Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование рациональных параметров технологии разработки каменной соли на месторождениях купольного типа

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование рациональных параметров технологии разработки каменной соли на месторождениях купольного типа"

На правах рукописи

МОЗЕР Сергей Петрович

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ КАМЕННОЙ СОЛИ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ КУПОЛЬНОГО ТИПА

Специальность 25,00.22 - Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2004

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научные руководители:

Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор

Юрий Дмитриевич Дядькин

доктор технических наук, профессор

Олег Владимирович Ковалев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Владимир Михайлович Шик,

кандидат технических наук

Евгений Павлович Каратыгин

Ведущая организация — ОАО «ВНИИГалургии».

Защита диссертации состоится 11 июня 2004 г. в 16 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. № 1303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан. 5 мая.2004 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ^

диссертационного совета Уф^^ч

д.т.н., профессор ' Э^ИГ.ШГГСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Метод подземного растворения солей через буровые скважины с поверхности земли начал промышленно применяться с 60-ых годов XX века и получил широкое распространение во всем мире. Данная технология применяется для отработки практически любых типов месторождений: по форме залегания от пластовых до штоковых; от пластов средней мощности (2-ъ5 м)до весьма мощных (более 500 м), глубина залегания которых варьируется в пределах от 100 м до 3 000 км. Камеры растворения в отложениях каменной соли используются в качестве резервуаров для хранения углеводородов, а также для захоронения различных типов отходов.

Основной особенностью месторождений купольного типа является незначительное распространение их по площади и значительные размеры относительно однородного, геологически выдержанного рудного тела в глубину. Например, площадь Илецкого соляного купола, представляющего собой в плане форму эллипса на глубине 100 м составляет 2 км2, а на глубине 2,6 км по геофизическим данным площадь составляет 24 км2 (при этом запасы месторождения составляют более 3 млрд. тонн). Огромные ресурсы месторождений купольного типа в настоящее время используются недостаточно эффективно, так как при отработке их запасов шахтным способом даже на незначительных глубинах максимальный коэффициент извлечения составляет 0,25. Это свидетельствует о перспективности отработки таких месторождений технологией подземного растворения, позволяющей достигнуть величин коэффициента извлечения до 0,4 при глубинах разработки, превышающих несколько километров.

Большой вклад в теорию и практику разработки соляных месторождений, включая вопросы устойчивости выработок в отложениях каменной соли, технологические аспекты ее добычи с применением различных технологий внесли следующие отечественные, а также зарубежные специалисты и ученые: Алексеенко А.Г., Арене В.Ж., Бельды М.П., Березин Ф.И., Бобко П.С., Гофман-Захаров И.М., Джессен Ф., Догару М., Дудко П.М., Дурье Р., Дядькин Ю.Д., Ержанов Ж.С., Ильин В.П., Каземи X., Каратыгин Е.П., Ковалёв О.В., Кошин А.Г., Крайнев Б.А., Кубланов А.В., Кулле П.А., Однопозов В.Л., Пермяков Р.С., Подопригора В.П., Поздняков А.Г., Проскуряков Н.М., Романов B.C.,

Г <»ос нац((6йлльна5 | з I библиотека I

J С. Петербург UCQ |

• OS ТОО ^ЫОо J

Толстунов С.А., Тремп Э., Удалов А.Е., Федоров Б.Н., Хчеян Г.Х., Шафаренко Е.М. и др.

Сложность геологического строения ряда месторождений и значительные их глубины вызывают необходимость создания методов прогноза геомеханических и технологических параметров камер. Особенно это актуально на месторождениях купольного типа, для которых методики расчёта рациональных параметров технологии подземного растворения недостаточно обоснованы.

Актуальность темы диссертации подтверждается её соответствием плану НИР СПГГИ(ТУ) по основным научным направлениям (грант администрации Санкт-Петербрга ЗОГМ).

Цель работы: обоснование параметров технологии подземного растворения соли при отработке запасов месторождений купольного типа для обеспечения экономичности, надежности и безопасности ведения горно-технологических работ.

Идея работы: освоение ресурсов месторождений купольного типа на основе использования шахтного способа, метода подземного растворения или их комбинации должно осуществляться системами разработки, параметры которых определяются по установленным закономерностям, обеспечивающим повышение технологических, технико-экономических и социальных показателей.

Основные задачи исследований:

1. Исследовать закономерности деформирования и разработать критерии оценки устойчивости конструктивных элементов камер подземного растворения в конкретных горно-геологических условиях, обеспечивающих безаварийность работы рассолопромысла на стадиях строительства, эксплуатации и вторичного использования горных выработок.

2. Усовершенствовать методику расчета конструктивных элементов системы разработки и технологических параметров для обоснования рациональных технологических схем отработки каменной соли камерами растворения с учетом допустимых оседаний земной поверхности.

3. Разработать алгоритм взаимосвязи геомеханических и технологических параметров камер растворения на этапах подготовки, эксплуатации и вторичного использования в качестве подземных хранилищ.

Методы исследований. При выполнении работы использовался комплексный метод исследований, включавший: анализ и обобщение данных;приведенных в горнотехнической литературе;

изучение специфики горно-геологических и горнотехнических условий разработки месторождений купольного типа; шахтные наблюдения за проявлениями горного давления в зонах влияния очистных работ; изучение и анализ существующих технологических схем отработки запасов методом растворения с применением скважин; использование методов математической статистики; экспериментально-аналитические исследования влияния

горнотехнических факторов на параметры камер.

Научная новизна работы:

- установлены закономерности формирования напряженно -деформированного состояния водозащитной толщи при переходе с шахтного на геотехнологический способ отработки залежей;

- установлено, что при заложении камер рассолопромыслов наиболее значимым фактором является глубина ведения работ, которая функционально определяет мощность водозащитной толщи и другие параметры: диаметр и высоту камер, а также размеры междукамерных целиков и междуэтажных потолочин.

Научные положения, защищаемые в работе:

1. Добыча соли с применением шахтной технологии рациональна до глубины, определяемой величиной коэффициента извлечения полезного ископаемого, функционально зависящего от устойчивости несущих элементов соляного массива по фактору непревышения предельно допустимых деформаций.

2. При отработке запасов месторождений купольного типа мощность водозащитной толщи необходимо определять с учетом пролета камер, их суммарной высоты, глубины заложения и размеров междукамерных целиков.

3. Выбор и обоснование параметров системы разработки при использовании метода подземного растворения солей на месторождениях купольного типа необходимо осуществлять по разработанному алгоритму расчёта, основанному на установленной взаимосвязи технологических параметров и конструктивных элементов системы разработки.

Практическая ценность работы:

- разработана методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния элементов системы разработки соляного массива при отработке месторождений солянокупольного типа рудниками, подземным растворением и комплексным методом;

- разработаны инженерные методики для расчета устойчивых состояний ответственных элементов массива при использовании метода подземного растворения;

разработаны и запатентованы способы управления растворением стенки подземной камеры, а также контроля параметров данного процесса.

Достоверность научных положений,_выводов и

рекомендаций определяется использованием результатов натурных экспериментов при разработке и корректировке горно-геомеханических моделей изучаемых объектов, корректностью применяемого математического аппарата, достаточным уровнем сходимости расчетных и экспериментальных данных, определяющих основные параметры элементов системы разработки, сопоставимостью выводов и рекомендаций с теоретическим и практическими результатами исследований других авторов.

Реализация результатов работы. Выводы и рекомендации приняты институтами ВНИМИ и ВНИИГалургии для использования при выполнении научно-исследовательских и проектных работ в области технологии подземного растворения.

Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований, выполнены, проанализированы и обобщены результаты шахтных и аналитических исследований, разработаны рекомендации по реализации результатов работы.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых и студентов СПГГИ (ТУ) имени Г.В. Плеханова "Полезные ископаемые России и их освоение" (Санкт-Петербург, 2000-2004 гг.); 13-й Зимней школе по механике сплошных сред (Институт механики сплошных сред, УрО РАН, Пермь, 2003г.); Политехническом симпозиуме "Молодые ученые -промышленности Северо-Западного региона" (Санкт-Петербург, 2003 г.); конференции "Инженерное искусство в развитии цивилизации" (Пенза, 2004г.), на заседаниях кафедры "Разработки месторождений подземным способом" СПГГИ (ТУ).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 13 публикациях. Новые технические решения, созданные в процессе выполнения работы, защищены 4-мя патентами РФ на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 173 страницах текста,

содержит 10 таблиц, 75 рисунков и библиографический список из 107 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы, обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель, задачи, основные защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проанализированы геологические и горнотехнические условия отработки запасов месторождений каменной соли купольного типа, сделан обзор методов расчета параметров различных технологий подземной разработки месторождений минеральных солей, выделены методические особенности расчета параметров технологических схем, сформулированы проблемы отработки запасов месторождений шахтным способом и методом подземного растворения через скважины.

Во второй главе произведен анализ и теоретическое обобщение параметров технологических схем отработки месторождений каменной соли методом подземного растворения.

В третьей главе на базе усовершенствованной методики расчета производится исследование напряженно-деформированного состояния соляного массива при его техногенном возмущении - камерами растворения.

В четвертой главе на основании обобщения результатов исследований разработан алгоритм расчета рациональных технологических схем отработки запасов каменной соли методом подземного растворения в условиях месторождений купольного типа.

В пятой главе произведен анализ известных методов управления процессом растворения и контроля его параметров, а также предложены новые технические решения, позволяющие повысить эффективность отработки месторождений купольного типа способом подземного растворения.

В заключении содержатся основные выводы и результаты работы, выполненные в соответствии с поставленными задачами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЯХ:

1. Добыча соли с применением шахтной технологии рациональна до глубины, определяемой величиной коэффициента извлечения полезного ископаемого, функционально зависящего от устойчивости несущих элементов соляного массива по фактору непревышения предельно допустимых деформаций.

Основной особенностью разработки минеральных солей является их легкая растворимость в воде, а, следовательно, необходимость сохранности сплошности покрывающей толщи. Эта особенность определяет, с одной стороны, возможность добычи солей подземным растворением, а с другой определяет главное требование при шахтной отработке - недопущение проникновения подземных вод в горные выработки, так как это неизменно влечёт за собой потерю действующего предприятия и запасов месторождения.

При отработке мощных залежей солей, например, на руднике № 2 Илецкого месторождения, размеры камер весьма значительны (ширина 30 м, высота 30 м, длина - до 400 м). В таких условиях кроме параметров целиков и камер большое влияние на устойчивость элементов массива оказывают мощности соляных потолочин: как межгоризонтной, так и водозащитной. Так, при значительной мощности однородной потолочины, возможно изменение деформационных характеристик целиков без нарушения их сплошности и "уход" целиков из под нагрузки.

При выполнении данной работы проанализированы различные методики: труды ВНИИСТа, ВНИИПромгаза, ВНИИГа, ЛГИ, а также некоторые другие.

Критерием устойчивого состояния целиков обычно принимается условие непревышения расчетных нагрузок пределу прочности породы на сжатие при наличии определённого запаса прочности. Ширина камеры фактически определяется двумя параметрами: мощностью несущего слоя и условиями его пригружения. Определение этих параметров на практике весьма затруднительно.

Во всех рассмотренных методиках не учитывается связь напряженно-деформированного состояния целика и условно выделенных несущих слоев с окружающим массивом. Никак не отражено влияние горизонтальных (нормальных) и касательных компонент тензора напряжений, характеристик объёмного

напряженного состояния горных пород, величины которых в определённых условиях также могут оказаться выше предельных.

В таких условиях устойчивость потолочин будет определяться не их собственным весом, а суммарным влиянием геометрии всех выработанных пространств и соотношением свойств слагающих массив горных пород. Расчет таких потолочин может вестись только на базе методов механики сплошной среды, причем не аналитическими, а экспериментально-аналитическими методами.

Илецкое месторождение планировалось отрабатывать рудником до глубины 650 метров камерной системой с параметрами (рекомендации ВНИИСоль), обеспечивающими коэффициент извлечения соли при этом от 0,194 на горизонте - 360 м до 0,125 на горизонте - 575 м. Однако, горно-геомеханические исследования состояния потолочины, проведенные в СПГТИ(ТУ) свидетельствуют, что даже на глубине 300 м её мощность в 25 м будет недостаточна для предотвращения её расслоения от нагрузок, которые передаются на неё от целиков верхнего и нижнего горизонтов и обуславливают наличие деформаций вертикального расслоения (бу > 0). Проведённые расчеты показали, что размеры данного ответственного элемента массива должны быть увеличены на 30-ь 100 %. Значительная часть целиков шириной 25 м (при высоте камер 30 м) в центральной части шахтного поля в настоящее время частично разрушена. Глубина вывалов из целиков (по натурным данным) достигает 3-^5 м, что уменьшает ширину целика с 25 до м. По данным ВНИИСоль проектный коэффициент извлечения для глубин от 400 м до 750 м (рудник №2 Илецкого месторождения) соответственно составляет от 0,25 до 0,11 (рис. 1).

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что уменьшение коэффициента извлечения полезного ископаемого при шахтном способе разработки минеральных солей с глубиной, особенно в рудных телах большой мощности, свидетельствует о том, что запроектированные величины извлечения не могут быть достигнуты, в связи с чем становится перспективным применение метода подземного растворения при отработке таких месторождений на больших глубинах, в том числе и при наличии на вышерасположенных горизонтах подземных горных выработок (очистных камер рудников).

<е

Я 830

м»

X

g 730

vo

| 630

«

e.

5 530 |>430

u 0,11 0,13 0,15 0,17 0,19 0,21 Коэффициент извлечения к

Рис 1. Зависимость коэффициента извлечения соли от глубины для Илецкого месторождения (ВНИИСоль)

Обобщение проанализированного материала по применению методик определения несущей способности целиков и устойчивости кровли камер при отработке соли шахтным способом, позволяет сделать вывод о том, что указанные методики не отражают всего многообразия факторов, влияющих на ответственные элементы массива. На сегодняшний день отсутствуют методики, позволяющие учесть взаимовлияние вышележащих отработанных горизонтов и проектируемых камер подземного растворения, а также обосновать безопасные параметры комплексной технологии отработки месторождений купольного типа.

2.При отработке запасов месторождений купольного типа мощность водозащитной толщи необходимо определять с учетом пролета камер, их суммарной высоты, глубины заложения и размеров междукамерных целиков.

Анализ и обобщение опыта работы рассолопромыслов позволил сделать следующие выводы:

1) Выбранные унифицированные параметры системы разработки (диаметр камер не более 150 м, размеры целиков

10

справедливы только при слоистом строении вмещающей соленосной толщи и глубинах разработки до 2000 м; при наличии однородных изотропных массивов рациональные значения указанных параметров могут изменяться в большую и меньшую сторону как на действующих глубинах разработки, так и при их увеличении до 3 км.

2) Горно-геомеханическое обоснование параметров системы разработки требует дальнейшего совершенствования, в частности, более полного учета факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние массива горных пород и особенно учета влияния существующих и проектируемых выработанных пространств.

3) Необходим новый критерий выбора устойчивости камер растворения, возводимых в мощных отложениях каменной соли на большой глубине.

Анализ механического состояния подрабатываемых массивов требует данных о полях вектора перемещений (3;) и тензоров напряжений (сту), деформаций (еу) не только при варьировании технологических условий подработки, но и наличия информации о тех же полях в "невозмущённом" массиве (без подработки). Отмеченные обстоятельства учтены при разработке конкретных горно-геомеханических моделей и соответствующих им расчетных схем (рис. 2). В качестве граничных, для изучаемой весомой ("тяжелой") полуплоскости, приняты статические условия, отвечающие уровню нагрузок на глубинах расположения исследуемых ответственных элементов систем разработки.

После расчёта числовых полей параметров напряжённо-деформированного состояния вмещающего массива была построена графическая интерпретация данных полей в едином масштабе.

Геометрические требования к горно-геомеханическим моделям и расчетным схемам учтены при их построении таким образом, чтобы оценка напряжённо-деформированного состояния массива горных пород при ведении горных работ осуществлялась только при рассмотрении "в целом необходимого объёма массива" (с учетом фактора "краевого эффекта" на исследуемые в моделях зоны массива).

В камерах растворения моделировалось противодавление, равное весу "столба" жидкости представленной: насыщенным рассолом, кондиционным рассолом и обычной водой. Данные

параметры принимались исходя из возможных соответствующих технологических этапов работы рассолопромысла: консервация камер, обычный режим размыва, аварийный режим "промывки" колонн при их "закупорке" кристализовавшейся солью.

Рис. 2. Горно-геомеханическая модель для варианта отработки запасов месторождения купольного типа комплексным методом

При моделировании напряженно-деформированного состояния соляного массива варьировались следующие параметры в приведённых расчётных схемах: глубина заложения верхнего горизонта камер (различная мощность потолочины до поверхности) (от 350 м до 3350 м с шагом 500); пролёт камер при констатированной ширине целиков (от 50 м до 200 м с шагом 50); ширина междукамерных целиков для констатированных пролётов камер (от 50 м до 500 м с шагом 50); высота камер при констатированных: ее пролете и ширине междукамерного целика (100 м; 300 м; 500 м; 1000 м; 3000 м); наличие одного и более горизонтов выщелачивания с определёнными параметрами, разделенных межгоризонтными потолочинами различной мощности (моделировались мощности потолочин от 50 м до 500 м с шагом 50). Исследовался также характер изменения напряженно-деформированного состояния массива при наличии в нем выработок

рудника № 2 (с параметрами, соответствующими практическим данным) после его подработки камерами растворения, параметры которых констатировались при изменении мощности потолочины (разделяющей шахтную отработку и метод подземного растворения при комплексном способе отработки).

В соответствии с разработанными горно-геомеханическими моделями и расчетными схемами, а также принятым методом оценки напряженно-деформированного состояния пород подрабатываемых толщ были рассчитаны все необходимые для решения поставленных задач компоненты тензоров напряжений щ, деформаций £,} и вектора перемещений 5,. Выявлены закономерности деформирования соляного массива при различных пространственных схемах отработки запасов комплексной технологией (шахтный способ и метод подземного растворения), шахтным способом (камерная система разработки) и технологией подземного растворения.

Обобщение результатов моделирования позволило сделать следующие выводы:

- результаты моделирования при наличии только выработок рудника достаточно соответствуют выводам других авторов (ВНИМИ, ВНИИСТ, ВНИИГалургии и др.) в части оценок напряженно деформированного состояния междукамерных целиков;

- наличие над камерами растворения выработок рудников существенно влияет на распределение напряжений (деформаций) в массиве, окружающем данные выработки, а также на состояние водозащитной толщи между рудником и поверхностью (водоносными горизонтами), что требует проведения специальных мероприятий (например, закладку выработанных пространств рудника или др.), которые позволят гарантировать безопасное растворение соли на нижерасположенных горизонтах; следовательно, использование комплексной технологии возможно только по специальному проекту, в котором должны учитываться конкретные данные о количестве горизонтов рудника, параметры системы разработки, мощность водозащитной потолочины, физико-механические свойства всех элементов массива, планируемых параметрах камер растворения и т.д.; параметры камер подземного растворения в таком проекте могут обосновываться с помощью предложенной методики и в первую очередь, будут определяться состоянием массива, в котором расположены выработки рудника;

- напряженно-деформированное состояние водозащитной толщи при использовании только способа подземного растворения определяется ее мощностью, пролетом камер, шириной междукамерных целиков и количеством горизонтов отработки (суммарной высотой всех камер и суммарной мощностью междуэтажных потолочин).

Анализ результатов численного эксперимента позволил выделить критерии оценки устойчивости конструктивных элементов камер подземного растворения с учетом горно-геологических условий их заложения, позволяющие обеспечивать безаварийность работы рассолопромысла на стадиях строительства, эксплуатации и вторичного использования горных выработок.

Анализ и теоретическое обобщение результатов моделирования позволило выявить характерные "зоны" в исследуемом массиве. Для ответственных элементов массива получены зависимости, определяющие критериальные параметры в данных "зонах" в функции различных аргументов (параметров рассматриваемых систем разработки).

(а + 20)еи'нпо' г 1Я „ Л

^гормкц ~ -* [еР]/1п(к21) (1)

.. а. па Нътг

N = -\п-<-231--(2)

Ь Явзт 2ЯК - ШМЭП

где Егормкц - горизонтальные деформации в междукамерном целике; Н - глубина ведения работ, Н=300-ъ3500 м; а — пролет камеры, а=50-ь300 м; Ь - ширина междукамерного целика, Ь=50-ь500 м; 1: -время отработки одной камеры, 1=10-5-50 лет; [бр] — величина предельных растягивающих деформаций, [ер]=0,0165 (ВНИИГ); к1 -размерный коэффициент (к|=Иц"'); - размерный коэффициент (к1=1 лет"1); N - безразмерный критериальный параметр; п -количество камер в линии на горизонте, 11=1-4-50; Нвзт - мощность водозащитной толщи, Нвзт=50^1500 м; ЕНК - суммарная высота камер в "гирлянде", Нк=100-5-400 м; £НМЭП — суммарная мощность междуэтажных потолочин в гирлянде, Нмэп =50-4-350 м; выражение справедливо при выполнении неравенства Н«>НМэп.

Разработанные инженерные зависимости позволяют оценить устойчивость ответственных элементов массива в функции технологических параметров применяемой системы разработки при корреляционном отношении т »0,85 и коэффициенте надежности ц«3,5.

3. Выбор и обоснование параметров системы разработки при использовании метода подземного растворения солей на месторождениях купольного типа необходимо осуществлять по разработанному алгоритму расчёта, основанному на установленной взаимосвязи технологических параметров и конструктивных элементов системы разработки.

Анализ различных технологических схем подземного растворения, обобщение опыта размыва камер в минеральных солях, а также результаты экспериментально-аналитических исследований, позволили установить взаимосвязь закономерностей, описывающих состояние элементов массива и составить алгоритм выбора параметров технологии подземного растворения при отработке солянокупольных месторождений (рис. 3).

В алгоритме отражена последовательность принятия решений при проектировании отработки месторождений купольного типа и расчета параметров рассматриваемых технологических схем: на первом этапе определяется глубина заложения почвы нижних камер (по зависимости между сроком службы предприятия,. его производственной мощностью и утвержденными балансовыми запасами); по технологическим соображениям рассчитывается предварительная сетка скважин подземного растворения (целочисленное деление размеров купола в плане на сумму диаметра камеры и ширины междукамерного целика - а+К); затем ведется выбор и расчет параметров технологических схем с учетом проекта вторичного использования камер (высота и пролет камер, ширина междукамерного целика, мощность водозащиты и междуэтажных потолочин); после чего методом итераций (увеличение Ь при a+b=const) обеспечивается выполнение неравенства (1); также методом итераций обеспечивается выполнение неравенства (2) путем увеличения Ь (при а+Ь=соп81;) или изменением высоты элементов системы разработки Нвзт, Нкам, Нмэп (увеличение мощности водозащиты или мощности междуэтажных потолочин при неизменной суммарной высоте "гирлянды" камер); обоснование технологических схем размыва подготовительных и эксплуатационных выработок; определение необходимости и способов интенсификации процесса растворения; выбор методов контроля параметров камер и, в заключении, - расчет технико-экономических показателей различных технологий и принятие окончательного решения на базе их сравнения.

отработке месторождений купольного типа

Проведенный анализ особенностей подземного растворения соли на месторождениях купольного типа (большие высота и пролет камер) позволил разработать и запатентовать ряд способов интенсификации процесса растворения и контроля параметров данной технологии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу, содержащую решение актуальной задачи по разработке методики выбора рациональных параметров способа подземного растворения применительно к глубоким горизонтам месторождений купольного типа, а также рекомендациям по выбору способов интенсификации процесса растворения и контроля его параметров.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. На основании анализа и обобщения опыта отработки и эксплуатации аналогичных месторождений доказано, что рациональная отработка Илецкого месторождения купольного типа шахтным способом возможна до глубин порядка 400 м, при обеспечении коэффициента извлечения в пределах горизонтов -130 и -300 м около 0,15.

Для данных глубин обоснованы рациональные параметры шахтного способа отработки запасов, определяемые особенностями геологического строения таких месторождений и условиями их эксплуатации на современном уровне.

2. Выявлены закономерности деформирования соляного массива при различных пространственных схемах отработки запасов комплексной технологией, шахтным способом и способом подземного растворения. Создана геомеханическая модель и предложена методика расчёта напряженно-деформированного состояния соляного массива для произвольной геометрии выработанных пространств и технологий его отработки. На базе методов граничных элементов в постановке плоскодеформированного состояния смоделирован соляной массив при различных технологических параметрах отработки запасов в пределах Илецкого купола. Получены численные значения компонентов тензоров напряжений (ац) и деформаций (ед), а также вектора перемещений; построена их графическая интерпретация.

3. Анализ результатов численного эксперимента позволил выделить критерии оценки устойчивости конструктивных элементов камер подземного растворения (по фактору > 0) с учетом горногеологических условий их заложения, что обеспечит безаварийность работы рассолопромысла на стадиях строительства, эксплуатации и вторичного использования горных выработок. Выявлен характер изменения критериальных параметров в функции изменения высоты камер, их пролета, ширины междукамерного целика, мощности межгоризонтных потолочин и суммарной мощности отрабатывамой части залежи.

4. Обобщение результатов моделирования параметров напряженно-деформированного состояния ответственных элементов соляного массива позволило получить зависимости для расчета геометрии конструктивных элементов системы разработки (высота камер, сетка буровых скважин, пролеты камер, способы "сбойки" и технологии размыва, ширина междукамерных целиков, мощность межгоризонтных потолочин и т.д.) и рациональных параметров технологических схем растворения каменных солей. Обоснован порядок отработки месторождений купольного типа, рациональные глубины заложения подошвы нижних камер при многогоризонтной схеме растворения, порядок отработки камер на горизонте.

5. Установлены закономерности, определяющие интенсификацию процесса растворения, и разработаны способы управления данным процессом при размыве "высоких" (до 300 м) камер в соляных куполах. Предложен алгоритм выбора (расчета) геомеханических и технологических параметров камер растворения на этапах подготовки, эксплуатации, а также их вторичного использования в качестве "подземных резервуаров". Разработаны и запатентованы способы интенсификации процесса размыва и контроля технологических параметров данного процесса.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОСВЕЩЕНЫВРАБОТАХ:

1. Анализ процессов подземного растворения каменной соли и параметров рассолопромысла в условиях Соль-Илецкого месторождения каменной соли // Сборник трудов молодых ученых СПГГИ (ТУ) - СПб, 2001, выпуск 7, -С.82-83. Соавтор ЮД Дядькин.

2. Обоснование температуры и расхода воды в период размыва подготовительной камеры при скважинном методе разработки нижних

горизонтов Соль-Илецкого месторождения // Записки Горного института. -СПб., 2002, Т 150 (1), С.47-49. Соавтор Ю.Д. Дядькин.

3. Выбор и обоснование методов расчета элементов массива при растворении соли в горно-геологических условиях отработки месторождений купольного типа // Записки Горного института. - СПб., 2002, Т 152, С.78-81. Соавтор О.В. Ковалёв.

4. Определение зависимости технологических параметров и интенсификация процесса добычи каменной соли // Записки Горного института. - СПб., 2003, Т 155 (1), С. 77-80.

5. Пути снижения экологического ущерба и затрат энергии при разработке солей растворением через скважины с поверхности // Труды Политехнического Симпозиума. - СПб, 2003, С. 95-99. Соавторы: О.В. Ковалёв, С.А Толстунов.

6. Перспективы и возможности комплексного освоения ресурсов месторождений каменной соли купольного типа // Проблемы машиноведения и машиностроения. - СПб., 2003, Межвузовский сборник СЗГЗТУ, вып. 30, С.207-213. Соавторы: О.В. Ковалёв, С.Л. Блохин.

7. Исследование устойчивости выработок большого объема // Проблемы машиноведения и машиностроения. - СПб., 2003, Межвузовский сборник СЗГЗТУ, вып. 30, С.214-220. Соавторы: О.В. Ковалёв, С.Л. Блохин.

8. Экологические вопросы выбора глубины заложения камер растворения при отработке запасов каменной соли на месторождениях солянокупольного типа. - СПб., 2003, Межвузовский сборник СЗГЗТУ, вып. 31, С. 181-183. Соавторы: С.А. Толстунов, О.В.Ковалёв, С.Л.Блохин, А.А. Мозер.

9. Улучшение экологической обстановки на отработанных участках рассолопромыслов. - СПб., 2003, Межвузовский сборник СЗГЗТУ, вып. 31, С.184-186. Соавторы: С.А. Толстунов, О.В.Ковалёв, С.Л. Блохин, А.А. Мозер.

10. Способ подземного растворения соляных залежей: патент на изобретение РФ №2224104, 20.02.2004., Бюл.№5. Соавтор: С.А. Толстунов.

11. Способ получения рассола: патент на изобретение РФ №2212531, 20.09.2003., Бюл.№26. Соавтор: С.А. Толстунов.

12. Способ добычи солей из соляных залежей: решение о выдаче патента РФ по заявке 2002134860/03 от 26.01.2004г. Соавтор: С.А. Толстунов.

13. Устройство контроля плотности рассола в камере: решение о выдаче патента РФ по заявке 2003105877/03 от 11.03.2004г. Соавтор: С.А. Толстунов.

РИЦ СПГГИ. 27.04.2004.3.195. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

»tl43j

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Мозер, Сергей Петрович

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА.

1.1. Анализ геологических и горно-технических условий отработки месторождений горно-химического сырья подземным способом.:.

1.2. Обзор методов расчета параметров различных технологий подземной разработки соляных месторождений.

1.2.1. Анализ методических особенностей расчёта параметров камерных систем разработки при шахтном способе добычи каменной соли.

1.2.2. Анализ методических особенностей расчёта параметров камерных систем разработки при подземном растворении соли через скважины.

1.3. Проблемы отработки запасов каменной соли с помощью "шахтного" способа, включая отработку месторождений купольного типа в осложненных горно-геологических условиях.

1.4. Проблемы добычи солей из индивидуальных камер с помощью геотехнологических скважин.

1.5. Выводы по 1-й главе. Цели и задачи исследований.

2. АНАЛИЗ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОБЩЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОТРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КАМЕННОЙ СОЛИ МЕТОДОМ ПОДЗЕМНОГО РАСВОРЕНИЯ.

2.1. Обобщение параметров технологии подземного растворения применительно к отработке месторождений минеральных солей.

2.1.1. АНАЛИЗ ПРОГРЕССИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПОДЗЕМНОГО РАСТВОРЕНИЯ И УСЛОВИЙ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ.

2.1.2. Анализ технологических схем подземного растворения при отработке мощных соляных отложений.

2.1.3. Управление процессом растворения и контроль параметров камер.

2.1.4. Направления совершенствования технологии ПРС при отработке мощных залежей минеральных солей.

2.2. Анализ методик расчёта технологических параметров технологии ПРС.

2.2.1. Аналитические аспекты расчета процесса растворения в камере.

2.2.2. Инженерные методики расчета процесса растворения в камере.

2.3. Расчет конструктивных параметров систем разработки каменносоляных месторождений способом подземного растворения на глубоких горизонтах, включая отработку месторождений купольного типа в осложненных горногеологических условиях.

2.4. Оценка взаимовлияния существующих горных выработок и проектируемые камеры подземного растворения при комплексном способе отработки соляных месторождений.

2.5. Выбор и обоснование метода оценки геомеханического состояния налегающей толщи в условйях глубоких горизонтов месторождений купольного типа.

2.5.1. Анализ аналитических и численных методов расчёта напряженно-деформированного состояния сплошных сред.

2.5.2. Методические особенности различных модификаций метода граничных элементов.

Выводы по 2-й главе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СОЛЯНОГО МАССИВА ПРИ ЕГО ТЕХНОГЕННОМ ВОЗМУЩЕНИИ КАМЕРАМИ РАСТВОРЕНИЯ.

3.1. Горно-геомеханическая модель НДС соляного массива при наличии камер подземного растворения в соляном куполе (штоке).

3.2. Результаты моделирования НДС соляного массива.

3.3. Анализ результатов моделирования отработки месторождений купольного типа способом ПРС.

Выводы по 3-ей главе.;.

4. ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОТРАБОТКИ ЗАПАСОВ КАМЕННОЙ СОЛИ МЕТОДОМ ПОДЗЕМНОГО РАСТВОРЕНИЯ В УСЛОВИЯХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУПОЛЬНОГО ТИПА.

4.1. Обобщение результатов моделирования НДС соляного массива при использовании ПРС-технологии для отработки купольных месторождений .132 4.1.1. Разработка инженерных зависимостей для расчета устойчивых состояний междукамерных целиков.

4.1.2. Разработка инженерных зависимостей для расчета устойчивых состояний потолочин.

4.2. Разработка алгоритма расчета рациональных технологических схем отработки запасов каменной соли на месторождениях купольного типа.

Выводы по 4-й главе.

5. РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

РАССОЛ О ДОБЫЧИ.

5.1. Требования к управлению процессом подземного растворения.

5.2. Способы контроля параметров камер.

5.3. Способы интенсификации процесса растворения, основанные на использовании разнофазного состава растворителя.

ВЫВОДЫ ПО 5 ГЛАВЕ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование рациональных параметров технологии разработки каменной соли на месторождениях купольного типа"

Метод подземного растворения солей (ПРС) через буровые скважины с поверхности получил широкое распространение в бывшем СССР и за рубежом, особенно при разработке каменно-соляных месторождений. В настоящее время на территории бывшего СССР метод применяют 15 рассолодобывающих предприятий, строится и проектируется еще несколько рассолопромыслов. Общая глубина разработки увеличилась с 200 м (Ново-Карфагенский рассолопромысел) до 1700 м (Волгоградский и Зиминский рассолопромыслы). Проведен значительный комплекс опытно-промышленных работ по внедрению метода ПРС на Карлюкском калийном месторождении в Туркмении, ведется опытная добыча бишофита подземным растворением на глубинах до 2500 м на Волгоградском в России, Новоподольском и Полтавском месторождениях на Украине.

Метод ПРС нашел широкое применение при разработке соляных месторождений за рубежом - в США, Германии, Польше, Румынии, Китае, Болгарии, Канаде и многих других странах. Вместе с тем невозможность визуального слежения за технологическим процессом, значительные глубины разработки и сложности геологического строения ряда месторождений ограничивают масштабы применения ПРС. К тому же кажущаяся простота выполнения технологических приемов ПРС и часто невнимание к строительству скважин для этих целей приводили к негативным последствиям и снижали достоинства метода.

Основным объектом технологии ПРС является рассольная скважина -капитальная горная выработка, в которой подача агента растворения и отбор получаемого продукта осуществляются по стволу, содержащему две свободновисящие колонны («труба в трубе»), а добыча полезного ископаемого растворением производится в подземной камере, расположенной в разрабатываемом пласте.

Актуальность темы. Метод подземного растворения солей через буровые скважины с поверхности земли начал промышленно применяться с

60-ых годов XX века и получил широкое распространение во всем мире. Данная технология является одной из самых "молодых" и интенсивно развивается - применяется при отработке практически всех типов месторождений: по форме залегания - пластовые, купольные; пласты от средней мощности (2-ь5 м) до весьма мощных (более 500 м); по глубине залегания (от 100 м до 3 ООО м). Камеры растворения в отложениях каменной соли могут быть использованы в качестве резервуаров для хранения углеводородов, или для захоронения различных типов отходов (химическая промышленность, атомная энергетика и др.), причем назначение данных объектов после отработки планируется на стадии проектирования предприятия и предписывается (регулируется) законодательством. Основными особенностями камер растворения являются: значительная глубина заложения, большой объем и сложная форма контура камер. Обеспечение длительной устойчивости таких резервуаров в соляных отложениях при их строительстве и эксплуатации осложняется реологическими свойствами соли и величинами действующих в приконтурном массиве' на рассматриваемых глубинах напряжений.

Основной особенностью месторождений купольного типа является незначительное распространение их по площади и значительные размеры относительно однородного, геологически выдержанного рудного тела в глубину. Например, площадь Илецкого соляного купола, представляющего собой в плане форму эллипса на глубине 100 м составляет 2 км2, а на глубине 2,6 км по геофизическим данным площадь составляет 24 км2 (при этом запасы месторождения составляют более 3 млрд. тонн). Огромные ресурсы месторождений купольного типа в настоящее время используются недостаточно эффективно, так как при отработке их запасов шахтным способом даже на незначительных глубинах максимальный коэффициент извлечения составляет 0,25 (по системе разработки). Это свидетельствует о перспективности отработки таких месторождений технологией подземного растворения, позволяющей достигнуть величин коэффициента извлечения до

0,4 (по системе разработки) при глубинах разработки, превышающих несколько километров.

Высокая аварийность (по фактору затопления) предприятий, отрабатывающих галургические месторождения (около половины данных предприятий затапливается не закончив отработку месторождения в запроектированном контуре) свидетельствует о недостаточной научной обоснованности проектных решений (рудник № 1, отрабатывавший Илецкое месторождение стихийно затоплен в 70-ые годы, 1986 год - затоплен крупнейший калийный рудник отрабатывающий Верхнекамское месторождение, конец 90 годов XX века — затоплены два рудника в Саскечеване, Канада и др.). Сложные, требующие решения, проблемы, при шахтном способе отработки солей, в том числе и на месторождениях купольного типа и незначительные коэффициенты извлечения (до 0,4) даже на незначительных глубинах свидетельствуют о перспективности отработки таких месторорждений ПРС-технологией, позволяющей достигать извлечения 0,4 при глубинах разработки превышающих несколько километров.

Невозможность визуального наблюдения за технологическим процессом растворения, сложности геологического строения ряда месторождений, значительные глубины разработки вызывают необходимость совершенствования методов прогноза геомеханических и технологических параметров камер и процессов растворения каменных солей на стадиях строительства, эксплуатации и вторичного использования камер растворения, особенно на месторождениях купольного типа, для которых методики расчёта рациональных параметров технологии ПРС недостаточно обоснованы.

Большой вклад в теорию и практику разработки соляных месторождений, включая вопросы устойчивости выработок в отложениях каменной соли, технологические аспекты ее добычи с применением различных технологий внесли следующие отечественные, а также зарубежные специалисты и ученые: Алексеенко А.Г., Арене В.Ж., Бельды М.П., Березин Ф.И., Бобко П.С., Гофман-Захаров И.М., Джессен Ф., Догару М., ДудкоП.М., Дурье Р., Дядькин Ю.Д., Ержанов Ж.С., Ильин В.П., Каземи X., Каратыгин Е.П., Ковалёв О.В.,

КодшнА.Г., Крайнев Б.А., Кубланов A.B., Кулле П.А., Однопозов B.JL, Пермяков P.C., Подопригора В.П., Поздняков А.Г., Проскуряков Н.М., Романов B.C., Ремсон Д., Стаматиу М., Толстунов С.А., Тремп Э., Удалов А.Е., Федоров Б.Н., Хчеян Г.Х., Шафаренко Е.М. и др.

Особенности условий залегания каменной соли на месторождениях купольного типа (небольшие площади в плане и значительные размеры купола в глубину) не позволяют достаточно гарантировать безопасные праметры ПРС технологии;, рассчитанные по использующимся в настоящее время при проектных работах методикам, а также параметры комплексного метода (рудники - ПРС), из-за недостаточного учёта в таких методиках (в силу их эмпирической "природы") всех факторов, влияющих на устойчивость камер растворения (технологическая безопасность) и на сохранность поверхности (экологическая безопасность).

Актуальность темы диссертации подтверждается её соответствием плану. НИР СПГГИ(ТУ) по основным научным направлениям (грант администрации Санкт-Петербрга ЗОГМ).

Цель работы: обоснование параметров технологии . подземного растворения соли при отработке запасов месторождений купольного типа для обеспечения экономичности, надежности и безопасности ведения горнотехнологических работ.

Идея работы: освоение ресурсов месторождений купольного типа на основе использования шахтного способа, метода подземного растворения или их комбинации должно осуществляться, системами разработки, параметры которых определяются по установленным закономерностям, обеспечивающим повышение технологических, технико-экономических и социальных показателей.

Основные задачи исследований:

1. Исследовать закономерности деформирования и разработать критерии оценки устойчивости конструктивных элементов камер подземного растворения в конкретных горно-геологических условиях, обеспечивающих безаварийность работы рассолопромысла на стадиях строительства, эксплуатации и вторичного использования горных выработок.

2. Усовершенствовать методику расчета конструктивных элементов системы разработки и технологических параметров для обоснования рациональных технологических схем отработки каменной соли, камерами растворения с учетом допустимых оседаний земной поверхности.

3. Разработать алгоритм взаимосвязи геомеханических и технологических параметров камер растворения на этапах подготовки, эксплуатации и вторичного использования в качестве подземных хранилищ.

Методы исследований. При выполнении работы использовался комплексный метод исследований, включавший: анализ и обобщение данных, приведенных в горнотехнической литературе; изучение специфики горногеологических и горнотехнических условий разработки месторождений купольного типа; шахтные наблюдения за проявлениями горного давления в зонах влияния очистных работ; изучение и анализ существующих технологических схем отработки запасов мет'одом растворения с применением скважин; использование методов математической статистики; экспериментально-аналитические исследования влияния горнотехнических факторов на параметры камер.

Научная новизна работы:

-установлены закономерности формирования напряженно-деформированного состояния водозащитной толщи при переходе с шахтного на геотехнологический способ отработки залежей;

- установлено, что при заложении камер рассолопромыслов наиболее значимым фактором является глубина ведения работ, которая функционально определяет мощность водозащитной толщи и другие параметры: диаметр и высоту камер, а также размеры междукамерных целиков и междуэтажных потолочин.

Научные положения, защищаемые в работе:

1. Добыча соли с применением шахтной технологии рациональна до глубины, определяемой величиной коэффициента извлечения полезного ископаемого, функционально зависящего от устойчивости несущих элементов соляного массива по фактору непревышения предельно допустимых деформаций.

2. При отработке запасов месторождений купольного типа мощность водозащитной толщи необходимо определять с учетом пролета. камер, их суммарной высоты, глубины заложения и размеров междукамерных целиков.

3. Выбор и обоснование параметров системы разработки при использовании метода подземного растворения солей на месторождениях купольного типа необходимо осуществлять по разработанному алгоритму расчёта, основанному на установленной взаимосвязи технологических параметров и конструктивных элементов системы разработки.

Практическая ценность работы: разработана методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния элементов системы разработки соляного массива при отработке месторождений солянокупольного типа рудниками, подземным растворением и комплексным методом;

- разработаны инженерные методики для расчета устойчивых состояний ответственных элементов массива при использовании метода подземного растворения;

- разработаны и запатентованы способы управления растворением стенки подземной камеры, а также контроля параметров данного процесса.

Достоверность научных положений. выводов и рекомендаций определяется, использованием результатов натурных экспериментов при разработке и корректировке горно-геомеханических моделей изучаемых объектов, корректностью применяемого математического аппарата, достаточным уровнем сходимости расчетных и экспериментальных данных, определяющих основные параметры элементов системы разработки, сопоставимостью выводов и рекомендаций с теоретическим и практическими результатами исследований других авторов.

Реализация результатов работы. Выводы и рекомендации могут использоваться институтами ВНИМИ и ВНИИГалургии для использования при выполнении научно-исследовательских и проектных работ в области технологии подземного растворения.

Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований, выполнены, проанализированы и обобщены результаты шахтных и аналитических исследований, разработаны рекомендации по реализации результатов работы.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых и студентов СПГГИ (ТУ) имени Г.В. Плеханова "Полезные ископаемые России и их освоение" (Санкт-Петербург, 2000-2004 гг.); 13-й Зимней школе по механике сплошных сред (Институт механики сплошных сред, УрО РАН, Пермь, 2003г.); Политехническом симпозиуме "Молодые ученые -промышленности Северо-Западного региона" (Санкт-Петербург, 2003г.); конференции "Инженерное искусство в развитии цивилизации" (Пенза, 2004г.), на заседаниях кафедры "Разработки месторождений подземным способом" СПГГИ (ТУ).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 13 публикациях. Новые технические решения, созданные в процессе выполнения работы, защищены 4-мя патентами РФ на изобретения.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Мозер, Сергей Петрович

ВЫВОДЫ ПО 5 ГЛАВЕ

Проведённый анализ проблемных вопросов, возникающих при отработке соляных залежей способом ПРС позволил выявить некоторые ключевые проблемы. Это позволило предложить новые технические решения, позволяющие повысить эффективность добычи рассолов за счет интенсификации процесса растворения в камерах большой высоты и объема (характерных для месторождений купольного типа). Также предложены новые технические решения позволяющие повысить эффективность контроля некоторых параметров камер ПРС, за счет применения оптиковолоконных технологий. Для повышения эксплуатационного извлечения соли из контура камер предложено управлять процессом развития камеры с помощью гелеобразного нерастворителя.

Данные технические решения защищены двумя патентами РФ и двумя решениями о выдаче патентов РФ.

162

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу, содержащую решение актуальной задачи по разработке методики выбора рациональных параметров способа подземного растворения применительно к глубоким горизонтам месторождений купольного типа, а также рекомендациям по выбору способов интенсификации процесса растворения и контроля его параметров.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Доказано, что рациональная отработка Илецкого месторождения купольного типа шахтным способом возможна до глубин порядка 400 м, при обеспечении среднего коэффициента извлечения в переделах горизонтов "—130" и "-300 м" окло 0,15. Анализ НДС междукамерных целиков горизонта "-160 м" свидетельствует об отсутствии стабилизации процессов их деформирования, а 1 следовательно о перераспределении напряжений в системе целики-ВЗТ.

Для данных глубин обоснованы рациональные параметры шахтного способа отработки запасов с точки зрения возможности применения комплексной технологии (рудник-ПРС) на месторождениях купольного типа, определяемые особенностями геологического строения месторождений данного типа и техническими возможностями на современном уровне развития технических средств.

2. Выявлены закономерности деформирования соляного массива при различных пространственных схемах отработки запасов комплексной технологией (рудник-ПРС), шахтным способом (камерная система разработки) и ПРС. Создана геомеханическая модель и предложена методика расчёта НДС соляного массива для произвольной геометрии выработанных пространств и технологий их отработки. На базе методов граничных элементов в постановке плоского деформированного состония были смоделированы НДС соляного массива при различных технологических параметрах отработки запасов в пределах Илецкого купола, получены числовые параметры тензоров напряжений (сту) и деформаций (е^), а также вектора перемещений (81) и построена их графическая интепретация.

3. Анализ результатов численного эксперимента позволил выделить критерии оценки устойчивости конструктивных элементов камер подземного растворения (по фактору еу > 0) с учетом горно-геологических условий их заложения, что обеспечит безаварийность работы скважин на стадиях строительства, эксплуатации и вторичного использования горных выработок. Выявлен характер изменения критериальных параметров в функции изменения высоты камер, их пролета, ширины МКЦ, мощности межгоризонтных потолочин и суммарной мощности отрабатывамой части залежи.

4. Обобщение результатов моделирования параметров НДС соляного массива позволило получить зависимости для расчета геометрии конструктивных элементов системы разработки (высота камер, сетка буровых скважин, пролеты камер, способы "сбойки" и технологии размыва, ширина

МКЦ и межгоризонтных потолочины и др.) и рациональных параметров технологических схем растворения каменных солей. Обоснован порядок отработки месторождений купольного типа, рациональные глубины заложения подошвы самых нижних камер при многогоризонтной схеме растворения, порядок отработки камер на горизонте и др.

5. Установлены закономерности определяющие интенсификацию процесса растворения и разработаны способы управления данным процессом при размыве "высоких" (до 300 м) камер в соляных куполах. Предложен алгоритм взаимосвязи геомеханических и технологических параметров камер растворения на этапах подготовки, эксплуатации и их вторичного использования в качестве "подземных резервуаров". Разработаны и запатентованы способы интенсификации процесса размыва и контроля технологических параметров данного процесса.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Мозер, Сергей Петрович, Санкт-Петербург

1. Авершин С.Г. Сдвижение горных пород при подземных разработках. М., Углетёхиздат, 1947.

2. Айзаксон Э. Давление горных пород в шахтах. М., Недра, 1961.

3. Арене В.Ж. Геотехнологические методы добычи полезных ископаемых. М., Недра, 1975.

4. Арене В.Ж., Белов В.И., Зыков В.А. Разработка месторождений каменной и калийной солей методом подземного выщелачивания. М.,1969.

5. Березин Ф.И. Определение объема и формы камеры выщелачивания в гидроврубовых скважинах. Тр. Донецкого политехи, института, т. 61, 1962.

6. Березин Ф.И., Ривный B.C. Перевод рассолопромысла на метод добычи рассола скважинами с гидроврубом. Химическая промышленность, №2, 1960.

7. Бобко П.С. Подземное выщелачивание каменной соли. Химическаяtпромышленность, №2, 1952.

8. Бобко П.С. Методы подземного выщелачивания соляных залежей. Тр. ВНИИГ, вып. 56. Л, Недра, 1972.

9. Бобко П.С., Васильев Г.А., Дзенс-Литовский А.И., Гидрогеология соляных месторождений и вопросы подземного выщелачивания соляных залежей. Тр. ВНИИГ, вып. 53, Л., Недра, 1967.

10. Бобко П.С., Кошин А.Г. Моделирование управляемого ступенчатого выщелачивания. Тр. ВНИИГ, вып. 62, Л., 1972.

11. Бобко П.С., Романов B.C. Влияние гидродинамики в камере выщелачивания на процессы осаждения твердых частиц. Совершенствование технологии подземного выщелачивания солей, Тр. ВНИИГ, М., 1977.

12. Богданов Ю.А., Каратыгин Е.П., Резников В.А. Способ разработки бишофита подземным выщелачиванием. A.c. 1479628 (СССР). Б.И. 15.05.1989. № 18.

13. Гавич И.К. Гидрогеодинамика. М. Недра, 1988.

14. Галлагер Р. Метод конечных элементов. М., Недра, 1984.

15. Гидрогеология соляных месторождений и вопросы подземного выщелачивания соляных залежей. Тр. ВНИИГ, вып. 53, Л., 1967.

16. Гидродинамика камер подземного выщелачивания. Развитие калийной промышленности, НИИТЕХИМ, 1978.

17. Глухов Б.П. Исследование на моделях процесса подземного выщелачивания каменной соли при добыче рассолов через одиночные скважины. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., Л., 1972.

18. Глухов Б.П. Массообмен и гидродинамика при размыве камер выщелачивания. Тр. ВНИИГ, вып. 62, Л., 1972.

19. Глухов Б.П. Методология подземного растворения солей, Тр. ВНИИГ, М., 1983.

20. Дахнов В.Н., Дьяконов Д.И. Термические исследования скважин. М.-Л., Гостоптехиздат, 1952.

21. Долгих М. А., Матвиенко В. В., Хачатурян Н. С. Оценка прочности камер выщелачивания в отложениях каменной соли. Тр. ВНИИСТ, вып. 2, М., 1962.

22. Дудко П.М. Подземное выщелачивание солей. М., Недра, 1972.

23. Дядькин Ю.Д. Разработка геотермальных месторождений. М., Недра, 1987.

24. Дядькин Ю.Д., Кудряшов Б:Б., Буденный В.А. Метод теплового расчета рассольных скважин. Тр. ВНИИГ, вып. 62, Л., 1972.

25. Ержанов Ж. С., Менцель В., Шрайнер В. и др. Основы расчёта напряженного состояния полостей газохранилищ в соляных отложениях. Наука, Алма-Ата, 1978.

26. Журин А. П. Методика и результаты натурных исследований прочности камер подземного растворения солей. Технология разработки соляных месторождений подземным выщелачиванием, Л., 1981.

27. Здановский А.Б. Галургия. Л., Химия, 1972.

28. Здановский А.Б. Кинетика растворения природных солей в условиях вынужденной конвекции. Тр. ВНИИГ, вып. 33, Л., 1956.

29. Ильин В.П. Исследование на моделях эффективности применения камуфлетных взрывов при подземном выщелачивании солей. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., Л., 1973.

30. Ильницкая Е.И. и др. Свойства горных пород и методы их определения. М., Недра, 1969.

31. Инструкция по безопасному ведению работ и охране недр при разработке месторождений солей растворением через скважины с поверхности. РД 03-243-98. ТОО СТРЕСС, ОАО ВНИИГалургии, 1998.

32. Исходные данные для составления ТЭО строительства СреднеАзиатского калийного завода с годовой производительностью 700 тыс. т К20. Л., ВНИИГ, 1989.

33. Казаковский Д.А. Сдвижение земной поверхности под влиянием горных разработок. М., Углетехиздат, 1953.

34. Калабин А.И. Добыча полезных ископаемых подземным выщелачиванием и другими геотехнологическими методами. М., Атомиздат, 1981.

35. Каражанов H.A., Сарсенов С.К. Исследование влияния скорости потока жидкости на скорость растворения галита, сильвина и боратов. Проблемы геотехнологии. М., 1983.

36. Каратыгин Е.П. Исследование температурного режима рассольной скважины при подземном выщелачивании калийных и каменных солей. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., Л., 1971.

37. Каратыгин Е.П. О моделировании тепловых процессов в камере подземного выщелачивания. Тр. ВНИИГ, вып. 62, Л., 1972.

38. Каратыгин Е.П. О термическом режиме камер подземного выщелачивания соли. Тр. ВНИИГ, вып. 49, Л., Химия, 1966.

39. Каратыгин Е.П., Кубланов A.B., Пустыльников JI.M., Чанцев В.П. Подземное растворение соляных залежей (проблемы, моделирование, управление). СПб., Гидрометеоиздат, 1994.

40. Каратыгин Е.П., Раевский В.И., Бобко П.С., Богданов Ю.А. Требования к исходным горно-геологическим данным при разработке калийных месторождений подземным растворением, ВНИИГ, М., 1983.

41. Кирпичёв В. JI. Сопротивление материалов, СПб, 1916.

42. Кислер JI. Н., Крюкова Н. М., Мазуров В. А. Об оценке прочности емкостей различной формы в соляных отложениях. Тр. ВНИИПромгаз, вып. 5, М., 1971.

43. Койфман М. И. Главный масштабный эффект в горных породах и углях. Проблемы механизации горных работ. Изд. АН СССР, 1963.

44. Корчагина E.H. Исследование тепломассообмена при формировании раствора в камере подземного выщелачивания. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., JL, 1981.

45. Косаревский А. Н., Резников В. А., Студенцов А. Ф., Школьников А. Д. О моделировании процесса подземного растворения. Тр. ВНИИГ. Вопросы технологии рассолодобычи через скважины с поверхности. JL, 1990.

46. Крауч С., Старфилд А. Методы граничных элементов в механике твердого тела. М., Мир, 1987.

47. Кричевский Е.С., Глухов Б.П., Подольская Н.В. Исследование процесса подземного выщелачивания как объекта автоматического управления. Тр. ВНИИГ, вып. 62, Л., 1972.

48. Круз Т., Риццо Ф. Метод граничных интегральных уравнений (вычислительные аспекты и приложения в механике), М., Мир, 1978.

49. Кубланов A.B. Развитие геотехнологических способов разработки соляных месторождений. Актуальные вопросы добычи и переработки природных солей. ОАО ВНИИГалургии, 2001.

50. Кузнецов Г. Н. Моделирование проявлений горного давления. Л.,1968.

51. Кузнецов Г. Н. Механические свойства горных пород. М., Углетехиздат, 1947.

52. Кулле П. А. Разработка месторождений соли подземным выщелачиванием. Тр. ВНИИГ, вып. 20, 1949.

53. Кулле П. А. Способ добычи рассолов из буровых скважин. А. с. 77733 (СССР). Б. И. 1949.

54. Кулле П. А. Строительство скважин с гидроврубом. Тр. ВНИИГ, вып. 30, 1955.

55. Кулле П. А. Разработка месторождений соли подземным выщелачиванием. Тр. ВНИИГ, вып. 20, 1949.

56. Ландман Ю.Р., Корчагина E.H., Ручнова А.Г. Моделирование процесса выщелачивания с заглубленной водоподачей. Тр. ВНИИГ, Л., 1977.

57. Ландман Ю. Р., Корчагина E.H. Экспериментальное изучение формообразования камер подземного растворения на подготовительных этапах, Тр. ВНИИГ, М., 1983.

58. О бурении в солях. Тр. ВНИИБТ, вып. 28, Техника и технология бурения. М., 1971.

59. Общесоюзные нормы технологического проектирования рассолопромыслов. ВНТПЧ-81 Минудобрений. Л., 1981.

60. Однопозов В.Л., Гиргидов А.Д. Интенсификация размыва камер при групповом подземном выщелачивании соляных залежей. Тр. ВНИИГ, вып. 62, Л., 1972.

61. Патрунова JI. Н., Романов В. С., Каратыгин Е. П. Способ подземного растворения мощных соляных залежей. А. с. 1113521 (СССР). Б. И. №34, 1984.

62. Патрунова JI.H. Исследование и обоснование технологических параметров обработки камер при подземном выщелачивании залежей каменной соли. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., JL, 1980.

63. Пермяков P.C., Романов B.C., Бельды М.П. Технология добычи солей. М., Недра, 1981.

64. Пермяков P.C., Ковалёв О.В., Пинский B.JI. Справочник по разработке соляных месторождений. М., Недра, 1986.

65. Проскуряков Н. М. Внезапные выбросы угля и газа в калийных рудниках. М., Недра, 1980.

66. Проскуряков Н.М., Пермяков P.C., Черников А.К. Физико-механические свойства соляных пород. JL, Недра, 1973, с. 48-91.

67. Путин В.В. Стратегическое планирование воспроизводства минерально-сырьевой базы региона в условиях формирования рыночных отношений. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., СПб., 1997.

68. Разработка соляных месторождений методом выщелачивания. Тр. ВНИИГ, вып. 62, 1972.

69. Резников В. А. Перспективы разработки, комплексного использования и переработки залежей бишофита. М., НИИТЭХИМ, 1976.

70. Резуненко В. И. Обоснование параметров технологии сооружения тоннельных резервуаров в маломощных пластах каменной соли. Автореферат на соискание ученой степени к. т. н., М., 1998.

71. Романов В. С. Определение радиуса камер выщелачивания при разработке соляных залежей через буровые скважины. Тр. ВНИИГ, вып. 53. 1967.

72. Романов B.C. Исследование устойчивости междукамерных целиков при подземном растворении мощных залежей каменной через скважины с поверхности (на примере Яр-Бишкадакского рассолопромысла). Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., Л., 1968.

73. Романов B.C. Методика и результаты исследований размеров устойчивых пролетов рассольных камер. Записки ЛГИ, Механика горных пород, т. 61, вып. 1,1972.

74. Руппенейт К.В. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород. М., Недра, 1975.

75. Симонов В. А., Кубланов A.B. Определение размеров междукамерных целиков при подземном выщелачивании солей по величине заданных деформаций. Тр. ВНИИГ, Технология разработки соляных месторождений подземным выщелачиванием, Л., 1981.

76. Симонов В.А., Кубланов A.B., Черняк Е.Г. Методы определения рамеров камер и целиков при выщелачивании соляных залежей через скважины с поверхности. М., 1983.

77. СкробовА.А. Суброзия и изменение минералогического состава пород соляного ядра одного из куполов Прикаспийской низменности. Тр. ВНИИГ, вып. 46, Л., Недра, 1974.

78. Сковородников Ю.А., Губин В.Е., Сидоров А.И. Смесеобразование при замене нефтепродуктов в подземных емкостях. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. Тр. ВНИИСПТНефть, вып. 13, Уфа, 1971.

79. Слесарев В. Д. Определение оптимальных размеров целиков различного назначения. М., Углетехиздат, 1948.

80. Смайльс Н.Ю. Формообразование подземных камер в растворимых породах. Горный журнал, № 7, 1998.

81. Смирнов В. И. Обоснование и разработка способов и технологий строительства подземных сооружений для хранения газонефтепродуктов и захоронения промышленных отходов. Автореферат на соискание ученой степени д.т.н., М., 1995.

82. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. М., Недра, 1985.

83. Стаматиу М. Расчет целиков на соляных рудниках. М., Госгортехиздат, 1963.

84. Студенцов А.Ф. Определение корреляционной зависимости технологических параметров подземного растворения каменной соли от ее литологического состава и интенсификация процесса поверхностно-активными веществами. Тр. ВНИИГ, М., 1983.

85. Студенцов А.Ф., Китаев И.И., Резников В.А. и др. Способ подземного растворения соляных залежей. A.c. 1488446 (СССР). Б.И. № 23, 23.06.1989.

86. Студенцов А.Ф., Резников В.А., Леванович B.C. и др. Способ добычи солей из соляных залежей. A.c. 1117397 (СССР). Б.И. № 37, 15.10.1984.

87. Студенцов А.Ф., Соловьев Е.И., Резников В.А, и др. Способ добычи солей из соляных залежей через буровую скважину. A.c. 803543 (СССР). Б.И. № 42, 15.11.1981.

88. Студенцов А.Ф., Соловьев Е.И., Резников В.А. и др. Способ разработки соляных месторождений подземным выщелачиванием. A.c. 1036911 (СССР). Б.И. 23.08.1981. № 31.

89. Техническая справка по НИР на тему "Проведение исследований НДС несущих элементов массива с целью оценки их эксплуатационной надёжности в условиях Второго Илецкого рудника", этапы 1 и 2. СПб.,1. СПГГИ(ТУ), 1999.

90. Технология строительства и эксплуатации подземных хранилищ нефти, газа и продуктов их переработки. Тезисы докладов Всесоюзной конференции ВНИИЭ Газпром. М. 1991.

91. Фурман А. А., Бельды М. П., Соколов И. Д. Поваренная соль. Производство и применение в химической промышленности. М., Химия. 1989.

92. Ходьков А.Е. Геологическая роль процессов подземного выщелачивания галогенных пород. Тр. ВКИИГ, вып. 35, Л., Госхимиздат, 1959.

93. Ходьков А.Е. Искусственный промышленный карст и его гидрогеологическое значение. Тр. ВНИИГ, вып. 35, Л., Госхимиздат, 1959.

94. Христианович С.А. Механика сплошной среды. М., Недра, 1981.

95. Хчеян Г.Х., Нафтулин И.С. Геотехнологические процессы добычи полезных ископаемых, М., Недра, 1983.

96. Цакунов O.A. О рациональном направлении в разведке глубоких залежей каменной соли для подземного выщелачивания. Тр. ВНИИГ, вып. 62., Л, 1972.

97. Черников А. Г., Романов В. С. Методические указания по расчету оптимальных геометрических параметров целиков и камер при разработке калийных солей подземным выщелачиванием. ВНИИГ и ЛГИ, Л., 1984.

98. Шафаренко Е. М. Длительная устойчивость подземных горных выработок в отложениях каменной соли. Автореферат диссертации на соискание степени д. т. н. Новосибирск, 1985.

99. Шахов Ю. А., Бельды М. П. Некоторые вопросы теории и практики галургического производства. Тр. ВНИИГ, вып. 55. Л., 1971.

100. Stax und Barge. Zur Geologie und Nutzung der Frisia Zout BV// Gluckauf 137, 2001, № 7-8, 2001.

101. Dietrich Eskart. Plötzliche Ausbruche von Gestein und Gas im Bergbau.1966.

102. Hiltscher A. Das Salzwerk Bernburg Möglichkeiten der komplexen Nutzung des Salinars// -Gluckauf 138, 2002, Nr. i/2.

103. Holst K., Menzel W., Schreiner W., Weber D. Ergebnisse geomechanischer Untersuchungen bei der Gasspeicherung in Salzkavernen // Neue Bergbautechnik. 1982. H. 7.