CC BY
36
© В.Н. Аптуков, И.Б. Ваулина, 2014
УДК 622.232
В.Н. Аптуков, И.Б. Ваулина
ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВОДОЗАЩИТНОЙ ТОЛЩИ В УСЛОВИЯХ РУДНИКОВ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КАЛИЙНЫХ СОЛЕЙ НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Представлена методика оценки текущего и перспективного состояния водозащитной толщи (ВЗТ) с учетом влияния техногенных факторов на основе методов математического моделирования с применением различных критериев безопасного состояния. Приведен метод объединения и визуализации расчетных данных по сети геологических разрезов в плоскости шахтного поля.
Ключевые слова: устойчивость ВЗТ, математическое моделирование, напряженно-деформированное состояние ВЗТ, геологические разрезы.
Главной особенностью Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС) являются сложные гидрогеологические условия [1]. Важнейшей задачей при ведении горных работ на ВКМКС является поддержание сохранности водозащитной толщи (ВЗТ), отделяющей продуктивную толщу от водоносных горизонтов. Несоблюдение сохранности ВЗТ может привести к затоплению рудника или техногенному землетрясению, примерами чего стали три негативных события, произошедшие на ВКМКС за последние десятилетия (1986 г. - затопление Третьего Березниковского рудника; 1995 г. -горно-тектонический удар на Втором Соликамском руднике; 2006 г. - затопление Первого Березниковского рудника).
Произошедшие на ВКМКС негативные события не могут быть объяснены в рамках действующих на месторождении нормативно-методических документов. Таким образом, обязательным условием безопасной эксплуатации месторождения является
геодинамическое районирование недр и земной поверхности с выделением потенциально опасных участков на уже отработанных и еще не отработанных площадях.
Для оценки текущего и перспективного состояния ВЗТ была разработана методика, в основу которой легли успешно применяемые в ОАО «Галургия» методы оценки геодинамической безопасности недр и земной поверхности [2]. Данные подходы используют методы математического моделирования с применением пакета МКЭ-программ собственной разработки [3], реализующего нелинейную наследственную модель деформирования и разрушения соляных пород [4, 5]. Отличительной особенностью разработанной методики является возможность проводить оценку не только на локальных «проблемных» участках, а на всей площади шахтного поля с помощью разработанного алгоритма объединения и визуализации данных по сети геологических разрезов, а также использование обобщенных и усовершенствованных критери-
ев оценки безопасности состояния ВЗТ.
Методика оценки текущего и перспективного состояния ВЗТ состоит из нескольких этапов, максимально учитывающих горно-геологические и горнотехнические условия:
- в соответствии с горногеологическими и горнотехническими данными на основе геологических колонок скважин строятся серии вертикальных широтных и меридиональных разрезов на исследуемых участках шахтного поля;
- выполняется численное моделирование геодинамических процессов, проходящих в породном массиве на отдельных разрезах (расчетных схемах) с учетом параметров отработки и планов дальнейшего освоения участков, с определением и анализом напряженно-деформированного состояния породной и водозащитной толщ, величин оседаний земной поверхности, зон запредельного деформирования пород;
- проводится промежуточная обработка данных численных расчетов по каждому отдельному разрезу (выделение границ слоев и ключевых точек, принадлежащих границе слоя, формирование массивов требуемых переменных для анализа в различные моменты времени, проведение математических операций с массивами) с их последующим формированием в массивы данных с общей системой координат в плоскости шахтного поля;
- выполняется интерполяция и сглаживание данных с последующей визуализацией в плоскости шахтного поля (или отдельных его участков) с наложением дополнительной графической информации (картографическая основа, схема расположения скважин и разрезов и т.д.), отрисовка изолиний (изополос) с предваритель-
ной настройкой параметров изображения;
формулируется оценка текущего и перспективного состояния и степени безопасности ВЗТ на отдельных участках шахтного поля на основе анализа полей относительных вертикальных оседаний земной поверхности, распределения коэффициента запаса прочности по критерию Шлейхера-Мизеса на границах ВЗТ, распределения коэффициента степени безопасности ВЗТ.
Относительные вертикальные оседания представляют собой величину отношения вертикального оседания Щх,у?) к величине допустимого оседания на данном участке шахтного поля
= ИхЖ И. (1)
Если величина К^(х,у) > 1 для некоторого участка, то согласно «Указаниям ...» [6] его следует отнести к участкам повышенной опасности.
Коэффициент степени безопасности ВЗТ отражает величину среднего запаса прочности по критерию Шлейхера-Мизеса-Боткина на нижней и верхней границах ВЗТ. Выражение для коэффициента КВЗТ(х,у) может быть представлено в виде
Квзт(х,У = аКвг (х,у) + а2 Кнг(х,у), (2) где КВг - коэффициент запаса прочности верхней границы ВЗТ; КНг -коэффициент запаса прочности нижней границы ВЗТ; а1, а2 - весовые коэффициенты, определяемые на основе сопоставления результатов численного моделирования с натурными данными оценки состояния выработок и ВЗТ на различных участках шахтного поля.
Коэффициент запаса прочности на нижней и верхней границах ВЗТ определяли как к = -И, где в качестве
меры напряженного состояния при-
Рис. 1. Схема расположения геологических разрезов в границах одного из действующих рудников ВКМКС
нимали интенсивность напряжений а. = у]312(£)а), а предельное значение
\а. ] определяли с использованием
критерия Шлейхера-Мизеса-Боткина. Данный критерий представляет собой обобщение на пространственный случай известного условия прочности Кулона-Мора, когда предельное сопротивление сдвигу (срезу) образца линейно зависит от величины сжимающего напряжения [7, 8].
В работе приведены результаты реализации методики в условиях одного из действующих рудников ВКМКС.
Реализация этапа 1 методики иллюстрируется на рис. 1 и 2. Геологические разрезы и основанные на них схемы для проведения конечно-элементных расчетов (этап 2) строятся с учетом места расположения очистных камер, их размеров и времени отработки (см. рис. 2).
На этапе 2 методами математического моделирования проводится ана-
лиз напряженно-деформированного состояния массива по всем схемам, полученным в рамках этапа 1. Адекватность построенных моделей определяется соответствием величины оседаний и скорости оседаний земной поверхности натурным данным.
Распределение расчетных прогнозируемых и фактических относительных оседаний земной поверхности и областей запредельного деформирования пород ВЗТ и надсоляной толщи приведено на рис. 3.
На основе результатов геодинамических расчетов с применением алгоритма объединения и визуализации данных по сети геологических разрезов в рамках этапов 3 и 4 строятся распределения различных критериальных величин в плоскости шахтного поля. На рис. 4 приведено распределение коэффициента степени безопасности.
Оценка состояния ВЗТ проводилась на период времени с начала ведения горных работ на участке исследования до 2038 года.
Расчетами выявлено, что:
- наличие уклона по продуктивной толще с востока на запад в широтном направлении в восточной части шахтного поля с двухпластовой подработкой способствует образованию мульды оседаний земной поверхности;
- «крутая» мульда сдвижения в северо-западной части шахтного поля неблагоприятно влияет на граничные участки и способствует формированию обширной области запредельного деформирования (нарушения сплошности) в нижней части ВЗТ и вблизи земной поверхности;
Рис. 2. Геологический разрез породной толщи 1-1 (см. рис. 1)
- натурные данные:
- расчетные данныг
Рис. 3. Расчетные и фактические относительные оседаний земной поверхности (а) и зоны запредельного деформирования пород (б) по разрезу
I - I: 1 - 1990 год; 2 - 2013 год; 3 - 2018 год; 4 - 2028 год; 5 - 2038 год
Рис. 4. Изополосы коэффициента степени безопасности ВЗТ к 2038 году на шахтном поле одного из действующих рудников ВКМКС
- сохранность ВЗТ в северо-западной части шахтного поля обеспечивается слоем покровной каменной соли и переходной пачки (верхняя часть ВЗТ), которые в совокупности имеют достаточную мощность и обладают более высокими значениями прочностных характеристик по сравнению с нижней частью ВЗТ;
- участки с отсутствием в составе ВЗТ переходной пачки и находящиеся в граничной части мульды сдвижения земной поверхности имеют повышенную опасность;
- в связи с наличием развивающихся областей запредельного деформирования пород некоторые участки блоков северо-западной части шахтного поля отнесены к потенциально опасным;
- ввиду мгновенного обрушения пород более чем на 4 м в 1995 году в северо-восточной части шахтного поля породы ВЗТ находятся в сильно поврежденном состоянии, области запредельного деформирования локализуются в основном на границах области обрушения;
- в связи с высокими значениями оседаний земной поверхности и деформациями пластов, слагающих ВЗТ, а также невозможностью достоверного контроля их состояния, северо-восточный участок отнесен к потенциально опасной зоне.
Таким образом, в ходе анализа текущего и прогнозного состояния ВЗТ на шахтном поле одного из действую-их рудников ВКМКС выявлено два потенциально опасных участка в северо-западной и северо-восточной частях шахтного поля.
Совершенствование методов математического моделирования про-
1. Андреичев А.Н. Классификация калийных месторождений по гидрогеологическим и инженерно-геологическим условиям // Горн. Журнал. - 1968. - №5.
2. Гилев М.Б., Константинова С. А., Чернопазов С.А. Некоторые методические подходы, применяемые для оценки геодинамической безопасности недр и земной поверхности при эксплуатации Верхнекамского месторождения калийных солей // Маркшейдерия и недропользование. -2006. - № 3.
3. Программа для решения плоских задач упруговязкопластичности 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: Гилев М.В., Константинова С.А., Чернопазов С.А., Чернопазов Д.С.
цессов происходящих в породном подработанном массиве при получении оценок текущего и перспективного состояния ВЗТ необходимо продолжать с целью уточнения критериев нарушения сплошности пород ВЗТ.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Константинова С.А. Об одной феноменологической модели деформирования и разрушения соляных пород при длительном действии сжимающих нагрузок // ФТПРПИ. - 1983. - № 3.
5. Константинова С.А., Чернопазов С.А. Развитие наследственной модели деформирования и разрушения соляных пород // ФТПРПИ. - 2004. - № 1.
6. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождений калийных солей (технологический регламент). - СПб., 2008.
7. Боткин А.И. Исследование напряженного состояния в сыпучих и связных грунтах. - Известия ВНИИГ, 1939. - Т. 24.
8. Константинова С.А., Аптуков В.Н. Некоторые задачи механики деформирования и разрушения соляных пород. - Новосибирск: Наука, 2013.ЕСЭ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Аптуков Валерий Нагимович - профессор, доктор технических наук, главный научный сотрудник НИЛ геодинамической безопасности Уральского научно-исследовательского и проектного института галургии (ОАО «Галургия»), e-mail: valeryaptukov@gmail.com, заведующий кафедрой фундаментальной математики Пермского государственного национального исследовательского университета, e-mail: aptukov@psu.ru
Ваулина Инна Борисовна - научный сотрудник НИЛ геодинамической безопасности Уральского научно-исследовательского и проектного института галургии (ОАО «Галургия»), e-mail: Vaulina.Inna@qallurqy.ru,
UDC 622.232
GEOMECHANICAL ESTIMATION OF WATERPROOF MASS STATE IN THE UPPER KAMA BASIN POTASH DEPOSIT BASED ON MATHEMATICAL MODELING METHODS
Aptukov V.N., Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: valeryaptukov@gmail.com Vaulina I.B., Researcher, OJSC "Hallurgy", Perm, Russia.
The principles of the actual and long-term estimation of the waterproof mass state at various mining factors based on the mathematical modeling methods and the safe state criteria are discussed. A distinctive feature of the developed technique is the ability to assess not only the local "problem" areas, and the entire area of the mine field with the developed algorithm of association and visualization of geological data on a network of cuts, as well as use of the generalized and improved criteria-s safety assessment of the state of the waterproof stratum. Shows the results of procedure in terms of one of the existing mines. The method of numerical data combination and visualization at the geological section system is presented.
Key words: waterproof mass stability, mathematical modeling, waterproof mass strain and stress state, geological section.
REFERENCES
1. Andreichev A.N. Gornyi zhurnal. 1968. no. 5.
2. Gilev M.V., Konstantinova S.A., Chernopazov S.A. Marksheideriya i nedropol'zovanie. 2006. no. 3.
3. Gilev M.V., Konstantinova S.A., Chernopazov S.A., Chernopazov D.S. Programma dlya resheniya ploskikh zadach uprugovyazkoplastichnosti metodom konechnykh elementov (Earth - 2D.1), (Code for the plane elasto-visco-plasticity problem solution by the finite element method). Svidetel'stvo no. 2011610648 o gosudarstvennoi registratsii programmy dlya EVM. Pravoobladatel': OAO «Galur-giya». Zayavka no. 2010616586 27.10.2010; zaregistrirovano v Reestre programm dlya EVM 11.01.11.
4. Konstantinova S.A. Ob odnoi fenomenologicheskoi modeli deformirovaniya i razrusheniya so-lyanykh porod pri dlitelnom deistvii szhimayushchikh nagruzok (Phenomenological model of salt rock deformation and failure under long-term compression). FTPRPI. 1983. no. 3.
5. Konstantinova S.A., Chernopazov S.A. Razvitie nasledstvennoi modeli deformirovaniya i raz-rusheniya solyanykh porod (Development of hereditary model of salt rock deformation and failure). FTPRPI. 2004. no. 1.
6. Ukazaniya po zashchite rudnikov ot zatopleniya i okhrane podrabatyvaemykh ob"ektov v uslovi-yakh Verkhnekamskogo mestorozhdenii kaliinykh solei (tekhnologicheskii reglament). (Guidelines for mine flooding protection and preservation of undermined objects in the conditions of the Upper Kama potash salt deposit (production procedures)). St. Petersburg, 2008.
7. Botkin A.I. Issledovanie napryazhennogo sostoyaniya v sypuchikh i svyaznykh gruntakh (Studies of stress state of loose and cohesive soil). Izvestiya VNIIG, 1939. vol. 24.
8. Konstantinova S.A., Aptukov V.N. Nekotorye zadachi mekhaniki deformirovaniya i razrusheniya solyanykh porod (Some problems of salt rock deformation and failure mechanics). Novosibirsk, Nauka,
2013.
