Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геомеханическое обоснование экологической безопасности подземных хранилищ, созданных ядерными взрывами в отложениях каменной соли

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Гурин, Дмитрий Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ТЕМЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИИ.

1.1. Краткий анализ технологии сооружения и эксплуатации подземных резервуаров, созданных камуфлетными взрывами в глинистых породах

1.2. Анализ существующего опыта сооружения и эксплуатации подземных резервуаров, созданных камуфлетными ядерными взрывами в каменной соли.

1.3. Анализ существующих геомеханических исследований по оценке длительной устойчивости подземных резервуаров, созданных камуфлетными ядерными взрывами в каменной соли.

1.4. Анализ существующих исследований радиационной обстановки на объектах, созданных камуфлетными ядерными взрывами.

1.5. Постановка задач исследований.

2. АНАЛИЗ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СООРУЖЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ.!.

2.1. Анализ начального напряженного состояния соляного массива.

2.2. Анализ геомеханических процессов в соляном массиве на стадии гидродинамического воздействия ядерного взрыва.

2.3. Анализ геомеханических процессов в соляном массиве на стадии статического последействия ядерного взрыва.

2.4. Анализ геомеханических процессов в соляном массиве при различных величинах противодавления наполнителя в подземной емкости

3. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ, СОЗДАННЫХ ЯДЕРНЫМИ ВЗРЫВАМИ В ОТЛОЖЕНИЯХ КАМЕННОЙ СОЛИ.

3.1. Технологические режимы и сопровождающие их геомеханические процессы.

3.2. Оценка возможных каналов миграции радионуклидов и степени их экологической безопасности.

3.3. Рекомендации по обеспечению геомеханической стабилизации и экологической безопасности технологических режимов.

3.4. Оценка возможных деформаций земной поверхности при реализации технологических режимов.

4. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ РАДИАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА

4.1. Разработка радиационного мониторинга.

4.2. Реализация и анализ результатов радиационного мониторинга на технологических площадках подземных емкостей.

4.3. Реализация и анализ результатов радиационного мониторинга на территории Астраханского ГКМ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геомеханическое обоснование экологической безопасности подземных хранилищ, созданных ядерными взрывами в отложениях каменной соли"

Актуальность работы. Доля газонефтепродуктов составляют до 80% в топливно-энергетическом балансе России. Вместе с тем, для территории России характерна географическая разобщенность районов добычи и максимального потребления газонефтепродуктов, а также неравномерный характер потребления, что требует их резервирования. При значительных объемах хранения и повышенных требованиях к надежности и экологической безопасности, а также с учетом экономической эффективности подземные хранилища являются более перспективными по сравнению с традиционными металлическими резервуарами, о чем свидетельствует накопленный мировой опыт.

В послевоенный период в отечественной и зарубежной практике подземного резервуаростроения появилась новая технология - сооружение хранилищ подземными ядерными взрывами в отложениях каменной соли. Технико-экономические оценки показывают, что затраты на сооружение 1 м подземного резервуара по этой технологии снижаются с увеличением мощности заряда и для мощности 100 - 500 кт составляют 8-3 долл. США, что значительно ниже затрат по другим технологиям. При этом доля эксплуатационных затрат в общем балансе несколько выше.

Последнее объясняется тем, что основные технические и экологические проблемы при ядерно-взрывной технологии возникают не при создании подземных резервуаров, а при их эксплуатации, консервации и последующей ликвидации в случае необходимости, о чем свидетельствует отечественный опыт функционирования созданных по ядерно-взрывной технологии подземных хранилищ на объектах «Магистраль», «Сапфир» и «Вега» на Оренбургском и Астраханском газоконденсатных месторождениях. Повышенная конвергенция и потеря устойчивости выработок-емкостей вследствие быстроразвивающихся геомеханических процессов деформирования и разрушения окружающего соляного массива приводят к вытеснению находящегося в выработках радиоактивного наполнителя, что грозит радиоактивным заражением окружающей среды.

В связи с этим возникает актуальная задача научного обоснования технических разработок по обеспечению геомеханической стабилизации и экологической безопасности подземных хранилищ, созданных ядерными взрывами, что будет способствовать решению важных прикладных задач по безопасной эксплуатации, консервации и ликвидации подземных хранилищ газонефтепродуктов.

Цель работы заключается в разработке и научном обосновании рекомендаций по обеспечению геомеханической стабилизации и экологической безопасности подземных хранилищ, созданных ядерными взрывами в отложениях каменной соли.

Основная идея работы состоит в использовании результатов анализа всего предшествующего процесса деформирования и разрушения вмещающего соляного массива при ядерно-взрывном сооружении подземных хранилищ для определения экологически безопасных параметров технологических режимов их эксплуатации, консервации и ликвидации.

Методы исследований включают: анализ существующих теоретических и экспериментальных исследований геомеханических процессов и радиационной обстановки при эксплуатации и консервации подземных резервуаров, созданных по ядерно-взрывной технологии; численные методы математического моделирования геомеханических процессов вокруг подземных выработок-емкостей при их сооружении и эксплуатации; методы регрессионного анализа для обработки результатов численного моделирования и разработки рекомендаций по обеспечению геомеханической стабилизации вмещающего соляного массива; экспериментальные исследования радиационной обстановки в режиме радиационного мониторинга в районе расположения подземных резервуаров, созданных по ядерно-взрывной технологии.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. В соляно-купольных структурах, окруженных более жесткими породами, начальное напряженное состояние массива является неравнокомпо-нентным с коэффициентом бокового распора 0.38, что практически не отличается от коэффициента бокового распора 0.43 пластовых залежей, соответствующего гипотезе А.Н. Динника; в этих условиях после подземного ядерного взрыва в каменной соли образуется полость и область техногенной трещиноватости, имеющие форму эллипсоидов вращения с соотношением размеров по вертикальной и горизонтальной осям 1.4 для полости и 1.5 для области трещиноватости.

2. Геомеханическое состояние соляного массива, вмещающего выработку-емкость, созданную ядерно-взрывным способом, характеризуется более высоким уровнем геомеханических процессов разрушения и конвергенции вплоть до полной потери ее свободного объема по сравнению с традиционным способом подземного выщелачивания; поэтому для проектирования технологических режимов эксплуатации, консервации и ликвидации в таких выработках-емкостях наиболее показательным является прогнозирование зависимости свободного объема выработки-емкости от величины противодавления наполнителя и продолжительности технологического режима.

3. Внутритрубное пространство технологических скважин подземных резервуаров, созданных ядерными взрывами в отложениях каменной соли, следует считать в настоящее время наиболее реальным открытым и, вместе с тем, управляемым каналом миграции радионуклидов в окружающую среду, что облегчает задачу по ликвидации подземных емкостей и радиационному контролю, который должен быть организован по системе мониторинга.

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

- использованием апробированных методов механики деформируемого твердого тела для анализа геомеханических процессов;

- удовлетворительной согласованностью расчетных оценок и экспериментальных замеров конвергенции и объемов разрушения вмещающего соляного массива;

- использованием стандартных методик и экспериментального оборудования для радиационного контроля;

- положительными результатами внедрения радиационного мониторинга на объекте «Вега» Астраханского газоконденсатного месторождения (ГКМ).

Научное значение диссертации состоит в дальнейшем развитии существующих представлений о геомеханических процессах вокруг выработок-емкостей в каменной соли, созданных ядерными взрывами, и сопутствующих им процессах миграции радионуклидов.

Практическая ценность работы заключается в разработке рекомендаций по определению экологически безопасных параметров технологических режимов эксплуатации, консервации и ликвидации подземных емкостей, созданных по ядерно-взрывной технологии, и их радиационному мониторингу.

Реализация выводов и рекомендаций работы состоит в их использовании при разработке «Технико-экономических соображений по выполнению комплексных научно-исследовательских, проектных и ликвидационно-изоляционных работ при закрытии объекта «Вега» и «Рабочего проекта системы радиационного мониторинга на объекте «Вега» на Астраханском ГКМ.

Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались на научно-техническом совете ООО «Подземгазпром» (1999 г., 2000 г., 2001 г.), заседании Круглого стола «Неделя горняка» в МГГУ (2000 г.), кафедре ФГПиП МГГУ (2001 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано три печатных работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит список литературы из 70 наименований, 23 рисунка и 34 таблицы.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Гурин, Дмитрий Николаевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технические разработки по обеспечению геомеханической стабилизации и экологической безопасности подземных хранилищ, созданных ядерными взрывами, что способствует решению важных прикладных задач по безопасной эксплуатации, консервации и ликвидации подземных хранилищ газонефтепродуктов.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. Начальное напряженное состояние массива в соляно-купольных геологических структурах является неравнокомпонентным с коэффициентом бокового распора около 0.4 и практически не отличается от начального напряженного состояния пластовых структур.

2. Образующаяся в результате ядерного взрыва область первичной техногенной трещиноватости радиального направления, имеющая эллипсоидальную форму, обладает повышенной деформативностью и пониженной прочностью в приконтурной зоне; в результате решения обратной геомеханической задачи установлено 50% снижение прочности массива и такое же увеличение его деформируемости в приконтурной зоне.

3. Образующаяся в результате ядерного взрыва первичная эллипсоидальная полость в последующем при отсутствии противодавления наполнителя интенсивно разрушается вплоть до полной потери свободного объема, как это зафиксировано на объекте «Вега», для которого прогнозный срок службы выработок-емкостей без наполнителя составляет 17-20 лет.

4. Наличие наполнителя и создаваемого им противодавления в выработке-емкости меняет картину геомеханических процессов в направлении снижения их интенсивности; прогнозные оценки развития геомеханических процессов для объекта «Вега» показывают, что при величине противодавления в выработках-емкостях около 18 МПа может наступить состояние геомеханической стабилизации.

5. Результирующей характеристикой геомеханических процессов в окружающем выработку-емкость соляном массиве является зависимость величины ее свободного объема от величины противодавления и продолжительности поддержания свободного объема, которая вместе с тем является основной технологической характеристикой, определяющей параметры технологических режимов эксплуатации, консервации и ликвидации подземной емкости.

6. Концепция геомеханической стабилизации и экологической безопасности строится на анализе технологических режимов и сопровождающих их геомеханических процессов, определяющих процессы и каналы миграции радионуклидов в водоносные горизонты и окружающую среду, контроль за состоянием которых должен быть организован по системе радиационного мониторинга.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Гурин, Дмитрий Николаевич, Москва

1. Иванцов О.М. Хранение сжиженных углеводородных газов. М., Недра, 1973.

2. Смирнов В.И., Голицинский Д.М., Мельников JLJI. Строительство подземных сооружений с использованием камуфлетных взрывов. М., Недра, 1981,215 с.

3. Смирнов В.И. Сооружение подземных емкостей камуфлетными взрывами и выбор методов их закрепления/ЛИахтное строительство, 1973, № 2, С. 14-17.

4. Евстропов М.А. Взрывные работы в строительстве. М., Госстройиз-дат, 1965.

5. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных пород. М., Недра, 1975,272 с.

6. Атомные взрывы в мирных целях. Сб. статей. М., Атомиздат, 1970.

7. Использование подземных ядерных взрывов в нефтяной и газовой промышленности. М., ВНИИОЭНГ, 1971.

8. Ядерные взрывы в СССР. Вып. 4. Мирное использование ядерных взрывов. Справ, информация. -М., Атомиздат, 1994, 167 с.

9. Копухин В.П., Комлев В.Н. Ядерные технологии и экосфера. Апатиты, Изд-во Кольского ф-ла АН СССР, 1995, 340 с.

10. Испытания ядерного оружия и ядерные взрывы в мирных целях в СССР в 1949-1990 гг. Информ. сб. ВНИИПромтехнология. М., Радиевый ин-т, 1996, 69 с.

11. Мясников К.В., Родионов В.Н., Сизов И.А. и др. Анализ причин сокращения объемов подземных емкостей, созданных ядерными взрывами в массиве каменной соли на Астраханском ГКМ// Геоэкология, 1998, № 5, с. 16-29.

12. Овчинников В.М., Смирнов В.И., Федоров Б.Н., Коснов Е.К. Ликви-дационно-изоляционные работы на подземных резервуарах// Газовая промышленность, 1999, № 9, С. 72-73.

13. Технико-экономические соображения (ТЭС) по выполнению комплексных научно-исследовательских, проектных и ликвидационно-изоляционных работ при закрытии объекта «Вега». М., ООО «Подземгаз-пром», 1999.

14. Leo D., Rodcecer A. Estimating the Size of cavity and surrounding failed region for undeground nuclear Explosions from scaling rules. El. Paso, 1962.

15. Boardman G.R., Rabb D.D. and Artur R.D. Resepouses of Four Rock Mediums to Contined Nuclear Explosionus. J. of Geophysical Researh, Vol. 60, N 16, 1964.

16. Tek M.R. Nouveaux aspects du stockage soterrain du gas. Rev. Just, franc, petrol, 1965, 20, N 11, pp. 1623-1640.

17. Лютницкий A.E. и др. Отчет о гидрогеологических исследованиях глубокозалегающих водоносных горизонтов на полигоне захоронения промстоков Астраханского ГПЗ. Астрахань, АГРЭ, 1986.

18. Нижнепермская галогенная формация Северного Прикаспия. Сб. под редакцией М.А. Жаркого. Ростов-на-Дону, Изд-во Ростовского гос. университета, 1981.

19. Федоров Б.Н., Овчинников В.М., Писарев Д.С. Обследование подземных резервуаров и заключение о причинах уменьшения их объемов. М., НПО «Союзпромгаз», 1990.

20. Шафаренко Е.М., Шейнин В.И. Заключение о конвергенции подземных резервуаров с прогнозом поведения их в период эксплуатации на Астраханском ГКМ по дог. № 02-514. п. 3. М., НПО «Промгаз», 1993.

21. Руппенейт К.В., Матвиенко В.В. Оценка прочности конструктивных элементов подземных сооружений. Труды ВНИИСТ, вып. 12. М., 1962, С. 2-73.

22. Долгих М.А., Матвиенко В.-В., Хачатурьян Н.С. Оценка прочности камер выщелачивания в отложениях каменной соли. Труды ВНИИСТ, вып. 12.-М., 1962, С. 74-111.

23. Кислер JI.H., Матвиенко В.В., Долгих М.А. Оценка прочности камер выщелачивания прямоугольного поперечного сечения. Труды ВНИИСТ, вып. 12.-М., 1962, С. 112-121.

24. Гальперин A.M., Шафаренко Е.М. Реологические расчеты горнотехнических сооружений. М., Недра, 1977, 246 с.

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

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

27. Shafarenko Е.М., Zhnravleva Т. Y., Oksenkrug E.S. et al. Stability of Underground Cavities in Rock Salts. Solution Mining Research Jnst., Spring Meeting, Cracow, May 11-14,1997, pp. 495-508.

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

29. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М., Наука, 1966,752 с.

30. Смирнов В.И., Федоров Б.Н., Манукьян В.А., Шафаренко Е.М. Горно-геологические процессы в подземных полостях на Астраханском газокон-денсатном месторождении// Геоэкология, 2000, № 4.

31. Голубов Б.Н. Последствия техногенной дестабилизации недр Астраханского газоконденсатного месторождения в зоне подземных ядерных взрывов// Геоэкология, 1994, № 4, с. 25-42.

32. Геворкян С.Г., Голубов Б.Н. О деформациях полостей подземных ядерных взрывов в районе Астраханского газоконденсатного месторождения//Геоэкология, 1998, № 2, с. 17-37.

33. Кривохатский A.C., Савоненков В.Г. и др. Поведение радионуклидов, инъецированных в массив каменной соли. В кн. Тезисы докладов Всесоюзного совещания. Киев, 1991, 50 с.

34. Кривохатский A.C., Савоненков В.Г. Локализация радиоактивных продуктов (отходов) в соляном куполе Азгир. Препринт РИ-235. М., 1992.

35. Израэль Ю.А., Гречушкина М.П. Исследование подземных ядерных взрывов в мирных целях при обеспечении минимального радиоактивного загрязнения природной среды. II PN E-I. Proceeding of a Panel, Viena, January 20-24, 1975 (IAEA-TC-81-517), pp. 153-166.

36. Дубасов Ю.В., Кедровский O.JI. и др. Подземные взрывы ядерных устройств в промышленных целях на территории СССР в 1965-1988 гг. Хронология и радиационные последствия.

37. Нормы радиационной безопасности (НРБ-96). М., Госкомэпиднад-зор, 1996.

38. Основные санитарные правила. ОСП-72/87. -М., Минздрав, 1988.

39. Об охране окружающей среды. Закон РФ. 1992.

40. Киреев В.В., Ершов H.H., Протопопов Д.Д. Промышленные ядерные взрывы (зарубежные исследования). М., Атомиздат, 1971, 175 с.

41. Карташов Ю.М., Матвеев Б.В., Михеев Г.В., Фадеев А.Б. Прочность и деформируемость горных пород. М., Недра, 1979, 269 с.

42. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М., Недра, 1984, 359 с.

43. Турин Д.Н., Хлопцов В.Г. Форма полостей и зон разрушения каменной соли на объекте «Вега»// Газовая промышленность, 2000, № 12, С. 58-59.

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

45. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. -М., Наука, 1988,712 с.

46. Пермяков P.C., Ковалев О.В., Пинский В.Л. и др. Справочник по разработке соляных месторождений. М., Недра, 1.986, 212 с.

47. Разработка документации на закрытие подземной емкости 2т. Отчет НИС НПО «Радиевый ин-т им. В.Г. Хлопина». Астрахань, 1994, 93 с.

48. Савоненков В.Г. Разработка геологических критериев безопасного захоронения в соляные формации. Препринт РИ-126. Л., Радиевый ин-т им. В.Г. Хлопина, 1980, 10 с.

49. Anderson Е.В., Karelin A.I., Krivochatsky A.S. et al. Proc. of the Third International Conf., Las Vegas, Nevada, April 12-16 1992, pp. 2114-2121.

50. Савоненков В.Г., Кривохатский A.C. Локализация радиоактивных продуктов (отходов) в соляном куполе Азгир. Препринт РИ-235. М., ЦНИИатоминформ, 1993, 48 с.

51. Солодов И.Н., Шугин Г.А., Зеленова О.И. Геохимия, 1994, № 3, С. 415-432.

52. Турин Д.Н. Радиационный мониторинг подземных резервуаров, созданных по ядерно-взрывной технологии// Горный журнал, № 11-12, С. 84-86.

53. Ховрин Г.И., Коснов Е.К., Турин Д.Н. Создание резервуаров с применением подземных ядерных взрывов// Газовая промышленность, 2000, № 12, С. 54-55.

54. Проект радиационного мониторинга.

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

56. Рабочий проект опытно-экспериментальных работ по закрытию подземной емкости и ликвидации технологической скважины 2т. Астраханское газоконденсатное месторождение. Арх. № 10050, М., ВНИПИПромтехно-логии, 1998.

57. Проект закрытия подземных емкостей и ликвидации технологических скважин 2т, 4т (ВС), 5т, 7т (ВС), 8т, 9т. Астраханское газоконденсатное месторождение. Арх. № 10093, -М., ВНИПИПромтехнологии, 1998.

58. Kratsch Н. Zur Voraus berechnung der Bodensenkung über Salz kavernen. Erdoel-Ergas. V. 101, 1985.

59. Указания по охране зданий, сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок и по охране рудников от затопления в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей. Л., ВНИИГ, 1985.

60. Концепция радиационного мониторинга района Астраханского газо-конденсатного месторождения. Отчет НИС НПО «Радиевый ин-т им. В.Г. Хлопина». Астрахань, 1994.

61. Результаты проведения радиационного мониторинга АГКМ (за период с января по декабрь 1995 года). Отчет НИС НПО «Радиевый ин-т им В.Г. Хлопина». Астрахань, 1995.

62. Результаты проведения радиационного мониторинга АГКМ (за период с января по декабрь 1996 года). Отчет НИС НПО «Радиевый ин-т им В.Г. Хлопина». Астрахань, 1996.

63. Результаты проведения радиационного мониторинга АГКМ (за период с января по декабрь 1997 года). Отчет НИС НПО «Радиевый ин-т им В.Г. Хлопина». Астрахань, 1997.

64. Результаты проведения радиационного мониторинга АГКМ (за период с января по декабрь 1998 года). Отчет НИС НПО «Радиевый ин-т им В.Г. Хлопина». Астрахань, 1998.

65. Результаты проведения радиационного мониторинга АГКМ (за период с января по декабрь 1999 года). Отчет НИС НПО «Радиевый ин-т им В.Г. Хлопина». Астрахань, 1999.

66. ГОСТ 8.207-76 «Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений».

67. СТП 17.34.35-89. Охрана природы. Методы отбора и подготовки проб почвы и растительности для радиохимического и радиометрического анализов.

68. СТП 17.37-89. Охрана природы. Атмосфера. Методы отбора и подготовки проб атмосферных выпадений и аэрозолей для радиохимического и радиометрического анализов.