Методы мониторинга короткопериодных деформаций массива горных пород (24400)

Посмотреть архив целиком

Методы мониторинга короткопериодных деформаций массива горных пород

Панжин Андрей Алексеевич, старший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, Екатеринбург

В статье проведен обзор методов изучения современной геодинамической активности верхней части земной коры. Особое внимание уделено мониторингу геодинамической активности участков массива, находящихся на пересечении тектонических структур с объектами инженерной инфраструктуры. Рассмотрены методы диагностики и мониторинга локальных аномалий вертикальных и горизонтальных движений, приуроченных к разломам различного типа и порядка. Подробно рассмотрены методы геодезического мониторинга короткопериодных знакопеременных деформаций массива горных пород с использованием комплексов спутниковой геодезии.

В соответствии с основными положениями теории глобальной тектоники плит, литосфера Земли представляет собой относительно жесткую оболочку, "плавающую" на поверхности достаточно вязкой мантии. Эта оболочка разбита региональными тектоническими нарушениями на ряд крупных литосферных блоков, линейные размеры которых достигают нескольких тысяч километров; эти, так называемые мегаблоки находятся в постоянном движении относительно друг друга. Каждый литосферный блок, в свою очередь, разбит на множество более мелких структурных блоков системами региональных и локальных тектонических нарушений, по которым также происходят тектонические подвижки. Таким образом, реальный массив горных пород представляет собой сложную иерархически блочную среду, каждой структурной единице которой присущи свои деформационные характеристики, каждая структурная единица которой находится в постоянном движении относительно окружающих ее структурных единиц. Уже установлено, что тектонические нарушения даже невысокого ранга обладают достаточной подвижностью, которая носит как трендовый направленный характер, так и представлена динамическими колебаниями различной природы.

 В настоящее время достаточно хорошо известно о движениях литосферных плит, происходящих по таким крупным живущим разломам как Сан-Андреас в Калифорнии, Северо-Анатолийский в Турции и др. Изучение современных движений земной поверхности производится путем постоянного переопределения пространственных координат специальных мониторинговых станций. В настоящее время существует не менее 25 специальных мониторинговых сетей, таких как сеть IGS - International GPS Service, объединяющих в общей сложности более 1000 обсерваторий, расположенных на всех континентах Земли. Согласно данным инструментальных наблюдений ( http://sopac.ucsd.edu), трендовые скорости перемещения литосферных плит и подвижек по региональным разломам примерно одинаковы, и составляют для разных мест наблюдений от 10 до 50 мм/год. Кроме трендовой составляющей достаточно четко прослеживаются несколько короткопериодных составляющих с периодами 300, 100, 20 и менее суток.

Поскольку, согласно традиционной точки зрения современные движения литосферных плит происходят в основном по их границам, а также во внутриплитных сейсмоактивных областях, на остальной территории Земли массив горных пород в большинстве случаев представляется как среда статическая и незыблемая. Однако, как показывают исследования, даже на небольших участках массива имеют место деформационные процессы с различными периодами и амплитудой [1].  Такие процессы, происходящие в земной коре, сопряжены с серьезной опасностью для объектов, оказавшихся в зоне влияния подвижных тектонических структур. Наиболее контрастно это проявляется на протяженных объектах, таких как магистральные нефтепроводы и газопроводы, подземные коллекторы и т.п., которые, в силу своей геометрии, непременно пересекают множество тектонических нарушений разных рангов.

Одними из первых с данной проблемой столкнулись организации, занимающиеся эксплуатацией магистральных протяженных объектов. В настоящее время по территории Российской Федерации проложено более 200 тыс. км. магистральных нефте- и газопроводов, которые неминуемо пересекают множество региональных и локальных тектонических разломов. По имеющейся статистике, около 80% всех аварий магистральных продуктопроводов приурочены к определенным местам - местам пересечения ими тектонически нарушенных зон. Причем отмечается достаточно высокий процент повторяемости аварийных событий на одних и тех же участках - повторяемость двукратных аварий на одном и том же локальном участке достигает 75-80%, а повторяемость трех- и более кратных доходит до 95%. Ярким примером подобного рода аварийности служит 40-километровый участок магистрального 9-и ниточного газопровода в районе г. Краснотурьинск, на котором за период с 1990 по 1995 г.г. произошло 45 аварий, что составило около 90% всех аварий РАО "Газпром" за этот период. С 1996 г. аварии на данном участке практически прекратились, по-видимому, массив горных пород уже реализовал всю накопленную им энергию и в настоящее время происходит новый цикл ее накопления. Также, по имеющейся статистике, к локальным тектоническим разломам приурочены аварии других протяженных инженерных объектов - коллекторов, систем канализации и водоснабжения и др.

При расследовании причин подобных аварийных ситуаций было установлено, что технологические параметры, такие как качество металла и железобетонных конструкций, сварных швов, изоляции и пр. не являются истинными причинами многократных аварий. Как правило, дефекты строительства магистральных сооружений проявляются  первые полгода - год эксплуатации, далее отказы происходят в основном из-за старения конструкции [2]. Было установлено, что истинными причинами многократных порывов и разрушений магистральных сооружений являются некие факторы, приводящие к снижению технологических усталостных свойств стали труб и железобетонных конструкций. По результатам внутритрубных исследований магистральных продуктопроводов было определено, что около 70% всех дефектов относятся к категории "потери металла", которая включает в себя трещины, каверны, коррозию и пр. [3]. Также интересен тот факт, что на трубопроводах, изготовленных из более пластичных материалов, трещины появляются только через 25 лет эксплуатации, тогда как на трубопроводах, изготовленных из высокопрочных материалов, трещины появляются через 3-4 года эксплуатации [2]. Таким образом, анализируя вышесказанное, можно предположить, что причиной большинства аварий на магистральных трубопроводах оказываются подвижки земной поверхности, которые реализуются по границам тектонических блоков разного иерархического уровня.

Как выяснилось позже, геодинамическую активность тектонических нарушений как фактор формирования напряжений в заглубленных конструкциях рассматривают и другие исследователи. Впервые интенсивные локальные аномалии вертикальных и горизонтальных движений, приуроченных к зонам разломов различного типа и порядка, в том числе и в считающихся асейсмичными равнинно-платформенных областях, отмечены в работах Ю.О. Кузьмина [4]. Эти аномальные движения высокоамплитудны (50-70 мм/год), короткопериодичны (0.1-1 год), пространственно локализованы (0.1-1 км) и обладают пульсационной и знакопеременной  направленностью. Также следует отметить работы, выполненные исследователями научно-практического центра "Сургутгеоэкология" [5]. Ими было установлено, что заглубленные протяженные конструкции испытывают статические напряжения за счет смещений тектонических блоков в коренных породах и динамические разнонаправленные напряжения, вызванные приливными колебаниями земной коры, причем, по имеющейся статистике, количество аварийных ситуаций на продуктопроводах, локализованных на отдельных участках в пределах геодинамических структур, доходит до 80 и более процентов. Связь между современной геодинамикой и аварийностью нефте- и газопроводов прослеживают и другие специалисты [6, 7].

Специалистами "Сургутгеоэкологии" было установлено, что локальные геодинамические структуры проявляют себя как локальные разломы в осадочном чехле. Они проявляются на поверхности в виде линеаментов в ландшафте, в их пределах проявляется повышенная трещиноватость и проницаемость, аномалии магнитного поля и гамма фона, повышенная концентрация радона и продуктов его распада в приземном слое атмосферы. Ширина выделенных геодинамических структур колеблется в пределах 100 - 500 метров, причем концентрированное проявление динамики деформационных процессов происходит в межблоковой части. Эти данные были экспериментально подтверждены в процессе исследования геодинамических процессов на полигонном участке, расположенном в 17 километрах севернее города Сургут, в период с 1998 по 1999 г.г. и проверены в ходе выполнения исследовательских работ на участке Восточно-Таркосалинского месторождения.

На сургутском полигонном участке был исследован участок законсервированного нефтепровода, пересеченного локальным тектоническим разломом субмеридионального простирания. На данном участке, в ходе эксплуатации продуктопровода, наблюдались многократные повторяющиеся аварийные ситуации. Так как на данном участке наблюдалось хорошее сцепление трубы с породным массивом, то система трубопровод - порода рассматривалась как сплошная деформируемая среда. Для оценки изменений напряженного состояния в разломных зонах и исследовании динамики деформационных процессов был проведен комплекс исследований, в которых трубопровод использовался в качестве индикатора процессов, происходящих в породном массиве.

В ходе выполнения исследовательских работ, в пунктах измерений было произведено шурфование трубопровода со снятием защитной изоляции. На зачищенных местах были установлены магнитные метки, феррозондовые датчики и тензодатчики, по которым производилось непрерывное тензометрирование с целью исследования динамики деформаций во времени. Максимальные напряжения, зафиксированные в процессе исследований на трубопроводах, были значительны и составили для данного участка в разные периоды времени от 80 до 120 МПа, что соответствует деформациям до 99 мм на базе измерений около 500 метров. Такие напряжения и деформации хотя и не способны привести к разрушению трубопровода, но они приводят к снижению прочностных свойств стали труб за счет возникновения усталостных эффектов, вызванных многократными воздействиями знакопеременных нагрузок.


Случайные файлы

Файл
10tabl_analiz.doc
152800.rtf
107206.doc
54945.rtf
53831.doc




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.