Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Методика расчета несущей способности магистрального нефтепровода, проложенного в скальных грунтах, под воздействием сейсмовзрывных волн

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

Автореферат диссертации по теме "Методика расчета несущей способности магистрального нефтепровода, проложенного в скальных грунтах, под воздействием сейсмовзрывных волн"

9 15-5/597

На правах рукописи

Булдаков Евгений Леонидович

МЕТОДИКА РАСЧЕТА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МАГИСТРАЛЬНОГО НЕФТЕПРОВОДА, ПРОЛОЖЕННОГО В СКАЛЬНЫХ ГРУНТАХ, ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СЕЙСМОВЗРЫВНЫХ ВОЛН

Специальность 25.00.20 -

Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный*'.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Господариков Александр Петрович

Официальные оппоненты:

Эквист Борис Владимирович доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», кафедра физических процессов горного производства и геоконтроля, профессор

Вильчинский Владислав Борисович кандидат технических наук, ООО "Институт Гипроникель", горная лаборатория, заведующий

Ведущая организация - ФГБУН "Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук"

Защита диссертации состоится 29 сентября 2015 г. в 11 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете "Горный" по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. №1171а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета "Горный" и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 29 июля 2015 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СИДОРОВ

диссертационного совета ' Дмитрий Владимирович

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Строительство траншей для прокладки нефтепроводов тесно связано с большим объемом работ по выемке грунта. Особую трудность представляет разработка скальных грунтов, для рыхления которых применяется энергия взрыва. Наращивание объемов перекачки нефти, связанное со строительством второй нитки нефтепровода в скальном грунте вблизи действующего нефтепровода, приводит к необходимости определения безопасных параметров буровзрывных работ (БВР), обеспечивающих сохранность эксплуатируемого нефтепровода.

Основную опасность при взрыве заряда взрывчатого вещества (ВВ) вблизи подземного нефтепровода представляет сейсмов-зрывная волна, характеристики которой определяются свойствами грунта и параметрами буровзрывных работ. Выбор и обоснование сейсмобезопасных параметров БВР тесно связаны с определением возникающих в грунте и стенке трубопровода, находящейся под давлением жидкости, полей напряжений и скоростей смещений, вызванных взрывом, что является весьма трудной задачей, требующей для своего решения привлечения сложного математического аппарата и современной вычислительной техники.

Согласно действующим правилам и нормам при ведении БВР вблизи зданий и сооружений необходим расчет безопасной массы заряда, обеспечивающей сохранность объектов от воздействия сейсмических волн взрыва. В то же время, в нормативных документах нет прямых указаний на то, как выполнять расчет параметров БВР с учетом воздействия сейсмовзрывной волны на подземный нефтепровод. В связи с этим возникает необходимость обоснования критериев оценки уровня сейсмического воздействия взрывных работ, проводимых в зоне расположения действующего нефтепровода.

Сейсмическое воздействие взрывных работ на охраняемые объекты исследовалось в работах М.А. Садовского, Г.М. Ляхова, В.В. Адушкина, Б.Н. Кутузова, C.B. Медведева, Б.В. Эквиста, А.П. Господарикова, А.Е Азарковича, П.С. Миронова, Я.И. Цейтлина, Н.Л. Горохова и др.

Для исследования процесса воздействия сейсмовзрывных волн на трубопроводы большинство авторов использовали, в основном, экспериментальные и аналитические методы. Вместе с тем, благодаря развитию вычислительной техники, более эффективными становятся современные численные методы, позволяющие наиболее полно учесть реальные условия взаимодействия сейсмовзрывных волн с подземным нефтепроводом.

Таким образом, исследование процессов воздействия сейсмовзрывных волн на подземные нефтепроводы в грунтовых средах является актуальной задачей, требующей разработку как адекватных математических моделей, отвечающих современным представлениям о физических процессах в системе «грунт-трубопровод-жидкость», так и эффективных численных алгоритмов и вычислительных программ, позволяющих проводить оценку напряженно-деформированного состояния (НДС), возникающего в нефтепроводе при воздействии сейсмовзрывных волн.

Цель диссертационной работы. Разработка математической модели сейсмического воздействия взрыва на линейный участок системы «грунт-трубопровод-жидкость», численное моделирование которой позволяет обосновать выбор безопасных условий ведения БВР вблизи залегания нефтепровода.

Идея работы. Разработка прикладных компьютерных программ, позволяющих определить основные параметры напряженного состояния действующего подземного нефтепровода от сейсмического воздействия взрыва в массиве скальных пород.

Основные задачи исследований:

• построение математической модели, описывающей физический процесс взаимодействия сейсмовзрывных волн с подземным нефтепроводом;

• разработка численных алгоритмов и вычислительных программ для математического моделирования процесса воздействия сейсмовзрывных волн на нефтепровод с учетом его характеристик, свойств вмещающих грунтов, а так же различных параметров БВР;

• проведение численных расчетов с использованием разработанных вычислительных программ для обоснования и выбора па-

раметров БВР, позволяющих обеспечить сохранность нефтепровода при ведении взрывных работ вблизи последнего;

• широкое сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными (натурными замерами) при ведении взрывных работ вблизи действующего подземного нефтепровода.

Методы исследований. Теоретической и методологической основой научных исследований послужили работы отечественных и зарубежных авторов в области оценки воздействия сейсмовзрывных волн на нефтепровод. При выводе разрешающих уравнений совместного динамического деформирования системы «грунт-трубопровод-жидкость» использовался современный математический аппарат, базирующийся на основных положениях механики деформируемого твердого тела, геомеханики и механики грунтов. Разработанные вычислительные алгоритмы основаны на привлечении эффективного численного метода С.К. Годунова.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• разработана математическая модель воздействия сейсмовзрывных волн на тонкостенную оболочку подземного нефтепровода, расположенного в скальных грунтах, учитывающая контактные взаимодействия «трубопровод-грунт» и «трубопровод-жидкость»;

• на основе результатов численного моделирования воздействия сейсмовзрывных волн на систему «грунт-трубопровод-жидкость» определены закономерности влияния основных параметров заряда ВВ на напряженное состояние нефтепровода.

Положения, выносимые на защиту:

1. Исследование процессов взаимодействия сейсмовзрывных волн с подземными магистральными нефтепроводами следует осуществлять на основе разработанной математической модели совместного динамического деформирования системы «грунт-трубопровод-жидкость» с учетом их контактного взаимодействия.

2. Достоверная оценка воздействия сейсмовзрывных волн на действующий подземный нефтепровод должна осуществляться на основе численных результатов, полученных на основе разработанных вычислительных алгоритмов и программ.

3. Выбор и обоснование основных параметров зарядов ВВ, обеспечивающих сохранность действующего подземного нефтепровода, должны базироваться на результатах численного интегрирования математической модели воздействия сейсмовзрывных волн на систему «грунт-трубопровод-жидкость» и их сопоставлении с результатами натурных замеров.

Практическая значимость работы:

• разработаны численные алгоритмы и вычислительные программы на языке Рог1тап-90 для решения задач взаимодействия сейсмовзрывных волн в скальных грунтах с действующим подземным нефтепроводом;

• предложена методика определения сейсмобезопасных масс зарядов ВВ при ведении взрывных работ вблизи действующих нефтепроводов.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием комплексной математической модели процесса совместного динамического деформирования системы «грунт-трубопровод-нефть» при воздействии сейсмовзрывных волн, применением эффективных методов численного интегрирования систем разрешающих дифференциальных уравнений, наличием удовлетворительной сходимости результатов численного решения с результатами полигонных взрывов.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на симпозиуме «Неделя горняка-2014» (Москва, 2014 г.), на Международном форуме-конкурсе «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2014 г.), на II Международной научно-практической конференции "Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в XXI веке" (Санкт-Петербург, 2014 г.), а также на заседаниях кафедры взрывного дела.

Личный вклад автора:

• анализ и обработка натурных исследований;

• построение математических моделей взаимодействия сейсмовзрывных волн с подземным нефтепроводом;

• разработка численных методик и алгоритмов прямого интегрирования систем разрешающих дифференциальных уравнений;

• разработка вычислительных программ для численного моделирования процесса воздействия сейсмовзрывных волн на подземный нефтепровод;

• разработка методики выбора безопасных параметров БВР при ведении взрывных работ вблизи действующего нефтепровода.

Реализация результатов работы.

Результаты научных исследований могут быть использованы проектными организациями при обосновании выбора основных параметров зарядов ВВ при разработке проектов ведения взрывных работ вблизи подземных нефтепроводов.

Научные и практические результаты диссертации планируется использовать в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам: «Технология и безопасность взрывных работ», «Проектирование и организация взрывных работ».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научные работы, из них в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России - 3 статьи.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 105 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 113 наименований, 66 рисунков и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и идея работы, определены основные задачи исследований, описаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе приводится краткий обзор математических и геомеханических моделей динамического деформирования грунтовых сред и трубопроводов; излагаются основные методы расчета сейсмического воздействия взрыва заряда ВВ.

Во второй главе сформулирована математическая модель взаимодействия сейсмовзрывных волн с подземным нефтепроводом;

приводятся основные уравнения механики сплошной среды, описывающие совместное динамическое деформирование грунтовой среды, цилиндрической оболочки и жидкости в плоской постановке при сейсмовзрывном нагружении; сформулированы краевые условия, замыкающие систему уравнений движения; рассмотрен метод привязки параметров буровзрывных работ к исходным данным для поставленной задачи исследования.

В третьей главе приводятся численные схемы и алгоритмы, реализующие численное интегрирование уравнений математической модели; построены численные схемы по методу С.К. Годунова: для уравнений динамики скальных грунтов, уравнений динамики оболочки а также уравнений динамики жидкости; построена численная схема для моделирования контактного взаимодействия «грунт-трубопровод-жидкость».

В четвертой главе представлены результаты инструментальных измерений параметров сейсмовзрывных волн при проведении полигонных экспериментальных взрывов, позволяющие установить достоверность результатов численных экспериментов; описана методика определения сейсмобезопасной массы заряда при ведении взрывных работ вблизи подземного нефтепровода на основе результатов численного моделирования; определена сейсмобезопасная масса одновременно взрываемых зарядов при проведении буровзрывных работ вблизи действующего магистрального нефтепровода диаметром 1000мм.

В заключении приводятся основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору А.П. Господарикову, сотрудникам кафедры взрывного дела и доценту Г.А. Колтону за помощь в выполнении работы.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Исследование процессов взаимодействия сейсмовзрывных волн с подземными магистральными нефтепроводами следует осуществлять на основе разработанной математической модели совместного динамического деформирования системы

«грунт-трубопровод-жидкость» с учетом их контактного взаимодействия.

Расчетная схема, применяемая для решения задачи взаимодействия сейсмовзрывных волн с подземным нефтепроводом приведена на рисунке 1.

в ▲

Вмещающий скальный грунт

Источник волн

-► г

Рисунок 1 - Расчетная схема задачи

Разработанная в работе математическая модель, описывающая принятую схему, включает в себя определяющие уравнения и подмодели, описывающие следующие процессы:

• динамическое деформирование скального массива;

• динамическое деформирование трубы;

• движение жидкости;

• контактное взаимодействие компонентов системы «грунт-трубопровод-жидкость».

Изменение состояния упругого массива скальных пород определяется системой дифференциальных уравнений в частных производных первого порядка, объединяющей в себе уравнения движения и продифференцированный по времени закон Гука:

ди

э7

ди

ы

да

дг дет

1 д°гв 1,

г дв г

тв

1 дег

дг

+ — г

вв

+ -а

гв->

ди ,, _,.

» =тг+({-2Ь)

дв г

г 1 ди 1 ^

--+ —и

кгдв г )

даа

ди 1

-^ = (1-26)— + -д1 дг г

даГЙ ,(до \/ гв = Ь — + -дг г

ди

дг

V '

кдв

ди V

--и

дв );

■ + и

(1)

Система уравнений (1) записана в безразмерном виде. Здесь координата г отнесена к характерному радиусу срединной поверхности оболочки (трубы) Я, м; время /, с - отнесено к величине

Л/с0, где с0 =

- скорость распространения про-

р( \ + у\\-2у)

дольных волн в массиве, м/с; Е - модуль Юнга, Па; р - плотность среды, кг/м3. Компоненты вектора скоростей и, и отнесены к вели-

2

чине

-о >

а напряжения а^, авв, <Угв - к величине рс

\-2У

ъ = -^, v - коэффициент Пуассона.

Модель, описывающая динамическое деформирование трубопровода, базируется на основных положениях теории тонких оболочек. В работе принято, что деформации и углы поворота малы, материал трубы изотропен и подчиняется линейному закону Гука. Принятие этих ограничений позволяет описать напряженное состояние трубопровода известными уравнениями Новожилова В.В. в рамках плоской деформации и с учетом продифференцированного закона Гука:

I ди дТ

рп—- — + ДО +ай\ и д( дв в

. дм дИ

рп— =--7+а;

и Ы дв

, 3 дсо дм

рИ — ---ДО;

й дв

аг д1 ' дМ

ЕЙ

1-й2 ЕИЪ

' до — + ™ ; дв

дсо

Э/ 12(1 -V2) дв

дг

ды

(О +--и

дв

(2)

Система уравнений (2) также записана в безразмерном виде. Здесь плотность материала трубы р отнесена к р0 - плотности материала массива; компоненты вектора скоростей и, и> отнесены к с0 - скорости продольной волны в массиве; усилия ДО, Т - к величине Яр0с1; время ^ - к Я/с0; изгибающий момент М- к Я2р0с1; скорость сдвига со отнесена к с0 / /?; толщина трубы И отнесена к ее

радиусу Л; величины Е ,0, дв, дг отнесены к рйс\ .

При динамических кратковременных нагрузках жидкость переходит в состояние сжимаемой среды. Учет данного явления необходим при исследовании волновых процессов в поставленной задаче. Поэтому, модель движения жидкости внутри оболочки описывается известными линеаризованными уравнениями Эйлера и неразрывности с учетом сжимаемости:

диг

а

ди а

1 др

Рж дг ' 1 др

ГРЖ дв

Рж д

5/

д£_ =___

5/ г дг др 1 др дt а

{игг)

Рж ди9 г дв

(3)

-2 а/

Система уравнений (3) записана в безразмерном виде. Здесь давление жидкости р отнесено к рйс\; текущая и начальная плотности жидкости р и рж отнесены к р0 - плотности массива; компоненты вектора скоростей иг,ив, а так же скорость распространения продольной волны в жидкости а отнесены к с0 - скорости продольной волны в массиве.

Условия на поверхностях контакта элементов с различными физико-механическими свойствами системы «грунт-трубопровод-жидкость» учитывают случаи проскальзывания и защемления. Они формулируются как комбинация условий непроникания на тех участках поверхностей, которые находятся в данный момент времени в контакте.

2. Достоверная оценка воздействия сейсмовзрывных волн на действующий подземный нефтепровод должна осуществляться на основе численных результатов, полученных на основе разработанных вычислительных алгоритмов и программ.

Поскольку для получения решения систем разрешающих уравнений, описывающих принятую математическую модель, необходимо применение численных методов, то системы уравнений (1,2 и 3) предварительно необходимо преобразовать к виду, соответствующему применяемому численному методу. В диссертационной работе для прямого интегрирования систем разрешающих уравнений используется численный метод С.К. Годунова.

Наиболее известный метод обобщения разрешающих уравнений моделей деформируемых сред состоит в замене исходных дифференциальных уравнений (1, 2 и 3) эквивалентной системой уравнений в дивергентной форме соответственно (4, 5 и 6), которая интегрируются по произвольной пространственной области:

дг г дв г

(4)

где и = (и,и,сггг,<7од,сггд)т - матрица-столбец неизвестных; где

«Г» - символ транспонирования. Постоянные матрицы

Ам, Вм и Qм являются квадратными 5-го порядка;

д\ 0 д\ _

-+А°-= СУ + Р,

5/ дв

(5)

где V = (и,(о,Т,М,7У)Г - вектор неизвестных; А", С- постоянные матрицы 6-го порядка, Р матрица-вектор 6-го порядка;

ат 1Яат 1 дТ 1

— + А — + -В — — 0 Т, дt дг г дв г

(6)

где Т = (иг,ив,р)т - вектор неизвестных; Аж, Вж и ()ж -

постоянные матрицы 3-го порядка.

Разностные соотношения для решения систем уравнений состояния массива и жидкости вытекают из соответствующих интегральных уравнений, когда в качестве объема V берется пространственно-временная ячейка, нижним основанием которой служит произвольная четырехугольная ячейка на плоскости г06 в момент времени /=/0, а верхним основанием - та же ячейка на момент 1=10+т, где г - шаг по времени (рисунок 2).

\

к+1

в

Ь

Рисунок 2 - Конечно-разностная схема для решения систем уравнений состояния

массива и жидкости Данная схема базируется на следующих основных предположениях:

• интегральные параметры являются постоянными величинами в пределах разностной ячейки плоскости гОв\

• потоковые величины на боковых гранях ячейки V в пространстве остаются постоянными в пределах шага г и определяются из решения автомодельной задачи о распаде разрыва между параметрами в соседних ячейках.

Согласно выбранной схеме, получены разностные уравнения для массива (7) и жидкости (8), позволяющие разбить соответствующие расчетные области на сетки, содержащие N ячеек. Отметим, что уравнения имеют одинаковую структуру, но принципиально разные значения искомых компонент векторов и и Т: ( - ^

г г Б--ф--ф

К

Ам ^к+и

гК

/

(7)

где лам

матрицы

определяются по форму-

Ф*« =А^,М+-АВ,

здесь М- диагональная матрица 5-го порядка собственных значений матриц Ам и Вм (матрицы А и Вм обладают полным набором собственных значений ц^ (г = 1,2,...,5) одним и тем же для обеих матриц); А у,, АдМ - матрицы собственных векторов, отвечающих собственным значениям матриц Ам и Вм\

с 1 N

г ^ т ^ 1 ж Е--Ф ж--Ф

Л. А гЪа в г

+

кл,,-

-Ф+Т,

к-]

,)+(фяЖТ*,+, -Ф^Т,.,_,),

(8)

где матрицы Ф*^ и Ф*^ определяются аналогично матрицам и Ф*м с заменой в расчетной схеме матриц Ам и Вм на матрицы Аж

и Вж, соответственно.

Аналогичным способом построена разностная схема для решения системы уравнений, описывающих состояние оболочки (9). Сетка строится на плоскости, т.к. радиус трубы постоянен:

V ={Е--Фл0)\, +-(Ф;ОУ,_1 + Ф,,\м) +

+ г

Мд АП ,

(9)

9 "'в

где Б = СУ + Р.

В соответствии с принятыми разностными схемами и с учетом краевых условий разработана вычислительная программа на алгоритмическом языке Фортран-90, с помощью которой решается задача взаимодействия сейсмовзрывной волны с системой «грунт-трубопровод-жидкость».

Для установления достоверности результатов численного эксперимента проведены полигонные взрывы зарядов ВВ, с замером соответствующих компонент векторов скоростей смещений на поверхности скального массива на расстоянии 15 метров от места взрыва.

Рисунок 3 - Радиальные компоненты векторов скоростей смещений на поверхности грунта при взрыве заряда массой 8 кг (полигонные замеры и численный

эксперимент)

--Замер 1 ......... Замер 2-----ЗамерЗ Числ. экспер.

Рисунок 4 - Тангенциальные компоненты векторов скоростей смещений на поверхности грунта при взрыве заряда массой 8 кг (полигонные замеры и численный эксперимент)

Сравнивая результаты замеров компонент векторов скоростей смещений грунта при полигонных испытаниях с результатами численного эксперимента, отметим, что при массе заряда 8 кг произведено три замера, результаты которых находятся в интервале 3-5 см/с как для радиальной (рисунок 3), так и для тангенциальной (рисунок 4) компонент векторов скоростей смещений. Данные результаты сопоставимы с результатами численного эксперимента, где компоненты векторов скоростей смещений принимают значения ~5 см/с (рисунки 3 и 4). Сопоставление эпюр скоростей смещений при массах зарядов 16 кг и 24 кг также показывает удовлетворительную сходимость результатов.

3. Выбор и обоснование основных параметров зарядов ВВ, обеспечивающих сохранность действующего подземного нефтепровода, должны базироваться на результатах численного интегрирования математической модели воздействия сейсмов-зрывных волн на систему «грунт-трубопровод-жидкость» и их сопоставлении с результатами натурных замеров.

С помощью разработанных вычислительных программ осуществляется расчет сейсмобезопасной массы заряда при ведении буровзрывных работ вблизи действующего магистрального нефтепровода. Путем проведения серии численных экспериментов с различными параметрами буровзрывных работ рассчитывались зависимости напряжений в грунте и трубопроводе от времени при прохождении сейсмовзрывных волн. Полученные в результате численного моделирования значения напряжений в стенке трубопровода сравнивались с пределом прочности для материала трубопровода. Если рассчитанные напряжения не превышали предела прочности материала трубы с учетом принятого коэффициента запаса, то заданные параметры буровзрывных работ принимались сейсмобезопасными.

Для установления количественной связи начальной амплитуды сейсмовзрывной волны с параметрами взрывных работ и расстоянием от места взрыва до точки регистрации используется эмпирическая формула (10), полученная В.А. Боровиковым, И.Ф. Ваня-гиным и др.:

О (~\ -«.(г-0 вт/Ут

° ~ ^тах Уг "V-'

эш н

М 344

где сгтах V /= Р°~ТТ _ максимальное значение радиальнои состав-г

ляющей волны напряжений; рс - акустическая жесткость породы; г

г =--относительное расстояние; г - расстояние от оси заряда до

Я

исследуемой области сейсмического воздействия; Я - радиус заряда; а - коэффициент, характеризующий крутизну нарастания и спада амплитуды напряжения во времени; г - текущее время с момента прихода волны на расстояние г; г„ - время нарастания амплитуды напряжений до максимума; /? - коэффициент, характеризующий продолжительность действия положительной фазы волны напряжений.

В результате проведения серии численных экспериментов с постепенно увеличивающимися массами и диаметрами системы зарядов было установлено, что напряжения в нефтепроводе (диаметр нефтепровода 1000 мм, толщина стенки 14 мм, давление нефти 9 МПа) начинают приближаться к уровню максимально допустимых напряжений 317 МПа (с учетом коэффициента запаса 1,15 для нефтепровода) при суммарной массе зарядов 27 кг и диаметрах системы скважин 64 мм, а так же при суммарной массе зарядов 38 кг и диаметрах - 76 мм (рисунок 5). Использование систем зарядов ВВ диаметром 89 мм и 102 мм позволяет произвести единовременное взрывание зарядов ВВ суммарной массой до 60 кг. Анализ связи между напряжениями и скоростями смещений стенки трубопровода показывает, что при массе заряда ВВ 27 кг и диаметре - 64 мм значение скорости смещения стенки трубопровода составляет 0,15 м/с (рисунок 6), а напряжения приближаются к максимально допустимым. Однако, при суммарной массе заряда ВВ 50 кг и диаметре - 89 мм скорость смещения стенки трубопровода достигает 0,3 м/с, а значения напряжений остаются в пределе допустимых.

317.5 317 316.5 316

«

1 315.5 Ж

315 314.5 314 313.5

— — — —

у ✓ ---- — •

✓ / /

У '' V

.У/ ■ У

-г)=(Имм

......... 76мм

---с1=89мм

— • — <}=102мм

О 10 20 30 40 50 60 70

0. КГ

Рисунок 5 - Зависимость результирующих максимальных напряжений в стенке трубопровода от массы заряда В В

0,35

о,з

0,25 0,2 0,15 0,1 0,05

о

/ / /

/ .< / /

/ ■ /

х/ ✓ •

. ■ V

-И -64мм

......... с)=76мм

---с!=89мм

— • — й=102мм

20

30 40

о, кг

50

70

Рисунок 6 - Зависимость результирующих максимальных значений скоростей смещений стенки трубопровода от массы заряда ВВ

Таким образом, инструментальные замеры скоростей смещений стенки трубопровода и грунта не являются однозначными критериями в оценке безопасности сейсмовзрывного нагружения трубопровода. Поэтому для исследования данной проблемы и требуется комплексный подход, с привлечением математического аппарата и

современных вычислительных программ. Для понижения воздействия сейсмовзрывных волн на действующий подземный нефтепровод рекомендуется использовать системы зарядов ВВ диаметром 89 мм и 102 мм. Однако, отметим, что выбор диаметров зарядов так же связан и с конструктивными особенностями возводимой траншеи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы позволяют сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Получена математическая модель взаимодействия сейсмовзрывных волн с нефтепроводом в скальных грунтовых средах с учетом контактных взаимодействий «грунт-трубопровод» и «трубопровод-жидкость»

2. Разработаны расчетные схемы на основе метода С.К. Годунова, реализующие численное интегрирование разрешающих уравнений математической модели, описывающей процесс взаимодействия сейсмовзрывных волн с подземным нефтепроводом.

3. Разработаны вычислительные программы на языке Рог-1гап-90, позволяющие получить численное решение задачи взаимодействия сейсмовзрывных волн в скальных грунтах с действующими подземными нефтепроводами.

4. Сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными (натурными замерами) при ведении взрывных работ вблизи действующего подземного нефтепровода подтверждает достоверность составленных расчетных схем и разработанных численных алгоритмов.

5. На основе разработанных алгоритмов и программы расчета предложен метод определения сейсмобезопасных диаметра и массы заряда при ведении взрывных работ вблизи действующих нефтепроводов.

6. Применение разработанной методики и программ расчета позволит определить сейсмобезопасные диаметр и массу взрываемых зарядов ВВ для проведения буровзрывных работ вблизи действующего магистрального нефтепровода диаметром 1000мм.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Господариков А.П. Математическое моделирование подземного нефтепровода при воздействии на него взрывных волн / А.П. Господариков, Г.А. Колтон, Е.Л. Булдаков // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М. - 2014. - №4. -С.341 - 344.

2. Господариков А.П. Об одном подходе к математическому моделированию воздействия взрывных волн на подземный нефтепровод / А.П. Господариков, Г.А. Колтон, Е.Л. Булдаков // Записки Горного института. - СПб. - 2014. -Т.210. - С. 37-42.

3. Господариков А.П. О некоторых результатах численного моделирования воздействия сейсмовзрывных волн на подземный нефтепровод / А.П. Господариков, Г.А. Колтон, Е.Л. Булдаков // Современные проблемы науки и образования. -2015. - №1. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/121-18630.

4. Булдаков Е.Л. О проблеме изучения деформирования трубопроводов в грунтах под воздействием взрывных нагрузок // Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы - 2013. - №1(7). - С. 20-24.

РИЦ Горного университета. 28.07.2015. 3.670. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

2015674604

2015674604