Методические аспекты проектирования горнотехнических параметров камер подземного растворения соли в зонах высокой сейсмической активности Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------------- © О.В. Ковалёв, И.Ю. Тхориков,

СП. Мозер, 2006

УДК 622.363.1/.2:622.268.8.001.2

О.В. Ковалёв, И.Ю. Тхориков, С.П. Мозер

МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КАМЕР ПОДЗЕМНОГО РАСТВОРЕНИЯ СОЛИ В ЗОНАХ ВЫСОКОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

Семинар № 15

сновной отличительной особенностью соляных месторождений является легкая растворимость данных полезных ископаемых, что предопределяет необходимость разработки таких месторождений подземным способом (за исключением добычи натриевых солей ра-пованием). Подземная разработка данного вида сырья ведется достаточно давно, однако метод подземного растворения солей является относительно молодым и стал активно внедряться в конце 60-х годов XX столетия. Тенденции последних десятилетий (новые предприятия по подземному растворению солей построены в Аргентине, Бразилии, США, Канаде, Германии, Израиле, Турции, Китае и многих других странах) свидетельствует о перспективности данного способа разработки месторождений горно-химичес-кого сырья. Шахтная добыча позволяет осуществить отработку более сложных форм залегания рудных тел в пространстве. Бесшахтная отработка соляных залежей предопределяет образование выемочных камер с диаметром 100 м и более, по форме, приближающихся к телам вращения, осью симметрии которых является скважина. Подземное растворение солей (ПРС) позволяет вовлекать в эксплуатацию месторождения, труднодоступные или недоступные для шахтного метода, так как предельная глубина, достигнутая соляными рудниками равна на настоящее время около 600^1000 м, а подземным растворением 194

через скважины с поверхности сейчас разрабатываются месторождения каменной соли на глубинах около 2 км (Волгоградское и Зиминское), а экспериментальные работы ведутся и на больших глубинах (например, в Голландии на глубине 2500^2800 м).

На сегодняшний день накоплен значительный опыт создания подземных камер методом ПРС. Его можно условно разделить на три больших группы:

1) Отработка неглубоко залегающих

пластов небольшой мощности сплошными системами разработки (Ново-

Карфагенское месторождение);

2) Отработка мощных пластов на больших глубинах камерной системой разработки (Яр-Бишкадакское, Зиминское, Волгоградское месторождения и др.);

3) Строительство индивидуальных камер в пластах различной мощности (камеры, используемые для хранения газа, нефтепродуктов, для захоронения отходов, включая от атомных производств и др.)

Одним из основных вопросов при подземной разработке месторождений полезных ископаемых (МПИ) является вопрос обеспечения устойчивого состояния подземных выработок. В общем случае под устойчивым понимается состояние горной выработки, удовлетворяющее в течение заданного срока требованиям ее эксплуатации и техники безопасности в отношении формы, размеров поперечного сечения и продольного профиля. Под устойчи-

востью горных пород понимается их свойство сохранять устойчивые обнажения при проведении горных выработок. В горных породах основными формами потери устойчивости выработок в общем случае являются: а) вывалообразование по трещинам; б) разрушение пород в зонах предельной концентрации напряжений. Сдвижение (в смысле обрушения, сползания) пород наступает в результате разрушения (например, скола) в зонах концентрации напряжений или под действием собственного веса отдельных блоков породы. Для оценки устойчивости горной выработки при хрупком разрушении в зонах предельной концентрации напряжений, как установлено опытным путем, достаточным является сопоставление прочности породы с дейсвующими на контуре выработки максимальными напряжениями. Однако при подземном растворении основным является вопрос обеспечения устойчивости междукамерных целиков на различных этапах эксплуатации камер. Обычно разделяют два основных этапа “жизни” камер ПРС: первый -это этап собственно образования (растворения) данной камеры и второй - это этап последующего ее использования. Причем проект использования камер растворения является одним из разделов проекта отработки месторождения. Если в условиях эксплуатации рудников (при камерной системе разработки) критерием устойчивого состояния целиков обычно принимается условие непревышения рассчитанных нагрузок на целик некоторому “безопасному” значению (обычно пределу прочности на сжатие при наличии определенного коэффициента запаса прочности), то при подземном растворении через скважины с поверхности необходимо учитывается как минимум еще и противодавление в камерах. Основной отличительной особенностью таких целиков является необходимость сохранения ими устойчивого состояния в процессе всего срока существования камер (то есть они должны обеспечить “изоляцию” камер друг от друга и

от водоносных горизонтов). При отработке подземным растворением мощных соляных пластов довольно часто плоскости кровли и почвы камер могут условно пересекать рядом расположенные камеры, целики в этом случае имеют сложную (непрямоугольную форму).

Характерной особенностью рассоло-промыслов является трудность достоверной и оперативной оценки не только состояния поверхности подземных выработок (камер), но даже и их формы и ориентации в пространстве. Для уточнения формы камеры необходимо ежегодно останавливать растворение и проводить комплекс работ по эхолокации. Еще более сложно получать информацию о сдвижениях (деформациях) вмещающего камеры массива. Единственной - сравнительно легко доступной - является информация о состоянии поверхности на участках рас-солопромыслов. Ранее считалось, что поверхность в районах рассолопромыслов, поддерживаемая на целиках не испытывает существенных деформаций. Однако, как показывает опыт эксплуатации рассо-лопромыслов в этом случае, как и при подземной разработке шахтным способом, поверхность также испытывает существенные опускания, хотя во времени они более “растянуты”. Причем основными факторами, оказывающими влияние на опускание поверхности является не только площадь поперечного сечения камер, но и их высота (т.е. практически объем вынутого полезного ископаемого). При отработке одиночной камеры большой высоты (сотни метров) на поверхности всегда образуется “мульда сдвижения” вне зависимости от глубины разработки.

В условиях расположения камер в зонах повышенной сейсмической активности необходимо оценивать и дополнительные нагрузки на междукамерные целики, вызванные воздействием волновых факторов на указанные (и другие) элементы массива.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что при оценке состояния элементов

соляного массива (например, от

“сложных” целиков, разделяющих камеры растворения, и вплоть до состояния поверхности), в сейсмически активных районах при ведении работ подземным растворением необходимо решить три принципиальные задачи, касающиеся:

- получения научно-обоснованных данных, позволяющих установить параметры состояния земной поверхности (причем обязательно в течение довольно длительного времени - более 10-20 лет с момента начала растворения);

- горногеомеханического обоснования устойчивого (неустойчивого) состояния элементов массива (междукамерных целиков и др.) в окрестности камер (как в период растворения, так и в период возможного их использования “в качестве хранилища”);

- установления роли сейсмоактивности региона расположения рассолопро-мысла на указанные выше аспекты.

Подобные оценки должны базироваться на доскональном изучении и научном обобщении: геологической информации об объекте исследований - галогенном массиве и покрывающей его толще пород, данных горногеомеханических параметров указанной среды и подземных сооружений; сведений о сейсмоактивности региона в рамках суперпозиционного рассмотрения влияния геостатического и геоди-намического полей напряжений на формирование механического состояния пород в окрестности камер.

Решение вопросов обоснования исходных данных на проектирование подобных сооружений требует, следовательно, разработки специального комплексного метода. Такой метод должен основываться на подходах, параллельно использующих и обобщающих данные маркшейдерской информации (о сдвижении поверхности), и результаты геомеханической оценки состояние вмещающей подземные объекты (камеры) толщи горных пород. Анализ результатов геомеханических оценок, кроме того, должен учитывать изменения в мас-

сиве компонентов напряжений, деформаций и перемещений, оцениваемых как в рамках влияния геостатических и геоди-намических полей характерных для данного региона, так и в рамках суперпозици-онного поля. Недостаточность информации о маркшейдерских наблюдениях “собственно для площадок вновь проектируемых рассолопромыслов” может быть “компенсирована” включением в указанный комплексный метод выполнения научно-исследовательской работы “аналогового подхода”, включающего сопоставление геологических и горномеханических параметров вмещающего массива данного рассолопромысла и “рассолопромысла-аналога”. Горногеомеханические задачи, целью которых является получение достаточно доскональных оценок параметров проявлений геостатического поля в рассматриваемых массивах горных пород (в окрестности камер растворения), практически всегда базируются на рассмотрении и обосновании выбора как аналитических, так и экспериментально-аналитических методов оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) горных пород в окрестности указаных объектов. Очевидно, что приоритетно выбранный метод должен обеспечивать возможность учета широкого спектра геометрических параметров изучаемых объектов (например “невыдержанность” диаметра камер по высоте и участков массива, их разделяющих), а также структурно-механических характеристик вмещающих их массивов (слоистость, неоднородность, упругопластические свойства и т.д.). Рассмотренным обстоятельствам - и некоторым иным особенностям выполнения количественных оценок напряженно-

деформированного состояния массива -как показал анализ, достаточно соответ-свует применение численных методов, разработанных на базе так называемых “граничных” и “конечных” элементов.

В качестве рабочего метода, с учетом данных обобщения геолого-гор-нотехнических характеристик соляных

массивов возможно принять одну из модификаций метода “граничных элементов”, а именно - метод разрывных смещений (МРС), позволяющий дать необходимую количественную оценку интересующих исследователя величин компонента тензора напряжений (ст^), тензора деформаций (бу) и вектора перемещений (5^).

Особо следует отметить, что необходимо-достаточный анализ всего спектра технологически возможных ситуаций (как с точки зрения изменения геометрии камер во времени, так и с точки зрения вероятности их “отклонения” от “запроектированного контура”) выполнить практически не реально. В этой связи целесообразно предусматривать выполнение оценки механического состояния подземных объектов для “экстремально-неблагоприятного” сочетания условий эксплуатации камер на различных стадиях их существования (развитие, вторичное использование,

“консервация- захоронение” и т.п.). Такая специфика должна направленно отражаться в формировании геометрических, механических и силовых (в частном случае -геостатических) параметров, принимаемых в качестве исходных при решении этой части комплексного исследования. Наличие сейсмо-активости достаточно высокого уровня (от 2^3 до 8-ь9 баллов и выше по шкале МЕК-64) требует разработки специального подхода к оценке параметров и геодинамиче-

ского поля, что также должно отражаться в комплексном методе изучения горноге-омеханического состояния массива. При этом, с учетом сугубо стохастической возможности проявления данного фактора в пределах определенного горного отвода рассолопромысла, оценка его в рамках решаемой задачи целесообразна лишь в экстремальной постановке рассмотрения количественных величин динамического поля напряжений (аналогично с экстремально неблагоприятными технологическими ситуациями). Такой подход, как очевидно, является единственно возможным, поскольку подобные камеры зачастую используются в качестве емкостей для размещения в них различного рода отходов, в том числе и существенно “экологоопасных”.

Результаты геомеханических оценок дают исходные данные для собственно анализа возможных “экстремальных” проявлений горного давления как в пределах “околокамерного” массива (междукамер-ные целики, стенки и потолочины камер), определяющих технологическое состояние рассолопромысла, так и в налегающих толщах - вплоть до земной поверхности. В целом, появляется возможность выполнения доскональной оценки вопросов гидродинамической “автономности” всей галогенной толщи, вмещающей комплекс действующих и “консервируемых” камер рас-солопромысла.

— Коротко об авторах -------------------------------------------

Ковалёв О.В. - профессор, доктор технических наук, кафедра РМПИ, Тхориков И.Ю. - кандидат технических наук, ассистент, кафедра РМПИ, Мозер С. П. - кандидат технических наук,

Санкт-Петербургский горный институт ГОУ ВПО СПГГИ(ТУ)