CC BY
67
УДК 622.831
С.А. Константинова, Н.П. Крамсков,
Н.С. Азанова, Т.Ю. Журавлева
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОДНЫХ ОБРАЗЦОВ ЧАРСКОЙ СВИТЫ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ОСВОЕНИЮ ПОДКАРЬЕРНЫХ ЗАПАСОВ КИМБЕРЛИТОВЫХ ТРУБОК «Интернациональная» и «Мир»
|щеизкестно, что соляные породы обЛадаюТ уникальными реологическими свойствами. Горное давление в соляных и калийных рудниках проявляется в форме интенсивной ползучести прикон-турных пород, а также расслоения и отслоения пород по поверхностям ослабления (глинистым прослойкам).
Увеличение глубины горных работ и содержания в породах слабых глинистых прослойков усиливают влияние на деформирование и устойчивость пород вокруг горных выработок других факторов (например, близлежащих выработок), существенно изменяя характер и интенсивность проявления горного давления. Поэтому нередко применяемая в солях крепь горных выработок не соответствует условиям ее работы В ОАО
«Галургия» разработаны геомеханиче-ские основы методов прогнозирования и обеспечения устойчивости капитальных, подготовительных и очистных выработок в соляных породах с учетом особенностей деформирования и разрушения солей, их реальных свойств в натурных условиях и основных влияющих факторов, в том числе пространственной геометрии подземных сооружений, для эффективности и надежности применяемых на стадии проектирования и экс-
© С.А. Константинова, Н.П. Крамсков, Н.С. Азанова, Т.Ю. Журавлева, 2002
плуатации калийных и соляных рудников решений.
Все геомеханические разработки ОАО «Галургии» по вопросам прогноза и обеспечения устойчивости капитальных, подготовительных и очистных выработок в соляных породах, выполняющиеся с 1975 года, внедрены на Верхнекамском (Россия) и Старобинском (Беларусь) калийных месторождениях в виде рекомендаций по
• видам и параметрам крепи стволов и их сопряжений с приствольными выработками;
• обеспечению устойчивости горизонтальных выработок различного назначения;
• области применения анкерной крепи и расчету ее параметров, а
также использованы при составлении нормативно-методических документов по безопасному ведению горных работ на калийных рудниках России и Белоруссии.
Актуальность задачи исследования физико-механических свойств породных образцов чарской свиты применительно к освоению подкарьерных запасов алмазоносных трубок Якутии не вызывает сомнения, так как
• наличие мощных соленосных толщ во вмещающих породах (рис. 1), оказы-
вающих существенное влияние на характер деформирования вмещающих пород и параметры мульды сдвижения при разработке месторождений, является одним из основных факторов [1], влияющих на выбор системы и технологии подземной разработки;
• соляные породы различных месторождений обладают ярко выраженными реологическими свойствами, что предопределяет общие качественные закономерности их деформирования во времени, однако ввиду количественного отличия прочностных, деформационных и реологических показателей соляных пород различных месторождений для применения геомеханических разработок ОАО «Галургия» в горногеологических условиях рудников «Интернациональный» и «Мир» следует провести геомеханическую оценку состояния массива, одним из этапов которой является испытание физикомеханических свойств горных пород в лабораторных условиях [2].
Для оценки физико-механических свойств пород, вмещающих кимберли-товые трубки «Мир» и «Интернациональная» нами выполнен ретроспективный анализ фондовых материалов института «Якутнипроалмаз» (отчеты различных организаций), результатов диссертационной работы Н.А. Нико-лайчука (научные руководители -Н.С. Булычев и Ю.М. Карташов);
проведены лабораторные испытания породных образцов чарской свиты, полученных при геологоразведочных работах в руднике «Интернациональный».
В таблице приведены геологические данные и рассчитанные нами как средневзвешенные прочностные показатели пород свит, слагающих месторождение трубки «Мир» по скважинам №№ 303, 304 и 305, в районе которых в настоящее время сооружается вертикальный шахтный ствол.
Наименование свит Интервал глубины залегания свит, м Мощность свит, м Прочность на одноосное сжатие, Стсж, МПа Прочность на одноосное растяжение, стр, МПа
скв. № 303 скв. № 304 скв. № 305 скв. № 303 скв. № 304 скв. № 305
Илгинская 0 + 182,8 179,6 182,8 8,0 17,1 17,5 1,10 1,78 2,50
Верхоленская 179,6 318,8 133,9 137,6 6,5 6,5 13,4 1,25 0,91 1,80
Метегерская 313,5 442,8 123,6 124,0 20,0 18,3 24,8 1,80 2,58 3,10
Ичерская 437,5 536,0 88,8 98,8 30,1 19,5 29,5 2,35 2,95 3,90
Долериты 531,6 558,4 22,8 26,8 40,9 50,0 52,6 4,90 9,65 9,85
Чарская 562,4 868,0 294,4 305,6 31,7 26,3 28,1 2,18 3,02 3,78
Олекминская 852,4 + 1051,6 183,6 195,6 74,5 42,1 63,3 4,50 6,90 7,40
Толбачанская 1048 + 1051,6 — 46,8 35,3 55,1 3,80 5,28 5,49
Рис. 2. Зависимость размерного I пени их нагружения: 1 - "Мир" (Чаракаторожд^ияВеряржамское месторождение калийно-магниевых солей (подстилающая каменная соль)
Из рис. 1 и таблицы видно, следующее:
соленосная чарская свита имеет значительную (и 300 м) мощность;
прочностные показатели соленосных пород чарской свиты имеют в 1,5-2,0 раза меньшую прочность на одноосное сжатие и растяжение по сравнению с породами выше и ниже залегающих свит, что может свидетельствовать о меньшей жесткости (большей пластичности) соленосных пород.
Следует здесь отметить достаточно существенные отличия численных значений прочностных показателей, приведенных в таблице, от исходных данных, используемых ВНИМИ при оценке состояния бортов карьеров «Мир», «Айхал» и «Удачный».
Для оценки реологических показателей соленосных пород чарской свиты, которые характеризуют деформируемость их во времени, нами были обработаны кривые ползучести образцов, приведенные в диссертационной работе Н.А. Николайчука и полученные на испытательном оборудовании ВНИМИ.
Кривые продольной и поперечной ползучести описывались нелинейными интегральными уравнениями Вольтерра II рода с ядрами ползучести, зависящими от степени нагружения, в рамках феноменологической модели деформирования и разрушения соляных пород при длительном действии сжимающих нагрузок [3], принятой при геомеханических расчетах в ОАО «Галургии».
Установлено, что
предел длительной прочности
оа = 0,5 °ж;
безразмерный параметр ползучести а = 0,7;
✓ размерный параметр продольной ползучести 50 = 0,16
[суг]-
✓
параметр дол-
говечности р = 5,9.
На рис. 2 для сравнения показаны графики зависимости размерного параметра продольной ползучести породных образцов чарской свиты и подстилающей каменной соли Верхнекамского месторождения от степени их нагружения. Уместно здесь отметить, что испытания образцов подстилающей соли ВКМКС были проведены также на испытательном оборудовании и по методикам ВНИМИ [4].
На рис. 2 по горизонтальной оси откладывается степень нагружения образца ст1/стсж (где ст - действующее на образец сжимающее напряжение).
Результаты сравнительной оценки прочностных, деформационных и реологических показателей образцов соленосных пород чарской свиты и подстилающей каменной соли Верхнекамского калийного месторождения сводятся к следующему выводу.
У образцов соленосных пород чар-ской свиты
✓
прочностные характеристики
на сжатие (стсж, оа) на 20% выше,
^ прочность на растяжение (ор) в 2,0 раза выше,
^ модуль деформации £ в 1,5 раза выше,
^ реологический показатель 50 ниже, чем у образцов подстилающей каменной соли ВКМКС.
Другими словами, соленосные породы чарской свиты более прочные и менее деформативные по сравнению с соляными породами ВКМКС.
В институте ООО «Подземгаз-пром» (г. Москва) нами были испытаны две разновидности каменной соли чарской свиты, литолого-петрогра-фическое описание которых приводится ниже.
Каменная соль белого цвета, от полупрозрачной до прозрачной, равномернозернистая, гигантокристаллическая, с горизонталь-ными прослоями более прозрачной перекристаллизован-ной
соли. Мощность прослоев - (1-3) мм. В образцах наблюдаются частые тонкие субгоризонтальные трещины.
Каменная соль серого и бурого цвета, от полупрозрачной до непрозрачной, плотная, неравномернозернистая, от крупно- до гигантокристаллической, с горизонтальными прослоями более прозрачной перекристаллизованной соли мощностью (1-4) мм. Характерно дискование керна. В двух образцах наблюдается вертикальная трещина, мощностью до (3-4) мм, секущая образцы пополам и залеченная галопелитовым материалом.
На растяжение образцы были испытаны на приборе-пробнике «Викинг». Установлено, что предел прочности на растяжение ор составляет (0,7-1,1) МПа. Такая же прочность на одноосное растяжение характерна для образцов каменной соли большинства солеродных бассейнов.
Предел прочности при одноосном сжатии (осж) определяли в режиме быстрого нагружения и с постоянной скоростью деформирования в соответствии с ГОСТами на испытательной машине Еи-100. В первом случае нагрузка прикладывалась к образцам со скоростью 1 МПа/с. Испытания с постоянной скоростью деформирования, равной 2х10'5 1/с, проводились в камере запредельного деформирования. Установлено, что предел прочности на одноосное сжатие осж составляет (16-26) МПа.
Следует отметить, что испытанные образцы подвергались в шахтных условиях в течении некоторого времени воздействию негативных факторов, что привело к их разупрочнению. Однако даже у разупрочненных образцов каменной соли чарской свиты прочностные показатели (осж, ор) не ниже, чем у «свежих» образцов соляных пород Верхнекамского калийного месторождения.
Приведенные выше результаты оценки основных физико-механических показателей образцов соленосных пород чарской свиты будут в дальнейшем использованы при геомеханических расчетах в качестве параметрического обеспечения.
1. Замесов Н.Ф. Методология обоснования технических решений освоения подкарьерных запасов алмазоносных трубок Якутии // Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений: современное состояние и перспективы решения: Тез. докл. междунар. науч. практ. конф. «Мирный - 2001». - Мирный: ЯкутНИПРОАЛ-МАЗ, 2001. - С. 1211-123.
2. Иофис М.А. Геомеханическое обеспечение разработки кимберлитовых трубок Якутии // Актуальные проблемы разработки ким-берлитовых месторождений: современное состояние и перспективы
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
решения: Тез. докл. междунар. науч. практ. конф. «Мирный - 2001».
- Мирный: ЯкутНИПРОАЛМАЗ, 2001. - С. 51- 52.
3. Константинова С.А. Об одной феноменологической модели деформирования и разрушения соляных пород при длительном действии сжимающих нагрузок // ФТПРПИ. - 1983. - № 3. - С. 8-13.
4. Константинова С.А. Ползучесть образцов каменной соли в условиях сложного напряженного состояния // Изв. ВУЗ. Горн. журн.
- 1986. - № 8. - С. 1-5.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Константинова Светлана Александровна — доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией геодинамической безопасности Уральского научно-исследовательского и проектного института галургии (ОАО «Галургия»).
Крамсков Николай Петрович — кандидат технических наук, зав. лабораторией подземных горных работ института «Якутнипроалмаз» Акционерной Компании «Алроса», г. Мирный, республика Саха (Якутия).
Азанова Наталья Серафимовна — ведущий инженер ОАО «Галургия», г. Пермь.
Журавлева Татьяна Юрьевна — кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории геомеханики ООО «Подземгазпром», г. Москва.
