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中国大规模盐穴储氢需求与挑战

岩土力学 2024年第1期45卷 1-19页

作者：杨春和王贵宾施锡林朱施杰郑铸颜刘伟范金洋中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆400044

氢能是来源广泛且低碳清洁的能源,大力发展氢能产业是实现双碳目标和应对全球能源转型的重要举措。在氢能“制备―储存―运输―应用”全产业链中,储氢难问题长期制约着氢能产业高质量发展。盐穴储氢具有成本低、规模大、安全性高和储氢... 详细信息

氢能是来源广泛且低碳清洁的能源,大力发展氢能产业是实现双碳目标和应对全球能源转型的重要举措。在氢能“制备―储存―运输―应用”全产业链中,储氢难问题长期制约着氢能产业高质量发展。盐穴储氢具有成本低、规模大、安全性高和储氢纯度高等突出优势,是未来氢能大规模储备的重要发展方向,也是我国能源低碳转型的重大战略需求。综合调研了我国制氢产业和氢能消费现状,分析了我国盐穴储氢的需求。调研了国外利用盐穴储存天然气和氢气的技术及工程现状,总结了我国盐穴储气库发展和建设历程。对比了利用盐穴储存天然气、氦气、压缩空气和氢气的异同点,提出我国盐穴储氢面临三大科技挑战:层状盐岩氢气渗透与生化反应、盐穴储氢库井筒完整性管控、储氢库群灾变孕育与防控。研究成果明确了我国氢气储备需求的快速增长趋势和大规模盐穴储氢的重点攻关方向。

关键词：盐穴储氢层状盐岩氢岩反应井筒完整性库群灾变

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升温速率对高温作用后砂岩的宏细观性质影响

岩土力学 2022年第10期43卷 2675-2688页

作者：姜德义郭朋煜范金洋陈波陈结重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044

砂岩受到高温影响后,宏细观性质会发生不同程度的变化,400℃和1000℃是砂岩宏细观性质变化的两个重要节点。为进一步研究升温速率对高温砂岩物理性质、力学特性以及内部微观破裂的影响,以350℃和950℃为目标温度,开展了不同升温速率下... 详细信息

砂岩受到高温影响后,宏细观性质会发生不同程度的变化,400℃和1000℃是砂岩宏细观性质变化的两个重要节点。为进一步研究升温速率对高温砂岩物理性质、力学特性以及内部微观破裂的影响,以350℃和950℃为目标温度,开展了不同升温速率下砂岩的单轴压缩试验,单轴压缩全程采用声发射监测,采用扫描电镜分析了砂岩破坏后的细观形貌。研究结果表明:经不同升温速率处理后,350℃砂岩的质量、体积、密度以及纵波波速变化较小;950℃砂岩的质量、密度及纵波波速显著降低,体积明显增大,且升温速率越高变化率越小。350℃砂岩的应力-应变曲线、应力-体积应变曲线、抗压强度及弹性模量受升温速率的影响较小;950℃下砂岩试样应力-应变曲线随升温速率的增加向上偏移,抗压强度和弹性模量则先增加后达到恒定。350℃及950℃砂岩的声发射振铃累计数都有随升温速率增大而减小的趋势,950℃下升温速率为1℃/min时砂岩的振铃累计数最大,突发性声发射活动区域最多。对不同升温速率砂岩进行扫描电镜分析发现,升温速率对350℃砂岩的微观形貌影响较小,950℃砂岩试件则会随着升温速率的下降出现微裂纹和微孔隙数量增多、体积扩大的情况。

关键词：高温砂岩升温速率力学特性声发射细观分析

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基于硬化参量的盐岩蠕变疲劳本构模型

岩土力学 2023年第5期44卷 1271-1282页

作者：范金洋唐璐宣陈结杨镇宇姜德义重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044

盐岩具有较好的蠕变特性和损伤自恢复性,被公认为储能或油气储备的理想介质。对盐岩复杂力学行为进行准确表征和预测是保障盐穴地下空间利用工程安全性的基础。通过定义硬化参量等特征因子,建立了新的能够考虑复杂加卸载路径的盐岩蠕变... 详细信息

盐岩具有较好的蠕变特性和损伤自恢复性,被公认为储能或油气储备的理想介质。对盐岩复杂力学行为进行准确表征和预测是保障盐穴地下空间利用工程安全性的基础。通过定义硬化参量等特征因子,建立了新的能够考虑复杂加卸载路径的盐岩蠕变疲劳本构模型。基于盐岩变形位错机制,引入双曲线阻尼元件,作为表征岩石硬化程度的状态变量;通过硬化参量的演化,考虑加卸载历史对盐岩变形行为的影响。借鉴经典Norton模型的应力-应变关系建立蠕变疲劳本构的基本框架关系。通过引入裂隙扩展因子,假设初始形核长度,考虑材料的断裂韧度,修正邻近破坏阶段(加速变形阶段)的应力-应变关系。该模型能够很好地预测常规蠕变、循环加卸载、下限间隔循环加卸载、梯形波蠕变循环加卸载等常见复杂加卸载路径下的塑性变形特征,且能够较好地表征恒荷载蠕变与循环加卸载之间的相互影响。新的蠕变疲劳本构模型中大部分参数具有较为明确物理意义,参数a表征盐岩稳态变形阶段应力与变形率的关系因子,参数b为确定盐岩第一阶段减速变形阶段的关系因子,参数d_(0)和μ_(d)分别表示初始裂纹形核量和裂隙扩展速率因子,共同修正模型临界破坏阶段的应力-应变关系。

关键词：盐岩疲劳蠕变本构模型

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中国废弃煤矿压气蓄能潜力与初步可行性研究

工程科学与技术 2023年第1期55卷 253-264页

作者：杜俊生陈结姜德义范金洋张传玖陈紫阳重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044 国家能源集团神东煤炭布尔台煤矿鄂尔多斯017000

随着中国化石能源比重下降、无碳能源比重上升的能源清洁化的结构转型,井下废弃矿井数量增多,同时风能和太阳能(WS)得到迅速发展,但资源利用率却很低。为了提高资源化利用率和加快转型升级,提出了一种结合风能和太阳能的混合压缩空气蓄... 详细信息

随着中国化石能源比重下降、无碳能源比重上升的能源清洁化的结构转型,井下废弃矿井数量增多,同时风能和太阳能(WS)得到迅速发展,但资源利用率却很低。为了提高资源化利用率和加快转型升级,提出了一种结合风能和太阳能的混合压缩空气蓄能(CAES)系统,并将井下废弃矿井作为压缩空气的储能空间。首先,根据太阳能、风能、毁弃煤矿地下空间资源及电网分布特征确定了WS–CAES混合系统的潜在区域,主要分布在三北(东北、华北北部和西北)地区,具备了发展该系统的巨大潜力。然后,基于系统压缩机、膨胀机、热换器和储气室等各参数数学模型,研究了换热器效能、环境温度、质量流量、总压比和压缩/膨胀级数运行变量对系统输出功率和总效率的性能影响,压缩机/涡轮机级数对总效率(η)具有显着影响,级数2增至级数5时,η增幅为7.31%。最后,针对毁弃煤矿巷道储存高压气体的可行性,从巷道深度、内衬及围岩渗透性方面进行Comsol软件数值计算和分析,结果表明:巷道深度对系统储存气体的泄漏无明显影响;巷道内衬对系统稳定性具有重要作用;围岩渗透率则是决定系统气密性的关键因素,其围岩渗透率越小,储气库气体泄露量越小,气密性则越好;同时,煤矿井下主通风巷和运输巷具有储存压缩空气能力。

关键词：压缩空气蓄能储气库气密性围岩渗透率热力学分析数值模拟

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盐岩循环加卸载过程中的速率效应试验研究

岩土力学 2023年第2期44卷 403-414页

作者：姜德义杨镇宇范金洋李宗泽锁进杰陈结重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044

作为一种典型软岩,盐岩力学特性的时间相关性显著,准确预测和评估盐穴储气库加卸载过程中的变形损伤能力,关系到能源储备库的长期安全稳定运行。为研究盐岩的速率效应,进行了不同加卸载速率的疲劳试验。基于现有蠕变本构模型,构建了速... 详细信息

作为一种典型软岩,盐岩力学特性的时间相关性显著,准确预测和评估盐穴储气库加卸载过程中的变形损伤能力,关系到能源储备库的长期安全稳定运行。为研究盐岩的速率效应,进行了不同加卸载速率的疲劳试验。基于现有蠕变本构模型,构建了速率效应方程,区分了加卸载过程中的蠕变塑性变形与加载塑性变形。研究结果表明:(1)盐岩的整体疲劳寿命、稳定变形阶段(即第2阶段)疲劳寿命占比基本随加卸载速率的增大而增大。(2)减速变形阶段(即第1阶段)疲劳寿命占比、稳定变形阶段平均残余应变基本随加卸载速率增大而减小。(3)速率耦合疲劳试验中,加卸载速率越大,残余应变越小,蠕变塑性变形随加卸载速率的增大而减小,当加卸载速率由0.04 kN/s增加至5 kN/s时,蠕变塑性变形在循环中的占比由85%下降至36%,呈现出负指数的关系。(4)整个循环加卸载过程中,加载塑性变形、蠕变塑性变形均呈现U型发展趋势,与盐岩疲劳过程的三阶段相对应。该研究结果可以为进一步分析盐岩蠕变塑性与加载塑性奠定基础。

关键词：盐岩循环荷载疲劳寿命残余应变速率效应

综放工作面覆岩破坏特征及裂隙演化相似模拟试验研究

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中国安全生产科学技术 2022年第3期18卷 19-25页

作者：贾栋姜德义陈结范金洋任奕玮重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044

针对煤层开采后常出现矿压显现剧烈、煤岩透气性增大和地表下沉等问题,利用二维相似模拟试验研究综放工作面覆岩破坏特征并通过分形理论表征裂隙演化规律。试验结果表明:煤层基本顶初次来压步距为78 m,周期来压步距为24 m;煤层采动裂隙... 详细信息

针对煤层开采后常出现矿压显现剧烈、煤岩透气性增大和地表下沉等问题,利用二维相似模拟试验研究综放工作面覆岩破坏特征并通过分形理论表征裂隙演化规律。试验结果表明:煤层基本顶初次来压步距为78 m,周期来压步距为24 m;煤层采动裂隙发育,距煤层顶板超过35 m;煤层开采后形成的覆岩裂隙具有分形特征,其分形维数随工作面的推进总体趋势增大;随着工作面的推进,开采位置与覆岩应力测点的水平距离小于40 m时,最初的原岩应力转变为应力集中,当工作面推过应力测点15~20 m后,应力卸压后会出现最小值,随后趋于稳定值;上覆岩层由下而上的垮落表现为非线性,其下沉形态为非对称性,总体垮落趋势近似呈“凹”型。研究结果进一步解释了采动过程中覆岩破坏及裂隙演化规律,可为煤炭开采顶板管理和煤层气抽采提供参考依据。

关键词：相似模拟上覆岩层围岩应力采动裂隙分形维数

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循环围压下的盐岩扩容特征

东北大学学报（自然科学版） 2016年第10期37卷 1485-1490页

作者：李林陈军朝吴教锟范金洋重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室重庆400044 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400044

盐穴储库运行过程中围岩应力呈周期性变化,为揭示应力波动对其稳定性和密闭性的影响,针对盐岩试样开展了动态围岩循环试验,分析了不同轴向恒定应力与循环上限围压对盐岩试样扩容及损伤特征的影响规律.结果表明:体应变曲线分为减速扩容... 详细信息

盐穴储库运行过程中围岩应力呈周期性变化,为揭示应力波动对其稳定性和密闭性的影响,针对盐岩试样开展了动态围岩循环试验,分析了不同轴向恒定应力与循环上限围压对盐岩试样扩容及损伤特征的影响规律.结果表明:体应变曲线分为减速扩容段和稳定扩容段,试样达到稳定扩容点所用的循环数并无显著差异.上限围压越小或轴向恒定应力越大,盐岩试件扩容幅度越大,其疲劳寿命就越短,相应匀速扩容段在整个扩容过程中所占比例就越小,即加速扩容点会前移.随着试验循环数的增加,盐岩等容变形比的总体趋势不断减小,韧性特征减弱,扩容能力增强.上限围压越小或轴向恒定应力越大,都会使盐岩的韧性能力损失得更快,盐岩的扩容能力增强得更显著.

关键词：盐岩疲劳特性体应变扩容围压

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非连续循环荷载作用下岩盐力学特性试验研究

岩土力学 2017年第5期38卷 1327-1334页

作者：姜德义崔遥范金洋陈结任松重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室重庆400044 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

运用多功能试验机首次开展岩盐非连续疲劳试验,研究了时间间隔作用下的岩盐的力学特性(包括变形和弹性常数)的演化规律。试验结果显示:(1)与常规疲劳情况不同,间隔疲劳过程中时间间隔后的循环产生的轴向残余应变总大于时间间隔前的残余... 详细信息

运用多功能试验机首次开展岩盐非连续疲劳试验,研究了时间间隔作用下的岩盐的力学特性(包括变形和弹性常数)的演化规律。试验结果显示:(1)与常规疲劳情况不同,间隔疲劳过程中时间间隔后的循环产生的轴向残余应变总大于时间间隔前的残余应变,且径向和体积残余应变呈现出与轴向相同的规律。(2)时间间隔后的循环内弹性模量总体大于时间间隔前的循环内弹性模量,但泊松比随时间间隔变化不明显,时间间隔前、后均呈相似的上升趋势。(3)间隔疲劳过程中的时间间隔对塑性变形的积累有加速效应,时间间隔越长,疲劳过程中残余应变积累越快,岩盐疲劳寿命越短。(4)循环过程中无应力静置时间间隔的出现,为岩盐内部结构的整体调整提供了时空条件,有利于晶粒在残余应力作用下归位并产生新的滑移面,后续加载时晶粒回到原应力峰值对应位置将耗散更少能量,宏观上表现为塑性变形的加速积累,岩盐更容易发生疲劳破坏,疲劳寿命降低。

关键词：岩盐时间间隔疲劳位错

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盐岩的压剪疲劳特性与位错损伤研究

岩石力学与工程学报 2015年第5期34卷 895-906页

作者：姜德义范金洋陈结李林任松重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

开展不同剪切角度的压剪实验和疲劳实验,研究压剪作用下盐岩的力学特性和晶体位错特性,基于损伤力学观点,建立以位错为度量指标的损伤关系模型。得到的主要结论有:(1)大于45°角剪切时,盐岩晶体位错的滑滞阻力较小,盐岩抗变形能力、峰... 详细信息

开展不同剪切角度的压剪实验和疲劳实验,研究压剪作用下盐岩的力学特性和晶体位错特性,基于损伤力学观点,建立以位错为度量指标的损伤关系模型。得到的主要结论有:(1)大于45°角剪切时,盐岩晶体位错的滑滞阻力较小,盐岩抗变形能力、峰值应力和最大变形量均随着剪切角度的增大而减小。裂纹以剪切面附近扇形裂纹发育为主。(2)疲劳寿命与循环荷载的上限应力水平相关。剪切角度不同时,若应力水平相同,则其疲劳寿命(循环数)基本相同;若应力大小相同,则剪切角度越大,疲劳寿命越短。(3)变向剪切对盐岩的疲劳寿命影响巨大,使疲劳寿命下降90%以上。(4)盐岩疲劳裂纹的成核和位错的不断挤入、挤出有关,裂纹扩展是多滑移系交替滑移的结果。建立基于位错理论的盐岩损伤模型,使损伤能从本质上表达盐岩的破坏过程。疲劳损伤越大盐岩的承载能力下降越明显。

关键词：岩石力学盐岩压剪位错疲劳损伤变向