автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Обоснование мер защиты наземного комплекса подземных хранилищ газа от подработки

Московский государственный горный университет ООО «Научно-исследовательское и проектное предприятие по

сооружению и эксплуатации подземных хранилищ «Подземгазпром»

На правах рукописи

Розанов Андрей Борисович

УДК 622.692.24

ОБОСНОВАНИЕ МЕР ЗАЩИТЫ НАЗЕМНОГО КОМПЛЕКСА ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ ГАЗА ОТ ПОДРАБОТКИ

Специальность 05Л5.04 - «Строительство шахт и подземных сооружений»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. Смирнов В.И.

Москва -1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................. 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................................................................................... 8

1.1. Анализ существующих исследований и нормативных документов

по сдвижению земной поверхности при подработке................................. 8

1.2. Анализ существующих исследований и нормативных документов

по защите зданий и сооружений от подработки........................................ 26

1.3. Анализ существующих исследований по сдвижению земной поверхности и защите наземного комплекса ПХГ от подработки................ 36

1.4. Постановка задач исследований.......................................................... 40

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПХГ......................................... 44

2.1. Постановка задач при моделировании геомеханических процессов

во вмещающем ПХГ соляном массиве....................................................... 44

2.2. Моделирование и анализ геомеханических процессов деформирования подрабатываемого массива............................................................... 50

2.3. Моделирование и анализ геомеханических процессов деформирования междукамерных целиков.................................................................. 54

2.4. Расчет параметров сдвижения земной поверхности........................... 65

3. ОБОСНОВАНИЕ МЕР ЗАЩИТЫ НАЗЕМНОГО КОМПЛЕКСА ПХГ ОТ ПОДРАБОТКИ............................................................................. 75

3.1. Выбор объектов и мер защиты наземного комплекса ПХГ............... 75

3.2. Планировочные меры защиты............................................................. 79

3.3. Строительные меры защиты................................................................ 85

3.4. Горные меры защиты........................................................................... 99

4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ ПАРАМЕТРОВ СДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И МЕРАМ ЗАЩИТЫ НАЗЕМНОГО

КОМПЛЕКСА ПХГ ОТ ПОДРАБОТКИ.................................................... 105

4.1. Рекомендации по расчету параметров сдвижения земной поверхности............................................................................................................ 105

4.2. Расчет параметров сдвижения земной поверхности для строящихся

и проектируемых ПХГ................................................................................. 107

4.3. Рекомендации по проектированию мер защиты наземного комплекса ПХГ от подработки......................................................................... 114

4.4. Определение мер защиты наземных комплексов строящихся и

проектируемых ПХГ.................................................................................... 118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................ 123

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................... 126

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Анализ мировой практики строительства и эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ) в отложениях каменной соли свидетельствует об их очевидных преимуществах по сравнению с ПХГ в пористых структурах, поскольку они более надежно покрывают пиковые нагрузки в газопотреблении, содержат гораздо меньший объем буферного газа, требуют для размещения наземного комплекса небольшие земельные отводы и обеспечивают возможность постепенного увеличения числа подземных резервуаров по мере роста газопотребления.

Территория России обладает огромным потенциалом в части возможностей строительства ПХГ в отложениях каменной соли. Разработанная в РАО «Газпром» концепция развития пиковых ПХГ в солях на период 1997 - 2015 гг. предполагает строительство 10 пиковых ПХГ с общим геометрическим объемом 40950 тыс. м3 на глубинах от 300 до 1500 м. Среди них следует отметить строящееся Волгоградское ПХГ с геометрическим объемом 4350 тыс. м и глубиной залегания кровли соляных пластов 1150 м и проектируемое Березниковское ПХГ с показателями соответственно 6300 тыс. м3 и 411- 444 м. Пиковые ПХГ проектируются, как правило, в промышленно развитых регионах для покрытия дефицита их газопотребления.

Учитывая большие геометрические объемы создаваемых подземных выработок и наличие на поверхности наземного комплекса ПХГ с чувствительными к деформациям земной поверхности зданиями, сооружениями и технологическим оборудованием, а также возможную близость застроенных промышленных территорий, следует производить расчет ожидаемых деформаций земной поверхности и проектировать меры защиты наземного комплекса ПХГ от подработки. Существующие в горной промы тленности соответствующие нормативные рекомендации могут быть полезны, но не могут быть прямо использованы для проектирования наземного комплекса ПХГ. Практика строительства и эксплуатации ПХГ в отложениях каменной соли

не располагает на сегодняшний день достаточным объемом инструментальных замеров, опытом прогнозирования деформаций земной поверхности и, тем более, отраслевыми нормативными документами по защите наземного комплекса ПХГ от подработки. Научно-исследовательские работы по этой проблеме практически не проводились, а исследования диссертационного характера вообще отсутствуют. Таким образом, сформулированная научная задача и соответствующая ей тема диссертационных исследований являются актуальными.

Цель работы заключается в научном обосновании и разработке на уровне рекомендаций мер защиты зданий, сооружений и технологического оборудования наземного комплекса ПХГ от подработки.

Идея работы состоит в том, что планировочные и горные меры по сравнению с традиционными строительными мерами являются наиболее эффективными при защите наземного комплекса ПХГ от подработки.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. Макродеформации земной поверхности при сооружении ПХГ в отложениях каменной соли, т.е. параметры сдвижения земной поверхности, определяются деформациями кровли подземного комплекса хранилища в целом, а микродеформации земной поверхности, составляющие не более 10% от величины макродеформаций; определяются деформациями кровли отдельных резервуаров.

2. Треугольная сетка расположения резервуаров в плане ПХГ обеспечивает большую жесткость междукамерных целиков по сравнению с квадратной сеткой, что, в свою очередь, обеспечивает снижение деформаций кровли подземного комплекса хранилища в целом до 10% при регл аментированных размерах между ка мерн ых целиков.

3. Массивные фундаменты под компрессорные агрегаты наземного комплекса ПХГ воспринимают деформации земной поверхности в соотно-

шениях, близких к соотношениям модулей деформаций грунтового массива и материала фундаментов и уменьшающихся с увеличением относительной высоты фундаментов.

4. Среди горных мер защиты наземного комплекса ПХГ от подработки наиболее эффективной и предпочтительной является увеличение расстояния между технологическими скважинами или размеров между камерных целиков, так как это не приводит к уменьшению суммарного геометрического объема подземных резервуаров, усложнению технологии их сооружения и эксплуатации.

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

- применением апробированных методов геомеханики для анализа деформированного состояния породного массива и фундаментов;

- сопоставлением результатов исследований деформирования земной поверхности над ПХГ с результатами аналогичных исследований в горной промышленности;

- удовлетворительной согласованностью расчетных и экспериментально наблюдаемых деформаций земной поверхности над подземным хранилищем нефтепродуктов комбината «Неман».

Научное значение диссертации состоит в определении геомеханических закономерностей объемного деформирования породных массивов, вмещающих подземные хранилища газа.

Практическое значение диссертации заключается в разработке методики расчета деформаций земной поверхности и проектирования соответствующих мер защиты наземного комплекса подземных хранилищ газа от подработки.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Выводы и рекомендации работы реализованы при разработке нормативного документа СП 34-

106-98 «Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки» и проектной документации Волгоградского и Березниковского ПХГ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на заседаниях ученого совета ООО «Подземгазпром» (1998 и 1999 гг.), семинарах кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» МГТУ (1998 и 1999 гг.), заседании Круглого стола «Неделя горняка» в МГГУ (1998 и 1999 гг.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано три печатных работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит список литературы из 55 наименований, 23 рисунка и 17 таблиц.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Анализ существующих исследований и нормативных документов по сдвижению земной поверхности при подработке.

Совершенствование проектных решений и технологии строительства шахт и подземных сооружений неразрывно связано с развитием научных исследований по двум основным задачам геомеханики: устойчивость горных выработок и сдвижение земной поверхности при подработке.

Результаты исследований по первой задаче определяют конструктивные и технологические решения по комплексу подземных горных выработок и сооружений, а результаты исследований по второй задаче - решения по комплексу зданий и сооружений на поверхности. В настоящей работе рассматривается вторая из указанных задач геомеханики и ее приложение к проектированию наземного комплекса ПХГ.

Планомерные исследования по изучению сдвижения земной поверхности и защите сооружений от вредного влияния подработки начались еще в середине прошлого века. Прежде чем перейти к их анализу, необходимо привести уже установившиеся к настоящему времени определения основных параметров сдвижения горных пород.

Образование выработанного подземного пространства, в том числе ПХГ в пласте каменной соли, как это показано на рис. 1.1, приводит к сдвижению перекрывающего породного массива и формированию на земной поверхности мульды сдвижения (1), определяющей зону влияния подземного комплекса ПХГ на наземный комплекс. Здесь и в дальнейшем подземный комплекс ПХГ" рассматривается как горизонтально расположенное пласто-образное выработанное пространство в виде периодически чередующихся подземных выработок (резервуаров) и междукамерных целиков. При формировании мульды земная поверхность претерпевает сдвижения и

Рис. 1.1. Деформирование и параметры сдвижения земной поверхности при подработке: 1- мульда сдвижения; 2- междукамерные целики; 3- горные выработки.

деформации в виде вертикальных сдвижений (оседаний), горизонтальных сдвижений, наклонов, кривизны и горизонтальных деформаций.

Вертикальные сдвижения (оседания) Т]- вертикальные составляющие векторов сдвижения точек земной поверхности; горизонтальные сдвижения С- горизонтальные составляющие векторов сдвижения; наклоны 1 - отношение разности оседаний двух соседних точек мульды к расстоянию между ними; кривизна к - отношение разности наклонов двух соседних интервалов мульды к полусумме длин этих интервштов; горизонтальные деформации £ -отношение разности горизонтальных сдвижений двух соседних точек к первоначальному расстоянию между ними.

Сдвижения и деформации изменяются в пределах мульды сдвижения. Так например, оседания достигают максимального значения в центральной части мульды сдвижения. Если максимальные оседания продолжают увеличиваться с увеличением размера Д подземного комплекса ПХГ, наблюдается неполная подработка земной поверхности, которой соответствует максимальное оседание неполной подработки , а если максимальное оседание

не увеличивается - наблюдается полная подработка земной поверхности с образованием плоского дна в центральной части мульды сдвижения размером А4, где имеет место максимальное оседание полной подработки Т|0,

как это показано на рис. 1.1. Условия неполной и полной подработки определяются коэффициентами подработанности земной поверхности П вдоль и поперек подземного комплекса ПХГ в плане, которые можно представить как отношение соответствующего фактического размера подземного комплекса ПХГ в плане Д к минимальному размеру, при котором наступает полная подработка земной поверхности. Указанные построения выполняются для главных сечений мульды сдвижения. Для принятой расчетной схемы подземного комплекса ПХГ в виде горизонтально расположенного пласто-образного выработанного пространства главными сечениями мульды явля-

ются вертикальные сечения мульды вдоль и поперек ПХГ в плане, проходящие через точки с максимальными оседаниями земной поверхности (на рис. 1.1 показано одно из главных сечений).

В горизонтальной плоскости размер мульды сдвижения А1 зависит от

положения ее границ или границ зоны влияния ПХГ на земную поверхность, которые определяются граничными углами или граничными значениями деформаций земной поверхности. Граничные углы б0 - внешние относительно

подземного комплекса ПХГ углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границу почвы подземного комплекса хранилища с границей зоны влияния ПХГ.

В пределах указанной зоны влияния А ^ выделяют зону опасного влияния в отношении сооружений на земной поверхности А2, границы которой

определяются по углам сдвижения или критическим значениям деформаций поверхности. Углы сдвижения 8 - внешние относительно подземного комплекса ПХГ утлы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения при полной подработке горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы почвы подземного комплекса хранилища с границами зоны опасного влияния на земной поверхности.

В пределах зоны опасного влияния А2 на земной поверхности может

образовываться зона трещин А3, границы которой определяются по углам

разрывов. Углы разрывов б" - внешние относительно подземного комплекса ПХГ углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы почвы подземного комплекса хранилища с ближайшими к границам мульды трещинами на земной поверхности.

В условиях полной подработки земной поверхности в центральной части мульды, как отмечалось выше, образуется плоское дно А4, границы ко-

торого определяются по углам полных сдвижений. Углы полных сдвижений \|/ - внутренние относительно выработанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения плоскостью почвы подземного комплекса ПХГ и линиями, соединяющими границы почвы подземного комплекса хранилища с границами плоского дна мульды сдвижения.

Наиболее опасные деформации земной поверхности развиваются в краевой части мульды или в полумульде, длина которой Ь определяется как расстояние на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения между ее границей и точкой пересечения с земной поверхностью линии, проведенной под углом полных сдвижений \|/ (границей плоского дна мульды) при полной подработке, или точкой с максимальным оседанием при неполной подработке земной поверхности.

Развитие горных работ в пространстве и во времени, а также реологические свойства горных пород определяют неравномерность во времени процесса сдвижения, который характеризуется общей продолжительностью, когда земная поверхность под влиянием горных работ находится в состоянии сдвижения, и периодом опасных деформаций, в течение которого сдвижение земной поверхности оказывает опасное влияние на сооружения наземного комплекса ПХГ.

Исследования по изучению сдвижения земной поверхности в горнодобывающей промышленности представлены достаточно широко с выходом на нормативные документы по расчету параметров сдвижения и проектированию мер охраны (защиты) зданий и сооружений на поверхности. Сформулированные выше определения заимствованы из этих документов.

Первые планомерные исследования по этой проблеме, которые начались в середине прошлого века в густонаселенных районах Европы, были связаны с инструментальными наблюдениями за сдвижением земной поверхности и оценкой возникающего при этом ущерба транспортным и дру-

гим сооружениям на поверхности [1]. По мере накопления результатов инструментальных наблюдений и сопоставлением их с размерами выработанного пространства по�