автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Обоснование конструктивных параметров подземных резервуаров в слоистых породных массивах

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Особые горно-геологические условия строительства подземных хранилищ.

1.2. Анализ действующих нормативных документов по проектированию горных выработок в соляных и вечномерзлых породных массивах.

1.3. Существующий опыт проектирования подземных хранилищ в неоднородных слоистых массивах.

1.4. Постановка задач исследований.

2. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СЛОИСТОСТИ СОЛЯНЫХ МАССИВОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ БЕСШАХТНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ ВЕРТИКАЛЬНОГО ТИПА.

2.1. Расчетная геомеханическая модель неоднородного слоистого соляного массива.

1.2. Влияние геометрических параметров слоистости на устойчивость непосредственной кровли бесшахтных резервуаров.

2.3. Влияние механических свойств соляного массива на устойчивость слоистой непосредственной кровли бесшахтных резервуаров.

2.4. Влияние конструктивных параметров бесшахтных резервуаров на устойчивость их слоистой непосредственной кровли.

3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СЛОИСТОСТИ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ПОРОД НА УСТОЙЧИВОСТЬ ШАХТНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ТИПА.

3.1. Расчетная геомеханическая модель неоднородного слоистого массива вечномерзлых пород.

3.2, Влияние механических свойств слоистых вечномерзлых пород на устойчивость шахтных резервуаров.

3.3. Влияние геометрических параметров макрослоистости вечно-мерзлых пород на устойчивость шахтных резервуаров.

3.4. Влияние конструктивных параметров шахтных резервуаров в вечномерзлых породах на их устойчивость.

4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПОДЗЕМНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ В СЛОИСТЫХ НЕОДНОРОДНЫХ ПОРОДНЫХ МАССИВАХ.

4.1. Рекомендации по проектированию бесшахтных резервуаров вертикального типа в отложениях каменной соли.

4.2. Пример проектирования выработок-емкостей Березниковского подземного хранилища газа.

4.3. Рекомендации по проектированию шахтных резервуаров горизонтального типа в вечномерзлых породах.

4.4. Пример проектирования выработок-емкостей подземного хранилища стабильного конденсата Ямбургского ГКМ.

Актуальность работы. Анализ перспектив развития добычи и потребления энергоресурсов в балансе России показывает, что до 2020 г. газ, нефть и продукты их переработки будут составлять не менее 80% потребляемых энергоресурсов [1]. В связи с этим возникает актуальная проблема резервирования указанных энергоресурсов с целью регулирования их неравномерного сезонного и территориального потребления.

Резервирование газонефтепродуктов в подземных хранилищах имеет существенные преимущества по сравнению с традиционным использованием наземных металлических резервуаров: большие объемы подземных хранилищ, возможность их эксплуатации при более высоких избыточных давлениях, экологическая безопасность, сравнительно низкие эксплуатационные расходы. На территории России имеются благоприятные горно-геологические условия для сооружения подземных резервуаров: широко распространенные соленосные бассейны для сооружения бесшахтных резервуаров способом растворения каменной соли и распространенные на Севере России, где месторождения каменной соли практически отсутствуют, массивы вечномерзлых пород для сооружения шахтных резервуаров горным способом [2].

Бесшахтные резервуары в каменной соли используются в основном для покрытия пиковых нагрузок по газопотреблению [3] и проектируются в виде выработок-емкостей вертикального типа в мощных соляных пластах и выработок-емкостей горизонтального типа в маломощных соляных пластах. Глубина заложения и геометрические размеры выработок-емкостей выбираются с учетом размещения в однородных ненарушенных соляных пластах, что обеспечивает их длительную устойчивость. Но в некоторых случаях из-за необходимости привязки подземных хранилищ к промышленно развитым районам приходится их проектировать в особых горно-геологических условиях слоистых соляных массивов, что снижает устойчивость выработок-емкостей и должно учитываться при определении их устойчивых конструктивных параметров.

Шахтные резервуары в вечномерзлых породах для резервирования нефтепродуктов проектируются в порядке переоборудования отработанных золотодобывающих шахт или сооружения специальных горизонтальных выработок-емкостей на глубинах не более 50 м в четвертичных отложениях. В аналогичных условиях проектируются шахтные резервуары для резервирования газового конденсата вблизи газодобывающих предприятий Севера России [2]. Четвертичные отложения неоднородны по составу и представлены слоями песка, супеси, суглинка и глины, имеющими при одинаковой отрицательной температуре различные механические свойства, что оказывает влияние на устойчивость выработок-емкостей и должно учитываться при определении устойчивых размеров и формы их поперечного сечения.

Существующие в горной промышленности соответствующие нормативные рекомендации не могут быть прямо использованы при проектировании подземных резервуаров, а отраслевые нормы проектирования не содержат каких-либо указаний по определению устойчивых размеров и формы подземных резервуаров в условиях слоистых породных массивов. В научно-исследовательских работах по этой проблеме затрагиваются лишь общие закономерности деформирования слоистых породных массивов и не рассматривается влияние конкретных параметров слоистости, механических свойств породных слоев и конструктивных параметров подземных горных выработок (резервуаров) на их устойчивость. Решению этой актуальной научно-технической задачи посвящена настоящая работа.

Цель работы состоит в научном обосновании и разработке рекомендаций по проектированию устойчивых размеров и формы выработок-емкостей в особых горно-геологических условиях слоистых породных массивов.

Основная идея работы заключается в том, что устойчивость выработки-емкости в слоистом породном массиве может быть оценена по существующим нормативным критериям, ограничивающим величину максимальных растягивающих напряжений и объем возможного вывалообразования в кровле, в которых слоистость и неоднородность массива по механическим свойствам учитывается с помощью функций влияния, построенных на основании результатов численного моделирования геомеханических процессов.

Методы исследований включают: анализ существующих исследований и действующих нормативных документов по проектированию подземных хранилищ, горных выработок и подземных сооружений различного назначения; численные методы математического моделирования геомеханических процессов вокруг подземных выработок-емкостей; методы регрессионного анализа для обработки результатов численного моделирования и построения расчетных выражений и разработки рекомендаций по проектированию.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. Устойчивость непосредственной кровли бесшахтного резервуара вертикального типа, сооружаемого в слоистом соляном массиве методом растворения каменной соли, снижается с уменьшением ее мощности и увеличением мощности глинистого пропластка, отделяющего непосредственную кровлю от вышележащей породной толщи, а также с увеличением количества слагающих непосредственную кровлю микрослоев и мощности разделяющих их глинистых прослоев.

2, Наиболее эффективным способом повышения устойчивости непосредственной кровли бесшахтного резервуара вертикального типа в слоистом соляном массиве является придание ей сводчатой (куполообразной) формы в виде усеченного конуса и уменьшение пролета ее плоского участка при оптимальном угле наклона стенок свода, равном 45°.

3. Устойчивость шахтного резервуара горизонтального типа, сооружаемого в слоистом массиве вечномерзлых пород горным способом, увеличивается при его заложении в макрослоях менее жестких пород по сравнению с породами вышележащих и нижележащих макрослоев.

4. Устойчивость шахтного резервуара горизонтального типа, сооружаемого в относительно жестких вечномерзлых породах с небольшим коэффициентом Пуассона от 0.15 до 0.2, таких как вечномерзлые пески, может быть обеспечена при увеличении высоты выработки-емкости И по сравнению с ее пролетом 1 до отношения % = 1.5 и переходе от прямоугольно-сводчатой к трапециевидно-сводчатой форме поперечного сечения выработки-емкости с углом наклона стенок до 70°.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждаются:

- использованием для анализа геомеханических процессов апробированных численных методов математического моделирования (МКЭ);

- сопоставлением результатов математического моделирования с результатами аналогичных исследований других авторов, в т.ч. результатами физического моделирования на эквивалентных материалах;

- положительными результатами внедрения разработанных рекомендаций в практику проектирования выработок-емкостей, сооружаемых в сложных горно-геологических условиях слоистых неоднородных породных массивов.

Научное значение диссертации состоит в дальнейшем развитии существующих представлений о закономерностях формирования напряженно-деформированного состояния слоистых породных массивов при сооружении в них камерных и протяженных подземных горных выработок (резервуаров).

Практическая ценность работы заключается в технических разработках в виде рекомендаций по проектированию подземных хранилищ газонефтепродуктов в особых горно-геологических условиях слоистых породных массивов с целью обеспечения их длительной устойчивости и надежной эксплуатации.

Реализация выводов и рекомендаций работы состоит в их использовании при корректировке проектных решений подземных резервуаров Бе-резниковского подземного хранилища газа (ПХГ) и подземного хранилища стабильного газоконденсата Ямбургского газоконденсатного месторождения (ГКМ).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на заседаниях ученого совета ООО «Подземгазпром» (19982000 гг.), семинарах кафедры Строительства шахт и подземных сооружений МГГУ (1999-2000 гг.), заседании Круглого стола «Неделя горняка» в МГГУ (2000 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано три печатных работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит список литературы из 60 наименований, 25 рисунков и 30 таблиц.

Основные выводы по результатам исследований заключаются в следующем:

1. В результате анализа неоднородности и слоистости соляных и веч-номерзлых породных массивов, влияющих на устойчивость проектируемых подземных резервуаров, установлено, что для соляных отложений определяющими являются геометрические параметры микрослоистости с глинистыми контактами в кровле выработки-емкости, а для вечномерзлых пород - различия в деформационных характеристиках вмещающих, перекрывающих и подстилающих выработку-емкость макрослоев.

2. Устойчивость кровли выработки-емкости вертикального типа, сооружаемой в соляных отложениях способом растворения каменной соли, снижается с уменьшением средней относительной мощности микрослоев непосредственной кровли до величины 0.2 от пролета кровли; дальнейшее уменьшение их мощности практически не влияет на устойчивость кровли.

3. Наибольшее влияние на устойчивость кровли выработки-емкости вертикального типа оказывает средняя мощность глинистых пропластков между микрослоями непосредственной кровли, поскольку деформируемость глинистых пропластков почти на два порядка выше, чем соляных слоев: устойчивость кровли выработки-емкости снижается практически неограниченно с увеличением мощности глинистых пропластков.

4. Соотношение между основными конструктивными параметрами выработки-емкости вертикального типа - отношение пролета к высоте -оказывает влияние на устойчивость кровли: уменьшение этого отношения до величины 0.6 повышает устойчивость; дальнейшее уменьшение этого отношения практически не сказывается на устойчивости кровли выработки-емкости.

5. Наиболее действенным конструктивным способом повышения устойчивости кровли выработки-емкости вертикального типа является формирование ее сводчатого (куполообразного) очертания в виде усеченного конуса с углом наклона стенок а = 45° и плоским участком кровли, уменьшение размеров которого повышает устойчивость кровли.

6. При выборе интервалов глубин заложения и конструктивных параметров выработок-емкостей горизонтального типа, сооружаемых в вечно-мерзлых породах горным способом, последние целесообразно классифицировать на более жесткие (пески, супеси), имеющие более высокие модули деформации и относительно малые коэффициенты Пуассона, и менее жесткие (глины, суглинки), имеющие относительно низкие модули деформации и большие коэффициенты Пуассона.

7. Устойчивость выработок-емкостей горизонтального типа повышается при их заложении в менее жестких вечномерзлых породах по сравнению с более жесткими перекрывающими и подстилающими породами.

8. С целью повышения устойчивости выработок-емкостей горизонтального типа при их заложении в менее жестких вечномерзлых породах следует оставлять в кровле породные целики вмещающих пород мощностью не более 0.5 от пролета поперечного сечения, а при заложении в более жестких - не менее 0.5 от пролета поперечного сечения выработки-емкости.

9. С целью повышения устойчивости выработок-емкостей горизонтального типа их следует проектировать с полуциркульным сводом: в менее жестких вечномерзлых породах - с прямоугольно-сводчатой формой поперечного сечения при отношении его пролета 1 к высоте Ъ в интервале 0.8 < 1.2; в более жестких - с прямоугольно-сводчатой формой при

0.67 < 1 и с трапециевидно-сводчатой при 0.67.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены научно обоснованные технические разработки в виде рекомендаций по проектированию подземных резервуаров, сооружаемых в особых горно-геологических условиях слоистых породных массивов, что обеспечивает решение важных прикладных задач строительства подземных сооружений, предназначенных для хранения газонефтепродуктов.

1. Стратегия развития газовой промышленности России. Под редакцией Вяхирева Р.И., Макарова A.A. -М., Энергоатомиздат, 1997, 344 с.

2. Смирнов В.И. Обоснование и разработка способов и технологий строительства подземных сооружений для хранения газонефтепродуктов и захоронения промышленных отходов. Диссертация . докт. техн. наук в виде научн. дклада. -М., МГГУ, 1996,46 с.

3. Резуненко В.И., Казарян В.А., Смирнов В.И. Практика и перспективы развития подземных хранилищ газа в отложениях каменной соли на территории России. Труды международной конференции «Подземное хранение газа». -М., 1995, С. 72-73.

4. Рабочий проект строительства Волгоградского ПХГ. -М., ООО «Подземгазпром», 1998.

5. ТЭО строительства Березниковского ПХГ. Ч. III. Горногеологическое обоснование строительства ПХГ (разделы 1, 2). -М., НТЦ «Подземгазпром», 1993.

6. Отчет по результатам геологоразведочных работ на Березниковской площади для целей подземного хранения газа в каменной соли. -М., НТЦ «Подземгазпром», 1994.

7. Отчет о НИР «Оценка пригодности площадки для строительства подземного хранилища стабильного конденсата Ямбургского ГКМ». Кн. 1. -М., ООО «Подземгазпром», 1998.

8. СНиП 34-02-99. Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки. -М., Госстрой России, 1999,18 с.

9. СП 34-106-98. Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки. -М., ОАО «Газпром», 1999,110 с.

10. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. -М., Недра, 1988.

11. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. -М., Недра, 1982, 270 с.

12. Казарян В.А. Обоснование и разработка высокоэффективных технологий строительства и эксплуатации подземных сооружений в каменной соли. Диссертация . докт. техн. наук. -М., МГГУ, 1999, 462 с.

13. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. -М., Недра, 1992, 543 с.

14. Кислер Л.Н., Крюкова Н.М., Мазуров В.А. Об оценке прочности емкостей различной формы в соляных отложениях. Труды ВНИИПромгаза, вып. № 5. -М., Недра, 1971, С. 49-54.

15. Иванцов О.М. Подземное хранение сжиженных углеводородов. -М., Гостопиздат, 1961, 55 с.

16. Мазуров В.А. Подземные газонефтехранилища в отложениях каменной соли. -М., Недра, 1982,212 с.

17. Руппенейт К.В., Матвиенко В.В. Оценка прочности конструктивных элементов подземных сооружений. Труды ВНИИСТ, вып. 12. -М., 1962, С. 3-73.

18. Смирнов В.И. Строительство подземных резервуаров в каменной соли// Газовая промышленность, № 69, 1995.

19. Гальперин А.М., Шафаренко Е.М. Реологические расчеты горнотехнических сооружений. -М., Недра, 1977,246 с.

20. Шафаренко Е.М. Длительная устойчивость подземных горных выработок в отложениях каменной соли. Диссертация . докт. техн. наук. -Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1985.

21. Шафаренко Е.М. Длительная устойчивость горизонтальной выработки. Сб. "Реология грунтов и инженерное мерзлотоведение". -М., Наука, 1982.

22. Рекомендации по расчету устойчивых пролетов очистных выработок на калийных месторождениях. -Л., ВНИИГ, 1982,152 с.

23. Пермяков P.C., Ковалев О.В., Пинский B.JI. и др. Справочник по разработке соляных месторождений. -М., Недра, 1986, 212 с.

24. Пособие по расчету устойчивости подземных горных выработок при размещении в них объектов народного хозяйства. -М., ЦИТП, 1990, 71 с.

25. Барях A.A., Дудырев И.Н., Асанов В.А., Паньков И.Л. Взаимодействие слоев в соляном массиве. Сообщение 1. Механические свойства контактов// ФТПРПИ, № 2,1992, С. 7-11.

26. Барях A.A., Паньков И.Л. Взаимодействие слоев в соляном массиве. Сообщение 2. Математическое моделирование геомеханических процессов с учетом деформации контактов// ФТПРПИ, № 3,1992, С. 21-27.

27. Зильбершмидт В.Г., Зильбершмидт В.В., Наймарк О.Б. Разрушение соляных пород. -М., Наука, 1992,142 с.

28. Константинова С.А., Соколов В.Ю., Хронусов В.В. Геомеханические основы прогноза и обеспечения устойчивости подземных сооружений в соляных породах. Тезисы докладов X Международной конференции по механике горных пород. -М., 1993.

29. Отчет о НИР «Методические указания по расчету устойчивых вовремени обнажений кровли камер и междупластовых потолочин на калийных рудниках Верхнекамского месторождения». -Л., ВНИИГ, 1986, 65 с.

30. Пермяков P.C., Соломенцев Г.Г., Гаркушин П.К. Исследование физико-механических свойств, процесса деформирования и разрушения соляных пород. Труды ВНИИГ, вып. 67. -Л., ВНИИГ, 1974, С. 108-119.

31. Проскуряков Н.М., Пермяков P.C., Черников А.К. Физико-механические свойства соляных пород. -Л., Недра, 1973, 271 с.

32. Проскуряков Н.М. Управление состоянием массива горных пород. -М„ Недра, 1991, 368 с.

33. Саркисян P.M., Бобов Н.Г., Кормилицин М.И. Материалы к изысканию, проектированию, строительству и организации наблюдений опытных ледогрунтовых хранилищ жидкого топлива. Рукопись. Фонды ИИМЕРО, 1956.

34. Туликов А.Е. Ледогрунтовые хранилища для светлых нефтепродуктов, сооружаемые в районах распространения многолетнемерзлых горных пород. Диссертация . канд. техн. наук. -М., 1963.

35. СН-315-65. Временные указания по проектированию и строительству подземных ледогрунтовых хранилищ (для светлых нефтепродуктов). -М., Госстрой СССР, 1965.

36. ВСН 315-81. Инструкция по проектированию и строительству подземных хранилищ светлых нефтепродуктов и газового конденсата в вечно-мерзлых грунтах. -М., Госстрой СССР, 1982.

37. ВСН 51-5-85. Подземные хранилища нефти, нефтепродуктов и сжиженных газов. Изменение № 1. -М., ГТК «Газпром», 1991.

38. Брайко В.Н., Домбровский Г.А., Смирнов В.И. Подземные хранилища светлых нефтепродуктов в проблеме охраны окружающей среды. Аннотации докладов на I научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава. -Тбилиси, ГПИ, 1980, С. 24-25.

39. Мазуров В.А., Смирнов В.И., Капинус А.Ф., Скосарева Т.В. Методические основы расчета теплового режима подземных резервуаров в веч-номерзлых породах. Сб. научн. трудов ГПИ, № 8. -Тбилиси, 1982, С. 53-58.

40. Отчет о НИР «Оценка устойчивости выработок по результатам бурения скважины этапа 2 и испытаниям образцов». -М., НТЦ «Подземгазпром», 1997, 32 с.

41. Отчет о НИР «Разработка инструкции по проектированию и строительству подземных хранилищ светлых нефтепродуктов и газового конденсата в вечномерзлых грунтах». -М., НТЦ «Подземгазпром», 1981, 166 с.

42. Брайко В.Н., Смирнов В.И., Скосарева Т.В. Опыт строительства и эксплуатации хранилищ шахтного типа в районах Крайнего Севера// Колыма, Магадан, № 2,1987, С. 13-16.

43. Брайко В.Н., Черемшанов В.И., Смирнов В.И. Усовершенствование методики определения технико-экономических показателей подземных хранилищ, сооружаемых в различных горно-геологических условиях// Колыма, Магадан, № 6, 1988, С. 34-35.

44. Отчет о НИР «Моделирование процессов деформирования подземного резервуара в слоистом соляном массиве методом эквивалентных материалов». -М., МИГГ, 1994.

45. Отчет о НИР «Моделирование процессов деформирования подземного резервуара в слоистом соляном массиве методом эквивалентных материалов в условиях плоского и объемного нагружения». -М., МИГГ, 1994.

46. Поддубский В.И. Проектирование подземных хранилищ газа в отложениях каменной соли, содержащих глинистые прослои// Проблемы строительной геотехнологии. Строительство и эксплуатация подземных сооружений и шахт. -М., МГГУ, 2000, С. 192-196.

47. Отчет о НИР «Оценка пригодности площадки для строительства подземного хранилища стабильного конденсата для геокриологических условий площадки 3». Кн. 2. -М., ООО «Подземгазпром», 1998.

48. Отчет о НИР «Определение теплофизических и физико-механических свойств вечномерзлых пород площадки перспективного строительства подземного хранилища стабильного конденсата Ямбургского ГКМ. -Воркута, НТФ КРИОС, 1996, 78 с.

49. Руппенейт К.В., Либерман Ю.М. Введение в механику горных пород. -М., Госгортехиздат, 1960.

50. Бакпашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах. -М., Недра, 1986.

51. Гомес Ц., Руппенейт К.В. Расчет плоских потолочин камер на прочность. Труды ВНИИСТ, вып. 12. -М., 1962, С. 122-187.

52. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. -М., Недра, 1987, 221 с.

53. Витке В. Механика скальных пород. Пер. с нем. -М., Недра, 1990, 439 с.

54. Смирнов В.И., Поддубский В.И., Баклашов И.В., Хлопцов В.Г. Особенности проектирования подземных хранилищ газа в слоистых соляных массивах// Газовая промышленность, № 4, 2000, С. 69-70.

55. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. -Л., Строй-издат, 1977.

56. Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов. -Пущино, 1998.

57. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. -М., Высшая школа, 1973.

58. Поддубский В.И. Проектирование подземных хранилищ шахтного типа в вечномерзлых породах. Научно-технический сборник № 4. Транспорт и подземное хранение газа. -М., ИРЦ Газпром, 2000, С. 24-32.