CC BY
20
УДК 622.831
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТОЙЧИВЫХ МЕЖДУКАМЕРНЫХ ЦЕЛИКОВ И ОБНАЖЕНИЙ КРОВЛИ КАМЕР НА ТЫРЕТСКОМ РУДНИКЕ
© А.Н. Авдеев1, А.А. Давиденко2, Л.И. Сосновский3
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Выемка запасов каменной соли должна производиться без ее засорений. Приводятся результаты исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) конструктивных элементов камерно-столбовой системы разработки пласта каменной соли Тыретского рудника. Установлены параметры устойчивых целиков, обнажений камер и предохранительных целиков от засорения вмещающими породами. Ил. 7. Табл. 3. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: камеры; целики; месторождение соли; напряженно-деформированное состояние; параметры геотехнологий.
PARAMETER JUSTIFICATION OF SUSTAINABLE INTERVENING PILLARS AND ROOF EXPOSURES AT TYRET MINE
A.N. Avdeev, A.A. Davidenko, L.I. Sosnovskiy
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Excavation of rock salt reserves should be performed without clogging. The article presents the study results of the stress-strain state (SSS) of structural elements of the breast and pillar system of Tyret rock salt mine. It also determines the parameters of sustainable pillars, chambers and safety pillar exposures from clogging with host rocks. 7 figures. 3 tables. 4 sources.
Key words: chambers; pillars; salt deposit; stress-strain state; parameters of geotechnologies.
Выемка запасов каменной соли с целью исключения ее засорения вмещающими породами должна производиться при устойчивых целиках и обнажениях камер. Кроме того, необходимо оставлять предохранительные целики, предотвращающие прихват пород. Задачи непростые, поэтому вопросы изыскания методов определения параметров геотехнологии добычи каменной соли являются актуальными.
Авторы провели исследования геомеханических условий и обосновали методы определения параметров устойчивых целиков и обнажений камер на Тырет-ском солеруднике, расположенном в Восточной Сибири.
Добыча каменной соли Тыретского рудника производится камерно-столбовой системой разработки. В настоящее время отрабатывается пласт №5 с глубиной залегания 500-600 м.
Геометрические параметры очистных выработок пласта №5, в соответствии с проектом на его отработку, следующие. Мощность пласта составляет 15-17, в среднем 16,6 м. Средняя высота камеры, учитывая тот факт, что в кровле и почве камеры оставляется слой соли, составляет около 15 м. Выемка пласта осуществляется камерной системой разработки. Дли-
на панели порядка 900 м, ширина 135-190 м. Ширина междукамерных целиков 20-27 м, межпанельных - 40 м.
Моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) разработки пласта №5 Тыретского солерудника проведено по методике Института горного дела Уральского отделения Российской академии наук при помощи программного комплекса FEM (автор проф. Зотеев О.В.) [3]. При этом учитывались физико-механические характеристики полезного ископаемого и вмещающих пород, количество отрабатываемых камер, положение земной поверхности и глубина разработки.
На основании анализа значений первоначальных напряжений горного массива, принятых по гипотезе гравитационных напряжений А.Н. Динника [2, 3] и физико-механических свойств пород, а также геометрических параметров и положения горных выработок относительно друг друга и земной поверхности, для моделирования геомеханического состояния конструктивных элементов камерной системы разработки выбрано 15 моделей с основными характеристиками, приведенными в табл. 1. Схемы моделей изображены на рис. 1 и 2.
1Авдеев Аркадий Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: (3952) 405085, e-mail: 1 .gor@istu.edu
Avdeev Arkadiy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: (3952) 405085, e-mail: 1 .gor@istu.edu
2Давиденко Алексей Александрович, аспирант, тел.: (3952) 405216, e-mail: 1 .gor@istu.edu Davidenko Aleksei, Postgraduate, tel.: (3952) 405216, e-mail: 1 .gor@istu.edu
3Сосновский Леонид Иннокентьевич, доктор технических наук, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, тел.: (3952) 405216, e-mail: 1.gor@istu.edu
Sosnovskiy Leonid, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Mineral Deposits Development, tel.: (3952) 405216, e-mail: 1 .gor@istu.edu
Таблица 1 Параметры геомеханических моделей
Параметры моделирования Значение
Количество моделей 15
Количество отрабатываемых камер 1-6
Высота камеры, м 15
Глубина разработки, м 500, 550, 600
Вертикальные первоначальные напряжения, МПа -10,5... -12,6
Горизонтальные первоначальные напряжения, МПа -3,9... -4,7
Ширина камеры, м 5, 12.5, 15, 25
Ширина междукамерного целика, м 10, 15, 22.5, 25
Категория устойчивости массива горных пород (КУМ) 4-5
Коэффициент Пуассона 0,27
Модуль деформации пород, М па 1000-5000
Начальный угол внутреннего трения, град 25
Сцепление пород, МПа 6
Плотность пород, кг/м3 2,21
Предел прочности пород на сжатие в образце, МПа -32.4
Предел прочности пород на растяжение в образце, МПа 1,75
Для моделирования сначала были выбраны 9 моделей при ширине камер 10, 15, 20 м и ширине целика 5, 15, 25 м. Количество отрабатываемых камер - 6.
При последовательной отработке камер напряжения в кровле и в междукамерных целиках практически не изменяются после выемки запасов первых трех камер. При выемке пяти-шести камер формируется плоское напряженное состояние в конструктивных элементах систем разработки [5-7]. Поэтому для анализа напряженно-деформированного состояния камер при последовательной отработке первых шести камер промоделировано дополнительно 6 моделей при ши-
рине камер 10-15 м и ширине междукамерных целиков 20-25 м - как наиболее устойчивых.
В процессе моделирования построены эпюры главных нормальных напряжений а1, о3, а также полных напряжений о = о1+о3 на контуре очистных камер (рис. 3). На основании эпюр определены главные нормальные напряжения на контуре кровли и междукамерных целиков о1 и о3 в наиболее опасных точках на контуре камер и целиков и построены зависимости изменения техногенных напряжений на контуре очистных камер от числа отрабатываемых камер при различных соотношениях размеров камер и междукамерных целиков (рис. 4-6).
Как мы уже отмечали, при последовательной отработке камер напряжения в кровле и в междукамерных целиках практически не изменяются после выемки запасов первых трех камер (см. рис. 4). Плоское напряженное состояние в конструктивных элементах систем разработки формируется при выемке 5-6 камер, и потому оценку устойчивости кровли и междукамерных целиков можно производить по данным моделирования этих условий, так как дальнейшее увеличение очистного пространства существенно не изменит напряженное состояние подрабатываемого массива.
В кровле камеры возникают растягивающие напряжения. На стенках междукамерных целиков действуют сжимающие напряжения. Напряжения увеличиваются с увеличением пролета камеры и глубины разработки (см. рис. 5-6).
Устойчивость подрабатываемого массива зависит от напряжений как кровли камер, так и междукамерных целиков. Поэтому делаем вывод, что параметры устойчивых пролетов камер и междукамерных целиков взаимосвязаны.
Результирующие (полные) напряжения о для выбора рациональных параметров целиков и обнажений камер необходимо сравнить с допустимыми значениями.
Допустимые напряжения на сжатие и растяжение горных пород определяются из выражений [3] для кровли камер:
Рис. 1. Схема моделей 1-6. Параметры моделей: количество камер 1...6; глубина разработки 600 м; очистные камеры шириной 12.5 м; междукамерные целики шириной 22.5 м
Рис. 2. Схема моделей 7-15. Параметры моделей: количество камер 6; глубина разработки 500, 550, 600 м; очистные камеры шириной 10 (модели 7, 8, 9), 15 (модели 10,11,12), 20 м (модели 13,14,15); междукамерные
целики шириной 5 (а), 15 (б), 25 (в) м соответственно
а
< • К
доп
К
дл
ститута физики и механики горных пород Киргизии [4]) составит при времени службы целиков 2-3 года - 1.8, (1) 3-6 лет - 2.5.
Коэффициент Кф определяется из выражения
для междукамерного целика:
а
аж ■ к ■ К
ф
доп
К
дл
где аСЖ и аЦ - пределы прочности на сжатие и
об
растяжение горных пород в массиве, МПа; ас
об
ар - пределы прочности на сжатие и растяжение
горных пород в образце, МПа; Кс - коэффициент структурного ослабления; Кдл - коэффициент запаса прочности, зависящий от требуемого времени службы целиков; Кф - коэффициент, учитывающий форму целика (коэффициент Церна).
Величина Кс, ввиду высокой пластичности соли, принята равной 1. Коэффициент Кдл (по методике Ин-
кф =
(2) где 1ц - ширина целика, м; Иц -высота целика,
м.
Полученные расчетные коэффициенты и допустимые напряжения приведены в табл.2.
Сравнительная оценка расчетных напряжений с допустимыми позволяет отметить следующее.
На глубинах 500-600 м при пролете камер 10-15 м при небольших сроках службы целиков (до 3 лет) для обеспечения устойчивости междукамерных целиков достаточно оставлять междукамерные целики 1522 м; при более продолжительных сроках рекомендуется увеличивать целики до 20-26 м. Параметры устойчивых междукамерных целиков при различных обнажениях камер на исследуемых глубинах приведены в табл. 3.
ц
ц
Рис. 3. Эпюры полных напряжений о на контуре камеры шириной 15 м при ширине междукамерных целиков 25 м
и глубине горных работ 600 м
б
Рис. 4. Напряжения на контуре очистных камер при последовательной отработке шести камер: а - первой камеры, б - средней камеры; 1, 2 - в кровле и стенке камеры соответственно
и, МПа
\
\\
Ширина целика, м
б
Рис. 5. Графики полных напряжений в кровле камеры (а) и в междукамерном целике (б) при различной ширине междукамерного целика при глубине горных работ б0о м: 1, 2, 3 - при ширине камеры 10,15, 20 м соответственно; 4, 5 - линия допустимых напряжений для времени службы целиков 2-3 года и 3-6 лет
соответственно
Таблица 2
Значения допустимых напряжений на сжатие и растяжение горных пород в массиве
Ширина целика, м 5 15 25 5 15 25
Высота целика, м 15 15 15 15 15 15
Коэффициент формы 0.58 1.00 1.29 0.58 1.00 1.29
Коэффициент структурного ослабления, Кс 1 1 1 1 1 1
Срок службы целиков 2-3 года 3-6 лет
Коэффициент запаса прочности 1.8 1.8 1.8 2.5 2.5 2.5
об Предел прочности на сжатие в образце С>сж , МПа -32.4 -32.4 -32.4 -32.4 -32.4 -32.4
Предел прочности на растяжение в образце сторб, МПа 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75
Допустимые напряжения на растяжение в кровлест^оп, МПа 0.97 0.97 0.97 0.70 0.70 0.70
Допустимые напряжения на сжатие в целике^СЖ, МПа -10.39 -18.00 -23.24 -7.48 -12.96 -16.73
а
а
Тем не менее, выемка камер шириной 10-15 м не обеспечивает устойчивость кровли камер, так как возникают растягивающие напряжения выше допустимых значений (см. рис. 5а). По-видимому, чтобы обеспечить устойчивость кровли, в ней необходимо оставлять предохранительный целик размером, соответствующим зоне растягивающих напряжений. Для определения параметров предохранительного целика произведем анализ зоны растягивающих напряжений в кровле очистных камер.
Следует отметить, что в результате моделирования методом конечных элементов техногенных напряжений в массиве горных пород вокруг очистных камер и в целиках, в кровле очистных камер выявлен слой растягивающих напряжений, превышающих допустимые. По данным моделирования построены зависимости глубины разрушающегося слоя Ир от ширины междукамерного целика при различной ширине камер
(рис. 6) и глубины разрушающегося слоя Ир от количества отрабатываемых камер для условий устойчивых междукамерных целиков: т.е. при ширине камеры и междукамерного целика, соответственно 12.5 м и 22.5 м (рис. 7).
Анализ зависимостей позволяет отметить, что толщина слоя увеличивается при увеличении пролета камеры и уменьшении размеров междукамерных целиков от 14 до 2.5-3 м. При устойчивых соотношениях размеров очистных камер 10-15 м и целиков 20-25 м размеры разрушающегося слоя составляют 1-2 м. При последовательной отработке камер шириной 12.5 м при междукамерных целиках 22.5 м ( модели 1-6) напряжения уменьшаются от 1.8-2 м (одна-две камеры) до 0.8-1 м (5-6 камер). Это можно объяснить эффектом "разгрузки" камеры и переноса давления на центральные участки и фланги подрабатываемого массива [4].
Таблица 3
Параметры устойчивых междукамерных целиков
Глубина разработки, м Время службы целиков Пролет камеры,м Ширина междукамерного целика, м
500 2-3 года 10 14
15 15.5
20 17
3-6 лет 10 18
15 22
20 25
550 2-3 года 10 14.5
15 17
20 19
3-6 лет 10 20
15 24
20 27
600 2-3 года 10 16
15 18
20 22
3-6 лет 10 23
15 26
20 30
Рис. 6. График зависимости глубины разрушающегося слоя hр от ширины междукамерного целика: 1, 2, 3 - при
ширине камеры соответственно 10,15, 20 м
I I I
1 2 3 4 5 6
Рис. 7. Графики зависимости глубины разрушающегося слоя Нр от количества отрабатываемых камер при ширине камеры и междукамерного целика соответственно 12.5 и 22.5 м на глубине горных работ 550-600 м
На основании результатов исследований разработаны рекомендации:
1. Параметры устойчивых междукамерных целиков и обнажений камер предлагается принимать по табл. 3 в зависимости от глубины разработки, ширины очистной камеры и срока службы целиков.
2. При ширине камер 10-15 м можно оставлять
междукамерные целики шириной 18-25 м. Для обеспечения устойчивости кровли очистных камер рекомендуется сохранять предохранительный целик толщиной 2 м, равный толщине зоны растягивающих напряжений.
Статья поступила 21.10.2014 г.
Библиографический список
1. Шуплецов Ю.П. Прочность и деформируемость скальных массивов. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 195 с.
2. Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. М.: Недра, 1994. 208 с.
3. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология. Екатеринбург: УрО РАН, 2001. 335 с.
4. Сосновская Е.Л., Сосновский Л.И. и др. Оценка возможности повышения извлечения каменной соли при определении рациональных параметров междукамерных целиков на Тыретском солеруднике // Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири. Иркутск: Изд-во ИрГТУ. 2011. № 11. С. 51-56.
УДК 622.243.272
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗАЛЕЖЕЙ (МЕСТОРОЖДЕНИЙ) КРЕПКИХ РАССОЛОВ НА ЮГЕ ИРКУТСКОГО АМФИТЕАТРА И ВОЗМОЖНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИХ РАЗРАБОТКИ
© В.А. Качин1, Е.А. Анциферов2, А.В. Карпиков3
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматриваются геологическая модель образования залежей крепких рассолов, условия их сохранения. Проанализированы пересыщенные рассолы, приводится время для срастания образующихся кристаллов, что дает возможность установить скорость движения рапы при ее добыче без осложнений. Табл. 2. Библиогр. 6.
Ключевые слова: рассол; структура; соль; залежь; рассолосодержащий коллектор; скорость движения рапы.
1Качин Виктор Афанасьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405659, e-mail: burenie@istu.edu
Kachin Victor, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel.: (3952) 405659, e-mail: burenie@istu.edu
2Анциферов Евгений Александрович, кандидат химических наук, доцент, директор Института металлургии и химической технологии им. С.Б. Леонова, e-mail: antsiferov@istu.edu
Antsiferov Evgeniy, Candidate of Chemistry, Associate Professor, Director of Leonov Institute of Metallurgy and Chemical Technology, e-mail: antsiferov@istu.edu
Карпиков Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405659, e-mail: burenie@istu.edu
Karpikov Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel.: (3952) 405659, e-mail: burenie@istu.edu
