CC BY
34
----------------------------------- © М.В. Гилев, А. А. Гуляев,
С.А. Константинова, В.Е. Мараков, Ю.А. Плотников, С.А. Чернопазов,
2006
УДК 622.831.3.001.57
М.В. Гилев, А.А. Гуляев, С.А. Константинова, В.Е. Мараков, Ю.А. Плотников, С.А. Чернопазов
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НЕДР И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КАЛИЙНЫХ СОЛЕЙ
Семинар № 11
^а последние 20 лет на рудниках Верхнекамского месторождения калийных и калийно-магние-вых солей (ВКМКС), которое было открыто в 1925 году и эксплуатируется с 1934 года, произошли 2 чрезвычайных события: 1986 г. - затопление Третьего Березниковского рудника; 1995 г. - массовое обрушение пород на Втором Соликамском руднике. Проблема геодинамиче-ской безопасности недр и земной поверхности при эксплуатации уникального по запасам и единственного в России разрабатываемого месторождения калийных и калийно-магние-вых солей приобрела актуальность [1 3].
Основные методические подходы, применяемые для решения задач геоди-намической безопасности при эксплуатации ВКМКС на начальной стадии исследований (до 2002 года), достаточно подробно рассмотрены в работе [4].
В работе [5] справедливо отмечается, что «альтернативы расчетному прогнозу нет, если мы хотим вести горные работы в безопасных условиях, заранее выбрав необходимые системы разработки, определив их параметры и предусмотрев
необходимые мероприятия по предотвращению геодинамических явлений».
В качестве физико-геологической модели подработанной породной толщи принимаются вертикальные геологические разрезы (рис. 1, а), построенные по данным скважин поверхностной и подземной геологической разведки, а также визуальных геологических наблюдений по разведочным выработкам. Значения физико-механических показателей пород надсолевой толщи (ТКТ, СМТ), покровной каменной соли (ПКС) и карнал-литовой зоны (КЗ) принимаются по данным испытаний породных образцов, полученных при проходке стволов на Четвертом Березниковском руднике. Для пород сильвинитовой зоны (СЗ) и подстилающей каменной соли (ПдКС) параметрическое обеспечение геомехани-ческих моделей принимается в соответствии с данными, приведенными в работе [6]. На рис. 1, а пунктирной линией обозначена кровля водозащитной толщи (ВЗТ).
При оценке естественных напряжений [6] считается, что в ненарушенном горными работами породном массиве основной (и единственной) действую-
в
161'
-200
-300
а
Рис. 1. Вертикальный геологический разрез (а), расчетная область и расчетная схема (б)
щей силой является вес вышележащих пород (рис. 1, б). При геомеханических расчетах используется метод конечных элементов (МКЭ). Задачи решаются в вязкоупругой постановке плоской деформации с использованием такого геологического периода релаксации естественных напряжений, при котором в соляной толще реализуется реологически равновесное поле напряжений.
Для ненарушенного горными работами породного массива расчеты проводятся «шагами» по времени до тех пор, пока в соляной породной толще поле естественных напряжений не становится близким к гидростатическому и
распределение компонент тензора напряжений по геологическому разрезу в целом не стабилизируется.
По различным критериям механики разрушения (максимальные касательные напряжения, Шлейхера - Мизеса, плотность энергии) выявляются природные тектонически-нап-ряженные зоны (ТНЗ) и оценивается область их динамического влияния (ОДВ).
Проводится качественная и количественная оценка влияния так называемых «аномалий», выявленных различными исследователями, в основном, геофизическими методами, на поле естественных напряжений, размеры и место-
35 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Рис. 2 - Результаты маркшейдерских замеров оседаний Ап земной поверхности по профильной линии № 2 на шахтном поле рудника СКПРУ-2: 3,5 .. 80 - номера реперов; профильная линия заложена в 1977 году; горные работы проведены в 1975-1989 годах по сильвинитовым пластам Вс, АБ и Красный II; +,0,Д,о,х - натурные данные; аппроксимация
положение ТНЗ. При этом особое внимание уделяется элементам разломно-блоковой тектоники [2, 7].
Для оценки энергетического воздействия на геологическую среду техногенной нагрузки вводится понятие геоме-ханического пространства [8] как совокупности взаимовлияющих выработок, создающихся в породном массиве в процессе ведения горных работ, которое вносит возмущение, действующее и за пределами шахтного поля (геодинами-ческое опорное давление). Дополнительные (техногенные) напряжения определяются как разность полных (при наличии горных выработок) и естественных напряжений [9]. Эффективность различных горных мер, направленных на обеспечение геодинамической безо-
пасности недр и земной поверхности, оценивается по значению энергии возмущений [8].
Опыт решения нами геомеханиче-ских и геодинамических задач показал, что численные расчеты с применением МКЭ эффективны только на геологических разрезах большой протяженности (примерно 6 г 10 км).
В настоящее время МКЭ-програм-ма развивается в направлении возможности решения геомеханических задач для оценки геодинамической безопасности недр и земной поверхности при эксплуатации пластового месторождения, сложенного упруговязкопластическими геоматериалами, в трехмерной постановке.
Наиболее важным моментом в решении задач геомеханики и геодинамики методом математического моделирования является выбор корректного параметрического обеспечения моделей. Вместе с тем такой существенный показатель как модуль деформации пород, слагающих различные породные толщи (см. рис. 1, а), по данным различных исследователей варьируется в самом широком диапазоне.
Была выполнена корректировка параметрического обеспечения геомеха-
нических моделей, которые применяются для геодинамической оценки безопасности недр и земной поверхности при ведении горных работ на Верхнекамских калийных рудниках. Критерием для подбора корректного параметрического обес-печения геомеханических расчетов являлось удовлетворительное совпадение измеренных в натурных условиях (рис. 2) и рассчитанных с применением МКЭ-программ оседаний земной поверхности в характерных точках.
Рис. 3. Распределение максимальные касательныш напряжений ттах в ненарушенном горными работами породном массиве: а - расчеты проведены без учета реологических свойств пород, слагающих СМТ; б - с учетом реологических свойств пород, слагающих СМТ
Проведены геомеханические расчеты по широтному геологическому
е, Дж/м3
Рис. 5. Напряженное состояние ненарушенного горными работами породного массива
в
45 и
400
350
300
250
200
00
разрезу «проф. линия № 5 - скв. 123с -скв. 124с - скв. 125с - скв. 299а - проф. линия № 2 - скв. 161с», про-ходящему взс широтном направлении на—ша хтном.; поле ВторогЕСодикам^-кэгоЗирняни!!! (см. рис.
Для
измеренныхз^седаний земной поверх
обратную краевую задачу. Выяснилось, что породам соляно-мергельной рЬлщи (СМ Т) следует. «приписывать» хотя бы
нешачшельную ползучесть и релаксацию. В противном сл>^Лез,они.Б аще не-[!i:ПоЯрgiSi5йigй~П2р,lнэи пчще (рис. 3)
1ниИ 3 продуктивных пластов повышенными есте-
сти к анали зу бы ли приняты^аркшей- ст венны ми ... к асательным и на пряжрния-
дерские данные по профильным линиям ми, что противоречит общим представ-
№№ 5 и 2 (рЩДё)1з период наблюдений лениям о процессах, происходящих в
по которым составил соответственно 19 соляных и срленосных породах под наи 28 лРт. ^ I
Методом перебора! 23—Б!рианTaБ-S-прe::-----пород-СМТ-на ползучесть и релаксацию
цессе числбн■нст^гn_-1эyспPрИWPнт!-ррШ!■Лй-^lбИKЭГя!-Hр-йC.п^rT^тБA.ЛИCЬ^ ' Кр II
14,6 540,6 1154,2 1855,5 2556,8 3258,2 3959,5 4660,8 5362,1 Х м
248,4 832,8 1504,9 2206,2 2907,5 3608,8 4310,1 5011,4 5712,8 ’
Рис. 7. Изменение плотности е энергии формоизменения, проинтегрированной по вертикаль-
РШ^б^КЩффМциент К запаса «мтовённЖ^Прочности по крУтИерПОо Шлейхера-Мизеса в подработанном породном массиве (а), местоположение и размеры вертикальных трещин (а, б) на 2034 год
Из рис. 2 и 4 видно, что рассчитанные значения оседаний земной поверхности удовлетворительно сов-падают с измеренными как качественно, так и количественно.
Приведем далее результаты численной оценки напряженно-деформи-
рованного состояния подработанного
массива при проектных параметрах очистных работ на Первом Березниковском калийном руднике.
Горные выработки Первого Березниковского рудника 50 лет подрабатывают жилые и промышленные объекты города Березники и ближайших населенных пунктов.
Несмотря на то, что в последнее время значительно возрос годовой объем закладочных работ, под жилой застройкой остается еще много пустот. Некоторые зоны ускоренных оседаний земной поверхности находятся в черте городской застройки.
Для геодинамической оценки соответствия проектных параметров очистных и закладочных работ горногеологическим условиям в северовосточной части Первого Березниковского рудника проведены геомеханиче-ские расчеты напряженно-
деформированного состояния ненарушенного горными работами и подработанного породного массива. Расчеты выполнены в предположении гипотезы плоско-деформированного состояния с применением наследственной модели деформирования и разрушения соляных
пород [10, 11]. Влияние закладки выработанного пространства на напряженное состояние пород не учитывали, что идет в запас устойчивости несущих элементов системы разработки. Результаты расчетов иллюстрируются на рисунках 5 8.
На рис. 5 а, б, в выделена по критериям Тпах (максимальное касательное напряжение), К и е ТНЗ между скважинами 24С и 185С. Наблюдается высокая концентрация энергии формоизменения на уровне водозащитной толщи (ВЗТ), причем значения плотности е энергии формоизменения в 4 раза превышают фоновые.
При некорректном ведении очистных работ ТНЗ может стать геодинамически опасной зоной (ГОЗ). Из рис. 6 видно, что после отработки пласта Красный II при проектных параметрах системы раз-
Рис. 8. Вертикальные смещения (а) подработанного породного массива и нарастание оседаний земной поверхности (б) в отдельных точках: а - 2034 год
а
работки в пласте покровной каменной соли (ПКС) уровень плотности е энергии формоизменения останется прежним, а значение коэффициента К запаса прочности достаточно высоко (К « 9,0). Однако на уровне карналлитового пласта В и выше образуется система устойчивых вертикальных трещин.
В целом по разрезу энергия формоизменения возрастает незначительно, т. е. энергия возмущений [8] достаточно мала (рис. 7). Расчетные оседания земной поверхности на 2034 год не превзойдут 7 см (рис. 8), следовательно, междукамерные целики будут работать в жестком режиме.
В результате геодинамического районирования недр и земной поверхности на северо-восточном участке шахтного поля Первого Березниковского рудника был выделен структурный узел - узел
пересечения 3-х разноориентированных разломов [12]. Скважина 24С находится в области его динамического влияния. Узлу пересечения разноориентированных разломов должны соответствовать зоны дезинтегрированных пород.
В связи с вышесказанным следует скорректировать проектные параметры очистных и закладочных горных работ при отработке пласта Красный II на участке восточнее скв. 24С (до скв. 185С). Можно, например, уменьшить время отставания закладочных работ от очистных или изменить форму междукамер-ных целиков.
Эти (или другие ...) горные меры позволят избежать таких негативных проявлений горного давления, при которых ТНЗ становится ГОЗ со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Работы проводятся при финансовой поддержке ОАО «Сильвинит», ОАО «Уралкалий» и Российского фонда фундаментальных исследований (проект 04-01-97511). ----------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Константинова С.А. Проблемы гео-динамической безопасности недр и земной поверхности на территории Верхнекамского месторождения калийных и калийно-магниевых солей // Безопасность труда в промышленности.
- 2001. - № 4.
2. Константинова С.А. О природных
причинах негативных событий в Верхнекамском регионе // Безопасность труда в промышленности. - 2002. - № 2.
3. Константинова С.А. Горно-
тектонический удар на Втором Соликамском руднике // Горный журнал. - 2005. - № 3.
4. Константинова С.А. Методические
подходы, применяемые для решения задач гео-динамической безопасности при разработке Верхнекамского месторождения калийных солей // Сборник научных статей. - Пермь; Соликамск: ОАО «Галургия», 2002. - С. 18 - 40.
5. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология. - Екатеринбург: УрО РАН, 2001.
6. Константинова С.А., Чернопазов
С.А., Гуляев А.А. Оценка естественных напря-
жений в породном массиве Верхнекамского ре-
гиона на основе блочно-иерархи-ческой модели // ФТПРПИ. - 2001. - № 5.
7. О геодинамическом районировании недр и земной поверхности на территории Верхнекамского региона / С. А Константинова, О.В. Зальцзейлер, М.В. Гилев, Ю.В. Мынка // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: Тр. Междунар. конф. - Новосибирск: Изд-во ИГД СО РАН, 2004.
8. Шемякин Е.И., Курленя М.В., Кулаков Г. И. К вопросу о классификации горных ударов // ФТПРПИ. - 1986. - № 3.
9. Гловински Р., Лионс Ж.Л., Тремольер Р. Численное исследование вариационных неравенств. - М.: МИР, 1979.
10. Константинова С.А., Чернопазов С.А. Развитие наследственной модели деформирования и разрушения соляных пород // ФТПРПИ.
- 2004. - № 1.
11. Константинова С.А. Об одной феноменологической модели деформирования и разрушения соляных пород при длительном действии сжимающих нагрузок // ФТПРПИ. -1983. - № 3.
12. Константинова С.А., Кассин Г.Г., ском месторождении калийных солей // Гор-
Глебов С.В. О геодинамическом районирова- ный информационно-аналитический бюллетень.
нии недр и земной поверхности на Верхнекам- - М.: МГГУ, 2001. - № 6.
— Коротко об авторах
ГилевМ.В. - главный маркшейдер ОАО «Сильвинит»,
Гуляев А.А. - младший научный сотрудник ОАО «Галургия»,
Константинова С.А. - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией ОАО «Галургия»,
Мараков В.Е. - кандидат технических наук, зам. генерального директора ОАО «Галургия»,
Плотников Ю.А. - заместитель начальника геологического отдела ОАО «Уралкалий», Чернопазов С.А. - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ОАО «Галургия».
