CC BY
46
- © Б.А. Борзаковский,
В.Н. Аптуков, Л.О. Тенисон, 2015
УДК 622.831
Б.А. Борзаковский, В.Н. Аптуков, Л.О. Тенисон
О ВОЗМОЖНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ НОВЫХ ПРОВАЛОВ НА ЗАТОПЛЕННОМ РУДНИКЕ БКПРУ-1*
На калийных рудниках ОАО «Уралкалий» произошли четыре провала: один на БКПРУ-3 и три на БКПРУ-1. По оценке максимальный объем карстовой полости в соляных породах на руднике БКПРУ-3 1,1 тыс./м3, максимальный на руднике БКПРУ-1 (провал № 3) 515 тыс./м3. Форма карстовых полостей и провалов - неправильные усеченные конусы. Диаметры меньших оснований конусов 32-60 м. Провалы на БКПРУ-3 и № 1 на БКПРУ-1 образовались из-за прорыва вод в рудник, а провалы № 2 и № 3 на БКПРУ-1 спустя 2-3 года после полного затопления рудника. Представлен анализ двух версий образования провалов № 2 и № 3. По одной из них провалы образовались из-за выщелачивания MgCl2 из обрушившихся слоев в свиты карналлитовых пластов, мощность которых 30-35 м. При выщелачивании образуются пустоты, объем которых составляет около 43% от руды. Расчет баланса объема пустот, в которые кроме пустот выщелачивания входит объем камер в контуре провала и объем от растворения солей при затоплении, показал, что этот объем значительно меньше объема нерастворимых пород провала и объема обрушившихся солей. Из этого следует, что при выщелачивании MgCl2 из карналлита возможно только образование мульды. Вторая версия заключается в том, что кроме выщелачивания карналлита в период затопления рудника в районе провалов № 1 и № 3 произошло нарушение сплошности водозащитной толщи, и поступаю-щая пресная вода растворила каменную соль. Анализ горнотехнических условий и расчеты устойчивости целиков и потолочин показали, что произошло нарушение сплошности. Расчеты растворимости солей и притока пресных вод подтвердили, что времени для поступления необходимого объема пресных вод и растворения солей вполне достаточно в период от нарушения сплошности водозащитной тощи до затопления рудника. По результатам исследований установлено, что на участках затопленного рудника БКПРУ-1, где наблюдаются ускоренные оседания, провалы, вызванные выщелачиванием MgCl2, не ожидаются. Однако конечные оседания могут превысить 14 м.
Ключевые слова: провал, карстовая полость, растворение, выщелачивание, породы солевые, нерастворимые, затопление рудника, устойчивость целиков, устойчивость кровли.
В октябре 2006 г. на руднике Первого Березниковского калийного производственного рудоуправления (БКПРУ-1) произошел прорыв воды, и началось затопление рудника. Рудник полностью затопило в декабре 2008 г. При затоплении рудника в июле 2007 г. образовался провал № 1. Затем через 2 года образовался провал № 2, а спустя год провал
№ 3. Образованию провалов № 2 и № 3 предшествовали ускоренные оседания земной поверхности.
На руднике отрабатывалось три пласта: верхний карналлитовый пласт В и нижние сильвинитовые пласты АБ и Кр11. В местах, где пласт В замещен сильвинитом Вс, отрабатывались пласты АБ и Вс. На значительной площади шахтного поля находятся: жилая
* Работа выполнена по гранту, представленному институтом ОАО «Галургия».
Рис. 1. Расчетная схема для определения объема провала и карстовой полости
застройка, промышленные здания и сооружения.
После затопления на шахтном поле появилось несколько зон с ускоренными оседаниями. Эти зоны находятся в местах, где отрабатывались пласты АБ, В и Вс. Над этими зонами находится также жилая застройка и промышленные объекты. В этой ситуации возникает вопрос о возможности появления новых провалов на шахтном поле рудника БКПРУ-1 и необходимость в этой связи разработки мероприятий о ми-нимализации последствий, связанных с образованием провалов.
Известно, что провал образуется в том случае, если объем образовавшейся карстовой полости больше объема разрыхленных пород в его контуре, а свод провала неустойчив под давлением налегающих пород.
Для решения вопроса о возможности возникновения новых провалов на руднике БКПРУ-1 произведен анализ параметров образовавшихся провалов и карстовых полостей. Расчетная схема провала и карстовой полости на момент образования провала приведена на рис. 1.
В общем случае провал и карстовая полость представляет собой два усеченных неправильных конуса, соединенных неправильным цилиндром. После образования провала удается определить только сечение провала на уровне земной поверхности, ввиду постоянного обрушения его кромки. При стабилизации процесса обрушения провала № 2 и № 3 на БКПРУ-1 удалось определить контуры дна провала и его сечения. Для остальных провалов сечение дна провала принято приближенным.
Объем карстовой полости, м3:
= (V. + vн,a • (кр -1)) • кр (1)
где Упр - объем нерастворимых пород в целике, м3; Уна - объем нерастворимых пород в донной части провала, м3; кр - коэффициент разрыхления пород донной части провала.
V = Н • (5 + 5 +../5 • 5 ) • 3-1 (2)
пр пр * 3 Л \ 3 л' . (2)
где 5з, 5д - площадь сечения провала соответственно на уровне земной поверхности и дна, м2; Нп - глубина провала, м.
= 5л • (Нн - Нс). (3)
где Н , Н - толщина слоя соответст-
н' с
венно нерастворимых и соляных пород, м.
Данные о провалах приведены в табл. 1.
Из табл. 1 следует, что провал образуется при наличии карстовой полости объемом не менее 500 тыс. м3. Эквивалентный диаметр свода карстовой полости около 32-60 м.
Следует отметить, что карстовые полости под провалом на БКПРУ-3 и провалом № 1 на БКПРУ-1 образовались при растворении солей во время затопления рудников, а карстовые полости под провалами № 2 и № 3 на БКПРУ-1 после затопления рудника и, следовательно, процесс их образования иной. Ниже рассмотрены две
Таблица 1
Параметры провалов
Параметр Провал
БКПРУ-3 БКПРУ-1 № 1 БКПРУ-1 № 2* БКПРУ-1 № 3"
Отметки земной поверхности, м 170 112 112 112
Отметки верха соляной залежи, м -126 -50 -25 -25
Отметки пласта Кр II, м -244 -162 -135 -135
Площадь сечения на земной поверхности, м2 3340 2908 6240 11 530
Площадь сечения дна провала, м2 3370 2908 2860 805
Глубина провала, м 130 90 97 100
Мощность соляной залежи, м 118 129 110 110
Объем нерастворимых пород в целике, м3 988 640 420 500 544 000 378
Объем карстовой полости, м3 1 150 320 535 050 649 000 515 000
Эквивалентный диаметр дна провала, м 65,2 60,8 60 32
Эквивалентный диаметр нижнего основания карстовой полости, м 152 83 - -
Угол обрушения карстовой полости, град 70 85 - 45-82
* по состоянию на май 2011 года ** по состоянию на сентябрь 2012 года
версии образования карстовых полостей.
По одной из них карстовая полость образовалась в основном в результате выщелачивания MgCl2 из карналлито-вой руды, свита пластов которой общей мощностью 35 м залегает выше сильвинитовых пластов. Ввиду того, что карстовая полость образовалась после затопления рудника, то согласно этой версии дополнительного растворения солей NaCl и KCl, кроме происходившего во время затопления, не происходит. Выщелачивание MgCl2 из карналлитовой руды производится раствором NaCl+KCl. При выщелачивании эти соли замещаются MgCl2, соли NaCl и KCl остаются, и кроме этого из раствора часть NaCl и KCl выпадает в осадок. Расчеты показывают, что при среднем содержании в руде 23% MgCl2 для выщелачивания 1 м3 карнал-литовой руды требуется 0,693 л воды, при этом образуется 0,438 м3 пустоты
и 0,562 м3 солей NaCl и KCl или 1 м3 насыщенного раствора NaCl+KCl производит выщелачивание 1,25 м3 карналлита.
Выпавшие соли находятся в разрыхленном состоянии, поэтому их объем составляет 0,787 м3, а объем пустоты от выщелачивания для размещения обрушенных пород составит 0,213 м3. В объем карстовой полости также входят объемы пустот от добычи руды и объем образованный от растворения солей NaCl и KCl при затоплении рудника.
Так как пласты карналлитовой руды разделяются пластами каменной соли, а сверху расположена покровная каменная соль, то часть объема карстовой полости до образования провала заполняется породами, оставшимися после выщелачивания MgCl2, и обрушенной каменной солью.
В качестве примера проведен расчет баланса объемов карстовой поло-
Таблица 2
Объемы карстовой полости и обрушенных пород
Диаметры, м Объем полости, тыс. м3 Объем разрыхленных Баланс
пород, тыс. м3
0 8 я й ь ¿Я в выщела-швания я х -и р
свода ё Я 1 в £ о 8 В и 3 б о от добыч работ и р ворен! и 3 б о ы в соле раство мых тыс. м3 %
в 0 то е н
Угол обрушения 55, град
50 201,2 1499 63 171 2089 1440 649 -590 -0,91
60 211,2 1721 70 193 2319 1670 649 -598 -0,92
70 221,2 1959 77 215 2567 1918 649 -608 -0,94
Угол обрушения 45, град
50 266 2447 110 290 2957 2308 649 -510 -0,78
60 276 2723 119 317 3240 2591 649 -517 -0,80
70 286 3017 128 346 2893 649 -525 0,81
Угол обрушения 40, град
50 307,4 3176 147 381 3624 2975 649 -448 0,69
60 317,4 3488 157 412 3942 3293 649 -454 0,70
70 327,4 3816 167 44 4280 3631 649 -464 0,71
сти и обрушивших пород для провала № 2 рудника БКПРУ-1.
Расчет проведен для нескольких вариантов форм карстовой полости, отличающихся диаметром верхнего свода полости и углом обрушения пород. Во всех вариантах объем провала и, следовательно, объем нерастворимых пород в карстовой полости примем одинаковым. Результаты расчета приведены в табл. 2.
Из табл. 2 следует, что в пределах контура карстовой полости объемов пустот от выщелачивания карналлита, добычных работ и выщелачивания целиков при затоплении рудника недостаточно для размещения нерастворимых пород кровли и обрушившихся солей.
Дефицит объема по отношению к объему разрыхленных нерастворимых пород составляет 90% при угле обру-
шения 55 градусов и 69% при угле обрушения 40 градусов.
Из этого следует, что вероятность возникновения провала в затопленном руднике БКПРУ-1 при условии образования дополнительных пустот только от выщелачивания МдС12 из карналли-товой руды мала, а возможно образование мульды.
По второй версии карстовая полость под провалами № 2 и № 3 образовалась в результате выщелачивания карналлита и поступления пресных вод в этом районе во время затопления рудника через провал № 1.
Проведена оценка возможности этой версии как по условиям нарушения сплошности ВЗТ, так и необходимого объема пресной воды и растворения солей в указанный период.
Горнотехнические условия в районе провалов № 2 и № 3 следующие.
В 1958-1990 гг. отработаны сильви-нитовые пласты АБ+Вс и АБ, ширина камер 14 м, целиков 12 м, высота камер АБ+Вс 10 м. По методике [1] определено начало перехода деформации целиков в активную стадию, это ожидается в 2014 г.
Для производства закладки камер в некоторых целиках на уровне кровли были проведены разрезные выработки, из-за чего в верхней части ширина целиков уменьшалась с 12 м до 4,5 м. При затоплении этого района, которое произошло в январе 2008 г., ширина целиков уменьшилась примерно на 1 м и составила соответственно 11 и 3,5 м (рис. 2).
Расчеты устойчивости, проведенные по методике [1], показали, что целики шириной 3,5 м через 85-90 суток разрушаются, образуется широкий пролет, нагрузка на целики у края пролета увеличивается, эти целики разрушаются, образуется еще больший пролет, высота свода обрушения увеличивается. Ввиду того, что выше пласта Вс расположена свита карналлитовых пластов, прочность которых в 1,52 раза меньше прочности каменной соли, процесс сводообразования протекает интенсивно и достигает покровной каменной соли (ПКС).
Интенсивному сводообразованию способствует и то обстоятельство, что обрушенные породы состоят в основном из карналлита, из которого выще-
лачивается МдС12, образуя пустоту, что исключает подпор свода обрушенными породами.
Расчет ПКС, толщина которой 1520 м, на изгиб под давлением столба налегающих пород показывает, что при пролете свода 50-60 м происходит разрушение ПКС по контуру свода. Время разрушения ПКС от момента затопления выработок около 150 суток.
После разрушения ПКС поступающие пресные воды растворяют каменную соль и сильвинит, содержащийся в карналлите, и МдС12, который мог остаться после его выщелачивания раствором ЫаС1+КС1. Приток пресной воды, необходимый для образования карстовых полостей за счет растворения каменной соли,
К,П. "С
Рс
(4)
где ку - коэффициент объема карстовой полости от растворения каменной соли; - общий объем карстовых
полостей провалов № 2 и № 3, м3; рс - плотность каменной соли, т/м3; Рс - масса каменной соли растворенной в 1 м3 воды, т/м3. При ку = 0,91 (см. табл. 2), = = 1164 тыс. м3 (см. табл. 1), р = 2,16 и рс = 0,35 т/м3 [2]; V = 6542 тыс. м3.
Возможное время притока пресной воды в район провалов № 2 и № 3 определено по датам начала по-
тыс. м3:
ступления пресных вод (июнь 2008 г.) и окончания затопления рудника (декабрь 2008 г.), что составляет 170180 суток.
Полагая, что приток в этом районе такой же, как и в начальный период в районе провала № 1, то за это время в рудник может поступить около 9500 тыс. м3 воды, что в 1,4 раза меньше необходимого. Таким образом, в район провалов № 2 и № 3 до затопления рудника возможно поступление воды в объемах, необходимых для образования карстовых полостей.
Определим время, необходимое для растворения такой массы солей. Время определено с учетом того, что происходило растворение кусков каменной соли.
Средний размер кусков, при которых произойдет их полное растворение за период поступления пресных вод, находим следующим образом. По известной скорости растворимости находим площадь кусков соли, с которыми контактирует вода, м2:
5 =
М
К-(Р„-Рж)-Т-24
(5)
где М - масса растворенной соли, т; кр - коэффициент скорости растворения; Рн, Рис - содержание солей соответственно в насыщенном и исходном растворе, т/м3; Т - количество суток.
Принимая форму кусков соли в виде куба, получим длину его ребра, м:
а = 6 -V 5 ,
где V - общий объем кусков, м3. Откуда:
(6)
а=
6-V-кр .(р„-рис)-Т-24
М , м
Подставляя значения М = V ■ рс, где рс - плотность каменной соли:
а = 6-кр-(рн-рис)-Т-24-р-1, м (7)
Значение а определим считая, что растворение производится в растворе, со степенью насыщения около 50%, при к = 0,03 [3]; рн = 0,32 т/м3; рис = 0,16 т/м3; = 180 суток; а = 57,6 м.
В действительности куски обрушенной соли значительно меньше, поэтому времени на растворение соли от момента нарушения сплошности ВЗТ до окончания затопления рудника достаточно.
По мере растворения солей в карстовую полость постепенно обруша-лись нерастворимые породы.
Рассмотрены две схемы возможного их разрушения: в результате изгиба или сдвига по цилиндрической поверхности.
На основании данных испытаний образцов из скважины № 5310, расположенной вблизи провала № 2, были сформированы обобщенные слои, близкие по номенклатуре и прочности (рис. 3, пунктиром показаны начальные значения влажности пород, %).
Оценка времени устойчивого состояния верхних нерастворимых слоев проведена на основе методики [1] для изгиба слоев под действием собственного веса без пригрузки. Отметим сильную зависимость времени устойчивого состояния от ширины предполагаемого пролета: для а = 55 м, Т = = 765 суток; для а = 50 м, Т = 75 суток.
Как и для случая изгиба, оценка прочности при сдвиге проведена с учетом влияния влажности на уменьшение прочности мергеля [4]. Показано, что потеря устойчивости и разрушение по цилиндрической поверхности вышележащих нерастворимых пород может произойти только при достижении ими достаточной влажности. В этом варианте начало образования трещин сдвига происходит от границы слоя-моста, постепенно развиваясь вверх, вплоть до земной поверхности.
Проведем оценку оседаний от выщелачивания карналлитовых пластов.
«о
70
и
40
30
20
л
С 10
Б
А
в :
— ------, : — * * ■ г-" г _1 .Г 1
1ВК3040 50 М70М90100 ПО 120 130
Глубниа мпегаяня. м
Рис. 3. Прочность нерастворимых пород по глубине провала № 2 на руднике БКПРУ-1 (А - известняк глинистый средней прочности; Б - известняк глинистый прочный; В - известняк средней прочности)
Максимальные конечные оседания посередине провала составят:
П = 0,9шк-(1 - Ак + Ак•Б), м (8)
где Хтк - суммарная мощность свиты карналлитовых пластов, м; Ак - степень заполнения пространства солями после выщелачивания; В - коэффициент усадки.
При Хт = 35 м; А = 0,787; В = 0,3; п =к 14,1 м.
Следует отметить, что время процесса оседаний, вызванных выщелачиванием карналлита на различных участках шахтного поля, будет зависеть от следующего. Объем выщелачивания ограничен объемом раствора, в котором происходит контактирование карналлита с раствором. Выше сказано, что 1 м3 раствора ЫаС1+КС1 может произвести выщелачивание 1,25 м3 карналлита. Дальнейшее выщелачивание возможно в том случае, если образованный раствор, насыщенный МдС12, вытечет под действием гравитации и заменится раствором ЫаС1+КС1. Замещение растворов происходит через слой солей, остающихся после выщелачивания МдС12. Скорость замещения определяется коэффициентом фильтрации массива солей. Вначале выщелачива-
ние уменьшает ширину целиков, что вызывает ускорение оседаний. Через некоторое время под весом обрушившихся пород и воздействием горного давления соли сжимаются, коэффициент фильтрации уменьшается, скорость оседаний уменьшается.
Так на шахтном поле рудника БКПРУ-1 в местах, где отработан карналлит или произошло обрушение кровли с обнажением карналлита, отмечаются различные величины оседаний и их скорости. Например, между провалом № 2 и № 3 оседания достигают 7,5 м, скорость оседаний 170 мм/месяц. Над горными работами на панелях ПП1 и ПП3 оседания 4,1 и 3,94 м, скорость оседаний 75 и 150 мм/месяц. На 11 восточной панели оседания 3,7 м, скорость оседаний 30-40 мм/месяц.
Следует отметить, что приведенные выше значения оседаний многократно превышают расчетные конечные оседания от добычных работ.
Выводы
1. Анализ параметров карстовых полостей показал, что минимальный объем карстовой полости, при которой происходит провал, составляет 515 тыс. м3, а минимальный диаметр провала 32 м.
2. Анализ горнотехнических условий в районе провалов № 2 и № 3 на руднике БКПРУ-1, расчеты устойчивости целиков в районе этих провалов, расчеты возникновения притока пресной воды и растворения солей показали, что образованию провалов предшествовало нарушение сплошности водозащитной толщи в этом районе,
произошедшее за год до окончания затопления рудника.
3. На участках затопленного рудника БКПРУ-1, где наблюдаются ускоренные оседания, провалы, вызванные выщелачиванием МдС12, не ожидаются, однако конечные оседания могут составить несколько больше 14 м.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Борзаковский Борис Александрович1 - кандидат технических наук,
главный научный сотрудник, e-mail: Rusakov.Mihail@gallurgy.ru,
Аптуков Валерий Нагимович1 - доктор технических наук,
главный научный сотрудник, e-mail: Aptukov.Valery@gallurgy.ru,
Тенисон Людмила Олеговна - кандидат технических наук,
зав. лабораторией, ОАО «Галургия», Березниковский филиал,
618400, Пермский край, г. Березники, e-mail: Tenison.Lyudmila@gallurgy.ru,
1 ОАО «Галургия».
1. Рекомендации по расчету устойчивых пролетов очистных выработок на калийных месторождениях. ВНИИГ. - Л., 1982.
2. Физико-химические свойства галур-гических растворов и солей: справ. ОАО «ВНИИГ». - СПб: Химия, 1997.
3. Фурман А.А., Бельды М.П., Соколов И.А. Поваренная соль. Производство
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
и применение в химической промышленности. - М.: Химия, 1989.
4. Ломакин И.С., Евсеев А.В. Экспериментальное и численное исследование влияния подстилающего слоя мергеля на несущую способность междукамерных целиков // Известия ТулГУ. Науки о Земле. - 2010. -Вып. 2 - С. 143-151. ЕШ
UDC 622.831
ON POSSIBILITY OF NEW SINK HOLES IN THE FLOODED MINE BEREZNIKI 1
Borzakovskiy B.A.1, Candidate of Technical Sciences, Chief Researcher, e-mail: Rusakov.Mihail@gallurgy.ru,
Aptukov V.N.1, Doctor of Technical Sciences, Chief Researcher, e-mail: Aptukov.Valery@gallurgy.ru,
Tenison L.O., Candidate of Technical Sciences, Head of Laboratory, e-mail: Tenison.Lyudmila@gallurgy.ru,
«Galurgia» OJSC, Berezniki branch, 618400, Perm krai, Berezniki, Russia, 1 «Galurgia» OJSC, 614002, Perm, Russia.
Four sink holes occurred in potash mines of «Uralkali» OJSC: one in Berezniki 3 and three in Berezniki 1. Estimated maximum volume of cavern in salt rocks in Berezniki 3 mine is 1.1 thous./m3, in Berezniki 1 mine (sink hole № 3) - 515 thous./m3. Shape of the caverns and sink holes - irregularly truncated cones. Diameters of smaller cone bases are 32-60 m. Sink holes in Berezniki 3 and № 1 in Berezniki 1 arose due to flooding the mine, and sink holes № 2 and № 3 in Berezniki 1 arose 2-3 years after full flood of the mine.
The article presents an analysis of two versions for arising the sink holes № 2 and № 3. According to one of them the sink holes arose due to MgCl2 leaching from fallen layers into carnallite seams strata, thickness of which accounts for 30-35 m. By leaching voids are formed, volume of which makes up to about 43% of ore.
Estimation of voids volume balance, which except for leaching voids include chambers volume in sink hole contour and volume of salt solution by flooding, has shown that this volume is much less than the volume of insoluble rocks of the sink hole and the volume of the fallen salts. It follows that by leaching MgCl2 of carnallite only downfold formation is possible.
The second version consists in that except for carnallite leaching during the mine flood in the area of the sink holes № 1 and № 3 discontinuity of water proof formation occurred, and flowing fresh water solved rock salt. Analysis of mining and technical conditions and estimations of pillar and cap pillar stability have shown that discontinuity occurred. Estimations of salt solubility and fresh water flow have confirmed that it is quite enough time for inflow of necessary volume of fresh water and salt solution in the period since discontinuity of water proof formation till the mine flood.
By the study results it has been specified that the sink holes caused by MgCl2 leaching are not expected in the sites of the flooded mine Berezniki 1 where fast subsidence is observable. Although final subsidence can exceed 14 metres.
Key words: sink hole, cavern, solution, leaching, salt rocks, insoluble, mine flooding, pillar stability, roof stability.
ACKNOWLEDGEMENTS
The work was supported by the Galurgy Institute.
REFERENCES
1. Rekomendatsii po raschetu ustoychivykh proletov ochistnykh vyrabotok na kaliynykh mestorozhdeni-yakh. VNIIG (Recommendations on estimation of sustainable spans of stopes in potash deposits. VNIIG), Leningrad, 1982.
2. Fiziko-khimicheskie svoystva galurgicheskikh rastvorov i soley: spravochnik (Physical and chemical properties of chemical solutions and salts: guide), Saint-Petersburg, Khimiya, 1997.
3. Furman A.A., Bel'dy M.P., Sokolov I.A. Povarennaya sol'. Proizvodstvo i primenenie v khimicheskoy promyshlennosti (Sodium chloride. Production and application in chemical industry), Moscow, Khimiya, 1989.
4. Lomakin I.S., Evseev A.V. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o zemle. 2010, issue 2, pp. 143-151.
РИСУЕТ НАТАЛЬЯ МОИСЕЕВА.
Зачем этому Льву образование? Ему нужно что-нибудь посущественнее
