Геомеханическое обоснование глубинного захоронения промышленных отходов в подрабатываемых породных массивах

Воронов, Геннадий Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геомеханическое обоснование глубинного захоронения промышленных отходов в подрабатываемых породных массивах
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование глубинного захоронения промышленных отходов в подрабатываемых породных массивах"

На правах рукописи

004697296

ВОРОНОВ Геннадий Александрович

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ГЛУБИННОГО ЗАХОРОНЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ В ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ ПОРОДНЫХ МАССИВАХ

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Специальность 25,00.16 - «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 АВ Г 20Ю

Москва 2010

004607296

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный горный

университет»

на кафедре Физики горных пород и процессов

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор БАКЛАШОВ Игорь Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ШКУРАТНИК Владимир Лазаревич кандидат технических наук НЕГУ РИЦА Дмитрий Леонидович

Ведущая организация - ФГУ11 «Национальный научный центр горного производства - Институт горного дела им. A.A. Скочинского»

Защита состоится «22» сентября 2010 г. в П.оо час. на заседании диссертационного совета Д-212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан августа 2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

докт. техн. наук

МЕЛЬНИК В.В.

Общая характеристика работы Актуальность исследования. Разработка месторождений и подземное хранение углеводородов в пористых структурах приводит к нарушению естественного напряженно-деформированного состояния. В перекрывающем породном массиве формируется поле дополнительных напряжений и деформаций, а на земной поверхности образуется мульда сдвижения. В результате расположенные на земной поверхности и в породном массиве геотехнические объекты (скважины и подземные хранилища) испытывают дополнительные нагрузки, что может привести к нарушению их эксплуатационного состояния и разрушению.

При освоении месторождений углеводородов возникает проблема утилизации образующихся отходов бурения и продуктов продувки скважин. В условиях Астраханского, Оренбургского и Талаканского газокондесатных месторождений природной средой для создания подземных выработок-хранилищ является каменная соль. При освоении месторождений углеводородов Ямала буровые шламы захоранивают в вечномерзлых породах. Принятие верных проектных решений по устойчивости геотехнических объектов для захоронения промышленных отходов осложняется отсутствием точных сведений о параметрах изменения естественного напряженно-деформированного состояния подрабатываемого массива горных пород. Существующие отраслевые нормативные документы не содержат рекомендаций по созданию системы мониторинга за геомеханическими процессами на земной поверхности при добыче и хранении углеводородов и прогнозированию напряженно-деформированного состояния подрабатываемого породного массива по результатам мониторинга, т.е. рекомендации по решению обратной геомеханической задачи.

Решение обратной геомеханической задачи заключается в установлении закономерностей перехода от измеренных смещений земной поверхности к действующим в породном массиве геомеханическим процессам, что необходимо для принятия адекватных проектных и эксплуатационных решений по обеспечению устойчивости геотехнических объектов.

блочных структур, зон повышенной трещиноватости интенсивная эксплуатация недр может привести к динамическим событиям различного масштаба в виде поверхностного разломообразования, горных ударов и региональных техногенных сейсмических явлений. Таким образом, прогнозирование изменения напряженно-деформированного состояния породных массивов, подрабатываемых добычей и хранением углеводородов, может стать одним из факторов снижения экологических и социально-экономических рисков в добывающей отрасли.

Изложенное выше свидетельствует о том, что проблема прогнозирования напряженно-деформированного состояния породных массивов для обеспечения безопасного пользования недрами представляет важную народнохозяйственную задачу и тема диссертации «Геомеханическое обоснование глубинного захоронения промышленных отходов в подрабатываемых породных массивах» является актуальной.

Целью диссертации является геомеханическое обоснование глубинного захоронения промышленных отходов в подрабатываемых породных массивах с учетом установления закономерностей изменения параметров их напряженно-деформированного состояния для обеспечения рационального и безопасного пользования недрами.

Идея работы состоит в прогнозировании геомеханического состояния породных массивов по результатам решения обратной геомеханической задачи с использованием экспериментального определения оседаний земной поверхности.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Установлены закономерности распределения дополнительных напряжений в подрабатываемых породных массивах: в продольном главном сечении максимумы интенсивности дополнительных напряжений формируются в центральной части области сдвижения у земной поверхности и непосредственно над кровлей пласта-коллектора; в поперечном главном сечении максимумы интенсивности дополнительных напряжений локализованы в краевой части области сдвижения над кровлей пласта-коллектора на удалении 0.20-0.25 длины разработки от её центра.

2. Впервые научно обоснованы параметры наблюдательной станции за сдвижением земной поверхности при организации геомеханического мониторинга; предложен тип рабочего репера сети наблюдений, использование которого позволяет ускорить установку спутникового оборудования, избежать ошибок, связанных с неточной центрировкой антенны; установлены корреляционные зависимости для определения минимальной продолжительности сеанса спутниковых наблюдений.

3. Разработана методика определения параметров напряженно-деформированного состояния подрабатываемого породного массива и размещаемых в нём хранилищ промышленных отходов, отличающаяся от известных методик решением прямой и обратной геомеханической задачи в режиме проведения геомеханического мониторинга.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются:

- корректным использованием фундаментальных положений геомеханики о деформировании породных массивов;

- удовлетворительной сходимостью теоретических прогнозов смещений земной поверхности с результатами натурных исследований параметров сдвижения при подработке;

- использованием метрологически аттестованной измерительной техники и сертифицированного программного обеспечения.

Новизна работы заключается в совместном использовании решений прямой и обратной геомеханических задач, по результатам которых определены параметры распределения компонентов дополнительного напряженно-деформированного состояния подрабатываемых породных массивов, а также приведены рекомендации для проектирования наблюдательных станций при организации геомеханическим мониторинга.

Научное значение работы заключается:

- в дальнейшем развитии существующих представлений о закономерностях изменения напряженно-деформированного состояния массивов в связи с эксплуатацией месторождений и подземных хранилищ углеводородов;

- в разработке методов и средств наблюдений, контроля и прошоза геомеханического состояния геотехнических объектов при сдвижении и деформации породного массива.

Практическое значение работы состоит в разработке методических рекомендаций по обоснованию системы геомеханического мониторинга при эксплуатации месторождений и подземном хранении углеводородов в пористых структурах для обеспечения безопасного пользования недрами при глубинном захоронении промышленных отходов.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанные в диссертации технологические решения и методические рекомендации по обоснованию системы геомеханического мониторинга при эксплуатации месторождений и подземном хранении углеводородов в пористых структурах были использованы в ООО «Подземгазпром» для составления рекомендаций по «Организации объектного мониторинга состояния недр при консервации и ликвидации радиационно-

опасных объектов недропользования ОАО «Газпром», утвержденных департаментом стратегического развития ОАО «Газпром».

Данные методические рекомендации включены в содержание технических проектов создания геодинамических полигонов, согласованных в Ростехнадзоре и реализованных на объекте «Вега» и Волгоградском подземном хранилище газа.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2008 г.), на семинарах учебно-исследовательского центра «Геомеханика» Московского государственного горного университета (2010 г.) и на семинарах научно-технического совета ООО «Подземгазпром» (2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы три научные статьи в журнале, включенном в «Перечень...» ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 61 рисунок, 21 таблицу, список литературы из 121 наименования, 1 приложение.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору, д.т.н. И.В. Баклашову, постоянное внимание и помощь которого способствовали выполнению работы, главному инженеру ООО «Подземгазпром» к.т.н. В.Г. Хлопцо-ву за содействие и консультации по важнейшим вопросам диссертации, сотрудникам отдела геомеханики ООО «Подземгазпром» за сотрудничество и поддержку, оказываемую в ходе выполнения исследований и подготовки данной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В современном мире остро стоит проблема захоронения отходов, образующихся в результате промышленной деятельности человека. Одним из способов захоронения отходов нефтегазовой промышленности, в том числе и радиоактивных, является их захоронение в подземных горных выработках. Глубинное хранение отходов снижает факторы экологического риска и уменьшает размеры земельных участков, отчуждаемых под склады. Наиболее подходящими по совокупности свойств геологическими структурами для использования в качестве вмещающих сред при захоронении промышленных отходов являются массивы каменных солей, туфы, скальные массивы, породы криолитозоны.

Преимуществом солей является высокая теплопроводность, способствующая хорошему отводу тепла. Кроме того, создание в каменной соли горных выработок относительно легко и недорого. При этом в настоящее время во многих странах уже существуют сотни километров таких выработок. Поэтому для неупорядоченного складирования промышленных отходов могут быть использованы

полости в соляных отложениях, созданные в основном методом выщелачивания через буровые скважины или методом камуфлетного ядерного взрыва.

При оценке факторов риска при захоронении отходов в соляных формациях необходимо учитывать следующие геологические условия:

- физические (механические и тепловые) свойства соляного массива;

- тектоническую обстановку;

- общую сейсмическую опасность;

- новейшую активность разломов;

- скорость вертикальных движений земной коры;

- особенности изоляции от поверхности водонепроницаемыми экранами и образование каналов гидравлической связи подземных и поверхностных вод.

Исследованиями в области глубинного захоронения экологически опасных отходов промышленности занимались Б.Т. Кочкин, Н.П. Лаверов, В.И. Омельян-ченко, В.И. Величкин, B.C. Гупало, В.Н. Морозов, В.Н. Татаринов, И.Ю. Буров, В.И. Смирнов и многие другие ученые.

Особенностью глубинного захоронения промышленных отходов при эксплуатации месторождений и подземных хранилищ нефти и газа является расположение под ёмкостями-хранилищами пласта-коллектора, из которого производится отбор или закачка углеводородов. Это приводит к образованию дополнительных напряжений в перекрывающем породном массиве и формированию дополнительных нагрузок на конструкции технологических скважин и подземных ёмкостей-хранилищ. Дополнительные нагрузки могут привести к ухудшению условий эксплуатации, разрушению подземных ёмкостей и потере герметичности технологических скважин.

Над проблемами устойчивости выработок, сооружаемых в соляных породах, на разных этапах развития исследований работали М.А. Долгих, Н.С. Хача-турьян, JI.H. Кислер, Ж.С. Ержанов, A.C. Сагинов, К.В. Руппенейт, Ю.А. Векслер, Е.М. Шафаренко, С.А. Константинова, И.В. Баклашов, В.Л. Шкуратник, М.Н. Та-востин, В.Г. Хлопцов. Исследования состояния подземных хранилищ выполнялись методами теории упругости, статистической теории хрупкого разрушения, теории пластичности, линейной теории ползучести, теории упрочнения и теории старения. Постановка задач по оценке устойчивости подземных хранилищ основывалась на расчетных схемах в полных напряжениях, учитывающих естественное и дополнительное напряженное состояние, и в снимаемых напряжениях, возникающих в результате выемки породы при строительстве выработки либо перемещения кровли пласта-коллектора при добыче или хранении углеводородов.

Применение теории упругости для определения устойчивости выработок в каменной соли ограничено глубинами первых сотен метров, где деформации пород пропорциональны действующим нагрузкам, при отсутствии релаксации напряжений и разрушений приконтурных пород.

Численный анализ устойчивости соляного массива вокруг осесимметрич-ных емкостей различной конфигурации был использован Э.И. Бергманом. Полученная модель состояния каменной соли описывает процессы релаксации напряжений в приконтурных породах. Однако предположение об отсутствии объёмных деформаций (разрыхления) противоречило экспериментальным данным.

Выход из этого противоречия был найден Е.М. Шафаренко, который на основании экспериментальных данных о ползучести солей Соль-Илецкого месторождения предложил физические уравнения наследственного типа в инвариантах тензоров напряжений и деформаций. Модель описывает все стадии ползучести, допускает существование предела длительной прочности как порогового значения интенсивности напряжений, при котором начинаются процессы разрушения, сопровождающиеся разрыхлением среды. Предлагается методика определения параметров уравнений, и проводятся расчеты для сферической и цилиндрической полостей.

В то же время сравнение результатов численных и аналитических исследований, выполненных в рамках механики деформируемого твёрдого тела, выявило различие с данными натурных наблюдений за механическим состоянием горных выработок и характером разрушения породного массива. Причиной этого различия, по мнению И.В. Баклашова и В.Г. Хлопцова, является традиционная расчетная схема, которая предполагает нагружение массива с уже существующей выработкой, в том числе нагрузками, обусловленными начальным напряженным состоянием ненарушенного массива. Рекомендуемая расчетная схема, впервые предложенная И.В. Родиным, предполагает нагружение выработки реактивными силами отпора по её контуру на силовое воздействие со стороны окружающего породного массива. Именно эти снимаемые напряжения и являются единственным силовым фактором, вызывающим деформации и изменение напряженно-деформированного состояния породного массива.

Ведение горных работ сопровождается возмущением начального напряженно-деформируемого состояния недр и может сильно изменить природное состояние геологической среды вплоть до возникновения значительных деформаций и сейсмических событий. В практическом плане наибольший интерес для изучения представляют сдвижения породного массива и земной поверхности, а также не-равнокомпонентное силовое воздействие на скважины.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями деформированного состояния земной поверхности при подработке в разное время занимались A.A. Никонов, Г. Кратч, Д.А. Казаковский, М.А. Иофис, С.Г. Авершин, С.П. Колбен-ков, P.A. Муллер, В.Н. Земисев, Д.Л. Негурица, Ю.А. Кашников, В.А. Сидоров. Изучались закономерности формирования различных зон сдвижения породного массива и земной поверхности в зависимости от геометрии подработки, физико-механических свойств слагающих пород, структурно-механических особенностей вмещающего массива. Проводилось математическое описание процесса сдвижения и составление моделей сдвижения толщи горных пород. Из анализа этих исследований следует, что в результате осуществления горных работ, связанных с добычей полезных ископаемых, в область сдвижения вовлекаются горные выработки, линии коммуникаций, технологическое оборудование, что может ухудшить их эксплуатационное состояние и привести к разрушению.

В связи с изложенным для достижения поставленной в диссертации цели необходимо решить следующие задачи:

1. Определить параметры напряженно-деформированного состояния породного массива при подработке эксплуатацией месторождений и подземных хранилищ углеводородов в пористых структурах по прогнозному изменению пластового давления (прямая геомеханическая задача) и по результатам натурных наблюдений за сдвижением земной поверхности (обратная геомеханическая задача).

2. Разработать научно обоснованный алгоритм мониторинга механического состояния подрабатываемого массива горных пород, включающий совместное использование решений прямой и обратной геомеханических задач.

3. Обосновать параметры конструкции наблюдательной станции для изучения сдвижений земной поверхности.

4. Усовершенствовать методику и средства наблюдений в сетях геомеханического мониторинга.

Для решения первой задачи используется методика определения параметров напряженно-деформированного состояния породного массива по прогнозному изменению пластового давления, разработанная в ООО «Подземгазпром» при участии автора диссертации.

Объёмная деформация пласта-коллектора в пределах области с постоянной

величиной изменения пластового давления АР определяется по формуле:

~ = ,= (м ■ /L, ~ 0 ~ и) ■■ v h m

гае итт и - соответственно максимальные смещения кровли и почвы пласта-коллектора (м); И — мощность пласта (м); т - эффективная пористость (ед.); Рпор и Рш - соответственно сжимаемость порового пространства и твердой фазы пород-коллекторов (см2/кгс); АР - изменение пластового давления (кгс/см2).

Максимальные смещения кровли итш1 и почвы и„тт>. пласта коллектора связаны между собой выражением:

—!Ш- = 1—0.4—, (2)

где Я - глубина залегания кровли пласта (км); О0 - эквивалентный радиус области (км) с постоянной величиной АР .

Величина максимального оседания земной поверхности ^ (м) определяется по формуле:

- --(3)

1 +

3 кн

Максимальный и минимальный Д,т|„ размеры (км) полумульды сдви-

жения на уровне кровли пласта-коллектора определяются как:

4"-« -1 4 + ^.

д« ' А

(4)

Я .

Максимальная величина вертикальных смещений породного массива 77утах (м) на глубине У (км) от земной поверхности определяется по следующей формуле:

где показатель степени

л = 10-(1-ехр(-0.1-—)) (6)

А>

На следующем этапе вычислений определяются максимальный АГт1а (км) и минимальный АУтт (км) размеры полумульды сдвижения в породном массиве на глубине К (км):

А™. А„„ V ц_

А- = Л- = (1.4 + + —

э и и Д>' в

Щ|П тш гот _¡¿. ГП1П

где 6 - граничный угол сдвижения (град.).

Если для подрабатываемой породной толщи ввести понятие нейтральной линии, по которой происходит смена знаков горизонтальных деформаций, глубина её залегания определяется по следующей формуле:

(8)

— = 0.5 + 0.5 • ехр(-0.75—) Н Н

В практическом плане для оценки механического состояния подрабатываемого породного массива представляет интерес распределение горизонтальных деформаций, обусловленных процессами сдвижения. Распределение горизонтальных деформаций сп и еп по главным осям Х\ и Хг, на глубине V мульды сдвижения определяется следующим образом:

£п „ „, ??Гтп п оАи У0~У /г'/

'а.

^Утш

я £>„

(9)

12- = 0.05 -^=41 - 8—• Г(г„)

АУтт Я Д

где функции Р(2Г,.,) и Р'(2Г1) описываются следующими выражениями: Г(гп) = -12.5 - (1 - )и - 2\\ + 2.2

п-г")23 л

а-г1-1)"

П\1.3 1-4 , П О V1 У2 )

(10)

) = -12.5 ■ (1 - ) +2.2

Вертикальные компоненты деформации суъ в породном массиве на глубине 7 определяются выражением:

Г2А Г2у1 )" ^ (¿Г 1Л ) ' +

(И)

Для характеристики напряженного состояния породного массива величины дополнительных напряжений о>,, аУ2, оуз рассчитываются по вычисленным деформациям с помощью обобщенного закону Гука.

Для анализа механического состояния целесообразно представить компоненты дополнительных напряжений в инвариантах, не зависящих от принятой

системы координат (среднее напряжение а и интенсивность напряжений <т,), определяемые по формулам:

¡2__

С,- = — ■ т/(о>| - СГп )2 + - °п )2 + - ап У

2 ' (12) + + (13)

В качестве иллюстрации рассмотрим расчетную область, которая содержит выработанное пространство эллиптической формой в плане с размерами главных осей 16 на 10 км со сдвинутыми относительно друг друга ступенями изменения пластового давления.

Распределения интенсивности дополнительных напряжений в подрабатываемом массиве в главных сечениях области сдвижения, построенные по результатам расчетов с использованием приведенных формул (1)-(13) представлены на рис. 1.

Рис.1. Распределение интенсивности дополнительных напряжений О",- (МЛа) в продольном (а) и поперечном (б) главных сечениях мульды сдвижения

В результате расчета выявлена наиболее неблагоприятная зона по воздействию на механическое состояние недр и созданию условий для расслоения породного массива, которая представляет собой область повышенных значений интенсивности напряжений в центральной части мульды сдвижения вблизи кровли пласта-коллектора, так как здесь формируется и область всестороннего растяжения, снижающая сцепление породных слоев.

Полученные распределения интенсивностей дополнительных напряжений согласуются с данными других исследователей (Г. Кратч).

В общем случае измеренные параметры и положение мульды сдвижения могут не совпадать с ожидаемыми, полученными на основе прогнозного изменения пластового давления, тогда по данным измеренных смещений земной поверхности можно определить фактическое положение области изменения пластового давления и ее геометрические параметры. В конечном итоге по результатам проведенных натурных измерений смещений земной поверхности с помощью построения кривой оседаний вдоль профильных линий или создания площадной модели оседаний по результатам спутниковых измерений может быть решена обратная геомеханическая задача о распределении деформаций и напряжений в подрабатываемом породном массиве.

На первом этапе вычислений дополнительных напряжений, действующих в подрабатываемом массиве горных пород, анализируются измеренные оседания земной поверхности на профильных линиях и пунктах сети спутниковых наблюдений с целью выявления границ области сдвижения на земной поверхности, определения фактических размеров главных осей измеренной мульды сдвижения Лшх и Л^ , а также центра области сдвижения.

Затем с учетом сведений о глубине залегания кровли пласта-коллектора Я, граничных углах сдвижения породного массива ди размерах измеренной мульды сдвижения на земной поверхности производится расчет максимального Лтах и

минимального размеров области сдвижения на уровне кровли пласта-

коллектора:

По вычисленным размерам области сдвижения на уровне кровли пласта-коллектора можно судить о размерах области изменения пластового давления Д, (км). Для круговой формы изменения пластового давления эта формула с учетом формулы (4) будет иметь следующий вид:

(14)

1.4 '

где Л - размер области сдвижения круговой формы на уровне кровли пласта-коллектора (км).

В случае эллипсовидной формы площади изменения пластового давления, размеры её главных осей можно вычислить по формулам:

4(4-0.5 Н)

(16)

где Д> - эквивалентный размер области сдвижения на уровне кровли пласта-коллектора (км).

Максимальное вертикальное смещение земной поверхности (м) по результатам проведенных измерений на профильных линиях и площадной сети спутниковых наблюдений может быть определено по следующему выражению, построенному с использованием процедуры усреднения:

„ =! V-Ък---(17)

где п - количество реперов в сети геомеханического мониторинга в пределах мульды сдвижения, Т)м - измеренное оседание земной поверхности в точках с безразмерными координатами относительно центра мульды сдвижения (м).

На следующем этапе вычислений рассчитывается максимальное оседание кровли пласта (м), определяемое по следующему выражению:

Ць]

3 [и, ППЧ

■и"?« Д^

Параметры дополнительного напряженного состояния породного массива, обусловленные добычей и хранением углеводородов, затем могут быть определены с использованием формул (5)-(13) из решения прямой геомеханической задачи.

Информация, полученная в результате вычислений, в свою очередь будет являться граничным условием для проведения расчетов устойчивости с целью определения механического состояния геотехнических объектов, находящихся в поле действия изменения исходного напряженного состояния.

В результате решения второй из поставленных в диссертации задач был разработан алгоритм мониторинга механического состояния подрабатываемого

массива горных пород, включающий совместное использование решений прямой и обратной геомеханических задач, представленный на рис. 2.

Интерпретация данных натурных наблюдений за смещениями земной поверхности позволит проводить ретроспективный мониторинг напряженного состояния породного массива при подработке добычей или подземным хранением углеводородов.

Комплексное изучение механического состояния земной коры при эксплуатации месторождений, подземных хранилищ углеводородов в пористых структурах включает в себя количественную оценку горизонтальной и вертикальной составляющей векторов сдвижений земной поверхности и распределение компонентов напряженно-деформированного состояния породного массива путём заложения геодинамического полигона, постановку высокоточного геомеханического мониторинга для контроля и прогнозирования деформационных процессов, а также выполнение расчетов для перехода от измеренных оседаний к действующим в породной толще напряжениям.

Рис. 2. Алгоритм геомеханического мониторинга подрабатываемых породных массивов

Организации системы комплексного геомеханического мониторинга должны предшествовать прогнозные геомеханические расчеты параметров сдвижения породного массива с количественной оценкой его напряженно-деформированного

состояния для выявления наиболее нагруженных участков, границ зон влияния антропогенного воздействия и степени опасности для наземных сооружений и геотехнических объектов. Результаты расчетов должны использоваться при трассировании элементов сети мониторинга, которая представляет собой наблюдательную станцию, состоящую из системы реперов, закладываемых в земную поверхность, подрабатываемые здания и сооружения, продуктопроводы и инженерные сети по определенной схеме в пределах предполагаемой области сдвижения. Обоснование параметров конструкции наблюдательной станции являлось решением третьей поставленной в диссертации задачи.

При эллипсовидной форме площади изменения пластового давления минимальное количество реперов г площадной сети типовой наблюдательной станции может быть определено по формуле:

г = я-{Ошю + Нс!ё5ХВтЬ + Н-с18ёУр, (19)

где Ц^ - размер большей полуоси площади изменения пластового давления (км); Я - глубина залегания кровли пласта-коллектора (км); 8 - граничный угол сдвижения (град), зависящий от прочностных свойств породного массива; Ц„1П - размер меньшей полуоси площади изменения пластового давления (км); р - плотность размещения реперов наблюдательной станции, принимаемая р ~ 0.2 шт/км2.

При использовании эквивалентного радиуса подработки о0 либо в случае круговой в плане площади пласта-коллектора формула (19) сводится к следующему выражению:

г = х-(оа + НсгёзУ-р, (20)

Длина «большой» профильной линии Ь (км), расположенной вдоль большей главной оси мульды сдвижения, при эллипсовидной форме изменения пластового давления может быть определена по формуле:

£ = 2 ■ (Ота>+Я- с/£<5)+0.5. (21)

Длина «малой» профильной линии I (км), расположенной вдоль малой главной оси мульды, рассчитывается по следующей формуле:

/ = 2-фт|п + Я-с&,5)+0.5. (22)

При одной «большой» профильной линии количество «малых» профильных линий нивелирования я может быть определено как:

л=1+1\2Ц (23)

где \ - оператор целочисленного деления, 20 - допустимая длина линии нивелирования II класса на геодинамических полигонах (км).

Количество реперов на профильных линиях N определяется их протяженностью и частотой заложения:

--(т-к)

(24)

где - суммарная протяженность профильных линий (км); V - частота заложе-м

ния реперов, принимаемая в интервале 0.3+0.5 шт/км; т - количество узловых реперов; к - количество профильных линий.

Для решения четвёртой поставленной в диссертации задачи было исследовано влияние длины наблюдаемого вектора площадной сети наблюдательной станции на минимальную продолжительность сеанса спутниковых измерений. Полученная методом регрессионного анализа кривая удовлетворительно описывается линейной зависимостью вида/(х)=а*х+Ь, где а и Ь параметры аппроксимации а= 6 и ¿=59 (рис. 3).

Также был предложен рекомендуемый тип рабочего репера площадной се.ти наблюдательной станции, использование которого позволит избежать ошибок, связанных с неточной центрировкой антенны и ускорить установку спутникового оборудования на пунктах сети (рис. 4).

Результаты выполненных диссертационных исследований были использованы при проведении геомеханического мониторинга объекта «Вега», представляющего собой комплекс подземных емкостей хранилищ отходов в отложениях каменной соли, подрабатываемых добычей углеводородов на Астраханском ГКМ.

ГГ2=0.3

1прЛ 0а1а « а'х+Ь —

5.0

35.0

10.0 15.0 20.0 25.0 ЭС.О

Длина наблюдаемого вектора, км

Рис.3. Зависимость продолжительности сеанса измерений от длины наблюдаемого вектора

Ожидаемая мульда сдвижения земной поверхности над Астраханским ГКМ за период наблюдений, полученная из решения прямой геомеханической задачи, представлена на рис. 5.

отверстие для станового бронзовая марка (0 15 мм) винта 0 19 мм

Рис.5. Прогнозная мульда сдвижения (мм) на АГКМна 2007-2008 гг.

На основании результатов расчетов оседаний земной поверхности с учетом взаимного расположения подземных емкостей и формул (19)-(24), была выбрана следующая конструкция наблюдательной станции сети геомеханического мониторинга (рис. 6).

На рис. 7 приведены главные оси сдвижения и изолинии оседаний земной поверхности Астраханского ГКМ (мм) за период наблюдений 2007-2008 гг.

Рис. 7. Главные оси сдвижений и изолинии оседаний земной поверхности (мм) в

пределах ЛГКМ

Распределения инвариантов дополнительных напряжений вдоль участков осей сдвижения в условиях объекта «Вега», полученные в результате натурных наблюдений за смещениями земной поверхности и решения обратной геомехани-

Рис.8. Распределение инвариантов дополнительного напряженного состояния на участке главной продольной оси зоны сдвижения

Рис. 9. Распределение инвариантов дополнительного напряженного состояния на участке главной поперечной оси зоны сдвижения

Образование дополнительных напряжений от подработки эксплуатацией Астраханского ГКМ несёт в себе потенциальную опасность для устойчивости технологических скважин, так как приводит к появлению дополнительных нагрузок на конструкции этих горных выработок.

Рассмотрим взаимодействие конструкции крепи технологической скважины

и породного массива (с удельным весом Ум , модулем деформации Ем и коэффициентом Пуассона Мм) после его подработки. Устойчивость технологических скважин с точки зрения их герметичности может быть нарушена образованием зазора между цементной тампонажной оболочкой и породным массивом при формировании дополнительных растягивающих напряжений в плоскости, перпендикулярной оси скважины. Конструкция скважины представляет двухслойную

крепь из обсадной стальной колонны с внешним радиусом гк, модулем деформа-

ции Ек и коэффициентом Пуассона и цементной тампонажной оболочки с внешним радиусом гскй, удельным весом Уч , модулем упругости Ец и коэффициентом Пуассона .

Рассмотрим случай деформирования массива с соотношением действующих горизонтальных напряжений сг, > <т2, где с, - максимальные по величине растягивающие напряжения в верхней краевой части подработанного массива; <тг -минимальные по величине растягивающие напряжения в верхней краевой части подработанного массива.

В качестве примера рассмотрим неравнокомпонентное поле растягивающих напряжений <т, и сг2 в окрестности технологической скважины подземной ёмкости 5Т, расположенной па удалении 13 км от центра мульды сдвижения на земной поверхности в верхней краевой части зоны сдвижения с безразмерными координатами >/Я=0.25; X = 0.84.Горизонтальные растягивающие напряжения соответственно составят: и, =0.00084 МПа и а2 =0.00017 МПа. Расчетное условие и числовая оценка величины образования радиального зазора и * (мм) по методике ООО

«Подземгазпром» имеет следующий вид:

+ >0> " (25)

Е,\ 1 ' 2 1 ф + \.5а '

где Еч =2.5x10" МПа; а - среднее напряжение по двум компонентам сг, и ст2 растягивающих горизонтальных напряжений в подработанном массиве (МПа); Ф -передаточная функция давления на крепь или геометрическая характеристика крепи скважины, ф = 0.133 ; /г - глубина расположения рассматриваемого сечения скважины, А = 1000 м; уч =0.019 МПа/м; ОС - реологический параметр, показывающий, во сколько раз при постоянном напряжении конечная деформация ползучести при больше начальной упругой, а = 1.5; ^=0.025 МПаУм;

гст=0.2225 м. После подстановки всех параметров в условие (25) находим:

и - ^-73[0-00056+(0.00084 - 0.00017)]-

1.02х0.133хЮ00[0.019х1.5-(1.5-1.0Х0-025-0.019)] с() = 0.133+1.5x1.5

= -1,289х 10'5 м =-0.0129лш < 0.

Полученный результат свидетельствует о том, что возникающие в результате подработки эксплуатацией АГКМ дополнительные растягивающие напряжения незначительны и не приведут к образованию вертикальных каналов миграции

флюидов из технологических скважин объекта «Вега». Это обстоятельство свидетельствует о герметичности и, следовательно, о промышленной и экологической безопасности подземных выработок-хранилищ объекта «Вега», что было установлено в результате проведения геомеханического мониторинга породного массива, подрабатываемого разработкой АГКМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по геомеханическому обоснованию глубинного захоронения промышленных отходов в подрабатываемых породных массивах путём установления закономерностей изменения параметров их напряженно-деформированного состояния на основе решения прямой и обратной геомеханических задач в режиме геомеханического мониторинга, что имеет существенное значение для обеспечения рационального и экологически безопасного пользования недрами.

При достижении поставленной цели и решении задач диссертационного исследования лично автором получены следующие научные и практические результаты:

1. Установлено, что зона растягивающих напряжений от подработки охватывает около 40% для продольного и около 30% для поперечного главных сечений мульды сдвижения; максимальные растягивающие напряжения наблюдаются в центральной части мульды сдвижения непосредственно над кровлей выработанного пласта-коллектора, максимум сжимающих напряжений фиксируется в центральной части зоны сдвижения у земной поверхности и в краевой части мульды сдвижения над выработанным пространством на удалении около 0.25 длины разработки от её центра. ■

2. Доказано, что для главного продольного сечения мульды сдвижения максимум анизотропии напряжений в горизонтальной плоскости приходится на краевую часть мульды сдвижения на удалении 0.45-0.55 длины разработки от центра в области действия сжимающих напряжений; максимумы анизотропии в поперечном главном сечении мульды сдвижения приурочены к краевой части зоны сдвижения у кровли пласта-коллектора на удалении 0.30-0.40 длины разработки от ее центра.

3. Разработана и обоснована методика определения параметров напряженно-деформированного состояния подрабатываемых породных массивов по замерам сдвижений земной поверхности в виде процедуры решения обратной геомеханической задачи.

4. Разработана методология геомеханического мониторинга при разработке месторождений и подземном хранении углеводородов в пористых структурах.

5. В результате проведения натурных наблюдений в сети геомеханического мониторинга определены зависимости продолжительности сеанса измерений на векторах спутниковой сети: продолжительность сеанса измерений / прямо пропорциональна длине наблюдаемого базиса х и изменяется по закону ¡~6х+59 при коэффициенте множественной корреляции не ниже 0.9.

6. Предложен тип репера для проведения спутниковых наблюдений на сетях геомеханического мониторинга, использование которого благодаря бесшта-тивной технологии, позволяет: уменьшить продолжительность измерений за счет уменьшения времени на установку спутниковой аппаратуры; повысить точность определения положения пунктов за счет уменьшения ошибок, связанных с неточной центрировкой антенны спутникового приёмника и смещением антенны приёмника во время проведения сеанса измерений.

7. Установлено, что возникающие в результате подработки эксплуатацией Астраханского ГКМ дополнительные растягивающие напряжения в верхней краевой части зоны сдвижения не приведут к образованию вертикальных каналов миграции флюидов из технологических скважин, что обеспечит промышленную и экологическую безопасность подземных выработок радиационно-опасного объекта «Вега».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Воронов Г.А. «Геомеханический расчет подземных хранилищ углеводородов на основе экспериментального определения свойств горных пород». Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005. - №5. - С .87-91.

2. Воронов Г.А. «Анализ результатов отечественных и зарубежных исследований устойчивости выработок в каменной соли». Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - №6. - С. 8-13.

3. Воронов Г.А., Оксенкруг Е.С. «Количественное определение параметров деформации земной поверхности над подземньми хранилищами в каменной соли». Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2009. -№4.-С. 251-257.

4. Воронов Г.А. «Расчет устойчивости выработок в ледопородном массиве с использованием метода конечных элементов». Сборник научных трудов студентов магистратуры Московского государственного горного университета. Выпуск 6.-М.: МГТУ. - 2006. - С. 225 -230.

Подписано в печать 08.07.2010 Формат 60x90/16.

Объем 1 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № SSЭ

Отпечатано в ОИУП МГТУ. г. Москва. Ленинский проспект, д.6.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Воронов, Геннадий Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБЗОР ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1 Обзор и анализ использования соляных структур как могильников для размещения и утилизации промышленных отходов.

1.2 Анализ устойчивости выработок, сооружаемых в соляных породах.

1.3 Анализ аналитических и численных исследований деформированного состояния земной поверхности при подработке.

1.4 Выводы по главе и постановка задач исследований.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ И ПОДЗЕМНОМ ХРАНЕНИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ.

2.1 Проявления геомеханических и геодинамических процессов при добыче и хранении углеводородов в пористых структурах.

2.2 Методология расчета параметров напряженно-деформированного состояния породных массивов при их подработке по данным прогнозного изменения пластового давления - методология решения прямой геомеханической задачи.

2.3 Результаты расчета параметров механического состояния породных массивов, подрабатываемых разработкой месторождений и подземным хранением углеводородов в пористых структурах.

2.4 Определение механического состояния породного массива по данным натурных экспериментов в результате контроля смещений земной поверхности -методология решения обратной геомеханической задачи.

3 ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ.

3.1 Общие положения по изучению деформирования земной коры.

3.2 Организация сети наблюдений.

3.2.1 Принципы построения наблюдательных станций.

3.2.2 Закрепление рабочих и опорных пунктов сети.

3.3 Планирование и методика проведения измерений на сетях геомеханического мониторинга подрабатываемых породных массивов.

3.3.1 Общие положения по проведению геомеханического мониторинга.

3.3.2 Проведение нивелирования.

3.3.3 Проведение спутниковых измерений.

3.3.4 Обработка результатов нивелирования.

3.3.5 Обработка результатов спутниковых наблюдений.

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДРАБАТЫВАЕМОГО ПОРОДНОГО МАССИВА, ВМЕЩАЮЩЕГО ПОДЗЕМНЫЕ ЁМКОСТИ ОБЪЕКТА «ВЕГА».

4.1 Расчет параметров ожидаемой мульды сдвижения.

4.2 Рекомендации по организации специальной наблюдательной станции для мониторинга механического состояния подземных емкостей-хранилищ объекта «Вега».

4.3 Результаты натурных экспериментов по определению смещений земной поверхности при геомеханическом мониторинге подземных горных выработок объекта «Вега».

4.4 Определение напряженно-деформированного состояния породного массива по данным натурных экспериментов в условиях объекта «Вега».

4.5 Взаимодействие конструкции крепи технологической скважины и породного массива после его подработки.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геомеханическое обоснование глубинного захоронения промышленных отходов в подрабатываемых породных массивах"

Актуальность исследования. Разработка месторождений и подземное хранение углеводородов в пористых структурах приводит к нарушению естественного напряженно-деформированного состояния. В перекрывающем породном массиве формируется поле дополнительных напряжений и деформаций, а на земной поверхности образуется мульда сдвижения. В результате расположенные на земной поверхности и в породном массиве геотехнические объекты (скважины и подземные хранилища) испытывают дополнительные нагрузки, что может привести к нарушению их эксплуатационного состояния и разрушению.

Решение обратной геомеханической задачи заключается в установлении- закономерностей перехода от измеренных смещений земной поверхности к действующим в породном массиве геомеханическим процессам, что необходимо для принятия адекватных проектных и эксплуатационных решений по обеспечению устойчивости геотехнических объектов.

При разработке месторождений углеводородов оседания земной поверхности могут достигать нескольких метров, а ликвидация их последствий может привести к значительным финансовым затратам. Так стоимость восстановления положения платформ вследствие почти катастрофического оседания донной поверхности на промысле Экофиск составила около $ 400 млн. Как правило, процессы деформирования породного массива и земной поверхности при эксплуатации месторождений и хранилищ углеводородного сырья носят статический характер. Однако при наличии разломных тектонических нарушений, краевых зон блочных структур, зон повышенной трещиноватости интенсивная эксплуатация недр может привести к динамическим событиям различного масштаба в виде поверхностного разломообразования, горных ударов и региональных техногенных сейсмических явлений. Таким образом, прогнозирование изменения напряженно-деформированного состояния породных массивов, подрабатываемых добычей и хранением углеводородов, может стать одним из факторов снижения экологических и социально-экономических рисков в добывающей отрасли.

Цель диссертации является геомеханическое обоснование глубинного захоронения промышленных отходов в подрабатываемых породных массивах с учетом установления закономерностей изменения параметров их напряженно-деформированного состояния для обеспечения рационального и безопасного пользования недрами.

Научные положения, выносимые на защиту:

- установлены закономерности распределения дополнительных напряжений в подрабатываемых породных массивах: в продольном главном сечении максимумы интенсивности дополнительных напряжений формируются в центральной части области сдвижения у земной поверхности и непосредственно над кровлей пласта7коллектора; в поперечном главном сечении максимумы интенсивности дополнительных напряжений локализованы в краевой части области сдвижения над кровлей пласта-коллектора на удалении 0.20-0.25 длины разработки от её центра;

- впервые научно обоснованы параметры наблюдательной станции за сдвижением земной поверхности при организации геомеханического мониторинга; предложен тип рабочего репера сети наблюдений, использование которого позволяет ускорить установку спутникового оборудования, избежать ошибок, связанных с неточной центрировкой антенны; установлены корреляционные зависимости для определения минимальной продолжительности сеанса спутниковых наблюдений;

- разработана методика определения параметров напряженно-деформированного состояния подрабатываемого породного массива и размещаемых в нём хранилищ промышленных отходов, отличающаяся от известных методик решением прямой и обратной геомеханической задачи в режиме проведения геомеханического мониторинга.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются:

- корректным использованием фундаментальных положений геомеханики о деформировании породных массивов;

Новизна работы заключается в совместном использовании решений прямой и обратной геомеханических задач, по результатам которых определены параметры распределения компонентов дополнительного напряженно-деформированного > состояния подрабатываемых породных массивов, а также приведены рекомендации для проектирования наблюдательных станций при организации геомеханическим мониторинга.

Научное значение работы заключается:

- в разработке методов и средств наблюдений, контроля и прогноза геомеханического состояния геотехнических объектов при сдвижении и деформации породного массива.

Публикации. По теме диссертации опубликованы три научные статьи в журнале, включенном в «Перечень.» ВАК Минобрнауки РФ.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Воронов, Геннадий Александрович

1.4 Выводы по главе и постановка задач исследований

Эксплуатация месторождений нефти и газа, подземное хранение углеводородов в пористых структурах сопровождается сдвижением и деформациями вмещающего и перекрывающего породного массива. Этот процесс на земной поверхности проявляется в виде мульды сдвижения. В результате в область сдвижения на поверхности вовлекается технологическое оборудование, сооружения наземного комплекса подземного хранения, линии коммуникации, а в породном массиве геотехнические объекты. Расчет деформационных характеристик земной поверхности с использованием современных математических моделей может не достигать необходимой точности по причине ошибок исходных данных, таких как: физико-механические свойства породного массива, недоучет его структурно-механических особенностей и наличие тектонических напряжений. Неточные результаты расчета могут привести к финансовым потерям, вследствие необоснованного применения горных и строительных мер защиты геотехнических объектов, или наоборот к образованию значительных смещений земной поверхности, обрушению кровли, нарушению герметичности выработок, перетокам радиоактивных рассолов и возможно к потере объекта.

Проведение высокоточных геодинамических измерений и последующая интерпретация полученных значений деформаций позволит оценивать напряженно-деформированное состояние подрабатываемого породного массива, фиксировать перемещения земной поверхности и делать прогнозные оценки механического состояния геотехнических объектов и уровня деформаций поверхности. Полученная информация позволит оперативно предпринять меры, уменьшающие вредное влияние мульды сдвижения, а также процессов деформирования и разрушения подземных выработок.

Анализ, проведенный в предыдущих параграфах, показал, что в результате планомерных и систематических наблюдений за деформациями земной поверхности горнодобывающих и нефтегазовых объектов позволил исследователям выявить основные закономерности процессов сдвижения при разработке угольных, рудных, сланцевых и углеводородных месторождений и хранении газов и жидкостей в непроницаемых геологических формациях. Однако учитывая несовпадение прогнозных и реальных значений величин изменения пластового давления в значительной мере затруднительно дать оценку деформирования земной поверхности, что является наиболее информативным и, часто единственно фиксируемым средствами измерений внешним проявлением геомеханических процессов при эксплуатации месторождений и подземном хранении углеводородов в пористых структурах.

Эти вопросы являются актуальными и требуют экспериментального изучения и теоретического обоснования.

На основании выполненного анализа и необходимости определения напряженно-деформированного состояния породного массива при его подработке добычей и подземным хранением углеводородов в пористых структурах вытекают следующие задачи, которые решались в настоящей работе:

1) Определить параметры напряженно-деформированного состояния породного массива при подработке эксплуатацией месторождений и подземных хранилищ углеводородов в пористых структурах по результатам натурных наблюдений за сдвижением земной поверхности;

2) Разработать научно обоснованный алгоритм мониторинга механического состояния подрабатываемого массива горных пород, включающий совместное использование решений прямой и обратной геомеханической задач;

3) Обосновать параметры конструкции наблюдательной станции для изучения сдвижений земной поверхности

4) Усовершенствовать методику и средства наблюдений в сетях геомеханического мониторинга.

Решение этих задач позволит выявить закономерности, которые могут быть использованы на практике:

- в планировании застройки территорий, подрабатываемых эксплуатацией и подземным хранением углеводородов в пористых структурах;

- при оценке геомеханического состояния геотехнических объектов при подработке;

- для учета современного движения земной коры при составлении проектной технологической документации на эксплуатацию месторождений и подземных хранилищ углеводородов в пористых структурах;

- для совершенствования методики высокоточных измерений, а также количественного изучения вертикальных и горизонтальных деформаций и учета их в дальнейшем при построении планово-высотных сетей в аналогичных условиях.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ И ПОДЗЕМНОМ ХРАНЕНИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ

2.1 Проявления геомеханических и геодинамических процессов при добыче и хранении углеводородов в пористых структурах

Деформирование перекрывающего породного массива при подработке последнего добычей или хранением углеводородов в пористых структурах находит свое отражение в виде мульды сдвижения на земной поверхности. Геомеханические процессы, вызванные подработкой породного массива, выражаются в формировании снимаемых дополнительных напряжений, которые в свою очередь инициируют деформации породной толщи, сложные для фиксации и контроля средствами измерений и в тоже время осложняющие проведение технологических работ по добыче и подземному хранению. Аварийными последствиями наведенного напряженно-деформированного состояния в породном массиве могут стать: образование вертикальных каналов миграции флюидов в затрубном пространстве, смятие обсадных колонн, искривление технологических скважин вплоть до их срезания по границам слоев, что может привести к остановке добычи и необходимости бурения новых скважин. Так на Самотлорском нефтяном месторождении на глубине 500-600 м по причине межслоевых сдвигов были срезаны сотни скважин.

В таблице 2.1 представлены факты, отражающие максимально зарегистрированные оседания земной поверхности при разработке месторождений углеводородов по данным автора [99].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что зона растягивающих напряжений от подработки охватывает около 40% для.продольного и около 30% для поперечного, главных сечений мульды сдвижения; максимальные растягивающие напряжения наблюдаются в центральной части мульды сдвижения непосредственно над кровлей выработанного пласта-коллектора, максимум сжимающих напряжений фиксируется в центральной части зоны сдвижения у земной поверхности и в краевой части мульды сдвижения над выработанным пространством на удалении около 0.25 длины разработки от её центра.

2. Доказано, что для главного продольного сечения мульды сдвижения максимум анизотропии напряжений в горизонтальной плоскости приходится на краевую часть мульды сдвижения на удалении 0.450.55 длины разработки от центра в области действия сжимающих напряжений; максимумы анизотропии в поперечном главном сечении мульды сдвижения приурочены к краевой части зоны сдвижения у кровли пласта-коллектора на удалении 0.30-0:40 длины разработки от ее центра :>

5. В результате проведения натурных наблюдений в сети геомеханического мониторинга определены зависимости продолжительности сеанса измерений на векторах спутниковой сети: продолжительность сеанса измерений t прямо пропорциональна длине наблюдаемого базиса х и изменяется по закону t=6x+59 при коэффициенте множественной корреляции не ниже 0.9.

6. Предложен тип репера для проведения спутниковых наблюдений на сетях геомеханического мониторинга, использование которого благодаря бесштативной технологии, позволяет: уменьшить продолжительность измерений за счет уменьшения времени на установку спутниковой аппаратуры; повысить точность определения положения пунктов за счет уменьшения ошибок, связанных с неточной центрировкой антенны спутникового приёмника и смещением антенны приёмника во время проведения сеанса измерений.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Воронов, Геннадий Александрович, Москва

1. Stepek Zdistaw. Mozliwosci budowyzbiornikow podzemnych na rope I produkty naftowe w Polsee na tie budownictwa tego typu zbiornikov w Europie «Nafta» , 32, № 4, 127-132 (польск).

2. Кочкин Б.Т. Выбор геологических условий для захоронения высокорадиоактивных отходов. Дис. на соиск. учен. степ. д-ра. геолого-минералогических наук. М., ИГЕМ РАН, 2002, - 356 с.

3. Лаверов Н.П., Омельянченко В.И., Величкин В.И. Геоэкологические аспекты проблемы захоронения радиоактивных отходов // Геоэкология, 1994, № 6, с. 3-20.

4. Krauskopf, К. Geology of High-Level Nuclear waste disposal // Annual Rev.iof Earth and Planetary Sei., 1988, v. 16, pp. 32-35.

5. Гупало B.C. Обоснование конструктивных параметров подземных хранилищ радиоактивных отходов с учетом длительных? тепловых' воздействий на массив скальных пород. Автореф. дис. канд. техн. наук: 25.00.20, 25.00.22 Москва, 2003. - 24 с.

6. Смирнов В.И. Строительство подземных газонефтехранилищ: Учебн. пособие для вузов. М.: Газоил пресс, 2000. - 250 с.

7. Бабаев Н.С. и др./ Под ред. А.П. Александрова. Ядерная энергетика, человек и окружающая среда. М., 1984. 311 с.

8. Иванов A.A., Воронова М.Л. Галогенные формации (минеральный состав, типы и условия образования; методы поисков и разведки. месторождений.минеральных солей). М.: Недра: 1972. 328?с.

9. Свидзинский С.А. Внутренняя тектоника солянокупольных структур и методы её изучения. Ростов на Дону. -152 с.

10. Валяшко М.Г. Закономерности формирования месторождений солей. М:: Издательство Московского университета, 1962. 398 с.

11. Жарков М.А. Палеозойские соленосные формации мира. М.: Недра; 1974.-392 с.

12. Косыгин Ю.А. Типы соляных структур платформенных и геосинклинальных областей. М.: Изд-во Акад: Наук СССР, 1960. 91 с.

13. Атлас структур и текстур галогенных пород СССР (ред. Яржемский -Я.Я., Протопопов А.Л., Лобанова В В. и др.). Л.: Недра, 1974. 231 с.

14. Григорьев А.А. Подземные хранилища в системе государственного резервирования нефтепродуктов / А.А. Григорьев, М.Ю. Кийко, В.А. Казарян, B.C. Азев, А.Г. Поздняков, М.К. Теплов, В:В. Борисов. М.: * ОПК, 2006. - 384 с.

15. Казарян В.А. Подземное хранение газов и жидкостей. МЛ- Ижевск:4'*' НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»; Институт компьютерных исследований, 2006. - 432 с.

16. Киреева О.А. Термический режим солянокупольных структур при захоронении в них радиоактивный отходов //Дис. на соиск. учен. степ, канд. техн. наук. М., ГИН РАН, 2005, - 128 с.

17. Смирнов В.И., Голицынский Д.М., Мельников Л.Л. Строительство подземных сооружений с использованием камуфлетных взрывов. М., Недра, 1981.-215с.

18. Титаева Н.А. Ядерная геохимия: Учебник. М.: Изд-во МГУ, 1992. -272 с.

19. IAEA Bulletin. Бюллетень МАГАТЭ. Т. 42. №3. — Вена, 2000.

20. Gaerfner, G., Schmidt, M.W., Stockman, N., Wallmueller, R. Geological exploration of a sait structure for mining, storage of radioactive wàstes-and proof of long-term safety // Abstract Of'32nd IGC, Florence "2004. :

21. Powers, D.W. Lessons from early site investigations at the waste isolation pilot plant, New Mexico (USA) // Abstract of 32nd ICG, Florence 2004.

22. Rempe, N. Early experience with deep geological waste disposal at the WIPP // Abstract of 32nd ICG, Florence 2004.

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

24. Долгих М.А., Матвиенко В.В., Хачатурьян Н.С. Оценка прочности камер выщелачивания в отложениях каменной соли. Труды ВНИИСТА, 1962, вып. 12, с. 74-112.

25. Кислер Л.Н., Матвиенко В.В., Долгих М.А. Оценка прочности камер выщелачивания прямоугольного поперечного сечения. Труды ВНИИСТА, 1962, вып. 12, с. 112-122.

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

27. Ержанов Ж.С. Теория ползучести горных пород и её приложения. -Алма-Ата: Наука, 1964. 175 с.

28. Ержанов Ж.С., Бергман Э.И. Ползучесть соляных пород. Алма-Ата: Наука, 1977. - 110 с.

29. Каталог механических свойств горных пород при длительных испытаниях в условиях одноосного сжатия // Ставрогин А.Н., Георгиевский B.C., Лодус В.Е. Л. ВНИМИ, 1973. - 73 с.

30. Ержанов Ж.С., Сагинов А.С., Векслер Ю.А. Расчет устойчивости горных выработок, подверженных большим деформациям. Алма-Ата: Наука, 1973. - 175 с.

31. Гуревич Г.И. О соотношении упругих и остаточных деформаций в общем случае однородного состояния // Труды геофизического института АН СССР. 1953. - № 21 (148).

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

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

34. Свод правил "Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки", (приложение к СНиП 34-02-99). СП 34-106-98. М„ 1999. -110 с.

35. Работнов Ю.Н. Элементы наследственной механики твердых тел. М.: Наука, 1977.-254 с.

36. Черноиван A.B. Исследование прочностных и деформационных свойств каменной соли применительно к расчету устойчивости подземных емкостей сооружаемых для промысловой обработки и хранения газа при низких температурах. М.: МГИ, 1982. - 63 с.

37. Константинова С. А., Спирков В. Л. О применении модели упруговязкопластической среды к оценке изменения напряженного состояния соляного массива в окрестности горной выработки во времени // ФТПРПИ. 1982. - № 1.

38. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. М.: Недра, 1984.

39. Протосеня А.Г. Уравнение состояния горных пород при ползучести и разрушении // Физические процессы горного производства. Л.: ЛГИ, 1980. - Вып. 8.

40. Ставрогин А.Н., Лодус Е.В. Ползучесть и временная зависимость прочности горных пород // ФТРПИ. 1977. - № 6.

41. Гурин Д.Н. Геомеханическое обоснование экологической безопасности подземных хранилищ, созданных ядерными взрывами в отложениях каменной соли. Дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. -М., МГГУ, 2001,-128 с.

42. Динник А.Н. О давлении горных пород и расчет крепи круглой шахты. «Инж. работник», 1925 №7, с. 1-12.

43. Тавостин М.Н. Обоснование и разработка методов определения реологических параметров каменной соли для оценки устойчивости подземных хранилищ. Дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. М., МГГУ, 2001, - 157 с.

44. Хлопцов В.Г., Баклашов И.В. О постановке задач при оценке устойчивости подземных газовых выработок. М.: МГГУ, ГИАБ, №4, 2004, с. 69-75.

45. Родин И.В. Снимаемая нагрузка и горное давление. В кн. «Исследования горного давления». М.: Госгортехиздат, 1960.

46. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. М.: Углетехиздат, 1954, - 386 с.

47. DeVries, Kerry L. Geomechanical analyses to determine the onset of dilation around natural gas storage caverns in bedded salt. SMRI // Spring 2006. Brüssels. 20 p.

48. Nieland J. D., Ratigan J.L. Geomechaical evaluation of two'Gulf coast natural gas storage caverns. SMRI // Spring 2006. Brüssels. 29 p.

49. Никонов A.A. Голоценовые и современные движения земной коры. Изд. «Наука». М. 1977, 240 с.

50. Отечественная маркшейдерия и горная геомеханика / Под ред. Щадова М.И. М.: Недра, 1987,-253 с.

51. Goldreich А. Die Theorie der Bodensenkungen in Kohlengebieten. Berlin, J. Springer, 1913.

52. Kohne. Unveroff. Studien, siehe Mitt. Markscheidew. 1923, s. 30-31.

53. Bals R. Beitrag zur Frage der Vorausberechnung bergbaulicher Senkungen. Mitt. Marksheidew. (42/43), 1931-1932, s. 98-111.

54. Beyer F. Uber die Vorausbestimmung der beim Abbau flachgelagerter Flöze auftrenden Bodenverformungen. Habil. Berlin, 1944.

55. Казаковский Д.А. Сдвижение земной поверхности под влиянием горных разработок. Москва Харьков, Углетехиздат, 1953, - 228 с.

56. Кратч. Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений. Пер. с нем. под. ред. P.A. Муллера и И.А. Петухова. М.: Недра, 1978.-494 с.

57. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. Л. «Недра», 1977, 503 с.

58. Геодезия и маркшейдерия / В.Н. Попов, В.А. Букринский, П.Н: Бруевич и др.; Под ред. В.Н. Попова, В.А. Букринского: Учебн. для вузов. -2-е изд., стер. М.: Изд-во «Горная книга», Изд-во МГГУ, 2007. -453 с.

59. Якушева А.Ф. Геология с элементами морфологии. М., Изд-во Моск. ун-та, 1978, -445 с.

60. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. / Министерство угольной промышленности СССР. М., Недра. 1981, - 288" V с.

61. Lippmann W. Ausgewählte Falle aus der Bergschadenspraxis. Vortrag Markscheider-Tag., Munster, 1973.

62. СНиП РФ. Здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах. СНиП 2.01.09-91. М.: Госстрой СССР, 1991.

63. Инструкция по проектированию, строительству и эксплуатации гидротехнических сооружений на подрабатываемых горными работами территориях. СН 522-79. М.: Стройиздат, 1981.

64. Здания на подрабатываемых территориях верхнекамского месторождения калийных солей. Назначение строительных мер защиты. ТСН 22-301-98. Пермь, 1998.

65. Bals R. Abbau von Schachtsicherheitspfeilern. Mitt. Marksheidew. (54), 1943. s. 54-87.

66. Loffler W. Lageveranderungen der Schachtsaule durch Abbau. Bergbau -Arch. (18), 1951, s. 23-68.

67. Mohr F. Einfluß des Abbaus auf das hangende Gebirge mit besonderer Berücksichtigung der Einwirkung auf Schachte. Bergbau Arch. (12), 1951, s. 1-28.

68. Hellwig F. Beitrag zur Erforschung der durch den Abbau verursachten Gebirgsbewegung. «Gluckauf», (86), 1950, s. 1081-1097.

69. Lenge A. Beobachtung und Behebung von Schaden an Eisenbahngleisen im Saargebiet infolge Bergbaus. (6), 1957, s. 106-114.

70. Loos W. Die Ausbildung der Senkungsmulde im Saarbergbau. Mitt. Markscheidew. (67), 1960, s. 246-265.

71. National Coal Board Subsidence engineers' handbook. London Eigenverlag, 1966.

72. Kowalczyk Z. Die Einwirkung des Bergbaus auf die Erdoberflache in industrialisierten und besiedelten Gebietn (engl.). Jahres-Haupttr., Quebec City 1966, Bergakad. (7), 1968, s. 389-394.

73. Авершин С.Г. Сдвижение горных пород при подземных горных разработках. М., Углетехиздат, 1947, 245 с.

74. Инструкция по наблюдениям за сдвижением земной поверхности и за подрабатываемыми сооружениями на угольных и сланцевых месторождениях. П., 1958, 172 с.

75. Колбенков С.П. Аналитическое выражение типовых кривых сдвижения поверхности. «Труды ВНИМИ», 1963, № 50, с. 114-130.

76. Beyer F. Uber die Vorausbestimmung der beim Abbau flachgelagerter Flöze auftretenden Bodenverformungen. Habil. Berlin, 1944

77. Schleicher H. Die Leitnivellements im linksrheinischen Teil des Oberbergamtsbezirkes Bonn. Diss. Aachen, 1970.

78. Ehrhardt W., Sauer A. Die Vorausberechnung von Senkung, Schieflage und Krummung über dem Abbau in flacher Lagerung. Bergh. Wiss. (8), 1961, s. 415-428.

79. Keinhorst H. Betrachtungen zur Bergschadenfrage. «Gluckauf», 1934, Bd 70, №7, s. 149-155.

80. Будрык В. Вопросы расчета сдвижений поверхности под влиянием горных разработок // В. Будрык, Е. Литвишин, С. Кнотте, А. Салустович. М., Углетехиздат, 1955, 64 с.

81. Муллер P.A. Влияние горных выработок на деформации земной поверхности. М., Углетехиздат, 1958. 76 с.

82. Кузнецов М.А., Акимов А.Г., Кузьмин В.И. и др. Сдвижение горных пород на рудных месторождениях. М., Недра, 1971. 224 с.

83. Szpetkowski S. Die Berechnung der Absenkung von Punkten der Erdoberflache unter dem Einflub des Abbaus eines rechteckigen Flozfeldes. Markscheidew. soz. Land., Bd. 5, Ostaru, 1972, s. 343-357.

84. Земисев B.H. Расчеты деформаций горного массива. М. Недра, 1973.

85. Иофис М.А., Шмелев А.И. Инженерная геомеханика при подземных разработках. М. Недра, 1985, 248 с.

86. Черный Г.И. Определение величин оседания и деформации земной поверхности при сдвижении пород в форме реологического течения. -«Изв. вузов. Горный журнал», 1966, № 7, с. 3-9.

87. Loonen Н.Е. Theoretische Berechnung der um einen zylindrischen Hohlraum in einem visko-elastisch-plastischen Medium auftretenden Spannungen und Verschiebungen. Ber. d. Central Proefstation, Limburg, (2), 1968.

88. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных работ в Криворожском железорудном, бассейне. Л. ВНИМИ, 1975.

89. 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.

90. Plischke В. Finite element analysis of compaction and subsidence -Experience gained from several chalk fields // Eurock'94. Balkema, Rotterdam.-1994. c. 795-801.

91. Chin L.Y. and Boade R.R. Full-Field, 3-D Finite-Element Subsidence Model for Ekofisk //Third North Sea Chalk Symposium. Copenhagen, June 11-12, 1990.

92. Смирнов В.И. Оценка параметров сдвижения земной поверхности над ПХГ в каменной соли // В.И. Смирнов, А.Б. Розанов, И.В. Баклашов, В.Г. Хлопцов. Газовая промышленность, 1998, № 11, с. 24-26.

93. Розанов А.Б. Обоснование мер защиты наземного комплекса подземных хранилищ газа от подработки. Дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. М., МГГУ, 1999, -130 с.

94. Казарян В.А., Шафаренко Е.М. Контроль состояния подземных резервуаров для обеспечения надежности и безопасности эксплуатации подземных хранилищ. Отчет о НИР / ООО "Подземгазпром". М., 1998.

95. Хлопцов В.Г., Филимонов Ю.Л. Рекомендации по расчету параметров сдвижения и напряжений в массиве горных пород при разработке месторождений и эксплуатации ПХГ. Отчет о НИР / ООО «Подземгазпром» / рук. В.Г. Хлопцов. М., 2006.

96. Сидоров В.А. Возникновение опасных геодинамических событий в связи с разработкой месторождений нефти и газа // Разведка и охрана недр. 1999. - № 5-6. - С. 43-48.

97. Журавков М.А., Ставгурова О.В., Ковалева М.А. Геомеханический мониторинг горных массивов. Мн.: Юнипак, 2002. - 252 с.

98. Смирнов С.П. Андреев A.B., Верещагин Г.С. Использование GPS-аппаратуры для наблюдений за сдвижением горных пород и земной поверхности / Маркшейдерский вестник.-1997.-№3.-с. 27-28.

99. Макаров В.И. Трапезников А.Ю. Изучение современныхtдеформаций земной коры методами космической геодезии: // Геоэкология.-№3,- 1996.-е 70-85.

100. Руководство по геодинамическим наблюдениям и исследованиям для объекта топливно-энергетического комплекса. Москва. ОАО «Институт Гидропроект» 1997.- 123 с.

101. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС -М.:ИПРЖР,1998.

102. D.M. Fourmaintraux, М. Flouzat. Improved subsidence monitoring methods. Eurock'94 pp. 549-556.

103. Панжин A.A. Непрерывный мониторинг смещений и деформаций земной поверхности с применением комплексов спутниковой геодезии GPS. Сб. материалов конференции. «Геомеханика в горном деле», Екатеринбург, 2000.

104. Wernicke В., Davis J.L., Bennet R.A., Elosegui Р., Abolins M.J., Brady R.J., House M.A., Niemi N.A. and Snow J.K. Anomalous strain accumulation in the Yucca Mountain area, Nevada. Science, 1988, v.279, 2096-2099.

105. Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов. ГКИНП (ГНТА) -03-010-03. М., «ЦНИИГАиК», 2004.- 225 с.

106. ГОСТ 24846-81 Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений. Постановление Госстроя СССР от 17.06.1981 N 96.

107. Инженерно-геодезические изыскания для строительства: СП 11-10497: Госстрой России. М.:ПНИИИС, 1997.

108. Костров Б.В. Механика очага тектонического землетрясения. М., Наука, 1975.

109. Никонов А.А Землетрясения. Прошлое, современность, прогноз. -М.: Знание, 1984 192 с.

110. Петухов И.М., Батугина И.М. Геодинамика недр. М.: Недра, 1996217 с.

111. Инструкция по производству маркшейдерских работ. РД 07-603-03. -Постановлением Госгортехнадзора России от 06.06.03 N 73.

112. Инструкция по развитию съёмочного обоснования и съёмке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS. ГКИНП (ОНТА) -02-262-02. М., «ЦНИИГАиК», 2002.- 124 с.

113. Правила закладки центров и реперов на пунктах геодезической и нивелирной сетей Москва: «Картгеоцентр» - «Геодезиздат». 1993.

114. Уставич Г.А., Шаульский В.Ф., Винокурова О.И. Разработка и совершенствование технологии государственного нивелирования I, II, III и IV классов. Геодезия и картография. - 2003. - № 7 . - с. 10-15.

115. Шкуратник В.Л. Измерения в физическом эксперименте: Учеб. для вузов. М.: Изд-во Академии горных наук, 2000, 256 с.

116. Большаков В.Д., Маркузе Ю.И., Голубев В.В. Уравнивание геодезических построений. Справочное пособие. М.: Недра, 1989.

117. Инструкция по вычислению нивелировок (ГКИНП-13). М.: Недра, 1971. 112 с.

Информация о работе

Воронов, Геннадий Александрович
кандидата технических наук
Москва, 2010
ВАК 25.00.20

Диссертация

Геомеханическое обоснование глубинного захоронения промышленных отходов в подрабатываемых породных массивах - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы