Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения. Общий объем текста 186 страниц, 54 рисунка и 36 таблиц. Библиографический список включает 127 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н., профессору В.Н. Синякову за направление исследований, поддержку и помощь при работе над диссертацией. Автор искренне признателен докторам г.-м.н., профессорам СВ. Кузнецовой, О.Г. Бражникову, докторам т.н. Потапову А.Г., Новикову B.C., к.ф-м.н. Акуловой Р.С. и др. за консультации, ценные практические рекомендации и замечания.
1.АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ МАССИВОВ СОЛЯНЫХ ПОРОД И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1 Современное состояние исследований физико - механических
свойств соляных пород
Геосфера в первую очередь приняла на себя "ударную волну" человечества. Она насыщена инженерными сооружениями, здесь расположены области наивысшей активности человека, а зона воздействия на геологическую среду постоянно расширяется. Сверхглубокие скважины "проткнули" нижнюю границу литосферы, на больших глубинах шахтным способом проводится разработка различных месторождений полезных ископаемых и, в частности, минеральных солей. В последнее время верхние слои земной коры все чаще используют как среду для создания подземных хранилищ самого различного назначения, прежде всего для жидких и газообразных углеводородов.
Экономически выгодно сооружать подземные хранилища в массиве каменной соли, которая является упруго-вязкой непроницаемой средой, обладающей высокой прочностью 20-35 МПа. Каменная соль и ее водный раствор (рассол) практически инертны к углеводородам, которые в свою очередь, не оказывают влияния на физико-механические, химические и теплотехнические свойства каменной соли. Интенсивный рост строительства подземных резервуаров методом выщелачивания каменной соли объясняется их, в первую очередь, экологическими и техническими преимуществами. Увеличение глубины сооружения подземных хранилищ и скважин значительно расширило сферу их влияния в толщах пород и вызвало необходимость с одной стороны выделения среди пород элементов с одинаковыми свойствами, с другой оценку состояния свойств пород во всем объеме, реагирующих на механиче-
10
ское воздействие сооружения. Наличие в массивах пород зон различной трещиноватости и разуплотнения, неоднородности состава, разнообразных " форм сложения и залегания, разгрузки напряжений, определяет различия в
величинах показателей свойств образца и массива в целом.
Изучение физических свойств солей началось давно, так как они играют весьма значительную роль в биологической и хозяйственной жизни человека. В нашей стране группа полезных ископаемых, условно выделяемая под названием "природные минеральные соли" объединяет строго ограниченное число минералов, естественные скопления которых образуют соляные месторождения. Главнейшие солевые минералы - галит, карналлит, сильвин, бишофит, каинит, полигалит, мирабилит и др. В естественных условиях вместе с перечисленными минералами встречаются сравнительно труднорастворимые соли - кальцит, доломит, гипс и ангидрит. Месторождения соли усиленно разведывались и разрабатывались еще с древних времен, но изучение их свойств началось значительно позже.
М.В. Ломоносов в 1748году написал "Рапорт об испытании соли-самосадки и тузлука из Астраханской губернии", а несколько раньше, в 1741г. — "Доклад о соляных делах между Днепром и Доном". Содействуя развитию отечественной соляной промышленности, М. В. Ломоносов провел множество анализов образцов соли и рассолов различных месторождений, изучал в лабораторных условиях явление вымораживания рассолов и определял растворимость солей при разных температурах [87].
В изучение соляных месторождений большой вклад внесли Н. С. Курна-ков, В. И. Вернадский, А. Е Ферсман, А. П. Виноградов, Н. М. Страхов и многие другие. Среди геологов — солевиков широко известны имена А. А. Иванова, М. Г. Валяшко, А. И. Дзенс - Литовского, С. М. Кореневского, М. П. Фивега и др.
Мировую известность получили фундаментальные исследования прочностных свойств каменной соли румынского ученого М. Стаматиу (1963), в ко-
11
торых была изучена зависимость прочности образцов при одноосном сжатии от величины и отношения размеров образца. Для разработки каменной соли, калийных и магниевых солей применяется камерно-столбовая система, суть которой в том, что между камерами оставляют целики полезного ископаемого, назначением которых является восприятие нагрузок от веса вышележащей толщи пород и предотвращение обрушения кровли и смещения земной поверхности. В работе М. Стаматиу приведен расчет целиков каменной соли и физико - механические характеристики каменной соли на месторождениях Окна Мурешулуй и Тыргу Окна в Румынии [94].
В Германии известна разработка каменной соли на значительной глубине. На руднике Шенебек - Нидерзаксен пройден ствол глубиной 920м, обслуживающий эксплуатационные горизонты на глубинах от 540 до 880м [111]. Стаматиу сделаны расчеты, что предельная глубина разработок соляных месторождений камерно-столбовой системой должна составлять 1000 -1100м. При больших глубинах возрастают явления пластических деформаций каменной соли, интенсивность которых растет с увеличением глубины. Эти теоретические выводы были подтверждены опытами Буша, проведенными на калийном руднике в Ней-Страйссфурте, глубина ствола на котором составила 750 м, а нижний эксплуатационный горизонт находится на глубине 735м. С целью изучения ползучести соли в шпуры диаметром 40мм и глубиной 0.5м поместили свинцовые трубки. Установлено, что на глубине 650 -750м свинцовые трубки через несколько дней были сильно зажаты и с трудом извлекались из шпуров; на глубине 400 - 500м трубки были зажаты лишь через несколько недель, а на глубине до 250м трубки не зажались вовсе [109,111].
Первым широким обобщением физико-механических свойств соляных пород является монография Проскурякова Н. М., вышедшая в 1973году [87]. В работе приводятся характеристики физико-механических свойств соляных горных пород, оказывающих влияние на технологические процессы при под-
12
земной разработке соляных месторождений. Дано описание наиболее распространенных методов определения основных показателей физико-механических свойств таких, как прочность при сжатии, на разрыв и на изгиб, деформационные характеристики, а также показатели реологических свойств пород. Результаты исследования физико-механических свойств, при нормальных условиях, приведены на примере основных месторождений минеральных солей: Верхнекамского, Старобинского, Гаурдакского и др.месторождений Германии, Австрии, Румынии, США и Канады, а также показано практическое использование физико-механических свойств для расчетов параметров систем подземной выработки месторождений и способов управления кровлей.
В мировой практике для промышленного использования рассола широкое применение получило подземное выщелачивание солей. На Светлояр-ском рассолопромысле в Волгоградской области, состоящем из ряда скважин, созданы подземные емкости (ПЕ) диаметром до 160-200м и высотой 200м на расстоянии 250-ЗЗОм одна от другой. Мониторинг геологической среды выявил деформации в ПЕ, обусловленные растворением, ползучестью соли и структурными особенностями массива. Проекции камер выщелачивания на оси соляных складок имеют округлые очертания, а на крыльях складок имеют форму эллипса, что связано с ползучестью соли в направлении складчатости, т.к. горное давление в кровле соли равно 22 МПа и 30-37 МПа в зоне камер выщелачивания, что выше прочности на одноосное сжатие (26МПа), длительной прочности (13 МПа). [88, 125].
Способы создания искусственных подземных хранилищ весьма трудоемки — это шахтный способ и способ размыва каменной соли. Последний требует больших запасов пресной воды и условий, позволяющих удалять биологиче-ски вредные рассолы.
В 60-х годах для создания подземных хранилищ природного газа, газоконденсата и нефтепродуктов было проведено несколько экспериментальных
13
камуфлетных взрывов и составлены конкретные проекты по строительству подземных емкостей [56, 87, 89]. Участок экспериментального взрыва представляет собой мощное куполообразное приподнятие соляного массива (купол Азгир), которое сложено крупно - и среднекристаллической солью с четко выраженной слоистостью и залегают под углом 70 градусов на северо-запад. Физико-механические свойства соли следующие: плотность 2.2 г/см3, пористость 1.82%, влажность 0.05%, временное сопротивление одноосному сжатию 30 МПа, коэффициент Пуассона 0.23, статический модуль упругости 9*104 МПа, динамический 10.5*104 МПа [54].
Первый опытно-промышленный резервуар был создан в 1970 году у Орен-
(Ш
бурга на глубине 700 метров объемом 11.5 тыс. м3, позже там же созданы два
подземных резервуара на глубине 1135 м [125].
В 1974 Оксенкруг Е.С. и Шафаренко Е.М. изучали ползучесть и длительную прочность каменной соли. Подземные емкости, созданные методом выщелачивания в отложениях каменной соли, в процессе эксплуатации по рассольным схемам заполнены хранимым продуктом и насыщенным рассолом. С увеличением глубины заложения подземных хранилищ возрастает горное давление, а рассольная среда существенно изменяет прочностные и дефор-мационные свойства каменной соли. Исследования Оксанкруга Е.С. показали, что интенсивность деформаций в рассольной среде резко возрастает [78]. Идею влияния движения соляных структур на комплекс инженерно-геологических условий территории Прикаспийской впадины впервые сформулировал в начале 80-х годов В.Н. Синяков: все изменения напряженного состояния пород в солевом комплексе влияют на отложения надсолевого комплекса и достигают поверхности земли в виде различных процессов и явлений [86].