CN117418859A - 一种抗隆起浅埋地下岩洞储氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种抗隆起浅埋地下岩洞储氢系统，属地下能源存储技术领域，包括：开设于地表下方围岩内的地下内衬洞室，地下内衬洞室内存储有氢气；地下内衬洞室包括混凝土衬砌层，混凝土衬砌层内侧设置有密封层，密封层空间为洞室本体；混凝土衬砌层外侧覆设有喷射混凝土；锚固系统，锚固系统包括上锚固部，下锚固部和内锚固部；本发明可在实现减小洞室埋深的情况下提高氢气储量，且实现了对隆起破坏线的初步估计，勇敢锚固系统采用上下协同及内部加固的措施防止发生隆起破坏，实现了对混凝土衬砌层刚度的提升。
Description
技术领域
本发明涉及地下能源存储技术领域，特别是涉及一种抗隆起浅埋地下岩洞储氢系统。
背景技术
可再生能源的发展已经成为全球能源转型和应对气候变化的重要战略举措。太阳能、风能等可再生能源在能源生产中的比例正在不断增加，以减少对化石燃料的依赖并减少温室气体的排放。然而，可再生能源存在季节波动性的特点，对于其高效利用和并入电网提出了更高的要求。氢气储能技术的出现为解决这一问题提供了一个可行的解决方案。通过将可再生能源产生的电能转化为氢气，然后再将其储存起来，可以在需要时重新转化为电能，实现削峰填谷的目的。
然而，氢气的密度比天然气等传统能源气体低，这意味着需要更高的存储压力才能实现二者的存储质量平衡。为了实现更高的存储压力，地下洞室通常需要深埋，这无疑提高了造价。因此，亟需提出一种抗隆起浅埋地下岩洞储氢系统，同时兼顾浅埋与高内压，实现氢能的高效存储。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗隆起浅埋地下岩洞储氢系统，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种抗隆起浅埋地下岩洞储氢系统，包括：
开设于地表下方围岩内的地下内衬洞室，所述地下内衬洞室内存储有氢气；
所述地下内衬洞室包括混凝土衬砌层，所述混凝土衬砌层内侧设置有密封层，所述密封层空间为洞室本体；所述混凝土衬砌层外侧覆设有喷射混凝土；
锚固系统，所述锚固系统包括上锚固部，下锚固部和内锚固部；所述上锚固部安装于地表底部的围岩处；所述下锚固部将所述混凝土衬砌层底部与围岩加固连接；所述混凝土衬砌层内还安装有内锚固部，防止所述地下内衬洞室发生断裂。
所述上锚固部包括若干根上覆锚杆，所述上覆锚杆设置于所述洞室本体上方，且关于所述洞室本体中心至所述地表的垂线对称设置；所述上覆锚杆贯穿隆起破坏线。
所述隆起破坏线为所述地下内衬洞室断裂时，在所述围岩形成的断裂轨迹；将所述隆起破坏线预设为直线轨迹，所述隆起破坏线倾斜轨迹的确定方式为：
ρV1+2ρV2＝2Pr；
ρ[2(s+r)H-2π(s+r)2]+ρ(H-stanα)2/tanα＝2Pr；
其中，α为隆起破坏线的倾角，H为洞室本体中心距地表的垂直高度，s为混凝土衬砌层和喷射混凝土层的总厚度，V1为洞室正上方的上覆岩层，V2为剩余隆起破坏岩层，P为洞室中心内部最大气压，ρ为岩石密度，r为洞室本体半径。
所述下锚固部包括若干根地锚；所述地锚沿所述混凝土衬砌层向下贯穿所述喷射混凝土至底部所述围岩内。
所述内锚固部包括竖向桁架，环向钢筋及径向钢筋；所述环向钢筋在所述混凝土衬砌层内设置有若干层，且通过若干根灯等距设置的所述径向钢筋相连接；
所述竖向桁架设置有两根，两所述竖向桁架均竖直设置。
所述竖向桁架顶部和底部分别与所述环向钢筋焊接。
所述竖向桁架与环向钢筋连接处均焊接有所述径向钢筋。
所述地下内衬洞室中心与所述地表的距离为180-200m。
本发明公开了以下技术效果：本发明可在实现减小洞室埋深的情况下提高氢气储量，且实现了对隆起破坏线的初步估计，勇敢锚固系统采用上下协同及内部加固的措施防止发生隆起破坏，实现了对混凝土衬砌层刚度的提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明地下内衬洞室结构示意图；
图2为现有技术中出现隆起破坏线时地下内衬洞室状态示意图；
图3为本发明锚固系统安装示意图；
图4为本发明内锚固部安装示意图；
图5为本发明内隆起破坏线倾斜轨迹示意图；
其中，1-洞室本体，2-密封层，3-混凝土衬砌层，4-喷射混凝土，5-围岩，6-地表，7-隆起破坏线，8-隆起上覆岩石，9-上覆锚杆，10-地锚，11-竖向桁架，12-环向钢筋，13-径向钢筋。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1，图3和图4所示，本发明提供一种抗隆起浅埋地下岩洞储氢系统，包括：
开设于地表6下方围岩5内的地下内衬洞室，地下内衬洞室内存储有氢气；
地下内衬洞室包括混凝土衬砌层3，混凝土衬砌层3内侧设置有密封层2，密封层2空间为洞室本体1；混凝土衬砌层3外侧覆设有喷射混凝土4；
锚固系统，锚固系统包括上锚固部，下锚固部和内锚固部；上锚固部安装于地表6底部的围岩5处；下锚固部将混凝土衬砌层3底部与围岩5加固连接；混凝土衬砌层3内还安装有内锚固部，防止地下内衬洞室发生断裂。
上锚固部包括若干根上覆锚杆9，上覆锚杆9设置于洞室本体1上方，且关于洞室本体1中心至地表6的垂线对称设置；上覆锚杆9贯穿隆起破坏线7。
隆起破坏线7为地下内衬洞室断裂时，在围岩5形成的断裂轨迹；将隆起破坏线7预设为直线轨迹，隆起破坏线7倾斜轨迹的确定方式为：
ρV1+2ρV2＝2Pr；
ρ[2(s+r)H-2π(s+r)2]+ρ(H-stanα)2/tanα＝2Pr；
其中，α为隆起破坏线的倾角，H为洞室本体中心距地表的垂直高度，s为混凝土衬砌层和喷射混凝土层的总厚度，V1为洞室正上方的上覆岩层，V2为剩余隆起破坏岩层，P为洞室中心内部最大气压，ρ为岩石密度，r为洞室本体半径。
在本发明的一个实施例中，通过隆起上覆岩石8重力等于内部气压在洞室内壁所做合力，求解可得α，进而得到直线化的隆起破坏线7，由此设定上覆锚杆9使其贯穿隆起破坏线7。
进一步的，如图5所示，V1+V2为隆起上覆岩石8重量，且内部气压在洞室内壁所做合力，即ρV1+2ρV2＝2Pr。
下锚固部包括若干根地锚10；地锚10沿混凝土衬砌层3向下贯穿喷射混凝土4至底部围岩5内。
内锚固部包括竖向桁架11，环向钢筋12及径向钢筋13；环向钢筋12在混凝土衬砌层3内设置有若干层，且通过若干根灯等距设置的径向钢筋13相连接；
竖向桁架11设置有两根，两竖向桁架11均竖直设置。
竖向桁架11顶部和底部分别与环向钢筋12焊接。
竖向桁架11与环向钢筋12连接处均焊接有径向钢筋13。
地下内衬洞室中心与地表6的距离为180-200m。
在本发明的一个实施例中，密封层2主要起密封洞室本体1内气体的作用，混凝土衬砌层3将内部气压均匀传递至围岩5，喷射混凝土4为混凝土衬砌层3提供平整表面，围岩5为主要承压单元。
进一步的，如图2所示，传统地下内衬洞室埋深过低且内部气压过大时，地下内衬洞室上覆岩层发生断裂破坏，当裂缝延伸至地面形成隆起破坏线7时，地下内衬洞室内储气系统失效，上覆岩石发生隆起形成隆起上覆岩石8。
在本发明的一个实施例中，上覆锚杆9贯穿预设可能出现的隆起破坏线7，实现对上覆盖层的加固作用。
在本发明的一个实施例中，地锚10将混凝土衬砌层3锚固于下部围岩5，通过锚杆拉力将混凝土衬砌3整体锚固，实现抵抗洞室本体1隆起的功能。
在本发明的一个实施例中，如图4所示，为了提高混凝土衬砌层3的整体刚度，设置两个竖向桁架11用于加固混凝土衬砌层3；混凝土衬砌层3内的钢筋网络由环向钢筋12和径向钢筋13焊接而成，并于图中A、B、C、D四点与竖向桁架11焊接形成整体，在混凝土衬砌层3整体浇筑成型后通过竖向桁架11的作用协助混凝土衬砌层3抵抗内部气压和地锚10拉力。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种抗隆起浅埋地下岩洞储氢系统，其特征在于，包括：
开设于地表(6)下方围岩(5)内的地下内衬洞室，所述地下内衬洞室内存储有氢气；
所述地下内衬洞室包括混凝土衬砌层(3)，所述混凝土衬砌层(3)内侧设置有密封层(2)，所述密封层(2)空间为洞室本体(1)；所述混凝土衬砌层(3)外侧覆设有喷射混凝土(4)；
锚固系统，所述锚固系统包括上锚固部，下锚固部和内锚固部；所述上锚固部安装于地表(6)底部的围岩(5)处；所述下锚固部将所述混凝土衬砌层(3)底部与围岩(5)加固连接；所述混凝土衬砌层(3)内还安装有内锚固部，防止所述地下内衬洞室发生断裂。
2.根据权利要求1所述的一种抗隆起浅埋地下岩洞储氢系统，其特征在于：所述上锚固部包括若干根上覆锚杆(9)，所述上覆锚杆(9)设置于所述洞室本体(1)上方，且关于所述洞室本体(1)中心至所述地表(6)的垂线对称设置；所述上覆锚杆(9)贯穿隆起破坏线(7)。
3.根据权利要求2所述的一种抗隆起浅埋地下岩洞储氢系统，其特征在于：所述隆起破坏线(7)为所述地下内衬洞室断裂时，在所述围岩(5)形成的断裂轨迹；将所述隆起破坏线(7)预设为直线轨迹，所述隆起破坏线(7)倾斜轨迹的确定方式为：
ρV1+2ρV2＝2Pr；
ρ[2(s+r)H-2π(s+r)2]+ρ(H-stanα)2/tanα＝2Pr；
其中，α为隆起破坏线的倾角，H为洞室本体中心距地表的垂直高度，s为混凝土衬砌层和喷射混凝土层的总厚度，V1为洞室正上方的上覆岩层，V2为剩余隆起破坏岩层，P为洞室中心内部最大气压，ρ为岩石密度，r为洞室本体半径。
4.根据权利要求1所述的一种抗隆起浅埋地下岩洞储氢系统，其特征在于：所述下锚固部包括若干根地锚(10)；所述地锚(10)沿所述混凝土衬砌层(3)向下贯穿所述喷射混凝土(4)至底部所述围岩(5)内。
5.根据权利要求1所述的一种抗隆起浅埋地下岩洞储氢系统，其特征在于：所述内锚固部包括竖向桁架(11)，环向钢筋(12)及径向钢筋(13)；所述环向钢筋(12)在所述混凝土衬砌层(3)内设置有若干层，且通过若干根灯等距设置的所述径向钢筋(13)相连接；
所述竖向桁架(11)设置有两根，两所述竖向桁架(11)均竖直设置。
6.根据权利要求5所述的一种抗隆起浅埋地下岩洞储氢系统，其特征在于：所述竖向桁架(11)顶部和底部分别与所述环向钢筋(12)焊接。
7.根据权利要求6所述的一种抗隆起浅埋地下岩洞储氢系统，其特征在于：所述竖向桁架(11)与环向钢筋(12)连接处均焊接有所述径向钢筋(13)。
8.根据权利要求1所述的一种抗隆起浅埋地下岩洞储氢系统，其特征在于：所述地下内衬洞室中心与所述地表(6)的距离为180-200m。
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