郝鐵生

(中北大學(xué) 理學(xué)院,太原 030051;太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所,太原 030024)

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地下水平鹽巖溶腔內(nèi)薄夾層滑移失穩(wěn)分析

郝鐵生

(中北大學(xué) 理學(xué)院,太原 030051;太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所,太原 030024)

鹽巖與非巖鹽夾層界面的滑移破損,嚴(yán)重影響地下巖鹽儲(chǔ)氣(油)庫(kù)穩(wěn)定性和密閉性。為建立地下水平巖鹽儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)薄弱夾層滑移破壞的理論判據(jù),從力學(xué)基礎(chǔ)理論出發(fā),以橢圓形斷面水平巖鹽儲(chǔ)庫(kù)為例,對(duì)溶腔內(nèi)薄弱夾層進(jìn)行了界面上的應(yīng)力分析;利用經(jīng)典的庫(kù)侖莫爾準(zhǔn)則,綜合考慮儲(chǔ)庫(kù)深度、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、內(nèi)壓以及夾層位置等因素,定義了薄弱內(nèi)夾層滑移破壞的穩(wěn)定因子。通過(guò)算例,分析了各個(gè)因素與巖鹽夾層交界面滑移破壞的關(guān)系。本研究結(jié)果可以為地下水平型儲(chǔ)庫(kù)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)的確定提供理論依據(jù)。

層狀鹽巖;水平儲(chǔ)庫(kù);薄弱夾層;滑移

目前,鹽巖礦床已經(jīng)被國(guó)際上公認(rèn)為儲(chǔ)存天然氣以及核廢料的理想空間。與巨厚鹽丘不同,我國(guó)屬于層狀鹽巖,單層薄,夾層多,且?jiàn)A層成分復(fù)雜。常見(jiàn)夾層有石膏、頁(yè)巖、白云石、石灰?guī)r、泥巖等，各層之間不同的物理力學(xué)特性,導(dǎo)致其交界面的應(yīng)力狀態(tài)極其復(fù)雜。溶腔運(yùn)營(yíng)期間的循環(huán)內(nèi)壓將使得層間的交界面極易產(chǎn)生滑動(dòng)或力學(xué)損傷。如圖1所示,溶腔邊界的層間滑移可以導(dǎo)致氣體橫向運(yùn)移,頂板和蓋層的層間滑移可以導(dǎo)致儲(chǔ)井損傷和頂板崩塌,直接影響溶腔的安全性。在層狀鹽巖中建造儲(chǔ)氣庫(kù)將面臨更大的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 水平儲(chǔ)庫(kù)界面滲漏示意圖Fig.1 Leakage schematic in salt caverns

眾多學(xué)者已經(jīng)開展了在層狀鹽巖中建造儲(chǔ)庫(kù)的研究。WANG et al[1]進(jìn)行了含夾層鹽巖儲(chǔ)庫(kù)運(yùn)營(yíng)階段的數(shù)值模型,指出在高應(yīng)力條件下,層間變形差異巨大,極易在交界面產(chǎn)生損傷。BRUNO et al[2]對(duì)美國(guó)某地層狀鹽巖儲(chǔ)庫(kù)進(jìn)行了數(shù)值模擬,指出層間的力學(xué)特性差異是限制儲(chǔ)庫(kù)運(yùn)營(yíng)極限氣壓的關(guān)鍵因素之一。王武[3]等針對(duì)含夾層圓柱形儲(chǔ)庫(kù)進(jìn)行了理論解析。楊春和、姜徳義、唐明明[4-7]等針對(duì)含軟弱夾層鹽巖的基本力學(xué)特性,以及蠕變特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,軟弱夾層的存在使得鹽巖彈性模量、強(qiáng)度以及蠕變速率均有所降低。李銀平[8-9]等針對(duì)水平及傾斜泥巖夾層進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了各層在交界面附近的破壞形式。陳衛(wèi)忠[10]等對(duì)含夾層鹽巖儲(chǔ)庫(kù)的滲透規(guī)律進(jìn)行了研究,指出溶腔群的采氣速率和注采方法對(duì)相鄰礦柱的氣體壓力分布影響明顯。劉偉[11-12]等對(duì)夾層材料的滲透特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,指出中國(guó)層狀鹽巖的典型夾層均具有較低的滲透率,可基本滿足能源儲(chǔ)庫(kù)的密閉性要求。李二兵等[13]通過(guò)數(shù)值計(jì)算，指出夾層和鹽巖彈性模量的差異對(duì)儲(chǔ)庫(kù)穩(wěn)定性有顯著影響。郝鐵生[14]等對(duì)水平儲(chǔ)庫(kù)頂板交界層面的破壞給出了理論判據(jù)和分析方法。姜徳義[15-16]等經(jīng)過(guò)多次配比，研制出了一種含夾層鹽巖模型材料,并進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)的研究。此外,文獻(xiàn)[17-18]針對(duì)建腔階段,夾層的應(yīng)力分布、變形及垮塌進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。

以往的研究大多著重于垂直型儲(chǔ)庫(kù)，以及含夾層鹽巖力學(xué)特性的研究。資料檢索結(jié)果表明,除梁衛(wèi)國(guó)等[19]于2005年公開的發(fā)明專利外,關(guān)于水平型儲(chǔ)庫(kù)尤其是層狀鹽巖礦床中的水平型儲(chǔ)庫(kù)的穩(wěn)定性研究很少。地質(zhì)資料表明,層狀鹽巖中的夾層厚度從幾厘米到幾米不等,若建立垂直型儲(chǔ)庫(kù)，經(jīng)常不可避免地在溶腔斷面出現(xiàn)夾層；若采用水平型儲(chǔ)庫(kù)，則可有效避免厚夾層,溶腔可以沿水平方向發(fā)展。但是在鹽巖層中存在的薄夾層則無(wú)法避免。目前,還沒(méi)有針對(duì)地下水平鹽巖溶腔斷面內(nèi)薄弱夾層破壞影響因素的研究。

筆者針對(duì)地下水平型鹽巖儲(chǔ)庫(kù)斷面內(nèi)薄弱夾層的破壞問(wèn)題,從力學(xué)基礎(chǔ)理論出發(fā),推導(dǎo)了夾層界面的應(yīng)力分布,在庫(kù)倫莫爾準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,定義了夾層破壞的穩(wěn)定因子,并通過(guò)算例對(duì)其影響因素(內(nèi)壓，斷面幾何形狀，界面力學(xué)特性，埋深等)展開理論分析。本研究的計(jì)算結(jié)果可為地下水平型鹽巖儲(chǔ)庫(kù)的建造和運(yùn)營(yíng)階段的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 地下水平儲(chǔ)庫(kù)腔壁及周邊應(yīng)力分布特征

1.1 地下水平儲(chǔ)庫(kù)周邊應(yīng)力分布特征

由于構(gòu)造應(yīng)力的影響,層狀鹽巖礦床局部應(yīng)力狀態(tài)一般都是非簡(jiǎn)單靜水應(yīng)力狀態(tài)，即水平應(yīng)力不相等,并且不等于垂直地應(yīng)力。然而，由于鹽巖具有很好的流變性,當(dāng)鹽巖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期地質(zhì)作用后,應(yīng)力重新分布相對(duì)均勻,垂直應(yīng)力近似等于上覆蓋層的載荷。由地應(yīng)力分布特征可知,在重力載荷與側(cè)壓的作用下,水平應(yīng)力值會(huì)隨著深度的增加而增加。除了重力和構(gòu)造應(yīng)力的影響之外,還應(yīng)考慮在水平鹽巖溶腔開采建造和未來(lái)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中造成的鹽巖溶腔周圍應(yīng)力的變化。較簡(jiǎn)單的問(wèn)題可以利用理論分析的方法進(jìn)行研究,較復(fù)雜的影響必須借助數(shù)值方法來(lái)計(jì)算。由于儲(chǔ)庫(kù)埋深較大,因此忽略了構(gòu)造應(yīng)力的影響,垂直地應(yīng)力一般可以用下式近似計(jì)算

(1)

式中:ρ為地層密度;g為重力加速度;h為水平儲(chǔ)庫(kù)埋深。水平應(yīng)力的估算較為復(fù)雜,最好的方法是通過(guò)水壓致裂進(jìn)行測(cè)試。由于條件所限,本文采用文獻(xiàn)[2]中的近似計(jì)算模型,該模型忽略了構(gòu)造應(yīng)力和橫向應(yīng)變的影響,水平應(yīng)力可以通過(guò)泊松比和垂直應(yīng)力得到

(2)

式中, μ為鹽巖的泊松比。

目前,定向?qū)舆B通技術(shù)已經(jīng)成為鹽礦開采的首選技術(shù),因此,大多鹽巖溶腔為水平狹長(zhǎng)管狀結(jié)構(gòu),但其斷面并不規(guī)則,形狀非常復(fù)雜,近似為橢圓或圓形。為了計(jì)算方便,本文采取圓形或者橢圓形等理想形狀斷面進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[20]已給出水平鹽巖溶腔的力學(xué)計(jì)算模型,如圖2所示。

圖2 水平鹽巖溶腔平面應(yīng)變示意圖Fig.2 Sketch of plane strain problem of horizontal storage caverns in salt rock

圖2所示模型其實(shí)是一平面應(yīng)變模型,文獻(xiàn)[21]已給出用曲線坐標(biāo)(ρ,θ)表示的溶腔附近各應(yīng)力分量解析計(jì)算式(3)、式(4)?？梢钥闯?溶腔周邊應(yīng)力分布均與鹽巖本身的力學(xué)特性無(wú)關(guān);溶腔周邊應(yīng)力與溶腔埋深和內(nèi)壓均呈線性關(guān)系;徑向應(yīng)力隨內(nèi)壓增大而增大,周向應(yīng)力隨內(nèi)壓增大而減小;徑向和周向應(yīng)力均隨埋深增大而增大;溶腔軸比和與溶腔中心的距離r對(duì)應(yīng)力分布也有直接的影響。

(3)

(4)

1.2 溶腔內(nèi)水平薄夾層界面應(yīng)力分析

從溶腔周邊應(yīng)力分布可以看出,應(yīng)力集中在靠近溶腔表面的圍巖中最嚴(yán)重,離溶腔越遠(yuǎn),應(yīng)力集中的影響越小。由于薄夾層與溶腔斷面相交,溶腔圍巖上的應(yīng)力集中將直接作用于夾層界面,夾層的破壞也將發(fā)生在圍巖處,由此帶來(lái)破壞的可能性比頂鹽夾層大大增加。為此,有必要對(duì)圍巖處內(nèi)薄夾層的破壞進(jìn)行研究。本文所討論的所謂薄弱夾層是指：夾層的厚度與頂鹽厚度相比很小,幾乎可以忽略不計(jì),其厚度對(duì)夾層破壞及應(yīng)力分布的影響很小。因此在研究夾層破壞時(shí),把所謂的薄夾層看成了可能發(fā)生破壞的弱面。

為了確定夾層所在界面的破壞,必須對(duì)該界面的應(yīng)力大小及分布進(jìn)行分析,水平夾層應(yīng)力分析模型如圖3所示。

圖3 水平內(nèi)薄夾層及應(yīng)力分析示意圖Fig.3 Horizontal interlayer in horizontal salt caverns

由式 (3)、式(4)直接可以獲得橢圓形斷面溶腔的圍巖應(yīng)力分布:

(5)

根據(jù)圖3，在水平夾層界面上取單元體進(jìn)行應(yīng)力分析。由彈性理論應(yīng)力轉(zhuǎn)換可知,由式(5)可直接得夾層界面在圍巖處的應(yīng)力:

(6)

從式(6)可以看出,夾層界面應(yīng)力σn、τn與溶腔內(nèi)壓、溶腔埋深、溶腔斷面形狀以及夾層所在位置(角度α)有關(guān)。上述因素對(duì)溶腔圍巖處夾層的失穩(wěn)將產(chǎn)生直接影響。此外,夾層界面本身的內(nèi)摩擦角也是不可忽視的因素。

1.3 溶腔內(nèi)水平薄夾層滑移失穩(wěn)條件

目前關(guān)于巖石破壞的強(qiáng)度理論很多,每種理論適用于一種或者幾種巖石類型,本文所討論的夾層滑移失穩(wěn)屬于典型的單剪破壞。為了衡量夾層是否發(fā)生滑移失穩(wěn),筆者采用了經(jīng)典的庫(kù)倫莫爾準(zhǔn)則,定義了穩(wěn)定因子n:

(7)

式中:φ,c分別為夾層界面上的內(nèi)摩擦角和黏聚力;n<1,即表示夾層安全,反之發(fā)生破壞。

2 溶腔內(nèi)水平薄夾層滑移失穩(wěn)影響因素分析

2.1 溶腔內(nèi)壓的影響

以河南平頂山鹽礦為研究對(duì)象,根據(jù)實(shí)地調(diào)研結(jié)果,取地層平均密度ρ=2 500kg/m3；假設(shè)溶腔埋深h=1 000m；溶腔水平軸a=40m，垂直軸b=30m；側(cè)壓系數(shù)λ=1,內(nèi)壓為6MPa；夾層界面的內(nèi)摩擦角為30°。以圖3為計(jì)算模型,可按式(7)破壞條件進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)夾層界面抗拉強(qiáng)度為0,且無(wú)剪脹現(xiàn)象,可忽略黏聚力的影響[22],計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 水平內(nèi)薄夾層破壞范圍示意圖Fig.4 Sketch of the range for damage of horizontal interlayer

圖4中給出了夾層破壞區(qū),即如果夾層出現(xiàn)在此范圍內(nèi),將發(fā)生滑移破壞。從圖4可以看出,夾層的位置(極角α)不同,穩(wěn)定因子不同,即夾層發(fā)生破壞的可能性不同。在0°<α<35°范圍內(nèi),n<1,即夾層安全。隨著極角的增加,穩(wěn)定因子開始近似線性增加,夾層的安全性開始降低。在36°<α<82°范圍內(nèi),n>1,即夾層開始出現(xiàn)破壞,隨著α的增加,穩(wěn)定因子首先逐步增加而后快速降低；在α=67°時(shí)出現(xiàn)極值,此時(shí)n=1.7843,即夾層在此位置最危險(xiǎn),最易發(fā)生破壞。在83°<α<90°范圍內(nèi),穩(wěn)定因子n重新降低至1以下,夾層恢復(fù)安全。由此可見(jiàn),夾層與水平溶腔的相對(duì)位置,直接影響著夾層發(fā)生破壞的危險(xiǎn)程度。

圖5 不同內(nèi)壓情況下穩(wěn)定因子示意圖Fig.5 Sketch of damage coefficients for different values of cavern pressure

圖5給出了不同內(nèi)壓條件下,穩(wěn)定因子的變化情況?？梢钥闯?隨著內(nèi)壓的增加,穩(wěn)定因子整體逐步降低。當(dāng)內(nèi)壓增加至12 MPa時(shí),危險(xiǎn)已全部降至1以下,內(nèi)壓越大,夾層的安全性越好;與此同時(shí),夾層最易發(fā)生破壞的位置也同時(shí)逐步下移,趨于溶腔中部。從破壞機(jī)理上看,內(nèi)壓增加,溶腔內(nèi)壓與地應(yīng)力將逐步趨于平衡,從而降低了在夾層界面產(chǎn)生較大切應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn),提高了夾層的安全性；但內(nèi)壓不能無(wú)限增加,溶腔的穩(wěn)定性還需考慮圍巖的拉伸破碎,在圍巖上不能出現(xiàn)拉應(yīng)力。溶腔的極限最大內(nèi)壓應(yīng)另做討論。

2.2 溶腔斷面形狀的影響

取溶腔水平軸a=40 m保持不變,垂直軸b在10～70 m變化,分別對(duì)應(yīng)于橢圓斷面溶腔的軸比為1/4,1/2,3/4,1/1,5/4,3/2,7/4；其他參數(shù)與圖4相同,計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出,隨著軸比的增大,夾層的穩(wěn)定因子明顯增加,且破壞區(qū)的范圍也逐步增大,穩(wěn)定因子的極值位置也逐步向溶腔上部移動(dòng)。從幾何形狀來(lái)看,軸比的增加意味著斷面形狀從扁平橢圓向垂直橢圓過(guò)渡,溶腔斷面為扁平橢圓時(shí)的穩(wěn)定因子相對(duì)較低,夾層也較安全。從這個(gè)意義上來(lái)講,扁平橢圓斷面對(duì)于水平薄夾層更合理。

圖6 不同軸比情況下穩(wěn)定因子示意圖Fig.6 Sketch of damage coefficients for different axial ratios

2.3 夾層界面內(nèi)摩擦角的影響

圖7 不同內(nèi)摩擦角情況下穩(wěn)定因子示意圖Fig.7 Sketch of damage coefficients for different internal angles

取夾層界面內(nèi)摩擦角從10°～45°變化,其他參數(shù)與圖4相同,計(jì)算結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?夾層界面內(nèi)摩擦角對(duì)夾層破壞的影響非常巨大。隨著夾層界面內(nèi)摩擦角φ值的增大,夾層的穩(wěn)定因子顯著減小。當(dāng)φ=45°時(shí),在0°<α<90°范圍內(nèi), 穩(wěn)定因子幾乎全部降至1以下,夾層保持安全，夾層最易破壞位置(穩(wěn)定因子極值處)隨內(nèi)摩擦角的變化幾乎沒(méi)有,基本保持在α=67°。從破壞機(jī)理分析也是合理的,內(nèi)摩擦角的提高只會(huì)增加夾層的安全性,而不會(huì)影響其最危險(xiǎn)位置的變化。

2.4 溶腔埋深的影響

取溶腔埋深從1 000～1 300 m變化,其他參數(shù)與圖4相同,計(jì)算結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?隨著溶腔深度的增加,地應(yīng)力也會(huì)增加,這樣就加大了地應(yīng)力與內(nèi)壓之差,增加了在圍巖上產(chǎn)生切應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn),夾層的穩(wěn)定因子大大增加。但埋深的增加對(duì)穩(wěn)定因子極值位置的影響不大,穩(wěn)定因子極值位置只是隨著埋深的增加,略有上移。

圖8 不同埋深情況下穩(wěn)定因子示意圖Fig.8 Sketch of damage coefficients for different cavern depth

2.5 溶腔側(cè)壓系數(shù)的影響

大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[23-25]表明，巖鹽屬于一種軟巖,在較低應(yīng)力作用下,仍然能夠發(fā)生較大的變形,其泊松比μ最高可達(dá)0.5。由式(4)側(cè)壓系數(shù)與泊松比的關(guān)系為:

(8)

由此可知,因鹽巖泊松比的不同,側(cè)壓系數(shù)也會(huì)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致溶腔圍巖應(yīng)力發(fā)生改變,對(duì)夾層破壞產(chǎn)生影響。因此,有必要討論側(cè)壓系數(shù)對(duì)夾層破壞的影響。

圖9 不同側(cè)壓系數(shù)情況下穩(wěn)定因子示意圖Fig.9 Sketch of damage coefficients for different lateral pressure coefficient

取側(cè)壓系數(shù)在0.6～1范圍內(nèi)變化,其他參數(shù)與圖4相同,計(jì)算結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?隨著側(cè)壓系數(shù)的降低,穩(wěn)定因子逐步降低,有效地緩解了夾層破壞的風(fēng)險(xiǎn)。側(cè)壓系數(shù)的變化對(duì)夾層破壞區(qū)的下限位置幾乎沒(méi)有什么影響,但卻有效降低了上限位置,從而縮小了夾層破壞區(qū)的范圍。從機(jī)理分析,側(cè)壓系數(shù)的降低,即降低了鹽巖層在水平方向的約束,從而減小了溶腔圍巖處水平切應(yīng)力,使得夾層發(fā)生滑移破壞的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

3 溶腔內(nèi)傾斜薄夾層滑移失穩(wěn)分析

如圖10所示,與溶腔斷面相交的薄夾層不一定保持水平,在實(shí)際情況當(dāng)中,夾層走向可能會(huì)與水平方向(y軸)有一定的夾角θ。顯然,夾層的破壞不僅與其所在位置(α)有關(guān),并且還與其傾角θ有關(guān)。其分析方法與水平薄夾層完全相同。

圖10 傾斜內(nèi)薄夾層示意圖Fig.10 Inclined interlayer in horizontal salt caverns

下面以圖10所示模型進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算參數(shù)與圖4相同。首先以α=30°為例,考慮傾角θ在0°～90°變化時(shí),夾層的破壞情況計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 α=30°時(shí),不同傾角條件下穩(wěn)定因子示意圖Fig.11 Sketch of damage coefficients for different inclined angle when α=30°

從圖11中可以看出,隨著傾斜角θ的線性變化,穩(wěn)定因子n也近似保持線性變化。隨著傾斜角θ從0°開始增加,穩(wěn)定因子同時(shí)降低,直至θ=30°處,穩(wěn)定因子降至0；而后θ繼續(xù)增加,穩(wěn)定因子開始逐步增大,當(dāng)θ=65°時(shí),穩(wěn)定因子n開始大于1,夾層開始出現(xiàn)破壞。進(jìn)一步分析可以看出,傾斜夾層的破壞不僅與θ有關(guān),還與其所在位置(α)有著直接關(guān)系。當(dāng)θ=α?xí)r,即夾層傾角與α一致時(shí),穩(wěn)定因子最低,夾層不會(huì)發(fā)生破壞。隨著夾層傾角與α方位的夾角的增加,穩(wěn)定因子逐步增加,夾層危險(xiǎn)性增加。

圖12給出了不同α條件下,穩(wěn)定因子的變化情況?？梢钥闯?夾層是否破壞不能由α或θ單獨(dú)確定。在傾斜夾層情況下,必須綜合考慮α和θ,從而確定夾層的穩(wěn)定因子。

圖12 不同傾角條件下穩(wěn)定因子示意圖Fig.12 Sketch of damage coefficients for different inclined angle

4 結(jié)論

1) 溶腔斷面內(nèi)水平薄夾層的破壞與其所在方位(極角α)有密切關(guān)系,極角不同,破壞的可能性也不同。水平薄夾層的破壞區(qū)的范圍受內(nèi)壓影響很大,內(nèi)壓越大,破壞區(qū)的范圍越小,穩(wěn)定因子越小,夾層越安全。

2) 就橢圓斷面溶腔而言,軸比越大,溶腔斷面內(nèi)水平薄夾層破壞區(qū)的穩(wěn)定因子越高,溶腔斷面內(nèi)水平薄夾層越容易破壞；扁平橢圓相對(duì)垂直橢圓斷面,夾層更安全。

3) 溶腔斷面內(nèi)水平薄夾層界面的內(nèi)摩擦角φ對(duì)夾層破壞的敏感度最大,內(nèi)摩擦角越大,夾層的破壞區(qū)的范圍越小,且穩(wěn)定因子逐步降低,夾層越安全。

4) 溶腔的埋深對(duì)溶腔斷面內(nèi)水平薄夾層的破壞區(qū)范圍影響不大；但溶腔的埋深越大,夾層的破壞區(qū)的穩(wěn)定因子越大,夾層越容易破壞。

5) 鹽巖層側(cè)壓系數(shù)對(duì)溶腔斷面內(nèi)水平薄夾層的破壞區(qū)的下限位置影響不大；但是對(duì)上限位置影響非常明顯,側(cè)壓系數(shù)越大,上限位置越靠近溶腔頂端,同時(shí)穩(wěn)定因子也越大,夾層越容易破壞。

6) 溶腔斷面內(nèi)傾斜薄夾層的破壞由夾層所在方位(極角α)和傾角θ共同決定,當(dāng)方位角α和傾角θ的夾角為0時(shí),穩(wěn)定因子達(dá)到最小值0；反之當(dāng)方位角α和傾角θ的夾角越大,穩(wěn)定因子也越大,夾層越容易破壞。

[1] WANG GJ,GUO KM,MARK Christianson,et al.Deform-ation characteristics of rock salt with mudstone interbeds surroundi-ng gas and oil storage cavern[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining sciences,2011,48:871-877.

[2] MICHAEL S Bruno,MAURICE B Dusseault.Geomechanical analysis of pressure limits for thin bedded salt caverns[R].Solution Mi-ning Research Institute.Spring 2002 Technical Meeting,Banff,Alberta,Canada, 2002:29-30.

[3] 王武,許宏發(fā),佟佺.含夾層鹽巖圓柱形儲(chǔ)庫(kù)力學(xué)特性的理論解析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(2):3731-3739.

[4] 楊春和,李銀平,陳峰.層狀鹽巖力學(xué)理論與工程[M].北京:科學(xué)出版社,2009:64-70.

[5] 姜德義,任濤,陳結(jié),等.含軟弱夾層鹽巖型鹽力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(9):1797-1803.

[6] 唐明明,王芝銀,丁國(guó)生,等.含夾層鹽巖蠕變特性試驗(yàn)及其本構(gòu)關(guān)系[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(1):42-45.

[7] 唐明明,王芝銀,丁國(guó)生,等.淮安鹽巖及含泥質(zhì)夾層鹽巖應(yīng)變?nèi)^(guò)程試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(s1):2712-2719.

[8] 李銀平,劉江,楊春和,等.泥巖夾層對(duì)鹽巖變形和破損特征的影響分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(12):2461-2466.

[9] LI YP,YANG CH.On fracture saturation in layered rocks[J].Inter-national Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2007,44(6):936-941.

[10] 陳衛(wèi)忠,譚賢軍,伍國(guó)軍,等.含夾層鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)氣體滲透規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(7):1297-1304.

[11] 劉偉,李銀平,楊春和,等.層狀鹽巖能源儲(chǔ)庫(kù)典型夾層滲透特性及其密閉性能研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(3):500-506.

[12] LIU W,LI YP,YANG CH,et al.Permeability characteristics of mudstone cap rock and interlayers in bedded salt formations and tightness assessment for underground gas storage caverns[J].Engineering Geology,2015,193:212-223.

[13] 李二兵,譚躍虎,段建立,等.層狀鹽巖夾層楊氏模量對(duì)儲(chǔ)存庫(kù)穩(wěn)定性影響研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2014,10(s2):1842-1847.

[14] 郝鐵生,梁衛(wèi)國(guó),張傳達(dá).地下水平鹽巖儲(chǔ)庫(kù)頂板交界層面滑移破損與強(qiáng)度破壞特性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(s2):3956-3966.

[15] 姜德義,張軍偉,屈丹安,等.一種含夾層鹽巖模型材料的試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(s1):76-81.

[16] 姜德義,任濤,陳結(jié),等.含軟弱夾層鹽巖型鹽力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(9):1797-1803.

[17] 袁熾.層狀鹽巖儲(chǔ)庫(kù)夾層垮塌的理論分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2015,15(2):14-26.

[18] WANG TT,YANG C,SHI XL.Failure analysis of thick interlayer from leaching of bedded salt caverns[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,2015,73:175-183.

[19] 梁衛(wèi)國(guó),趙陽(yáng)升,徐素國(guó),等.巖鹽礦床水平峒室型油氣儲(chǔ)庫(kù)及其建造方法：CN200510012470.0[P].2005-06-04.

[20] 郝鐵生,梁衛(wèi)國(guó),張傳達(dá).基于三剪能量屈服準(zhǔn)則的地下水平鹽巖儲(chǔ)庫(kù)腔壁穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(10):1997-2006.

[21] 蔡曉鴻,蔡勇斌,蔡勇平,等.二向不等圍壓和內(nèi)壓作用下橢圓形洞室的計(jì)算[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2008,4(3):453-459.

[22] 鄭穎人,孔亮.巖土塑形力學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010:79-88.

[23] 梁衛(wèi)國(guó),趙陽(yáng)升.巖鹽力學(xué)特性的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(3):391-394.

[24] 梁衛(wèi)國(guó),徐素國(guó),莫江,等.巖鹽力學(xué)特性應(yīng)變率效應(yīng)的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(1):43-50.

[25] LANG WG,YANG C,ZHAO Y,et al.Experiment-al investigation of mechanical properties of bedded salt rock[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,2007,44:400-411.

(編輯：龐富祥)

Analysis on Slippage of Thin Interlayer in Underground Gallery Salt Caverns

HAO Tiesheng

(College of Science,North University of China,Taiyuan 030051,China;MiningTechnologyInstitute,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Slippage and fracture characteristic of interlayer between salt layer and non-salt layer has a significant effect on the static stability and tightness of underground salt caverns, especially of the horizontal caverns. For the development of the failure criterion of thin and weak non-salt layer interlayer, this paper presents a theoretical analysis of stresses acted on thin and weak interlayer in the horizontal cavern with an elliptical cross-section, and slippage and fracture of both horizontal and inclined interlayer are discussed;the damage factor, which includes the influence of several main factors, such as the depth of salt caverns,friction angle,cohesion, cavern pressure, as well as the position of the interlayer, is defined on the basis of the Mohr-Coulomb criterion; according to an example, it also analyzes the relationship between the factors mentioned above and interlayer interface slippage; the results will be helpful to determine the crucial parameters of cavern design and operation.

bedded salt rocks;horizontal gas storage;thin and weak interlayer;slip and fracture

1007-9432(2016)04-0429-07

2015-11-25

國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目：西氣東輸鹽巖水平老腔儲(chǔ)氣庫(kù)可用性評(píng)價(jià)研究(51225404)

郝鐵生(1975-)，男，山西孝義人，博士，主要從事采礦和工程力學(xué)方面的研究工作，(E-mail)haotiesheng@sohu.com

TU 457

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.04.001