KR100709901B1 - Evaluation criteria and its design application on thermo-mechanical stability in rock mass around lined rock cavern for underground LNG or any other cryogenic liquid gas storage - Google Patents

Evaluation criteria and its design application on thermo-mechanical stability in rock mass around lined rock cavern for underground LNG or any other cryogenic liquid gas storage Download PDF

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KR100709901B1 KR1020050062937A KR20050062937A KR100709901B1 KR 100709901 B1 KR100709901 B1 KR 100709901B1 KR 1020050062937 A KR1020050062937 A KR 1020050062937A KR 20050062937 A KR20050062937 A KR 20050062937A KR 100709901 B1 KR100709901 B1 KR 100709901B1
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Abstract

1. 청구범위에 기재된 고안이 속한 기술분야1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

본 발명은 LNG 등 극저온 액체가스를 저장하기 위한 지하공동 설계시 LNG 저장에 따른 주변 암반의 열역학적 안정성을 평가하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for evaluating the thermodynamic stability of the surrounding rock according to the LNG storage in the underground cavity design for storing cryogenic liquid gas such as LNG.

2. 고안이 해결하려고 하는 기술적 과제2. The technical problem the invention is trying to solve

본 발명은 극저온 액체가스 저장에 따른 공동 주변 암반의 신규 균열 발생 및 기존 균열 전파를 억제하기 위한 열역학적 안정성 평가방법을 제공하고, 이를 지하 공동 설계시에 반영하도록 함으로써, 추후 실제 운영상태에서의 지하공동의 안정성을 확보할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.The present invention provides a thermodynamic stability evaluation method for suppressing the occurrence of new cracks and existing crack propagation of the rock around the cavity due to cryogenic liquid gas storage, and to reflect this in the design of the underground cavity, the underground cavity in the actual operating state later The purpose is to ensure the stability of the.

3. 고안의 해결방법의 요지3. Summary of solution of design

극저온 액체가스 저장에 따른 지하공동 주변 암반의 열역학적 안정성을 확보하기 위한 설계방법에 있어서, 적용 대상 암석과 암반의 역학적/열역학적 물성을 평가하는 단계; 공동의 폭, 심도, 이격거리 등 지하저장시설의 배치 계획을 수립하고, 단열재의 두께를 결정하는 단계; 상기에 의한 역학적/열역학적 물성 평가 값에 따라 역학적/열역학적 변수를 이론적/수치 해석적으로 계산하는 단계; 계획 심도에 따른 암반의 동결팽창계수

Figure 112005037733440-pat00001
를 산정하는 단계; 상기 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께에 대한 설계가 암반 굴착후 액체가스를 저장함에 따라 암반 벽면에 새로운 균열을 발생시킬 것인지의 여부를 판단하기 위한 기준으로, 일반식
Figure 112005037733440-pat00002
를 적용하여 만족 여부로 안정성을 판단하되, 상기
Figure 112005037733440-pat00003
는 굴착후 최소 주응력이고,
Figure 112005037733440-pat00004
는 극저온 저장으로 인한 열유도 응력이며, 상기
Figure 112005037733440-pat00005
는 균열발생 안전계수로서 열충격내하계수인 에서 동결팽창계수인
Figure 112005037733440-pat00006
를 뺀 값으로, 이때 상기 열충격내하계수
Figure 112005037733440-pat00007
는 온도저하에 따른 영향을 고려한 암석의 인장강도에서 열충격 발생시 예상되는 열충격응력을 감한 암석의 인장강도 여유치로서 계산하는 단계; 상기 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께에 대한 설계가 암반 굴착후 액체가스를 저장함에 따라 암반의 기존 균열을 전파시킬 것인지의 여부를 판단하는 기준으로, 일반식
Figure 112005037733440-pat00008
를 적용하여 만족 여부로 안정성을 판단하되, 상기
Figure 112005037733440-pat00009
는 굴착에 의한 재분배 응력이고, 상기
Figure 112005037733440-pat00010
는 암반 냉각에 의한 열유도 응력, 상기
Figure 112005037733440-pat00011
는 고려되는 균열 길이의 1/2이며, 상기
Figure 112005037733440-pat00012
는 인장 방향에 대한 암석 모드 I의 파괴 인성이고, 상기
Figure 112005037733440-pat00013
는 균열전파 안전계수로서, 일반식
Figure 112005037733440-pat00014
로 계산되되, 이때 상기
Figure 112005037733440-pat00015
는 동결팽창계수이고, 상기
Figure 112005037733440-pat00016
는 주변 암반의 균열밀도계수로서 지반 조사시 구한 RMR, Q 또는 RQD와 같은 암반분류 자료나 지표지질조사의 결과로부터 추정하여 계산하는 단계; 상기에 의한 판단결과, 결과가 만족될 경우에는 상기 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께에 따라 상세 설계를 진행시키고, 결과가 만족되지 않을 경우에는 상기 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께를 재결정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.A design method for securing thermodynamic stability of rock masses around underground cavities due to cryogenic liquid gas storage, the method comprising: evaluating the mechanical and thermodynamic properties of the rock and rock to be applied; Establishing a layout plan for underground storage facilities such as width, depth, and separation distance of the cavity, and determining the thickness of the insulation; Calculating theoretical / numerical analysis of mechanical / thermodynamic parameters according to the mechanical / thermodynamic property evaluation values according to the above; Freezing Expansion Coefficient of Rock Mass According to Planned Depth
Figure 112005037733440-pat00001
Calculating a; The layout plan of the storage cavity and the design of the insulation thickness are used to determine whether to generate new cracks on the rock wall as the liquid gas is stored after the rock excavation.
Figure 112005037733440-pat00002
To determine the stability to the satisfaction by applying the above
Figure 112005037733440-pat00003
Is the minimum principal stress after excavation,
Figure 112005037733440-pat00004
Is the thermally induced stress due to cryogenic storage,
Figure 112005037733440-pat00005
Is the coefficient of safety of crack initiation, which is the coefficient of freezing expansion at
Figure 112005037733440-pat00006
Minus the thermal shock load coefficient
Figure 112005037733440-pat00007
Is calculated as the tensile strength margin of the rock subtracted from the thermal shock stress expected when thermal shock occurs in the tensile strength of the rock considering the effect of temperature decrease; The layout plan of the storage cavity and the design of the insulation thickness are used to determine whether to propagate the existing crack of the rock as the liquid gas is stored after the rock excavation.
Figure 112005037733440-pat00008
To determine the stability to the satisfaction by applying the above
Figure 112005037733440-pat00009
Is the redistribution stress due to excavation
Figure 112005037733440-pat00010
Is the heat induced stress due to rock cooling,
Figure 112005037733440-pat00011
Is 1/2 of the crack length under consideration, and
Figure 112005037733440-pat00012
Is the fracture toughness of rock mode I with respect to the tensile direction, and
Figure 112005037733440-pat00013
Is the propagation factor of crack propagation,
Figure 112005037733440-pat00014
Calculated as
Figure 112005037733440-pat00015
Is the freeze expansion coefficient, and
Figure 112005037733440-pat00016
Is a crack density coefficient of the surrounding rock, which is calculated by estimating from rock classification data such as RMR, Q, or RQD obtained from the ground survey or from the results of geologic survey; As a result of the determination, if the result is satisfied, the detailed design is carried out according to the layout plan and the insulation thickness of the storage cavity, and if the result is not satisfied, the process of re-determining the layout plan and insulation thickness of the storage cavity Characterized in that made.

4. 고안의 중요한 용도4. Important uses of the devise

LNG 저장 공동 설계시 LNG 저장에 따른 안정성을 평가하는 데 이용된다.The LNG storage joint design is used to evaluate the stability of LNG storage.

LNG, 공동, Cavern, 안정성, 평가 LNG, Joint, Cavern, Stability, Assessment  

Description

엘엔지 등 극저온 액체가스 저장에 따른 지하공동 주변 암반의 열역학적 안정성 평가 방법 및 이를 이용한 설계 방법{Evaluation criteria and its design application on thermo-mechanical stability in rock mass around lined rock cavern for underground LNG or any other cryogenic liquid gas storage} Evaluation criteria and its design application on thermo-mechanical stability in rock mass around lined rock cavern for underground LNG or any other cryogenic liquid gas storage}

도 1은 본 발명에 따른 지하 LNG 저장 공동의 건설과 운영 동안 암반 내에서 전개되는 응력장에 대한 도해도이다.1 is a diagram of a stress field developed within a rock mass during construction and operation of an underground LNG storage cavity according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 균열 발생 억제 및 균열 전파 억제 기준 평가 플로우 차트이다.2 is a flow chart of crack generation inhibition and crack propagation inhibition criteria evaluation according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 열충격내하계수의 정의를 도시한 모식도이다.Figure 3 is a schematic diagram showing the definition of the thermal shock load coefficient according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 지하 LNG 저장 운영 동안 암반내 균열에 작용하는 응력장에 대한 도해도이다. 4 is a diagram of the stress field acting on the crack in the rock during the underground LNG storage operation according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

Figure 112005037733440-pat00017
: 굴착전 현지 암반 응력
Figure 112005037733440-pat00017
: Local rock stress before excavation

Figure 112005037733440-pat00018
: 굴착전 현지 암반 수직응력
Figure 112005037733440-pat00018
: Local rock vertical stress before excavation

Figure 112005037733440-pat00019
: 굴착전 현지 암반 수평응력
Figure 112005037733440-pat00019
: Local rock horizontal stress before excavation

Figure 112005037733440-pat00020
: 굴착후 재분배된 암반응력
Figure 112005037733440-pat00020
: Cancer reaction force redistributed after excavation

Figure 112005037733440-pat00021
: 굴착후 공동주변 반경방향 응력
Figure 112005037733440-pat00021
: Radial stress around cavity after excavation

Figure 112005037733440-pat00022
: 굴착후 공동주변 접선방향 응력
Figure 112005037733440-pat00022
: Tangential stress around cavity after excavation

Figure 112005037733440-pat00023
: 운영 동안의 공동주변 열유도 응력
Figure 112005037733440-pat00023
: Induction stress around the cavity during operation

Figure 112005037733440-pat00024
: 운영 동안의 공동주변 반경방향 열응력
Figure 112005037733440-pat00024
: Radial thermal stress around the cavity during operation

Figure 112005037733440-pat00025
: 운영 동안의 공동주변 접선방향 열응력
Figure 112005037733440-pat00025
: Tangential thermal stress around the cavity during operation

Figure 112005037733440-pat00026
: 열유도 응력의 크기
Figure 112005037733440-pat00026
: Magnitude of heat induced stress

Figure 112005037733440-pat00027
: 굴착후 암반내 기존 균열에 작용하는 응력
Figure 112005037733440-pat00027
: Stress acting on existing crack in rock after excavation

Figure 112005037733440-pat00028
: 균열 선단에서의 응력확대계수
Figure 112005037733440-pat00028
: Stress intensity factor at crack tip

본 발명은 LNG 및 그와 상응하는 물리적 특성을 갖는 액체를 라이닝과 컨테인먼트 시스템으로 이루어진 LNG 지하 저장 공동에 저장할 경우, 저장 후 온도 저하에 따른 공동 주변 암반의 열역학적 안정성 평가방법 및 이를 이용한 설계방법에 관한 것이다. 보다 세부적으로는, LNG 등 극저온 액체가스를 저장함에 따른 공동 주변 암반의 신규 균열 발생과 기존 균열의 전파를 억제하기 위한 각 설계 단계에서 고려해야 하는 항목 및 기준들을 정의하고 이를 설계시에 반영하는 방법에 관한 것이다. 이 기준들은 암반의 열역학적 안정성을 보장할 수 있는 저장 공동 형상, 심도, 폭, 저장 공동 사이 이격 거리 및 단열재 두께 등과 같은 주요 설계 인자들의 결정에 직접적으로 활용된다.The present invention relates to a method for evaluating the thermodynamic stability of the rock around the cavity according to the temperature drop after storage and storing the LNG and the liquid having the corresponding physical properties in the LNG underground storage cavity consisting of a lining and a containment system. It is about. More specifically, in the method of defining and reflecting the items and criteria to be considered in each design stage to suppress the occurrence of new cracks and propagation of existing cracks in the rock surrounding the cavity caused by storing cryogenic liquid gas such as LNG. It is about. These criteria are directly used to determine key design factors such as storage cavity shape, depth, width, spacing between storage cavities and insulation thickness that can ensure the thermodynamic stability of the rock.

극저온 LNG 저장에 의한 주변 암반의 열역학적 안정성 여부는 도 1에 도시된 바와 같이, 주변 암반의 초기응력 조건(단계 I)과, 굴착 후 2차 응력조건(단계 Ⅱ), 및 극저온 LNG 저장에 의한 열유도 응력(단계 Ⅲ)의 상호관계에 따라 달라진다고 여러 연구자들에 의해 주장되고 있다. The thermodynamic stability of the surrounding rock due to cryogenic LNG storage is shown in FIG. 1, as shown in FIG. 1, the initial stress condition (step I) of the surrounding rock, the secondary stress condition after the excavation (step II), and the heat by cryogenic LNG storage. It has been claimed by several researchers that it depends on the interrelationship of the induced stress (Step III).

과거의 극저온 액체가스 저장 원리는 노출된 암반(라이닝 및 컨테인먼트 시스템을 설치하지 않는 저장 공동 암반)에 직접 극저온 액체가스를 저장하되, 저장 가스의 누출을 방지하기 위해 가스가 직접 접촉하고 있는 주변 암반내 기존 균열이 벌어지지 않게 설계하는 방법에 관한 것이었다. 기존 균열의 벌어짐이 발생하면 저장 액체가 균열을 따라 누출되고 그에 따라 극저온의 저장 액체의 기화가 과도하게 촉진되어 결국 저장이 실패하게 된다.In the past, cryogenic liquid gas storage principles used to store cryogenic liquid gas directly in exposed rock (storage cavity rock without installation of lining and containment systems), but with the surrounding rock directly contacted by gas to prevent leakage of stored gas. It was about how to design my existing cracks. Opening of existing cracks causes the storage liquid to leak along the crack, thus excessively accelerating vaporization of the cryogenic storage liquid, resulting in storage failure.

기존 암반 균열의 벌어짐이 발생하는 암반온도는 단계 Ⅲ의 최종 접선응력

Figure 112005037733440-pat00029
이 0 즉, 인장응력으로 전환되는 시점이 된다. 이 온도 조건이 되면, 천정부에서 아치효과는 사라지고 암반 블록이 불안정하게 된다. 실제로 이러한 천정부의 불안정성은 균열 패턴에 따라서는 냉각 초기 단계에서 나타날 수도 있으며, 냉각이 더욱 진행되면서 벽면부에서 존재하는 기존 균열의 벌어짐을 초래하게 될 수도 있다.(Lindblom, U.E. and Glamheden, R. 1997, Development of Design Criteria for Low Temperature Gas Storage, Proc. of the 1st Asian Rock Mech. Symp. ARMS'97,(ISRM),pp. 317-321. Seoul).The final tangential stress of stage Ⅲ is the rock temperature at which cracking of existing rock occurs.
Figure 112005037733440-pat00029
That is, it is time to convert to 0, that is, tensile stress. At this temperature, the arch effect disappears from the ceiling and the rock blocks become unstable. Indeed, this ceiling instability may occur at the initial stage of cooling, depending on the crack pattern, and may lead to the opening of existing cracks on the wall as the cooling progresses (Lindblom, UE and Glamheden, R. 1997). , Development of Design Criteria for Low Temperature Gas Storage, Proc. Of the 1st Asian Rock Mech.Symp.ARMS'97, (ISRM), pp. 317-321. Seoul.

그러나, 상기와 같은 저장 원리에 따라 실제 노출된 암반에 직접 극저온 액체가스를 저장하는 시도를 시행한 바 있으나, 결국 주변 암반의 안정성이 문제가 되어 가스가 누출됨으로서 저장에 실패하고 말았다. However, according to the storage principle as described above, attempts were made to store cryogenic liquid gas directly in the actual exposed rock, but the storage of the rock failed due to leakage of gas due to the stability of the surrounding rock.

이에 반해, 라이닝과 컨테인먼트 시스템으로 이루어진 새로운 개념의 복공식 저장 공동의 경우에는, 상기 노출된 암반과는 달리 주변 암반이 컨테인먼트 시스템(스테인레스 스틸 멤브레인+단열재) 및 라이닝에 의해 격리되어 있으므로 암반내 기존 균열의 벌어짐이 어느 정도 허용되는 것으로 보고됨에 따라, 최근 LNG 등의 극저온 액체가스를 복공식 지하 저장 공동에 저장하는 방법에 대한 관심이 새롭게 고조되고 있다.On the other hand, in the case of a new concept vented storage cavity consisting of a lining and a containment system, unlike the exposed rock, the surrounding rock is isolated by the containment system (stainless steel membrane + insulation) and the lining. As the cracking of existing cracks is reported to some extent, interest in a method of storing cryogenic liquid gas, such as LNG, in a ventilated underground storage cavity has recently been increased.

라이닝과 컨테인먼트 시스템으로 이루어진 복공식 지하 저장 공동에 LNG와 같은 극저온의 액체를 저장하는 방법에 관련된 종래 기술로는 주름진 스테인레스 스틸 멤브레인, 폴리우레탄과 같은 단열재(보냉재) 및 콘크리트 라이닝을 사용하는 방식(국제 공개번호 WO 95/000421)과 인바 스틸, 단열재(보냉재) 및 시멘트+다공질 골재 혼합물을 사용하는 방식(국제 공개번호 WO 2004/048232 A1)이 이미 개시된 바 있다.Conventional techniques related to the storage of cryogenic liquids, such as LNG, in perforated underground storage cavities consisting of linings and containment systems include corrugated stainless steel membranes, insulations (polyurethanes) such as polyurethane, and concrete linings ( International publication No. WO 95/000421) and a method using invar steel, insulation (cold insulation) and cement + porous aggregate mixtures have already been disclosed (International Publication No. WO 2004/048232 A1).

그러나 상기와 같은 복공식 지하 저장 공동의 경우에도 지속적으로 새로운 균열이 발생하거나, 기존 균열의 선단이 지속적으로 팽창하는 경우에는 결국 라이닝에 하중으로 작용하여 저장 공동의 안정성에 악영향을 미치게 되고, 이같은 균열의 발생은 주변 암반의 지하수 흐름의 통로를 새로이 생성하는 역할을 하여 동결 팽창압이 작용하게 되고 결국 저장 공동의 안정성에 악영향을 미치게 된다. However, even in the case of the above-mentioned ventilated underground storage cavity, if a new crack is continuously generated or the tip of the existing crack is continuously expanded, it eventually acts as a load on the lining and adversely affects the stability of the storage cavity. The generation of is responsible for creating a new passage of groundwater flow in the surrounding rock, resulting in freeze expansion pressure, which in turn adversely affects the stability of the storage cavity.

즉 상기 단계 Ⅲ에서 열유도응력이 인장응력으로 작용하여, 최종 접선응력

Figure 112005037733440-pat00030
이 인장응력으로 전환되고 암석의 인장강도
Figure 112005037733440-pat00031
를 초과하게 되면 새로운 암반 균열이 발생하게 되는 것이다. 또한 암석의 인장강도
Figure 112005037733440-pat00032
는 일반적으로 온도가 저하될 때 증가하지만, 열충격으로 인해 저하되기도 한다. In other words, the thermally induced stress acts as the tensile stress in the step III, the final tangential stress
Figure 112005037733440-pat00030
Converted to this tensile stress and the tensile strength of the rock
Figure 112005037733440-pat00031
Exceeding this would result in new rock cracks. In addition, the tensile strength of the rock
Figure 112005037733440-pat00032
Generally increases when the temperature is lowered, but is also lowered due to thermal shock.

따라서 LNG 등 극저온 액체가스를 저장하기 위한 공동 설계시에는 저장 공동 주변 암반의 신규 균열 발생에 대항한 열역학적 안정성을 확보하기 위해 저장 공동 굴착후 벽면에 작용하는 최소 주응력

Figure 112005037733440-pat00033
, 저장에 따른 열유도응력
Figure 112005037733440-pat00034
, 열충격을 고려한 암석의 인장강도
Figure 112005037733440-pat00035
, 및 발생 가능한 동결팽창압을 모두 고려할 수 있는 안정성 평가방법이 고안될 필요성이 있다.Therefore, when designing a cavity for storing cryogenic liquid gas such as LNG, the minimum principal stress acting on the wall after excavation of the storage cavity to ensure thermodynamic stability against the occurrence of new cracks in the rock around the storage cavity
Figure 112005037733440-pat00033
, Thermally induced stress due to storage
Figure 112005037733440-pat00034
, Tensile strength of rock considering thermal shock
Figure 112005037733440-pat00035
There is a need to devise a method for evaluating stability that can take into account both, and possible freezing expansion pressures.

또한 이와 함께, 저장 공동 주변 암반의 허용 가능한 온도 즉 균열이 신규 발생하는 온도를 이론적으로 산정하여 발생 온도와 비교 평가함으로써 상기 안정성 평가 방법의 보조수단으로 활용할 수 있을 것이다. In addition, the acceptable temperature of the rock around the storage cavity, i.e., the temperature at which the crack is newly generated, may be theoretically calculated and compared with the generated temperature to be used as an auxiliary means of the stability evaluation method.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 극저온 액체가스 저장에 따른 공동 주변 암반의 신규 균열 발생 및 기존 균열 전파를 억제하기 위한 열역학적 안정성 평가방법을 제공하고, 이를 지하 공동 설계시에 반영하도록 함으로써, 추후 실제 운영상태에서 극저온 액체가스 저장에 따른 지하공동의 안정성을 확보할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems, to provide a thermodynamic stability evaluation method for suppressing the occurrence of new cracks and existing crack propagation of the rock around the cavity due to cryogenic liquid gas storage, to reflect this in the underground cavity design By doing so, it is intended to ensure the stability of the underground cavity according to the cryogenic liquid gas storage in the actual operating state later.

본 발명은 극저온 액체가스 저장에 따른 지하공동 주변 암반의 열역학적 안정성을 확보하기 위한 설계방법에 있어서, 적용 대상 암석과 암반의 역학적/열역학적 물성을 평가하는 단계; 공동의 폭, 심도, 이격거리 등 지하저장시설의 배치 계획을 수립하고, 단열재의 두께를 결정하는 단계; 상기에 의한 역학적/열역학적 물성 평가 값에 따라 역학적/열역학적 변수를 이론적/수치 해석적으로 계산하는 단계; 계획 심도에 따른 암반의 동결팽창계수

Figure 112005037733440-pat00036
를 산정하는 단계; 상기 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께에 대한 설계가 암반 굴착후 액체가스를 저장함에 따라 암반 벽면에 새로운 균열을 발생시킬 것인지의 여부를 판단하기 위한 기준으로, 일반식
Figure 112005037733440-pat00037
를 적용하여 만족 여부로 안정성을 판단하되, 상기
Figure 112005037733440-pat00038
는 굴착후 최소 주응력이고,
Figure 112005037733440-pat00039
는 극저온 저장으로 인한 열유도 응력이며, 상기
Figure 112005037733440-pat00040
는 균열발생 안전계수로서 열충격내하계수인
Figure 112005037733440-pat00041
에서 동결팽창계수인
Figure 112005037733440-pat00042
를 뺀 값으로, 이때 상기 열충격내하계수
Figure 112005037733440-pat00043
는 온도저하에 따른 영향을 고려한 암석의 인장강도에서 열충격 발생시 예상되는 열충격응력을 감한 암석의 인장강도 여유치로서 계산하는 단계; 상기 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께에 대한 설계가 암반 굴착후 액체가스를 저장함에 따라 암반의 기존 균열을 전파시킬 것인지의 여부를 판단하는 기준으로, 일반식
Figure 112005037733440-pat00044
를 적용하여 만족 여부로 안정성을 판단하되, 상기
Figure 112005037733440-pat00045
는 굴착에 의한 재분배 응력이고, 상기
Figure 112005037733440-pat00046
는 암반 냉각에 의한 열유도 응력, 상기
Figure 112005037733440-pat00047
는 고려되는 균열 길이의 1/2이며, 상기
Figure 112005037733440-pat00048
는 인장 방향에 대한 암석 모드 I의 파괴 인성이고, 상기
Figure 112005037733440-pat00049
는 균열전파 안전계수로서, 일반식
Figure 112005037733440-pat00050
로 계산되되, 이때 상기
Figure 112005037733440-pat00051
는 동결팽창계수이고, 상기
Figure 112005037733440-pat00052
는 주변 암반의 균열밀도계수로서 지반 조사시 구한 RMR, Q 또는 RQD와 같은 암반분류 자료나 지표지질조사의 결과로부터 추정하여 계산하는 단계; 상기에 의한 판단결과, 결과가 만족될 경우에는 상기 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께에 따라 상세 설계를 진행시키고, 결과가 만족되지 않을 경우에는 상기 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께를 재결정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a design method for securing the thermodynamic stability of the rock around the underground cavity according to the cryogenic liquid gas storage, comprising: evaluating the mechanical and thermodynamic properties of the rock and rock to be applied; Establishing a layout plan for underground storage facilities such as width, depth, and separation distance of the cavity, and determining the thickness of the insulation; Calculating theoretical / numerical analysis of mechanical / thermodynamic parameters according to the mechanical / thermodynamic property evaluation values according to the above; Freezing Expansion Coefficient of Rock Mass According to Planned Depth
Figure 112005037733440-pat00036
Calculating a; The layout plan of the storage cavity and the design of the insulation thickness are used to determine whether to generate new cracks on the rock wall as the liquid gas is stored after the rock excavation.
Figure 112005037733440-pat00037
To determine the stability to the satisfaction by applying the above
Figure 112005037733440-pat00038
Is the minimum principal stress after excavation,
Figure 112005037733440-pat00039
Is the thermally induced stress due to cryogenic storage,
Figure 112005037733440-pat00040
Is the coefficient of safety of cracking,
Figure 112005037733440-pat00041
Freeze expansion coefficient
Figure 112005037733440-pat00042
Minus the thermal shock load coefficient
Figure 112005037733440-pat00043
Is calculated as the tensile strength margin of the rock subtracted from the thermal shock stress expected when thermal shock occurs in the tensile strength of the rock considering the effect of temperature decrease; The layout plan of the storage cavity and the design of the insulation thickness are used to determine whether to propagate the existing crack of the rock as the liquid gas is stored after the rock excavation.
Figure 112005037733440-pat00044
To determine the stability to the satisfaction by applying the above
Figure 112005037733440-pat00045
Is the redistribution stress due to excavation
Figure 112005037733440-pat00046
Is the heat induced stress due to rock cooling,
Figure 112005037733440-pat00047
Is 1/2 of the crack length under consideration, and
Figure 112005037733440-pat00048
Is the fracture toughness of rock mode I with respect to the tensile direction, and
Figure 112005037733440-pat00049
Is the propagation factor of crack propagation,
Figure 112005037733440-pat00050
Calculated as
Figure 112005037733440-pat00051
Is the freeze expansion coefficient, and
Figure 112005037733440-pat00052
Is a crack density coefficient of the surrounding rock, which is calculated by estimating from rock classification data such as RMR, Q, or RQD obtained from the ground survey or from the results of geologic survey; As a result of the determination, if the result is satisfied, the detailed design is carried out according to the layout plan and the insulation thickness of the storage cavity, and if the result is not satisfied, the process of re-determining the layout plan and insulation thickness of the storage cavity Characterized in that made.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 지하 LNG 저장 공동의 건설과 운영 동안 암반 내에서 전개되는 응력장에 대한 도해도이고, 도 2는 본 발명에 따른 균열 발생 억제 및 균열 전파 억제 기준 평가 플로우 차트이며, 도 3은 본 발명에 따른 열충격내하계수의 정의를 도시한 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 지하 LNG 저장 운영 동안 암반내 균열에 작용하는 응력장에 대한 도해도이다. 1 is a schematic diagram of a stress field developed within a rock during construction and operation of an underground LNG storage cavity according to the present invention, FIG. 2 is a flow chart of crack generation suppression and crack propagation inhibition criteria evaluation according to the present invention, and FIG. It is a schematic diagram showing the definition of the thermal shock load coefficient according to the present invention, Figure 4 is a diagram of the stress field acting on the crack in the rock during the underground LNG storage operation according to the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 공동 주변 암반의 열역학적 안정성 평가 방법은, 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께에 대한 설계가 암반 굴착후 극저온 액체가스를 저장함에 따라 암반 벽면에 새로운 균열을 발생시킬 것인지에 대한 평가(S50 참조)와, 암반의 기존 균열을 전파시킬 것인지에 대한 평가(S70 참조), 및 부가적으로 신규 균열 발생을 억제하기 위한 공동 주변 암반의 허용 온도를 평가(S60 참조)하는 방법으로 크게 구성된다.As shown in Figure 2, the method for evaluating the thermodynamic stability of the rock around the cavity according to the present invention, the design of the layout of the storage cavity and the design of the insulation thickness, the new cracks on the rock wall as the cryogenic liquid gas stored after the rock excavation An assessment of whether to generate (see S50), an assessment of whether to propagate existing cracks in the rock (see S70), and additionally to evaluate the permissible temperature of the rock around the cavity to suppress the occurrence of new cracks (see S60). The method is largely composed.

상기 신규 균열 발생 여부에 대한 평가 방법(S50)에서는, 굴착후 암반벽면에 최소 압축응력

Figure 112005037733440-pat00053
작용시, LNG 저장으로 주변 암반에 작용할 유도 열응력
Figure 112005037733440-pat00054
으로 인해 압축응력이 작아져 이 값이 인장응력으로 전환되더라도 그 합이 암석의 열충격내하계수
Figure 112005037733440-pat00055
보다 작다면 안전한 것으로 평가한다.In the evaluation method (S50) for the occurrence of the new crack, the minimum compressive stress on the rock wall surface after excavation
Figure 112005037733440-pat00053
Induced thermal stress to act on surrounding rock by storing LNG
Figure 112005037733440-pat00054
The compressive stress is reduced so that even if this value is converted to tensile stress, the sum of the coefficients of thermal shock
Figure 112005037733440-pat00055
If smaller, it is considered safe.

복공식 저장 공동의 경우, 극저온 액체가스의 저장에 따라 주변 암반은 서서히 냉각되며 따라서 지하수가 배수되는 조건에서는 저장 공동 벽면에서 일정 떨어진 지점에서 공동을 둘러싸고 차수빙벽층(Ice ring)을 형성하게 된다. 그러나 암반은 불균질하므로 지점에 따라 차수빙벽이 형성되는 거리는 다르므로, 만약의 경우 차수빙벽층이 공동과 매우 가까운 거리에서 생성되는 경우를 대비하여 지하수의 얼음으로의 상변화에 따른 동결 팽창압의 크기를 고려하는 것이 필요하다.In the case of the vented storage cavity, the surrounding rock is gradually cooled with the storage of the cryogenic liquid gas, so that the groundwater drains and surrounds the cavity at a certain distance from the storage cavity wall to form an ice ring. However, because the rocks are inhomogeneous, the distance from which the water ice wall is formed varies depending on the point. It is necessary to consider the size.

따라서, 본 발명에서는 혹시 발생 가능한 동결 팽창압이 암석 및 암반의 저항력을 감소시키는 방향으로 작용하게 되는 것을 고려하여 상기 열충격내하계수

Figure 112005037733440-pat00056
에서 상기 동결 팽창계수
Figure 112005037733440-pat00057
을 뺀 값을 균열발생 안정계수
Figure 112005037733440-pat00058
로 정의한다. Therefore, in the present invention, the thermal shock load coefficient is considered in that the freezing expansion pressure that may be generated acts in the direction of reducing the resistance of rock and rock.
Figure 112005037733440-pat00056
The freeze expansion coefficient at
Figure 112005037733440-pat00057
Cracking stability factor minus
Figure 112005037733440-pat00058
Defined as

또한, 상기 열충격내하계수

Figure 112005037733440-pat00059
는 암석의 인장강도
Figure 112005037733440-pat00060
와 유사한 개념으로서, 열충격이 발생할 수 있으리라 예상되는 저장공동의 취약부나 저장 초기 및 LNG의 반복 입하 시에는 인장강도에서 열충격량을 뺀 값으로 정의하되, 일반적인 상태의 저장시에는 암석의 인장강도
Figure 112005037733440-pat00061
와 동일한 것으로 정의한다.In addition, the thermal shock load coefficient
Figure 112005037733440-pat00059
Is the tensile strength of the rock
Figure 112005037733440-pat00060
The concept is similar to that defined by the weakness of the storage cavity where thermal shock is expected to occur or the initial storage and repeated loading of LNG, the tensile strength minus the thermal shock amount.
Figure 112005037733440-pat00061
It is defined as the same as.

주변 암반이 열충격을 받으면 그에 따라 암석의 인장강도

Figure 112005037733440-pat00062
는 저하될 수 있어 더 높은 온도에서 새로운 균열이 발생할 수 있다. 또한 인장강도는 온도가 저하함에 따라서도 영향을 받을 수 있으므로, 단일한 상수로 정의하기는 불가능할 것이다. 그러므로 상기 열충격내하계수
Figure 112005037733440-pat00063
는 온도저하에 따른 영향을 고려한 인장강도에서 열충격 응력수준을 감한 나머지 인장강도의 여유치로서 다음과 같이 계산한다(도 2의 S51 및 도 3 참조). When the surrounding rock is thermally shocked, the tensile strength of the rock
Figure 112005037733440-pat00062
Can be degraded and new cracks can occur at higher temperatures. Tensile strength can also be affected by decreasing temperature, so it will not be possible to define it as a single constant. Therefore, the thermal shock load coefficient
Figure 112005037733440-pat00063
Is the marginal value of the remaining tensile strength after subtracting the thermal shock stress level from the tensile strength in consideration of the effect of the temperature decrease is calculated as follows (see S51 and FIG. 2 of FIG. 2).

Figure 112005037733440-pat00064
.....................(식 1)
Figure 112005037733440-pat00064
..... (Equation 1)

이때, 상기

Figure 112005037733440-pat00065
는 암반의 인장강도(MPa),
Figure 112005037733440-pat00066
는 각각 암반의 탄성계수 및 포아송비,
Figure 112005037733440-pat00067
는 열팽창계수(/℃)이고,
Figure 112005037733440-pat00068
는 Biot 정수이다. Biot 정수는 다음과 같이 정의되는 무차원 수이다.At this time, the
Figure 112005037733440-pat00065
Is the tensile strength of the rock (MPa),
Figure 112005037733440-pat00066
Are the modulus of elasticity and Poisson's ratio, respectively
Figure 112005037733440-pat00067
Is the coefficient of thermal expansion (/ ° C.),
Figure 112005037733440-pat00068
Is a Biot integer. Biot integer is a dimensionless number defined as

Figure 112005037733440-pat00069
Figure 112005037733440-pat00069

이때, 상기

Figure 112005037733440-pat00070
는 암반의 열전도도(W/m℃),
Figure 112005037733440-pat00071
는 암석의 대류 열전달계수이며,
Figure 112005037733440-pat00072
는 열충격이 고려되는 암반의 두께이다. 이들 값들은 열물성값들과 해당 경계조건들로부터 결정된다. At this time, the
Figure 112005037733440-pat00070
Is the thermal conductivity of the rock (W / m ℃),
Figure 112005037733440-pat00071
Is the convective heat transfer coefficient of the rock,
Figure 112005037733440-pat00072
Is the thickness of the rock where thermal shock is considered. These values are determined from the thermal property values and the corresponding boundary conditions.

이후, 상기와 같은 기본 이론 및 식들을 바탕으로 균열발생 안전계수

Figure 112005037733440-pat00073
를 산정(S52 참조)한 후, 저장공동의 배치계획 및 단열재 두께에 대한 설계가 암반 굴착후 액체가스를 저장함에 따라 암반 벽면에 새로운 균열을 발생시킬 것인지의 여부를 판단하기 위한 기준으로, 일반식Then, the crack generation safety factor based on the above basic theory and equations
Figure 112005037733440-pat00073
After estimating (see S52), the layout plan of the storage cavity and the design of the insulation thickness are used to determine whether to generate new cracks on the rock wall as the liquid gas is stored after rock excavation.

Figure 112005037733440-pat00074
...................(식 2)
Figure 112005037733440-pat00074
......... (Equation 2)

를 적용하여 그 만족여부로 안정성 여부를 판단하게 된다(S53 참조). It is determined whether or not the stability by applying the (see S53).

이때, 상기

Figure 112005037733440-pat00075
는 굴착후 최소 주응력이고,
Figure 112005037733440-pat00076
는 극저온 저장으로 인한 열유도 응력이며, 상기
Figure 112005037733440-pat00077
는 균열발생 안전계수로서 열충격내하계수인
Figure 112005037733440-pat00078
에서 동결팽창계수인
Figure 112005037733440-pat00079
를 뺀 값으로, 이때 상기 열충격내하계수
Figure 112005037733440-pat00080
는 온도저하에 따른 영향을 고려한 암석의 인장강도에서 열충격 발생시 예상되는 열충격응력을 감한 암석의 인장강도 여유치로서 계산된다. 또한 부호규약은 향후 모든 수식에서 인장응력을 양의 값으로 정의한다. At this time, the
Figure 112005037733440-pat00075
Is the minimum principal stress after excavation,
Figure 112005037733440-pat00076
Is the thermally induced stress due to cryogenic storage,
Figure 112005037733440-pat00077
Is the coefficient of safety of cracking,
Figure 112005037733440-pat00078
Freeze expansion coefficient
Figure 112005037733440-pat00079
Minus the thermal shock load coefficient
Figure 112005037733440-pat00080
Is calculated as the margin of tensile strength of the rock subtracted from the expected thermal shock stress at the tensile strength of the rock considering the effect of temperature drop. The code convention also defines the tensile stress as a positive value in all future equations.

한편, 상기 신규 균열 발생을 억제하기 위한 공동 주변 암반의 허용 온도 평가 방법(S60)은 냉각후 새로운 균열이 발생되는 것을 억제하기 위해 허용되는 최저온도

Figure 112005037733440-pat00081
을 일반식,On the other hand, the allowable temperature evaluation method (S60) of the rock around the cavity to suppress the occurrence of the new crack is the lowest temperature allowed to suppress the occurrence of new crack after cooling
Figure 112005037733440-pat00081
To the general formula,

Figure 112005037733440-pat00082
Figure 112005037733440-pat00082

로 산정한 후(S61 참조), 상기 온도저하량

Figure 112005037733440-pat00083
와 비교하여 상기 허용온도
Figure 112005037733440-pat00084
이 온도저하량으로 인한 최종 온도보다 더 낮은지를 판별하여 그 안전성 여부를 판단한다(S62 참조).Calculated by (see S61), the temperature drop
Figure 112005037733440-pat00083
The allowable temperature in comparison with
Figure 112005037733440-pat00084
It is determined whether the temperature is lower than the final temperature due to the temperature drop amount, and whether the safety thereof is determined (see S62).

이때, 상기

Figure 112005037733440-pat00085
는 공동주변 암반의 초기온도, 상기
Figure 112005037733440-pat00086
는 온도저하에 따른 암석의 인장강도, 상기
Figure 112005037733440-pat00087
는 굴착후 암반주변의 접선방향 응력, 상기
Figure 112005037733440-pat00088
는 냉각에 따른 암석의 평균 탄성계수, 상기
Figure 112005037733440-pat00089
는 암석의 열팽창계수, 상기
Figure 112005037733440-pat00090
는 암석의 포아송비이다.At this time, the
Figure 112005037733440-pat00085
Is the initial temperature of the rock around the cavity,
Figure 112005037733440-pat00086
Is the tensile strength of the rock according to the temperature decrease,
Figure 112005037733440-pat00087
Is the tangential stress around the rock after excavation,
Figure 112005037733440-pat00088
Is the average modulus of elasticity of the rock as it cools,
Figure 112005037733440-pat00089
Is the coefficient of thermal expansion of the rock,
Figure 112005037733440-pat00090
Is the Poisson's ratio of the rock.

상기 식은 상기한 식 2에서 열충격 내하계수

Figure 112005037733440-pat00091
를
Figure 112005037733440-pat00092
로 정의하고, 동결팽창계수
Figure 112005037733440-pat00093
는 무시하고,
Figure 112005037733440-pat00094
대신 이론식으로 쉽게 구할 수 있는
Figure 112005037733440-pat00095
로 대체하여 아래 식으로부터 산출된 것이다. The formula is the thermal shock load coefficient of the formula 2
Figure 112005037733440-pat00091
To
Figure 112005037733440-pat00092
Freeze expansion coefficient
Figure 112005037733440-pat00093
Is ignored,
Figure 112005037733440-pat00094
Instead of a theoretical formula
Figure 112005037733440-pat00095
Is calculated from the following equation.

Figure 112005037733440-pat00096
Figure 112005037733440-pat00096

여기서,

Figure 112005037733440-pat00097
이다.here,
Figure 112005037733440-pat00097
to be.

상기 기존 균열 전파 여부에 대한 평가 방법(S70)에서는 굴착후 기존 균열에 대한 응력

Figure 112005037733440-pat00098
작용시, LNG 저장으로 인한 유도 열응력
Figure 112005037733440-pat00099
으로 인해 압축응력이 작아져 그 합이 균열 선단 응력이 파괴 인성보다 작다면 균열이 확장 전파되지 않고 안전한 것으로 평가한다. In the evaluation method (S70) to determine whether the existing crack propagation stress for the existing crack after excavation
Figure 112005037733440-pat00098
Induced thermal stress due to LNG storage
Figure 112005037733440-pat00099
Therefore, if the compressive stress is small and the sum is smaller than the crack tip stress, the crack is evaluated as safe without expanding propagation.

저장 공동 주변 암반은 많은 기존 균열(암석 절리)를 포함하고 있으므로, 안정성을 확보하기 위해서는 냉열로 인한 저장 공동 주변 기존 균열의 전파의 가능성 역시 평가되어야 한다(도 1 참조). Since the rock around the storage cavity contains many existing cracks (rock joints), the possibility of propagation of the existing cracks around the storage cavity due to cold heat must also be evaluated to ensure stability (see FIG. 1).

기존 균열의 전파는 균열 첨단에서의 응력집중이 전파 가능성 여부의 주 원인이므로 파괴역학적 개념으로 다룰 수 있다. 선형탄성 파괴역학(linear elastic fracture mechanics)에서의 균열 전파는 균열 첨단에서의 응력확대계수(stress intensity factor, K)가 재료의 파괴인성(

Figure 112005037733440-pat00100
)과 크거나 같은 경우에 발생한다고 정의된다(
Figure 112005037733440-pat00101
). 균열들은 인장 또는 전단 메커니즘에 의해 전파될 수 있다. The propagation of existing cracks can be treated as fracture mechanics because stress concentration at the crack tip is the main cause of propagation potential. Crack propagation in linear elastic fracture mechanics has a stress intensity factor (K) at the tip of the crack.
Figure 112005037733440-pat00100
Is greater than or equal to)
Figure 112005037733440-pat00101
). The cracks can propagate by a tension or shear mechanism.

암반 내에서 균열 전파에 대한 과거의 기술은 대부분 역학 및 수리 하중과 관련된 것들이다. Rahman 등은 현지 암반 응력장에서 균열 내부 유체 압력을 받는 암석 균열의 전파 가능성을 평가한 바 있다(Rahman, M.K. 등, An analytical method for mixed-mode propagation of pressurized fractures in remotely compressed rocks, Int. J. Fracture 103:243-258, 2000). 또한, 지하 LNG 저장 공동 주변의 암반은 공동 굴착에 의한 응력 재분배가 발생할 뿐 아니라, 저장물의 냉열에 의한 열유도 응력이 발생한다. Past techniques for crack propagation within rocks are mostly related to mechanical and hydraulic loads. Rahman et al. Have evaluated the possibility of rock cracking under local fluid stress in local rock stress fields (Rahman, MK et al., An analytical method for mixed-mode propagation of pressurized fractures in remotely compressed rocks, Int. J. Fracture 103: 243-258, 2000). In addition, the rock around the underground LNG storage cavity not only causes stress redistribution due to the cavity excavation, but also heat induced stress due to the cold heat of the stored material.

균열들이 물로 포화되어 있는 경우, 0℃ 이하 온도에서 얼음 생성에 의해 동결팽창압력이 또한 발생한다. 열응력과 동결팽창압은 일반적으로 굴착에 의한 응력의 방향과 반대로 작용하며 온도 저하에 따라 균열 전파의 가능성을 촉진시킨다. If the cracks are saturated with water, a freeze expansion pressure also occurs by ice formation at temperatures below 0 ° C. Thermal stress and freeze-expansion pressure generally work opposite the direction of stress due to excavation and promote the possibility of crack propagation with temperature drop.

또한 만일 암반 내 기존 균열들의 밀도가 높다면 많은 균열들이 서로 교차하게 되어 소규모 암석 블록들을 형성할 수 있다. 이 경우에는 국부적인 열응력은 이들 블록들의 상대 이동에 의해 감소될 수 있다. 따라서 암반의 균열 밀도(fracture density) 역시 균열 전파를 억제하기 위한 설계 방법에 고려되어야 한다. Also, if the existing cracks in the rock are dense, many cracks will intersect and form small rock blocks. In this case the local thermal stress can be reduced by the relative movement of these blocks. Therefore, the fracture density of the rock should also be considered in the design method for suppressing crack propagation.

본 발명에서는 상기와 같은 이론을 바탕으로 주변 암반의 균열밀도계수 (fracture density factor)

Figure 112005037733440-pat00102
를 정의한다. 균열밀도계수
Figure 112005037733440-pat00103
는 응력과 같은 단위로서 주변 암반에서 서로 상호 교차하는 균열들 또는 암석 블록의 수의 함수로 표현된다. 이 값은 지반 조사시 구한 RMR, Q 또는 RQD와 같은 암반분류 자료나 지표지질조사 등의 결과로부터 추정할 수 있다. 만일 무결암의 경우에는 상기 균열밀도계수
Figure 112005037733440-pat00104
가 0이 되고 상호 교차하는 균열들의 수가 증가함에 따라 그 값이 증가한다. 또한 균열 전파에 가장 취약한 대표 균열 형상 및 방향을 선정한다(S71 참조). In the present invention, the fracture density factor of the surrounding rock based on the above theory.
Figure 112005037733440-pat00102
Define. Crack density factor
Figure 112005037733440-pat00103
Is the unit of stress, expressed as a function of the number of cracks or rock blocks that cross each other in the surrounding rock. This value can be estimated from rock classification data such as RMR, Q, or RQD obtained from the soil survey, or from geologic surveys. If no rock, the crack density factor
Figure 112005037733440-pat00104
The value increases as becomes 0 and the number of intersecting cracks increases. In addition, the representative crack shape and direction most susceptible to crack propagation are selected (see S71).

상기에 따라 균열 전파에 대한 안전율로서 정의되는 균열전파 안전계수(Fracture Propagation Safety Factor)

Figure 112005037733440-pat00105
는 다음의 식으로 정의된다.Fracture Propagation Safety Factor, defined as a factor of safety for crack propagation as described above
Figure 112005037733440-pat00105
Is defined by the equation

Figure 112005037733440-pat00106
..........................(식 4)
Figure 112005037733440-pat00106
..... (Equation 4)

이후, 상기의 이론 및 수식들을 바탕으로 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께에 대한 설계가 암반 굴착후 액체가스를 저장함에 따라 암반의 기존 균열을 전파시킬 것인지의 여부를 판단하는 기준으로, 일반식Subsequently, based on the above theory and formula, the design of the layout of the storage cavity and the design of the insulation thickness are used as a standard for determining whether to propagate the existing crack of the rock as the liquid gas is stored after the rock excavation.

Figure 112005037733440-pat00107
......................(식 5)
Figure 112005037733440-pat00107
(Equation 5)

를 적용하여 만족 여부로 안정성을 판단하게 된다(S72 참조).It is determined whether the stability by applying the (see S72).

상기 식 5는 다음의 관계로부터 정의된다. 유효 응력확대계수(Effective Stress Intensity Factor)

Figure 112005037733440-pat00108
와 유효응력(Effective Stress)
Figure 112005037733440-pat00109
는 다음과 같은 관계식으로 정의할 수 있다(Surendra P. Shah, Stuart E. Swartz, Chengsheng Ouyang, 1995, Fracture Mechanics of concrete, Wiley Interscience).Equation 5 is defined from the following relationship. Effective Stress Intensity Factor
Figure 112005037733440-pat00108
And effective stress
Figure 112005037733440-pat00109
Can be defined by the following relationship (Surendra P. Shah, Stuart E. Swartz, Chengsheng Ouyang, 1995, Fracture Mechanics of concrete, Wiley Interscience).

Figure 112005037733440-pat00110
Figure 112005037733440-pat00110

따라서 유효응력

Figure 112005037733440-pat00111
은 도 4와 같이 LNG 저장후 주변 암반내 균열에 작용하는 응력들의 합으로서 정의할 수 있으므로 이를 정리하면 다음식과 같다. Therefore, effective stress
Figure 112005037733440-pat00111
As can be defined as the sum of the stresses acting on the crack in the surrounding rock after LNG storage as shown in Figure 4 summarized as follows.

Figure 112005037733440-pat00112
Figure 112005037733440-pat00112

Figure 112005037733440-pat00113
Figure 112005037733440-pat00113

마지막으로 응력확대계수

Figure 112005037733440-pat00114
가
Figure 112005037733440-pat00115
보다 작아야 균열의 전파가 발생하지 않으므로 위 식은 상기 식 5와 같이 변환된다.Finally stress intensity factor
Figure 112005037733440-pat00114
end
Figure 112005037733440-pat00115
Since the propagation of the crack does not occur to be smaller than the above equation is converted to the equation 5.

여기서 상기

Figure 112005037733440-pat00116
는 굴착에 의한 재분배 응력이고, 상기
Figure 112005037733440-pat00117
는 암반 냉각에 의한 열유도 응력, 상기
Figure 112005037733440-pat00118
는 고려되는 균열 길이의 1/2이며, 상기
Figure 112005037733440-pat00119
는 인장 방향에 대한 암석의 모드 I 파괴 인성으로 실험실 파괴역학 시험으로부터 구할 수 있다.Where above
Figure 112005037733440-pat00116
Is the redistribution stress due to excavation
Figure 112005037733440-pat00117
Is the heat induced stress due to rock cooling,
Figure 112005037733440-pat00118
Is 1/2 of the crack length under consideration, and
Figure 112005037733440-pat00119
Is the mode I fracture toughness of the rock with respect to the tensile direction and can be obtained from laboratory fracture mechanics tests.

이하, 도 2를 참고하여 액체가스 저장에 따른 지하공동 주변 암반의 열역학적 안정성을 확보하기 위한 설계방법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, referring to Figure 2 will be described a design method for securing the thermodynamic stability of the rock around the underground cavity according to the liquid gas storage.

일반적으로 지하공동 건설을 위한 대상 부지가 결정되면 부지 암석을 여러 가지 방법으로 채취하여 온도에 따른 암석의 인장강도

Figure 112005037733440-pat00120
, 암반의 열전도도
Figure 112005037733440-pat00121
, 암석의 대류 열전달계수
Figure 112005037733440-pat00122
, 암석의 열팽창계수
Figure 112005037733440-pat00123
, 인장 방향에 대한 암석 모드 I의 파괴 인성
Figure 112005037733440-pat00124
등 여러 가지 물성을 평가한다. 또한 이러한 암석의 물성 및 현지 암반의 상세 평가를 통해 암석 및 현지 암반의 탄성계수
Figure 112005037733440-pat00125
및 포아송비
Figure 112005037733440-pat00126
를 산정한다(S10 참조).Generally, when the site for the underground cavity construction is determined, the site rock is collected by various methods, and the tensile strength of the rock according to the temperature.
Figure 112005037733440-pat00120
Thermal conductivity of rock
Figure 112005037733440-pat00121
, Convective heat transfer coefficient of rock
Figure 112005037733440-pat00122
Coefficient of thermal expansion of rock
Figure 112005037733440-pat00123
Toughness in rock mode I for tensile direction
Figure 112005037733440-pat00124
Evaluate various physical properties. In addition, the elastic modulus of the rock and the local rock through the detailed evaluation of the physical properties and local rock
Figure 112005037733440-pat00125
And Poisson's ratio
Figure 112005037733440-pat00126
Calculate (see S10).

이후 저장 목적에 따라, 통상 사용되는 라이닝 및 컨테인먼트 시스템(containment system)을 설계한다. 컨테인먼트 시스템 중 단열재는 저장 공동의 주변 암반의 온도 전파를 결정하는 가장 중요한 요소이다. 다음 단계의 설계는 저장 공동의 형상, 폭, 높이, 심도, 공동 간 이격거리 등의 지하 저장 시설의 배치 계획을 수립한다(S20 참조).Then, depending on the storage purpose, the lining and containment system that is commonly used is designed. Insulation systems are the most important factor in determining the temperature propagation of the surrounding rock in the storage cavity. The design of the next stage establishes the layout of the underground storage facility, such as the shape, width, height, depth, and spacing of the cavities (see S20).

그리고 여러 문헌에 소개된 수식과 컴퓨터 수치모델을 이용하여 저장 공동 굴착에 따른 공동 근처 암반 접선응력

Figure 112005037733440-pat00127
및 접선응력중 최소 주응력
Figure 112005037733440-pat00128
를 산정한다. 다음으로 수치 모델 등을 이용하여 주변 암반에 생성되는 유도열응력
Figure 112005037733440-pat00129
및 온도 저하량
Figure 112005037733440-pat00130
를 산정한다(S30 참조). 지금까지의 단계는 통상 지하 시설물을 설계하기 위한 절차의 실시 예이다.And rock tangential stresses near the cavity due to storage cavity excavation using equations and computer numerical models presented in various literatures.
Figure 112005037733440-pat00127
Principal stress of stress and tangential stress
Figure 112005037733440-pat00128
Calculate Next, induced thermal stress generated in the surrounding rock using a numerical model
Figure 112005037733440-pat00129
And temperature drop
Figure 112005037733440-pat00130
Calculate (see S30). The steps thus far are typically embodiments of procedures for designing underground installations.

이후, 기존의 경험 및 컴퓨터 수치 모델을 이용한 해석을 통하여, 저장 심도 및 부지 조건에서 발생 가능한 동결팽창계수(Frost heaving factor)

Figure 112005037733440-pat00131
를 산정한다(S40 참조). Afterwards, through existing experiences and analysis using computer numerical model, the freezing heaving factor that can occur at storage depth and site conditions
Figure 112005037733440-pat00131
Calculate (see S40).

상기에 의해 동결팽창계수

Figure 112005037733440-pat00132
가 산정되면, 상기에서 언급된 신규 균열 발생 여부에 대한 평가(S50 참조), 및 기존 균열을 전파 여부에 대한 평가(S70)를 수행한다. 이때, 바람직한 실시예로는 상기 신규 균열 발생 여부에 대한 평가(S50 참조) 후 신규 균열 발생을 억제하기 위한 공동 주변 암반의 허용 온도 평가(S60 참조)를 부가적으로 수행하여 상기 안정성 평가 방법의 보조수단으로 활용하는 것이 바람직하다.Freeze Expansion Coefficient by
Figure 112005037733440-pat00132
If is calculated, the above-mentioned evaluation for the occurrence of the new crack (see S50), and the evaluation for propagating the existing crack (S70) is performed. At this time, as a preferred embodiment, after evaluating whether the new crack has occurred (see S50) and additionally performing an allowable temperature evaluation of the rock around the cavity (see S60) to suppress the occurrence of the new crack, the assistance of the stability evaluation method It is preferable to use as a means.

이후, 상기 각 평가에 대한 판단결과, 결과가 만족될 경우에는 수립된 저장공동의 형상, 폭, 높이, 심도, 이격거리, 단열재 두께가 적절히 설계된 것으로 상기 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께에 따라 상세 설계를 진행(S80 참조)시키고, 결과가 만족되지 않을 경우에는 상기 S20단계로 돌아가서 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께를 재결정한 후, 안정성 평가를 재차 수행한다.Subsequently, when the result of the evaluation for each evaluation is satisfactory, the shape, width, height, depth, separation distance, and insulation thickness of the established storage cavity are properly designed, and according to the layout plan and the insulation thickness of the storage cavity. Proceed to the design (see S80), and if the result is not satisfied, go back to step S20 to re-determine the layout plan and insulation thickness of the storage cavity, and then perform stability evaluation again.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 극저온 액체가스 저장에 따른 공동 주변 암반의 신규 균열 발생 및 기존 균열 전파를 억제하기 위한 열역학적 안정성 평가방법을 제공하고, 이를 지하 공동 설계시에 반영하도록 함으로써, 추후 실제 운영상태에서의 지하공동의 안정성을 확보할 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, by providing a thermodynamic stability evaluation method for suppressing the occurrence of new cracks and existing crack propagation of the rock around the cavity due to cryogenic liquid gas storage, and reflecting this in the underground cavity design, It is possible to ensure the stability of the underground cavity in the operating state.

Claims (7)

극저온 액체가스 저장에 따른 지하공동 주변 암반의 열역학적 안정성 평가 방법에 있어서, In the thermodynamic stability evaluation method of the rock around the underground cavity according to cryogenic liquid gas storage, 저장공동의 배치계획 및 단열재 두께에 대한 설계가 암반 굴착후 액체가스를 저장함에 따라 암반 벽면에 새로운 균열을 발생시킬 것인지의 여부를 판단하기 위한 기준으로, 일반식The layout plan for the storage cavities and the design of the insulation thickness are the criteria for judging whether or not to generate new cracks in the rock walls as the liquid gas is stored after rock excavation.
Figure 112005037733440-pat00133
Figure 112005037733440-pat00133
 를 적용하여 그 만족여부로 안정성 여부를 판단하되, 상기
Figure 112005037733440-pat00134
는 굴착후 최소 주응력이고, 상기
Figure 112005037733440-pat00135
는 극저온 저장으로 인한 열유도 응력이며, 상기
Figure 112005037733440-pat00136
는 균열발생 안전계수로서 열충격내하계수인
Figure 112005037733440-pat00137
에서 동결팽창계수인
Figure 112005037733440-pat00138
를 뺀 값으로 계산되며,Determine whether or not the stability by applying the above, but
Figure 112005037733440-pat00134
Is the minimum principal stress after excavation, and
Figure 112005037733440-pat00135
Is the thermally induced stress due to cryogenic storage,
Figure 112005037733440-pat00136
Is the coefficient of safety of cracking,
Figure 112005037733440-pat00137
Freeze expansion coefficient
Figure 112005037733440-pat00138
Calculated as minus 상기 열충격내하계수
Figure 112005037733440-pat00139
는 온도저하에 따른 영향을 고려한 암석의 인장강도에서 열충격 발생시 예상되는 열충격응력을 감한 암석의 인장강도 여유치로서 계산되는 것을 특징으로 하는 극저온 액체가스 저장에 따른 지하공동 주변 암반의 열역학적 안정성 평가 방법Thermal shock load coefficient
Figure 112005037733440-pat00139
Is calculated as the margin of tensile strength of the rock subtracted from the thermal shock stress expected when thermal shock occurs in the tensile strength of the rock considering the effect of temperature drop.The method of evaluating the thermodynamic stability of the rock around the underground cavity according to cryogenic liquid gas storage 상기 제1항에 있어서, 상기
Figure 112005037733440-pat00140
는 The method of claim 1, wherein
Figure 112005037733440-pat00140
Is 통상적인 운영시에는
Figure 112005037733440-pat00141
로 계산되고, In normal operation
Figure 112005037733440-pat00141
Is calculated as 운영초기 및 반복 입출하시에는
Figure 112005037733440-pat00142
로 계산되며, During the initial and repeated operation
Figure 112005037733440-pat00142
Is calculated as 이때, 상기
Figure 112005037733440-pat00143
는 온도저하에 따른 암석의 인장강도, 상기
Figure 112005037733440-pat00144
는 온도저하량, 상기
Figure 112005037733440-pat00145
는 각각 암석 혹은 암반의 탄성계수 및 포아송비, 상기
Figure 112005037733440-pat00146
는 열팽창계수(/℃)이고, At this time, the
Figure 112005037733440-pat00143
Is the tensile strength of the rock according to the temperature decrease,
Figure 112005037733440-pat00144
Is the temperature drop,
Figure 112005037733440-pat00145
Are the elastic modulus and Poisson's ratio of the rock or rock, respectively,
Figure 112005037733440-pat00146
Is the coefficient of thermal expansion (/ ° C.), 상기
Figure 112005037733440-pat00147
는
Figure 112005037733440-pat00148
로 정의되는 무차원 상수로서, 상기
Figure 112005037733440-pat00149
는 암반의 열전도도(W/m℃), 상기
Figure 112005037733440-pat00150
는 암석의 대류 열전달계수, 상기
Figure 112005037733440-pat00151
는 열충격이 고려되는 암반의 두께인 것을 특징으로 하는 극저온 액체가스 저장에 따른 지하공동 주변 암반의 열역학적 안정성 평가 방법remind
Figure 112005037733440-pat00147
Is
Figure 112005037733440-pat00148
As a dimensionless constant defined by
Figure 112005037733440-pat00149
Is the thermal conductivity of the rock (W / m ℃),
Figure 112005037733440-pat00150
Is the convective heat transfer coefficient,
Figure 112005037733440-pat00151
Is the thickness of the rock that is considered thermal shock method of thermodynamic stability evaluation of the rock around the underground cavity due to cryogenic liquid gas storage 극저온 액체가스 저장에 따른 지하공동 주변 암반의 열역학적 안정성 평가 방법에 있어서,In the thermodynamic stability evaluation method of the rock around the underground cavity according to cryogenic liquid gas storage, 냉각후 새로운 균열이 발생되는 것을 억제하기 위해 허용되는 최저온도
Figure 112005037733440-pat00152
을 일반식,Minimum temperature allowed to prevent new cracks from forming after cooling
Figure 112005037733440-pat00152
To the general formula,
Figure 112005037733440-pat00153
Figure 112005037733440-pat00153
 로 산정한 후, 상기 온도저하량
Figure 112005037733440-pat00154
와 비교하여 상기 허용온도
Figure 112005037733440-pat00155
이 온도저하량으로 인한 최종 온도보다 더 낮은지를 판별하여 그 안전성 여부를 판단하되,After calculating the, the temperature decrease amount
Figure 112005037733440-pat00154
The allowable temperature in comparison with
Figure 112005037733440-pat00155
Determine whether the temperature is lower than the final temperature due to the temperature drop, or not, 상기
Figure 112005037733440-pat00156
는 공동주변 암반의 초기온도, 상기
Figure 112005037733440-pat00157
는 온도저하에 따른 암석의 인장강도, 상기
Figure 112005037733440-pat00158
는 굴착후 암반주변의 접선방향 응력, 상기
Figure 112005037733440-pat00159
는 냉각에 따른 암석의 평균 탄성계수, 상기
Figure 112005037733440-pat00160
는 암석의 열팽창계수, 상기
Figure 112005037733440-pat00161
는 암석의 포아송비인 것을 특징으로 하는 극저온 액체가스 저장에 따른 지하공동 주변 암반의 열역학적 안정성 평가 방법remind
Figure 112005037733440-pat00156
Is the initial temperature of the rock around the cavity,
Figure 112005037733440-pat00157
Is the tensile strength of the rock according to the temperature decrease,
Figure 112005037733440-pat00158
Is the tangential stress around the rock after excavation,
Figure 112005037733440-pat00159
Is the average modulus of elasticity of the rock as it cools,
Figure 112005037733440-pat00160
Is the coefficient of thermal expansion of the rock,
Figure 112005037733440-pat00161
Is the Poisson's ratio of the rock thermodynamic stability evaluation method of the rock around the underground cavity due to cryogenic liquid gas storage 극저온 액체가스 저장에 따른 지하공동 주변 암반의 열역학적 안정성 평가 방법에 있어서, In the thermodynamic stability evaluation method of the rock around the underground cavity according to cryogenic liquid gas storage, 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께에 대한 설계가 암반 굴착후 액체가스를 저장함에 따라 암반의 기존 균열을 전파시킬 것인지의 여부를 판단하는 기준으로, 일반식The design of the layout of the storage cavities and the design of the insulation thickness are used to determine whether to propagate the existing cracks in the rock as it stores liquid gas after rock excavation
Figure 112005037733440-pat00162
Figure 112005037733440-pat00162
 를 적용하여 만족 여부로 안정성을 판단하되,
Figure 112005037733440-pat00163
는 굴착에 의한 재분배 응력이고, 상기
Figure 112005037733440-pat00164
는 암반 냉각에 의한 열유도 응력, 상기
Figure 112005037733440-pat00165
는 고려되는 균열 길이의 1/2이며, 상기
Figure 112005037733440-pat00166
는 인장 방향에 대한 암석 모드 I의 파괴 인성이고, 상기
Figure 112005037733440-pat00167
는 균열전파 안전계수로서, 일반식To determine the stability by satisfaction,
Figure 112005037733440-pat00163
Is the redistribution stress due to excavation
Figure 112005037733440-pat00164
Is the heat induced stress due to rock cooling,
Figure 112005037733440-pat00165
Is 1/2 of the crack length under consideration, and
Figure 112005037733440-pat00166
Is the fracture toughness of rock mode I with respect to the tensile direction, and
Figure 112005037733440-pat00167
Is the propagation factor of crack propagation,
Figure 112005037733440-pat00168
Figure 112005037733440-pat00168
 로 계산되며, 이때 상기
Figure 112005037733440-pat00169
는 동결팽창계수이고, 상기
Figure 112005037733440-pat00170
는 주변 암반의 균열밀도계수로서 지반 조사시 구한 RMR, Q 또는 RQD와 같은 암반분류 자료나 지표지질조사의 결과로부터 추정되는 것을 특징으로 하는 극저온 액체가스 저장에 따른 지하공동 주변 암반의 열역학적 안정성 평가 방법Is calculated as
Figure 112005037733440-pat00169
Is the freeze expansion coefficient, and
Figure 112005037733440-pat00170
Is the crack density coefficient of the surrounding rock, which is estimated from rock classification data such as RMR, Q, or RQD obtained from the ground survey, or from the results of surface geologic survey. 극저온 액체가스 저장에 따른 지하공동 주변 암반의 열역학적 안정성을 확보하기 위한 설계방법에 있어서, In the design method for securing the thermodynamic stability of the rock around the underground cavity due to cryogenic liquid gas storage, 적용 대상 암석과 암반의 역학적/열역학적 물성을 평가하는 단계;Evaluating the mechanical and thermodynamic properties of the rock and rock to be applied; 공동의 폭, 심도, 이격거리에 대한 지하저장시설의 배치 계획을 수립하고, 단열재의 두께를 결정하는 단계;Establishing a layout of the underground storage facility for the width, depth, and separation distance of the cavity, and determining the thickness of the insulation; 상기에 의한 역학적/열역학적 물성 평가 값에 따라 역학적/열역학적 변수를 이론적/수치 해석적으로 계산하는 단계;Calculating theoretical / numerical analysis of mechanical / thermodynamic parameters according to the mechanical / thermodynamic property evaluation values according to the above; 계획 심도에 따른 암반의 동결팽창계수
Figure 112006080345291-pat00171
를 산정하는 단계;Freezing Expansion Coefficient of Rock Mass According to Planned Depth
Figure 112006080345291-pat00171
Calculating a; 상기 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께에 대한 설계가 암반 굴착후 액체가스를 저장함에 따라 암반 벽면에 새로운 균열을 발생시킬 것인지의 여부를 판단하기 위한 기준으로, 일반식The layout plan of the storage cavity and the design of the insulation thickness are used to determine whether to generate new cracks on the rock wall as the liquid gas is stored after the rock excavation.
Figure 112006080345291-pat00172
Figure 112006080345291-pat00172
 를 적용하여 만족 여부로 안정성을 판단하되, 상기
Figure 112006080345291-pat00173
는 굴착후 최소 주응력이고,
Figure 112006080345291-pat00174
는 극저온 저장으로 인한 열유도 응력이며, 상기
Figure 112006080345291-pat00175
는 균열발생 안전계수로서 열충격내하계수인
Figure 112006080345291-pat00176
에서 동결팽창계수인
Figure 112006080345291-pat00177
를 뺀 값으로, 이때 상기 열충격내하계수
Figure 112006080345291-pat00178
는 온도저하에 따른 영향을 고려한 암석의 인장강도에서 열충격 발생시 예상되는 열충격응력을 감한 암석의 인장강도 여유치로서 계산하는 단계;To determine the stability to the satisfaction by applying the above
Figure 112006080345291-pat00173
Is the minimum principal stress after excavation,
Figure 112006080345291-pat00174
Is the thermally induced stress due to cryogenic storage,
Figure 112006080345291-pat00175
Is the coefficient of safety of cracking,
Figure 112006080345291-pat00176
Freeze expansion coefficient
Figure 112006080345291-pat00177
Minus the thermal shock load coefficient
Figure 112006080345291-pat00178
Is calculated as the tensile strength margin of the rock subtracted from the thermal shock stress expected when thermal shock occurs in the tensile strength of the rock considering the effect of temperature decrease; 상기 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께에 대한 설계가 암반 굴착후 액체가스를 저장함에 따라 암반의 기존 균열을 전파시킬 것인지의 여부를 판단하는 기준으로, 일반식The layout plan of the storage cavity and the design of the insulation thickness are used to determine whether to propagate the existing crack of the rock as the liquid gas is stored after the rock excavation.
Figure 112006080345291-pat00179
Figure 112006080345291-pat00179
 를 적용하여 만족 여부로 안정성을 판단하되, 상기
Figure 112006080345291-pat00180
는 굴착에 의한 재분배 응력이고, 상기
Figure 112006080345291-pat00181
는 암반 냉각에 의한 열유도 응력, 상기
Figure 112006080345291-pat00182
는 고려되는 균열 길이의 1/2이며, 상기
Figure 112006080345291-pat00183
는 인장 방향에 대한 암석 모드 I의 파괴 인성이고, 상기
Figure 112006080345291-pat00184
는 균열전파 안전계수로서, 일반식To determine the stability to the satisfaction by applying the above
Figure 112006080345291-pat00180
Is the redistribution stress due to excavation
Figure 112006080345291-pat00181
Is the heat induced stress due to rock cooling,
Figure 112006080345291-pat00182
Is 1/2 of the crack length under consideration, and
Figure 112006080345291-pat00183
Is the fracture toughness of rock mode I with respect to the tensile direction, and
Figure 112006080345291-pat00184
Is the propagation factor of crack propagation,
Figure 112006080345291-pat00185
Figure 112006080345291-pat00185
 로 계산되되, 이때 상기
Figure 112006080345291-pat00186
는 동결팽창계수이고, 상기
Figure 112006080345291-pat00187
는 주변 암반의 균열밀도계수로서 지반 조사시 구한 RMR, Q 또는 RQD와 같은 암반분류 자료나 지표지질조사의 결과로부터 추정하여 계산하는 단계;Calculated as
Figure 112006080345291-pat00186
Is the freeze expansion coefficient, and
Figure 112006080345291-pat00187
Is a crack density coefficient of the surrounding rock, which is calculated by estimating from rock classification data such as RMR, Q, or RQD obtained from the ground survey or from the results of geologic survey; 상기에 의한 판단결과, 결과가 만족될 경우에는 상기 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께에 따라 상세 설계를 진행시키고, 결과가 만족되지 않을 경우에는 상기 저장 공동의 배치계획 및 단열재 두께를 재결정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 극저온 액체가스 저장에 따른 지하공동 주변 암반의 열역학적 안정성을 확보하기 위한 설계방법As a result of the determination, if the result is satisfied, the detailed design is carried out according to the layout plan and the insulation thickness of the storage cavity, and if the result is not satisfied, the process of re-determining the layout plan and the insulation thickness of the storage cavity Design method for securing the thermodynamic stability of the rock around the underground cavity due to cryogenic liquid gas storage 상기 제5항에 있어서,The method of claim 5, 냉각후 새로운 균열이 발생되는 것을 억제하기 위해 허용되는 최저온도
Figure 112005037733440-pat00188
을 일반식,Minimum temperature allowed to prevent new cracks from forming after cooling
Figure 112005037733440-pat00188
To the general formula,
Figure 112005037733440-pat00189
Figure 112005037733440-pat00189
 이때, 상기
Figure 112005037733440-pat00190
는 공동주변 암반의 초기온도, 상기
Figure 112005037733440-pat00191
는 온도저하에 따른 암석의 인장강도, 상기
Figure 112005037733440-pat00192
는 굴착후 암반주변의 접선방향 응력, 상기
Figure 112005037733440-pat00193
는 냉각에 따른 암석의 평균 탄성계수, 상기
Figure 112005037733440-pat00194
는 암석의 열팽창계수, 상기
Figure 112005037733440-pat00195
는 암석의 포아송비로서, 각 항을 상기 식에 대입하여 산정한 후, 상기 온도저하량
Figure 112005037733440-pat00196
와 비교하여 상기 허용온도
Figure 112005037733440-pat00197
이 온도저하량으로 인한 최종 온도보다 더 낮은지를 판별하여 그 안정성 여부를 판단하는 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 극저온 액체가스 저장에 따른 지하공동 주변 암반의 열역학적 안정성을 확보하기 위한 설계방법At this time, the
Figure 112005037733440-pat00190
Is the initial temperature of the rock around the cavity,
Figure 112005037733440-pat00191
Is the tensile strength of the rock according to the temperature decrease,
Figure 112005037733440-pat00192
Is the tangential stress around the rock after excavation,
Figure 112005037733440-pat00193
Is the average modulus of elasticity of the rock as it cools,
Figure 112005037733440-pat00194
Is the coefficient of thermal expansion of the rock,
Figure 112005037733440-pat00195
Is the Poisson's ratio of the rock, is calculated by substituting each term into the above formula
Figure 112005037733440-pat00196
The allowable temperature in comparison with
Figure 112005037733440-pat00197
Design method for ensuring the thermodynamic stability of the rock around the underground cavity due to cryogenic liquid gas storage, characterized in that it further comprises the step of determining whether the stability is lower than the final temperature due to the temperature decrease amount 상기 제5 또는 제6항에 있어서,The method according to claim 5 or 6, 상기 적용 대상 암석과 암반의 역학적/열역학적 물성에 대한 평가 항으로는 온도에 따른 암석의 인장강도
Figure 112005037733440-pat00198
, 암반의 열전도도
Figure 112005037733440-pat00199
, 암석의 대류 열전달계수
Figure 112005037733440-pat00200
, 암석의 열팽창계수
Figure 112005037733440-pat00201
, 인장 방향에 대한 암석 모드 I의 파괴 인성
Figure 112005037733440-pat00202
, 암석 혹은 암반의 탄성계수
Figure 112005037733440-pat00203
, 및 암석 혹은 암반의 포아송비
Figure 112005037733440-pat00204
이며,The evaluation terms for the mechanical and thermodynamic properties of the rock and rock to be applied include tensile strength of the rock according to temperature.
Figure 112005037733440-pat00198
Thermal conductivity of rock
Figure 112005037733440-pat00199
, Convective heat transfer coefficient of rock
Figure 112005037733440-pat00200
Coefficient of thermal expansion of rock
Figure 112005037733440-pat00201
Toughness in rock mode I for tensile direction
Figure 112005037733440-pat00202
Modulus of rock, rock or rock
Figure 112005037733440-pat00203
, And Poisson's ratio of rock or rock
Figure 112005037733440-pat00204
Is, 상기 역학적/열역학적 변수로는 굴착에 따른 공동 근처 암반의 접선응력
Figure 112005037733440-pat00205
, 상기 접선응력 중 최소 주응력
Figure 112005037733440-pat00206
, 극저온 저장으로 인해 주변 암반에 생성되는 유도 열응력
Figure 112005037733440-pat00207
, 및 온도저하량
Figure 112005037733440-pat00208
인 것을 특징으로 하는 극저온 액체가스 저장에 따른 지하공동 주변 암반의 열역학적 안정성을 확보하기 위한 설계방법The mechanical and thermodynamic parameters include the tangential stresses of the rock near the cavity due to excavation.
Figure 112005037733440-pat00205
, The minimum main stress of the tangential stress
Figure 112005037733440-pat00206
Thermal stress generated in the surrounding rock due to cryogenic storage
Figure 112005037733440-pat00207
, And temperature drop
Figure 112005037733440-pat00208
Design method for securing thermodynamic stability of rock around underground cavity due to cryogenic liquid gas storage
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