CC BY
35
УДК 622.8:622.363.2.012.2
A.А.БАРЯХ, д-р техн. наук, директор, bar@mi-perm. ru
B.А.АСАНОВ, д-р техн. наук, заведующий лабораторией, ava@mi-perm. ru И.А.САНФИРОВ, д-р техн. наук, зам. директора, [email protected] Горный институт Уральского отделения РАН, Пермь
A.A.BARYAH, Dr. in eng. sc, director, bar@mi-perm. ru V.A.ASANOV, Dr. in eng. sc., laboratory head, ava@mi-perm. ru I.A.SANFIROV, Dr. in eng. sc., deputy director, sanf@mi-perm. ru Mining Institute, Ural branch of the RAS, Perm
МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ УСТОЙЧИВОСТИ СОЛЯНЫХ МЕЖДУКАМЕРНЫХ ЦЕЛИКОВ
Исследование особенностей деформирования и разрушения соляных пород при отработке калийных пластов позволило реализовать методику оценки состояния грузонесу-щих элементов камерной системы разработки, которая заключается в инструментальном контроле целиков комплексом геофизических и прямых методов с последующим прогнозом остаточного срока службы целиков методами математического моделирования.
Ключевые слова: соляные породы, междукамерные целики, устойчивость, срок службы.
THE METHOD OF POTASH SALT INTERCHAMBER PILLARS
STABILITY CONTROL
The research of potash salt rock deforming and damaging features has made it possible to develop the method of load bearing element state examination by chamber-and-pillar system. This method consists in instrumental control of pillars by geophysical and in situ methods with following prognosis of their residual life by mathematical simulation methods. Key words, potash salt rocks, interchamber pillars, stability, life.
Обеспечение безопасных условий ведения горных работ при подземной разработке соляных и калийных месторождений связано с проблемой предотвращения прорыва поверхностных вод в подземные горные выработки. В большинстве случаев основной причиной аварий является несоответствие параметров камерной системы разработки (ширины камер и междукамерных целиков) горно-геологическим условиям конкретных отрабатываемых участков. Как правило, эти несоответствия приводят к разрушению целиков, сдвижению подработанных толщ, образованию сквозных водопроводящих трещин, деформациям и разрушению объектов на поверхности. Предсказать расчетным путем срок службы междукамерных цели-
186
ков достаточно сложно из-за многочисленности влияющих факторов. В настоящее время состояние целиков оценивается по данным визуальных наблюдений или отмечается постфактум по ускоренным оседаниям земной поверхности.
Анализ результатов обследования состояния выработанных пространств на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей показывает, что на отдельных участках при отработке сильвинитовых пластов с «жесткими» целиками, рассчитанными на «бесконечный» срок службы, спустя 20-30 лет наблюдаются значительные разрушения. Глубина отслоения пород в стенках целиков может достигать 2,5 м, а в кровле камер наблюдаются обрушения по-
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.198
толочин и междупластий. Эта ситуация может быть усугублена снижением прочностных свойств в зонах аномалий. Все это ведет к постепенному разрушению междукамерных целиков и интенсификации процесса сдвижения подработанных пород. Скорости оседаний могут достигать 500 мм/год, а конечные деформации земной поверхности - 3,0-4,5 м. В последние годы эта проблема особенно остро встала перед рудниками, отрабатывающими запасы под городами Березники и Соликамск, где сдвижение земной поверхности может приводить к деформированию и разрушению промышленных и жилых зданий и сооружений. Для снижения степени опасности возникновения аварийных ситуаций необходима гибкая система геомеханического контроля процессов, происходящих в массиве, позволяющая прогнозировать и оперативно учитывать при планировании горных работ изменение состояния подработанного массива.
Комплекс исследований особенностей строения, физико-механических свойств, напряженно-деформированного состояния и характера разрушения соляных пород при отработке сильвинитовых пластов позволил разработать методику экспериментально-теоретической оценки состояния грузоне-сущих элементов камерной системы разработки. Сущность данной методики заключается в содержательной интерпретации результатов натурных исследований методами математического моделирования (рис.1).
Исходной информацией для оценки состояния междукамерных целиков и потолочин служит геолого-маркшейдерская документация, полученная в процессе эксплуатационной разведки и отработки рабочих пластов, акты обследования очистных и подготовительных выработок, данные по оседаниям земной поверхности. По результатам анализа выделяются потенциально опасные участки, которые требуют детального исследования состояния элементов камерной системы разработки (потолочин и междукамерных целиков) для разработки рекомендаций по сохранению сплошности водозащитной толщи.
Для параметрического обеспечения геомеханических расчетов на экспериментальных участках отбираются пробы и оп-
ределяются физико-механические свойства пород. При необходимости выполняются специальные исследования по выявлению особенностей деформирования и разрушения образцов под нагрузкой с учетом структурно-текстурных особенностей строения массива соляных пород.
Инструментальный контроль состояния краевых частей соляных целиков осуществляется «прямыми методами». Оценка степени нарушенности пород приконтурного массива производится оптическим методом по контрольным шпурам, пробуренным перпендикулярно плоскости обнажения. Контроль деформирования целиков и расслоения кровли камер осуществляется с помощью контурных и глубинных реперов. Измерения напряжений выполняются методами компенсации с использованием аку-стоэмиссионных эффектов памяти, на контуре обнажения измерения проводятся методом щелевой разгрузки. Однако данные исследования имеют высокую трудоемкость работ и точечный характер полученных результатов.
Для интегральной оценки состояния междукамерных целиков на потенциально опасных участках целесообразно использовать геофизические методы, позволяющие проводить площадной контроль состояния массива. Опыт использования шахтной геофизики позволил рекомендовать для контроля соляных междукамерных целиков сейсмоакустические методы, имеющие хорошее теоретическое, аппаратурное, программное обеспечение и успешно применяемые на калийных рудниках. Шахтные наблюдения проводятся способом профилирования по стенкам целиков в модификации метода общей глубинной точки. Измерения выполняются 48-канальной цифровой акустической станцией, обеспечивающей регистрацию сигналов в диапазоне частот до 20 кГц и позволяющей изучать приконтур-ный массив с детальностью менее 1 м. Качественный анализ результатов исследования закономерностей распространения упругих волн в целике показал, что на сейсмограммах хорошо выделяются отражающие границы, соответствующие ослабленным зонам и зонам опорного давления.
Рис. 1. Схема контроля состояния междукамерных целиков
а
стср, МПа
10 5 -
стср, МПа
10 5
-1-Г"
2
/, м
-1-1-1-Г"
8 10
стср, МПа
10 -
5
12 l, м
0
10
12 l, м
Рис. 2. Обобщенные эпюры распределения средних напряжений по ширине междукамерных целиков различного возраста: а - 0,6 лет; б - 6,0 лет; в - 30 лет
0
2
4
6
8
б
0
4
6
4
2
6
8
Для количественной оценки состояния приконтурного массива на одних и тех же участках наблюдений выполняется корреляционный анализ взаимосвязей между распределением напряжений по ширине целиков, полученным при измерениях «прямыми методами», и характеристиками скоростного анализа. Результаты обработки показали, что вид корреляционной функции и численные значения коэффициентов, входящих в уравнения связи, зависят от горно-геологических и горно-технических условий и должны определяться для каждого изучаемого участка отдельно. С использованием полученных корреляционных уравнений строятся площадные планы распределения напряжений по ширине целиков. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что с ростом срока службы возрастает степень неоднородности распределения напряжений по площади целиков. Даже в пределах одного целика его краевые части разрушаются с различной интенсивностью и на разную глубину. Это обусловлено значительной вариацией механических свойств пород по площади в связи с неоднородностью строения и состава рабочих пластов, что подтверждает необходимость оперативного контроля состояния целиков на потенциально опасных участках.
На основе совместной обработки результатов геофизических и инструментальных измерений строится обобщенная эпюра распределения напряжений по ширине целиков и оценивается размер зоны разрушенных приконтурных пород, характеризующих состояние массива на участке, прилегающем к месту измерений (рис.2). Эти данные являются исходной информацией для оценки срока устойчивого состояния междукамерных целиков методами математического моделирования.
На стадии теоретического обобщения экспериментальной информации для конкретной горно-технической ситуации проводится численное моделирование напряженно-деформированного состояния соляного массива, подработанного камерной системой разработки. В качестве модели, описывающей процессы деформирования и разрушения целиков во времени, принята структурная рео-
логическая модель максвелловского типа. В модели учитывается изменение несущей способности целиков от формы, размера бокового давления, а также зависимость вязкости пород от скорости деформирования, определенная по результатам лабораторных экспериментов. Моделирование напряженно-деформированного состояния междукамерных целиков на контролируемом участке отработанного соляного массива выполняется методом геометрического погружения. В процессе моделирования определяются параметры модели, при которых расчетная эпюра распределения напряжений по ширине целиков и размер сдвижения земной поверхности будут соответствовать результатам экспериментальных исследований напряжений и оседаний земной поверхности.
По данным расчетам несущей способности междукамерных целиков для разных временных интервалов строится обобщенная кривая деформирования целиков во времени (рис.3), где точка А, лежащая на расчетной кривой, соответствует результатам натурных измерений.
Наблюдения за характером разрушения соляных образцов показывают, что при падении нагрузки на запредельном участке в 2 раза отмечается начало интенсивного (лавинообразного) разрушения. Это значение можно принять за предел устойчивости гру-зонесущих элементов камерной системы разработки. Тогда остаточный срок службы соляных междукамерных целиков опреде-
q, МПа
qс
8,0 -
4,0-
q = 0^с
0
к-и
5
10
15
20
25 t, годы
Рис. 3. Диаграмма изменения несущей способности целиков во времени: А - экспериментально определенное напряжение; Б - напряжения, соответствующие потере несущей способности целиков; и - остаточный срок службы целиков
Б
лится временем (^г) снижения их несущей способности до значения, равного половине предельного (от точки А до точки Б).
В процессе ведения горных работ может производиться периодический контроль состояния целиков для уточнения (корректировки) срока их службы в зависимости от результатов повторных измерений.
Данная методика апробирована при оценке состояния междукамерных целиков вблизи зоны обрушения на руднике СКРУ-2 ОАО «Сильвинит».
Таким образом, предложенная методика контроля состояния междукамерных целиков позволяет оперативно и своевременно
предоставлять информацию о состоянии соляных междукамерных целиков на потенциально опасных участках шахтных полей для разработки рекомендаций по проектированию мер охраны водозащитной толщи и объектов на земной поверхности.
Работа выполнена при поддержки Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 09-05-00837-а «Исследование масштабного эффекта и квазипластичных горных породах при простом и сложном на-гружении» и грант 09-05-00902-а «Контроль напряженного состояния грузонесущих элементов системы разработки соляных пород акустоэмиссионными методами»).
