Обоснование устойчивости подземных выработок при хранении жидких углеводородов на севере Тюменской области

Савич Олег Игоревич; Соколов Владимир Витальевич; Акиньшин Иван Валерьевич; Курова Светлана Петровна

УДК 622.272

О.И. Савич, В.В. Соколов, И.В. Акиньшин, С.П. Курова

ОБОСНОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ ХРАНЕНИИ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ НА СЕВЕРЕ ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

Семинар № 17

И И ри строительстве подземных

-М.-М. хранилищ (ПХ) шахтного типа одним из основных критериев пригодности площадок является несущая способность породного массива в окрестности незакрепленных горных выработок, обеспечивающая их длительную устойчивость.

Под длительной устойчивостью подземных выработок понимается их способность сохранять заданный проектный объем в течение всего срока эксплуатации подземного хранилища.

Устойчивость подземных выработок определяется инженерно-гео-

криологическими условиями, прочностными и деформационными характеристиками грунтов, слагающих геологический разрез площадки строительства, а также глубиной заложения и геометрическими параметрами подземного резервуара.

Физико-механические свойства мерзлых пород в большей степени зависят от состава и температуры грунтов в естественных условиях их залегания.

В приповерхностной части геологического разреза описываемой территории (до глубины 50-100 м) залегают дисперсные осадочные породы четвертичного возраста. В генетическом отношении породы представлены, в основном, различными типами водно-ледовых

отложений (морскими, прибрежно- и лагунно-морскими, аллювиальными и др.). В составе отложений присутствуют как тонкодисперсные глины и суглинки, слагающие, как правило, верхнюю часть разреза, так и супесчано-песчаные породы, залегающие ниже по разрезу. Характерной особенностью геологического строения описываемой территории является широкое распространение в верхней части разреза залежей пластовых льдов. Мощность льдов и размеры по простиранию достаточны для размещения в них выработок подземных резервуаров.

Практически все геолого-гене-

тические типы отложений находятся в многолетнемерзлом состоянии. Промерзание водонасыщенных морских отложений привело к формированию высокольдистой мерзлой толщи осадочных пород. Суммарная льдистость может достигать 40 % и более. Степень влажности (заполнение пор льдом и незамерзшей водой), как правило, превышает 90 %.

Известно, что мерзлые породы, за счет содержания ледяных включений, обладают ярко выраженными реологическими свойствами. В большей степени это относится к подземным льдам и глинисто-суглинистым отложениям со слоистыми и сетчатыми криогенными

Таблица 1

Прочностные и деформационные характеристики мерзлых пород

Вид грунтов Температура опыта, оС ос, МПа л ю Ос , МПа а Ео,МПа Едл, МПа V

Пески -1 7,9 0,8 0,58 776,7 0,64 0,54

-3 15 1,1 0,44 132,6 1,32 0,51

-5 18,2 1,1 0,37 110,2 1,15 0,43

Суглинки -5 2,6 0,44 0,54 116,6 0,13 0,67

Лед -3 2,4 0,64 0,69 271,8 0,03 1,04

-5 3,2 0,74 0,66 325,7 0,09 0,99

ас - условно-мгновенная прочность; ас“ - предел длительной прочности; а - коэффициент нелинейности во времени; Ео - модуль линейной деформации; Едл. - предельно -длительное значение модуля линейной деформации; V - коэффициент поперечного расширения

текстурами. Под действием постоянных нагрузок деформации мерзлых грунтов могут наблюдаться в течение длительного периода, сопоставимого со сроком эксплуатации подземного хранилища. В связи с этим возникает необходимость изучения как прочностных, так и деформационных свойств мерзлых пород и подземных льдов.

С этой целью при проведении инженерных изысканий на площадках, перспективных для строительства ПХ, отбирались образцы ненарушенного сложения (монолиты), для изучения их механических свойств.

Прочностные и деформационные характеристики грунтов определялись в лаборатории путем испытаний образцов на одноосное и трехосное сжатие. Испытания проводились при отрицательных температурах в диапазоне от минус

1,0 оС до минус 5,0 оС. Грунты испытывались в режиме быстрого нагружения для определения условно мгновенной прочности и в режиме ступенчатого нагружения для определения реологических характеристик. Обобщенные результаты испытаний приведены в табл.

1.

Полученные результаты использовались в расчетах напряженно-деформированного состояния породного мас-

сива в окрестности подземных выработок и оценке их устойчивости.

Методика оценки устойчивости подземных резервуаров включает определение напряженно-деформиро-ванного состояния породного массива в окрестности незакрепленных гор-ных выработок при заданных уравнениях состояния, а также сопоставление полученных численных результатов с принятыми критериями устойчивости.

Критерии устойчивости принимались на основании проводимых ранее исследований и с учетом опыта эксплуатации подземных хранилищ нефтепродуктов в многолетнемерзлых по-родах на севере Магаданской области и Якутии. Критерии устойчивости определяют допустимую область запредельного деформирования (ОЗД), дают количественную оценку развития растягивающих напряжений на контуре выработки и максимально-допустимое, определяемое техническими решениями, уменьшение объема выработок в течение всего срока эксплуатации ПХ.

Расчет напряженно-деформиро-

ванного состояния многолетнемерзлых пород грунтового массива выполнялся по программе разработанной в ООО «Подземгазпром», «Оценка устойчивости подземных резервуаров» (свид.№

Таблица 2

Геометрические параметры и условия расположения выработок в суглинистых отложениях

Наименование показателей

Исходные данные для варианта №

1 2 4 5 6 7

Ширина выработки(2а), м 4,7 4,7 8,0 8,0 6,0 5,0

Высота выработки(И), м 4,0 4,0 7,2 6,3 4,0 5,0

Ширина породного целика(2Ь), м 9,4 7,0 8,0 8,0 14,0

Глубина заложения кровли, м 12,0 12,0 8,3 9,2 12,0 10,5

Глубина заложения почвы, м 16,0 16,0 15,5 15.5 16,0 15,5

Таблица 3

Геометрические параметры и условия расположения выработок в супесчано-песчаных отложениях

Наименование показателей

Исходные данные для варианта №

1 2 3 4 5 6 7

Ширина выработки(2а), м 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 5,0 4,7

Высота выработки(И), м 7.2 7.2 7.2 6,0 6,0 5,0 6,0

Ширина породного целика(2Ь), м 8,0 12,0 16,0 24 16 14,0 9,4

Глубина заложения кровли, м 21.2 21.2 21.2 34,0 39,0 23,4 39,0

Глубина заложения почвы, м 28.4 28.4 28.4 40,0 45,0 28,4 45,0

2003611403), с использованием численного метода конечных элементов (МКЭ). При выполнении расчетов анализировался период длительной эксплуатации сооружения. На основании полученных данных в окрестности контура выработки находится область запредельного деформирования, где деформации превышают предельнодопустимые значения. Затем полученные численные значения сопоставляются с предельно допустимыми величинами, задаваемыми принятыми критериями устойчивости.

Рассматривались три варианта заложения подземных выработок в различных по составу и свойствам мерзлых породах и подземных льдах. В первом случае выработки размещались в суглинистых грунтах. Во втором - в супесчано-песчаных отложениях. Геометрические параметры и условия расположения выработок в мерзлых породах представлены в табл. 2, 3. Отдельно рассмат-

ривался вопрос по строительству подземных резервуаров в пластовых льдах.

Результаты расчетов показали, что выработки, закладываемые в отложениях глин и суглинков (табл. 2), на глубине до 16,0 м по почве, являются устойчивыми. Расчетные показатели, полученные по всем просчитанным вариантам, не превышают предельно допустимых значений по принятым критериям устойчивости.

В супесчано-песчаных отложениях выработки закладывались на глубинах от 28,4 м до 45,0 м по почве. Результаты расчетов показали, что выработки являются устойчивыми, если ширина меж-дукамерных целиков составляет не менее двух пролетов а высота и пролет выработки, для рассмотренных вариантов, не превышают 6,0 м и 8,0 м соответственно. Так в вариантах 1, 2 и 3 (табл. 3) расчетные значения размеров ОЗД и максимально допусти-

Рис. 1. Геологический разрез площадки ПХ в районе ГП1 Бованенковского ГКМ

Таблица 4

Геометрические параметры и условия расположения выработок

Номер варианта ® 2 Ь, м 2Ь, м НКроВли, м Нсугл., м Нпеска, м

1 6 4 15 14 14

2 6 7 15 14 14

3 6 7 15 14 5

4 6 7 15 23 — 31

5 6 7 15 23 — 36

6 4,7 7 10 23 — 36

7 4,7 7 15 14 14 —

8 4,7 7 10 14 14 —

9 4,7 7 5 14 14 —

Условные обозначения: 2а — максимальный пролет выработки; И — высота выработки; 2Ь — ширина ледяного целика; Нкровли — глубина заложения выработок по кровле; Нсугл - мощность суглинков; Нпеска - мощность песков

мых растягивающих напряжений в почве выработки превышают значения, определяемые принятыми критериями устойчивости.

При оценке устойчивости подземных выработок во льду использо-

вались результаты инженерно-геокриологических изысканий на двух площадках Бованенковского месторождения.

На рис. 1 представлено залегание пласта подземного льда в геологическом

14 м

разрезе площадки ПХ на участке ГП1 Бованенковского ГКМ.

При расчете устойчивости подземных выработок во льду было рассмотрено 9 вариантов. Оценка устойчивости делалась для выработок различных геометрических размеров, поперечного сечения, ширины междукамерных ледяных целиков, глубины заложения, а также мощности суглинков, перекрывающих пласт льда и супесчаных отложений, залегающих ниже по разрезу. Геометрические параметры и условия размещения подземных выработок приведены в табл. 4.

В период эксплуатации подземных резервуаров, возникающие напряжения в окрестности подземных выработок, просчитанные по всем вариантам, не превышают предела длительной прочности льда, и в связи с этим деформирование носит затухающий характер. Поэтому скорость конверген-

ции(уменьшения объема)

выработок с течением времени будет уменьшаться.

Расчет скорости конвергенции подземных выработок, в первые десять лет эксплуатации ПХ, производился для варианта 1 (табл. 4) при котором выработка закладывается на глубине 14,0 м по кровле, непосредственно под слоем вышезалегающих суглинков (рис. 2).

Результаты расчета скорости конвергенции выработки за первые 10 лет эксплуатации представлены в табл. 5 и на рис. 3.

Как видно из таблицы и графика основные деформации и конвергенция выработок будут наблюдаться в первый год эксплуатации подземного хранилища. Уменьшение объема резервуара за этот период составит 6,2 %. В дальнейшем конвергенция выработок резко снижается и составляет десятые доли процента.

Результаты проведенных расчетов напряженно-деформированного состоя-§[ ледопородного массива и оценки ойчивости подземных выработок личных условий заложения и конфи-ации показали, что в инженернокриологических условиях Севера менской области при строительстве шахтного типа обеспечивается устой-

32 м

ус

о4-

лица 5

И іенение конвергенции выработки в зависимости от времени эксплуатации

Ї, год Конвергенция, %/год

0,5 4,4

1 1,8

2 0,79

5 0,23

10 0,11

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Время, год

чивость незакрепленных подземных горных выработок. Определяющим фактором является глубина заложения резервуаров.

При заложении подземных выработок на глубинах 12-15 м по кровле в глинисто-суглинистых отложениях шириной 8,0 м и высотой 7,2 м, устойчивость выработок обеспечивается при ширине междукамерных целиков равной

8,0 м (ширине пролета).

При строительстве подземных резервуаров на глубинах более 20м ширина породных целиков должна быть не менее двух пролетов. Ширина и высота выработок, как показали рас-

Рис. 3. Изменение скорости конвергенции выработки за 10 лет

четы для рассмотренных вариантов, не должны превышать 8,0 м и 6,0 м соответственно.

Выработки пролетом 6,0 м и высотой 7,0 м, размещаемые в подземных пластовых льдах на глубинах до 23,0 м по кровле, являются устойчивыми при ширине междукамерных целиков равной

15,0 м.

Таким образом, следует отметить, что с учетом инженерно-геокриологических условий и прочностных характеристик мерзлых пород, на Севере Тюменской области возможно строительство и эксплуатация подземных хранилищ жидких углеводородов. При этом территориальный выбор площадки, на которой будут закладываться подземные выработки-емкости, может быть максимально приближен к проектируемым на месторождениях ОАО «Газпром» объектам.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------

Савич Олег Игоревич - кандидат технических наук, заведующий лабораторией технологии строительства и эксплуатации подземных хранилищ в мерзлых осадочных породах,

Соколов Владимир Витальевич - ведущий инженер лаборатории технологии строительства и эксплуатации подземных хранилищ в мерзлых осадочных породах,

Акиньшин Иван Валерьевич - младший научный сотрудник лаборатории технологии строительства и эксплуатации подземных хранилищ в мерзлых осадочных породах,

Курова Светлана Петровна - младший научный сотрудник лаборатории устойчивости подземных резервуаров,

ООО «Подземгазпром», г. Москва.

Текст научной работы на тему «Обоснование устойчивости подземных выработок при хранении жидких углеводородов на севере Тюменской области»