автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Интенсификация сооружения подземных хранилищ в каменных солях с применением энергии взрыва

М& правах дозтьвск

ПЕКАРЬ Николай Николаевич

КШКйМШй! С001У2ЕКДЯ ПОДЗШШХ ХСОЗШЩ

в кшжпкх сшях с пгаш!шиьи внурпш е;рьь..

Специальность 05.1&.04 - Строительство к

подрсшцх сооружен

' А в т о р о ф

диссертации на соискание технических

ера;

ученой степей»' иандциат« наук

Гула 1997

ï-atave ¡к.пздаена с Отврмтои акикокеркоь-' обществе Украйнегого Институт» по проеяткрояанвл объектов таопгой про^зявикостп "jrr^rnr-îipoeK'r",

р>1й)БОЛйтель - яокт.техн.наук Нагорный В.11.

1»$чячвлы«» оппоненты! иэкт.те:ян.н?.уи Исфзрешш Ь-г-гений Маркогн ■

ка!!д. тезш. нлук Сатин Мгоръ Ильич

Ведущее превпргише - Н^едо-исолельваг!: кьскйВ институт проблем траиспяп «: яроеггероь-ения

Зы,;;та ¿ялсертедия состоятся Чз^Х"» С? é?_1997 г.

/¿^».-нсов но ог.о*.пенни диссертационного совета Д СбЗ.47.0! !госуппрстг.гчногс j>»ieepcKveift по адресуs 300600,

г, Тула, пр, Ленг.на, 92.

С nMCMpTfiunei' уоико ознакомиться ь библиотеке Тульского госудорстсемюго уннверектеРй.

/чл'о«ч-::гервт рарослен __IS?? г.

Учеььи ое«ргтарь ^

••.исог-гткционного со ест»,

каад.техн.неук О.М.Пкскунов

ОБЩАЯ ' ХАРАКТЕРИСТИКА РАМ,ТЫ

Актуальность работы. Обеспеченность хранилищами, является основнш Лектором, характеризующим уровень технической вооруженности и народнохозяйственной дефективности нефтяной, газовой и нефтеперерабатывающей промышленности. В -странex СНГ осногмсй технологией сооружения подземных хранилищ (объемом ICO тне.м3 и более) является размыв подземных емкостей в камениосоляных структура;-:. Этому способствует богатая горио-геологическвя база? около 20 еоле-носныя бцесейнов пригодны для сооружения подземных хранилищ обпим объемом 200-250 млн.мп. Однако, сушествуюшая технология строительства облапает серьезными недостатками. Первый из них - при начальной стадии размыва концентрация рассолн в 10-30 раз меньше предельного значения. Это приводит к увеличению сроков строительства хранилищ, перерасходу электроэнергии и растворителя и снижает технико-окононп-ческие показетели строящихся объектов. Как правило, сооружение поп-земных емкостей осуществляется в слояннх горно-геологических условиях, когпа в соляном массиве присутствуют пласты (или проплёгтки) прочных горных пороп, обшее содержание которых мотет доходить по 20-30 Экранируя поверхность обменных процессов, нерастворимые отложения существенно затрудняют выбор оптимальной схемы размыва емкости й резко снижают эффективность работ. В большинстве случаев необходимо принудительное обрушение нерастворимых отлоггений, опнеко известные рекомендации пригодны.лишь для редко встречающейся комбинации горно-геологических и строительных условий. Все зто требует разработки специальных метопов попготопки горного массива к началу технологического процесса размыва, одним из которых является использование энергии взрыва, как метопа одновременного воздействия на каменную соль и нерастворимые отложения. Эффективное применение г?нер-гии взрыва для интенсификации размыва емкостей возможно лишь на качественно новой физической основе управления поведением г тлей и нерастворимых пород при импульсных нагрузках, приводящих к снижении прочности пород и разуплотнению их структуры. .

Таким, образом, комплекс научно-технических задач, связанных с всесторонним изучением новых физических закономерностей изменения состояния солевых И нерастворимых порол при динамических нагрузках, разработке на их основе взрывных методов интенсификации строительства крупных подземных хранилищ в соляных массивах г., едставляется как актуальная звпаие, иметапя важное народнохозяйственное значение в области горностроительннх работ.

Цель работы- установление закономерностей изменения физико-мехпнических характеристик солевых и нерастворимых порой при динамических нагрузках: для выбора параметров взрывных работ, обеспечивающих интенсификации сооружения подземных хранилиш б каненншс солях.

Идея работы заключается в применении энергии взрыва для разуплотнения каменной соли и повышения ее растворимости. Методы, исследования включают теоретические нлследовалия 'сбружния пластов принудительной нагруо.кой; лабораторные исследования поведения солей и нерастворимых пропластков при изменении вида напряженного состояния образцов пород; статистическую обработку вкепериментальных данных? сопоставительный анализ пкспериментальных и расчетных данных.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

установлены ¡закономерности изменения физико-механических характеристик каменных солей и н;-^четверимых пород при неравномерно).« динамическом погружении, что позволяет аффективно управлять „взрывным нагружением при исправленном формировании свойств пород и процессе сооружения подзе.'^их емкостей в каменных солях в различных горно-геологических условиях строительства;

на основании исследования напряженно-деформированного состоя-ш!)! пластов разработаны условия их обрушения, позволяющие определить предельную нагрузку на пласт, в т.ч. при сооружении хранилищ п.н больших глубинах;

разработаны конструкции торпед и схемы подрыва зарядов, обес-иечиьагсше реким короткозамедлвнного взрывания,' что позволяет со-,¡давать в обрабатываемом соляном массиве напряженное состояние требуемой неравномерности нагрутения;

разработаны методика расчета и рекомендации по применение ■чшргии взрыва, позволяющие определить параметры взрывных работая достижения необходимого разуплотнения пород в облаоти вврывно! обработки соляного массива. 4

.Достоверность Научных поло» е" кий выьодов и рекомендаций, сформулированных в циеие(-тации, Подтверждается удовлетворительным согласованием полу ценных теоретических и лабораторное результатов (расхождение не ирешйает 20 %) и успешным практическим использованием разрабо-и.нши рекомендаций на предприятии "Неман" (Белоруссия}.

Практическое а качение работы за-клочается в разработка аффективных технологий интенсификации раз-шва подзешьгх емкостей в какенных солях, для чего:

обоснованы рациональные .конструкции торпед и разработчик схемы взрываная зарядов, обеспечивающие требуемое неравномерно? нагру»е-ние массовая

разработаны расчетные формулы по определении параметров взривно-го нагругени.т соляных и нерастворимых отлотгенкй для достга^няп разуплотнения и снижения прочности пород;

разработаны и утверждены рекомендация по эффективно^ чпедениг вершите работ чра сооружения емкостей в солях катодом рягиына.

Р е а л в а а ц я л работ, Предложенные технологии взрывных работ прешли ип<*тноч1рокйэденнув проверку и использованы при с;роительстве псдзегаюс хранилищ в паиенных солях на комбината "Неман" (Белоруссия).

Разработаны "Рекомендецки по применению зкергии взрыва при сооружения подземных хранили: а каменных солях методом р&змыкя", которые приняты комбинатом "Неман" (Белоруссия) й используются с целью интенсификации гедония разгаточжх работ при строительстве емкостей. 1

От внедрения результатов исследований, по лучен егеономичоеккя эффект более 1,9 млн.руб. (в ценах IS90 г.). Результаты исследований' могут быть использованы другими организациями, связанные со строительством горних объектов И разработкой месторождений полезных ископаемых геотехнологическим способом.

Апробация работы. Работа и отдельные разделы докладывались и получили одобрение на школе-семинаре по взрывным явлениям (г. Алушта, I99I-I992 гг.), на отраслевых совещаниях при комбинате "Неман" (г. Моэырь, I990-I99I гг.), на научно-технических совещаниях п ПО "Астраханьгазпром" (г. Астрахань, I99I-I9°2 гг.), на научно-техническом семинаре кафедры сооружения трубопроводов и хранилищ ШТУНГ (г. Ивано-Франковск, 1990 г.), на научно-технически;: советах институтдв "АстраханьНИПИгаз" (г. Астрахань, 19901992 гг.),, ВНШгалургии (г. Санкт-Петербург, 1991 г.), "Укргазпро-ект" (г. Киев, 1991, 1996 гг.), на зкспериментально-техническом-семинаре ОГВ ИГФ HAH Украины (г. Киев, 1994 г.).

П у б л и к а ц и и. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения

И приложений. Обжкй oti-ьем составляет I6G страниц, включая 29 рисунков, 12 таблиц, список кспользовадией литературы из 164 наименований и *? приложений.

Автор вьраяает глубокую благодарность научному руководители, дог; тору технических наук Ь.П.Нагорному за консультации i: критические замечания при дбсувденкн работы, а г вше. за постоянное внвмакие при внедрении рекомендаций работы.

СОДЬРШМЕ РАБОТУ

Во введении обоснована 'актуальность теш диссертационной рабо-,ты н дана ее обшьл характеристика.

. 13 первом разделе .диссертации приводится анализ современного состояния и опыта строительства подземных хрониляи в каменных солел метопом размыва. В разработку катодов управляемого размыва емкостей в каменных солях существенный кклап внесли И.А.Куяло, П.И.Гофман-3&-харов, В.А.Мазуров, Г .И, Задора, В.й.Глоба, Е.М.Шгфаренко, Б.И.Смирнов, А.И.Игошин, А.Г.Псздняков. Н.Н.Федоров, и.Т.Еадовец, В.С.Валюта, A.D.Колосов, О.Ы.Иванцов, ¿.П,Малюков, В.В.Вологкн, Н.К.Стукало-ва, Г.Н.Вилков, В.С.Яковлев и другие ученые.

Известные, в настояиее врекк способы интенсификации процесса растворения каменной соли (повышение тегаературы растворителя, магнитная обработка воды и ультразвуковая обработка массива, применение поверхностно-активных веиеств и другие) требуют применения дорогостоящего оборудования, не экономичны к )ль..ю пригодны в большинстве случаев размыва емкостей в слохньтс горно-геологических условиях строительства при наличии в рабочей зоне размыва нерастворимых пластов в про--пластков прочных горных пород., Поэтому перспективна разработка методов, которые позволяют одновременно.воздействовать и на каменную • соль и на нерастворимые отложения с целью направленного изменения их свойств для ускорения процесса разшва. Одник на таких методов является метод, предполагающий использование энергии взрыва.

У настоящее время имеются значительные успехи в изучении разрушавшего действия взрыва в горных, породах, Фундаментальный вклад в теорию и практику механики взрыва внесли известные ученые Н.В.Мельников, Ф.А.Баум, Г.И.Покровский, О.Е.Власов, Г.М.Ляхов, В.Н,Родионов/ С. С .Григорян, В Л«!. Кузнецов, В.А.Боровиков, В.П.Мосинец, Е.Г.Ба-, рано в, А. А. Во г,к, К. Н.Ткачу к, $ .И. Кучерявый, 3. И..Ефремов, М.Ф.Друко~ ванный, Г.И.Черный, М.Кук, Ч.Норрен, У.Лангсфорс и другие исследователи. -

Наибольшее распространение и практике- взрывных работ получили аироко известные методы управления Espusou на основе регулирования длительности и скорости взрывного нагруяення." Однако, даже при 'взрывах на малой глубине (до 50...100 м), когда влияние горного давления не столь существенно, радиус зоны взрывного разрушения в пассиве при-использования традиционных методов взрывания не превышает 15...20 радиусов'заряда. Сушественное изменение проницаемости массива, наблидается лшь в зоне дробления породи до В.».10 радиусов заряда.

Попытки решить проблему' интенсификации размыва емкостей в соли на основе применении традиционных фугасных торпед оказались'малоэффективными. Кумулятивная перфорация создает лишь зародышевую систему трешнн, а разрыв пластов давлением пороховых газов дает значительное пространственное,разрушение, однако количество обраэуюиих-ся трещин мало,' что не эффективно при размыве емкостей, где на ход размывочных работ сильное влияние оказывает величина поверхности растворения солей. Йюгочисленнре исследования показывают, что механическое поведение горных пород и необратимое изменение их свойств зависят'от неравномерности напряженного состояния в массиве, существенно изменяющим характер деформационного процесса. Горные породы способны увеличивать свой объем при сжатии (разуплотняться) в зависимости от разности главных напряжений. Значительный вклад в изучение явления разуплотнения среды при ее нагруяении внесли Е. И. Шемякин, А.Н.Ставрогин, Б.H .Николаевский, А.Ф .Ревуяенко, А.В.Мн-хал »к, В.П.Нагорный,- Ь.М.Лодус, А. Б.Фадеев, У.Ф.БреЯс, К.Д.Баайер-ля, Н.Д.Зобак, Ж.Р.Райе, С.А.Кюррел и другие ученые. При этом важным аффектом, сопровождающим разуплотнение пород при неравномерном сгатии, является изменение их проницаемости и в допредельной области нагруяения, что.увеличивает поверхности растворения и существенно при размыве емкостей в каменных солях. Однако, немногочисленные работы, в которых содержатся результаты изучения свойств солей п$и статических условиях нагруягенкя, не позволяют прогнозировать поведение их при неравномерном нагруиении и изменении его во времени.

1'аким образом, эффективное применение энергии взрыва для интен-сификации строительства подземы: хранилит,в каменных солях возможно при условии разработки новых технологий ведения взрывных работ на основе управления поведением солевых И нерастворимых пород пра ' импульсных нагрузках, обеспечивающих возможность направленного и необратимого изменения свойств пород (прочности,-пропицаемоти и

чи.) не только в области макрараоруиеннй, но и оа со предолга»), где уровень нагрутсния не пре вкатает предела упругости.

На основе вышеизложенного автор работа сформулировал приведенные вкяе задачи исследований и выбрал их реиения.

Бс старом разделе приведены результаты экспериментальных исследований поведения каменных солей и нерастворимых пород при неравномерных динамических нагрузках.

Особенности поведения горных пород при неравномерных динамических нагрузках Ц т.ч. с имитацией горного давления) изучались с применением разработанного в Институте геофизики НАН Украины стенда, обеспечивающем изменение в широких пределах вида напряженного состояния образца при сжатии - от одноосного до всесторонне равномерного, что определяется соотношение« размеров рабочего пространства испытательной камеры и образца, наличием к отсутствием в камере »и'дкоста, создающей давление на образец.

При проведении экспериментов степень неравномерности кагруяе-ния образцов горных пород характеризовалась параметром \ ~ ,

где к 6~х - наименьшее н наибольшее главные напряжения. Динамическому воздействии подвергались образин каменной соли и нерастворимых пород, представленных известняками, песчаниками, ангидритами, алевролитами и аргиллитами. Экспериментальные образца имела -цилиндрическую форму диаметром. 4.1x10 и + 5 % и высотой 7.5x10"*' + 5 %. Динамическое нагружение создавалось ударом свободно падающего груза в вертикальном копре 100-/^-122,

Область и усло'виа иагруяений в образцах определялись тем, что ь дальнейшем при разработке технологий варьтной обработки массива результаты экспериментальных исследований будут определять физическую основу динамических методов воздействия на породный массив д целью его,разуплотнения и разупрочнения. При отом при динамическом нагруиении образцов особое внимание уделялось поведению образцов ь области давлений, сравнимых'с проростью пород, поскольку пространственная область разрушений при более высоких давлениях невелика но сравнению с обпей зоной действия -взрыва и достаточно изучена.

Изучение процесса £сформирования в горных породах осуществлялось на основе анализа диаграмм динамического деформирования горных порол. Информацией для построения таких диаграмм били донные обработки осциллограмм изменения напряжений и деформаций в исследуемых образцах во времени при их динамическом нагруаении.

Аньляя результатов окспериыентальньх исследований, влияния неравномерности динамического нагруяения на обгемное деформирование

? -

горных пород позролил установить возрастание величины пбтенной деформации разуплотнения пород при увеличении неравномерности их ля-груяения, что проявляется в увеличении объема образца при неравномерном динамическом сжатии. При втом, для устойчивого разуплотнении структуры исследуемых типов нерастворимых пород необходимо, чтобы пояаэатоль нерагномерности иагругения массива J был «о меньшим, чем 0.1...0.13. У каченной соли устойчивый процесс разуплотнения ез структуры начинается уже при неравномерном нагручгении с покан«-тзлем j = 0.25, что гозорк? о более высокой доступности управления разуплотнением солей по сравнению с другими горными породами. Flpiî дальнейшем увеличении неравномерности динамического нвгружепи.т разуплотнение какснних -<7"еЯ повышается, что представлено tía ркс. I

Разуплотнение пород при неравномерной динамическом нагруггенан, обусловленное увеличением об-ьем.'. микротрешиноватости, зарождением к развитием но тле грешкн, сказывается, на физико-механкческих характеристиках пород. Анализ вдоперккентальных данных позволил установить, что сопротивление горных пород деформированию с ростом необратимой объешой деформации пород уменьшается. С ростом неравномерности нагруяения (пуда уменьшении J от 0,2 до 0,05) продел упругости пород уменьшается (в 4.5 роза у известняков и в 2.?...3.1 раза у менее прочных пород). Заметное влияние оказывает неравномерности Нагругения на величину сцепления С горных пород, при этом наименьшие значения оцепления отмечаются при более высокой неравномерности напряженного состояния. Так, в известняках при изменении ¿ от 0,3 до О.ОЬ величина сцепления уменьшается в 1.42 раза; в каменной соли это уменьшение более существенно и составляет 3..3 раза. Что касается внутреннего трения, то некоторое малозаметное возрастание угла, внутреннего трония <р о ростом J отличается лишь у известняков, для Других пород влияние £ на изменение величины • f не заметно. Следовательно, изменением внутреннего трения при изменениях параметра J в практических расчетах параметров взрывных работ допустимо пренебречь. .

С учетом независимости угла от показателя J известное условие Кулона-Мора предельного равновесия пород дает возможность проанализировать влияние неравномерности нагружения массива при импульсном воздействии на изменение величины <5¡ , т.е. на переход породы в предельное состояние. Анализ показывает, что с уменьпени-ем показателя J величина отношения JС также уменьшается, что свидетельствует о снижении величины порога разрушения породы с увеличением неравномерности нагругения массива.

- е -

Рис, I. Влияние неравномерного динамического нагружения на объемное дефорш'рованке каменной соли: а, б, в - Рг = 0.0; Ю7? Р.. Ох'Ю7 Па' .1-4 _ £ = 0.3; 0,26; 0.18? 0,1

. Установлено также, что характеристики пород суоюстр.еит.о затея г и от числа последовательных неравномерных динамических нагругемнй. С увеличением количества нагруяениП модуль &га заметно умбньшлс-т-' ся (в 2.0 раза у известняков-и ангидритов при четырехкратной м в 4.0 раза у каменной соли при трехкратном воздействии) Довольно существенна послеаовательнасть неравномерных дингшческнх нйгру»еиик влияет и на величину сцепления горных пород. Результаты экспериментов указывают на_оезноо уменьшение величины сцепления с ростом числа ударов (к примеру, в 4.1...4.3 раза у ангидритов и. иэвастнякоь у»э при трехкратном наг рулении). Особо следует выделит!- резкое снижения при последовательных неравномерных нагругениях г«еличины сце-■ плс-ния у каменной соли. Так, если при первом импульсном воздействии значение величины сцепления составляет 34.4x10 Па, при повторном нагрувении величина сцепления падает до значения 11.4x10^ 11а, то уге при трехкратном нагрузен;т величина сцепления не превышает ¡значения 3.4x10^, что убедительно говорит о целесообразности многократного неравномерного динамического нагрузгения соли для снижения еа прочностных свойств.

Таким образом, прочностные характеристики пород существенно зависят как от вида, так и от количества неравномерных динамических, нвгруя'ений, что имеет большое значение для повышения эффективности управляемого взрывного воздействия на породный массив. Установленное снижение величины прочностных характеристик горных пород при увеличений неравномерности нагружения в дальнейшем использовано кик физическая основа разработки взрывных методов понижения прочности нерастворимых отложений для их самообруаения в процессе строительства подзем"чх емкостей в каменных солях в сложных горно-геологических условиях.

В настоящее время наиболее активная инженерная деятельность по испольоозанИп недр земли в качестве подземных хранилищ различного типа связана с глубинами 0.5...3.5 км. В соответствии с этим диапазон изменения начального напряженного состояния образцов в испытательном стенде превышал 45.0 Ша. Результаты экспериментов с имитацией горного давления Показали, что при Рг ~ 4.ЬхЮ/ Па моДуль Юнга юрных пород увеличивается на 30.,.70 % по сравнению о-отсутствием давления, что соответствует наблюдениям других исследователей.. Наибольшая скорость изменения модуля Шга наблюдается до значений /З. = (2.5...3.0)х10''' Па, на больших Глубинах влияние горного давления на модуль й(га ослабевает., '

- ю - - •

В результате анализа экспериментов по одноосному деформировании каметшя солей с показателем ^ = 0,3 установлено, что казенная соль в допредельном состоянии сохраняет линейное соотнрвенна ыеед> напряжением и деформацией при различных значения* горного давления. Вместе с тем, горное давление увеличивает сопротивление -кшоннсй соли деформированию. Как видно из рис. I, увеличений горного давления приводит такко к уменьшению обгвниой деформации разуплотнения каменных солей. В-области г;е малых давлений (см. рнсЛ, в) при невысокоЬ ..йерввкокприосги напряженного состояния в образце уьгличение горного давления мэяет привести к иоменению характере. деформированного процесса! разуплотнение соли колет сизнитьол уплотнением ее структуры, Для интенсификации разуплотнения струи-тури соли в подобных случаях необходимо создавать реэиш динвди-ческсго нагрузяеиия с показателем $ в границах значений ОЛа.,ОЛ5. Следует отметить, что для других рорных пород (:с примеру песчаников) увеличение горного давления таете приводит к снижению разуя-лояияемости их структуры.

Таким образом/ анализ -результатов оксперицентов показал, нто ипатке начального напряженного состояний влияет ка махачичаейое поведение пород при их неравномерном динамическом нагрукениц. С увеличением горного давления павыэщотся проиностнцв свойства пород, уменыаается необратимая.составлявшая деформации разуплотнения пород, что приводит к сокращении размеров .зоны раорушений в породном массиве. Это обстоятельство необходимо -учитывать при планировании взрывных работ на больших глубинах, где одним'ка !'.е-тодзв управления поведением горных пород является прздварнтёяьиый учет влияния горного давления на развитие деформационный процессов в породных массивах. .

Е третьем „разделе, приведены теоретические исследования напряженно-деформированного состояния нерастворимых обнаженных штатов, появляющихся в процессе-сооружения емкостей в.соляном массиве при наличии в контура размыва отлс»иний прочных горных пород. Решение задачи по определению напряженного состояния обнаженного пласта под действием принудительной нагрузки производилось с иелользова- . ииеы основная положений теории изгиба тонких пластин. При этом предг..,латалось, что мощность пласта значительно меньше родиу-еа ' Я его обнажения.

В цилиндрической системе координат решение уравнения изгиба пласта под действием равномерно распределенной нагрузки интенсивности Р

где >? - угол поворота исрыали к срединной поверхности пласта; 9 •■• поперетаая сила? J) - жесткость пласта на изгибу К" "JíÍRVZ-,/Г сила, обусловленная гор«шм давлением и действушпя в срединной плоскости .пягста) с ужатой условий г/еСткого заземления пласта по контуру обнажения 'fl-,,^ ~ Уг-0 - 0 имеет вид'

Анализ нзгибаших искентоз

показывает, что наибольшая является Mz\i'i *

При этом о увеличением нагрузки на пласт напряжения 6", и 6.¿ . возрастают, причем характер «спряжений'«вменяется вдоль радиуса пласта: максимальнее снимавшие напряжения действуют в центре'нагруженной поверхности пласта, с расстоянием от центра пласта эти напряжения уменкячвтся fio нуля, и в дальнейшем, становясь растягиваниями,' увеличиваются . до контура защемления пласта, где максимальными яйлявтся радиальные напряжения

¿-«JA*

6L =

6PR* - ' - (4>

(a-K*)h

9

Обрушение нерастворимого пласта произойдет тогда, когда достигнет значения, равного пределу прочности породы .пласта на .разрыв 6р (поскольку для горных пород значение в 8..Д0 раз меньше предела прочности на сжатие ¡Т0 )', следовательно, предельная нагрузка на пласт составляет

Б частности, при /\~0 (т.е. при отсутствии горного давхо-л'.м) из соотношения (Ь) следует условие

л * т

Ор ; (6)

. Ира саьюобруиении пласта иакоашишвя кошость пласта со став-лает

где - удельный вес породы пласта.

• Совместный учет внешней распределенной нагрузки интенсивности Р П собственного веса пласта мощности А приводит к условию

Я-Ш^-гЛ

(В)

В случае, когда равномерно распределенная нагрузка обеспечивается путем залива гадкоети (рассола) поверх пласта необходимая еы-сота столба жидкости для обруиения пласта составляет

л. ■■(Щ-п],

" - Гр £ '3 I и.

где , - удельный вес дацпкости.

Как'видно, необходимая для обрушения пласта Нагрузка возрастает е увеличением модности подлежащего обрушению пласта, прочности породы на разрыв и уменьшается с ростом размеров зоны его обнажения. Силы, обусловленные наличием горного давления и действушие е срединной плоскости пласта," усиливают прогиб пласта, что приводит к некоторому уменьшению величины предельной нагрузки (на 5.0...10.О % для глубин до Ь.О км), необходимой для обрушения пласта, '

Сопоставление результатов теоретических исследований цапряжен-но-деф.ормированного состояния пластов с экспериментальными данными по нвгру^ению моделей пластов на испытательном стенде при одних и тех яе параметрах иагрурения показывает сходимость результатов, при атом разброс показателей не превышает Ю.0...1&.0 %. Разрушение моделей пластов из гипсоцеиентной смеси (гипс строительный - 95 %, .

цемент - 4 ?-■ гидравлической нагрузкой показало, что, наиболее отчетливо проявились треиикы по контуру задеиления пласта, пря этом в количественном отношении расчетная волячнна нагрузки согласно формулы (6) отличается ат фактически предельной в эксперименте но более, чем ца 10,0 чго говор!-!? о достаточной для практики надежности теоретического метода расчета параметров нвгрууения при обрусения такого рода пластов,

В четверток разделе пзлоясиы результаты разработок ногах технологических схем ведения взравных работ по кнтенсификецки сэоругения норзешых крснилит в каменных солях методом разкмра. Для погыиенкя разуплотнявсего и разупрочкяшого действия взрыва ' в породных массива* иооС'юздш параметры нагрумния выбирать таким образок, чтобы увеличить продолжительность напряженного состояния высокой неравномерности. Управлять видом напряженного состояния породы при взрыве предлагается путем суперпозиции рзривкых воли с.*' действия нескольких зарядов, взрываемых а замедлением.

Анализ (шмекздш показателя неравномерности погружения среды ^ при взрыве зарядов показал, что наиболее предпочтительными с позиции -оовдания в мастеве длительного состояния шсокой неравномерности (при ^^ 0.1...0.15) являются две охемн взеииэдейст-* вия еарядов.

Для первой схемы величина замедления взрывания-зарядов шжду собой определяется пс формуле

для второй

где О, - масса заряда} 3 - показатель симметрии взрыва (для плоской симметрии равен I, для осевой - 2, и для центральной ~ 3); 2 - р&сотояние 07 центра взрыва; Оа , в0 , <Яу и 6М ~ экспериментальные коэффициенты, определяемые по результатам на-Гру*сКИЯ пород.

При ведении взрывных работ по первой схеме наблюдается увеличение суммарной амплитуды по сравнению с ¿^ (€) и ^0:) первого и второго взрывов, суммарная яе амплитуда 0А(Ь) наметао'уменьиается, что в целом способствует увеличению неравномерности динолаческого нагру»ения; а наличие двухгорбовой конфигурации суммарных и напряжений позволяет нспользо-

|.«ть гффеkt снижения прочностных• х&рактериотин пород пр» последо-

ватеявных неравномерных нагругения*. У второй охеш суммарное Напряжение ß'f(t) увеличивается несколько сильнее, чек в первой, мри почти неизменной (по отношению к амплитудам. ff} '(t) и ашлитудо суммарного напряжения • Ьск и у гарвой охам/, • •

конфигурация суммарного напряжения &/(£) имеет ?ыт два каксмцу-ма, кроме того, у второй схемы (начиная со середины нагруянпя) разность Öt(t)~ Ö^Ct) в 1.4...1.5 раза больне. чему отдельного взрыва, что создг=ет условия для развития деформаций сдвиге и способствует процессу разуплотнения в обрабатывпмом массива.

Реализация суперпозиции взрывных волн при верьте зарядов осуществлялась применением спеця^яьйо разработанной конструкции торпед. Суммарный заряд торпеды состоит из двух (или нескольких) зарядов, взрив которых с замедлением обеспечивает создание в маооп--ве неравномерного динамического н -сужения'. Необходимое врекя замедления взрыва зарядов в торпеде обеспечивается отрезком детонирующего шнура СЧБ) соответственней длины. Заряды помешаются Б корпус торпеды, предупреждающий рпрушение торпеды при спуске се в расчетный интервал обработки."Отрезок ДД1 для реализации кероткоза-медлекногс взрывания разметается в кеггэарядном промежутке. В случае, когда длина отрезка ДШ больше длины иеязарядного промежутка, детоиируюЕНй шнур навивается на цилиндрический стержень (обычно деревянный), разметаемый таете в меяаарядном промежутке. Шаг витков детонирующего шнура определяется из условия предотвращения -прямой передачи детонации по охвикинной жидкости. Взрывшие vop-педы осуществляемся электрическим способом.

Обыая масса заряда в торпеда при разуплотнении соляного массива определяется по форцуле

л - Г5l(kCl£tIM±än

L 2Q+tip

где hm - 'требуемая, глубина взрывной проработки соляного массива;, 1?р~ скорость продольных волн в обрабатываемом'массиве; Q+ и 6t - параметры, значения которых рассчитываются с учетом упругих и прочностных свойств каменной со ли; 2р - граница распространения третий разрыва в породе при взрыве заряда радиусом

, 1 hPo-Prt 6j

р ä V -м '

где Ра - начальное давление продуктов детоиецчи;. Рг - гордое ' давление в зоне разрушения; бр - прочность горной породы на разрыв.

В случаз, когда расчетное давление взрывной волны при взрыве "заряда требуемой кассы ¿1_ превышает значение предельно допустимого давления в основной колонне сквагины, торпедирование выполняется с применением средств з&еиты сяв&аин, что дает воэгдс»-ность понизить амплитуду взрывной волны, распространявшейся в основной колонне до'безопасного уровня.

Взрывная обработка нерастворимых пластоэ с цольа последуйте-го их саз-'ообруаяти осупгествляется как до начала основного технологического процесса размыва емкости предварительным разупрочне- . иием. пласта взрывом, ток я при частичном обнажении нерастворимого пласта в процессе размыва^

1 Значение оптимального показателя' неравномерности нагру^ения 5 при взрывной обработав нерастворимого пласта выбирается на основбнии В5?еперименткяъных данных поведения "образцов пород пласта, при их неравномерном динамическом нагрууснии. Величина раару ■• шаЬкэго напряжения при показателе неравномерности нагруяония ^ определяется по формуле

г = ~.2С°ехр(5д)со5 9 ' О-бщ(р)-$({ -ьбГпТр) '

па

где С ~ пеличтаа сцепления э порода при испытаниях на одноосное с;тт::о; <р - угол внутреннего ,трения в горной породе? В -екоперИмЕнтальиый коэффициент».

Сравнивая величину 6} со значением прочности породы пласта ьа разрыв бр устанавливаем необходимое количество взрывных воздействий на городу пласта для достижения условий его самообрушения в процессе размыва емкости. .

Для практического применения с учетом предложенных условий обрувенпя пластов разработаны номограммы,, позволяющие определить параметры Иэгругсния для обрушения (сшообруяенил) нерастворимых пластов (номограмма приведены в диссертационной работе). Расчеты показывают, что для,характерный размеров подзешых хранилищ ( Я. = 20 м) предельная мощность нерастворимого пласта 2.5 м (»-та допускается нормативными документами) удовлетворяем условию саи^-обрушения только дот пород, прочность которых на растяжение не

р )

превышает 25x10 Па. Для более прочных пород и нерастворимых пластов большей мошооти необходимо применять ыетод предварительного разупрочнения их структуры для понижения значения порога разрушения породы нерастворимого пласта.

Применение разработанных методов' и технологий позволяет разуплотнить структуру ккметшх солей и снизить прочность нерастворимых пород, что в целом способствует интенсификации сооружения подземных хранилиш в каменных солях, в т.ч. при наличии в проектном контуре хранилищ пластов трудно растворимых пород.

Б пятом разделе приведены результаты натурной отработки и промышленного внедрения взрывных методов интенсификации сооружения по заемных хранилищ в каменных солях. Внедрение разработанных технологий производилось на скважинах плошадки $ 4 комбината "Неман" (Белоруссия), залощённых. для сооружения подзешшх хранилш методом разшва. Перспективной зоной для заложения хранилищ является интервал каменной соли в пределах глvбин 920...1100 ы. Соляной массив представлен светло-серой и темно-серой солью, мелко и средне-зернистой. Свойства солей, установленные по результатам керновых испытаний характеризуются следующими.данными! прочность на одноосное сжатие &0 =164x105 Па$ модуль Юнга Е =3.13х1010 Па? коэффициент Пуассона^ = 0.264| угол внутреннего трения = 31°| сцепление С =48x10° Па. В геологическом разрезе некоторых сквсзин присутствуют прослойки и пропластки иерв.отваримых отложений (ангидрит, аргиллит, мергель) мошностьи от 1.6 до 4.0 и более метров.

В соответствии с экспериментально установленными особенностям* разуплотнения структуры каыоцных солей выбрана физическая основа интенсификации растворения солей в зоне разшва - разуплотнение неравномерно нагруженного-соляного массива при короткозамедленном взрывании зарядов. Применялась суперпозиция взрывных волн в результате взаимодействия волновых процессов от двух зарядов, расположенных в одной скватжне. "

Натурная отработка технология взрывных работ по разуплотнению каменной соли производилась с применением зарядов гегсогена обшей шосой 30.0 кг, разделенной на две равновеликие части по 5.0 кг каждая. Интервал замедления меяду взрывами зарядов составлял от

до 4.23x10 с, что позволило изучить ¡эффективность растворения солей при неравномерном нагруженин соляного массива согласно предложенным схемам взаимодействия волновых процессов с показателем $ , изменяющемся в границах значений от 0.15 до 0.27. Уста-

новлено, что о увеличением неравномерности нагрувсния концентрация рассола С увеличивается на протяжения всего отрезка явке-рений (ряс. 2).

ЯГ/ме

МО, 200 Ъо 100

№

1

f/i yfá

У/о А цуЪ

i

3 t мес

Рис, 2. Влияние неравномерности нагру^ения на концентрацию выдаваемого рассола»

í-4 - J =0.15; 0,2? 0.23; 0.27; 5 - регламентный размыв

Выполненные на нескольких объектах взрывные работы по разуплотнению отруктуры какенной соли создали условия для резкого поей-иекия сфрективности разшва емкостей, в результате, чего предлагаемые методы торпедирования были рекомендованы х внедрения на всех объектах строительства подземных хранилищ комбината "Неман". При этом аа счет интенсификации начальной стадии размыва емкостей время сооружения единичной емкости объемом 100.0 тыс.м3 сокрааает-ся на 205 суток, что позволяет снизить расход олектроэнергии на 3.78 или. кВт/час и технологической воды на 317.0 ?цс.м3. Экономический зффект от внедрения предложенного взрывного метода при соор> ¡гонки емкости указанного объема соста?яяет 246.4 тыс.руб. ( в ценах 1990г.),

В слоеных горно-геологичйских условиях наличие нерастворимых 'отложений осложняет и.приводит к низкой эффективности размивоч-ных работ и появляется необходимость с-бруиения прочных пород в процессе размыва. При разрыве одной из емкостей бал достигнут объем камеры в 4423.0 м3, после чего процесс размыва практически прекратился. При &ток в области'гидровруба обнажился плес* Ангидрита. мощностью 2,5 м, над ним (через '4.0 м) размещался пласт засоленного аргиллита молиостью до 2.0 н. Нерастворимые отлогенкк имели следующие характеристики? ангидрит - £ =1.32x10''® Па| 60 -350x10^ Па; J> =2810 кг/к3; г) =0,26? аргиллит £ =I.24xI010 fln; 6"a- =320x10^ Па; />=2540 кг/м3? V =0.28. Максимальный радиус обнажения нерастворимых отложений был равен 10.2 к, а максимальная глубина полости по центру пласта составляла 12,2 м.

Учитывая наличке нерастворимых пластов, для интенсификации размыва было осуществлено горпечироввние,,<-позвояИЕ1Еее снизить прочность породы отлоуений до уровня, обеспечившего их.еамообру-к-гние в процессе разшва емкпотк. При отом, с учетом прочностных и геометрических характеристик нерастворимых отлогений, необходима была двухкратная взрывная их обработка при показателе неравномерности кагружения ^j^O.I.

Для торпедирования использовали две торпеды с зарядом по 0.6 кг каждая. Заряд торпеды разделялся на две части по 3.4 кг каждая, Короткозамедленный режим взрывания, реализующий необходй-муш степень неравномерности нагруяения массива, создавался отрезкой детонируюшего шура, обеспечивавшим интервал замедления А t =4,5x10""^ с между взрывами частей торпеды. Взрывные работы осуществлялись в два этапа. Сначала опускалась первая (нижняя) торпеда в интервал нахождения первого нерастворимого пласта, производился взрыв, затем следовали работы по доставке второй торпеды и ее подрыву.'

Результаты торпедирования оценивались по данным акустического каротажа, и по изменению концентрации рассола. Наличие после взрыва свободного диаметра скважины в ангидритовой и аргилнтовой толще (до 1.0 м) обеспечило свободную циркуляцию растворителя и концентрация выдаваемого рассола сразу увеличилась до 250.. ,310 Ktjii3, став практически предельной и оставаясь на этом уровне в течение последующего периода размыва емкости. Данные ультразвуковой локации позволили установить, что несолевые отложения по мере их обнажения в процессе размыва саюобрушилиоь и на.конец размыва емкости радиус зоны обрушения нерастворимых пластов.достиг 10,0 v

•В результате выполненных работ создались условия для объективного формирования камеры размыва, при отом чистое время размыва сократилось на 100 суток. Кроме того, сэкономлено'1.4 млн. кЬт/члу гпглс-- - ■' трошергии, потребное количество нерастпорителя уненняилось на 151.2 тыс.ы3, при этом экономический зфФек,г от внедрения танной технологии составил 214.3 тыс.руб. <в ценах 1990 г,).

Таким образом, разуплотнение солей и разупрочнение нес.пстяорк-иых пород с использованием энергии взрыва является а$с6ек?иьн.-);*, ре сурсосберегающей технологией и рекомендуется к применении при <■.<■,-орурении подземных хранилищ в каменных солях, в т.ч. в слелны»* горно-герлогических условиях.

3 А К.Л Ю Ч Е Н И £

Представленная диссертация является научной квалиЛккырюы.ч1 работой, в которой изложено новое решение актуальной задач-,! интенсификации сооружения подземных хранилищ в каменных солях" на ^.-сиоп;; установленных закономерностей разуплотнения солевых и нераепт-рн • мых пород при неравномерных динамических нагрузках и прииенг>:!Ь1 энергии взрыва, что имеет большое практическое значение при сч^ои-тельстве подземных сооружений.

Основные результаты работы и выводы заключаются в слодуи.а'и.!.;.

1. На основании проведенных .экспериментальных исслепоьдппн пг<- ■ ведения горной породи в условиях неравномерного динамического погружения установлено, что устойчивое разуплотнение 'каменной соли происходит при значении показателя неравномерности нагружекил

§ =0,26. Уменьшение показателя § до значения 0,1 приводит к лее интенсивному разуплотнению каменной соли, при этом необратимш; объемная деформация разуплотнения увеличивается с 0.5x10^ до • 1.25хЮ2.

2. Экспериментально доказано, что изменением вида напротенни« го состояния породы можно достигать изменения ее прочностных характеристик. При этом увеличение неравномерности нагружен;*.« насел -ва до значений 4 0.1;..0.13 приводит к снижению его характерно -тек»прочности в 1.5...2.0 и более раз.

3. Экспериментально установлено, что увеличение горного дивинил до значений 4.5x10^ Па приводит к увеличению модуля Шга гор ных пород на 30...70 % по сравнению с отсутствием давления н сопровождается возрастанием сопротивления горных пород деформированию и уменьшением разуплотнения пород, однако, необратимая ,|<(-н<р моция разуплотнения остается довольно существенна (до 0.1 V. я

более) ^ в области глубин свыше 4.0 км. В области- малых нагруяе- ' ни»! НО На и менее) при показателе неравномерности нагружения £ = 0.3 повышение горного дечления до 2x10^ Па изменяет характер деформационного процесса разуплотнения соли на уплотнение се структуры и для получения разуплотнения структуры соли в подобных случаях необходимо создавать режим динамического погружения , характеризующийся более высокой неравномерностью нагруже- ■ няя с показателем £ в границах значений 0.1...0.15,

4, На основе проведанных аналитических исследований установ-' . лены условия сбругаения пластов при действии внешних нагрузок. При этой выявлено, что необходимая для обрушения пласта интенсивность погрузки возрастает с увеличением мошГости пласта, прочности породы на разрыв и уменьшается с ростом-размеров зоны обнажения, угеличение горного давления до (2.0...3.0)х!0 Па приводит к уменьшению предельной нагрузки (до 5.0 л.10.0 %), необходимой для, обрушения пласта. Результаты теоретического расчета дают удовлетворительное согласование с экспериментальными данными лабораторных и натурных экспериментов. Отклонение не'превышает 20.%, ь. Разработаны методы интенсификации строительства подземных ' хрояиляга в каменных солях, основанные на разуплотнении солевых и т'раетяоришх пород под действием взрывных нагрузок.

б. Разработана технология интенсификации сооружения подземных хранилищ в каменной соли, основными элементами которой являются: конструкция торпеды, реализующая короткозамедленный взрыв зарядов; схема взрывания зарядов в торпеде, обеспечивающие неравномерное нагружение массива; средства зашиты скважин, обеспечиьа-юшие снижение давления во взрывной волие, распространяющейся по стволу скважины, до безопасного для основной колонны уровня.

'?. Результаты диссертационной работы внедрены при сооружении подземных хранилищ на комбинате "Неман". Применение разрабо-пиной технологии обеспечило повышение в 3...4 раза скорости раз-мира емкостей в каменных солях в начальный период сооружения хранилиш (до 4-х месяцев) и разупрочнение нерастворимых отложений с дальнейшим их самообрушением в процессе ведения раамывоч-Ш1Х работ. Подтвержденный экономический эффект от внедрения разработок писсертационной работы составляет 1.9 млн.руб. (в ценах .1990 г.). - '

- Iii -

Ошогкоо содержание доссертмдо опублакорено ? оледяспах работах.

1. НагорнвП В Л!., Кондратенко «4.D,, Пекарь Н.Н, Уселе,копают -•;:;рквкого оС-рупеиня нерастворимых пйаочов при строитекьстшз несъемных еккостей в соли. - В кн.;Вс{гпвку0 работы о геотел!Р?оп:и.

- Кяев: Ниук.дуича, IÍ/9I, с. 37-44 „ ■ — - " "

2. Рекомендация по :?р!:уе!:онн?) ?нрртк:? oocpyw.H!« пг-дсеггиш: "ранил^ш п соля:: к-отсдом е.- ' .• пт.'м.чп ; г: Р.Б.Чабонович, Э.А.Нзиаэр, 11 Л!.Пекарь, Д.В.Иоиопзренко. - Ы&ы "ï "âUyl", ЯС7. - 19 с.

3. Нагорш-Д Б.П., Пэксрь НЛ,, Нуль Ü.H., Ееньккн А.И. Ьдся-mte горнего дпэв»ген на де>}.ор,'>ф>в«ос\?ъ породнкх массивов np.t тдулшюм нзгруг< сини. - Fin в? Нн-т rppjssi, Н/'Н У, I9D6, - У с,i Л .»a. в ГКТБ Ухрюнм 24.0Ô.Ç&, J:" KS?.. - 'Jк, 96.

•J. Hai'opiuiî Ь.П.» Пзксрь H.H., Кондрате»«! Л.2). Прдриитни'* тсрыгнмх ра?от при »¡атолсй^ак^дня рш>уыва под-че-мшй енкосюй л ¡дас-шх согях. lîii-r геофиз. ИАН.-У, 1996. - 21 о.г Деп,

п ГШС Уграятш Л4.С6.Р6, ;"П93 - У!{. 66,

5. Нгто|«нй В.П,, Псзсзрь H.H. К&кешия соль и иерастзоркчнг породы np:t ii.ipf.£H0uepH0U р'шочачссроа нагружен,гл. - ÜKcní ÍIh-t г.чфю. НйН У* 199о/~ 21 е.? Деп. з ППВ Украины' 24.06.55, 14Л - Ун. Ç3,

G. Нагорный В.П., Пекарь H.H., Поионареико Д.В. Интенсификация начальной стзрпя растворенья солей npi тоодомяи подснмння ¿фшкшт* - В кн. г Науэдо-теишчвскке проблемы разработки около-пгчс-сга бэзспаснк: технодогай строительства и оксплуатацпч под-rcts&x сооружений в слозчплс горно-геологических условиях. - Иоо-зки Йоскойскпй госудерлтйзшшй горнуй ункьерептет, I9S7, о. 89-92.

С--

ТЬалкят a г-гчгэт/К CiОцрая Зукглг rSaSi i/П. Вумаг* rv«,.->>t4>. Л I, O^swnas «еч=ть. У es. иста 7>*i ff-3. Уч.-кам~л. •/¿УЧк».

»bass - „i'v'3

. от,--,.'! V■ --Í-;CPT!?-- Туда, ¡.j.,..^:.

'^Tf.-S-J. ïiO<C»Î) Vy-iia, удЛЗод«-n, ;»î.