Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

АНАЛИЗ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОХОДКИ МАГИСТРАЛЬНОГО НЕФТЕТРУБОПРОВОДА В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ НА ТЕРРИТОРИИ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ

Ланге И.Ю. 1 Лебедева Я.А. 1 Котюков П.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет»
В статье рассмотрены особенности строительства магистрального нефтяного трубопровода в сложных структурно-тектонических и инженерно-геологических условиях на территории Краснодарского края. Проанализировано влияние данных особенностей на специфику строения и физико-механических свойств пород, вмещающих тоннельную конструкцию. Указывается, что трещиноватость пород связана с наличием более 16 региональных тектонических разломов в дочетвертичной толще и высокой сейсмичностью региона (более 8 баллов). Выполнена сравнительная оценка трещиноватости пород в зонах и вне зон тектонических разломов в соответствии с полученными данными по двум критериям трещиноватости и величине водопритоков. Установлено увеличение водопритоков в тоннель в зонах тектонических разломов. Выявлена возможность возникновения вывалообразования при производстве горнопроходческих работ. Произведены расчеты устойчивости пород, вмещающих тоннельную конструкцию. Разработана схема инженерно-геологического зонирования по участку трассы проектируемого тоннеля, характеризующаяся различной степенью сложности проходки с учетом трещиноватости флишевых пород, возможного водопритока, а также устойчивости вмещающей толщи к вывалообразованию. В соответствии с этим выделены три зоны, которые характеризуются весьма неблагоприятными, неблагоприятными и благоприятными условиями. Выполненное инженерно-геологическое зонирование на локальном участке позволит внести коррективы при выборе способа проходки тоннеля и его конструктивных элементов, что обеспечит длительную эксплуатационную надежность.
тоннель
структурно-тектонические условия
флишевая формация
трещиноватость
вывалообразование
устойчивость пород
инженерно-геологическое зонирование
1. Palyanitsina A., Safiullina E., Byazrov R., Podoprigora D., Alekseenko A. Environmentally Safe Technology to Increase Efficiency of High-Viscosity Oil Production for the Objects with Advanced Water Cut. Energies. 2022. No. 3. Р. 753–753. DOI: 10.3390/en15030753.
2. Храпов В.Г., Демешко Е.А., Наумов С.Н. Тоннели и метрополитены: учебник для вузов. М.: Транспорт, 1989. 383 с.
3. Дашко Р.Э., Лохматиков Г.А. Верхнекотлинские глины Санкт-Петербургского региона как основание и среда уникальных сооружений: инженерно-геологический и геотехнический анализ // Записки Горного института. 2022. Т. 254. С. 180–190. DOI: 10.31897/PMI.2022.13.
4. Iakovleva E.V., Belova M.V., Soares A.O. Allocation of Potentially Environmentally Hazardous Sections on Pipelines. Geosciences. 2021. No. 11. P. 1–11. DOI: 10.3390/geosciences11010003.
5. Яковлева Э.В., Белова М.В., Попов А.Л. Прогноз развития опасных геодинамических процессов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2019. № 7. С. 360–369.
6. СП 103.13330.2012. Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод. М.: Минрегион России, 2012. 61 с.
7. Golovina E.I. Problems of groundwater extraction from transboundary aquifers and complexes. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018. Vol. 4. No. 151. Р. 1–8.
8. Golovina E.I., Pasternak S.N., Tsiglianu P.P., Tselischev N.A. Sustainable management of transboundary groundwater resources: Past and future. Sustainability. 2021. No. 13. Р. 1–16. DOI: 10.3390/su132112102.
9. Дашко Р.Э., Романов И.С. Прогнозирование горно-геологических процессов на основе анализа подземного пространства рудника Купол как многокомпонентной системы (Чукотский автономный округ, Анадырский р-н) // Записки Горного института. 2021. Т. 247. С. 20–32. DOI: org/10.31897/PMI.2021.1.3.
10. Дашко Р.Э. Механика горных пород: учебник для вузов. М.: Недра, 1987. 264 с.
11. Dolzhikov V.V., Мarinin M.A., Isheyskiy V.A. Method of calculation of strain wave field for the boreholes blasting considering the blasting direction International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2018. № 13. P. 217–223.
12. Васильева Н.В., Бойков А.В., Ерохина О.О., Трифонов А.Ю. Автоматизированная оцифровка круговых диаграмм // Записки Горного института. 2021. Т. 247. С. 82–87. DOI: 10.31897/PMI.2021.1.9.

В настоящее время функционирование предприятий нефтяной промышленности представляет собой последовательное выполнение этапов производственного цикла – от освоения месторождений и добычи нефти до реализации нефтепродуктов конечному потребителю [1]. Важнейшим звеном в указанном цикле является транспортировка продуктов переработки нефти, которая наиболее часто осуществляется с использованием систем магистральных трубопроводов. Так, для осуществления доставки экспортируемых нефтепродуктов одним из нефтеперерабатывающих предприятий, которое располагается на Черноморском побережье Цемесской бухты, было запроектировано строительство магистральных нефтепродуктопроводов, размещенных в технологическом тоннеле максимальной глубиной заложения 360 м, внутренним диаметром 3,5 м общей протяженностью более 4,3 км. Проектируемый тоннель представляет собой сложную железобетонную конструкцию из сборных колец, внутри которой планируется разместить три вспомогательных и два основных трубопровода [2].

Трасса проектируемого тоннеля приурочена к крупной геологической структуре – Семигорской антиклинали, в строении которой принимают участие два стратиграфо-генетических комплекса: флишевые отложения мелового возраста, представленные переслаиванием мергелей, песчаников и известняков, реже аргиллитов, смятых в изоклинальные складки, и четвертичными образованиями, характеризующимися современными пролювиальными, делювиальными и техногенными отложениями. Одной из причин складчатого залегания пород является высокая сейсмическая активность рассматриваемой территории (8 баллов по шкале MSK-64), которая предопределила широкое развитие разрывных нарушений и, как следствие, интенсивную трещиноватость пород дочетвертичной толщи [3]. Всего по трассе тоннеля было выявлено более 16 тектонических нарушений, пересекающих его профиль – от сбросов до взбросо-надвигов, что, несомненно, отразилось на особенностях строения вмещающих пород [4, 5].

Материалы и методы исследования

В качестве объекта изучения инженерно-геологической и гидрогеологической специфики строения вмещающей толщи по трассе тоннеля в рамках статьи был выбран фрагмент трассы протяженностью около 1 км. Изучение полученных результатов бурения позволило установить высокую неоднородность флишевой толщи в зависимости от положения в разрезе разрывных нарушений (рис. 1).

Выявленная неоднородность заключалась в различии степени трещиноватости вмещающих пород, для количественной оценки которой были использованы показатель качества породы RQD и модуль трещиноватости Mj. Согласно нормативным документам показатель RQD определяется как отношение общей длины сохранных кусков керна длиной более 10 см к длине пробуренного интервала в скважине, модуль трещиноватости – числом трещин на 1 м линии измерения нормально главной или главным системам трещин. В соответствии с численными значениями данных показателей горные породы по степени трещиноватости подразделяются на пять групп – от очень слаботрещиноватых (Mj < 1,5; RQD 90–100 %) до очень сильнотрещиноватых (Mj > 1,5; RQD 0–25 %) [2].

Lange1.pdf

Рис. 1. Участок трассы проектируемого тоннеля Условные обозначения: K2an – меловая система, верхний отдел, Ананурская свита – чередование известняков, мергелей, кварцевых песчаников и алевролитов; K2kr – меловая система, верхний отдел, Керкетская свита – ритмичное переслаивание тонкоплитчатых кремнистых известняков и мергелей, алевролитов, реже песчаников; K2nt1 – меловая система, верхний отдел, Натухаевская свита, нижняя подсвита – представлена песчаниками небольшой мощности при одновременном уменьшении мощности и количества слоев известняков; K2nt2 – меловая система, верхний отдел, Натухаевская свита, верхняя подсвита – ритмичное переслаивание известняков, мергелей и песчаников

Таблица 1

Характеристика степени трещиноватости флишевых пород в зонах тектонических разломов и вне их (применительно к вышеприведенному фрагменту трассы тоннеля)

Возраст

Название пород

Длина пробуренного интервала, м

Выход керна, м

Общая длина сохранных кусков керна, м

RQD, %

Общее число трещин на интервал, шт

Модуль трещиноватости Mj

Степень трещиноватости*

В зонах тектонических нарушений

K2an

Флишевое переслаивание мергелей и песчаников

2,2

2,0

0,5

22,5

38

19,0

Очень сильнотрещиноватые

K2nt2

Флишевое переслаивание мергелей, песчаников, известняка и аргиллита

4,5

4,5

0,6

13,3

20

4,4

Очень сильнотрещиноватые

K2nt1

Флишевое переслаивание мергелей и песчаников

26,5

26,1

3,1

11,6

385

14,8

Очень сильнотрещиноватые

K2kr

Флишевое переслаивание мергелей и песчаников

9,0

9,0

1,3

14,1

157

17,4

Очень сильнотрещиноватые

Флишевое переслаивание мергелей, песчаников и аргиллитов

9,0

9,0

0,7

7,9

240

26,7

Очень сильнотрещиноватые

Вне зон тектонических нарушений

K2an

Флишевое

переслаивание мергелей и песчаников

72,0

72,0

60,9

84,7

375

5,2

Слаботрещиноватые

K2nt2

Флишевое переслаивание мергелей,

песчаников, известняка и аргиллита

274,5

274,3

221,2

80,6

1243

4,5

Слаботрещиноватые

K2nt1

177,0

177,0

137,8

77,9

1108

6,2

Слаботрещиноватые

K2kr

Флишевое переслаивание мергелей и песчаников

149,0

149,0

119,2

80,0

921

6,2

Слаботрещиноватые

Флишевое переслаивание мергелей, песчаников и аргиллитов

63,0

63,0

48,0

76,2

517

8,2

Слаботрещиноватые

Примечание: при оценке степени трещиноватости за основу был принят показатель RQD.

В соответствии с указанной классификацией сотрудниками кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Санкт-Петербургского горного университета была проведена сравнительная оценка степени трещиноватости вмещающих пород как в пределах зон тектонических нарушений, так и вне их (табл. 1).

Таблица 2

Полученные величины водопритока в пределах выделенного фрагмента трассы тоннеля

Возраст

Название пород

Радиус депрессии rd, м

Средняя глубина фильтрационного потока h, м

Напор над линией тоннеля S, м

Коэффициент Ф

Водоприток на 100-й интервал, м3/сут

В зонах тектонических нарушений

K2an

Флишевое переслаивание мергелей и песчаников

956,5

103,1

73,8

10,2

223,1

K2nt2

Флишевое переслаивание мергелей, песчаников, известняка и аргиллита

975,4

100,1

75,8

10,3

219,9

K2nt1

Флишевое переслаивание мергелей и песчаников

871,8

95,1

69,8

9,3

214,3

K2kr

Флишевое переслаивание мергелей и песчаников

1003,3

108,1

75,8

10,7

228,4

Флишевое переслаивание мергелей, песчаников и аргиллитов

Вне зон тектонических нарушений

K2an

Флишевое

переслаивание мергелей и песчаников

786,5

114,1

71,8

8,7

187,5

K2nt2

Флишевое переслаивание мергелей, песчаников, известняка и аргиллита

767,8

111,6

70,8

8,5

185,5

K2nt1

762,5

109,6

70,8

8,4

184,1

K2kr

Флишевое переслаивание мергелей и песчаников

683,9

85,1

69,8

7,2

163,8

K2kr

Флишевое переслаивание мергелей, песчаников и аргиллитов

680,8

78,1

59,8

7,2

194,0

В соответствии с данными табл. 1 по показателю качества керна RQD вмещающие породы в пределах зон тектонических нарушений характеризовались как очень сильнотрещиноватые, вне указанных зон – как слаботрещиноватые. Особенностью указанной трещиноватости, выявленной в полевых условиях, являлось наличие систем трещин северо-западного и северо-восточного простирания, связанных с региональными разломами и осложненных более мелкой трещиноватостью разной направленности.

Интенсивная степень дезинтеграции вмещающих пород послужила фактором формирования в них грунтового водоносного горизонта верхнемеловых отложений, уровень которого расположен выше проектных отметок тоннеля и варьирует от 1,0 м до 76,0 м. Для оценки влияния подземных вод на производство горнопроходческих работ выполнен расчет возможного водопритока в проектируемый тоннель [6–8]. На основе гидродинамической схемы, выбранной производственной организацией, сотрудниками Горного университета Санкт-Петербурга были выполнены расчеты с использованием формул (1), (2):

Lange3.pdf, (1)

где k – коэффициент фильтрации пород, м/сут; h – средняя глубина фильтрационного потока, м; S – напор воды над сводом тоннеля, м; Ф – коэффициент, рассчитываемый по формуле

Lange3.pdf, (2)

где l – расчетная длина трассы тоннеля, м; rd – радиус влияния воронки депрессии, м; rh – радиус тоннеля, м; y1 – мощность водоносного горизонта в рассчитываемом интервале, м;

Выполненные расчеты показали, что в пределах выделенного фрагмента трассы (рис. 1), величина водопритока в тоннель может варьировать от 163,8 до 228,4 м3/сут (табл. 2).

В соответствии с данными, приведенными в табл. 2, наибольшие значения водопритока были получены для пород в зонах тектонических нарушений, вне их – водоприток несколько ниже.

Наличие сильнотрещиноватых, обводненных пород, приуроченных к зонам тектонических нарушений, поставило под сомнение их устойчивость при проходке проектируемого тоннеля. Вполне вероятно, что при строительстве в указанных зонах возможно возникновение вывалообразования [9]. Для прогноза развития указанного процесса сотрудника кафедры были проведены расчеты с использованием формулы Н.С. Булычева [10]:

Lange3.pdf (3)

где S – эмпирический показатель устойчивости; f – коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову; КМ и КN – коэффициенты, учитывающие влияние степени трещиноватости пород и число систем трещин соответственно; КR – коэффициент, зависящий от характера поверхности стенок; КW – коэффициент, зависящий от увлажнения пород; Кt – коэффициент, оценивающий степень раскрытия незаполненных трещин; КA и Кα – коэффициенты, зависящие от характера заполнителя трещин и от угла α между осью выработки и основным направлением трещины соответственно.

В зависимости от показателя устойчивости S породы по их предрасположенности к вывалообразованию делятся на пять групп: I – вполне устойчивые (> 70); II – устойчивые (5–70); III – средней устойчивости (1–5); IV – неустойчивые (1–0,05); V – весьма неустойчивые (< 0,05).

Результаты расчетов устойчивости пород к вывалообразованию приведены в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что в пределах зон тектонических нарушений показатель S изменялся от 0,05 до 0,64 (неустойчивые породы), вне – от 0,5 (неустойчивые) до 1,2 (средней устойчивости). Наличие неустойчивых пород вне зон тектонических разломов можно объяснить их высокой обводненностью безнапорными водами верхнемелового горизонта.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты оценки трещиноватости флишевых пород, величин возможного водопритока, а также устойчивости вмещающей толщи к вывалообразованию были использованы в качестве основных критериев для создания схемы инженерно-геологического зонирования трассы тоннеля, основная цель которой – правильность выбора типа проходки и технологии производства работ [11]. Всего по трассе тоннеля были выделены три зоны по степени благоприятности осуществления горнопроходческих работ (табл. 4).

Согласно критериям, представленным в табл. 4, было выполнено инженерно-геологическое зонирование трассы на примере фрагмента проектируемого тоннеля (рис. 2).

Стоит отметить, что в соответствии со схемой инженерно-геологического зонирования основная часть выделенного фрагмента состояла из неблагоприятных и весьма неблагоприятных зон [12]. Применительно ко всей трассе проектируемого тоннеля общая протяженность таких зон составила более 3,5 км (свыше 80 % от общей протяженности).

Таблица 3

Результаты расчетов устойчивости пород к вывалообразованию в пределах выделенного фрагмента трассы

Возраст

Название пород

Коэффициент

крепости f

Коэффициенты

Показатель S

Категория

устойчивости

КM

КN

КR

КW

Кt

КA

Кα

В зонах тектонических нарушений

K2an

Флишевое переслаивание мергелей и песчаников

4

0,5

6,0

0,5

0,8

1,0

1,0

1,0

0,13

Неустойчивые

K2nt2

Флишевое переслаивание мергелей, песчаников, известняка и аргиллита

5,8

2,5

6,0

0,5

0,8

1,0

1,0

1,5

0,64

Неустойчивые

K2nt1

Флишевое переслаивание мергелей и песчаников

5,4

0,5

6,0

0,5

0,8

1,0

1,0

1,0

0,18

Неустойчивые

K2kr

Флишевое переслаивание мергелей и песчаников

3,0

0,5

6,0

0,5

0,8

1,0

1,0

1,5

0,07

Неустойчивые

Флишевое переслаивание мергелей, песчаников и аргиллитов

3,0

0,5

6,0

0,5

0,8

1,0

1,0

2,0

0,05

Неустойчивые

Вне зон тектонических нарушений

K2an

Флишевое переслаивание мергелей и песчаников

4,0

4,5

6,0

0,5

0,8

1,0

1,0

1,0

1,2

Средней устойчивости

K2nt2

Флишевое переслаивание мергелей,

песчаников, известняка и аргиллита

5,8

4,5

6,0

0,5

0,8

1,0

1,0

1,5

1,2

Средней устойчивости

K2nt1

5,4

3,0

6,0

0,5

0,8

1,0

1,0

1,0

1,0

Средней устойчивости

K2kr

Флишевое переслаивание мергелей и песчаников

3,0

3,0

6,0

0,5

0,8

1,0

1,0

1,0

0,6

Неустойчивые

K2kr

Флишевое переслаивание мергелей, песчаников и аргиллитов

3,0

2,5

6,0

0,5

0,8

1,0

1,0

1,0

0,5

Неустойчивые

                         

Таблица 4

Основные критерии инженерно-геологического зонирования в пределах выбранного фрагмента трассы

Номер и название инженерно- геологической зоны

Основные критерии*

Наличие тектонических нарушений

Степень трещиноватости пород

Величина водопритока, м3/сут

Категория устойчивости пород

I – Благоприятная

Нет

Слаботрещиноватые

Менее 190

Средней устойчивости

II – Неблагоприятная

Нет

Слаботрещиноватые

190–200

Неустойчивые

III – Весьма неблагоприятная

Да

Очень сильнотрещиноватые

Более 200

Неустойчивые

Примечание: *при различии критериев в рамках одной зоны за основу принималась категория устойчивости пород.

Lange2.pdf

Рис. 2. Схема инженерно-геологического зонирования трассы проектируемого тоннеля (фрагмент). Инженерно-геологические зоны: I – благоприятная; II – неблагоприятная; III – весьма неблагоприятная

Выводы

На основе полученных результатов могут быть сделаны следующие выводы:

1. При проектировании тоннеля в сложных структурно-тектонических условиях необходимо учитывать сейсмичность рассматриваемой территории и особенности её геологического строения – формы залегания горных пород, наличие разрывных нарушений, подземных вод и др.

2. Проведению строительных работ по трассе проектируемого тоннеля должна предшествовать комплексная инженерно-геологическая оценка вмещающих пород. При этом особое внимание должно быть уделено изучению их трещиноватости, её влиянию на физико-механические свойства, ширину раскрытия, наличие заполнителя и его характер, водообильность, а также возможность возникновения опасных инженерно-геологических процессов (вывалообразования и др.).

3. Результаты комплексной оценки пород по трассе тоннеля могут быть представлены в виде схемы инженерно-геологического зонирования, в основу которой должны быть заложены критерии, необходимые для выбора наиболее рационального типа проходки и безопасного производства строительных работ.


Библиографическая ссылка

Ланге И.Ю., Лебедева Я.А., Котюков П.В. АНАЛИЗ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОХОДКИ МАГИСТРАЛЬНОГО НЕФТЕТРУБОПРОВОДА В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ НА ТЕРРИТОРИИ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ // Успехи современного естествознания. – 2022. – № 9. – С. 79-86;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37896 (дата обращения: 18.06.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674