Обоснование конструктивных параметров подземных резервуаров в слоистых породных массивах

Актуальность работы. Анализ перспектив развития добычи и потребления энергоресурсов в балансе России показывает, что до 2020 г. газ, нефть и продукты их переработки будут составлять не менее 80% потребляемых энергоресурсов [1]. В связи с этим возникает актуальная проблема резервирования указанных энергоресурсов с целью регулирования их неравномерного сезонного и территориального потребления.

Резервирование газонефтепродуктов в подземных хранилищах имеет существенные преимущества по сравнению с традиционным использованием наземных металлических резервуаров: большие объемы подземных хранилищ, возможность их эксплуатации при более высоких избыточных давлениях, экологическая безопасность, сравнительно низкие эксплуатационные расходы. На территории России имеются благоприятные горно-геологические условия для сооружения подземных резервуаров: широко распространенные соленосные бассейны для сооружения бесшахтных резервуаров способом растворения каменной соли и распространенные на Севере России, где месторождения каменной соли практически отсутствуют, массивы вечномерзлых пород для сооружения шахтных резервуаров горным способом [2].

Бесшахтные резервуары в каменной соли используются в основном для покрытия пиковых нагрузок по газопотреблению [3] и проектируются в виде выработок-емкостей вертикального типа в мощных соляных пластах и выработок-емкостей горизонтального типа в маломощных соляных пластах. Глубина заложения и геометрические размеры выработок-емкостей выбираются с учетом размещения в однородных ненарушенных соляных пластах, что обеспечивает их длительную устойчивость. Но в некоторых случаях из-за необходимости привязки подземных хранилищ к промышленно развитым районам приходится их проектировать в особых горно-геологических условиях слоистых соляных массивов, что снижает устойчивость выработок-емкостей и должно учитываться при определении их устойчивых конструктивных параметров.

Шахтные резервуары в вечномерзлых породах для резервирования нефтепродуктов проектируются в порядке переоборудования отработанных золотодобывающих шахт или сооружения специальных горизонтальных выработок-емкостей на глубинах не более 50 м в четвертичных отложениях. В аналогичных условиях проектируются шахтные резервуары для резервирования газового конденсата вблизи газодобывающих предприятий Севера России [2]. Четвертичные отложения неоднородны по составу и представлены слоями песка, супеси, суглинка и глины, имеющими при одинаковой отрицательной температуре различные механические свойства, что оказывает влияние на устойчивость выработок-емкостей и должно учитываться при определении устойчивых размеров и формы их поперечного сечения.

Существующие в горной промышленности соответствующие нормативные рекомендации не могут быть прямо использованы при проектировании подземных резервуаров, а отраслевые нормы проектирования не содержат каких-либо указаний по определению устойчивых размеров и формы подземных резервуаров в условиях слоистых породных массивов. В научно-исследовательских работах по этой проблеме затрагиваются лишь общие закономерности деформирования слоистых породных массивов и не рассматривается влияние конкретных параметров слоистости, механических свойств породных слоев и конструктивных параметров подземных горных выработок (резервуаров) на их устойчивость. Решению этой актуальной научно-технической задачи посвящена настоящая работа.

Цель работы состоит в научном обосновании и разработке рекомендаций по проектированию устойчивых размеров и формы выработок-емкостей в особых горно-геологических условиях слоистых породных массивов.

Основная идея работы заключается в том, что устойчивость выработки-емкости в слоистом породном массиве может быть оценена по существующим нормативным критериям, ограничивающим величину максимальных растягивающих напряжений и объем возможного вывалообразования в кровле, в которых слоистость и неоднородность массива по механическим свойствам учитывается с помощью функций влияния, построенных на основании результатов численного моделирования геомеханических процессов.

Методы исследований включают: анализ существующих исследований и действующих нормативных документов по проектированию подземных хранилищ, горных выработок и подземных сооружений различного назначениячисленные методы математического моделирования геомеханических процессов вокруг подземных выработок-емкостейметоды регрессионного анализа для обработки результатов численного моделирования и построения расчетных выражений и разработки рекомендаций по проектированию.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. Устойчивость непосредственной кровли бесшахтного резервуара вертикального типа, сооружаемого в слоистом соляном массиве методом растворения каменной соли, снижается с уменьшением ее мощности и увеличением мощности глинистого пропластка, отделяющего непосредственную кровлю от вышележащей породной толщи, а также с увеличением количества слагающих непосредственную кровлю микрослоев и мощности разделяющих их глинистых прослоев.

2, Наиболее эффективным способом повышения устойчивости непосредственной кровли бесшахтного резервуара вертикального типа в слоистом соляном массиве является придание ей сводчатой (куполообразной) формы в виде усеченного конуса и уменьшение пролета ее плоского участка при оптимальном угле наклона стенок свода, равном 45°.

3. Устойчивость шахтного резервуара горизонтального типа, сооружаемого в слоистом массиве вечномерзлых пород горным способом, увеличивается при его заложении в макрослоях менее жестких пород по сравнению с породами вышележащих и нижележащих макрослоев.

4. Устойчивость шахтного резервуара горизонтального типа, сооружаемого в относительно жестких вечномерзлых породах с небольшим коэффициентом Пуассона от 0.15 до 0.2, таких как вечномерзлые пески, может быть обеспечена при увеличении высоты выработки-емкости И по сравнению с ее пролетом 1 до отношения % = 1.5 и переходе от прямоугольно-сводчатой к трапециевидно-сводчатой форме поперечного сечения выработки-емкости с углом наклона стенок до 70°.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждаются:

— использованием для анализа геомеханических процессов апробированных численных методов математического моделирования (МКЭ);

— сопоставлением результатов математического моделирования с результатами аналогичных исследований других авторов, в т. ч. результатами физического моделирования на эквивалентных материалах;

— положительными результатами внедрения разработанных рекомендаций в практику проектирования выработок-емкостей, сооружаемых в сложных горно-геологических условиях слоистых неоднородных породных массивов.

Научное значение диссертации состоит в дальнейшем развитии существующих представлений о закономерностях формирования напряженно-деформированного состояния слоистых породных массивов при сооружении в них камерных и протяженных подземных горных выработок (резервуаров).

Практическая ценность работы заключается в технических разработках в виде рекомендаций по проектированию подземных хранилищ газонефтепродуктов в особых горно-геологических условиях слоистых породных массивов с целью обеспечения их длительной устойчивости и надежной эксплуатации.

Реализация выводов и рекомендаций работы состоит в их использовании при корректировке проектных решений подземных резервуаров Бе-резниковского подземного хранилища газа (ПХГ) и подземного хранилища стабильного газоконденсата Ямбургского газоконденсатного месторождения (ГКМ).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на заседаниях ученого совета ООО «Подземгазпром» (19 982 000 гг.), семинарах кафедры Строительства шахт и подземных сооружений МГГУ (1999;2000 гг.), заседании Круглого стола «Неделя горняка» в МГГУ (2000 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано три печатных работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит список литературы из 60 наименований, 25 рисунков и 30 таблиц.

Основные выводы по результатам исследований заключаются в следующем:

1. В результате анализа неоднородности и слоистости соляных и веч-номерзлых породных массивов, влияющих на устойчивость проектируемых подземных резервуаров, установлено, что для соляных отложений определяющими являются геометрические параметры микрослоистости с глинистыми контактами в кровле выработки-емкости, а для вечномерзлых пород — различия в деформационных характеристиках вмещающих, перекрывающих и подстилающих выработку-емкость макрослоев.

2. Устойчивость кровли выработки-емкости вертикального типа, сооружаемой в соляных отложениях способом растворения каменной соли, снижается с уменьшением средней относительной мощности микрослоев непосредственной кровли до величины 0.2 от пролета кровлидальнейшее уменьшение их мощности практически не влияет на устойчивость кровли.

3. Наибольшее влияние на устойчивость кровли выработки-емкости вертикального типа оказывает средняя мощность глинистых пропластков между микрослоями непосредственной кровли, поскольку деформируемость глинистых пропластков почти на два порядка выше, чем соляных слоев: устойчивость кровли выработки-емкости снижается практически неограниченно с увеличением мощности глинистых пропластков.

4. Соотношение между основными конструктивными параметрами выработки-емкости вертикального типа — отношение пролета к высотеоказывает влияние на устойчивость кровли: уменьшение этого отношения до величины 0.6 повышает устойчивостьдальнейшее уменьшение этого отношения практически не сказывается на устойчивости кровли выработки-емкости.

5. Наиболее действенным конструктивным способом повышения устойчивости кровли выработки-емкости вертикального типа является формирование ее сводчатого (куполообразного) очертания в виде усеченного конуса с углом наклона стенок, а = 45° и плоским участком кровли, уменьшение размеров которого повышает устойчивость кровли.

6. При выборе интервалов глубин заложения и конструктивных параметров выработок-емкостей горизонтального типа, сооружаемых в вечно-мерзлых породах горным способом, последние целесообразно классифицировать на более жесткие (пески, супеси), имеющие более высокие модули деформации и относительно малые коэффициенты Пуассона, и менее жесткие (глины, суглинки), имеющие относительно низкие модули деформации и большие коэффициенты Пуассона.

7. Устойчивость выработок-емкостей горизонтального типа повышается при их заложении в менее жестких вечномерзлых породах по сравнению с более жесткими перекрывающими и подстилающими породами.

8. С целью повышения устойчивости выработок-емкостей горизонтального типа при их заложении в менее жестких вечномерзлых породах следует оставлять в кровле породные целики вмещающих пород мощностью не более 0.5 от пролета поперечного сечения, а при заложении в более жестких — не менее 0.5 от пролета поперечного сечения выработки-емкости.

9. С целью повышения устойчивости выработок-емкостей горизонтального типа их следует проектировать с полуциркульным сводом: в менее жестких вечномерзлых породах — с прямоугольно-сводчатой формой поперечного сечения при отношении его пролета 1 к высоте Ъ в интервале 0.8 < 1.2- в более жестких — с прямоугольно-сводчатой формой при.

0.67 < 1 и с трапециевидно-сводчатой при 0.67.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации изложены научно обоснованные технические разработки в виде рекомендаций по проектированию подземных резервуаров, сооружаемых в особых горно-геологических условиях слоистых породных массивов, что обеспечивает решение важных прикладных задач строительства подземных сооружений, предназначенных для хранения газонефтепродуктов.