岩盐矿溶腔稳定性数值模拟及工程应用探讨

一、引言

岩盐矿作为一种重要的矿产资源，广泛应用于化工、食品加工等领域，同时其形成的溶腔因密封性好、力学性能稳定等特点，还被用于地下油气储库、核废料处置库等地下空间开发。然而，岩盐矿溶腔在形成与服役过程中，受地质条件、溶腔形态、荷载作用等因素影响，易出现变形、坍塌等稳定性问题，不仅会造成资源浪费，还可能引发地面沉降、地质灾害等安全隐患。随着岩盐资源开发强度的加大与溶腔利用范围的拓展，传统基于经验的稳定性评估方法已难以满足工程对精度与安全性的要求。数值模拟技术凭借其能精准模拟复杂地质环境与力学行为的优势，成为岩盐矿溶腔稳定性分析的核心手段。因此，深入研究岩盐矿溶腔稳定性数值模拟方法，并探索其工程应用路径，对保障岩盐矿开发安全、提升溶腔利用效益具有重要的理论意义与实践价值。

二、岩盐矿溶腔稳定性的关键影响因素

2.1 地质条件因素

地质条件是决定岩盐矿溶腔稳定性的基础因素。一方面，岩盐岩层的纯度与结构均匀性至关重要，若岩层中夹杂泥岩、石膏等杂质，会导致岩层力学性能不均，降低溶腔整体稳定性；另一方面，地质构造（如断层、裂隙）的发育程度直接影响溶腔受力状态，断层活动可能引发溶腔壁岩体位移，裂隙则会加剧地下水渗透，加速溶腔扩张或变形。此外，地应力分布（水平应力与垂直应力的比值）也会改变溶腔周边岩体的受力平衡，不合理的地应力状态易导致溶腔出现应力集中现象，诱发稳定性风险。

2.2 溶腔自身特性因素

溶腔自身的形态、尺寸与埋深对稳定性影响显著。在形态方面，规则的圆形、椭圆形溶腔受力更均匀，应力集中程度低，稳定性优于不规则形态（如狭长形、多边形）溶腔；尺寸上，溶腔半径过大或高度过高会增加腔壁岩体的荷载负担，降低结构稳定性；埋深则与地应力大小正相关，埋深过浅会导致溶腔承受的地应力不足，难以维持自身结构平衡，埋深过深则会因地应力过大引发腔壁岩体压缩变形。同时，溶腔的形成过程（如溶浸速率、溶浸时间）也会影响腔壁岩体的完整性，过快的溶浸速率可能导致腔壁岩体出现剥落现象。

2.3 外部荷载与环境因素

外部荷载与环境变化会打破溶腔原有的力学平衡。在外部荷载方面，地下水位变动会产生水压力差，导致溶腔壁岩体受水力劈裂作用，引发裂隙扩展；地面工程活动（如建筑施工、矿产开采）产生的附加荷载会传递至溶腔周边岩体，加剧应力集中。环境因素中，温度变化会引起岩盐岩体的热胀冷缩，长期温度波动可能导致腔壁岩体出现疲劳损伤；地下水的化学侵蚀则会溶解岩盐矿物质，削弱岩体强度，加速溶腔变形。

三、岩盐矿溶腔稳定性常用数值模拟方法

3.1 有限元法（FEM）

有限元法是岩盐矿溶腔稳定性模拟的主流方法之一，其核心原理是将溶腔及周边岩体离散为有限个单元，通过建立单元力学方程并求解整体方程组，模拟岩体的应力、应变状态。该方法能灵活处理复杂的几何形态与边界条件，可精准模拟溶腔在不同地应力、荷载作用下的变形规律，尤其适用于分析溶腔长期蠕变特性（岩盐具有明显的蠕变力学行为）。在应用中，需结合岩盐岩体的本构模型（如弹塑性模型、黏弹性模型），输入岩体弹性模量、泊松比、蠕变参数等力学参数，通过计算获取溶腔壁位移量、应力集中区域等关键指标，为稳定性评估提供数据支撑。

3.2 离散元法（DEM）

离散元法适用于模拟岩盐岩体中存在裂隙、断层等不连续面的情况，其将岩体视为由大量离散颗粒或块体组成的系统，通过计算块体间的接触力与运动状态，分析岩体的破坏过程。与有限元法相比，离散元法更能反映岩体的非连续变形特性，可直观模拟溶腔壁岩体的剥落、崩塌等失稳现象，尤其在分析溶腔受地质构造影响的稳定性问题时优势明显。在模拟过程中，需定义块体的接触模型（如线性接触模型、 Hertz-Mindlin 接触模型）与强度参数（如内摩擦角、黏聚力），通过监测块体位移、接触力变化，判断溶腔失稳的可能性与破坏模式。

四、岩盐矿溶腔稳定性数值模拟的工程应用方向

4.1 溶腔设计优化

在岩盐矿溶腔开发与利用初期，通过数值模拟可对溶腔形态、尺寸、埋深等设计参数进行优化。例如，针对地下油气储库溶腔，模拟不同直径、高度的溶腔在运营荷载（如油气压力）作用下的稳定性，确定最优几何参数；对核废料处置库溶腔，模拟不同埋深下溶腔的应力状态与蠕变变形，确保溶腔长期服役安全性。同时，可通过模拟溶浸过程中溶腔形态的动态变化，优化溶浸工艺参数（如溶浸液流量、浓度），减少溶腔发育的不规则性，提升溶腔稳定性。

4.2 稳定性监测与预警

将数值模拟与现场监测数据结合，可构建溶腔稳定性动态监测与预警体系。通过数值模拟预测溶腔在不同工况下的变形趋势，建立位移、应力等指标的安全阈值；现场利用钻孔应变计、测斜仪等设备获取岩体力学参数与溶腔变形数据，将实际数据与模拟结果对比，若发现偏差超出允许范围，及时分析原因并调整工程措施。例如，当模拟显示某区域溶腔应力集中风险较高时，可加强该区域的现场监测频次，提前防范失稳事故。

4.3 工程风险评估

在岩盐矿溶腔周边开展地面工程（如道路、建筑建设）前，通过数值模拟评估溶腔稳定性对工程的影响。模拟地面工程附加荷载传递至溶腔周边岩体的过程，分析溶腔变形是否会导致地面沉降或工程结构损坏；对已存在的老旧溶腔，模拟其在自然环境变化（如地下水位升降）下的稳定性，评估其对周边工程的潜在风险，为工程选址、设计提供依据，避免因溶腔失稳引发工程事故。

五、结论

岩盐矿溶腔稳定性是保障岩盐资源开发与地下空间利用安全的核心问题，其受地质条件、溶腔特性、外部荷载等多因素综合影响。有限元法、离散元法、边界元法等数值模拟方法，凭借各自优势为溶腔稳定性分析提供了精准、高效的技术手段，其中有限元法因能处理复杂非线性问题，在工程中应用最为广泛。在工程实践中，数值模拟可用于溶腔设计优化、稳定性监测预警与工程风险评估，为岩盐矿溶腔的安全开发与利用提供重要支撑。未来，需进一步完善岩盐岩体本构模型，提高数值模拟对长期蠕变、化学侵蚀等复杂工况的适应性；加强数值模拟与物联网、大数据等技术的融合，构建智能化的溶腔稳定性管控体系，推动岩盐矿溶腔开发利用向更安全、高效、可持续的方向发展。

参考文献

[1] 刘成伦,徐龙君,鲜学福. 浅埋薄层岩盐溶腔稳定性的数值模拟计算[J]. 重庆大学学报（自然科学版）,2003,26(3):143-146. DOI:10.3969/j.issn.1000-582X.2003.03.038.

[2] 郭建强. 基于弹性应变能盐岩屈服准则及其工程应用研究[D]. 重庆:重庆大学,2014.

[3] 张倩倩. 深埋芒硝水溶开采溶腔长期稳定性研究[D]. 重庆:重庆大学,2012.DOI:10.7666/d.y2153469.