способ уменьшения сейсмической опасности, исходящей от горного массива

Формула изобретения

Способ уменьшения сейсмической опасности, исходящей от горного массива, включающий гидроразрыв пород горного массива, отличающийся тем, что при ликвидации очага мелкофокусного землетрясения, расположенного на глубинах не более 200 - 220 м, гидроразрыв осуществляют поинтервально в перенапряженных горных породах в направлении от забоя к устью в одной или в группе скважин, пробуренных с поверхности Земли.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сейсмологии, а конкретно, к способам подавления очагов потенциальных мелкофокусных землетрясений. Оно может быть использовано для снижения уровня энергии сейсмоопасных (удароопасных) массивов до безопасных пределов на площадках предполагаемого строительства и для защиты населения населенных пунктов и прочих важных объектов от мелкофокусных землетрясений.

В настоящее время целенаправленные работы по профилактике землетрясений не проводятся. Все осуществляемые и планируемые мероприятия как в СНГ, так и в дальнем зарубежье направлены на совершенствование сейсмостойкого строительства и на временной прогноз ожидаемого события. Как показала мировая практика эффективность временного прогноза крайне низка, зато, как правило, он приводит к значительным материальным потерям и травмирует психику людей.

Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям автора потенциальными очагами мелкофокусных землетрясений являются горные массивы, содержащие породы, способные накапливать внутреннюю энергию под действием вышележащих масс, а затем отдавать ее путем хрупкого саморазрушения по механизму, близкому к проявлениям горного удара. Горный массив, сложенный перенапряженными породами, способными к хрупкому саморазрушению при снятии нагрузки, представляет потенциальную сейсмическую опасность.

Известен способ предупреждения горных ударов и выбросов путем установки разуплотненного материала (породы) в области повышенного горного давления (см. авторское свидетельство СССР N1432220, МКИ E 21 C 41/04, опубл. 23.10.88). В известном способе установку разуплотненного материала осуществляют путем закладки пород в выработанное пространство горной выработки после определения границ повышенного горного давления. Известный способ не может применяться для уменьшения сейсмической опасности, исходящей от горного массива, поскольку требует проходки в перенапряженных породах с целью формирования пространства горной выработки. Проходка может вызвать мелкофокусное землетрясение, т.е. вместо уменьшения опасности ее увеличить. Кроме того, проведение горной выработки и закладка пространства требуют больших затрат и имеют ограниченный диапазон действия, проведение нескольких выработок в горном массиве усиливает вероятность землетрясения. В силу этого применение известного способа нецелесообразно ни экономически, ни по назначению заявляемого.

Известен способ охраны горных выработок, включающий бурение скважин и разуплотнение пород (см. авторское свидетельство СССР N 1446310, МКИ E 21 C 41/06, 41/04, опубл. 23.12.88). В известном способе бурение скважин осуществляют во вмещающих породах со стороны кровли горной выработки, что обуславливает применение известного способа только в горных выработках. Проведение выработки в перенапряженных породах сейсмического массива экономически нецелесообразно и увеличивает вероятность самоликвидации очага путем инициирования сильного или катастрофического землетрясения. После бурения в скважинах размещают заряды ВВ, а разуплотнения осуществляют взрыванием зарядов. В результате этого образуется разуплотненная зона, защищающая выработку от проявлений горного давления. Однако применение зарядов и взрывов для разрушения предельно напряженных пород сейсмически опасного горного массива может вызвать сильное или катастрофическое землетрясение путем взрывного хрупкого саморазрушения массива, что небезопасно и экономически невыгодно, поскольку может вызвать массовые разрушения на поверхности земли.

Наиболее близким к заявляемому способу является известный способ уменьшения сейсмической опасности, исходящей от горного массива, включающий гидроразрыв пород горного массива (1804556 A3, E 21 C 39/00, 23.03.93).

Для реализации способа бурят скважины, часть которых используют для осуществления гидроразрыва, часть - для проведения вибрационного воздействия. Существенное значение для реализации известного способа имеет определение направления главного минимального напряжения в массиве, с учетом которого бурят скважины.

В скальных перенапряженных горных породах, слагающих сейсмически опасный горный массив, направление главных напряжений будет существенно зависеть от наличия неоднородностей. Поэтому всякая выработка в таких породах, бурение скважин будет изменять ориентацию главных напряжений. Следовательно, в таких породах бурение скважин в соответствии с известным способом позволяет производить гидроразрыв при непредсказуемой ориентации.

Действие известного способа направлено на обеспечение максимального разрушения массив (за один цикл гидроразрыва). Для этого осуществляют предварительное вибровоздействие на массив, затем одновременный гидроразрыв массива в нескольких скважинах, закачку в них газа, расклинивающих агентов и разупрочняющих растворов при одновременном вибровоздействии.

На наш взгляд, подобное воздействие на сейсмически опасный горный массив допустимо при G_внG_р+P, т.е. тогда непосредственной опасности горный массив не представляет. В противном случае, когда происходит уменьшение P и G_вн>G_р+P, применение его недопустимо, так как увеличивает вероятность самоликвидации очага, способного вызвать сильное или катастрофическое землетрясение. При этом, чем сильнее будет проявляться упругий миграционный геоэффект, тем больше вероятность хрупкого саморазрушения массива горных пород.

Что касается гидроразрыва, то он в известном способе осуществляется одновременно во всех скважинах, пробуренных в плоскости, проходящей через ось главного минимального напряжения, т.е. известный способ исключает поинтервальный гидроразрыв.

Таким образом, известный способ может применяться лишь для случаев, когда существует потенциально удароопасный горный массив по отношению к конкретной выработке. В случае реальной сейсмической опасности, т. е. G_вн>G_р+P, по отношению к земной поверхности, известный способ не позволяет уменьшить вероятность или предотвратить возникновение мелкофокусного землетрясения при проведении работ по ликвидации его очага.

Предлагаемое изобретение впервые решает задачу уменьшения сейсмической опасности, исходящей от горного массива, путем полной или частичной ликвидации потенциального очага мелкофокусного землетрясения, которым является сейсмически опасный горный массив. Технический эффект, достигаемый при этом, заключается в уменьшении вероятности возникновения землетрясения при проведении работ по ликвидации очага путем последовательного уменьшения энергии потенциального землетрясения. Решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что применяют способ поинтервального гидроразрыва пласта в качестве способа уменьшения сейсмической опасности, исходящей от горного массива.

Особенностью заявляемого нами способа уменьшения сейсмической опасности, исходящей от горного массива, является поинтервальный гидроразрыв пласта, который осуществляют в толще перенапряженных горных пород, образующих потенциальный очаг землетрясений.

В результате научных исследований установлено, что мелкофокусные землетрясения (МФЗ) есть результат хрупкого саморазрушения перенапряженных горных пород при снятии с них нагрузки со скоростью, превышающей скорость естественной релаксации напряжений. Источником энергии МФЗ являются внутренние напряжения (_вн), связанные с действием налегающих масс, которые порода "запоминает" в процессе литификации (окаменения). Физическая сущность внутреннего напряжения заключается в уменьшении расстояний между элементарными частицами - атомами, молекулами, ионами - в кристаллической решетке. В этом смысле напряженная порода уподоблена сжатым газам, жидкостям, пружинам. Поскольку внутреннее напряжение связано с кристаллической решеткой (КР), релаксация его возможна только при деформации или ее разрушении. При релаксации _вн путем пластической деформации КР происходит увеличение объема породы без катастрофических последствий. При разрушении КР внутренняя энергия освобождается практически мгновенно. Происходит своеобразный взрыв напряженных пород (землетрясение). В этом смысле землетрясение можно рассматривать как горный удар колосальной мощности (см. В.Э.Ковдерко, К теории горных ударов. Горный журнал, N2, 1993). Хрупкое саморазрушение горной породы возможно при условии: _{вн p}, где _вн - внутреннее напряжение на данный момент, кгс/см²; _p - сопротивление ненапряженной породы на разрыв, кгс/см².

В природных условиях внутреннему напряжению противостоят _p и вес налегающих пород P = H0,1, где Н - высота налегающих пород, м; - плотность, г/см³; 0,1 - согласующий коэффициент размерностей.

Если _вн< _p+P - хрупкое саморазрушение (землетрясение) исключено. Если знак неравенства поменяется на обратный, событие произойдет. Количество выделившейся при этом энергии будет пропорциально разности между левой и правой частями неравенства.

Внутреннее напряжение "запоминается" породой в момент ее окаменения (кристаллизации) будь то осадок или расплав и в дальнейшем способно лишь к релаксации. Время полной релаксации внутреннего напряжения определяется по формуле: T = /G, где Т - время полной релаксации, с; - вязкость породы, П; G - модуль сдвига.

Поскольку вязкость кристаллических горных пород составляет 10¹³-10²² П, а модуль сдвига лишь 10⁵кгс/см², время полной релаксации составляет десятки - сотни миллионов лет.

В земной коре, вернее в самой верхней ее части, довольно много горных пород, способных к саморазрушению (землетрясению), но этому препятствует пригрузка Р. География сильных и катастрофических землетрясений - горные массивы, крутые побережья - указывает на преобладающую роль в провокации землетрясений, эрозионных процессов, приводящих к быстрому уменьшению пригрузки Р. Но это не единственная причина. Событие может произойти за счет появления дополнительной силы в левой части неравенства. Такой дополнительной пилой может явиться повышение порового давления жидкости в сейсмически опасном массиве.

Например, при _вн< _p+P саморазрушение перенапряженных пород не происходило только благодаря пригрузке Р.

Если в результате природных или технических явлений пригрузка будет уменьшена или появится дополнительная составляющая сил, уменьшающая пригрузку, неравенство изменит знак на противоположный, и может произойти взрывное хрупкое саморазрушение сейсмически опасного горного массива - землетрясение. Например, если в результате проливных дождей в перенапряженных породах повысилось давление поровой воды, неравенство изменит знак не противоположный.

_вн+F_воды> _p+P,

то вслед за дождем может произойти землетрясение.

Поиск сейсмически опасных горных массивов осуществляется путем бурения колонковым методом сети скважин, извлечения кернов, анализа извлеченных кернов скальных пород с целью выявления разрушения керна на мелкие осколки: щебень, дресву, песок. В результате определения месторасположения таких кернов определяют месторасположение участков перенапряженных горных пород в совокупности образующих потенциальный очаг землетрясения. При колонковом бурении перенапряженные породы способны хрупко саморазрушаться с образованием характерных вышеназнаванных мелких осколков. Совокупность перенапряженных горных пород образует своеобразный массив сейсмоопасных пород, в которых сконцентрирована потенциальная энергия будущего землетрясения.

Для реализации способа поинтервального гидроразрыва пласта в сейсмоопасном массиве применяют либо сеть скважин колонкового бурения, либо бурят специальные скважины. Локальный участок перенапряженных пород может быть ликвидирован с помощью одной скважины путем проведения в ней поинтервального гидроразрыва. Для уменьшения сейсмической опасности от крупного сейсмически опасного массива применяют скважины, пробуренные по сетке, с проведением в них схемы поинтервального гидроразрыва от забоя к устью.

Установлено, что при проведении гидроразрыва зоны (пласта) перенапряженных горных скальных пород сейсмически опасного горного массива первичная трещина гидроразрыва порождает процессы интенсивного трещинообразования и дробления перенапряженных пород в результате релаксации внутренних напряжений. Процесс распространяется преимущественно вдоль первичной трещины. После образования трещины гидроразрыва процесс протекает самопроизвольно и может быть локально увеличен лишь за счет дополнительной подачи жидкости. Жидкость повышает пластовое давление, способствуя саморазрушению перенапряженных пород. Таким образом, в результате действия гидроразрыва запускается механизм саморазрушения перенапряженных пород на мелкие обломки в силу релаксации внутренних напряжений в породах. В результате действия одиночного гидроразрыва образуется зона разуплотненных пород, направленных преимущественно по нормали к скважине и охватывающая в этом направлении пространство в несколько сотен метров по радиусу. В результате описанного процесса потенциальная энергия перенапряженных пород диссипирует, расходуясь на трещинообразование и дробление породы. В целом это приводит к уменьшению потенциальной энергии всего сейсмического массива.

Последующие гидроразрывы вышележащих пород приведут к аналогичным процессам, явлениям и последствиям. В результате этого постепенно уменьшается потенциальная энергия, запасенная в перенапряженных породах. Каждый последовательный акт гидроразрыва приводит к уменьшению энергии потенциального очага землетрясения. Величина пригрузки от вышележащих пород практически не изменяется. Образовавшаяся в результате процессов саморазрушения первая от забоя зона разуплотнительных пород в случае случайного инициирования землетрясения будет выполнять роль "аммортизирующей подушки", поглощающей энергию землетрясения. Осуществление последовательных гидроразрывов не от забоя увеличивает вероятность провоцирования разрушительного землетрясения. Процесс гидроразрыва продолжается как правило до полного разуплотнения зоны вышележащих первоначально перенапряженных пород. Проведение его в обычных не перенапряженных породах с целью наращивания зоны разуплотненных пород, как правило, экономически нецелесообразно, поскольку с одной стороны увеличивает затраты на проведение гидроразрыва ввиду необходимости увеличения давлений и закачки в пласт большого количества жидкости, заполнения трещины песком, а с другой - не всегда приводит к созданию зоны из мелких обломков, имеет более ограниченный радиус действия.

Таким образом, поинтервальный гидроразрыв сейсмически опасных пород приводит к инициированию распространяющихся от трещин гидроразрыва процессов хрупкого саморазрушения перенапряженных горных пород, приводящих к последовательному уменьшению энергии потенциального очага землетрясения. Указанная функция способа поинтервального гидроразрыва пласта установлена впервые, что обуславливает возможность применения известного способа по новому назначению. Последовательное уменьшение энергии очага способствует повышению безопасности работ, поскольку даже несколько гидроразрывов от забоя к устью уменьшает потенциальную энергию очага на несколько порядков. Образуемая в результате применения заявляемого способа зона разуплотненных пород обеспечивает частичную ликвидацию очага землетрясения, а проведение поинтервальных гидроразрывов по сети скважин - к полной ликвидации очага землетрясения или (если не все породы раздроблены) - к снижению уровня сейсмической опасности до допустимо безопасного в данном населенном пункте (или в месте предполагаемого строительства). Ликвидация очага землетрясения и образование в результате этого амортизирующей подушки разуплотненных пород защитит объект от землетрясения на несколько тысяч лет, т.е. практически навечно. С экономической точки зрения не всегда целесообразно разрушать (разуплотнять) все сейсмически опасные породы горного массива. Ниже будут приведены и обоснованы рекомендации по выбору условий и режимов выполнения заявляемого способа, учитывающие как необходимый уровень безопасности работ, так и экономические соображения.

Пусть населенный пункт и объект предполагаемого строительства находится в зоне 6-бальных землетрясений. Существующие способы оценки сейсмической опасности не исключают катастрофического события (см. Карта сейсмического районирования территории СССР. Масштаб 1:510⁶, 1978). Выбор сети и глубины бурения скважин для реализации заявляемого способа может быть осуществлен следующим образом.

Определяют степень опасности, которая может исходить от сейсмически опасного горного массива, введя в качестве критерия опасности радиус опасности и допустимый уровень землетрясений.

1. Определить радиус опасности в расчете на сильнейшее землетрясение, исходя из предложения, что его гипоцентр находится у дневной поверхности. В этом случае на дневную поверхность может выделиться максимальное количество сейсмической энергии, но не более половины, другая половина диссипирует в недра Земли.

Энергия сильнейшего из известных землетрясений оценивается в 10¹ кгсм/Дж. Гир, X. Шах. Зыбкая твердь. М.: Мир, 1988, с. 99. Относительно безопасным следует считать энергии 10¹² кгсм (умеренные повреждения - сквозные трещины в слабых стенах, падение неукрепленных печных труб) (там же с. 108).

Потери сейсмической энергии (диссипация) в твердых средах приблизительно обратно пропорциональны квадрату расстояния (Гурвич М.И. Сейсмическая разведка М. : Недра, 1970). Следовательно, количество выделившейся энергии на расстоянии R от гипоцентра можно рассчитать по формуле:



где I₀-полная энергия, сильнейшего из известных землетрясений

I_R - энергия, выделившаяся на расстоянии R в круге с радиусом R.

Подставляя в формулу (I) значения максимального и безопасного уровней энергии, определим радиус опасности:



Поскольку высотные здания сильнее реагируют на горизонтальные колебания, примем вертикальный радиус опасности равным 200 м, а горизонтальный - 500 м, т. е. с 2,5-кратным запасом. Это значит, что нейтрализацию удароопасных массивов достаточно произвести на глубину 200 м, а контур нейтрализации должен отстоять на 500 м от контура застройки.

Детальное сейсмическое районирование территорий в инженерно-геологических целях ведется в масштабах 1:5000 - 1:10000, в отдельных случаях в масштабе 1:25 000 (Справочник по инженерной геологии. М., Недра, 1981). Автор считает достаточным масштаб 1:50 000. В соответствии с инструкцией по проведению геологического картирования в указанном масштабе, оптимальное расстояние между точками наблюдения составляет 500 м, что и отвечает принятому радиусу опасности по горизонтали. На выдержанных линейных телах с падением от 30 до 90^o целесообразно применять квадратные сетки с расстояниями между скважинами 500х500 м, на изометричных пологих - квадратные или треугольные со сторонами в 500 м. Глубина скважин на основании вышеприведенного расчета (п.1) принята равной 220 м.

В силу этого поиск, а затем и разуплотнение выявленных участков сейсмически опасных горных пород или сейсмически опасного горного массива целесообразно проводить по вышеуказанной сети на глубину не более 200 - 220 м. При необходимости обеспечения еще большего уровня безопасности глубина бурения может быть определена на основе вышеприведенной формулы. Интервал гидроразрывов в скважинах выбирают в зависимости от свойств горных пород равным 10 - 20 м.

Заявляемый способ может быть реализован при использовании известных режимов и оборудования.

Ниже приведена одна из возможных схем реализации.

На фигуре 1 приведена схема, иллюстрирующая нейтрализацию сейсмически опасного горного массива согласно заявляемому способу, причем фигура 1а иллюстрирует гидроразрыв призабойного интервала, а фигура 1б - в следующем интервале. На фигурах позициями обозначены: 1 - ствол скважины; 2 - кольцевой надрез; 3 - пакеры; 4 - заглушка; 5 - трубопровод (подающая труба); 6 - граница зоны сейсмически опасных пород; 7 - зона разуплотнения гидроразрывом; Н и H1- высоты столбов налегающих пород на этапах гидроразрывов; 20 м - интервал гидроразрыва. Заявляемый способ осуществляют следующий образом. После обнаружения под объектом путем кернового бурения и анализа керна сейсмически опасных горных пород и глубин их залегания последовательно или одновременно с поверхности земли бурят сеть скважин. Скважины бурят в сейсмически опасные участки горных пород на глубину 200-220 м (или глубже по выбранному критерию безопасности). При достаточности сети скважин кернового бурения используют эту сеть либо дополняют ее новыми скважинами. В каждой скважине осуществляют операции поинтервального гидроразрыва. В середине намеченного к гидроразрыву интервала пескоструйными аппаратами делают кольцевой надрез. Устанавливают пакер 3 с трубопроводом в пространстве вблизи забоя, изолируя тем самым пространство между забоем и пакером, в котором расположен кольцевой надрез.

Нагнетают по трубопроводу 5 жидкость до наступления гидроразрыва, начало которого устанавливают по резкому падению напора, а конец - по его стабилизации. Устанавливают пакеры 3 с трубопроводом выше следующего кольцевого надреза, а пакер 3 с заглушкой 4 ниже его. Снова нагнетают жидкость и совершают гидроразрыв аналогично вышеизложенному. Последовательность гидроразрывов повторяют аналогично вышеизложенному до выхода интервала гидроразрыва из зоны перенапряженных горных пород 6.

В результате указанной последовательной реализации заявляемого способа сейсмически опасные участки горного массива оказываются разуплотненными, энергия потенциального очага землетрясения последовательно уменьшается после каждого гидроразрыва и расходуется на осуществление процесса хрупкого саморазрушения пород, а зона перенапряженных пород последовательно заменяется зоной разуплотненных пород 7.

При расположении перенапряженных пород вблизи поверхности кольцевые надрезы целесообразно проводить не сразу, а последовательно за гидроразрывами. При очень большом сейсмически опасном горном массиве целесообразно проводить разуплотнение сейсмически опасных пород по блокам площадью 1 км², начиная с окраин горного массива. Гидроразрывы согласно заявляемому способу можно проводить последовательно в одиночных скважинах или в группе скважин одновременно. Предпочтительней первый вариант, поскольку форсирование процесса может привести к нежелательному "срыву" разрушительного землетрясения. Если такая опасность будет прогнозироваться, то необходимо произвести эвакуацию населения из предполагаемого эпицентра землетрясения.

Поскольку землетрясения называются естественным ходом событий, гидроразрыв может быть достигнут при весьма незначительном давлении закачиваемой жидкости, что определяется степенью напряженности пород, сопротивлениям их разрыву и глубине залегания. В любом случае достаточно незначительного превышения геостатического давления, рассчитываемого по формуле P_г= H0,1 (2), где Н - высота столба вышележащих пород, м; - плотность вышележащих пород, г/см³; 0,1 - переводной коэффициент.

Деструкционный гидроразрывом сейсмоопасный массив теряет значительную часть своей энергии, что делает его слабо опасным или неопасным вообще практически навечно или до перекристаллизации.

Предлагаемое изобретение впервые предусматривает профилактику землетрясений путем гидроразрыва сейсмоопасного горного массива.