CC BY
33
УДК 622.272:553.63 В.Н. Токсаров
ИЗМЕНЧИВОСТЬ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ СОЛЯНЫХ МАССИВОВ
Проведены исследования по измерению газоносности и вертикальных напряжений в приконтурном массиве
Ключевые слова: соляной массив, геологические нарушения, газоносность, вертикальные напряжения
Неделя горняка
ш ш одземная разработка калийных
.Ц. пластов практически всех месторождений мира значительно осложняется газодинамическими явлениями (ГДЯ), которые представляют реальную угрозу жизни шахтеров, приводят к разрушению дорогостоящего проходческого и очистного оборудования. Газодинамические явления сопровождаются быстротекущим разрушением междукамерных целиков, кровли, стенок и почвы очистных и подготовительных выработок, а также выносом в выработки пород и газа [1]. Существенную роль наряду с давлением газа в подземных полостях в механизме проявления ГДЯ играет напряженно-деформированное состояние прикон-турного массива. Изменения напряженно-деформированного состояния пород в приконтурной части массива может вызвать изменение их коллекторских свойств и вызвать в них определенную миграцию газов и проявления газового фактора [1, 2].
В этой связи большой интерес представляет изучение характера распределения напряжений в приконтурном массиве. Как показали ранее проведенные исследования, уровень напряжений в прикон-турном слое пород во многом зависит от геологического строения массива [3, 4,
5]. Так контроль напряжений на участке развития открытых трещин показал, что в соляном массиве под воздействием трещиноватости формируется локальное поле напряжений, где субмеридианальные напряжения, ориентированные в плоскости, перпендикулярной плоскости простирания трещин превышают субширот-ные в 3 раза [6]. На участках вне зон трещиноватости это различие не превышает 15%.
На рис. 1 показаны геологическое строение Ьго калийного пласта Старо-бинского месторождения и типичные гистограммы распределения напряжений в стенке подготовительной выработки. Контроль напряжений осуществлялся с помощью метода щелевой разгрузки, при этом расстояние между точками измерений составляло 2 м. Установлено, что величина как вертикальных, так и горизонтальных напряжений по длине выработки варьируется в небольшом диапазоне, который не превышает 5 %. В массиве Верхнекамского месторождения калийных солей, осложненного складками различного размера, распределение напряжений существенно иное: изменения напряжений в отдельных случаях могут превышать 100 % на участке длиной менее 10 м (рис. 2). Значительный разброс напряжений может
Вертикальные напряжения (МПа)
Горизонтальные напряжения (МПа)
3.4
9.5
9.5
9.5
9.2
3.1
быть объяснен только особенностями геологического строения массива, в данном случае наличием в нем складок амплитудой 8-10 м. При ведении подготовительных работ на пластах, опасных по ГДЯ повышенные значения напряжений в окрестности геологической неоднородности могут привести к реализации ГДЯ.
В условиях Старобинского месторождения дополнительную пригрузку массива обусловливают геологические нарушения в виде мульд погружения, что при проведении подготовительных и очистных выработок может также приводить к выбросам соли и газа в отработанное пространство [1, 3]. Небольшие куполовидные, антиклинальные диапировые складки, возникшие при выдавливании снизу каменных со-лей,1 стали встречаться в последние годы при проведении подготовительных и очистных работ в пределах
шахтных полей рудников 2 РУ и 3 РУ РУП "ПО "Беларуськалий" на III калийном пласте. Диапировые складки представляют собой полное или частичное замещение каменной солью 1-4 сильвинитовых слоев. Размеры складок варьируются от 2 до 5 м по амплитуде и от 2 до 10 м по длине (рис. 4).
Для оценки степени выбросоопасности пород при ведении горных работ в зоне залегания диапировых складок проведен комплекс исследований, включающий измерение газоносности и вертикальных напряжений в приконтурном массиве. Первый экспериментальный участок располагался в транспортном штреке № 2 блока № 21-з-3 на III калийном горизонте шахтного поля рудника 3 РУ (рис. 3).
Изучение напряженного состояния пород выполнялось методом щелевой разгрузки. Схема размещения щелей в окрестности диапировой складки приведена на рис. 4.
Вертикальные напряжения (МПа)
5.3 5.5
Горизонтальные напряжения (МПа)
Рис. 2. Типичные гистограммы распределения напряжений в стенках подготовительных выработок на Верхнекамском месторождении калийных солей
1.3
1.2
1.1
3.5
3.2
0.9
0.9
2.2
Рис. 3. Выкопировка плана горных работ на участке проведения экспериментальных исследований
(рудник 3 РУ)
Четыре разгрузочные щели были пробурены в слое 1, а две разгрузочные щели - в подстилающей каменной соли.
При расчете напряжений использовались значения модулей упругости каменной соли и сильвинита, приведенные в работе [1] . Анализ результатов проведения экспериментов показал, что непосредственно в зоне диапировой складки (по ее оси) отмечаются пониженные значения напряжений - 9-12 МПа (рис. 5). В краевой части участка сформировалась зона повышенных напряжений, величина которых достигает 38 МПа. За пределами складки вертикальные напряжения равны 24-25 МПа.
Измерения напряжений в подстилающей каменной соли (под складкой) показали, что характер их распределения иной (рис. 5). По оси складки напряжения несколько выше, чем по пласту (13 МПа), а на границе в 2 раза ниже, чем в краевой части складки (20-21 МПа).
Таким образом, в окрестности складки наблюдается изменение характера распределения горного давления - увеличение напряжений от её ядра к границам. Это может быть обусловлено различными прочностными и дефор-
мационными свойствами пород, слагающих ядро складки и пород окружающего массива. Известно, что участки замещения сильвинитовых пород каменной солью, как правило, сложены породами, имеющими меньшую прочность по сравнению с прилегающим массивом [7].
Измерения, проведенные на втором экспериментальном участке (в подготовительных выработках 6-й северозападной панели РУ-2), где были вскрыты две диапировые складки, показали другой характер распределения напряжений (рис. 6).
Непосредственно по оси складок также отмечаются относительно низкие
значения вертикальных (11-12 МПа).
напряжений
Рис. 4. Схема выполнения экспериментальных работ
,5 - разгрузочная щель
Рис. 5. Распределение вертикальных напряжений в стенке транспортного штрека № 2 блока № 21-з-3
В тоже время в краевых частях складок отсутствует ярко выраженные зоны опорного давления. Данный факт может быть объяснён различием в сроке службы экспериментальных выработок. На первом экспериментальном участке измерения проводились в «свежепрой-денной» выработке, тогда как на втором участке - в выработке со сроком службы 6 месяцев. В течение этого срока в окрестности выработки, по-видимому, произошла релаксация напряжений за счет постепенного разрушения прикон-турного слоя пород.
В результате экспериментальных исследований установлено, что на участках развития локальных неоднородностей массива в виде диапировых складок наблюдается неоднородное поле напряжений. На контакте складки с породным массивом формируется зона опорного давления с величиной максимального напряжения (~ 40 МПа), превышающего предел прочности соляных пород при одноосном сжатии (~ 25-30 МПа), а в центральной части отмечаются относительно низкие значения напряже-
а)
Расстояние, м
ний. При ведении горных работ в газонасыщенном массиве, неоднородности строения соляного массива в виде диапи-ровых складок могут служить очагами газодинамических явлений.
Таким образом, по результатам экспериментальных исследований установлено, что, несмотря на пластические свойства и склонность соляных пород к ползучести, а значит и к релаксации напряжений во времени, в соляных массивах наблюдается значительная изменчивость их напряженного состояния, обусловленная наличием в них складок различных размеров, участков трещиноватости и зон замещения калийных пластов каменной солью.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
б)
Расстояние, м
1. Проскуряков Н.М., Фомина
Рис. 6. Распределение вертикальных напряжений в стенках транспортного (а) и вентиляционного (б) штреков 6 СЗП
16
!
1 |
1 ^ 5 і ^
10 і
!
4 6
Расстояние, м
8
4
О
О
2
8
Среднегодо-
вая
В.Д., Рожков. Газодинамические явления на Солигорских калийных рудниках.- Минск. 1974.
2. Токсаров В.Н. Влияние параметров отработки продуктивных пластов на напряженное состояние подработанного соляного массива // Стратегия и процессы освоения георесурсов.-Пермь, 2006.
3. Проскуряков Н. М., Трофимов А. Ю. Исследование напряжений в зонах геологических нарушений выбросоопасных калийных пластов // Диагностика напряженного состояния и свойств горных пород в массиве.- Новосибирск. 1980.
4. Проскуряков Н. М., Ковалев О. В. Исследование напряженного состояния калийных пластов в зонах геологических нарушений //
Напряженное состояние породных массивов.-Новосибирск. 1978.
5. Токсаров В.Н. Контроль горного давления на участках локальных неоднородностей строения массива // Стратегия и процессы освоения георесурсов.- Пермь, 2007.
6. Асанов В.А., Токсаров В.Н., Паньков И.Л., Аникин В.В. Оценка влияния природных трещин на напряженное состояние соляного массива // Напряженное состояние породного массива и наведенная геодинамика недр.- Бишкек, 2006.
7. Аникин В.В. Об изменчивости механических свойств вблизи зон замещения // Проблемы горного недроведения и системологии.-Пермь. 1999.
|- Коротко об авторе ----------------------------------
Токсаров В.Н. - Горный институт УрО РАН, arc@mi-perm.ru
------------------------------------------------------ ОТДЕЛЬНАЯ СТАТЬЯ
ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
ПРЕПРИНТ
Винников В.А., Редкозубое С.А., Московский государственный горный университет МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕПЛА В НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ С УЧЕТОМ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). — 2010. — № 3. — 27 с.— М.: Издательство «Г орная книга»
Решены задачи о нахождении распределения температур в неоднородных бесконечных однокомпонентной и многокомпонентной поликристалллических средах в квазистационарной постановке. Введено понятие функции влияния и из анализа геометрических вероятностей показан процесс построения этой функции для слоистой и вкрапленной текстур.
Vinnikov V.A., Redkozubov S.A. Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru MATHEMATICAL MODEL OF HEAT DISTRIBUTION IN INHOMOGENEOUS ENVIRONMENTS TAKING INTO ACCOUNT MUTUAL INFLUENCE OF STRUCTURAL ELEMENTS
Tasks of determining temperature distribution in non-homogenious non-limited single- and multicomponent multicrystal spaces in quasistationary formulation are solved. The notion of influence function is introduced and the process of constructing this function for stratified and impregnated structures from the analysis of geometric probabilities is shown.
