Свойства зон тектонических нарушений (ЗТН) (статья написана для журнала "Жизнь и Безопасность")

13. О надежности подземных сооружений

     Подземные сооружения находятся в особых условиях. С одной стороны, как и все сооружения, они опираются на грунт (правильнее в данном случае говорить - на горные породы), а с другой стороны, на них сверху оказывается давление со стороны вышележащих пород. Надо сказать, что в горном деле принято рассматривать только давление сверху, со стороны залегающих над сооружением пород. При этом, как решающий фактор, упоминаются такие понятия как горное давление и напряженное состояние.
     В соответствии с существующей практикой, все подземные сооружения рано или поздно раздавливаются горными породами, и важнейшей проблемой является создание методик, позволяющих это прогнозировать. Однако за исключением упомянутой во Введении методики прогнозирования обрушения пород кровли в угольных шахтах "Резонанс", успехи в решении этой проблемы, на сегодняшний день, прямо скажем, отсутствуют. На мой взгляд, причина этого кроется в следующем.
     Во главе всех разработок при создании методик прогнозирования надежности подземных сооружений стоит проблема измерения горного давления. Как и напряженное состояние - горное давление есть не что иное как просто давление. В твердых средах давление является не скалярной (как в жидкостях и в газах), а векторной (точнее, тензорной) величиной. Однако главное заключается в том, что давление в твердых средах не является измеряемой субстанцией. Датчик давления в твердых средах пока еще не создан, и о величине его судят по результатам измерений смещения определенных, реперных точек, с последующим пересчетом измеренных величин в давление.
     Пересчет деформации в давление осуществляется очень просто, с учетом закона Гука. Однако делать это таким образом правомерно только для упругих сред. Горные же породы не являются упругими средами. Доказательство этого было приведено в работах [8, 9]. Поскольку такой подход противоречит общепринятым взглядам, считаю необходимым привести некоторые аргументы.
     В качестве иллюстрации наличия либо отсутствия упругих свойств приведем следующий физический эффект. Если стальную плиту, находящуюся в горизонтальном положении и закрепленную на двух опорах у ее краев, нагрузить в середине, то она прогнется. Если нагрузка не превышает предела упругости, то при освобождении от нее (от нагрузки) плита распрямится. Связи между величиной прогиба, величиной нагрузки, толщиной плиты и упругими свойствами известны из теории упругости, которая как раз и возникла для описания таких сред как металлы.
     Теперь возьмем плиту из горной породы. При точно таком же ее нагружении также будет происходить ее прогиб. Однако в отличие от описанного случая нагружения стальной плиты, породная плита после снятия нагрузки не распрямится. И более того, с увеличением времени нагружения прогиб породной плиты будет увеличиваться. Дело в том, что если металлическая плита прогибалась вследствие своих упругих свойств, то прогиб породной плиты происходит за счет накопления микронарушенности⁴.
     Придя к выводу, что горные породы не подлежат рассмотрению с позиций теории упругости, мы уже, получается, не имеем права оперировать такими параметрами как горное давление и напряженное состояние. И сразу, надо сказать, как гора с плеч. Потому что нельзя в физике оперировать параметрами и характеристиками, не подлежащими метрологически корректным измерениям.
     В условиях слоистого массива горных пород (типа угленосной толщи при пологом залегании поверхностей напластования), вне ЗТН, давление на подземную выработку определяется строением пород кровли. Рассмотрим это на примере штрека в угольной шахте:
     При проходке штрека кровля, опиравшаяся раньше, до проходки, на угольный пласт, опору частично теряет. Она теперь опирается на оставшийся угольный пласт по бокам выработки и непосредственно на крепь выработки. Если кровля сложена достаточно мощным (относительно ширины штрека) слоем весьма прочной породы, то при этом образуется прочный мост, и опора на крепь будет минимальной. При уменьшении мощности нижнего породного слоя будет увеличиваться его прогиб, а следовательно, увеличиваться давление на крепь. Прогиб нижнего породного слоя является следствием его отслоения (отрыва) от вышележащих пород. А стало быть, теряют опору эти, вышележащие породы, и к ним пригодны те же рассуждения, которые мы сейчас применили к нижнему породному слою. И в зависимости от мощностей вышележащих породных слоев, давление на крепь будет определяться либо мощностью нижнего породного слоя, либо увеличиваться в соответствии с прогибом вышележащих слоев. В общем случае, давление на крепь со временем увеличивается, и это определяется распространением снизу вверх влияния штрека. Мощности породных слоев определяются местонахождением поверхностей ослабленного механического контакта (ОМК), по которым и происходит расслоение пород кровли. Как показано в работе [10], местонахождение поверхностей ОМК без труда выявляется методом ССП. И, таким образом, решается проблема оценки и прогноза надежности подземных выработок.
     Совсем иная ситуация возникает, если имеет место влияние ЗТН. Даже принципиально слоистая среда, каковой является угленосная толща, в условиях ЗТН ведет себя совершенно иначе. И подземная выработка, попавшая в эту зону, оказывается как бы между двух огней. С одной стороны, имеет место пониженная несущая способность почвы, и крепь, естественно, сразу же начинает в нее уходить. Остается без опоры породная масса, находящаяся в кровле выработки. Я специально породы кровли назвал породной массой, потому что, в условиях ЗТН, как только при проходке штрека будет извлечен уголь, породы кровли немедленно устремятся на его место. Тем более, что они не встретят сопротивления уходящей в почву крепи.
     Вообще-то здесь картина может быть и не столь однозначной. Во-первых, влияние ЗТН определяется параметрами самого нарушения, и возможно, оно будет сказываться не столь стремительно. А кроме того, неизвестно еще, что больше будет влиять на выработку - кровля или почва. Если почва сложена глинистыми породами, то возможно их выдавливание в штрек. Это так называемое пучение почвы. Явление это бывает очень грозным, и встречаются случаи, когда в течение смены породы почвы поднимаются до самой кровли.
     Здесь можно сказать с уверенностью одно - попадание подземной выработки в ЗТН не остается безнаказанным. Иногда эту зону удается преодолеть с небольшими потерями, а иногда при этом гибнут механизмы и даже люди. Естественно, что получив заранее информацию о том, что на пути выработки имеет место ЗТН, можно снизить ее влияние имеющимися в арсенале подземщиков средствами. Либо просто отказаться от ее пересечения.
     Если подземная выработка имеет стационарный характер - скажем, метрополитен или какое-то подземное предприятие, то и здесь следует первым делом выделить ЗТН и осуществить некоторые вполне определенные действия. В частности, все крепи, поддерживающие кровлю, в ЗТН не должны опираться на почву. То есть необходимо применять какие-то мостовые конструкции. Причем таким образом, чтобы их опоры находились за пределами ЗТН. Возможны и другие технологические решения, и выбор их определяется конкретной ситуацией.

14. О герметичности хранилищ

     Все, что производится на Земле, рано или поздно становится отходами, и неизбежно возникает проблема их переработки и захоронений. Токсичные отходы необходимо размещать в емкостях таким образом, чтобы предотвратить их распространение. Но вот беда в том, что надежных способов решить эту задачу, на сегодняшний день, не существует.
     Одним из широко применяемых методов захоронения является размещение захораниваемых субстанций непосредственно в земле, используя природную герметичность тех или иных геологических структур. Из рекомендуемых геологических условий известны мощные залежи глины, полости, оставшиеся после выемки залежей соли, полости, специально сделанные в кристаллических породах.
     Однако, как показывает практика, представления о степени герметичности этих структур, возникли чисто умозрительно, и каждый раз, при контроле методом ССП, приходится констатировать ошибочность этих представлений.
     К сожалению, вся информация об утечках из тех или иных хранилищ носит случайный характер, поскольку всяческий вред, наносимый экологии, в нашем государстве скрывается.

14-а. КРАСНЫЙ БОР

     Необходимость найти место для захоранивания высокотоксичных отходов химического производства возникла в начале 60-х годов. Одна из рекомендаций по поводу захоранивания подобных веществ заключается в том, что для отходов вредного производства могут быть использованы ямы, вырытые в мощных глинистых отложениях. Мощные (более 20 м) залежи кембрийских глин под Колпино (СПб) были использованы для этих целей. Там был создан полигон "Красный Бор", на территории которого были вырыты котлованы глубиной 10-12 м. В эти котлованы и сливались высокотоксичные продукты.
     Когда в 1995 году нам было заказано⁵ оконтуривание полигона методом ССП для выявления зон выноса вещества за пределы полигона, то, согласно российским открытым публикациям, не было, по идее, оснований для проведения этих исследований. В результате проведенных нами исследований, было выявлено несколько участков, в которых границы полигона пересекаются ЗТН. Результаты, полученные с помощью метода ССП, были продублированы и подтверждены радоновой съемкой и анализом грунтовых вод в зонах пересечения ЗТН. Правда, что именно попало в отчет - ГГП "Севзапгеология", нам неизвестно, поскольку полученные нами результаты Заказчику не понравились, и наш отчет Заказчиком был уничтожен, и полученная нами информация осталась только в публикациях [11, 12].
     В настоящее время на полигоне "Красный Бор", в общем, ситуация та же самая. Согласно общедоступным источникам информации, утечек захороненного вещества с территории полигона не зарегистрировано, по-прежнему в заражении окружающего пространства обвиняют водителей мусоровозов [13]. Что же касается реакции на наши публикации, то в работе [14] нас обвиняют в искажении фактов, поскольку, как считают уважаемые авторы этих работ, само наличие залежи кембрийской глины не позволяет делать предположение о какой-либо негерметичности котлованов.
     Тем не менее, в 2004 году нам было заказано (уже самим полигоном) повторное обследование этого объекта с помощью метода ССП. За прошедшие 9 лет существенно усовершенствовалась аппаратура ССП, углубилось наше понимание получаемых результатов, и повторное обследование территории полигона в общих чертах подтвердило результаты 9-летней давности.
     Эти результаты очень важны для всех тех случаев, когда мощные залежи глины используют для захоронения тех или иных продуктов. Главное здесь то, что и в пределах месторождения глины могут находиться ЗТН, и свойства их ничем не отличаются от тех ЗТН, которые пересекают любую другую территорию. Наличие ЗТН само по себе безусловно предполагает возможности выноса захороненных веществ за пределы захоронения, а также наличие протечек в глубинные горизонты независимо от состава пород.

14-б. Глубинные захоронения радиоактивных отходов

     Сейчас возникло мнение, что безопасное захоронение радиоактивных отходов можно обеспечить, разместив их в глубоких шахтах. Так, одно такое хранилище обустраивается в Техасе, на глубине порядка 1000 м, в шахтах, которые использовались ранее для осуществления подземных атомных взрывов. Одним из аргументов реализации этого проекта является то, что породы в шахтах оплавлены в результате этих взрывов, что, как предполагается, обеспечит герметичность хранилищ. Нечто подобное предполагается создать и в России. В соответствии с этими намерениями, сообщаю следующее:

1. Если какой-то участок подземной выработки оказывается в ЗТН, то разрушение этого участка произойдет неизбежно (см. раздел 13).
2. При этом, естественно, находящиеся в этой выработке жидкие или газообразные субстанции будут мигрировать по горным породам вдоль каналов повышенной проницаемости.
3. Направление миграции этих субстанций будет определяться геометрией ЗТН.
4. Чем глубже хранилище, тем обширнее будет зона заражения.

     ВЫВОД - для захоронения на больших глубинах необходимо из территории будущих хранилищ исключать ЗТН.
     Мы попытались эти рекомендации передать в США, для реализации их при строительстве их хранилища. Однако по их утверждению, перед строительством этого объекта были осуществлены инженерно-геофизические изыскания на сумму $17 млрд. И, стало быть, ни в каких рекомендациях больше не нуждаются.

14-в. Большеобъемные цистерны

     В хранилищах могут находиться не только отходы, но и разного рода топливные ресурсы. Например, жидкие и газообразные нефтепродукты. Весьма распространены для хранения, скажем, бензина, большеобъемные цистерны емкостью 2000 м3. Опросы показали, что большое количество этих цистерн, что называется, текут.
     В связи с этим хотелось бы поделиться результатами наших обследований блока из 8 таких цистерн, находящихся между поселками Озерки и Шувалово (Санкт-Петербург). Эти цистерны заполнены авиационным керосином, а площадка принадлежит заводу им. Климова, и служит для испытаний авиационных двигателей. Утечка керосина не превышает допустимых потерь и составляет всего... 100 тонн в сутки. Никто бы против этого не возражал, как нам сказали, но иностранные экологи аэро и космометодами обнаружили попадание этого керосина в водоемы. В результате нашего обследования методом ССП оказалось, что одна из цистерн находится в очень явственной ЗТН. И действительно, именно эта цистерна и течет. Однако к нашему заключению, что причина потери герметичности цистерны состоит в том, что под цистерной проходит ЗТН, Заказчик (экологическая организация) отнесся, мягко говоря, с юмором. По его словам, эту цистерну уже несколько раз заваривали, но она вновь теряет герметичность исключительно в силу низкой квалификации ремонтников.
     Не знаю, какова судьба этой цистерны, но уверен, что течь в ней будет появляться до тех пор, пока ее не переместят за пределы ЗТН.

15. О роли зон тектонических нарушений на месторождениях нефти

     Как известно, нефть под Оренбургом была открыта Губкиным, когда, находясь на берегу одной из речек, он обнаружил следы асфальта - продукта, который остается при возгонке нефти. Закономерно, что это произошло именно на берегу реки, то есть в ЗТН. В самом деле, как бы глубоко ни залегала нефть, в ЗТН ее пары поднимутся до дневной поверхности, что и проявится следами асфальта.
     С другой стороны, в пределах месторождения углеводородов не может быть ЗТН, поскольку нефть просто-напросто утечет в трещины в горных породах в этих зонах. В виде испарений она даст знать о себе на поверхности, но в основном она будет вытекать вниз, в трещины в кристаллических породах. То есть месторождение нефти самой Природой оконтурено зонами тектонических нарушений, за пределы которых нефть не проникнет. И в этом смысле, переоценить роль знания о ЗТН, оконтуривающих месторождение нефти, переоценить трудно.
     Влияние зон тектонических нарушений на месторождение сказывается уже на некотором расстоянии от них (от ЗТН). Нефтесодержащие породы находятся под большим давлением со стороны вмещающих пород. И поскольку на краях месторождения нефть выжимается в ЗТН, то оставшиеся без нефти губчатые породы сдавливаются вышележащими породами. Таким образом самой Природой обеспечивается герметичность резервуара с оставшейся нефтью. Но при этом происходят подвижки в вышележащих породах вблизи с ЗТН. А как мы помним, ССП-разрезы как раз и содержат информацию обо всех тех подвижках, которые когда-либо происходили в земной толще. В результате, изображения регистрируемых на ССП-разрезах ЗТН, ограничивающих месторождения нефти, оказались отличными от изображений тех ЗТН, которые не связаны с месторождениями нефти.

ССП-разрез по профилю, проходящему через нефтедобывающую скважину

Рис. 12

     На рис.12 показан участок ССП-разреза, полученного при профилировании через ЗТН, оконтуривающую месторождение нефти под Оренбургом. Два V-образных объекта - с центрами около 480-го и 550-го м от скважины - это тектонические нарушения, непосредственно оконтуривающие данное месторождение. А образующая, соседствующая с ближайшим к скважине V-образным объектом, которая выполаживается к 400-му м, возникла в результате подвижек, возникших при выжимании нефти на границе месторождения.
     Особое внимание при добыче нефти следует уделить тому, чтобы скважина не оказалась в ЗТН. Если это происходит, то скважина с самых первых метров проходки может оказаться в аварийной ситуации. Это обусловлено тем, что обсадные трубы скважины, находящейся в этой зоне, будут проваливаться. Я уж не говорю о том, что полноценного извлечения нефти не будет.
     Интересно, что из всей геофизики (исключая скважинную, естественно) на месторождениях углеводородов используют только сейсморазведку, которую, кстати, и используют главным образом для того, чтобы давать информацию о тектонических нарушениях. Однако сравнение результатов ССП и применяемой нефтяниками сейсморазведки показало, что в имеющихся у них материалах информация о ЗТН отсутствует. Аварийное же состояние скважин, оказавшихся в ЗТН, стараются объяснить чем угодно, но только не этим.

Заключение

     Важнейшим, пожалуй, выводом является то, что все перечисленные выше явления имеют глубинные причины, и влияние тектонических нарушений сказывается независимо от мощности осадочного чехла.
     По своему влиянию на жизнь нашей планеты и всех на ней живущих, ЗТН можно уподобить нашей кровеносной системе. Точно также как любые травмы, задевающие наши вены или артерии, могут иметь катастрофические для нашего организма последствия, так и воздействия на ЗТН могут вызвать катастрофы как местного, так и глобального характера.
     Заражение Земли при расползании по ее "кровеносным сосудам" токсичных веществ необратимо. По крайней мере, до тех пор, пока мы не научимся их прочищать и промывать.
     Размещение в ЗТН ответственных сооружений типа электростанций, насосных станций, очистных сооружений и т.п., - обязательно приведет к их разрушению, с соответствующими последствиями.
     Если учитывать влияние человеческой деятельности на здоровье планеты, то это отзовется благодарностью Земли к ее обитателям. Так, прекращение строительства жилых домов в ЗТН резко улучшит здоровье людей (прекратится губительное действие геопатогенных зон), снизит аварийность и увеличит срок службы этих домов. А кроме того, уменьшится аварийность домов в сейсмоактивных зонах.
     Понимание влияния ЗТН на наше благополучие рано или поздно приведет к пониманию необходимости картирования ЗТН на всей нашей планете.

Рейтинг публикации:

11

Комментарии (2) | Распечатать

Добавить новость в: