Rock mass response for lined rock caverns subjected to high internal gas pressure

The storage of hydrogen gas in underground lined rock caverns(LRCs)enables the implementation of the first fossil-free steelmaking process to meet the large demand for crude steel.Predicting the response of rock mass is important to ensure that gas leakage due to rupture of the steel lining does not occur.Analytical and numerical models can be used to estimate the rock mass response to high internal pressure;however,the fitness of these models under different in situ stress conditions and cavern shapes has not been studied.In this paper,the suitability of analytical and numerical models to estimate the maximum cavern wall tangential strain under high internal pressure is studied.The analytical model is derived in detail and finite element(FE)models considering both two-dimensional(2D)and three-dimensional(3D)geometries are presented.These models are verified with field measurements from the LRC in Skallen,southwestern Sweden.The analytical model is inexpensive to implement and gives good results for isotropic in situ stress conditions and large cavern heights.For the case of anisotropic horizontal in situ stresses,as the conditions in Skallen,the 3D FE model is the best approach.

基于U型盐穴储气库的新型CCUS方法

我国江苏、广东等东部地区碳排放量高、碳减排压力大,且缺少适用于大型碳减排的油气藏地质构造,但存在丰富的盐矿资源,以及多年采盐形成大量盐穴老腔。在双碳目标严峻形势下,如何将这些盐腔利用起来实现碳减排具有重要的研究意义。文章基于U型盐穴储气库的特点提出了一种新型CCUS方法,并进行了碳封存量和垫底气替代量计算。结果表明,1对井组可封存二氧化碳8.2万t,天然气垫底气可降低3766×10^(4)m^(3),具有较好的经济效益和社会效益。

三维连续-非连续并行计算方法及其在岩爆过程模拟中的应用

随着深部岩石工程的发展,岩爆变得越发严重。在岩爆的数值模拟方面,连续方法和非连续方法均具有一定的局限性。兼具二者优势的连续-非连续方法更具优势,且正在快速发展。基于CUDA对自主开发的三维拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法进行了GPU并行加速。为了探索岩爆的机理和过程,模拟了不同静水压力、侧压系数和单元数目(最多达100×10^(4))条件下圆形洞室围岩V形坑的演化规律和单元弹射现象。考察了洞室围岩中裂纹的定量演化规律。研究表明:当静水压力较大时,基于芬纳公式的支护设计偏于不安全。由于V形坑的位置发生改变,V形坑的平均最大深度随着静水压力的增加先缓慢增加后快速增加。关于洞室围岩V形坑的模拟结果能与有关的实验结果、数值结果和现场观测结果吻合。上述研究很好地体现了岩爆并行计算较串行计算和商业软件计算的优势。

基于Symm法求解复杂形状隧洞的共形映射

基于共形映射的Symm方法,给出了含复杂断面形状隧洞的共形正映射基本方程。根据正、逆映射边界点的对应关系,首次根据共形映射复变函数性质,导了出逆映射函数的基本方程。通过基本解方法,给出了含任意数目的复杂断面形状隧洞的插值方程,并通过截断奇异值数值方法进行了数值求解,得出最终的复杂形状隧洞的共形正、逆映射的半解析解。该方法具有概念简单、易于理解且不需要进行迭代计算的优点,能够一次性得到映射函数的数值解。本方法适用于有限单连体、无限域或有限域中含任意形状隧洞等多种情况的共形映射数值计算。算例结果表明:本方法结果精度较高,适应性强,可用于复杂形状隧洞的力学计算。

地下连续墙岩溶侧壁稳定性分析方法

针对目前岩溶侧壁稳定性分析不完善问题,考虑地连墙浇筑溶洞侧壁压力分布规律及溶洞空间形态特征。首先,将岩溶侧壁简化为固支梁、抛物线及圆弧拱模型,推导出三种模型在梯形分布荷载作用下的最大弯矩计算公式,建立各模型的岩溶侧壁抗弯最小安全厚度计算方法;通过典型案例进行岩溶侧壁受压破坏影响因素分析,揭示了岩溶侧壁最小安全厚度随溶洞的矢高、跨度、岩石抗拉强度及埋深的变化规律;然后,构建了岩溶侧壁稳定性分析方法;最后,通过案例分析,确定了岩溶侧壁稳定性评价结果的合理性。结果表明:溶洞矢跨比为0~0.01时,可采用相对简单的梁模型进行计算;矢跨比为0.01~0.2时,抛物拱与圆弧拱模型计算所得最小安全厚度值差别较小。

岩盐水溶特性的试验研究

本文结合国家“八五”攻关项目研究，根据对水溶采矿中岩盐水溶特性进行的系列物理模拟试验的结果，分析了溶腔形状的发展和溶腔内速度场、浓度场的变化，为水溶开采工艺参数的设计与控制提供了参考依据。

隧道掘进面接近地质界面时围岩的应力特征研究

隧道开挖地层中往往呈现出明显的地质变异性,如软硬岩层的不均匀分布等,使隧道开挖后的力学行为十分复杂。本文采用FLAC3 D初步分析了隧道掘进面接近地质界面时围岩的应力状态,并探讨侧向应力、纵向应力、断面形式对围岩应力的影响规律。分析结果表明:当隧道由硬岩往软岩或由软岩往硬岩向地质界面掘进时,掘进面前方围岩均有应力集中现象。隧道无论由硬岩往软岩还是由软岩往硬岩掘进至地质界面时,掘进面前方边墙位置围岩径向应力均随侧向应力的增大而增大,掘进面前方拱顶和边墙位置围岩纵向应力均随纵向应力的增大而增大。马蹄形隧道开挖至硬岩与软岩的地质界面时,掘进面后方边墙位置围岩应力均小于圆形隧道相应位置的围岩应力。

水溶采矿中溶腔形状变化的数值模拟

本文着重讨论了水溶采矿中溶腔形状随时间发展的数学模型的建立、数值计算的方法和对结果的分析。数值计算的结果与物理模拟实验的结果是相符的。从而为岩盐开采中设计参数的优化、开采过程的监控打下基础。本文得到了国家“八五”攻关项目的资助。

碳酸盐岩溶洞物理模型地震响应特征研究

在碳酸盐岩地区的油气勘探中,溶洞地震响应特征的识别面临着很大挑战,关键问题在于对溶洞的形态、大小及充填物变化引起的地震波变化规律及地震响应特征的认识。为此,针对碳酸盐岩储层的地质特点,抽象出3类(不同形态、不同尺度及不同充填物)溶洞物理模型,利用地震物理模拟技术开展了模拟实验。结果显示,小尺度的溶洞(d(?)λ),地震波到达溶洞后,散射现象占主导,缝洞绕射波振幅与偏移距有近似解析关系。大尺度溶洞的形态对绕射波的振幅具有强烈影响,在菲涅耳带半径内,线体能量最强,片、柱、椭球、球型体绕射信号逐渐减弱。均匀充填溶洞的绕射波能量最强,波形简单,剖面信噪比高,反射成像收敛的"串珠"能量强,对称拖尾较短;非均匀充填溶洞的绕射波能量较弱,剖面信噪比低,非均质性越强其成像"串珠"形态畸变越大、拖尾越长。

塔中碳酸盐岩缝洞型储集体精细成像

根据塔中82井区地形起伏较大、各种类型沙丘产生的干扰波发育以及奥陶系碳酸盐储集体埋藏深、纵横向非均质性强的特点,为了提高奥陶系碳酸盐岩内幕成像精度,开展了碳酸盐岩缝洞型储集体成像方法研究,建立了一套以高精度静校正技术、地表一致性振幅补偿技术、叠前去噪技术、三维高保真处理技术、叠前子波处理技术、视各向异性动校正技术、三维速度分析技术、三维高精度偏移速度建模技术、三维叠前时间偏移处理技术为基础的碳酸盐岩缝洞型储集体精细成像技术方法.塔中82井区三维地震资料的实际应用结果表明,应用所建立技术方法刻画断裂特征更清楚,使绕射波归位更准确,提高了地震资料信噪比和分辨率,为高精度碳酸盐岩缝洞型储层预测提供了高质量的三维地震资料,为塔中碳酸盐岩400万吨产能建设奠定了良好基础.

高地应力下大型地下洞室拱形优化研究

高地应力区的大型洞室开挖会引起洞室拱周附近围岩应力集中和塑性区加大以及塑性应变的增加,但过高的应力集中会增加岩爆发生的几率,塑性区的加深会促使围岩失稳;洞室拱形形状会影响围岩应力集中和塑性区大小的分布,因此,以某高地应力下的大型发电洞岩体地质资料为依托,用弹塑性有限元分析高地应力地下大型发电洞室常采用的3种洞室拱形(即单心圆拱、三心圆拱和椭圆拱)对拱部围岩应力的影响,计算结果表明这种影响是非常明显的,有的应力集中系数达到3.33,无论采用哪种拱形,均避不开拱座附近应力集中现象。根据开挖后拱部围岩的塑性耗散能可以判断,无论初始地应力侧压系数是多少,椭圆拱是最优的,其次是三心圆拱。

双向聚能拉伸爆破新技术

针对光面爆破和当前聚能控制爆破存在的问题,以及某特大型硐室高强度岩体复杂断面成型爆破的工程现状,提出了双向聚能拉伸爆破新技术,对其特点、相应的聚能装置、聚能爆破机理、爆破力学行为及力学模型作了详细介绍。在单孔、联孔爆破的基础上,将该技术应用于硐室的方形断面和岩台成型爆破,收到了良好的爆破效果。该技术的开发与应用,为高强度岩体复杂断面成型爆破提供了一条高效低耗途径,有广阔的应用前景。

洞侧既有隐伏溶洞对城门洞型水工隧洞稳定性的影响研究

针对隧洞侧边不同位置的中、小尺度溶洞对城门洞型水工隧洞围岩应力、变形、塑性区以及隧洞支护结构受力特征的影响,采用有限元数值模拟方法进行了系统地数值试验.在系统数值试验基础上,根据溶洞对隧洞围岩应力、塑性区和支护结构受力的影响特征,提出了溶洞影响范围划分图,将不同距离和尺寸的溶洞分为强影响溶洞、有影响溶洞和无影响溶洞等三个等级,为施工中对不同溶洞的处理提供了一定的技术支持,对我国岩溶区的隧道和地下工程建设的科学化和定量化必将起到一定的推动作用.

长屿硐天“钟”形采空硐室结构特点及工程意义

硐室形状及围岩结构是影响硐室稳定的重要因素.以浙江温岭长屿废弃矿山"钟"形采空、无支护硐室为研究对象,在勘明采空硐室形状其围岩结构类型和岩石强度的基础上,采用FLAC有限差分方法对不同形状、不同跨高比、不同硐壁倾角的硐室围岩进行了稳定性计算与分析,结果表明:"钟"形硐室优于矩形、圆形和直墙拱硐室结构,其围岩受拉区面积最小,更能发挥岩体抗压能力强的优点;跨高比越小,围岩受拉区面积越小,硐室越稳定,跨高比≤1.33时,硐室顶部围岩不出现受拉区,对围岩稳定性比较有利;硐壁倾角对围岩受拉区面积的影响呈先减小后增大的规律,当侧墙倾角70°~80°之间时,硐室围岩受拉区面积较小,对硐室稳定性最为有利;实际勘查中发现,75%的硐室跨高比小于1.33,60%的侧墙倾角集中在70°~80°之间.

“钟”形采空硐室结构特征参数分析

古人根据长期采矿经验,在长屿硐天矿区开挖形成了无柱式"钟"形硐室,并根据NS走向和SW-NE走向地形坡度不同的情况,采用不同的断面跨度,导致硐室底部呈近似椭圆形。为深入探寻长屿硐天华玄硐群与花居硐群"钟"形硐室结构特征的科学规律,深入总结古人工程技术经验,进一步分析大型硐室群屹立千年不倒的影响因素,本文深入开展"钟"形采空硐室结构参数特征的研究,以地形坡度、硐室跨高比、硐室埋深与高度比为因素,采用FLAC进行数值模拟计算,对硐室围岩的应力以及塑性区进行了深入分析,得出了结论为:在缓坡方向,硐室跨高比宜小于1.44,硐室埋深与硐高比宜小于1.8;在陡坡方向,跨高比宜小于1.28,硐室埋深与硐高比宜小于1.8。勘查的24个硐室中有67.7%硐室符合该规律,可见古人采用了较为合理的"钟"形硐室结构形式,为洞室千年稳定奠定了良好基础。

水平对接采卤井腔体溶蚀形态分析

水平对接采卤井腔体的形态无法被现有声呐检测设备直接探测,腔体形态不明是制约这类腔体改造利用的主要因素。针对这一问题,采用声呐检测技术和造腔工程技术,结合采卤井钻井工程资料、生产资料和盐层不溶物含量等资料,计算了腔体的底坑体积,构建了水平对接井腔体的整体形态。结果表明,水平对接井腔体的溶蚀主要发生在两口井的井眼附近,形成两个类似于单井溶蚀的腔体,自由体积仅存于两口井附近,两口井之间连通部位仅有一个狭长的通道连接,腔体大部分被不溶物掩埋,整体形态呈U形。研究结果可以指导水平对接井采卤腔体的稳定性评价和改造利用方案设计,有效推动这类腔体的储气库改造利用。

浙江温岭长屿硐天复杂钟形洞室群建模技术及稳定性分析

三维建模技术是采用Flac^(3D)进行大型不规则洞室群稳定性数值分析的关键,文章基于多软件耦合技术,综合采用AutoCAD、Surpac、Surfer、Matlab自编程序,仅依靠地形图、洞室底部中心坐标、洞室高度、洞室跨度等洞室结构主要参数,实现了复杂不规则洞室群的快速建模。同时采用16 m、8 m、4 m、2 m四种网格尺寸,对长624 m、宽480 m、高336 m且内部分布6个不规则洞室的地层模型进行了建模,在保证计算精度的前提下,2.5 h即完成了计算,大大提高了计算速度。计算与分析结果表明,本文所研究的洞室群处于稳定状态,但洞室底部围岩和中隔墙受力状态不利于稳定。为此,古人在开凿洞室过程中,采取了挖除洞室底部分围岩、在岩坑内蓄水、挖除中隔墙部分岩体等3项措施,以增强洞室结构稳定性。

基于滑动测微计的高地应力洞室围岩变形研究

基于工程地质调查及滑动测微计监测成果,从空间连续角度(围岩应变)讨论了圆筒形洞室穹顶、长廊型洞室群中隔墙岩柱在下挖阶段的围岩变形特征;分析圆筒形洞室顶板变形空间分异性和演化规律;揭示了洞室群中隔墙岩柱的松弛圈范围及演化特征。研究表明:(1)结构面对圆筒形洞室穹顶围岩变形量级影响很小(5 mm以内),穹顶结构面区段与Ⅲ级围岩变形规律类似,围岩变形主要发生在掌子面近接施工期,且影响范围局限于正穹顶;(2)滑动测微孔内空气与洞室大气联通,测值具有周期变化规律;(3)长廊型洞室中隔墙岩柱松弛圈范围与应力集中程度影响成正比,应力集中区松弛区深度约为开挖高度的1/3;松弛圈的发展主要发生在下挖阶段,洞室成型后,基本无扩展。研究成果可供高地应力深埋洞室的支护结构优化和稳定性评价参考。

复杂老腔改建储气(油)库可行性分析

我国地下存在大量溶盐老腔资源,科学合理地利用这些老腔进行储气(油),对我国储气(油)库的发展有重要意义,但这些老腔形状很不规则而且存在多个井眼,利用难度很大。本文从复杂老腔的形状检测、老井封堵改造、老腔生产运行以及改建储气库与储油库的对比等方面进行论述,分析复杂老腔改建储气(油)库的可行性,为复杂老腔的改造利用提供一定的借鉴作用。

地下等截面交叉洞室扩建衬砌拆除及支护方法

为确保存在应力集中交叉口区域、衬砌老旧失效且为素砼结构的地下深埋废弃洞室改造扩建数据中心之后继续稳定服役,依托贵阳市地下某等截面交叉洞室改扩建数据中心工程,通过有限元数值模拟、现场监测的方法研究不同衬砌拆除方案、不同支护体系施工的围岩位移、应力以及主钢拱架变形受力特征。结果表明:首先开挖三角交叉区域衬砌,再以三角区为界,左右对称拆除衬砌的素砼衬砌拆除方案对围岩影响最小;Y形主拱架的整体竖向位移以及内力均为最小,但拱架整体有向右侧偏移的趋势;结合上述结论,提出了一种“三角交叉区开挖,Y形主拱架先行,左右对称拆除,随拆随支接搭拱架”的衬砌拆除+支护一体化施工控制方法;数值模拟与现场监测变形趋势一致,斜长拱架拱脚钢拱架应变、围岩压力、混凝土应变最大,但皆满足工程支护要求。可见该方法满足数据中心的服役要求。