Основные принципы создания подземных выработок геотехнологическим способом и их вторичное использование для захоронения промышленных отходов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99» МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99_______

А. Кубланов, Б. Крайнев, А. Оловянный, Л. Пустыльников,

ВНИИГалургии

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ СПОСОБОМ И ИХ ВТОРИЧНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ЗАХОРОНЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ

ведение

При добыче каменной соли в недрах создаются огромные по объему (до миллионов кубических метров) и практически цилиндрические по форме подземные выработки.

До недавнего времени процессом извлечения соляных растворов заканчивался этап отработки соляных месторождений, а образованные подземные камеры подлежали ликвидации вместе с оставшимися в них рассолами. Вместе с тем, поскольку рассолодобывающие предприятия относятся к химическим производствам, на земной поверхности в огромных количествах складировались отходы переработки рассолов (твердые и жидкие, в том числе токсичные), загрязняющие окружающую среду. Специфические особенности каменносоляных формаций, обладающих, с одной стороны, хорошей растворимостью в водной среде, а с другой стороны - химической инертностью к агрессивным средам, высокой плотностью, непроницаемостью, достаточной длительной устойчивостью создаваемых в соли конструкций, предопределили использование образующихся при добыче соли геотех-нологическим способом подземных выработок в качестве емкостей для захоронения и складирования химических продуктов.

Идея утилизации отходов производства в отработанные подземные камеры растворения с попутным доизвлечением ранее «погребенных» рассолов быстро нашла своих приверженцев и стала едва ли не самой главной целью научно-исследовательских разработок последнего времени в мировой практике добычи солей с помощью геотехнологических скважин.

Широкому внедрению этой идеи способствовало принятие рядом стран специальной законодательной базы по взысканию штрафных санкций за размещение отходов на поверхности и загрязнение природной среды.

Другое не менее важное применение отработанных камер подземного растворения является их использование в качестве хранилищ нефти и газа.

При реализации задач захоронения и складирования химических продуктов возникают проблемы гео-технологического и геомеханического комплексов:

♦ обеспечение длительной устойчивости конструктивных элементов подземной выработки (кровли камер, предохранительных целиков, герметичность обсадных тампонажных колонн);

2 і 1999

♦ оптимизация сетки бурения скважин для достижения максимального извлечения из недр;

♦ минимизация влияния подземной добычи на деформации земной поверхности и подрабатываемых объектов;

♦ выбор технологии рассолодобычи с гарантированными показателями процесса, включающими заданное формообразование камер с возможностью управления их развитием и позволяющей решать задачи оптимизации в соответствии с требованием максимального извлечения и сроков ведения работ и др.

В работе обсуждаются способы решения названных задач для условий Новомосковского месторождения каменной соли.

Г еомеханические проблемы

Геомеханические проблемы, возникают из противоречивых требований максимального извлечения каменной соли при сохранении устойчивости камер и минимальном воздействии на окружающую среду.

Контролируемое сдвижение массива пород, надежная эксплуатация камер во время добычи и сохранение в рабочем состоянии в процессе их использования в народнохозяйственных целях связано с решением задач оценки состояния камер и выбора параметров извлечения, обеспечивающих необходимый уровень надежности системы.

Анализ работы рассолодобычных скважин России показал, что основными причинами простоев во время размыва камер являются аварийные ситуации, возникающие вследствие деформирования или обрыва обсадных и рабочих (внутренних) колонн труб. Причиной возникновения таких ситуаций является обрушение пород или расслоение кровли в переферийных и центральных частях камер. Расслоение слоев кровли, разрушение и разрыхление пород в междукамерных целиках приводит к нарушению герметичности камер при хранении жидких и газообразных продуктов.

Задача заключается в том, чтобы на основании существующих представлений о геомеханических процессах в горных породах, протекающих вокруг камер во время их образования и в процессе их эксплуатации, выявить сочетание геологических и горнотехнических условий, при которых обеспечивается необходимый уровень устойчивости конструктивных элементов камер. При этом выделяются две группы задач:

87

Требования к устойчивости конструктивных элементов камер

Возможность безопасной эксплуатации и использования камер Категории устойчивости элементов

Ствол скважины Кровля камеры Целики

Хранение жидких и газообразных продуктов при возможных разовых отклонений давлений до 50% от первоначального. I I он

Хранение жидких и газообразных продуктов при возможных разовых отклонений давлений до 10% от первоначального. I I I II т он

Захоронение жидких и твердых отходов. II ш ИМ-Ш

Не используются после размыва. II ш Ш/-

При размыве на промежуточных стадиях прохождения труднорастворимых слоёв пород. II II —

Примечание. В графе “целики” в числителе категория устойчивости целиков как несущего элемента, в знаменателе - по фильтрационному фактору. Категория устойчивости целиков “0” соответствует одиночным камерам.

♦ оценка состояния устойчивости конструктивных элементов системы разработки и возможных способов вторичного использования камер;

♦ определение допустимых размеров камер и целиков, обеспечивающих безаварийное поддержание во время образования камер и дальнейшей их эксплуатации при заданных режимах.

Конструктивные элементы, требующие оценки состояния как несущих элементов, следующие: ствол скважины, кровля камеры, междукамерный целик, как несущая конструкция и как противофильтрационная преграда.

В зависимости от параметров названных конструктивных элементов их состояние оценивается по шкале устойчивости:

I - устойчивое;

II - средне устойчивое;

III - слабо устойчивое;

IV - неустойчивое.

Сочетание элементов с различными категориями устойчивости определяет возможность безаварийной эксплуатации камеры при ее размыве и при вторичном использовании (табл.1) Из табл.1 следует, что вторичное использование камер допускается только для систем отработки с элементами высшей ( Ш ) категории устойчивости, и только в отдельных случаях допускаются элементы III категории устойчивости. Камеры с более низким уровнем устойчивости элементов (с номерами больше чем указано в таблице) для приведенных в графе 1 способов применения не пригодны.

Оценка категории устойчивости конструктивных элементов

Оценка устойчивости камеры или группы камер представляет собой сложную задачу моделирования геомеханических процессов, протекающих в массиве

Таблица 1 горных пород вокруг камер в течение длительного времени при наличии неполных данных о структуре и свойствах пород. Современные вычислительные средства (программа

«СТРОИТЕЛЬСТВО») позволяют решать задачи численного моделирования геомеханических процессов вокруг выработок в рамках представлений о свойствах пород и закономерностях протекающих в них процессов. Точность получаемых при этом решений зависит от выбора эффективных параметров напряженно-деформированного состояния, которые в наибольшей мере отражают причины и условия возможного нарушения каждого из конструктивных элементов.

Для оценки устойчивости ствола скважин в качестве параметра, определяющего состояние, используются продольные деформации вдоль оси скважины (е2); для кровли камер - максимальные растягивающие деформации в угловых зонах кровли камер (е3); для характеристики состояния междукамер-ных целиков - эффективные напряжения (о£).

В качестве эффективного напряжения принята интенсивность сжимающих напряжений, определяемая в соответствии с критерием прочности Гриффитса следующим образом [ 1]:

(а 1 - а з)

а 1

8

— а 1 3 1 0

+ а 3

при

1

-3а 3

(1)

при

0 < а 1 при

< - 3а

3

< 0,

где о и о3 - максимальное и минимальное нормальные напряжения.

Условию мгновенного разрушения от действия сжимающих напряжений соответствуют напряжения, при которых о =ос (о - прочность на одноосное сжатие).

Такая характеристика напряженного состояния точнее отражает условие напряженного состояния горных пород по отношению к разрушению, чем широко применяемая интенсивность сдвиговых напряжений.

Для определения величин эффективных параметров напряженно-деформированного состояния для условий Новомосковского месторождения выполнено численное моделирование формирования горного давления и деформаций вокруг цилиндрических камер методом конечных элементов. Расчет деформаций выполнен на действие дополнительных (снимаемых) напряжений, приложенных к поверхностям обнажений камер:

♦ к поверхности кровли и почвы камер прикладываются нормальные напряжения оп = (ум-ур)Н;

♦ к стенкам камер оп = (Ьум-ур)Н,

а о -

а

где ум и ур - объемный вес пород ( средний от поверхности до рассматриваемой точки) и рассола, Н -глубина, 2 - боковой распор.

Учитывая факт пропорциональной зависимости величин деформаций с параметрами упругих констант, которые принимаются в известной мере произвольно, значения имеют не сами величины рассчитанных деформаций, а их зависимости от размеров камер.

Определение категории устойчивости ствола

скважины.

Устойчивость ствола скважины определяется характером деформирования пород в кровле камер. Нарушение ствола может произойти в результате больших деформаций и расслоений пород в кровле камер, которые зависят от глубины, строения массива, прочностных свойств пород и от размеров камер; важную роль в сохранении устойчивости ствола скважины играет слой монолитной каменной соли или прочных нерастворимых пород, оставленных в кровле. Численное моделирование выполнено с учетом конкретных геологических особенностей месторождения.

Рассчитанные методом конечных элементов величины деформаций для различных соотношений размеров, радиуса кровли камеры ^к) и ее высоты (И), наносятся на план с прямоугольными координатами Rк и И в виде изолиний (рис.1). Область возможных размеров камер 20 м < Rк < 80 м, 10 м< И < 40 м делится изолиниями на зоны равных состояний по величинам деформаций вдоль оси скважины вблизи обнажения кровли камеры. Полученная таким образом диаграмма наряду с табл.2 является средством для определения категории устойчивости ствола скважины. При этом диаграмма ‘^” отражает зависимость устойчивости колонны скважины от размеров камер, а табл. 2 выражает влияние мощности слоя прочных пород в кровле камеры. Порядок определения категории устойчивости следующий:

♦ на диаграмме ‘^” по величинам высоты камеры и радиуса кровли камеры определяется номер зоны;

♦ по табл.2 в зависимости от номера зоны на диаграмме ‘^” и от мощности монолитного слоя каменной соли или слоя прочной нерастворимой породы определяется категория устойчивости ствола скважины.

С помощью диаграммы ‘^” и табл.2 может быть решена задача выбора параметров камер, обеспечивающих заданный уровень устойчивости ствола скважины.

Определение категории устойчивости кровли камер

Разрушение кровли камер может быть вызвано появлением в угловых зонах растягивающих и пластических деформаций. При численном моделировании в массиве пород в окрестности угловых зон камер рассчитывались максимальные растягивающие деформации, которые приняты в качестве фактора, определяющего состояние. Область возможных размеров камер фД) поделена линиями равных величин деформаций и представляет собой диаграмму К, с помощью

2 Л 1999

Таблица 2

Определение категории устойчивости ствола скважины по мощности монолитного соляного слоя (в числителе) или нерастворимого прочного слоя (в знаменателе),м

Категории Зоны на диаг| эамме S

устойчиво- сти 1 2 3 4 5

I >1 >3 >2 >5 >3 >7 >4 >10 >5 >15

II [1-2) [3,5) [2,3) [5,7) [3,4) [7,10) [4,5) [10,15 )

Ш [1,2) [3,5) [2,3) [5,7) [3,4) [7,10)

IV <1 <3 [1,2) [3,5) [2,3) [5,7)

(рис.2). Номер зоны на диаграмме соответствует категории устойчивости.

Определение категории устойчивости междука-мерного целика как несущего элемента Часть массива, расположенного между двумя или большим количеством камер образует междукамерный целик, который характеризуется расчетным коэффициентом извлечения.

Расчетный коэффициент извлечения (ю к) для области рассматриваемого междукамерного целика определяется по формуле :

_ S. ю. _ ^. + Sч) '

87

где Sk - площадь горизонтального сечения рассматриваемой группы камер (Sk=S1+S2+ ... ) ; Sц - площадь горизонтального сечения целика. При ак <0,15 камеры считаются одиночными, для них принимается

сок=0,15.

Категория устойчивости междукамерного целика определяется в зависимости от величины степени на-груженности С :

Категория устойчивости

с < [Сі] [Сі] - [С2] [С2] - [Сз] > [Сз]

I

II

III

IV

Для Новомосковского месторождения каменной соли приняты следующие значения граничных значений степени нагруженности: [С1] = 0,4, [С2] = 0,45, [Сз] = 0,5.

Степень нагруженности междукамерных целиков, определяется как средняя относительная величина интенсивности сжимающих напряжений (1), рассчитанных с учетом давления рассола или продукта хранения или утилизации:

\ —1

У т — У р® к | , (2)

+ У р® к I

к у

1 —

где Н - глубина средней части камеры, ут - средний объемный вес пород от поверхности до кровли камер, ур - объемный вес рассола или продукта хранения, ас -прочность пород в целике на одноосное сжатие .

Определение устойчивости междукамерных целиков по фильтрационному фактору .

В условиях повышенного давления продуктов хранения или рассолов в междукамерных целиках возникает возможность образования зон необратимых деформаций с разуплотнением пород, при этом целики могут потерять свойства фильтрационной защиты.

Категории устойчивости целиков как фильтрационной защиты определяются в зависимости от условий нагружения, характеризующимися степенью нагру-женности F :

Категория

устойчиво- I II III IV

сти

F < и ^ - и т - ^з] > и

Значения предельный значений степени нагружен-ности для различных типов материалов, заполняющих камеры, приведены ниже :

И И Рз]

Для газов 0,2 0,3 0,4

Для рассолов 0,35 0,45 0,5

Для нефтепродуктов 0,3 0,4 0,45

Степень нагруженности целиков по фактору фильтрации определяется по формуле:

р _ 1 I р — Нкпу т Рю к

1 —(

Р +

Нк п у т Рю к

1 — ю к

(3)

где Р - давление в камере ( в условиях размыва Р = урН ); ^ - коэффициент, учитывающий влияние степени подработанности массива, при D)Н и

4

при О <Н,

кп _ 1

кп _ 1 - ®к I1 -

D

где D - минимальный характерный размер области расположения камер в плане.

Гидроразрыв в породах междукамерных целиков может произойти при условии:

НкпУт — Рюк

1 — ю к

<— к

(4)

где ар - прочность на растяжение пород целика, МПа, К - коэффициент, учитывающий неточности принятых расчетных параметров и принимается равным 0,2 - 0.4.

Изложенные принципы оценки устойчивости конструктивных элементов позволяют определить область возможного применения уже созданных камер и запроектировать новые камеры, позволяющие их использование в заданном режиме. Решение задачи определения категории устойчивости камер прямо связана с решением еще одной важной проблемы - охраны природных и инженерных объектов от вредного влияния деформирования земной поверхности и подработанного массива горных пород. Создание камер с заданными геомеханическими характеристиками при определенных режимах добычи соли является геотех-нологической проблемой.

Г еотехнологические проблемы.

В последнее время наметилась тенденция ужесточения требований к формообразованию и объемам камер, срокам их строительства, а также к составу и качеству получаемых рассолов. В связи с этим возникла необходимость разработки принципиально новых подходов к сооружению подземных соляных камер. К числу первоочередных проблем, подлежащих решению следует отнести две наиболее значимые:

1. Для конкретных горно-геологических условий разработать технологическую схему, обеспечивающую сооружение выработок за регламентируемый промежуток времени с требуемыми геометрическими размерами, обусловленными геомеханическими требованиями устойчивости конструктивных элементов и условиями последующего использования.

2. Путем управления технологическими параметрами в зависимости от применяемой схемы достичь требуемых качества, производительности и стабильности выходящего рассола в процессе всего эксплуатационного цикла.

В работах [2, 3] впервые в мировой практике был разработан способ строго физически и математически аргументированного описания процессов растворения каменной соли.

а

С

к

Численная реализация разработанной модели с помощью программного комплекса ‘РАЗМЫВ” впервые опробованного в условиях Новомосковского рассоло-промысла в 1996 году, .позволяет решать задачи прогнозирования формообразования камер и составов выходящих рассолов с оптимизацией вариантов подготовительного и эксплуатационного размыва полостей. В диалоговом режиме выполняется качественное сравнение различных вариантов технологий для проектирования новых или корректировки формы действующих камер. Имеется возможность качественного сравнения различных технологий в заданных условиях геологического строения соляной формации, в том числе при переходе с одной технологии на другую, при этом учитывается растворимость соляной залежи и содержание нерастворимых включений и пропласт-ков. В диалоговом режиме производится управление развитием камеры с решением задач максимального извлечения соли за заданный промежуток времени, заданного объема извлечения в минимальное время, либо других, подобным образом сформулированных задач.

Базовая модель основывается на фундаментальных закономерностях механики сплошных сред, ориентирована на изучение конкретного типа объектов - камер подземного растворения - и содержит в себе главные черты этих объектов.

Модель представляет собой начально-краевую задачу математической физики для системы дифференциальных уравнений в частных производных. По своему смыслу эти уравнения являются дифференциальными записями законов сохранения или, иначе, фактов баланса в каждой внутренней точке камеры участвующих в процессе размыва физических субстанций. Система включает : уравнение движения вязкого раствора или векторное уравнение Навье-Стокса - закон сохранения субстанции ‘‘импу льс раствора соли” (с турбулентными поправками Рейнольдса)

¿¡V - -

р---_ -pgiz - gradP+ цД V + W;

dt

уравнение непрерывности - закон сохранения субстанции ‘раствор соли”

— + рdivV _ 0 ;

dt

уравнения молекулярной и конвективной диффузии компонент - законы сохранения субстанций ‘‘растворенные компоненты” (в турбулентном приближении Рейнольдса)

_ div(Ds gradCs - ЙС,)+ Ws ^ _ 1,2,. ,,М,

дt

уравнение молекулярной и конвективной теплопроводности в растворе и уравнение молекулярной теплопроводности в пласте - законы сохранения субстанций ‘количество тепла” в растворе и пласте

йТ д Т1

— _ аДТ, —- _ а1ДТ1;

дt 1 1

уравнение развития поверхности фазового перехода “пласт-раствор” или уравнение движения стенки камеры - закон сохранения нормальных составляющих импульса составной соли на поверхности растворения и , одновременно , закон сохранения на этой поверхности нормальных составляющих материальных потоков

д F M apt^r + X KsDsgradCs • grad F = 0;

д t R=1

и , наконец , функциональную зависимость плотности многокомпонентного раствора от концентраций компонент и температуры

р = р (С1, C2, ..., CM ,T) , где p - плотность раствора соли; V - вектор гидродинамической скорости; P - давление; W - турбулентная поправка Рейнольдса (для скоростного поля); Cs -объемная концентрация s-й растворенной компоненты; Ws - турбулентные поправки Рейнольдса для концентрационных полей; T и T1 - температуры раствора и пласта соответственно; F - функция, описывающая движение границы фазового перехода “пласт-раствор” (стенки камеры).

Перечисленные переменные величины являются функциями пространственных координат и времени. Они находятся (отыскиваются) как решение приведенной системы уравнений с краевыми и начальными условиями, адекватными применяемой технологии. Кроме того, в этих уравнениях:

g - ускорение свободного падения; i - орт вертикального направления; ¡л - динамический коэффициент турбулентной вязкости; Ds - коэффициент турбулентной диффузии s-й растворенной компоненты; а и a1 - коэффициенты температуропроводности раствора и пласта соответственно; Ks - коэффициент содержания s-й компоненты в породе; а - поправочный (адаптационный) коэффициент; p - плотность породы.

Эти величины являются постоянными и либо определяются из литературы, либо идентифицируются (что точнее) по результатам наблюдений за динамикой объекта.

Эта система , основанная на полном применении к рассматриваемому объекту строгой физико-математической теории сплошных сред , замыкается краевыми и начальными условиями, соответствующими практически любым современным технологиям размыва .

Кроме того, в программе учтена и реализована возможность введения исходных данных о геологических условиях конкретного объекта, а именно: неравномерность растворимости соляного пласта, содержание в пласте рассеянных нерастворимых включений, наличие нерастворимых пропластков различной мощности.

На базе разработанной программы по заданным геомеханическим параметрам производятся математические расчеты в форме диалога исследователя с

2 i 1999

87

27.10.98 12:38 проба 7 ст.8н ФОРМА КАМЕРЫ

РАДИУС КАМЕРЫ, м Рис. 3. Форма камеры на момент окончания размыва

ПЭВМ и динамическим отображением на экране монитора формы камер, а также групп других входных и выходных физико-математических, технологических и вычислительных характеристик процесса растворения. По ходу моделирования можно изменять расход и концентрацию подаваемого в камеру растворителя, переключать по ходу процесса схему подачи и отбора растворителя и рассола и пр. Таким образом, программная система дает возможность ‘проиграть различные сценарии” развития камеры и выбрать оптимальную технологию сооружения рассолодобычной подземной выработки или ее реконструкции под последующее использование в качестве хранилищ нефтепродуктов, газа или отходов (программа «ОТХОДЫ»). На рис.3 представлен один из вариантов технологического расчета конкретной камеры двойного назначения для условий Новомосковского месторождения.

Как показали предварительные техникоэкономические расчеты вторичное использование отработанных рассолодобычных камер в качестве хранилищ отходов более чем в пять раз экономичней по сравнению с показателями сооружения наземных полигонов утилизации отходов и более чем на 40% дешевле по сравнению с шахтными способами хранения отходов. С учетом же экологической безопасности эффективность становится еще большей.

Общие выводы

1. В работе приведены подходы к решению сформулированных задач и приведен пример конкретной их реализации для условий Новомосковского рассоло-промысла. Главная геомеханическая проблема обес-

печения безаварийной работы во время создания камер в процессе добычи каменной соли, и обеспечения надежных эксплуатационных параметров камер на длительное время после образования камер, используемых для захоронения отходов или хранения жидких или газообразных продуктов, решается путем классификации конструктивных элементов системы по признаку механической и фильтрационной устойчивости (программа «СТРОИТЕЛЬСТВО). В общем случае категории устойчивости конструктивных элементов определяются методами численного моделирования геомеханиче-ских процессов в массиве горных пород. Для условий конкретного Новомосковского рассолопромысла эта задача сведена к простым диаграммам и математическим зависимостям, позволяющим как оценить параметры отработанных камер, так и провести необходимый выбор параметров, удовлетворяющих заданным условиям эксплуатации и последующего использования.

2. Для конкретных горно-геологических условий разработана технологическая схема, обеспечивающую сооружение выработок за регламентируемый промежуток времени с требуемыми геометрическими размерами, обусловленными геомеханическими требованиями устойчивости конструктивных элементов и условиями последующего использования.

Основная геотехнологическая проблема заключается в управлении процессом создания камер с заданными геомеханическими характеристиками, а также с обеспечением требуемых качества, производительности и стабильности выходящего рассола в процессе всего эксплуатационного цикла. Эта задача решается путем численного моделирования процесса растворения каменной соли с помощью програмного комплекса ‘РАЗМЫВ” впервые опробованного в условиях Новомосковского рассолопромысла в 1996 году.

Базовая модель основывается на фундаментальных закономерностях механики сплошных сред и представляет собой начально-краевую задачу математической физики для системы дифференциальных уравнений в частных производных. Программная система дает возможность ‘проиграть различные сценарии” развития камеры и выбрать оптимальную технологию сооружения рассолодобычной подземной выработки или ее реконструкции под последующее использование в качестве хранилищ нефтепродуктов, газа или отходов (программа «ОТХОДЫ»).

© А. Кубланов, Б. Крайнев, А. Оловянный, Л. Пустыльников