книги / Строительство подземных сооружений в городах

В относительно стесненных условиях транспортирование породы на поверхность выполняют с помощью специально изготовленных для подземных работ самосвалов типа МоАЗ, состоящих из двух частей — одноосного тягача и самосвального прицепа, шарнирно соединенных между собой и имеющих минимальный радиус разворота. В аналогичных условиях находят применение также думперы и самоходные вагоны челночного типа. Все транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания оборудуют газонейтрализаторами. При строительстве сложных подземных комплексов очень хорошо себя зарекомендовал при уборке породы тандем погрузочных машин непрерывного действия с погрузочными машинами типа ПД и автосамосвалами грузоподъемностью более 25 т.

В тех случаях, когда использование автотранспорта затруднено (по условиям обеспечения надлежащего проветривания выработки или вследствие целесообразности устройства соответствующих подходов к ней), для перемещения породы на поверхность применяют рельсовые виды транспортных средств, при этом используют вагонетки большой вместимости (до 8 м3) с глухим кузовом или саморазгружающиеся, а также бункер-поезда, состоящие из большегрузных вагонов с донным конвейером и позволяющие путем последовательной перегрузки из вагона в вагон вывозить одним составом большой объем разработанного грунта.

Механизация горных работ при разработке ядра камеры отличается, главным образом, буровым оборудованием и оборудованием для возведения конструкции крепи стен камеры. Вместо бурильных установок и буровых рам для бурения горизонтальных шпуров используют буровые станки для вертикального бурения скважин. Причем взрывание зарядов в скважинах производят, как правило, при наличии у подошвы уступа неубранной (частично или полностью) породы после взрыва зарядов в предыдущем цикле. В этом случае уменьшается разброс взрываемой породы и снижается воздействие взрыва на возведенную ранее конструкцию крепи. В среднем разработку породы в выработках такого типа осуществляют с производительностью 5—8 тыс. м3/мес.

В целом работы по сооружению камер большого поперечного сечения организуют на основе комплексной механизации и цикличности выполнения всех проходческих операций. Решение этих организационных и технологических вопросов в первую очередь зависит от принятого способа ведения работ. При строительстве больших камерных выработок в целях безопасности производства работ необходимо соблюдение ряда особых требований в дополнение к общим правилам техники безопасности.

Прежде всего нужно, чтобы вспомогательные выработки, расположенные в пределах сечения камеры, были закреплены независимо от крепости вмещающих пород. Объясняется это тем, что в процессе проходки при взрыве большого количества взрывчатого вещества во вспомогательных выработках, даже расположенных на значительном расстоянии от эпицентра взрыва, могут произойти вывалы породы вследствие проявления сейсмического эффекта.

Высота уступа при разработке основного ядра камеры не должна превышать более чем в 1,5 раза максимальной рабочей высоты экскаватора. Лобовая плоскость уступа должна иметь угол наклона к горизонту не более 80°.

В зоне между забоем и работающим экскаватором запрещается находиться людям. Все передвижения людей нужно осуществлять по специальным проходам, отгороженным от проезжей части для автотранспорта. Проезжую часть в подходных и основных выработках тщательно выравнивают, а в случае необходимости устраивают нужное покрытие.

151

Лекция 6. Строительство подземных хранилищ

6.1. Подземные хранилища шахтного типа

Подземные хранилища, возводимые горным способом, используют как товарно-сырьевые парки нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических заводов, как перевалочные и распределительные базы хранения, а также в качестве хранилищ для покрытия пиковых и сезонных неравномерностей потребления жидких углеводородов крупными городами и промышленными центрами и т.д. Резервуарными емкостями в таких хранилищах являются специально создаваемые или проведенные ранее горные выработки, как правило, камерного типа. В общем случае хранилище представляет собой систему вскрывающих, околоствольных, подходных, вспомогательных выработок и собственно выработок-емкостей. От внешней среды или вспомогательных выработок выработки-емкости отделяют специальными устройствами — герметичными перемычками. Хранилища этого типа сооружают как на один, так и на несколько видов продуктов (комплексные хранилища). В них хранят нефть, мазут, дизельное топливо, керосин, бензин, предельные (бутан, пропан, этан) и непредельные (бутилен, пропилен, этилен) сжиженные углеводородные газы.

Определяющим фактором при установлении принципиальной возможности создания шахтных хранилищ и выборе их вида является наличие благоприятных геологических и гидрогеологических условий.

Рис. 6.1. Классификация подземных хранилищ шахтного типа месторождений полезных ископаемых и неиспользуемых подземных сооружений.

В соответствии с классификацией подземные хранилища шахтного типа подразделяют на три вида, различающиеся способом достижения герметичности выработок-емкостей. Хранилище каждого вида может быть представлено

152

выработками-емкостями как в специально создаваемых горных выработках, так и в существующих выработках отработанных ранее.

Хранилища, в которых герметичность выработок-емкостей при эксплуатации обеспечивается подпором подземных вод, чаще применяют в районах, сложенных трещиноватыми кристаллическими породами. Первоначально такие хранилища строили для сырой нефти и нефтепродуктов, хранящихся практически без избыточного давления. Позже выработки емкости этого вида стали использовать для хранения сжиженных нефтяных газов. Необходимым условием эксплуатации хранилищ является наличие такого местного уровня подземных вод, при котором давление столба воды на поверхность выработок превышало бы внутреннее давление продукта в выработке-емкости (рис. 6.2). Принцип эксплуатации этих хранилищ основан на том, что углеводородные жидкости легче воды. При водоотливе движение подземных вод направлено по нормали к поверхности выработки-емкости (область депрессии) и будет препятствовать утечкам продукта из резервуара.

Выработки-емкости, герметичность которых обеспечивается непроницаемостью вмещающих пород, строят в районах, где в пределах глубин до первых сотен метров развиты водоупорные толщи достаточной мощности. Под практически непроницаемыми породами понимают породы, способные служить экранами для нефти, нефтепродуктов и сжиженных газов при давлениях, соответствующих высоте столба и упругости паров хранимых продуктов при температуре породного массива на глубине заложения выработок-емкостей. Оценку экранирующей способности пород осуществляют в соответствии со специальной классификацией пород-экранов. В общем случае это породы с проницаемостью менее 10-4 мкм2.

аЬаЬень~ подзем ны х оод

Гидростатическое

.дадлвнив подземных дад

1 Давление

I паровой грозы

\ Давление жидкого \продуата

—\_8дЗлснис \

водяной п о д уш ки

Рис. 6.2. Принципиальная схема герметизации резервуара с притоком подземных вод в выработку -емкость:

1 — ствол; 2 — перемычка; 3 — паровая фаза; 4 — жидкие углеводороды в выработке-емкости; 5 — вода.

153

Шахтные хранилища этого вида, в основном, сооружают в устойчивых горных породах, не требующих для поддержания выработок-емкостей сплошных дорогостоящих крепей, в таких как каменная соль, гипсы, ангидриты, глинистые сланцы и вечномерзлые породы.

Там, где отсутствуют устойчивые непроницаемые породы, шахтные хранилища создают в плотных непроницаемых, но неустойчивых породах — глинах. Для поддержания выработок-емкостей в устойчивом состоянии в данном случае используют крепь.

Принципиальная схема шахтного хранилища в непроницаемых породах с положительной температурой показана на рис. 6.3, а в вечномерзлых породах — на рис. 6.4.

Создание подземных хранилищ шахтного типа в практически непроницаемых вечномерзлых породах отличается определенной спецификой. При эксплуатации таких хранилищ требуется соблюдать необходимые температурные условия. Это связано с тем, что прочностные и фильтрационные свойства мерзлых пород и ледяной облицовки выработок-емкостей существенно зависят от температуры поступающих в хранилища продуктов: чем ниже температура пород, тем надежнее сохранность ледяной облицовки.

Герметичность подземных выработок хранилища обеспечивается, если максимальная естественная температура рабочей толщи (массив, в котором проводят выработки) ниже температуры его оттаивания для дисперсных пород на 3 °С, а для скальных — на I °С.

В этой связи становится очевидным, что важнейшим условием использования подземных хранилищ в вечномерзлых породах является соблюдение теплового режима резервуара как в период его строительства, так и в процессе эксплуатации.

К хранилищам третьего типа относят выработки-емкости с изоляцией стен металлом, бетоном, пластмассой и другими материалами для нефтепродуктов, а также для хранения сжиженных углеводородных газов (СУГ), сжиженного природного газа (СПГ) и этилена, их эксплуатируют при отрицательных температурах. В последнем случае в выработках-емкостях обычно выполняют теплоизоляцию.

Рис. 6.3. Схема хранилища шахтного типа в непроницаемых породах с положительной температурой:

1 — оголовок ствола; 2 — ствол; 3 — герметичная перемычка; 4 — выработкаемкость; 5 — толща непроницаемых пород.

154

1

Рис. 6.4. Схема шахтного резервуара в вечномерзлых породах:

1 — трубопровод; 2 — технологическая скважина для слива нефтепродуктов в подземные выработки-емкости; 3 — выработка-емкость; 4 — технологический колодец; 5 наклонный ствол; 6 — погружной насос; 7 — ледяная облицовка.

Шахтные хранилища с искусственной изоляцией можно сооружать в различных геолого-гидрогеологических условиях, они отличаются разнообразием конструкций, принципами и материалами герметизации в зависимости от вида хранимого продукта. Так, вертикальные выработки-емкости с крепью и металлоизоляцией и горизонтальные выработки-емкости с искусственными герметизирующими покрытиями из пластмасс и бетона могут быть предназначены для сжиженных углеводородных газов, хранящихся в условиях избыточного давления при температуре окружающих пород. В вертикальных выработках можно создавать также низкотемпературные ледопородные резервуары для сжиженных газов (пропана) с искусственным поддержанием в окружающем массиве пород температуры -42 °С, при которой пропан хранится под атмосферным давлением. В горизонтальных выработках, расположенных ниже местного уровня грунтовых вод, можно хранить этилен и сжиженный природный газ при атмосферном давлении и низких отрицательных температурах соответственно — 104 и -162 °С.

Сферой рационального использования напорных подземных вертикальных выработок-емкостей для СУГ являются кустовые базы сжиженных газов (КБСГ) и газораспределительные станции (ГРС), где требуются хранилища относительно небольшого объема. При использовании вертикальных выработок-емкостей на КБСГ и ГРС вместо стальных резервуаров экономия металла может достигать 180 кг/м3

Напорные горизонтальные выработки-емкости, поверхность которых выровнена слоем бетона и покрыта пластмассовыми листами, используют главным образом для хранения сжиженных газов (пропана, бутана).

Хранилища СУГ, этилена и СПГ в вертикальных и горизонтальных горных выработках, проведенных в проницаемых породах, должны эксплуатироваться в условиях низких отрицательных температур. Надежность хранилищ СУГ можно обеспечить образующейся вокруг выработок-емкостей ледопородной толщей, а в хранилищах этилена и СПГ посредством возведения термоизоляционной и газонепроницаемой облицовок.

155

Подземные хранилища с искусственной изоляцией в проницаемых горных породах менее распространены, их строят значительно реже, чем хранилища в непроницаемых и трещиноватых обводненных породах с подпором подземными водами. Ограниченное применение таких хранилищ связано с их более сложным конструктивным исполнением, трудностями при возведении облицовок и большими капитальными затратами.

Условия эксплуатации подземных хранилищ в специально проведенных горных выработках в равной степени относятся и к хранилищам, которые создают в существующих выработках отработанных рудных и нерудных месторождений, находящихся в аналогичных геолого-гидрогеологических условиях. В этом случае можно использовать все выработанное пространство горнодобывающего предприятия, его часть или даже отдельные выработки. В качестве примера на рис. 6.5 изображена схема переоборудования под хранилище нефтепродуктов всего комплекса выработок одного из соляных рудников. Возможность приспособления под хранилище определяют, исходя из геолого-гидрогеологических условий, обеспечивающих герметичность и устойчивость выработок, а также из технической возможности проведения инженерных мероприятий по их переоборудованию (водоотлив, тампонаж трещиноватых зон, усиление целиков и пр.). На практике возможны ситуации, когда горизонтальные выработки приспособить под хранилище невозможно или нецелесообразно, но в другом горизонте по геологическим условиям возможно сооружение выработок-емкостей. В этом случае целесообразно использовать только существующую вскрывающую выработку, углубляя ее на необходимое расстояние. В такой ситуации затраты на создание подземного хранилища снижаются на 15—25% по сравнению с затратами на строительство нового хранилища за счет использования наряду с вскрывающей выработкой существующей инфраструктуры предприятия.

А-А

Рис. 6.5. Схема подземного хранилища в горных выработках соляного рудника: 1 и 2 — вертикальные стволы рудника; 3 — околоствольный двор; 4 — камеры электродепо и склады взрывчатых веществ; 5 — дыхательные скважины; 6 — выработки, оставшиеся после отработки полезного ископаемого; 7 — герметичные перемычки.

156

Проведение выработок подземных хранилищ шахтного типа осуществляют известными способами, нашедшими широкое применение в практике подземного строительства: буровзрывным в крепких породах, с использованием проходческих комбайнов (чаще всего в каменной соли, гипсах, вечномерзлых породах) и проходческих щитов в слабых породах типа глин с возведением сплошной крепи.

Специфическими особенностями проектирования и строительства подземных хранилищ являются выбор объемно-планировочных решений и конструкций выработок, технология герметизации выработок-емкостей, мероприятия, обеспечивающие устойчивость и герметичность выработок в вечномерзлых породах при строительстве и эксплуатации, приспособление существующих горных выработок для хранения топлива.

6.2. Проектирование и строительство подземных газонефтехранилищ шахтного типа

В первую очередь выполняют объемную компоновку выработок-емкостей, вскрывающих выработок и выработок вспомогательного назначения (объемно­ планировочные схемы).

На выбор объемно-планировочных схем шахтных хранилищ влияет ряд факторов. На рис. 6.6 выделен ряд основных элементов объемной компоновки

Рис. 6.6. Схема влияния различных факторов на элементы объемной планировки подземных хранилищ в толще ограниченной мощности, направление их

продольного уклона, а также габаритных размеров хранилища в плане и т.д.

157

Определяющими при выборе параметров выработок-емкостей являются горно­ геологические условия. С точки зрения компактности объемно-планировочных схем наиболее желательны выработки максимально возможного сечения, при котором они сохраняют длительную устойчивость. Именно этими соображениями руководствуются, создавая выработки больших размеров в скальных породах неограниченной мощности (например, в массивах изверженных и метаморфических пород).

Мощность пласта в свою очередь определяет допустимую высоту выработки, что особенно важно для хранилищ в практически непроницаемых породах, где в почве и кровле выработок-емкостей должны быть оставлены пачки непроницаемых пород.

Размер целиков, форма, отношение их размера к пролету протяженной выработки также оказывает непосредственное влияние на устойчивость резервуара в целом. Здесь наблюдают тенденцию к оставлению целиков наименьших размеров по условиям устойчивости выработок.

Технология строительства (в первую очередь принятый способ отработки и механизация производственных процессов) может выявить необходимость корректировки параметров выработок-емкостей в сторону уменьшения их размеров от максимально устойчивых. Что касается формы выработок, то буровзрывной способ проходки позволяет осуществлять строительство выработок любой формы, заданной по условию устойчивости (с подъемистой или плоской потолочиной). Круглое сечение выработок характерно для хранилищ, проведенных с помощью проходческих щитов в глинистых породах. Для пород средней крепости (вечномерзлых, гипсов, солей и др.) возможность увеличения поперечного сечения выработок заключается в использовании комбайновой проходки, в результате которой практически не образуется ослабленная зона вокруг выработок, характерная при применении буровзрывного способа.

Горно-строительные требования существенно влияют на выбор рациональной схемы расположения выработок-емкостей по условиям максимального упрощения системы проветривания выработок и транспортирования породы в период ведения проходческих работ.

Влияние особенностей технологии эксплуатации проявляется в расчете параметров-емкостей в вечномерзлых породах. Известно, что по мере понижения температуры вечномерзлых пород их прочность возрастает, при этом размеры целиков, обеспечивающие устойчивость выработок-емкостей, уменьшаются. Соответственно с повышением температуры прочностные характеристики вечномерзлых пород снижаются. Таким образом, чем выше тепловая нагрузка на породу, тем меньше должно быть сечение выработок-емкостей и больше ширина целиков между ними для обеспечения устойчивости резервуара. Существующий опыт убедительно показал, что шахтные хранилища можно успешно эксплуатировать в условиях заполнения их продуктом с положительной температурой, не вызывающей оттаивания породы, что позволило значительно расширить область их использования. По опыту эксплуатации подобных хранилищ ширина целика в 10— 15 м между смежными протяженными выработками-емкостями, как правило, достаточна для обеспечения их устойчивости и предотвращения теплового взаимодействия при естественной температуре породы 5—7 °С.

Общий объем проектируемого хранилища оказывает существенное влияние, например, на выбор числа вскрывающих выработок и их сечение, на число и общую протяженность выработок-емкостей и т.д. При этом следует учитывать, что при определении объема выработок-емкостей заданный объем хранения продукта следует

158

корректировать с учетом коэффициента вместимости резервуара, который при хранении нефти и нефтепродуктов не должен превышать 0,97, а при хранении сжиженных газов — 0,9.

Разносортность продуктов, намеченных к одновременному хранению, требует обязательного наличия околоствольной (коллекторной) выработки, не являющейся в период эксплуатации полезной емкостью, и герметичных перемычек (число которых равно числу одновременно хранимых продуктов) в подходных выработках. В хранилищах на один вид продукта герметичную перемычку, как правило, сооружают в стволе, а коллекторная выработка отсутствует. Размещение герметичной перемычки в стволе обеспечивает полное использование горизонтальных выработок (включая околоствольные выработки, а иногда и ствол) и работу перемычки без непосредственного подпора жидкой фазой хранимого продукта.

Б - б

Рис. 6.7. Объемно-планировочная схема хранилища сжиженных газов с обособленными выработками-емкостями:

1 — коллекторная выработка; 2 — скважина для гидрозатвора перемычки; 3 — эксплуатационная скважина; 4 — выработка-емкость; 5 — насосный зумпф; б — подходная выработка; 7 — герметичная перемычка с гидрозатвором; 8 — ствол.

В зависимости от типа эксплуатационного насосного оборудования (погружные или непогружные насосы) определяют сечение ствола, необходимость создания подземных насосных камер для установки непогружных насосов или бурения специальных скважин для насосов погружного типа.

Пример объемной планировки хранилища сжиженных газов с обособленными выработками-емкостями и размещением погружных насосов в эксплуатационных скважинах показан на рис. 6.7.

Анализ планировочных схем хранилищ показывает, что среди них можно выделить два основных типа:

-камерный с замкнутой системой выработок-емкостей (рис. 6.8);

-камерный с обособленными выработками-емкостями (рис. 6.9).

Хранилище первого типа представляет собой систему выработок-емкостей, сообщающихся между собой с помощью сбоек. Их проводят таким же сечением, что и

159

выработки-емкости. Сооружение сбоек вызывает существенное сокращение размеров хранилища в плане, вследствие чего облегчается проветривание и транспортирование отбитой породы при проведении выработок-емкостей. Кроме того, наличие сбоек позволяет эффективнее применять высокопроизводительное горнопроходческое оборудование.

7

2

1

2

* 3

Рис. 6.8. Схемы шахтных хранилищ камерного типа с замкнутой системой выработок-емкостей для одного (а), двух (б) и четырех (в) продуктов:

1 — выработки-емкости; 2 — сбойки между выработками-емкостями; 3 — обходная выработка; 4 — вскрывающая выработка.

^ уууууууууууууу/уууууууууууууууууу. 'УУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУ^

wy//yy/yy/?/y/s?yy/y?7y 1

У '-^//У/УУ/У/УЛУл \УУУУ/УУУУУУУУ

ЪУУ/У7У/УУУУУУУ777/7 777У/

Рис. 6.9. Схемы шахтных хранилищ камерного типа с обособленными выработками-емкостями для одного (а), двух (б), трех (в)

и четырех (г) продуктов: 1 — выработка-емкость; 2 — вскрывающая

выработка.

Самоходные буровые установки и горные экскаваторы используют для одновременного проведения нескольких выработок при посменном переводе оборудования из одного забоя в другой. Для улучшения проветривания при проходке и сокращения транспортных плеч в схеме хранилища с замкнутой системой

160