可为层状盐岩中水平盐穴开采及储能设施建设中的支柱稳定性评估提供参考。

引言：盐岩具有低渗透性和自修复能力，因此通过溶矿法形成的地下盐穴为储能提供了理想的空间。这类盐穴被广泛用于储存天然气、石油、氢气及压缩空气，对保障能源安全起着关键作用。随着可再生能源尤其是太阳能和风能的快速发展，对压缩空气储能系统的需求不断增加，美国、德国、法国和中国等国均在盐穴中建设了压缩空气储能设施。早期的储库多建在厚盐穹隆中，通过向上溶矿形成垂直盐穴。为容纳更大储量、提高施工效率并适应更多样的地质条件，废弃的水平盐穴近年来越来越受到重视。要确保这类设施的长期安全运行，就需要进行全面的稳定性评估。对于盐穴群而言，支柱稳定性是决定性因素——一旦支柱不稳定，就可能导致盐穴坍塌、泄漏甚至地面沉降。马等人总结了评估盐穹隆中支柱稳定性的方法，认为由于盐岩性质存在区域差异，支柱设计仍很大程度上依赖工程经验，目前主要有基于公式的计算和数值模拟两种方法。基于公式的方法通常利用莫尔-库仑准则和平均支柱应力来确定安全因子，而数值模拟则借助FLAC3D等软件分析大变形条件下的支柱稳定性。Swift等人分析了盐穴周围岩体的应力与变形分布，提出了基于莫尔-库仑破坏准则的安全因子计算方法。Yu等人对深度为300–400米的浅层盐穴在卤水静水压力作用下的力学稳定性进行了数值分析，结果表明支柱的宽径比应大于1.2。Wang等人综合考虑塑性区、安全因子及层间渗透性，对金坛盐穴储气设施的稳定性进行了模拟，认为其支柱的宽径比应在2.0到2.5之间。Deng等人通过实验和数值模拟研究了双盐穴系统在变形强化作用下的临界支柱稳定性。针对埋藏深度超过1800米的黔江超深盐穴储气设施，Wang等人建议支柱的宽径比为2.5–3。Yang等人提出了密度较高的盐穴群布局方案，要求群内支柱比为0.7，群间支柱比为1.5。Liu等人采用双极坐标法推导了圆柱形盐穴储气设施周围应力分布的解析解，并运用莫尔-库仑准则评估支柱的破坏情况。以金坛盐穴储气为例，Cai等人研究了采用三角形支柱布置的盐穴稳定性，建议支柱宽度应为最大盐穴直径的1.67倍，即支柱比为1.67。Zhang等人研究了层状盐岩中储气支柱的稳定性，发现由于变形不匹配，支柱中心的硬质层间可能会形成塑性区，这种硬质层间可起到支柱的支撑作用，而盐蠕变则会导致损伤区不断演变。如果盐穴储库群中的某个支柱失去稳定性，由此导致的盐穴跨度增加可能会引发顶板不稳定。Wang等人分析了金坛盐穴天然气储库发生的顶板坍塌事故，认为大跨度平顶结构以及气体压力迅速下降是导致事故的主要原因。除了满足力学稳定性要求外，盐穴支柱还需能够隔离相邻盐穴，防止气体串流。Wang等人研究了受损盐穴储氢设施中氢气向周围岩石泄漏的程度，发现岩石受损后氢气渗透率会呈指数级上升。Zhang等人研究了支柱比为1.5的盐穴储库的密封性能，结果表明该比例虽无法满足天然气储库的密封要求，但可用于战略石油储备。由于地下煤炭开采的规模和成熟度高于盐矿开采，煤炭支柱设计方法为研究盐穴储气中的支柱问题提供了合理依据。中国层状盐岩的沉积环境与煤层相似，煤和盐岩都属于软岩，强度低于层间岩层以及顶板和底板岩层。不过，与大气相通的煤炭支柱的力学行为可近似为单轴压缩，而盐穴支柱在建造和运行过程中需维持一定的内部压力，其力学状态更接近三轴压缩。煤炭支柱理论的核心是通过比较支柱强度与顶板荷载来评估稳定性。Cording等人分析了页岩人工储藏室发生的坍塌事故，提出了考虑支柱劣化因素的高宽比设计标准。Poulsen基于应力拱理论开发了一种应力计算方法，该方法比平均应力法能更准确地反映支柱中的应力传递情况，软岩支柱的应力传递范围可根据隧道深度来确定。Frith和Reed系统分析了在不同地区应用经验总结出的煤炭支柱强度公式的局限性及风险。在开采的隧道和盐穴中开展压缩空气储能时，其运行条件具有高度相似性，而开采隧道在监测和几何控制方面更具优势。Mortazavi等人发现，对于浅层石油储藏隧道，腔室间的支柱宽度为腔室跨度的1.1到1.3倍时可视为安全。Xu等人研究了废弃矿井隧道中压缩空气储存时的热效应和力学响应，Xia等人则探讨了挖掘作业如何影响此类隧道中的岩体断裂和裂缝扩展。因此，人工盐穴的支柱间距设计在几何形态上与盐穴支柱设计存在相似之处。根据形成方式，盐穴可分为垂直盐穴和水平盐穴。现有的支柱稳定性研究主要集中在垂直盐穴上，而在中国层状盐岩中较为常见的水平盐穴支柱的稳定性则鲜有研究。为填补这一空白，本文将煤矿支柱的强度理论延伸应用于水平盐穴支柱的稳定性分析，具体方法包括：（i）分析水平盐穴群的形态特征；（ii）确定影响支柱稳定性的关键因素，并基于煤炭支柱理论建立安全因子模型；（iii）利用3D地震数据获得的实际盐穴几何参数，计算泰安盐穴压缩空气储能设施的支柱宽度并评估其安全因子；（iv）分析该模型的创新点与局限性，以验证其有效性。

章节摘录：水平盐穴井的特征：中国境内层状盐岩分布广泛，盐矿企业多采用水平相互连接的井进行溶矿作业，从而形成了大量水平盐穴。目前，关于盐穴支柱稳定性的研究大多集中在天然气储库上，这类储库的腔体通常为圆柱形，其高径比大于1。不过，水平盐穴的建设速度正在加快……

泰安压缩空气盐穴储库：山东省泰安市拥有肥城300兆瓦盐穴压缩空气储能电站项目，该电站计划利用一对水平连接的井，在先前溶矿作业形成的废弃盐穴中储存压缩空气。该项目共涉及18口相邻的盐井，可形成9个盐穴，其中目标盐穴为H9–H10和H11–H12，位于盐穴群的最西端。在理想的设计方案下……

安全因子适用性分析：通过对盐穴进行的卤水压力保持与密封测试以及水力连通性测试，验证了图19中所计算出的安全因子。安全因子低于1.0并不意味着支柱会立即坍塌，而是表明存在较高的不稳定风险。由于盐穴内存在大量沉积物，支柱失效可能表现为开裂而非完全坍塌。当支柱出现贯穿性裂缝时，盐穴内的卤水会渗入相邻的盐穴中……

结论：本研究将煤矿支柱的设计方法引入盐穴支柱设计分析中，并对其进行了针对性改进，建立了水平盐穴支柱安全因子的计算模型。通过开发计算程序验证了该方法的可行性，随后将其应用于山东泰安的盐穴压缩空气储能设施，同时通过相关测试进一步验证了模型计算结果的准确性。

CRediT作者贡献声明：陈东：数据整理、方法学、可视化、初稿撰写；马洪玲：资金获取、项目管理、审稿与编辑；梁伟：正式分析；王轩：概念构思、审稿与编辑；李文涛：概念构思、审稿与编辑；李思恒：正式分析；王梦娇：正式分析；徐荣辉：数据整理；孙小萌：数据整理；熊涛：调研；邵长东：调研。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢：作者衷心感谢国家自然科学基金委员会联合基金（项目编号U25A20267）以及中国科学院科技前沿计划（项目编号LDES150100）的资助。

陈东|马洪玲|梁伟|王轩|李文涛|李思恒|王梦娇|徐荣辉|孙小萌|熊涛|邵长东
中国科学院岩土力学研究所岩土力学与工程安全国家重点实验室，湖北武汉，430071