Обоснование устойчивости подземных выработок при хранении жидких углеводородов на севере Тюменской области Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© О.И. Савич, В.В. Соколов, И. В. Акиньшин, С.П. Курова, 2006

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

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.