Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Влияние соленосных глин на устойчивость горных выработок в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Влияние соленосных глин на устойчивость горных выработок в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей"

На правах рукописи

ЧЕРНОПАЗОВ Дмитрий Сергеевич

ВЛИЯНИЕ СОЛЕНОСНЫХ ГЛИН НА УСТОЙЧИВОСТЬ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КАЛИЙНЫХ СОЛЕЙ

Специальность 25.00.20 Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

г 4 ОКТ 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2013

005536073

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ) на кафедре геотехнологий и строительства подземных сооружений и Уральском научно-исследовательском и проектном институте галургии (ОАО «Галургия»).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

КАЧУРИН Николай Михайлович,

_доктор технических наук, профессор,

КОНСТАНТИНОВА Светлана Александровна.

Официальные оппоненты:

САММАЛЬ Андрей Сергеевич, доктор технических наук, профессор, «Тульский государственный университет», кафедра «Механики материалов»;

ШЕЛЕПОВ Николай Валентинович, кандидат технических наук, ООО «СпецПромСтрой», руководитель проектной группы.

Ведущая организация: Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН), г. Екатеринбург.

Защита диссертации состоится «21» ноября 2013 г. в Ы час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 90, 6-й уч. корпус, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан « 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Актуальность. Добыча калийных солей на Верхнекамском месторождении (ВКМКС) ведется подземным способом с применением камерной системы разработки. С течением времени происходит разрушение отдельных конструктивных элементов горных выработок, что приводит к потере их устойчивости в целом. Определение срока устойчивого состояния горных выработок, определяемых на этапе проектирования, является приоритетной задачей, повышенная точность решения которой требует учета максимального числа влияющих факторов.

Выполнение прогнозной оценки срока устойчивого состояния горных выработок в условиях ВКМКС осложнено необходимостью учета значительной вязкости соляных пород и низкопрочных глинистых прослоев. Последние, располагаясь вблизи контура выработки, активизируют процессы сдвига и последующего расслоения между отдельными породными блоками, что в свою очередь, приводит к потере устойчивости горных выработок в виде обрушения отслоившихся пород в отработанное пространство.

Современное промышленное освоение ВКМКС характеризуется разнообразием технологических схем, параметров горных выработок и применяемого проходческого оборудования. Такие условия ставят важные для практики ведения горных работ задачи разработки инженерных и методических средств оценки влияния прослоев соленосных глин на срок устойчивого состояния горных выработок в зависимости от горнотехнических и горно-геологических условий и определения их рациональных параметров.

Объект исследований. Породы продуктивной породной толщи Верхнекамского месторождения калийных солей.

Предмет исследований. Процессы деформирования и разрушения горного массива, вмещающего выработки различного назначения, ослабленного прослоями соленосных глин.

Цель работы заключается в установлении закономерностей деформирования и разрушения породного контура горных выработок, включающих прослои соленосных глин, для выбора оптимальных параметров горных выработок.

Основная идея работы заключается в оценке влияния положения поверхностей ослабления вязкоупругого соляного массива, в виде прослоев соленосных глин, на процессы деформирования и разрушения горных выработок в условиях ВКМКС.

Методы исследования включали анализ и обобщение теоретических и натурных исследований по проблеме влияния соленосных глин

на устойчивость отдельных конструктивных элементов горных выработок, математический аппарат механики деформируемого твердого тела, математическое моделирование геомеханических процессов на основе метода конечных элементов, численный метод решения задач контактного типа.

Основные научные положения, защищаемые автором, сформулированы следующим образом:

для определенной степени нагружения сильвинитового междукамерного целика, ослабленного прослоем соленосной глины на контакте «целик-кровля», максимальный срок его устойчивого состояния достигается при отношении радиуса свода кровли выработки (R) к ее высоте (h), равным R/h=0,5, и максимальном значении коэффициента формы целика А, равным отношению его ширины к высоте, изменяемого в условиях ВКМКС до значения 2,75;

оставление в кровле горных выработок, пройденных по сильвинито-вому пласту, арочного и прямоугольного сечения защитной пачки, из монолитной породы мощностью n/Lp >0,15 м, где Lp - расчетный пролет выработки, исключает влияние прослоя соленосной глины на устойчивость кровли. При выполнении условия n/Lp <0,15 м, снижение срока устойчивого состояния кровли горной выработки описывается степенной функцией отношения мощности защитной пачки к расчетному пролету выработки;

сокращение срока устойчивого состояния кровли капитальной (подготовительной) выработки при оставлении защитной пачки n/Lp<0,15 м происходит при мощности глинистого прослоя m > 0,005 м. Для условий m < 0,2 м зависимость снижения срока устойчивого состояния кровли капитальной (подготовительной) выработки описывается степенной функцией от мощности глинистого прослойка.

Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:

установлены закономерности потери устойчивости очистных выработок, при ослаблении междукамерного целика прослоем соленосной глины на контакте «целик-кровля», в зависимости от формы их сечения;

установлены зависимости изменения времени устойчивого состояния кровли горных выработок от мощности защитной пачки и глинистого прослойка;

установлена зависимость времени устойчивого состояния кровли подготовительной выработки, охраняемой анкерной крепью, от мощности защитной пачки и параметров анкерной крепи.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается:

применением корректной апробированной феноменологической модели деформирования и разрушения соляных пород;

использованием объективной горно-геологической, маркшейдерско-геодезической и геомеханической информации в качестве исходных данных;

высокой степенью сходимости применяемых прямых и итерационных методов решения численных задач; удовлетворительным соответствием полученных методом математического моделирования результатов натурным данным.

Практическая значимость и реализация работы.

1. Результаты использованы при проектировании систем разработки для условий рудников ОАО «Уралкалий» (проекты 51.178 и 52.088).

2. Выполнена корректировка действующих инженерных методик оценки устойчивости кровли горных выработок, содержащихся в «Инструкции по применению анкерной крепи на рудниках ОАО «Уралкалий»», разработан и введен в действие «Технологический регламент по охране и креплению горных выработок на рудниках ОАО «Уралкалий»».

3. Модернизирован пакет МКЭ — программ Earth 2D. 1 для решения плоских задач упругости и вязкоупругости с учетом наличия плоскостей ослабления контактного типа. Получен патент о государственной регистрации на программу Earth 2D.1 (Свидетельство № 2011610648).

4. Разработаны методические основы проведения геодинамического прогнозного мониторинга недр и земной поверхности в условиях ВКМКС на основе применения численных средств математического моделирования.

Личный вклад автора состоит в сборе, анализе и обобщении данных исследований влияния прослоев соленосных глин на процессы деформирования и разрушения пород соленосной толщи; разработке расчетных схем и выполнении исследований закономерностей деформирования и разрушения породного массива, вмещающего горные выработки, ослабленных прослоями соленосных глин; выполнении корректировки действующей инженерной методики; создании и отладке отдельных модулей программы Earth 2D.1.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на научно-практических конференциях, в том числе на Всероссийской школе-конференции «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2006 г., 2007г.), конференции «Прикладная математика и механика» (Пермь, 2007), Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (Екатеринбург, 2008 г.), международной школе - семинаре «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород» (Санкт-Петербург, 2010 г.), Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, 2006 г., 2011 г.), конференции «Актуальные проблемы математики, механики, информатики» (Пермь, 2011 г.), на заседании кафедры МСС и ВТ ПГНИУ (Пермь, 2012 г.), на заседании научно-технического совета ОАО «Галургия» (Пермь, 2012 г.), на заседании секции «Геомеханика» Института Горного делаУрО РАН г. Екатеринбург (2012 г.), на научной сессии Горного Института УрО РАН (Пермь, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 6 статьей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 156 страницах, содержит 76 иллюстрации и 8 таблиц. Список использованных источников состоит из 144 наименования.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность руководителям работы Константиновой Светлане Александровне и Ка-чурину Николаю Михайловичу за неоценимую помощь при написании работы, Матвеенко Валерию Павловичу и Соловьеву Вячеславу Алексеевичу за организационную поддержку, внимание и ценные советы, а также сотрудникам лаборатории геодинамической безопасности ОАО «Галургия» и кафедры «Механика сплошных сред и вычислительных технологий» Пермского государственного национального исследовательского университета за методическую и организационную помощь.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Разработка ВКМКС подземным способом осложнена необходимостью учета влияния тонких прослоев соленосных глин, способствующих к выходу горных выработок из устойчивого состояния до истечения их технологического срока службы. Важность и актуальность данной проблемы выразилось в комплексе экспериментальных и теорети-

ческих научных изысканий, сформулированные в научных трудах Н.Ф. Аникина, В.А. Асанова, A.A. Баряха, И.Х. Габдрахимова, СЛ. Жихарева, A.B. Евсеева, О.В. Ковалева, С.Ю. Лобанова, И.С. Ломакин, В.Е. Маракова, В.А. Мисникова, М.П. Нестерова, И.Л. Панькова, Н.М. Проскурякова, И.Ф. Саврасова, Б.В. Титова, В.Н. Токсарова, Б.В. Титова, И.Н. Шардакова, В.В. Хронусова и других.

Цель и идея работы, а также современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме обусловили необходимость постановки и решения следующих задач исследований.

1. Разработать вычислительные схемы оценки влияния прослоев соленосных глин на срок устойчивого состояния горных выработок с учетом основных горно-геологических и горнотехнических факторов в условиях ВКМКС.

2. Выполнить оценку времени устойчивого состояния сильвинито-вых междукамерных целиков, ослабленных прослоем соленосной глины на контакте «целик-кровля».

3. Определить закономерности деформирования и разрушения защитной пачки, оставленной в кровле горной выработки, в зависимости от ее мощности.

4. Установить закономерности деформирования и разрушения кровли выработки, ослабленной прослоем соленосной глины, охраняемой анкерной крепью натяжного типа.

5. Установить закономерности деформирования и разрушения защитной пачки, оставленной в кровле капитальной (подготовительной) выработки от мощности глинистого прослоя.

6. Разработать методические основы оценки прогнозной геомеханической безопасности недр и земной поверхности.

Оценка деформирования и разрушения соляных пород требует обязательного учета их ярко выраженных реологических свойств. Учет таких особенностей выполнен в феноменологической модели деформирования и разрушения соляных пород, разработанной С.А. Константиновой. Суть модели заключается в применении уравнений наследственной ползучести со степенным ядром Абеля.

Одной из главных особенностей соленосных глин в условиях ВКМКС является ее прочностные свойства. Для условий пород продуктивной толщи, сложенной сильвинитом, каменной солью и карналлитом, прочность пород в среднем составляет от 23 МПа (для сильвинито-вых пород) до 11,5 МПа (для карналлита). Значение прочности глинистых прослоев по данным исследований сотрудников ГИ УрО РАН ва-

рьируется в зависимости от их влажности в пределах от 1,23 до 2,05 МПа при их мощности от долей миллиметра до десятков сантиметров.

Для оценки влияния глинистых контактов между породными блоками на напряженно-деформированное состояние породного массива применен подход, основанный на использовании метода вариационных неравенств при решении задач математического моделирования контактного взаимодействия твердых деформируемых тел с трением. Суть подхода сводится к итерационной процедуре определения участков потери контакта, относительных сдвигов по контакту и сцепления.

Реализация указанных подходов выполнена в пакете программ Earth 2D.1 собственной разработки, реализующий метод конечных элементов в перемещениях с применением алгоритма интегрирования определяющих соотношений наследственного типа. Для моделирования процессов расслоения по глинистым прослойкам пакет программ был дополнен новым модулем решения контактных задач с трением на основе применения контакт-элементов Гудмана. Выполнена государственная регистрация программного продукта (Свидетельство № 2011610648).

Наибольший промышленный интерес при разработке ВКМКС в настоящее время представляют сильвинитовые пласты АБ и Красный II, отличающиеся наибольшей геологической мощностью и содержанием в них полезного вещества (KCL). Геологической особенностью их залегания является наличие в кровле этих пластов достаточно мощных глинистых прослойков. Снижение негативного влияния от этих прослойков достигается двумя подходами, нашедшими широкое применение в рудничной практике - подрезка этих прослойков или оставление защитной пачки из достаточно монолитных пород. Оба эти способа за счет интенсивной складчатости продуктивной породной толщи зачастую приводят к формированию междукамерных целиков, ослабленных прослоем со-леносной глины на контакте «целик-кровля». Экспериментальные и численные исследования, представленные в работах С.Ю. Лобанова, И.С. Ломакина, М.П. Нестерова, свидетельствуют о значительном снижении несущей способности таких междукамерных целиков.

Такая роль глинистых прослойков требует определения рациональных параметров системы разработки для создания безопасных условий ведения горных. В частности, необходимость таких исследований продиктована тем обстоятельством, что согласно действующим нормативным документам на месторождении, основной учет влияния горного давления на несущие элементы системы разработки учитывается через степень нагружения (С). Данный параметр, оперируя

занчениями ширины камеры (а), ширины междукамерного целика (Ь) и высоты камеры/целика (Л), позволяет разрабатывать параметры системы разработки, находящиеся в «оавном», с позиции нагружения горным давлением состоянии, при различных геометрических пропорциях несущих элементов системы разработки.

В качестве критерия выхода междукамерного целика из устойчивого состояния применялось соотношение М.П. Нестерова:

= аЫИ,

где а = 5,333 для целика по пласту АБ и а = 8 для целика по пласту Красный II.

Глинистый прослой моделировался контакт-элементами Гудмана.

З-сяагчшйд-ш«» |г.»

Рисунок 1 - Расчетная схема задачи при параметрах глинистого контакта С=0,3 Мпа, ф=10 град

Исследования влияния формы междукамерного целика выполнены для условий равного значения степени его нагружения для следующего диапазона изменения параметров: а = 3+16 м; Ь=2,7-И5 м; Ь=2,6+10 м. Расчетная схема задачи представлена на рисунке 1.

В результате выполненных исследований установлено, что повышенная устойчивость целиков с равной степенью нагружения соответствует целикам с максимальным значением их коэффициента формы X (X = Ь/Ь) (рисунки 2 а - 2 б). Значение последнего для условий глубины залегания продуктивной породной толщи Н=200+400 м, степени нагружения целиков С„ = 0,2+0,4 и выбранных параметров системы разра-

ботки изменяется в пределах от 0,215 до 2,75 согласно действующим нормативным документах».

« ТО

С шиной м «оии«тс —6п1«««м

'«ММ^СОМЯ*

а б

Рисунок 2 - График вертикальных оседаний междукамерного целика очистной камеры по пласту А Б (а) при С„=0,3 и по пласту Красный II

(б) при С„=0,35

Так, для условий увеличения коэффициента формы А. в 2 раза происходит увеличение срока устойчивого состояния междукамерных целиков пластов АБ и Красный II в среднем в 5 раз. Большая устойчивость целиков по пласту Красный II объясняется их меньшей деформативно-стъю.

При прочих равных условиях, равная степень нагружения междукамерных целиков оперирует величиной ширины камеры. Согласно действующим нормативным документам, этот параметр принимается равным ширине камеры на уровне почвы либо на уровне максимальной ширины сечения камеры. При этом оценка рациональности изменения площади целика по его высоте, е том числе с позиции увеличения контактной поверхности «целик-кровля», заключающейся в изменении радиуса свода выработки, не ведется. Такое упущение обусловлено сложившейся за последние десятилетия практикой ведения горных работ комбайновыми комплексами с планетарным исполнительным органом.

Однако, современные технические возможности и Iсиленичсскнс условия затегания продуктивных породных пластов свидетельствуют о возможности эффективного применения комбайнов с барабанным исполнительным органом. В этой связи, задача оценки влияния формы камеры является актуальной задачей геомеханнкн.

Исследование влияния параметров междукамерного целика выполнены для очистной камеры прямоугольной и арочной формы, при изме-

немни радиуса свода камеры в диапазоне R=0,5-H,8 м для условий пластов АБ и Красный II. Оценка влияния радиуса свода кровли очистной камеры выполнена в виде комплексного показателя, представляющего собой отношение радиуса свода камеры к высопгс очистной камеры R/h.

При стремлении параметра R/h к 0,5 отмечается увеличение срока устойчивого состояния междукамерных целиков, ослабленных прослоем соленосной глины на контакте «целик-кровля» за счет снижения средней скорости их вертикальных деформаций (рисунок 3). Превышение параметром R/h величины 0,5 приводит к снижению устойчивости такого между камерного целика.

Рисунок 3- График вертикальных оседаний междукамерного целика очистной камеры различного сечения по пласту Красный II

при С=0,35

Одним из эффективных способов минимизации влияния глинистого прослоя на устойчивость горных выработок в условиях ВКМКС, является оставление защитной пачки из достаточно монолитных пород, отделяющих кровлю выработки от прослоев соленосной глины. Такой подход позволяет увеличить срок устойчивого состояния горных выработок. При этом определение соотношения между мощностью защитной пачки и сроком устойчивого состояния выработки является актуальной задачей геомехаиики.

В качестве критерия потери устойчивости кровли выработки принято формирование зон запредельного деформирования, связывающих прослой соленосной глины, моделированный контакт-элементами Гуд-мана, с контуром выработанного пространства.

Выполненные исследования покали двухстадийный механизм разрушения кровли выработок - сначала происходит разрушение плоской

■ « ■

а б

Рисунок 4 - Расчетная схема задачи (а) и динамика роста зон запредельного деформирования (б) в породах, вмещающих подготовительную выработку по пласту Красный II при п = 0,5 м

В результате выполненных расчетов установлена зависимость срока устойчивого состояния слоистой кровли выработки, для случая ослабления ее прослоем соленосной глины, отделенной от контура выработки защитной пачкой мощностью п:

чЦ6

г = т°6щ •

'ра р

20,8

ио

при

п/0.15

при

л / ¿р > 0.15 ,

где 1Р - расчетный пролет выработки (¿р = 0,75*/? + /„, где /„ - ширина плоской части кровли выработки); И - радиус свода выработки;

Г*% - время устойчивого состояния горной выработки без учета влияния устойчивости защитной пачки; Тра - общее время устойчивого состояния выработки.

Полученная зависимость применена в методических средствах оценки устойчивости горных выработок в условиях ВКМКС, изложенных в «Технологическом регламенте по охране и креплению горных выработок на рудниках ОАО «Уралкалнй»».

При эксплуатации подготовительных и капитальных выработок срок их службы может достигать больших значений и требует предотвращения опасности потери устойчивости горных выработок, что достигается за счет применения различной крепи, в том числе анкерной. Для оценки применимости выявленной закономерности устойчивости кровли гор-

ных выработок от параметров защитной пачки выполнена расчетная оценка их эффективности на случай применения анкерной крепи

Применение анкерной крепи увеличивает расчетный срок устойчивого состояния кровли выработки, при оставлении защитной пачки мощностью п < 0,7 м, в 1,2—1,4 раза. Установлено, что увеличение срока устойчивого состояния кровли выработки охраняемой анкерной крепью достигается за счет сокращения площадей выявленных зон нарушенное™ пород кровли. Выполненные исследования позволили обобщить установленную зависимость времени устойчивого состояния кровли выработки при оставлении защитной пачки на случай применения анкерной крепи.

Практика ведения горных работ на ВКМКС показывает, что наименьшей устойчивостью обладают породы, вмещающие мощные глинистые прослои, мощность которых в условиях ВКМКС варьируется от долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров. В последнем случае вполне корректно интерпретировать глинистый прослой как отдельный породный блок конкретной мощности.

Исследования влияния мощности глинистого прослоя выполнены для условий подготовительной выработки по пласту Красный II для упрощенной (прямоугольной) формы выработки. Оценивалось влияние глинистого прослоя, мощностью от 0,005 до 0,2 м, отделенного от кровли выработки защитной пачкой на срок устойчивого состояния кровли выработки. Глинистые прослойки дискретизировались треугольными конечными элементами.

Установлено, что активизация процесса разрушения пород кровли выработки при мощности защитной пачки п < 0,7 м, происходит при мощности глинистого прослойка ш > 0,005 м. В диапазоне исследуемой мощности глинистого прослойка установлена зависимость его мощности на срок устойчивого состояния выработки для условий применения методик, изложенных в «Технологическом регламенте по охране и креплению горных выработок на рудниках ОАО «Уралкалий»»:

Процессы деформирования и разрушения конструктивных элементов системы разработки тесно связаны с вопросами состояния водозащитной толщи (ВЗТ), отделяющей продуктивную породную толщу от обводненной вышележащей толщи, и оценке процессов оседаний зем-

Т = Т

при 7Я>0,01.

при т < 0,01

ной поверхности, что нашло яркое выражение в действующих на месторождении нормативных документах.

Однако, значительный объем изысканий выполненных сотрудниками ВНИИ Галургии, ГИ УрО РАН и ОАО «Галургия» по проблематике комплексного геомеханического прогноза состояния системы разработки и подработанной породной толщи выявил ряд проблем. Одной из таких проблем является отсутствие методических основ проведения теоретических мониторинговых исследований на участках шахтных полей действующих рудников, где оценка процесса деформирования и разрушения системы разработки по натурным данным доступна только на основе значений оседаний земной поверхности.

Для оценки механизма разрушения вмещающих очистные выработки пород, включающие прослои соленосной глины, состояния ВЗТ и динамики развития процессов оседания земной поверхности предложены методические основы выполнения мониторинговых прогнозных исследований, основанных на использования численных средств. Главная особенность исследований - комплексное изучение состояния массива на основе совместной оценки его естественного и нарушенного горными работами состояния на разных масштабных уровнях. В качестве примера рассмотрена оценка механизма погашения выработанных пустот на одном участке действующего рудника в условиях ВКМКС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований установлены новые и уточнены существующие закономерностей деформирования и разрушения породного контура горных выработок, включающего прослои соленосных глин на калийных рудниках, для выбора оптимальных геомеханических параметров подготовительных и очистных выработок.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. На основе выполненных исследований устойчивости междукамерных целиков, ослабленных на контакте «целик-кровля» глинистым прослойком установлена рациональная форма целика, достигаемая при отношении радиуса свода кровли выработки (Я) к ее высоте (Ь), равным 11/11=0,5, и максимальном значении коэффициента формы целика к, изменяемого в условиях ВКМКС до значения 2,75.

2. Оставление в кровле горных выработок, пройденных по сильви-нитовому пласту, арочного и прямоугольного сечения защитной пачки из монолитной породы мощностью n/Lp >0,15 м, где Lp - расчетный пролет выработки, исключает влияние прослоя соленосной глины на устойчивость кровли. При выполнении условия n/Lp <0,15 м, снижение срока устойчивого состояния кровли горной выработки описывается степенной функцией отношения мощности защитной пачки к расчетному пролету выработки.

3. Сокращение срока устойчивого состояния кровли капитальной (подготовительной) выработки при оставлении защитной пачки n/Lp <0,15 м происходит при мощности глинистого прослоя m > 0,005 м. Для условий ш < 0,2 м зависимость снижения срока устойчивого состояния кровли капитальной (подготовительной) выработки описывается степенной функцией от мощности глинистого прослойка.

4. Выполнена корректировка действующих инженерных методик оценки устойчивости кровли горных выработок, содержащихся в «Инструкции по применению анкерной крепи на рудниках ОАО «Уралка-лий»», разработан и введен в действие «Технологический регламент по охране и креплению горных выработок на рудниках ОАО «Уралка-лий»».

5. Разработаны методические основы проведения геомеханического прогнозного мониторинга недр и земной поверхности в условиях ВКМКС на основе применения численных средств математического моделирования.

6. Разработанные инженерные средства применены при проектировании параметров систем разработки в проектах 51.178 и 52.088.

7. Модернизирован пакет МКЭ - программ Earth 2D. 1 для решения плоских задач упругости и вязкоупругости с учетом наличия плоскостей ослабления контактного типа. Получен патент о государственной регистрации на программу Earth 2D.1 (Свидетельство № 2011610648)..

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах.

Издания, рекомендованные ВАК РФ:

1. Константинова С.А., Чистяков А.Н., Чернопазов Д.С. Новая методика оценки времени устойчивого состояния подготовительных выработок на рудниках ОАО «Сильвинит» // «Маркшейдерия и недропользование»: М., 2008. №1. С. 21-30.

2. Константинова С.А., Чернопазов С.А., Чернопазов Д.С. Оценка геодинамической безопасности недр и земной поверхности на эксплуатируемых участках верхнекамского месторождения калийных и калий-но-магниевых солей // Известия вузов. Горный журнал. 2009. №8. С.79 -84

3. Константинова С.А., Соловьев В.А., Чернопазов Д.С. Вскрытие и подготовка запасов калийных руд на шахтном поле Талицкого ГОКа // Известия ТулГУ. Науки о Земле. Вып. 2, 2010. С. 135 - 143

4. Константинова С.А., Чернопазов Д.С. Контактная задача с трением для системы вязкоупругих тел и некоторые ее практические приложения // Известия вузов. Горный журнал, 2010. №7. С. 46-52.

5. Константинова С.А., Чернопазов Д.С., Ваулина И.Б. Ретроспективная и перспективная оценка геодинамической безопасности недр и земной поверхности при эксплуатации пластового калийного месторождения // Вестник нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. №4. Часть 5. Н. Новгород: Изд-во ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2011. С. 2591-2594.

Патентные свидетельства:

6. Программа для решения плоских задач упруговязкопластично-сти методом конечных элементов (Earth - 2D.1)/ Свидетельство № 2011610648 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Правообладатель: ОАО «Галургия». Заявка № 2010616586 27.10.2010; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11.01.11. Разработчики: Ги-лев М.В., Константинова С.А., Чернопазов С.А., Чернопазов Д.С.

Изд. Лиц. ЛР №020300 от 12.02.97. Подписано в печать Формат бумаги 60x84 ух6 . Бумага офсетная.

Усл.печл. 1,5. Уч.-издл. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ 39 Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр.Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГу. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 95

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Чернопазов, Дмитрий Сергеевич, Тула

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреяедение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»

04201364958

На правах рукописи

ЧЕРНОПАЗОВ Дмитрий Сергеевич

ВЛИЯНИЕ СОЛЕИОСНЫХ ГЛИН НА УСТОЙЧИВОСТЬ ГОРНЫХ е>ЫР/*БОТО£ в Ус/\£хвмт~ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

КАЛИЙНЫХ СОЛЕЙ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная

аэрогазодинамика и горная теплофизика

диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д-р техн. наук, профессор Качурин Николай Михайлович

Тула-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..............................................................................................................................................9

1.1. Краткая характеристика Верхнекамского месторождения калийных и калийно-магниевых солей................................................9

1.2. Общая характеристика соленосных глин..........................................12

1.3. Краткий обзор и критическая оценка известных в литературе результаты исследований поверхностей ослабления в породном массиве....................................................................................18

Цель и задачи исследования..........................................................................38

ГЛАВА 2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДРАБОТАННОЙ ПОРОДНОЙ ТОЛЩИ И КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК........................................................................................................................................................40

2 ^ Физико-механические показатели пород продуктивной

толщи....................................................................................................................................40

_ _ Реологические свойства пород соленосной толщи

ВКМКС..............................................................................................................................48

Оценка эффективности применения реологической мо-2.3. дели деформирования и разрушения соляных пород

ВКМКС..............................................................................................................................52

2 ^ Постановка и алгоритм решения контактной задачи для

системы деформируемых тел........................................................................57

Выводы по главе 2..................................................................................................64

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГЛИНИСТЫХ КОНТАКТОВ НА СОСТОЯНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК............................................................66

3.1. Влияние прослоя глины на контакте «целик-кровля» междукамерного целика очистной выработки на его устойчивость................................................................................................................66

3.2. Оценка устойчивости подготовительной выработки с глинистым контактном в кровле................................................................74

3.3. Влияние параметров анкерной крепи натяжного типа на устойчивость кровли подготовительных выработок при

наличии слабого контакта в кровле выработки............................81

Выводы по главе 3..................................................................................................86

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МОЩНОСТИ ГЛИНИСТЫХ ПРОСЛОЕВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ КОНСТРУКТИВНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК............................................................87

4.1. Оценка срока устойчивого состояния защитной пачки в

кровле капитальной (подготовительной) выработки..............................................................................................................................................87

4.2. Оценка срока устойчивого состояния защитной пачки в

кровле очистных выработок..........................................................................92

4.3. Влияние параметров анкерной крепи натяжного типа на устойчивость кровли подготовительных выработок при

наличии слабого контакта в кровле выработки............................97

4.4. Оценка влияния прослоя соленосной глины, расположенной в кровле капитальной (подготовительной) выработки....................................................................................................................................100

4.5. Оценка влияния формы выработок на срок устойчивого

состояния защитной пачки..............................................................................106

Выводы по главе 4..................................................................................................112

ГЛАВА 5. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ, ПОДРАБОТАННОЙ ПОРОДНОЙ ТОЛЩИ И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ......................................................................................................114

5.1. Формы проявления горного давления при разработке

ВКМКС..........................................................................................................................114

5.2. Методика перспективной и ретроспективной геодинамической оценки безопасности недр и земной поверхности ......................................................................... 116

5.3. Пример применения методических основ прогнозного геомеханического мониторинга в условиях блока 199

рудника СКРУ-1........................................................................................................121

Выводы по главе 5..................................................................................................138

Заключение....................................................................................................................................140

Список использованных источников....................................................................142

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Добыча калийных солей на Верхнекамском месторождении (ВКМКС) ведется подземным способом с применением камерной системы разработки. С течением времени происходит разрушение отдельных конструктивных элементов горных выработок, что приводит к потере их устойчивости в целом. Определение срока устойчивого состояния горных выработок, определяемых на этапе проектирования, является приоритетной задачей, повышенная точность решения которой требует учета максимального числа влияющих факторов.

Выполнение прогнозной оценки срока устойчивого состояния горных выработок в условиях ВКМКС осложнено необходимостью учета значительной вязкости соляных пород и низкопрочных глинистых прослоев. Последние, располагаясь вблизи контура выработки, активизируют процессы сдвига и последующего расслоения между отдельными породными блоками, что в свою очередь, приводит к потере устойчивости горных выработок в виде обрушения отслоившихся пород в отработанное пространство.

Современное промышленное освоение ВКМКС характеризуется разнообразием технологических схем, параметров горных выработок и применяемого проходческого оборудования. Такие условия ставят важные для практики ведения горных работ задачи разработки инженерных и методических средств оценки влияния прослоев соленосных глин на срок устойчивого состояния горных выработок в зависимости от горнотехнических и горно-геологических условий и определения их рациональных параметров.

Объект исследований. Породы продуктивной породной толщи Верхнекамского месторождения калийных солей.

Предмет исследований. Процессы деформирования и разрушения горного массива, вмещающего выработки различного назначения, ослабленного прослоями соленосных глин.

Цель работы заключается в установлении закономерностей деформирования и разрушения породного контура горных выработок, включающих прослои соленосных глин, для выбора оптимальных параметров горных выработок.

Основная идея работы заключается в оценке влияния положения поверхностей ослабления вязкоупругого соляного массива, в виде прослоев соленосных глин, на процессы деформирования и разрушения горных выработок в условиях ВКМКС.

Методы исследования включали анализ и обобщение теоретических и натурных исследований по проблеме влияния соленосных глин на устойчивость отдельных конструктивных элементов горных выработок, математический аппарат механики деформируемого твердого тела, математическое моделирование геомеханических процессов на основе метода конечных элементов, численный метод решения задач контактного типа.

Основные научные положения, защищаемые автором, сформулированы следующим образом:

для определенной степени нагружения сильвинитового междукамерного целика, ослабленного прослоем соленосной глины на контакте «целик-кровля», максимальный срок его устойчивого состояния достигается при отношении радиуса свода кровли выработки (R) к ее высоте (h), равным R/h=0,5, и максимальном значении коэффициента формы целика А, равным отношению его ширины к высоте, изменяемого в условиях ВКМКС до значения 2,75;

оставление в кровле горных выработок, пройденных по сильвинитовому пласту, арочного и прямоугольного сечения защитной пачки, из монолитной породы мощностью n/Lp >0,15 м, где Lp - расчетный пролет выработки, исключает влияние прослоя соленосной глины на устойчивость кровли. При выполнении условия n/Lp <0,15 м, снижение срока устойчивого состояния кровли горной выработки описывается степенной функцией отношения мощности защитной пачки к расчетному пролету выработки;

сокращение срока устойчивого состояния кровли капитальной (подготовительной) выработки при оставлении защитной пачки n/Lp <0,15 м происходит при

мощности глинистого прослоя m > 0,005 м. Для условий m <0,2 м зависимость снижения срока устойчивого состояния кровли капитальной (подготовительной) выработки описывается степенной функцией от мощности глинистого прослойка.

Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:

установлены закономерности потери устойчивости очистных выработок, при ослаблении междукамерного целика прослоем соленосной глины на контакте «целик-кровля», в зависимости от формы их сечения;

установлены зависимости изменения времени устойчивого состояния кровли горных выработок от мощности защитной пачки и глинистого прослойка;

установлена зависимость времени устойчивого состояния кровли подготовительной выработки, охраняемой анкерной крепью, от мощности защитной пачки и параметров анкерной крепи.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается:

применением корректной апробированной феноменологической модели деформирования и разрушения соляных пород;

использованием объективной горно-геологической, маркшейдерско-геодезической и геомеханической информации в качестве исходных данных;

высокой степенью сходимости применяемых прямых и итерационных методов решения численных задач; удовлетворительным соответствием полученных методом математического моделирования результатов натурным данным.

Практическая значимость и реализация работы.

• Результаты использованы при проектировании систем разработки для условий рудников ОАО «Уралкалий» (проекты 51.178 и 52.088).

• Выполнена корректировка действующих инженерных методик оценки устойчивости кровли горных выработок, содержащихся в «Инструкции по применению анкерной крепи на рудниках ОАО «Уралкалий»», разработан и введен в действие «Технологический регламент по охране и креплению горных выработок на рудниках ОАО «Уралкалий»».

• Модернизирован пакет МКЭ - программ Earth 2D. 1 для решения плоских задач упругости и вязкоупругости с учетом наличия плоскостей ослабления контактного типа. Получен патент о государственной регистрации на программу Earth 2D.1 (Свидетельство № 2011610648).

• Разработаны методические основы проведения геодинамического прогнозного мониторинга недр и земной поверхности в условиях ВКМКС на основе применения численных средств математического моделирования.

Личный вклад автора состоит в сборе, анализе и обобщении данных исследований влияния прослоев соленосных глин на процессы деформирования и разрушения пород соленосной толщи; разработке расчетных схем и выполнении исследований закономерностей деформирования и разрушения породного массива, вмещающего горные выработки, ослабленных прослоями соленосных глин; выполнении корректировки действующей инженерной методики; создании и отладке отдельных модулей программы Earth 2D.1.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на научно-практических конференциях, в том числе на Всероссийской школе-конференции «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2006 г., 2007г.), конференции «Прикладная математика и механика» (Пермь, 2007), Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (Екатеринбург, 2008 г.), международной школе -семинаре «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород» (Санкт-Петербург, 2010 г.), Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, 2006 г., 2011 г.), конференции «Актуальные проблемы математики, механики, информатики» (Пермь, 2011), на заседании кафедры МСС и ВТ ПГНИУ (Пермь, 2012 г.), на заседании научно-технического совета ОАО «Галургия» (Пермь, 2012 г.), на заседании секции «Геомеханика» Института Горного дела УрО РАН г. Екатеринбург (2012 г.), на научной сессии Горного Института УрО РАН (Пермь, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 6 статьей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 156 страницах, содержит 76 иллюстрации и 8 таблиц. Список использованных источников состоит из 144 наименования.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность руководителям работы Константиновой Светлане Александровне и Качурину Николаю Михайловичу за неоценимую помощь при написании работы, Матвеенко Валерию Павловичу и Соловьеву Вячеславу Алексеевичу за организационную поддержку, внимание и ценные советы, а также сотрудникам лаборатории геодинамической безопасности ОАО «Галургия» и кафедры «Механика сплошных сред и вычислительных технологий» Пермского государственного национального исследовательского университета за методическую и организационную помощь.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Краткая характеристика Верхнекамского месторождения калийных

и калийно-магниевых солей

Верхнекамское месторождение калийных и калийно-магниевых солей (ВКМКС) принадлежит к числу крупнейших месторождений полезных ископаемых на территории Российской федерации и расположено в Пермском крае. Открытое в 1925 г., месторождение обладает значительными ресурсами, разрабатываемыми на пяти рудниках Открытого акционерного общества «Уралкалий», и занимает площадь, приблизительно равную 4000 км .

Соленосные отложения месторождения охватывают иренский горизонт кун-гурского яруса нижней перми [1], представляющий собой (снизу вверх) глинисто-ангидритовую толщу мощностью 150 - 300 м и толщу солей, представленную подстилающей каменной солью со средней мощностью 300м, толщей калийных солей и покровной каменной солью с мощностью изменяемой от нескольких метров до 55 м [2]. В свою очередь калийная толща подразделяется на сильвинито-вую (средняя мощность 22 м) и сильвинит-карналлитовую (средняя мощность 6070 м) зоны.

Выше покровной каменной соли залегает соляно-мергельная толща (СМТ), отделенная от покровной каменной соли переходной пачкой мощностью до 10 м, представляющей собой переслаивающиеся каменной солью пласты глинисто-мергельных, аргелитовых и карбонатных пород. Средняя мощность СМТ составляет 100 м, достигая местами 160 м. Кроме солей, в СМТ широко распространен гипс и ангидрит.

Выше СМТ располагается терригенно-карбонатная толща (ТКТ), сложенная известняками, доломитами, песчаниками и алевролитами. Средняя мощность ТКТ составляет 100- 150м.

На породах ТКТ залегает пестроцветная толща (ПЦТ). Породы ПЦТ представлены пестроцветными и красноцветными терригенными отложениями

шешминского горизонта уфимского яруса. Толща сложена песчаниками и алевролитами бурыми, зеленовато-серыми и серыми, иногда с маломощными пропластками мергелей и известняков.

Четвертичные отложения (С2) присутствуют на всей площади месторождения и представлены глинами, суглинками, супесями, песками и галечниками при средней мощности 10 м.

В основе каменной соли, представленной на месторождении подстилающей и покровной каменной солью, а также зонами замещения продуктивных пластов, лежит практически мономинеральная порода, представленная на 90-98 % галитом. В качестве примесей встречаются доломит-ангидритовые, глинисто-ангидрито-доломитовые и глинисто-гипс-ангидритовые разности.

Продуктивная породная толща представлена сильвинитом, карналлитом, глинисто-ангидритовыми прослойками и каменной солью.

Сильвинит представляет собой биминеральную породу, сложенную галитом и сильвином (КС1). По текстурно-структурным особенностям выделяют красный сильвинит (сильвин в сочетании с галитом с примесью гидроокислов железа - ге-тита), пестрый (возникает в результате выноса из карналлита) и полосчатый (сильвинит с преобладающим содержанием сильвина над галитом).

К особенностям ВКМКС следует отнести мелкослоистость. Так в пласте Красный II выделяют 7 слоев, из которых нечетные обогащены сильвином, а в четных преобладает галит. Средняя мощность пласта Красный II по месторождению составляет 5,5 м [3].

Другой особенностью Верхнекамского месторо