CC BY
21
УДК 622.02:531 + 622.83
РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В СОЛЯНОМ МАССИВЕ МЕТОДОМ ГИДРОРАЗРЫВА СТЕНОК СКВАЖИНЫ
Аркадий Васильевич Леонтьев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383)217-06-36, e-mail: leon@misd.nsc.ru
Рассмотрены результаты экспериментального определения параметров действующего поля напряжений в подземных выработках рудника СКРУ -3 Верхнекамского месторождения калийных солей. Использован метод гидроразрыва среды с применением созданного в ИГД СО РАН измерительно-вычислительного комплекса «Гидроразрыв». Установлены следующие значения действующих в горизонтальной плоскости компонент напряжений: 02= 8.8 - 14.4; 01 = 12.9 - 25.3 МПа.
Ключевые слова: массив калийных солей, контроль напряжений, гидроразрыв пород в скважине.
RESULTS OF STRESS DETERMINATION IN SALT ROCKS BY HYDROFRACTURING
Arkady V. Leont'ev
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Doctor of Engineering Sciences, Principal Researcher, Mining Information Science Laboratory, tel. (383)217-06-36, e-mail: leon@misd.nsc.ru
The paper reports data of experimental determination of effective stresses in underground excavations of Solikamsk Mine-3 at the Upper Kama Potash Salt Deposit. The tests used the method of hydrofracturing and measurement and computation equipment Gidrorazryv designed at the Institute of Mining. The measured effective horizontal stresses are: o2= 8.8-14.4; o1 = 12.9-25.3 MPa.
Key words: salt rock mass, stress control, hydrofracturing.
В настоящее время ПАО «Уралкалий» разрабатывает инженерные мероприятия по ограничению (локализации) аварийных ситуаций на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей, главным образом связанных с обеспечением устойчивости соленосных пород и исключением прорыва вод в горные выработки. Для Верхнекамских рудников этот вопрос особенно актуален в связи со сложными горно-геологическими условиями месторождения, большими площадями выработанного пространства, значительными сдвижениями подработанных пород. Решение проблемы обеспечения сохранности водозащитной толщи и снижения потерь полезного ископаемого в целиках невозможно без надежного геомеханического обоснования принимаемых технических решений. В связи с этим резко возрастает значение современной информации о напряженно-деформированном состоянии массива соляных пород. В данной статье приведены некоторые предварительные результаты экспериментальных исследований действующего поля напряжений, полученные в подземных
выработках рудника СКРУ-3 Верхнекамского месторождения калийных солей. Работа выполнялась в сотрудничестве со специалистами АО «ВНИИГалургии» г. Санкт-Петербург.
Некоторые результаты экспериментальных исследований напряженного состояния соляных месторождений в странах СНГ, в основном, были получены в конце прошлого столетия [1]. Применялись методы лабораторного анализа образцов пород с привлечением эффектов памяти горных пород, натурные способы инструментального контроля, такие как метод щелевой разгрузки, компенсации, метод измерений на больших базах. Обзор опубликованных данных (табл. 1) показал, что напряженное состояние соляных массивов может отличаться от гидростатического.
Таблица 1
Параметры напряжений действующих на соляных месторождениях стран СНГ
Месторождение Контрольная глубина, м Гравитационная составляющая поля напряжений, МПа Параметры действующих напряжений, МПа
горизонт. вертик.
Стебниковское 140 190 250 310 370 3.0 4.0 5.3 6.5 7.8 1.2 1.7 3.9 4.3 5.0 1.4 1.3 4.2 4.5 5.2 3.2 4.1 6.6 6.9-7.5 7.9-8.4
Старобинское 500 720 10.5 15.1 5.2-5.5 9.0-9.4 5.5-5.9 9.4-9.8 9.6 12.1-12.8
Солотвинское 430 9.0 5.2-9.4 — 11.0-15.3
Сентовская площадь 1070 22.5 20.0 — 24.0
Верхнекамское [2.3.4]: - рудник БКРУ-2 - рудник БКРУ-3 - рудник СКРУ-1 400 400 284 8.4 8.4 6.0 25.0 23.3 20.6 14.6-5.8 12.4 13.4 17.2 9.2-10.2 18.4 17.4 13.2 11.2-12.5
В частности, на рудниках Верхнекамского месторождения отмечено превышение компонентами горизонтальных напряжений (ах, аУ) величины вертикальной составляющей (аг), а также повышенный уровень последней, пока не получивший объяснения.
Как известно, арсенал методов пригодных для определения напряжений в глубине соляного массива весьма ограничен ввиду особенностей структурного строения геосреды и ее нелинейного деформирования при нагружении.
В цикле экспериментального определения параметров действующего поля напряжений, который был осуществлен в подземных выработках рудника СКРУ -3, использован метод измерительного гидроразрыва, работоспособность которого была подтверждена ранее в шахтных экспериментах [5]. Применялась классическая схема метода, когда по давлениям гидроразрыва определялись наибольшее и наименьшее горизонтальные напряжения, а вертикальная составляющая оценивалась по весу покрывающих пород как уН (где у - плотность среды, осредненная по глубине Н) [6]. Месторождение характеризует практически пологое залегание на небольшой (230-380 м) глубине, поэтому определение гравитационной составляющей в качестве одного из главных напряжений вполне оправдано.
Тесты гидроразрыва выполнены с использованием измерительно-вычислительного комплекса, созданного в ИГД СО РАН. Обследование поверхности стенок скважины и выбор участков свободных от видимых нарушений породной среды проводилось с помощью видеозонда (см. статью Востри-кова В.И. и др. в настоящем сборнике). На рисунке представлена функциональная схема ИВК.
Рис. Функциональная схема измерительно-вычислительного комплекса:
1 - двухпакерный зонд в скважине; 2 - ручной насос; 3 - адаптер; 4 - контрольный манометр; 5, 6 - коммутирующие устройства; 7 - датчик давления с кабелем связи; 8 - регистратор давления; 9 - маслопроводы; 10 - рулетка; 11 - персональный компьютер
Некоторые технические характеристики комплекса:
- диаметр измерительных скважин, мм....................76
- глубина измерительных скважин, м......................10
- максимальное давление в гидросистеме, МПа.........60
- датчик давления, тип........................МИДА-ДИ-51П
- рабочий флюид..................масло индустриальное 60
Четыре замерные станции были организованы в периферийных по частям света областях шахтного поля рудника вне зон подработки либо надработки. Каждая станция состояла из трех измерительных скважин глубиной порядка 10 м, выбуренных на удалении друг от друга по простиранию подземных выработок. Выработки имели коробовую форму размером 3.1 м по высоте и 5.3. м - по ширине. В процессе экспериментальных работ в общей сложности выполнено 11 тестов измерительного гидроразрыва на глубинах от 4 до 9,5 м от устья скважины.
Первоначально измерительный зонд устанавливался в скважинах на максимальную глубину. После выполнения теста гидроразрыва он последовательно перемещался в направлении к устью скважины с шагом 1.5 - 2.0 м. Процедура выполнения тестов включала регистрацию во времени ? следующих параметров: р - давление гидроразрыва; Р" - давление запирания при гидроразрыве; р - давление раскрытия трещины разрыва при повторном нагружении; рр - давление запирания при повторном нагружении; Р" - давление раскрытия трещины при третьем нагружении; рр - давление запирания. Прочность геосреды на разрыв определялась по разнице между величинами р и рг
Результаты экспериментальных исследований отражены в табл. 2.
Таблица 2
Величины напряжений, установленные в экспериментах
№№ Расстояние Прочность
замерной от контура о-тт ,МПа о-тах МПа породы
станции выработки, м на разрыв, МПа
1 4.0 8.80 14.00 4.0
6.0 10.03 15.75 3.5-3.8
2 5.5 9.73 12.94 3.8
3 5.5 9.74 13.72 4.5
7.5 3.80 4.47 2.0-4.6
9.0 13.56 24.93 3.0-3.5
7.5 14.30 25.30 3.0-3.8
4 6.0 13.53 23.00 4.3
9.5 14.40 24.85 2.5-2.8
7.5 12.50 19.50 3.0
5.5 11.60 18.50 3.5
Следует отметить, что на удалениях более 5 м от контура кровли выработок, коэффициент концентрации напряжений, действующих в горизонтальной плоскости, можно принять равным единице. Эта оценка сделана на основе решения плоской упругой задачи (условие плоской деформации) с учетом реального сечения выработок.
Полученные значения действующих в горизонтальной плоскости компонент напряжений (о1 = 12.9 - 25.3; о2= 8.8 - 14.4 МПа), в целом, согласуются с приведенными для Верхнекамского месторождения в табл. 1. Отметим их более высокий уровень по сравнению с величиной вертикальной (гравитацион-
-5
ной, при у = 2.4 гс/см ) компоненты (о3 = 6.0 - 8.9 МПа), вычисленной с учетом глубины залегания замерных станций. Данный вывод следует считать предварительным, поскольку все замерные станции находились в зоне влияния выработанного пространства, а истинная величина вертикальной компоненты пока не установлена.
Анализ выборки экспериментальных данных позволяет отметить, что метод гидроразрыва может успешно применяться для контроля напряжений в соляных породах. Свидетельством тому идентичные значения величин напряжений, полученные данным методом на одной и той же глубине от устья в соседних (параллельных) скважинах.
Практика выполнения экспериментальных работ с использованием метода гидроразрыва показала, что отдельное внимание должно быть уделено технологии выбуривания измерительных скважин, от качества которых зависит надежность и объем успешных тестов гидроразрыва. Скважины должны иметь выдержанную прямолинейность, заданные геометрические размеры, чистую поверхность стенок. Следует добиться полной очистки полости скважин от штыба. Ясно, что для этого необходимо создание специального инструмента и отработка определенного регламента выполнения буровых работ.
Для определения параметров поля напряжений в нетронутом массиве необходимо решение обратной пространственной задачи, в которой сведения о локальных напряжениях, полученные в экспериментах, будут использованы для верификации модельной задачи.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Токсаров В.Н. Экспериментальное определение напряжений в соляных породах: дис.. .канд. техн. наук. - Пермь: ГИ УрО РАН, 2000. - 159 с.
2. Ермаков Н.И., Рябов В.Е. О напряженном состоянии массива пород Верхнекамского месторождения калийных солей // Разработка соляных месторождений: Межвузовский сб. научных тр. - Пермь, 1984. - С. 52-55.
3. 3. Полянина Г.Д., Виноградов Ю.А. Взаимосвязь складчатости и напряженно-деформированного состояния карналлитового пласта // Разработка калийных месторождений: Межвузовский сб. научных тр. - Пермь, -1989. - С. 68-71.
4. Рябов В.Е. Связь напряженного состояния соляного массива Верхнекамского месторождения и складчатости промышленных пластов // Технология подземной разработки калийных месторождений: Межвузовский сб. научных тр. - Пермь, - 1988. - С. 6-8.
5. Исследование напряженно-деформированного состояния соляного массива методом гидроразрыва скважин / Научный отчет по договору № 562-21 - Фонды ИГД СО РАН. -Новосибирск. - 1995. - 25 с.
6. Леонтьев А.В., Попов С.Н. Опыт практического применения измерительного гидроразрыва // Горный журнал. - 2003. - № 3. - С. 37-43.
© А. В. Леонтьев, 2016
