CC BY
102
УДК 622.272 Л.О. Теннисон
К МЕТОДИКЕ ОЦЕНКИ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОД, СЛАГАЮЩИХ ВОДОЗАЩИТНУЮ ТОЛЩУ В КРАЕВОЙ ЧАСТИ МУЛЬДЫ СДВИЖЕНИЯ
На основе сравнения показателей деформаций земной поверхности, полученных по натурным наблюдениям по профильным линиям, расположенным в районе аварии на шахтном поле БКПРУ-1 с данными на других участках ускоренных оседаний, существующих в настоящее время на ВКМКС, предлагаются введение дополнительных критериев оценки потенциальной опасности в проблемных зонах. Рассматривается возможность применения критерия абсолютной горизонтальной деформации земной поверхности.
Ключевые слова: горное давление, сдвижение горных пород, деформация, геомеханиче-ская система, параметры системы разработки, междукамерные целики, нагрузка, меры охраны рудника от затопления, зона смягчения.
О атопление рудника БКПРУ-1 ч-^ остро обозначило проблему недостаточности существующих критериев для оценки безопасной подработки водозащитной толщи на ВКМКС. В действующем в настоящее время нормативном документе [1] основными критериями, обеспечивающими целостность ВЗТ, являются: величина допустимого прогиба слоёв ВЗТ [Ут], и ограничение степени нагружения меж-дукамерных целиков [С] <0,4.
При превышении допустимого значения степени нагружения междукамер-ных целиков участки относятся к потенциально опасным, при условии ¥т < [Ут], если реализованное оседание земной поверхности (в результате погашения выработанного пространства) характеризуется величиной цт(р) < 0.75 щт, где цт — максимальное оседание земной поверхности на расчетный период времени 0 = 200 лет. Между тем, на участке аварии БКПРУ-1, достигнутое к 2006 году оседание земной поверхности составляло 3,8 м, что более 75 % от расчетного конечного значения. Скорость
оседания не превышала 20 мм/год. Допустимая величина прогиба составляла 4,2 м. Следуя указаниям нормативного документа, участок можно было перевести к разряду безопасных.
В настоящий момент на ВКМКС существует еще несколько участков, где степень нагружения превышает допустимое значение в 1,5—2 раза, а достигнутая величина оседания близка к значению допустимого прогиба. В большинстве случаев причина образования выше указанных зон с ситуацией на БКПРУ-1 и состоит в разрушении меж-дупластовой потолочины между двумя сближенными пластами АБ и Вк или АБ и Кр II с последующим ускорением оседаний земной поверхности до 1 м в год.
Это участки:
• СКРУ-1, БЛОК 129, профильная линия 9;
• СКРУ-1, блок 125, профильная линия 14;
• БКПРУ-1, 4 западная панель профильная линия XXII;
• БКПРУ-1, граница между 4-5 западными панелями, поперечник к профилю XXII;
• БКПРУ-2, 17-15 юго-западные панели, профиль 10.
На рис. 1 выполнено построение графиков краевых частей мульд сдвижения, сформированных в перечисленных зонах. Как видно из визуального сравнения, наиболее близко график краевой части блока 199 коррели-руется с графиком, построенным по данным наблюдений по поперечнику к профилю XXII, располагавшемся в том месте, где в 2007 году на шахтном поле БКРУ-1 произошел провал земной поверхности. Единственным отличием является тот факт, что суммарное оседание, достигнутое над блоком 199 примерно на 0,7 м меньше чем в районе провала.
При сравнении краевых частей, образованных над блоками 129, 125 и 199, четко прослеживается эффект создания зоны смягчения путем прорезки целиков пласта АБ на границе двухпластовой отработки. Наибольший эффект проявляется над границей двухпластовой отработки в зоне растягивающих деформаций.
Главный вопрос, который возникает из первичного сравнения результатов наблюдений — возможно ли повторение ситуации, произошедшей на БКПРУ-1 на указанных участках, например, в южной части шахтного поля СКРУ -1?
Блок 199 располагается на юго-востоке шахтного поля СКРУ -1. В блоке отработано два сильвинитовых пласта (см. рис. 2). Пласт АБ отработан в период 1975 по 1977 годы. Пласт КрП отработан в период с 1983 по 1986 годы. Пласт КрП располагается на глубине Н = 310 м, а пласт АБ — на глубине Н = 300 м. Эти пласты разделяет междупла-
стье, мощность которого изменяется в блоке 199 от 6,0м до 7,0 м.
С юга блок 199 оконтурен выработанным пространством 1 ЮВП, которая отработана: по пласту АБ — в период с 1984 по 1986 год; совместно двумя сильвинитовыми пластами АБ и Вс — в 1987 году; вне зоны совместной отработки по пласту КрП — в 2005—2007 годах.
С севера его оконтуривает блок 197, выработанное пространство которого образовано пластом КрП в период с 1983 по 1986 годы.
Пласт КрП в блоках 199 и 197 отработан камерами шириной а =16 м при оставлении междукамерных целиков шириной в = 11 м. Мощность этого пласта составляет здесь т = 6,3—5,2 м. Пласт АБ в блоке 199 и на 1 ЮВП отработан с шириной камер а = 15 м, при оставлении междукамерных целиков шириной в = 12 м. Мощность этого пласта составляет т = = 3,7—4,2 м.
Наблюдения за оседанием земной поверхности, выполненные в 1997 году, зафиксировали активизацию процесса сдвижения над блоком 199, выраженную в скорости оседания величиной 1,0 м в год, а состояние горных выработок указывало на локальное или полное разрушение междупласто-вой потолочины в камерах.
В период с 1995 по 1997 год в блоке 199 проводились неоднократные обследования горных выработок по результатам которых сделаны следующие заключения:
• район камер 50—60 оседания вызваны, в основном, выдавливанием почвы и карналлита жесткими целиками пласта АБ и деформированием увеличившихся по высоте целиков пл.КрП.
оседани, мм
Рис. 1. Графики краевых частей мульд сдвижения, образованных над совместной отработкой сильвинитовых пластов АБ и Кр II на различных участках ВКМКС
Рис. 2. Ситуационный план горных работ в районе блока 199
• район камер 25—35 оседания поверхности обусловлены, главным образом, деформированием высоких податливых целиков, в которые превратились жесткие целики, оставленные на пластах АБ и КрП после потери устойчивости между-пластья, а также вываливанием карналлита из кровли пл.АБ.
Степень нагружения высоких целиков, образовавшихся после разрушения меж-дупластовой потолочины, составила около С = 0,6, что определило ускорение процесса сдвижения земной поверхности, следствием которого явилось формирование на земной поверхности мульды сдвижения с крутыми бортами.
Профильная линия 26 пересекает участок земной поверхности над двухпластовой выемкой пластов АБ и Кр II бл.199 в меридиональном направлении. На рис. 3 выполнен разрез по профильной линии 26 совмещенный с графиками оседания, наклона и кривизны. Как видно на рисунке, к 2007 г. максимальное оседание в плоском дне достигло значения 3,2 м. Величины деформации наклона и кривизны составляют: i = = 28,8-Ш-3; кривизны — к = = 2,92 х хШ"4 1/м и k = -6,4-Ш-4 1/м.
На рис. 4 выполнено построение графиков нарастания оседаний и скоростей оседаний по нескольким реперам указанного участка. К настоящему времени процесс сдвижения горных пород над блоком 199 перешел в стадию затухания. Из сравнения графиков видим, что разность оседаний на южной границе блока составляет 3 м. Допустимая величина прогиба слоёв ВЗТ в юго-восточной части шахтного поля СКРУ-1 — 4,5 м. Следовательно, в данный момент величина прогиба не превышена.
Однако, как указывалось выше, степень нагружения МКЦ на рассматриваемом участке составляет С = = 0,6, что превышает допустимое значение [С] = 0,4 в 1,5 раза, согласно с требованием норма-
тивного документа, зону двухпластовой выемки в блоке 199 необходимо отнести к разряду зон потенциально опасных по нарушению сплошности ВЗТ. Тем более, что в завершающей стадии процесса сдвижения величина оседания над блоком 199 приблизится к значению допустимого прогиба. Какова вероятность полного нарушения ВЗТ с увеличение оседания земной поверхности?
Для оценки степени нарушенности водозащитной толщи, необходимо определить какие слои ВЗТ к настоящему времени сохранили свою целостность. На начальной стадии исследований воспользуемся данными натурных измерений, учитывая характер распределения деформаций процесса сдвижения, и то обстоятельство что ширина зоны двухпластовой выемки равная всего лишь 350 м, что существенно меньше, чем требуемая для полной подработки земной поверхности (350 <1,4 Н = 430 м). В соответствии с методикой разработанной Нестеровым М.П. [2] еще в 80-х годах прошлого века, определим значения кривизны на уровне ВЗТ, используя характер распределения оседаний на земной поверхности.
Максимальная кривизна на нижней границе ВЗТ при оседаниях, достигнутых к июню 2007 года, составила на нижней границе ВЗТ k = -23-10-4 1/м, а на верхней — k = 16,5-Ш-4 1/м.
Расчет достигнутых деформаций каждого из слоёв каменной соли, слагающих ВЗТ выполним по следующим формулам:
Ц^;3 "(I)
е = -
Lh = 0,9 Hi + 0,65 hl,
где % — оседание земной поверхности, м; Ь — мощность слоя, м; Hi — глубина залегания слоёв; ^»^)- безразмерное значение кривизны.
Рис. 3. Разрез вдоль профильной линии 26 с графиками оседания, наклона и кривизны, достигнутых к 2007 г
1000
1996 2000
Т, годы
2008
репер 13
репер 25
Рис. 4. График нарастания оседаний и скорости нарастания оседаний земной поверхности по реперам 13 и 25 профильной линии 26
Предельные значения растягивающих деформации при выполнении расчета примем одинаковыми для всех сло-ёв соли, слагающих ВЗТ. Принятые значения равны: [в] = 1х х10-3 - 1,5-10—3 .
Геологическое строение ВЗТ определено по данным скважины 129, расположенной в 200 метрах от блока 199.
Расчеты ожидаемых горизонтальных деформаций соляных слоев слагающих ВЗТ с учетом их мощности, показали, что на южной границе блока 199, где имеют место наиболее интенсивные проявления горного давления суммарная мощность слоёв соли, в которых трещины разрыва не возникли к 2007, составляет Ет1 = = 2,05 м.
К настоящему времени сохранились только слои межпластовой соли пластов Д и Г, растягивающие деформации которых составляют в = = 1,0х 10-3 или в = 1,0 мм/м.
Значительным недостатком рассмотренного метода оценки сохранения сплошности ВЗТ, является тот факт, что в действительности слои соли могут иметь различные значения предельных деформаций, а значит и определение их целостности по условию одинаковых растягивающих деформации для всех слоёв соли, слагающих ВЗТ, носит приблизительный характер. Еще в 1985 году в работе [3] автор (Оловянный А.Г.), ссылаясь на исследования, проведенные
Определение ожидаемых растягивающих деформаций в соляныш пластах ВЗТ по скв. 129
N п/п Наименован. пластов Мощность, слоя м Расстояние от кровли выработки, Достигнутые деформации, Е=1 х10-3 Мощность сло ряющ. 5 Б< ев, удовлетво-словию [Е]д
м [Е]1=1,0х10-3 [е]2=1,5х10-3
1 В-Г 3,60 18,1 4,8
2 Г 1,0х0,5 26,1 0,6 0,5 0,5
3 Г-Д 4,00 31,7 5,4
4 Д 1,6х0,5 389 1,0 0,8 0,8
5 Д 1,5х0,5 46,9 1,0 0,75 0,75
6 Д-Е 1,30 50,7 1,76
7 Е 2,3х0,5 52,4 1,76
8 Е-Ж 5,00 63,9 6,8
9 Ж-3 2,80 695 3,8
10 3-Й 9,50 72,7 12
11 3-Й 3,70 82,2 5,0
12 3-Й 5,91 859 8,0
13 ВЗТ 1 3,86 92,2 5,2
14 ВЗТ 2 4,09 96,1 5,6 Zmi 2,,5 м 2,05 м
в БФ ВНИИГ, отмечал: «испытания образцов соляных пород в условиях одноосного напряжения свидетельствует об очень большом разбросе величин деформаций в момент разрыва. Надежность результатов такого прогноза в большей степени зависит от того, с какой точностью описаны деформационные и прочностные свойства породной толщи, закладываемые в исходные данные при расчетах».
Для однозначного определения степени угрозы затопления рудника на наш взгляд необходим новый или дополнительный критерий оценки сохранности ВЗТ.
В настоящее время для анализа безопасных условий подработки широко применяется метод математического моделирования ситуации. На ВКМКС соответствующие методики разработаны как специалистами ОАО «Галургия»
(Константинова С.А. Чернопазов С.А.), так и Уро РАН (Барях А.А., Лобанов С.Ю.). Основным недостатком существующих методов, на наш взгляд, является использование при задании граничных условий для моделирования только значения прогнозных оседаний земной поверхности, исключая тенденцию распределения деформаций, иначе говоря, достигнутые значения наклона, кривизны и горизонтальных растяжений. Данное обстоятельство, с одной стороны, влияет на достоверность результатов, с другой- обесценивает данные маркшейдерских наблюдений. Другим недостатком разработанных моделей является представление деформирующейся ВЗТ, только как слоистой структуры. По мнению других авторов, занимающихся этой проблемой, так происходит не всегда.
Приведем несколько тезисов из разных источников [4], [5], посвященных рассматриваемой проблеме.
Горизонтальные составляющие
сдвижения — горизонтальные сдвижения, а также относительные растяжения и сжатия, равные разности горизонтальных сдвижений двух точек, удаленных по горизонтали на 1 м одна от другой, следует отличать от упругого прогиба породных слоев кровли.
В общем случае краевую часть мульды сдвижения модно разделить на два участка с различным проявлением де-формативности: зона изгиба и зона опорного давления. Деформации пород в зоне изгиба характеризуются расслоением толщи на отдельные тонкие слои (плиты) и их изгибом с сохранением связей между отдельными блоками. Характерная особенность изгиба слоев заключается в том, что деформации сжатия (растяжения) слоя являются функциями кривизны его нейтральной линии. Кривизна нейтральной линии слоя в покрывающих породах формируется с учетом заданных ему перемещений нижележащими слоями в зоне изгиба и опорного давления.
В зоне опорного давления массив пород деформируется как единое целое, подобно очень толстой плите, в которой при прогибе возникают обширные зоны растяжения и сжатия, причем не образуется отчетливо выраженного нейтрального подвигания слоя, параллельного напластованию. Хотя знак горизонтальных сдвижений вдоль вертикальных линий меняется, но в отличие от деформаций при изгибе тонкой упругой балки зона растяжений простирается по диагонали от области в середине нижней части массива к краевой зоне в его верхней части.
Сдвижения над выработанным пространством соответствуют деформациям
растяжения пород, а над зоной опорного давления наблюдается сжатие. На земной поверхности, наоборот, горизонтальные сдвижения направлены к центру мульды оседания, так что у края мульды имеет место растяжение, а в ее центре — сжатие, причем наибольшие горизонтальные сдвижения наблюдаются в месте перемены знака относительных деформаций.
Наибольшую величину горизонтальные сдвижения земной поверхности, основной кровли и почвы пласта имеют над и под очистным забоем. В средней зоне массива максимальные горизонтальные сдвижения происходят в местах перемены их знака, т. е. в зоне опорного давления и над выработанным пространством.
В общем случае сдвижение горных пород может рассматриваться с учетом того, что общие деформации в зоне изгиба и частично в зоне опорного давления состоят из деформаций, связанных с раздельным изгибом слоев и деформаций, которые зависят от сжатия пород в зоне опорного давления, а породы в зоне опорного давления сдвигаются и деформируются как сплошное тело без существенных сдвигов пород по контактам.
В соответствии с вышеизложенным, общее решение задачи должно учитывать послойный изгиб пород над очистной выработкой, а также деформирование массива как сплошного тела в зоне опорного давления. Эти два вида деформаций оказывают влияние друг на друга, поэтому их взаимный учет позволяет получить решение, более близко отвечающее реальным условиям.
Большое значение при постановке задачи моделирования состояния ВЗТ в краевой части мульды сдвижения имеет выбор граничных условий. Во всех случаях необходимо исходить из принципа
конечности перемещений и деформаций. Перемещения в плоскости пласта должны быть взаимно увязаны с перемещениями земной поверхности. Поскольку распределение и величины опорного давления зависят от характера приложения нагрузок на границе с зоной изгиба, то величины граничных значений перемещений (напряжений) будут в известной степени также обусловлены характером и величинами деформаций в зоне изгиба. Учет этого обстоятельства может быть выполнен путем соответствующего изменения граничных условий, например, на основании данных наблюдений за сдвижением земной поверхности.
Далее авторы ( Г.Крач [4], Земи-сев[5]) отмечают два наиболее важных параметра (граничных условия) необходимых для оценки степени деформиро-ванности покрывающих пород это: л — перемещение по нормали к напластованию (оседания); Е — перемещение в плоскости напластования (горизонтальные сдвижения).
Большое внимание уделяется функциям безразмерного распределения оседания и горизонтальных деформаций в краевой части мульды сдвижения. Как немаловажные компоненты геомехани-ческой системы рассматриваются: наклон, кривизна и расстояние от точки максимальных деформаций «выпуклости» до границы краевой части мульды сдвижения.
На ВКМКС исторически недостаточно внимания уделялось горизонтальным деформациям в краевой части мульды сдвижения, делались только попытки определения функции безразмерного распределения горизонтальных деформаций. В тех случаях, когда степень нагружения целиков меньше значения С = 0,4, а оседание земной поверхности не превышает 0,5-1 м, горизонтальные де-
формации незначительны, и их игнорирование в какой-то степени оправдано. Но, на наш взгляд, при ускоренных оседаниях земной поверхности, когда и наклон, и оседание достигают значительных величин, контроль горизонтальных сдвижений необходим.
Определим величину горизонтальной деформации на южной границе блока 199 СКРУ-1. В условиях отсутствия данных наблюдений за горизонтальными сдвижениями земной поверхности воспользуемся формулами зависимости между вертикальными и горизонтальными деформациями, приводимыми в различных источниках.
В современной литературе [6] Иофи-сом М.А. представлена зависимость горизонтальных деформаций от показателей вертикальных сдвижений в формулах двух видов:
^max = KHimsx , где KH = 0,15 H;
^max = max ,где a = 0,3
На ВКМКС исследования связи между вертикальными и горизонтальными деформациями проводились Аникиным Н.Ф. в работе [7], предложена следующая формула для определения максимальных горизонтальных деформаций
^ = 0,24Л; • SQ • q.
max
Величину абсолютной горизонтальной деформации земной поверхности над границей блок 199—1 ЮЗП, достигнутую к 2007году, определим, используя данные натурных измерений по профильной линии 26. Расчеты величины абсолютной горизонтальной деформации в средине краевой части мульды сдвижения, выполненные по каждой из трёх предложенных формул, показали, что полученные результаты варьируются в пределах 0,9—1,3 м.
Отношение разности оседаний к длине участка между границей горныгх работ и точкой с максимальным значением кривизны
Блок, рудник Разность оседаний Дп, мм Дина зоны 1, м Дп/і Примечания
199, СКРУ-1 1900 90 0,021
4-5 ЗП, БКПРУ-1 2300 100 0,023
блок 169,СКРУ-1 1200 100 0,012 Создана зона смягчения.
Таким же образом вычислим значения горизонтальных деформаций, достигнутых на границе 4 и 5 западных панелей БКПРУ-1 к средине 2006 г. (перед аварией), когда максимальные значения наклона и суммарного оседания составляли соответственно 1 = 33х10-3 мм/м,
Л 2006 = 3,8 м.
Аналогичные расчеты по приведенным выше формулам показали, что к моменту аварии горизонтальная деформаций в районе границы 4/5 ЗП составила 1,2—1,5 м.
Принимая полученное значение 1,2 м как предельно допустимое, приходим к выводу, что на южной границе блока 199 до достижения опасного предела осталось около 0,3 м.
Как говорилось выше, одним из критериев или граничных условий при построении модели деформирования сло-ёв в краевой части мульды сдвижения является расстояние от точки с максимальной кривизной до границы краевой части мульды сдвижения. В условиях, когда граница представлена зоной перехода от одних горнотехнических условий к другим, сложно точно определить окончание зоны влияния определенных параметров, в этом случае предлагается определять ширину зоны между границей горных работ и точкой с максимальным значением кривизны вогнутости. Данное значение является важным звеном для определения масштабного фактора при переходе от ис-
пытаний образцов к натуре. В табл. 2 приведены соотношения указанных величин для рассматриваемых границ:
Как видим, отношения рассматриваемых показателей в блоке 199 и на участке аварии близки по значению, что свидетельствует о большой степени потенциальной опасности нарушения сплошности ВЗТ.
В виду очень сложных горнотехнических условий на границах блока 199, необходимо математическое моделирование ситуации, которая может сложиться в границах зоны опорного давления в указанном блоке с увеличением оседаний земной поверхности. При выполнении моделирования необходимо в число граничных условий ввести тенденцию распределения оседаний на границах зоны разрушения междупластья и значение достигнутой абсолютной горизонтальной деформации.
В заключение надо подчеркнуть что, необходимость выбора дополнительных критериев оценки безопасного состояния ВЗТ на Верхнекамском месторождении очевидна. В рамках данной работы не удалось однозначно ответить на вопрос возможно ли повторение ситуации, сложившейся в места аварии на БКПРУ-1, а только задано направление исследований, которые необходимо провести в ближайшем времени для определения достоверных и, вместе с тем, прикладных
критериев безопасной отработки ВЗТ на ВКМКС.
1. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных содей/ГИ УрО РАН, 2004.
2. Механизм погашения выработанного пространства при применении жестких целиков на сильвинтовых пластах при статическом и динамическом нагружении/АО «Галургия»; рук. темы Н.Ф.Аникин — х/д 2.54, 1995.
3. Оловянный А.Г. Расчет параметров нару-шенности водозащитной толщи при отработке калийных пластов. Сборник научных трудов «Контроль, прогнозирование и управление состоянием пород в калийных рудниках» / Под
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ред. доктора технических наук О.В. Ковалева.
— Ленинград: ВНИИГ, 1985.
4. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений. Перевод с немецкого К.К. Глазенапа/Под ред. к.т.н. Р.А. Муллера и И.А. Петухова. — М.: Недра, 1978.
5. Земисев В.Н. Расчет деформаций горного массива — М.: Недра, 1973.
6. Викторов С.Д., Иофис М.А., Гончаров С.А. Сдвижение и разрушение горных пород.
— М.: Наука, 2005.
7. Определение горизонтальных деформаций в условиях применения податливых целиков при отработке сильвинита на ВКМКС. АО «Галургия»; рук темы Аникин Н.Ф., 2001. ВТШ
— Коротко об авторе --------------------------------------------------------------
Теннисон Л. О. — и.о. зав. лабораторией горной геомеханики ОАО «Галургия» (Уральский научно-исследовательский и проектный институт галургии), Березниковский филиал, [email protected]
А
Мне кажется, что ГИАБ издается слишком шикарно.
Нельзя ли сделать его немного скромнее?
Экономия на материалах и качестве выпуска не принесет ощутимой выгоды, а в глазах подписчиков ГИАБ потеряет много. Части из них можно лишиться. Кроме того, заявленное в 2000 году качество ГИАБа стало для читателей стандартом, отличающим наш журнал от других. Возврат к старому качеству стал бы признанием нашего поражения и началом затухания.
ГИАБ удерживает традиции и взятые на себя обязательства, и в дальнейшем будет двигаться только вперед.
