CC BY
29
© С.А. Константинова, С.А. Чернопазов, А. А. Гуляев, 2006
УДК 622.831.3.001.57
С.А. Константинова, С.А. Чернопазов, А.А. Гуляев
ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННЫХ НАГРУЗОК НА НЕДРА И ЗЕМНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЛАСТОВОГО КАЛИЙНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ*
Семинар № 11
¥~Ъ ерхнекамское месторождение
.М-3 калийных и калийно-магниевых солей (ВКМКС) находится на севере Пермской области и эксплуатируется с 1934 года. За последние 20 лет на месторождении произошли негативные события, два из которых (1986 г. -БКПРУ-3; 1995 г. - СКПРУ-2) относятся к классу чрезвычайных и достаточно подробно описаны в литературе. В этой связи задача оценки техногенных нагрузок на недра и земную поверхность в зависимости от параметров очистных работ достаточно актуальна.
Ниже иллюстрируется основные положения методики оценки техно-генных нагрузок, принятой в ОАО «Галургия» (г. Пермь).
В качестве геологической модели породного массива используются вертикальные геологические разрезы, построенные по данным скважин детальной разведки и структурным (с земной поверхности) с привлечением данных подземной геологической разведки и визуальных геологических обследований по пройденным выработкам. На рис. 1 иллюстрируется вертикальный геологический разрез, проходящий в широтном направлении на шахтном поле рудника СКПРУ -3.
Геомеханические расчеты проведены при средних значениях физикомеханических показателей горных пород в предположении гипотезы плоского деформированного состояния с применением численного метода конечных элементов (МКЭ).
Методическим достоинством, впервые примененном в крупномасштабных задачах геомеханики ВКМКС, является оценка естественного поля напряжений в вязкоупругой постановке с использованием такого геологического периода релаксации естест-венных напряжений, при котором в соляной толще реализуется естественное поле напряжений, близкое к гидростатическому (ттах « 0).
Для оценки техногенных нагрузок используются подходы академика Е.И. Шемякина [1], развиваемые авторами для случая пластового месторождения, сложенного релаксирующими породами.
В качестве физической модели деформирования и разрушения соляных пород принята феноменологическая модель С.А. Константиновой [2]. Параметры модели приведены в таблице.
В дальнейших рассмотрениях учтено, что плотность энергии возмущений или техногенной (дополнительной)
*Исследования выполняются при финансовой поддержке ОАО «Сильвинит» и частично Российского фонда фундаментальных исследований (проект Р-офи 04-01-97511)
Значения физико-механических показателей пород, использованные в геомеханических расчетах
Породы
Показатели І І и я а И т І пласт АБ сильвинит-карналлит. зона междуплас-товая каменная соль соляно-мергельная толща покровная каменная соль подстилаю-щая каменная соль
Модуль упругости Е, ГПа 17,86 14,26 16,00 11,24 8,60 12,00 15,00
Коэффициент Пуассона ц 0,3 0,3 0,3 0,25 0,26 0,24 0,3
Параметры ползу- & ч-03 0,18 0,45 0,023 0,08 0,05 0,10 0,10
чести а 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7
Сцепление С, МПа 5,99 5,48 3,06 6,21 11,00 7,19 5,99
Угол внутреннего трения ф град 35 30 34 30 24 26 35
Остаточная прочность, % 20 20 10 20 - - -
энергии в соляной толще практически равна плотности полной потенциальной энергии формоизменения, а дополнительные максимальные касательные напряжения - полным касательным напряжениям.
На рис. 2 иллюстрируются результаты геомеханического анализа состояния ненарушенного горными работами породного массива в направлении геологического разреза, показанного на рис.
1.
Для оценки местоположения природных тектонически напряженных зон (ТНЗ - А.Н. Шабаров [3]) были применены критерии:
• максимальных касательных напряжений (Ттах);
• запаса прочности К по Шлейхе-ру-Мизесу;
• плотности энергии формоизменения - е;
Рис. 1. Участок широтного геологического разреза по штреку блоков 1 и 2 СКПРУ-3
б
К
2.68
2.97
3.26
3.55
3.84
4.13
4.42
4.71
5.00
X, м
Рис. 2. Результаты геомеханического анализа состояния ненарушенного горными работами породного массива: а - максимальные касательные напряжения ттах в породном массиве; б -значение критерия Шлейхера-Мизеса К; в - области запредельного деформирования пород, слагающих ВЗТ; г - плотность е энергии формоизменения, проинтегрированная по вертикальной координате
X, м
Ле, Дж/м
X, м
Рис. 3. Динамика плотности энергии формоизменения е, проинтегрированной по вертикальной координате, в подработанном породном массиве (вязкоупругое решение): а - полная энергия (природная и техногенная); б - техногенная энергия (энергия возмущений)
• деформирования пород на запредельной стадии с возможным образованием зон трещиноватости.
Из рис. 2, а-г видно, что по всем критериям на разрезе выделяется природная ТНЗ. Местоположение этой ТНЗ обнаруживает удовлетво-
рительное совпадение с результатами исследований Г.Г. Кассина [4] и Н.М. Джиноридзе [5] по картированию аномальных зон. Кроме того, в ТНЗ в руднике СКПРУ-3 визуально обнаружены природные трещины направления северо-запад - юго-восток.
Применяемый в ОАО «Галургия» и разработанный авторами пакет прик-
б
ладных программ, реализующий современный численный метод конечных элементов (МКЭ), позволяет проводить геомеханические расчеты в вязкоупругой постановке на геологических разрезах большой протяженности, учитывая не только наличие очистных камер на пластах, но и динамику их проходки. В этой связи нет необходимости проводить расчеты на 2-х иерархических уровнях.
Геомеханическими расчетами установлено следующее.
• Техногенная энергия (энергия возмущений - Е.И. Шемякин [1]) ничтожно мала по сравнению с естественной энергией формоизменения (рис. 3) и локализуется в геомеханическом пространстве, включающем разрабатываемые сильвинитовые пласты АБ и Красный-11 с системой целиков и камер и технологическое междупластье.
• В карналлитовую зону и выше по разрезу техногенные возмущения практически не распространяются.
• Разработка пластов АБ и Красный-11 по геологическому разрезу на рис. 1 вблизи области обнаруженных в руднике СКПРУ-3 визуально сквозных трещин по пластам АБ+БВ практически не повлияла на энергетическое состояние «трещинной» зоны.
• После проведения очистных работ по пластам АБ и Красный-11 в над-солевой толще сформировалось достаточно однородное поле макси-мальных касательных напряжений.
В заключение хотелось бы подчеркнуть, что метод математического моделирования должен занять достойное место в задачах по оценке геодинамиче-ской безопасности недр и земной поверхности.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шемякин Е.И., Курленя М.В., Кулаков Г.И. К вопросу о классификации горных ударов // ФТПРПИ. - 1986. - № 5.
2. Константинова С.А. Об одной феноменологической модели деформиро-вания и разрушения соляных пород при длительном действии сжимающих нагрузок // ФТПРПИ. -
1983. - № 3.
3. Шабаров А.Н. Состояние и перспективы геодинамической безопасности на предприятиях и объектах России // Материалы Х Межотраслевого координацион-ного совеща-
ния по проблемам геодинамической безопасности. - Екатеринбург: УГГГА, 1997.
4. Филатов В.В., Кассин Г.Г., Попов Б.А. Геофизические исследования на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей // Изв. вуз. Горн. журн. - 1995. - № 6.
5. Петротектонические основы безопасной эксплуатации Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей / Джиноридзе Н.М. и др.- С.Петербург-Соликамск: СПЭКС.-2000.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Константинова Светлана Александровна - доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией геодинамической безопасности Уральского научно-исследовательского и проектного института галургии (ОАО «Галургия»), профессор кафедры «Механика сплошных сред и информационных технологий» Пермского государственного университета, г. Пермь. Чернопазов Сергей Андреевич - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории геодинамической безопасности, ОАО «Галургия», г. Пермь.
Гуляев Андрей Александрович - научный сотрудник лаборатории геодинамической безопасности ОАО «Галургия», г. Пермь.
