Обоснование мер защиты наземного комплекса подземных хранилищ газа от подработки

Актуальность работы. Анализ мировой практики строительства и эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ) в отложениях каменной соли свидетельствует об их очевидных преимуществах по сравнению с ПХГ в пористых структурах, поскольку они более надежно покрывают пиковые нагрузки в газопотреблении, содержат гораздо меньший объем буферного газа, требуют для размещения наземного комплекса небольшие земельные отводы и обеспечивают возможность постепенного увеличения числа подземных резервуаров по мере роста газопотребления.

Территория России обладает огромным потенциалом в части возможностей строительства ПХГ в отложениях каменной соли. Разработанная в РАО «Газпром» концепция развития пиковых ПХГ в солях на период 1997 — 2015 гг. предполагает строительство 10 пиковых ПХГ с общим геометрическим объемом 40 950 тыс. м3 на глубинах от 300 до 1500 м. Среди них следует отметить строящееся Волгоградское ПХГ с геометрическим объемом 4350 тыс. м и глубиной залегания кровли соляных пластов 1150 м и проектируемое Березниковское ПХГ с показателями соответственно 6300 тыс. м3 и 411- 444 м. Пиковые ПХГ проектируются, как правило, в промышленно развитых регионах для покрытия дефицита их газопотребления.

Учитывая большие геометрические объемы создаваемых подземных выработок и наличие на поверхности наземного комплекса ПХГ с чувствительными к деформациям земной поверхности зданиями, сооружениями и технологическим оборудованием, а также возможную близость застроенных промышленных территорий, следует производить расчет ожидаемых деформаций земной поверхности и проектировать меры защиты наземного комплекса ПХГ от подработки. Существующие в горной промы тленности соответствующие нормативные рекомендации могут быть полезны, но не могут быть прямо использованы для проектирования наземного комплекса ПХГ. Практика строительства и эксплуатации ПХГ в отложениях каменной соли не располагает на сегодняшний день достаточным объемом инструментальных замеров, опытом прогнозирования деформаций земной поверхности и, тем более, отраслевыми нормативными документами по защите наземного комплекса ПХГ от подработки. Научно-исследовательские работы по этой проблеме практически не проводились, а исследования диссертационного характера вообще отсутствуют. Таким образом, сформулированная научная задача и соответствующая ей тема диссертационных исследований являются актуальными.

Цель работы заключается в научном обосновании и разработке на уровне рекомендаций мер защиты зданий, сооружений и технологического оборудования наземного комплекса ПХГ от подработки.

Идея работы состоит в том, что планировочные и горные меры по сравнению с традиционными строительными мерами являются наиболее эффективными при защите наземного комплекса ПХГ от подработки.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. Макродеформации земной поверхности при сооружении ПХГ в отложениях каменной соли, т. е. параметры сдвижения земной поверхности, определяются деформациями кровли подземного комплекса хранилища в целом, а микродеформации земной поверхности, составляющие не более 10% от величины макродеформацийопределяются деформациями кровли отдельных резервуаров.

2. Треугольная сетка расположения резервуаров в плане ПХГ обеспечивает большую жесткость междукамерных целиков по сравнению с квадратной сеткой, что, в свою очередь, обеспечивает снижение деформаций кровли подземного комплекса хранилища в целом до 10% при регл аментированных размерах между ка мерн ых целиков.

3. Массивные фундаменты под компрессорные агрегаты наземного комплекса ПХГ воспринимают деформации земной поверхности в соотношениях, близких к соотношениям модулей деформаций грунтового массива и материала фундаментов и уменьшающихся с увеличением относительной высоты фундаментов.

4. Среди горных мер защиты наземного комплекса ПХГ от подработки наиболее эффективной и предпочтительной является увеличение расстояния между технологическими скважинами или размеров между камерных целиков, так как это не приводит к уменьшению суммарного геометрического объема подземных резервуаров, усложнению технологии их сооружения и эксплуатации.

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

— применением апробированных методов геомеханики для анализа деформированного состояния породного массива и фундаментов;

— сопоставлением результатов исследований деформирования земной поверхности над ПХГ с результатами аналогичных исследований в горной промышленности;

— удовлетворительной согласованностью расчетных и экспериментально наблюдаемых деформаций земной поверхности над подземным хранилищем нефтепродуктов комбината «Неман».

Научное значение диссертации состоит в определении геомеханических закономерностей объемного деформирования породных массивов, вмещающих подземные хранилища газа.

Практическое значение диссертации заключается в разработке методики расчета деформаций земной поверхности и проектирования соответствующих мер защиты наземного комплекса подземных хранилищ газа от подработки.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Выводы и рекомендации работы реализованы при разработке нормативного документа СП 34.

106−98 «Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки» и проектной документации Волгоградского и Березниковского ПХГ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на заседаниях ученого совета ООО «Подземгазпром» (1998 и 1999 гг.), семинарах кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» МГТУ (1998 и 1999 гг.), заседании Круглого стола «Неделя горняка» в МГГУ (1998 и 1999 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано три печатных работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит список литературы из 55 наименований, 23 рисунка и 17 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технические разработки по мерам защиты наземного комплекса подземных хранилищ газа от подработки, обеспечивающие решение важных прикладных задач строительства и эксплуатации подземных хранилищ газа.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. В результате анализа существующих в горнодобывающей промышленности исследований и нормативных документов по сдвижению земной поверхности при подработке установлено, что они представляются полезными, но не могут быть прямо использованы для расчета параметров сдвижения земной поверхности над ПХГ по причине существенного отличия объемно-планировочных решений ПХГ от горных выработок, а также из-за практического отсутствия инструментальных замеров деформаций земной поверхности, откуда следует вывод о целесообразности использования в сложившейся ситуации математических методов моделирования геомеханических процессов в подрабатываемом ПХГ массиве.

2. В результате математического моделирования установлено, что геометрические параметры ПХГ и глубина их заложения определяют воздействие отдельных резервуаров только в плане микродеформаций земной поверхности, а сам профиль мульды сдвижения формируется смещениями кровли всего подземного комплекса хранилища, которые определяются деформациями междукамерных целиков не менее, чем на 90%.

3. Установлено также, что максимальные оседания земной поверхности линейно связаны со смещениями кровли подземного комплекса ПХГ, которые определяются деформациями междукамерных целиков не менее, чем на 90%, а зависимость их от величины отношения размеров подземного комплекса к глубине заложения ПХГ качественно совпадает с аналогичными зависимостями, рекомендуемыми в угольной и калийной горнодобывающей промышленности.

4. В результате математического моделирования построены функциональные зависимости максимального смещения кровли подземного комплекса ПХГ от конструктивных, эксплуатационных параметров хранилища и механических характеристик вмещающего массива: смещения кровли уменьшаются с уменьшением высоты резервуаров и ее отношения к диаметру резервуаров, с увеличением противодавления газа в резервуарах и размеров междукамерных целиков.

5. В результате математического моделирования получено распределение безразмерных оседаний в пределах краевой части мульды сдвижения, которое отличается не более, чем на 3% от типовой функции распределения, рекомендуемой при разработке калийных пластов, что позволяет использовать последнюю для определения параметров сдвижения земной поверхности над ПХГ (оседаний, наклонов, кривизны и горизонтальных деформаций).

6. В результате анализа конструктивных особенностей наземного комплекса ПХГ установлено, что наиболее чувствительными к деформациям земной поверхности являются здания и технологическое оборудование компрессорных цехов и газопроводов, для защиты которых от подработки рекомендуется комплекс планировочных, строительных и горных мер.

7. Обоснованы планировочные меры защиты наземного комплекса ПХГ от подработки, которые предполагают разбиение площади мульды сдвижения на зоны безопасности по допустимым наклонам и горизонтальным деформациям зданий компрессорных цехов и газопроводов и предпочтительное размещение промплощадки во внутренней центральной и внешних продольных или поперечных краевых зонах с ориентацией продольной оси компрессорного цеха параллельно касательным к контуру подземного комплекса ПХГ.

8. В результате математического моделирования процессов совместного деформирования земной поверхности и массивных фундаментов под компрессорное оборудование построены функциональные зависимости допустимых и предельных горизонтальных деформаций и наклонов земной поверхности от конструктивных параметров проектируемых фундаментов, что определило комплекс строительных мер защиты самих фундаментов и установленного на них компрессорного оборудования: увеличение жесткости фундаментов за счет увеличения их высоты, дополнительного армирования или применения высокомарочных бетоновустройство швов скольжения в основанииизменение геометрических размеров фундаментов в плане.

9. В качестве основной строительной меры защиты для компрессорных цехов предложена разрезка зданий на отсеки деформационными швами в виде спаренных колонн, которые обязательно проектируются между основным зданием и пристройкой, для подкрановых путей — их периодическая рихтовка, для газопроводов — устройство П-образных компенсаторов.

10. В результате математического моделирования определена совокупность горных мер защиты наземного комплекса ПХГ от подработки, основными из которых являются увеличение проектных расстояний между технологическими скважинами или размеров междукамерных целиков и переход от квадратной к треугольной сетке расположения резервуаров в плане, что не приводит к уменьшению суммарного геометрического объема подземных резервуаров и усложнению технологии их сооружения и эксплуатации.

11. Сформулированы методические рекомендации по расчету параметров сдвижения земной поверхности и проектированию мер защиты наземного комплекса от подработки, которые использованы при разработке нормативного документа СП 34−106−98 «Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки» и реализованы при проектировании Волгоградского и Березниковского ПХГ.