Оседание земной поверхности

При снижении пластового давления и  деформации продуктивного пласта возмущение передается по массиву вышележащих  горных пород до поверхности земли. Может иметь место, как наиболее общий случай, процесс послойной реакции на возмущение, т.е. послойного опускания массива горных пород. Оседание земной поверхности происходит с некоторым запаздыванием после деформации продуктивного пласта. Время запаздывания и возможность оседания земной поверхности зависят от размеров залежи, ее строения, глубины, петрофизических свойств массива горных пород. 

Данное явление, формирующееся  под влиянием интенсивного водоотбора, а также эксплуатации нефти и газа, известно уже давно и достаточно хорошо изучено во многих странах: СССР, Японии, США, Мексике, Италии, Нидерландах, Англии. Его описанию посвящены многочисленные работы советских и зарубежных исследователей. Оседание земной поверхности вызывается изменениями состояния как водовмещающих, так и разделяющих слоев. Снятие взвешивающего гидростатического давления воды приводит к увеличению сил тяжести и возрастанию эффективного давления слоев, что вызывает уплотнение рыхлых пород и приводит к оседанию земной поверхности. 

Интенсивная эксплуатация подземных  вод приводит к оседанию поверхности  земли, обусловленному снижением напоров  подземных вод в продуктивных водоносных горизонтах, вызывающему  увеличение напряжений в массиве  пород. Размеры депрессионных воронок  могут достигать сотен и тысяч  квадратных километров при понижении  напора в их центре до сотен метров, в результате чего образуются массивы  пород, избыточное напряжение в которых  может достигать большой величины, приводящей к уплотнению горных пород. Динамика развития возможного оседания земной поверхности при водопонижении зависит от ряда факторов: интенсивности водоотбора, величины снижения напоров, геологического строения и морфологии района, мощности и состава уплотняемых пород и их физико-механических свойств, степени первичной консолидации пород. Наиболее интенсивны оседания при снижении давлений в молодых несцементированных или полусцементированных, недоуплотненных отложениях с большой пористостью. Наиболее благоприятные условия для развития рассматриваемого процесса создаются при переслаивании хорошо проницаемых и малосжимаемых водоносных горизонтов или комплексов, из которых осуществляется водоотбор, с сильносжимаемыми высокопористыми глинистыми разделяющими пластами. 

Заслуживают внимания оценки В.И. Петренко [236] причин техногенных землетрясений, которые он связывает с оседаниями земной поверхности. Прежде всего, оседания поверхности земли соотносятся  не только со снижением давления в  залежи, но и с эмиграцией флюидов  из неколлекторов. Для Северо-Ставропольского месторождения были сопоставлены фактические темпы и величины оседания земной поверхности с теоретически возможными при учете сжатия только пород - коллекторов. Фактические величины в 3 3 раза превосходят теоретические, что свидетельствует о значительном сжатии слабопроницаемых пород после эмиграции из них флюидов. Расчеты показывают, что в газоконденсатных месторождениях с часто чередующимися продуктивными и непродуктивными пластами при снижении пластового давления в процесс дренирования вовлекаются большие объемы непроницаемых разделов.

Характер деформаций земной поверхности  определяется особенностями процесса сдвижения всей толщи горных пород, находящихся над выработками. Для  расчета трубопроводов практическое значение имеет деформация верхнего слоя земной поверхности, ограниченного  глубиной укладки трубопровода. Район  земной поверхности, подверженный влиянию  горных разработок, образует мульду сдвижения, представляющую собой определенный участок, в котором происходит оседание земной поверхности. При горизонтальном залегании пластов полезных ископаемых, что встречается редко, образуется симметричная мульда сдвижения относительно выработанного пространства, а при наклонном залегании мульда сдвижения смещается от выработки в сторону падения пласта. При выемке полезных ископаемых, вышележащие породы приходят в движение и начинают перемещаться к центру образовавшейся пустоты. В результате на поверхности земли в мульде сдвижения происходят довольно сложные деформации. 

Под влиянием горных разработок происходят существенные изменения природных  ландшафтов. В районах добычи полезных ископаемых образуется специфический  рельеф, представленный карьерами, терриконами, отвалами, хвостохранилищами и другими техногенными образованиями. При подземном способе добычи происходит снижение массива горных пород в сторону вырабатываемого пространства, образуются трещины, разрывы, провалы, воронки и оседания земной поверхности, на больших глубинах в горных выработках проявляются горные удары, выбросы и лучения пород, выделение метана, сероводорода и других токсичных газов, внезапные прорывы подземных вод, особенно опасные в карстовых районах и в зонах крупных разломов. При открытом способе отработки месторождений полезных ископаемых развиваются оползни, осыпи, обвалы, сели и другие экзогенные геологические процессы. 

В действующем в настоящее время  определении не учитываются экологические  аспекты эксплуатации подземных  вод и возможное влияние их отбора на изменение окружающей среды. Отбор подземных вод водозаборными  сооружениями может вызывать изменение  гидрогеологических условий, которое, в свою очередь, приводит к изменениям отдельных компонентов природной  среды, причем эти изменения могут  иметь как негативный, так и  позитивный характер. К основным негативным последствиям относятся: сокращение водности поверхностных водотоков и водоемов, изменение природных ландшафтов ( угнетение или гибель растительности), оседание земной поверхности, активизация карстово-суффрозионных процессов. 

Эксплуатация глубоких шахтных  стволов, пройденных через водоносные. И, как это не покажется парадоксальным на первый взгляд, такие деформации нередко возникают по мере того, как ни шахтном поле проводится снижение напоров в водоносных слоях, призванное обеспечить нормальные условия функционирования горных выработок. Согласно ему, снижение напоров подземных вод приводит к росту эффективных напряжений и к сжатию толщи горных пород, которое, кстати, хорошо фиксируется по оседанию земной поверхности в зоне влияния водопонижения. Жесткая же крепь ствола оказывается неспособной выдержать большие деформации продольного сжатия без разрушения. 

По мере подвигания очистного забоя величина и характер проявления горного давления меняются. Это обусловлено изменением состава и свойств горных пород по падению и простиранию, а также процессами перераспределения напряжений в массиве при выемке полезного ископаемого. Кроме того, периодические повышения давления связаны с нарастанием размера консоли необрушившейся основной кровли до момента ее обрушения, а также с раскрытием свода временного равновесия, образующегося над выработанным пространством, и интенсивным оседанием земной поверхности над ним. 

Эта наука, как известно, обеспечивает горное дело исходными данными для  эффективной эксплуатации богатств земных недр и для инженерного  осуществления самих горных работ, проходки горных выработок. Изученный  геологический разрез и детальные  геологические карты используются, в частности, с целью квалифицированного управления горными разработками, обеспечивающего  устойчивость подземных выработок. Вместе с тем геологические данные позволяют на стадии проектирования горнодобывающего предприятия, выбрав систему подземной отработки  месторождения, например с обрушением кровли, и зная закономерности горного  давления, прогнозировать размеры и  характер сдвижения пород, разрывность или пластичность оседаний земной поверхности, а следовательно, и предусматривать в проектах горных предприятий соответствующие работы по восстановлению земель, предопределяя при этом вид рекультивации, объем работ и затраты средств. 

При снижении пластового давления и  деформации продуктивного пласта возмущение передается по массиву вышележащих  горных пород до поверхности земли. Может иметь место, как наиболее общий случай, процесс послойной  реакции на возмущение, т.е. послойного опускания массива горных пород. Оседание земной поверхности происходит с некоторым запаздыванием после  деформации продуктивного пласта. Время  запаздывания и возможность оседания земной поверхности зависят от размеров залежи, ее строения, глубины, петрофизических свойств массива горных пород. 

В процессе работы над проектом учитывается  взаимосвязь работы отдельных звеньев  рассматриваемой системы в течение  всего периода разработки. Расположение и условия работы скважин увязаны  с работой коллекторов, компрессорных  станций УКПГ, УППГ и групповых  пунктов сбора. Например, местоположение дожимных компрессорных станций  определяется в зависимости от конфигурации газосборной сети и расположения групповых пунктов и установок  по осушке. Расположение этих сооружений выбирается в зависимости от дебитов, расположения скважин и наличия  тектонических нарушений и учета оседания земной поверхности. Например, применение энергосберегающих дебитов и опережающий ввод скважин в эксплуатацию могут не только улучшить условия их эксплуатации и работы пласта, но при этом значительно сократить расходы на сооружение дожимных компрессорных станций. 

Несмотря на огромный интерес к  проблеме АВПД широкого круга специалистов - геологов, геофизиков, геохимиков и  инженеров, занимающихся поисками, разведкой и разработкой Нефтяных и газовых месторождений, очень мало внимания до сих пор уделяется изучению АВПД с точки зрения охраны окружающей среды, хотя огромное значение АВПД в этом аспекте очевидно. Неожиданное вскрытие зон АВПД - основная причина открытых нефтяных фонтанов и выбросов, что приводит к загрязнению окружающей среды, большим материальным затратам, а часто и к человеческим жертвам. Наличие АВПД в продуктивных интервалах нефтяных и газовых месторождений цри их разработке в большинстве случаев является основной причиной значительного оседания земной поверхности в районах расположения эксплуатируемых месторождений, а иногда приводит и к возникновению землетрясений. 

Данное явление, формирующееся  под влиянием интенсивного водоотбора, а также эксплуатации нефти и газа, известно уже давно и достаточно хорошо изучено во многих странах: СССР, Японии, США, Мексике, Италии, Нидерландах, Англии. Его описанию посвящены многочисленные работы советских и зарубежных исследователей. Оседание земной поверхности вызывается изменениями состояния как водовмещающих, так и разделяющих слоев. Снятие взвешивающего гидростатического давления воды приводит к увеличению сил тяжести и возрастанию эффективного давления слоев, что вызывает уплотнение рыхлых пород и приводит к оседанию земной поверхности. 

При эксплуатации газовых скважин  с высоким дебитом может происходить  разрушение призабойной зоны. До начала разбуривания залежь находится в упругонапряженном состоянии. При входе долота в пласт в призабойной зоне в радиусе до 5 диаметров ствола забоя создается концентрация напряжений, приводящая к изменению первоначального напряженного состояния. Это может приводить из-за упругих и сдвиговых деформаций к снижению ( иногда на порядок) проницаемости и прочности призабойной зоны. В процессе разработки растет разность между горным и пластовым давлением, что усиливает деформационные процессы сдвигового характера, приводящие к разрушению призабойной зоны пласта.