CC BY
40
© Ю.П. Ипатов, Д. А. Шулаков, Ю.В.Баранов, 2005
УДК 622.014.3:502.76
Ю.П. Ипатов, Д.А. Шулаков, Ю.В.Баранов
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОДРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КАЛИЙНЫХ СОЛЕЙ НА БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ*
агистральные трубопроводы Российской Федерации - важные объекты нефтегазодобывающего и перерабатывающего комплекса, во многом определяющие эффективность работы всей отрасли и государственной экономики в целом.
В последние годы проблема обеспечения надежности и долговременной механической устойчивости крупных инженерных сооружений все чаще рассматривается в контексте оценки и прогнозирования характера процессов, происходящих в земной коре.
В решении комплексной проблемы повышения уровня безопасности магистральных газопроводных систем в последние годы особую актуальность приобретает учет особенностей региональной геодинамики. В первую очередь этого касается такого крупного региона, как Западный Урал, на территории которого располагается более 1000 км магистральных газопроводов и десятки газораспределительных станций в составе ООО «Пермтрансгаз».
Западно-Уральский регион, большая часть территории которого находится в зоне сочленения Восточно-Европейской платформы и Складчатого Урала, характеризуется сложным тектоническим строением недр. Многочисленные разновозрастные разрывные дислокации сформировали разноуро-венную разломно-бло- ковую структуру земной коры, отдельные блоки которой находятся между собой в процессе динамического взаимодействия. Одним из наиболее опасных проявлений тектонической актив-
Семинар № 2
ности недр в зонах разломов являются землетрясения.
Другой аспект проблемы геодинамиче-ской безопасности связан с аномально высоким уровнем техногенной нагрузки на недра Западного Урала. На территории региона уже длительное время и довольно интенсивно ведется разработка различных, а часто и территориально совмещенных месторождений полезных ископаемых (каменного угля, калийных солей, нефти, строительных материалов, минеральных вод и т.д.). Отличительной чертой современной геодинамики Западного Урала является активизация природной и техногенной сейсмичности, в том числе связанной с разработкой месторождений нефти, эксплуатации калийных рудников, буровзрывными работами на действующих карьерах, откачкой минеральных и промышленных вод.
Магистральные газопроводы пересекают генеральные и региональные тектонические разломы земной коры, располагаются в близи выработанных пространств калийных и угольных месторождений, в зонах аномальных опусканий земной поверхности, на участках воздействия на массив горных пород подземных и поверхностных взрывов.
Расположение потенциально-опасных
участков по фактору аварийности газопроводных систем может быть связано с наличием геодинамически неустойчивых зон, обусловленных влиянием активных тектонических разломов, природной и техногенной сейсмичности, неотектонической напряженно-
* Исследования выполняются при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Проект 02-05-96410 «Урал-2002р»).
сти, карстовых и оползневых процессов и также влиянием крупно масштабных выработанных пространств.
Так, при разработке Верхнекамского месторождения калийных солей ежегодно извлекается до 40 млн. тонн калийных руд. В результате в недрах на глубинах 250-350 метров создаются огромные выработанные пространства. В свою очередь, на земной поверхности формируются громадные соле-отвалы и шламохранилища, в которых к настоящему времени скопилось около 400 млн.тонн преимущественно галитовых отходов.
За последние 15 лет на рудниках уникального Верхнекамского месторождения калийных и калийнно-магниевых солей, эксплуатируемого более 65 лет, произошли два чрезвычайных события.
11 января 1986 года из кровли камеры 50 блока 8 четвертой западной панели, который функционировал с 1973 года, начал выделяться рассол. Вскоре такие проявления были отмечены и в других камерах, причем скорость рассолопотока нарастала с каждым днем и к 8 -10 марта 1986 г. она увеличилась в 100 раз. Рудник затопило.
23 июля 1986 г. в полости, возникшей в результате выщелачивания солей, взорвался газ. Породы обрушились. На дневной поверхности образовалась воронка диаметром 130 м.
5 января 1995 года в г. Соликамске и его окрестностях произошло землетрясение с магнитудой М= 4.8. Произошло обрушение междукамерных целиков и междупластовых потолочин в районе первой и второй северо-восточных панелей Второго Соликамского рудника на значительной площади (600x700 м) площади, сопровождавшееся сильными газодинамическими явлениями с выделением около 1 млн. м3 газа, локальными взрывами и пожарами. За несколько минут земная поверхность осела на глубину 3-4.5 м.
Аномально высокий уровень техногенной нагрузки в сочетании с особенностями геологической среды привел к существенному изменению естественного геодинамического режима в верхней части земной коры и в осадочном чехле.
Проблема сейсмической активности недр на территории ВКМКС, где отмечены землетрясения интенсивностью 4-5 баллов, постоянно регистрируются многочисленные
сейсмические события различной энергии детально охарактеризована в работах Горного института (Маловичко А. А. и др., 2002, 2003). Начиная с 1993 г. зарегистрировано более двух десятков слабых землетрясений, положение эпицентров которых в плане совпадает с подработанными пространствами калийных рудников.
На территории Верхнекамского региона более 20 лет разрабатываются Чашкинское, Уньвинское и Юкчурское нефтяные месторождения, территориально совмещенные с ВКМКС, что является дополнительным вкладом в процесс оседания земной поверхности. Для контроля процессов оседания земной поверхности над отрабатываемыми нефтяными месторождениями проводятся инструментальные наблюдения, анализ которых позволил установить, что над отрабатываемыми нефтяными залежами имеются оседания земной поверхности, в отдельные годы они достигают 10-15 мм в год, а в последующие могут сменяться поднятиями. В районе тектонических нарушений оседания земной поверхности возрастают в 1.5-2.0 раза; максимальные их значения на верхнекамских нефтяных месторождениях за период их эксплуатации составили 30-40 мм, средние -20-25 мм.
Специальные режимные геодезические наблюдения, проводимые в пределах шахтных полей рудников ОАО «Уралкалий» и «Сильвинит», свидетельствуют, что после полной отработки шахтных панелей на активной стадии сдвижения оседания земной поверхности достигают значений 100-200 мм/год. Даже небольшой доли указанных оседаний земной поверхности вполне достаточно для серьезных деформаций газопроводных систем. Динамика развития сейсмических процессов на рудниках ВКМКС свидетельствует о вероятном осложнении ситуации в регионе.
В общем плане оценка устойчивости магистральных газопроводных систем (МТС) на участках подработки должна осуществляться дифференцировано в зависимости от следующих факторов:
1. Расположения зон повышенной геоди-намической активности и динамики их развития, на прилегающих к газопроводам и газораспределительным станциям территориях.
2. Анализа микросейсмической активности и деформаций земной поверхности на подра-
батываемых участках МТС.
3. Величины и характера изменения скоростей оседания г)' и суммарных оседаний п за определенный период на конкретных участках газопроводов и ГРС.
4. Планов производства горных работ, на прилегающих к газопроводам и газораспределительным станциям территориях и их увязки с эксплуатацией и развитием МТС.
5. Сейсмостойкости трубопроводов в сейсмически активных территориях ВКМКС с учетом степени фактического износов труб и возможных сроках дальнейшей эксплуатации газопровода.
Целью проводимых исследований являлось изучение влияния подработанных пространств на безопасность эксплуатации МТС Березниковского ЛПУ ООО «Пермтрансгаз».
На этапе проведения полевых работ произведено детальное обследование трасс магистральных газопроводов Березниковского и Соликамского участков ЛПУ и их топографическая привязка с применением системы глобального позиционирования (GPS) «Gar-min eTrex Summit», обеспечивающей среднеквадратическую погрешность определения координат точек измерения не более 3 м.
«Garmin eTrex Summit» является 12-ти канальным ручным GPS-приемником, отличающимся совершенством выполняемых функций. Он имеет встроенную GPS-антенну, дисплей, панель управления и располагает всеми функциями GPS-приемника, электронного компаса и барометра-высотомера (альтиметра). В процессе движения прибор обеспечивает оператора разнообразной информацией, включая скорость, направление и время движения, расстояние до пункта назначения и т.д.
Общая протяженность обследованных участков трасс - 55 км; среднее расстояние между точками измерений - 135 м; общее количество точек измерений - 405, включая все характерные точки трасс (точки-изгибы, соединения с отводами на ГРС, пересечения с железнодорожными и автомобильными дорогами, ЛЭП, мостами и др. ответственными инженерными сооружениями).
Оператором, при прохождении вдоль трассы газопровода фиксируются географические координаты и отметки рельефа. Время наблюдений на точке от 15 до 30 мин., в зависимости от степени залесенности, рельефа и ряда других факторов. По ходу движения отмечаются характерные точки: пересечения
трассы с дорогами, ЛЭП, изменения рельефа, что заносится оператором в полевой журнал.
Полученные полевые данные после предварительного анализа были обработаны в компьютерном центре Горного института с использованием специального программного обеспечения.
По результатам обработки получены географические координаты трасс газопроводов и газораспределительных станций Березниковского ЛПУ. На отдельных интервалах трасс Соликамского и Березниковского участков ЛПУ отмечаются расхождения в координатах, полученных по результатам ОРБ-контроля и ранее имеющихся топографических данных.
На основании пространственно-времен- ного анализа режимных маркшейдерских наблюдений над подработанными пространствами калийных рудников выделены аномальные зоны прогнозируемых и фактических оседаний земной поверхности в районах шахтных полей ВКМКС в пределах трасс газопроводов Березниковского ЛПУ.
Зоны классифицированы по степени их влияния на безопасность эксплуатации магистральных газопроводных систем Березниковского ЛПУ.
По результатам работ обоснованы рекомендации по разработке мероприятий по снижению риска и смягчения последствий возможных аварийных ситуаций природного и техногенного характера на МТС территории Верхнекамского региона.
Для магистральных трубопроводов оценка опасности смещений земной поверхности связана с необходимостью учета комплекса факторов. В зависимости от ряда параметров (марка стали, наружный диаметр трубы, характер грунта, в который она вложена) величина деформации земной поверхности, в частности, для подземных стальных трубопроводов в местах образования разрывных уступов находится в интервале от 1 до 7 см (Институт ВНИМИ, СПб, 2001).
Рекомендациями по системе обеспечения геодинамической и геоэкологической безопасности при проектировании эксплуатации объектов топливно-энергети- ческого комплекса подчеркивается, что особо важную роль в решении проблемы играют местные геологические условия и характер инженерных мероприятий, проектируемых для каждого конкретного пересечения трубопрово-
дом зон с различным типом смещения.
В конечном счете, неоднозначность оценки по снижению риска и смягчения последствий возможных аварийных ситуаций природного и техногенного характера для магистральных трубопроводов связана с выбором того или иного комплекса проектных решений.
По мнению исполнителей работ, решение вопроса о производстве горных работ в охранной зоне газопровода требует инструментального контроля за ведением горных работ и разработке специальных защитных мероприятий участка газопровода.
В частности, при выполнении комплексных исследований, направленных на повышение геодинамической безопасности эксплуатации магистральных газопроводов в зонах активных тектонических нарушений (Маловичко, Шулаков и др., 2003) разработана уникальная технология проведения вдоль трасс магистральных газопроводов вибрационного мониторинга - высокочувствительных микросейсмических съемок с использованием многоканальных мобильных сейсмологических комплексов.
Разработана методика пространствен-
1. Маловичко АА., Блинова Т.С. и др. Разработка сейсмических и акустических методов прогноза и контроля геодинамически неустойчивых зон. - Отчет о НИР. Пермь: фонды Горного института УрО РАН, Пермь, 2000
- 166 с.
2. Маловичко АА, Ипатов Ю.П. и др. Оценка и контроль природной и техногенной сейсмичности и прогноз сейсмической опасности для территории Западного Урала (4 этап работ). - Отчет по договору № 26/99. -
но-временной цифровой обработки многоканальных записей микросейсмических шумов, которая позволяет выделять локальные участки с аномально высокими уровнями вибраций, которые представляются опасными для магистральных газопроводов.
Указанная технология была рекомендована к применению на трассах Березниковского ЛПУ, где газопроводы попадают в зоны аномальных оседаний земной поверхности под выработанными пространствами калийных рудников.
Рекомендации по разработке мероприятий по снижению риска и смягчения последствий возможных аварийных ситуаций:
1. Обеспечить контроль оседаний земной поверхности методом повторного нивелирования в аномальных зонах, при этом в ряде из них заложить новые маркшейдерские профили и организовать наблюдения повторного нивелирования.
2. Производить регулярный (1 раз в год) анализ микросейсмической активности на подрабатываемых участках МТС с использованием технологии вибрационного мониторинга.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Пермь, фонды Горного института УрОРАН, Пермь, 2002
- 41 с.
3. Маловичко АА., Дягилев РА., Шулаков Д.Ю. и др. Результаты сейсмологического мониторинга геологической среды района Верхнекамского калийного месторождения за период с 1 января по 31 декабря 2000 года. Отчет о работах по договору № 16/01. Березники, фонды ОАО «Уралкалий», 2001 а. - 37 с.
— Коротко об авторах ----------------------------------------
Ипатов Юрий Павлович - Горный институт Уральского отделения РАН. Баранов Юрий Валентинович - Горный институт Уральского отделения РАН Шулаков Денис Юрьевич - Горный институт Уральского отделения РАН.
