系统介绍地下压气储能技术的发展历史、地下结构组成及其作用,重点讨论压气储能地下内衬式洞室技术的研究进展。针对压气储能地下内衬式洞室存在的极限存储压力、注采气过程中的热力学效应和洞室衬砌密封性能等3个关键问题,系统总结研究进展与当前认识,分析现有研究存在的问题与不足,并对压气储能地下内衬式洞室的未来研究方向提出建议。

从工程角度归纳和总结压缩空气储能地下硐库的基本概念,解析硐库的基本结构,分析硐库在运营期间受到的主要荷载特征;在此基础上改进柔性密封结构的基本设计理念,建议在地下储气硐库的设计中采用可靠度设计方法,为压缩空气储能地下硐库的设计、运营和维护提供指导和依据。

基于国内某大型水封洞库工程2015—2020年35个监测孔的地下水位监测资料,综合考虑库区施工进度及前期勘测获取的地质构造信息,系统分析库区地下水位的变化特征及变化原因,揭示地下洞室开挖与人工水幕系统对洞库区地下水位的影响以及库区可能存在的水封性不足的风险区域。根据地下水位时序变化与施工进度的对应关系,洞库区地下水位动态变化主要分为3类:水位基本稳定型、水位下降与邻近洞段开挖时间对应型、水位下降晚于邻近洞段开挖时间型。结合监测孔的空间分布及地下洞室施工进度发现:地下洞室开挖后库区整体地下水位均有所降低,但大部分区域在安全水位(-25 m)以上,人工水幕系统作用显著;西南侧局部区域地下水位受断层F2和F3以及节理裂隙密集带L4和L8的影响,在监测末期仍远低于安全水位(-25 m),存在水封性不足的风险。库区地下水位的动态变化特征与地下洞室的施工进度和质量联系紧密,地下水位的系统监测与及时分析反馈十分必要,亟需编制水封洞库地下水监测专项规范,推动水封洞库工程的全过程、全覆盖地下水位监测,提高水封洞库工程的施工效率。

为确保已建运营洞库的稳定性,对邻近扩建洞库钻爆法开挖进行爆破振动分析,明确其对已建运营洞库稳定性的影响。依托国内某地下水封洞库工程,采用LS-DYNA建立三维数值计算模型,开展爆破振动模拟,并通过峰值振速、有效应力等评价其对运营洞库影响。研究结果表明:主洞室1监测点振速为0.1~0.8 cm/s,主洞室2监测点振速为0.045~0.350 cm/s,且最大峰值速度出现在与波的传播方向较为一致的方向;最大单段炸药量影响峰值振速(合速度)和有效应力,炸药量越多,振速和有效应力越高,最大峰值振速可增大200%;在最大单段炸药量小于65 kg的条件下,距爆源最近处的有效应力和合速度均小于安全规程规定,扩建洞库爆破施工对运营洞库影响较小,无安全隐患。结合现场爆破振动监测数据,验证了此模拟结果的正确性。

为研究多个断层与地下洞群相交情况下的围岩稳定性,基于Hoek-Brown修正后的岩体物理力学参数,采用FLAC^3D软件中的莫尔-库仑模型作为本构模型,对某地下水封洞库项目的围岩稳定性进行研究。研究结果表明:随着开挖阶段的推进,主洞室侧墙位移逐渐增大;在全断面开挖后,主洞室侧墙位移普遍大于拱顶和底板位移,大部分洞室的侧墙以及部分洞室的底板和拱顶出现应力集中现象和塑性区;当断层靠近主洞室但未与其相交时,洞室和断层之间形成不稳定岩体区域,该区域的岩体会向洞室内部滑动,并会产生较大的位移;当断层与主洞室相交时,不稳定岩体区域消失,此时位移形式与无断层时类似,断层会引发围岩应力的释放,并会使附近围岩出现较为严重的塑性变形。在地下水封洞库施工过程中,需要重点监测直接穿越断层位置及其前后位置。

为深入理解煤矿巷道储油改建工程的设计原理和关键技术,通过文献综述和具体储油工程案例归纳总结出煤矿巷道建库的关键技术及其工程应用情况:用于储油的废弃矿井选址需保证矿区地壳稳定,地质构造简单,巷道围岩岩石为坚硬岩或较坚硬岩,巷道围岩完整或较完整,围岩岩体透水性弱,有稳定地下水位;煤矿巷道围岩的渗透率离散性较大、局部或整体不满足围岩水压大于储库内油、气压之和时,需通过降低岩体的渗透性和流体动力遏制法进行改建,实现对储库巷道的包裹进而控制油品的泄漏;计算煤矿巷道储油能力时,需考虑巷道地质条件、水幕系统、储油库泵坑、水垫层及封堵断面等空间占用的修正系数,还应综合附近港口码头运输的油品供给量,最终确定煤矿巷道储油库的建设规模。

以某地下水封洞库为背景,针对工程区内导水构造发育引起的洞室渗涌水问题,引入帷幕灌浆技术进行封堵,并通过现场试验和数值模拟等手段研究帷幕灌浆对岩体渗透性的影响规律及其在洞库工程中的渗控效果。结果表明:帷幕灌浆分序实施过程中,经Ⅰ序孔灌浆后,Ⅱ序孔部位岩体的渗透性减弱,灌前透水率和单位耗灰量的分序递减规律较好。岩体渗透性较大时,其可灌性好、耗灰量大,在Ⅱ序孔灌浆时透水率和单位耗灰量降低明显,岩体降渗效果较显著。帷幕灌浆Ⅰ序孔的灌前透水率与灌浆孔段埋深有关,在爆破影响范围以外,应适当提高灌浆压力,增大耗灰量,达到更好的灌浆效果。渗流场分析揭示防渗帷幕对于降低灌浆范围内导水构造的渗透性具有积极作用,可以部分截断天然地下水沿主要导水构造向洞室内渗漏,在一定程度上控制洞室整体渗水量。

以安徽某深部硬石膏矿体建造大规模内衬岩洞式储气库为研究背景,采用ABAQUS有限元软件的热-力耦合分析方法,研究深埋洞室不同洞距下多循环充采气过程中关键结构层温度、变形、应力的分布及变化过程,探究不同洞距时围岩塑性区分布规律以及地表变形变化过程。结果表明:增大洞距对主要结构层的温度基本没有影响;洞距小于2倍洞径时,改变洞距对关键结构层的应力和变形、地表位移、混凝土衬砌的拉应力分布和大小以及围岩塑性区的分布有较为明显的影响,储气库间的相互作用较为显著;当洞距增大到2倍洞径后,储气库间的相互作用已经不再明显,此时增大洞距对储气库的稳定性没有明显的增强效果。

为研究深层地热能常规开采与储能相结合的系统在可持续开采条件下的性能,共定义7个评价指标,其中热突破时间、水位降深和地表沉降用于评价深层地热能的可持续开采,可采地热能、储存能量、能量增益系数和能量回收率用于评价系统的储能运行效果。利用井-储系统多场耦合数值模拟方法,基于鄄城地热田的两采一灌地热井系统,解释季节性地热开采和储能情况下的深层热储热-水-力多场耦合过程,验证所提出的评价指标的合理性与适用性。结果表明:在常规地热开采的基础上增加夏季地热储能后,冬季可采地热能增加约360%,该系统可满足热突破时间、水位降深和地表沉降这3个可持续开采评价指标的要求。建议在未来的地热开发过程中加入储能,促进更大规模和更高质量地开发利用深层地热能。

以某海岛地下水封油库项目为工程依托,基于达西定律和溶质运移相关理论,利用有限元软件COMSOL分析在不同设计方案下洞室渗流场的变化情况,对洞室的水封安全性做出评价,并研究了库区海水入侵的发展程度。研究表明:该项目需要设置水平水幕,且水平水幕的设计压力值不应小于0.2 MPa,主洞室埋深变化对水封性影响较小,建议埋深为-45 m;在主洞室全开挖未储油的情况下,海水会入侵至主洞室内,呈现先快后慢、从主洞室底部侵入的特点。