CC BY
5
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 622.2
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК КАЛИЙНОГО РУДНИКА
И. А. Морозов, В.Н. Токсаров, И.В. Поляков, Е.Л. Лифшиц
Приведены результаты оценки влияния очистных работ на устойчивость горных выработок в условиях глубокого калийного рудника. Основные результаты получены на основе численных экспериментов. Реализованная методом конечных элементов математическая модель учитывает основные факторы, определяющие проявления горного давления в условиях месторождения. Выполнена оценка размеров зоны влияния очистных работ. Представлен сравнительный анализ процесса формирования нарушенных зон во вмещающих одиночную выработку породах в зоне и вне зоны влияния очистных работ в зависимости от времени эксплуатации.
Ключевые слова: глубокий рудник, калийное месторождение, соляные породы, устойчивость, очистные работы.
Введение
Принципиальное отличие капитальных горных выработок от подготовительных заключается в том, что последние зачастую находятся в зоне влияния очистных работ, что выражается в интенсификации проявлений горного давления [1, 2]. Исчерпание наиболее доступных запасов полезных ископаемых приводит к неуклонному росту глубины ведения горных работ и, как следствие, усложнению горно-геологических условий.
На основе анализа прогнозной динамики численности населения Организация Объединенных Наций делает вывод о том, что к 2037 году население планеты будет составлять, около 9 миллиардов человек [3], что уже сегодня требует увеличения урожайности сельскохозяйственных земель с помощью калийных удобрений.
В Котельниковском районе Волгоградской области на Гремячин-ском месторождении калийных солей идет строительство 1-го в России глубокого калийного рудника. Планируемая глубина ведения горных работ
достигает 1300 м и предопределяет высокий уровень компонент исходного поля напряжений [4]. Специалистами «ГИ УрО РАН» установлено, что вертикальная компонента исходного поля напряжений в соляных породах месторождения составляет, около, 24 МПа, коэффициент бокового давления близок к 1,0 [5]. Указанный уровень компонент исходного поля напряжений сопоставим с прочностью солей на одноосное сжатие [6] и предполагает интенсификацию процессов ползучести вмещающих горные выработки пород.
Учитывая изложенное, настоящая работа, посвященная исследованию влияния очистных работ на устойчивость горных выработок при разработке Гремячинского калийного месторождения, является актуальной.
Основная часть
Степень влияния очистных работ зависит от применяемой системы разработки и ее параметров и изменяется в весьма широких пределах [1, 2,
7, 8].
В настоящее время очистные работы на месторождении ведутся только в рамах опытно-промышленных испытаний параметров системы разработки. На рис. 1, а представлен план одного из опытных участков. На участке принята камерная система разработки с поддержанием водозащитной толщи ленточными барьерными и междукамерными целиками. Для исследования особенностей деформирования камерного блока в очистных выработках были оборудованы реперные станции, принципиальные конструкции которых приведены в работах [9, 10]. Фактическое поперечное сечение камерного блока в месте оборудования реперных станций приведено на рис. 1, б.
В пределах рассматриваемого участка (рис. 1) приняты следующие параметры системы разработки:
- ширина очистной камеры - 6,0 м, высота - 7,2 м;
- ширина междукамерного целика - 5,0 м;
- ширина барьерного целика - 28,0 м.
Решение задачи по оценке влияния очистных работ на устойчивость горных выработок выполнено методом математического моделирования и включало следующие основные этапы:
- калибровка математической модели;
- оценка размеров зоны влияния очистных работ;
- оценка влияния очистных работ на размеры нарушенных зон во вмещающих горные выработки породах.
На первом этапе использовалась упругая модель среды. При этом ползучесть соляных пород моделировалась методом переменных параметров упругости [11, 12]:
где Е) - модуль Юнга, соответствующий времени I, ГПа; Е0 - модуль
Юнга, соответствующий начальному моменту времени ? = 0, ГПа; ) -
функция ползучести, отражающая снижение модуля Юнга с течением времени.
В соответствии с [11] функция ползучести имеет вид
^) = , (2) 1 -а
где а, 8 - параметры ползучести.
Рис. 1. Участок проведения исследований: а - фрагмент плана горных работ; б - поперечное сечение камерного блока в месте оборудование
реперных станций;--границы камерного блока;--положение
реперных станций; 1 - барьерный целик; 2 - междукамерный целик;
3 - очистная камера
Значения физико-механических характеристик горных пород, используемые при численных экспериментах, определялись на основе результатов проведенного комплекса лабораторных и натурных исследований, который включал: эксперименты на условно-мгновенное одноосное сжатие и растяжение; испытания соляных пород в режиме ползучести по методике, представленной в [13]; исследования деформирования вмещающих горные выработки пород по данным наблюдений на реперных станциях, в том числе с учетом результатов, представленных в работе [14]; сква-жинные испытания по определению деформационных свойств горных пород в условиях рудника [15].
Задача по оценке напряженно-деформированного состояния вмещающих выработки пород решалась в постановке плоской деформации методом конечных элементов.
Калибровка математической модели выполнена на примере типового геологического разреза по камерному блоку и заключалась в определении таких значений параметров ползучести, при которых абсолютная вертикальная деформация междукамерных и барьерных целиков соответствует фактической, определяемой по результатам натурных наблюдений на реперных станциях. Типовой геологический разрез по камерному блоку представлен на рис. 2.
Рис. 2. Типовой геологический разрез по камерному блоку: 1 - барьерный целик; 2 - междукамерный целик; 3 - очистная камера
Оценка размеров зоны влияния очистных работ выполнена на основе анализа значений компонент напряжений в кровле сильвинитового пласта в зависимости от ширины барьерного целика (рис. 3).
По результатам анализа данных математического моделирования, представленных на рис. 3, можно сделать вывод о том, что для условий Гремячинского месторождения при рассматриваемых параметрах системы разработки размер зоны влияния очистных работ составляет не более 100 м. При этом отклонение величины максимальных касательных напряжений от своего фонового значения, обусловленного параметрами исходного поля напряжений, на указанном расстоянии составляет не более 5 %, а наибольшее влияние очистных работ локализуется в пределах барьерного целика шириной около 20 м (рис. 3).
Рис. 3. Значения компонент напряжений в кровле сильвинитового пласта в зависимости от ширины барьерного целика:
0у- вертикальное напряжение, МПа; ттах-максимальное касательное напряжение, МПа; L - ширина барьерного целика, м
При оценке влияния очистных работ на размеры нарушенных зон во вмещающих горные выработки породах считалось, что переход отдельных участков массива в предельное состояние определяется величиной предельных касательных напряжений [16]:
-спр = д/(ор п)(2ор -2^/стр(ар ) ), (3)
где ар - прочность на одноосное растяжении, МПа; асж - прочность на одноосное сжатие, МПа; оп - напряжение нормальное к площадке действия касательных напряжений, МПа.
Дополнительно область растягивающих напряжений ограничивалась прочностью на растяжение:
o"i = а.
Известно, с течением времени под действием нагрузки происходит снижение прочностных характеристик соляных пород [17, 18], что в реализованной математической модели учитывалось путем замены в выражении (3) постоянной величины асж на (t):
(t) = alF (t), (4)
где ст0ж - прочность соляных пород на одноосное сжатие, МПа; F(t) -функция длительной прочности.
На основании результатов экспериментальных исследований по определению длительной прочности соляных пород при сжатии, функция длительной прочности в выражении (4) принята в виде [19]
1 - С
F (t) = Cx +
"(Х
где Сх - коэффициент длительной прочности; а§, Р - эмпирические коэффициенты.
Задача по оценке влияния очистных работ на размеры нарушенных зон во вмещающих горную выработки породах решалась на примере типового геологического разреза, представленного снизу-вверх сильвинитом, каменной солью и ангидритом. В качестве типовой принята прямоугольная выработка шириной 6,0 м и высотой 3,7 м, что соответствует ширине и высоте одноходовой выработки, пройденной комбайном Урал-20Р-14.
Используемые при оценке размеров нарушенных зон значения физико-механических характеристик пород приведены в табл. 1, параметров ползучести - в табл. 2.
Таблица 1
Значения физико-механических характеристик
Показатель Сильвинит Каменная соль Ангидрит
Прочность на одноосное сжатие, МПа 22 25 40
Прочность на одноосное растяжение, МПа 2,50 2,74 2,90
Модуль Юнга (модуль деформации), ГПа 2,1 3,2 8,0
Коэффициент Пуассона 0,30 0,30 0,16
Плотность, кг/м3 2100 2200 2700
Таблица 2
Параметры ползучести
Параметр Сильвинит Каменная соль
С 0,40 0,40
«0 0,90 0,90
Р, ч 0,0012 0,0012
а 0,7 0,7
Я а-1 о, ч 0,0049 0,0041
Потеря устойчивости обнажений в условиях слоистого строения массива зачастую происходит в виде расслоения породных слоев по контактам с последующим их обрушением в горную выработку. В этой связи контакт соляных и ангидритовых пород моделировался ослабленным прослоем, для которого принимались пониженные значения механических характеристик [20].
На рис. 4 приведены результаты численной оценки изменения размеров нарушенных зон во вмещающих одиночную горную выработку породах в зависимости от времени эксплуатации вне зоны влияния очистных работ. Расчет выполнен на 5 лет эксплуатации выработки, что обусловлено периодом отработки и закладки камерного блока.
На основе анализа результатов, представленных на рис. 4, можно сделать вывод о том, что при принятых горно-геологических и горнотехнических условиях, в том числе без учета влияния крепи, уже в 1-ый год эксплуатации выработки вероятно появление расслоений в породах кровли по контакту «соль-ангидрит». При этом размер (глубина) распространения нарушенных зон по истечении рассматриваемого периода увеличивается более чем в 2 раза по сравнению с 1-ым годом эксплуатации выработки.
1 год 3 года 5 лет
| - нарушенные зоны
Рис. 4. Изменение размеров нарушенных зон во вмещающих горную выработку породах в зависимости от времени эксплуатации вне зоны
влияния очистных работ
В соответствии с вышеизложенным, моделирование попадания горной выработки в зону влияния очистных работ выполнялось путем увеличения значений максимальных касательных напряжений на 5 % с последующим определением участков вмещающего горную выработку массива, перешедших в запредельное состояние (рис. 5).
При сравнении результатов численного моделирования, представленных на рис. 4 и рис. 5, установлено:
- попадание выработки в зону влияния очистных работ приводит к значительному увеличению размеров нарушенных зон во вмещающих породах;
- при принятых горно-геологических и горнотехнических условиях наиболее интенсивное влияние очистных работ следует ожидать на устойчивость почвы подготовительных горных выработок;
- при попадании подготовительных горных выработок в зону влияния очистных работ вероятно увеличение глубины распространения нарушенных зон в кровле на 12 % и более по сравнению с выработками вне зоны влияния очистных работ.
Рис. 5. Изменение размеров нарушенных зон во вмещающих горную выработку породах в зависимости от времени эксплуатации в зоне
влияния очистных работ
Заключение
Методом конечных элементов выполнена реализация математической модели деформирования неоднородного породного массива, вмещающего горные выработки глубокого калийного рудника. Модель учитывает основные факторы, определяющие проявления горного давления в условиях месторождения: фактические параметры исходного поля напряжений; наличие в массиве поверхностей ослабления (контактов слоёв); физико-механические характеристики вмещающих горные выработки пород; параметры ползучести соляных пород, верифицированные по данным натурных наблюдений; время эксплуатации горных выработок; фактические параметры системы разработки на рассматриваемом участке.
На основе численных экспериментов установлено, что при принятых горно-геологических и горнотехнических условиях размер зоны влияния очистных работ в условиях Гремячинского месторождения может составлять около 100 м.
Сравнительный анализ результатов оценки размеров нарушенных зон во вмещающих горную выработку породах вне зоны и в зоне влияния очистных работ показал, что при принятых горно-геологических и горнотехнических условиях наиболее сильное влияние очистных работ следует ожидать на устойчивость почвы, что может проявляться в развитии про-
цессов пучения почвы подготовительных горных выработок. При этом в кровле выработки, попадающей в зону влияния очистных работ, вероятно увеличение глубины распространения области нарушенных пород не менее чем на 12 % по сравнению с выработками вне зоны влияния очистных работ, что необходимо учитывать при определении параметров крепления породных обнажений.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и образования РФ (регистрационный номер 124020500031-4).
Список литературы
1. Исследование влияния очистных работ на состояние штреков, поддерживаемых в целиках в условиях шахты «Им. В.Д. Ялевского» / К.А. Филимонов, А.А. Ренёв, А.В. Кучеренко, П.В. Гречишкин // Горный информационно-аналитический бюллетень.2019. № 5. С. 133 - 148.
2. Усков В. А. Расчет параметров крепления и управления кровлей горных выработок шахты Глубокая ПАО «ГМК «Норильский никель» // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2018. Т. 5. № 2. С. 142 - 150.
3. UN DESA. World Population Prospects 2022: Summary of Results. New York: United Nations. 2022. 52 p.
4. Проявления горного давления в условиях глубокого калийного рудника / И.А. Морозов, В.Н. Токсаров, И.В. Поляков, И.Л. Паньков // Горный журнал. 2023. № 11. С. 15 - 20.
5. Бельтюков Н.Л. Разработка скважинного метода измерения напряжений в массиве горных пород на основе эффекта Кайзера: дис. ... канд. техн. наук. Пермь, 2018. 159 с.
6. Морозов И.А., Ударцев А.А., Паньков И.Л. Анализ деформирования соляных пород Гремячинского и Верхнекамского месторождений в лабораторных условиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 10. С. 16 - 28.
7. Александров А.Н., Колтышев В.Н. Исследование влияния очистных работ в слепом рудном теле на состояние вмещающего породного массива // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2014. Т. 1. № 1. С. 8 - 12.
8. Протосеня А.Г., Семенов В.И. Прогноз напряженно-деформированного состояния рудного массива вокруг выработки сводчатого поперечного сечения в зоне влияния очистных работ // Известия вузов. Горный журнал. 2015. № 3. С. 31 - 36.
9. The assessment methodology of chamber mining system elements sus-tainability / V. Asanov, A. Evseev, V. Toksarov, N. Beltiukov // E3S Web of Conferences. 2018. V. 56. P. 2006-2012.
10. Operational control of rib pillar stability / A.A. Baryakh, A.V. Evse-ev, I.S. Lomakin, A.A. Tsayukov // Eurasian Mining. 2020. V. 2020. № 2. P. 7 -10.
11. БаряхА.А., Константинова С.А., АсановВ.А. Деформирование соляных пород. Екатеринбург: УрО РАН, 1996. 204 с.
12. Амусин Б.З., Линьков А.М. Об использовании переменных модулей для решения одного класса задач линейно-наследственной ползучести // Механика твердого тела. 1974. № 6. С. 159-161.
13. Creep properties and damage constitutive model of salt rock under uniaxial compression / Junbao Wang, Qiang Zhang, Zhanping Song, Yuwei Zhang // International Journal of Damage Mechanics. 2019. V. 29. P. 1 - 21.
14. Исследование деформирования подземных горных выработок в условиях Гремячинского месторождения калийных солей / В.Н. Токсаров, И.А. Морозов, Н.Л. Бельтюков, А.А. Ударцев // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 7. С. 113-124.
15. Поспелов Д. А., Токсаров В.Н. Результаты скважинных испытаний по определению деформационных свойств горных пород в условиях глубокого калийного рудника // Горное эхо. 2023. № 1 (90). С. 59 - 64.
16. Барях А. А., Самоделкина Н.А. Об одном подходе к реологическому анализу геомеханических процессов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2005. № 6. C. 32 - 41.
17. Hadiseh Mansouri, Rassoul Ajalloeian. Mechanical behavior of salt rock under uniaxial compression and creep tests // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018. V. 110. P. 19 - 27.
18. Hao Tang, Dongpo Wang, Zhao Duan. New Maxwell Creep Model Based on Fractional and Elastic-Plastic Elements // Advances in Civil Engineering. 2020. V. 2020. P. 1 - 11.
19. Титов Б.В. Исследование и разработка метода определения длительной прочности соляных горных пород при сжатии: дис. ... канд. техн. наук. Березники, 1983. 248 с.
20. Sinha S., Chugh Y.P. Validation of critical strain technique for assessing stability of coal mine intersections and its potential for development of roof control plans // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2018. V. 10, № 2. P. 380 - 389.
Морозов Иван Александрович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Токсаров Валерий Николаевич, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., [email protected], Россия, Пермь, Горный институт УрО РАН,
Поляков Илья Владимирович, канд. техн. наук, гл. инженер, Ilya.Polyakov@,eurochem.ru, Россия, Котельниково, ООО «ЕвроХим-ВолгаКалий»,
Лифшиц Евгений Львович, гл. маркшейдер, [email protected], Россия, Котельниково, ООО «ЕвроХим-ВолгаКалий»
THE IMPACT STUDY OF MINING ON THE STABILITY OF POTASH MINE WORKINGS I.A. Morozov, V.N. Toksarov, I.V. Polyakov, E.L. Lifshic
The paper presents the study results of the impact of mining operations on the stability of mine workings in a deep potash mine. The main results were obtained using numerical experiments. The model is implemented by the finite element method. This takes into account the main factors determining the influence of rock pressure on the deposit. The size of the mining impact zone has been estimated. A comparative analysis of the disturbed zone formation in rocks containing a single mining operation in the zone and outside the zone of influence of mining operations, depending on the time, is presented.
Key words: deep mine, potash deposit, salt rocks, stability, mining operations.
Morozov Ivan Alexandrovich, candidate of technical sciences, assoc., [email protected] , Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University,
Toksarov Valery Nikolaevich, candidate of technical sciences, art. officer, [email protected] , Perm, Russia, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
Polyakov Ilya Vladimirovich, candidate of technical sciences, chief engineer, [email protected] , Russia, Kotelnikovo, EuroChem-VolgaKaliy LLC,
Lifshits Evgeny Lvovich, chief surveyor, Evgeny.Lifshic@,eurochem.ru , Russia, Ko-telnikovo, «EuroChem-VolgaKaliy» LLC
Reverence
1. Investigation of the effect of cleaning operations on the condition of drifts maintained in whole in the conditions of the V.D. Yalevsky mine / K.A. Filimonov, A.A. Renev, A.V. Kucherenko, P.V. Grechishkin // Mining information and Analytical Bulletin.2019. No. 5. pp. 133 - 148.
2. Uskov V.A. Calculation of the parameters of fastening and control of the roof of the mining workings of the Glubokaya mine of PJSC MMC Norilsk Nickel // Fundamental and applied issues of mining sciences. 2018. Vol. 5. No. 2. pp. 142 - 150.
3. UN DESA. World population prospects for 2022: Summary of the results. New York: United Nations. 2022. 52 pages.
4. Manifestations of rock pressure in conditions of a deep potash mine / I.A. Morozov, V.N. Toksarov, I V. Polyakov, I.L. Pankov // Mining Journal. 2023. No. 11. pp. 15-20.
5. Beltyukov N.L. Development of a borehole method for measuring stresses in a rock mass based on the Kaiser effect: dis. ... candidate of Technical Sciences. Trans., 2018. 159 p.
6. Morozov I.A., Udartsev A.A., Pankov I.L. Analysis of the deformation of salt rocks of the Gremyachinsky and Verkhnekamsky deposits in laboratory conditions // Mining information and analytical bulletin. 2020. No. 10. pp. 16-28.
7. Alexandrov A.N., Koltyshev V.N. Investigation of the effect of cleaning operations in a blind ore body on the state of the host rock mass // Fundamental and applied issues of mining sciences. 2014. Vol. 1. No. 1. pp. 8-12.
8. Protosenya A.G., Semenov V.I. Prognosis of the stress-strain state of the ore massif around the production of a vaulted cross-section in the zone of influence of cleaning operations // Izvestiya vuzov. Mining magazine. 2015. No. 3. pp. 31-36.
9. Methodology for assessing the stability of elements of a chamber mining system / V. Asanov, A. Evseev, V. Toksarov, N. Beltyukov // E3S Web of Conferences. 2018. V. 56. Pp. 2006-2012.
10. Operational stability control of a ribbed column / A.A. Baryakh, A.V. Evseev, I S. Lomakin, A.A. Tsayukov // Eurasian Mining. 2020. Vol. 2020. No. 2. pp. 7-10.
11. Baryakh A.A., Konstantinova S.A., Asanov V.A. Deformation of salt rocks. Yekaterinburg: Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 1996. 204 p.
12. Amusin B.Z., Linkov A.M. On the use of variable modules to solve one class of linear hereditary fluidity problems // Solid state mechanics. 1974. No. 6. pp. 159-161.
13. Creep properties and a model of destruction of salt rocks under uniaxial compression / Junbao Wang, Qiang Zhang, Zhanping Song, Yuwei Zhang // International Journal of Damage Mechanics. 2019. Vol. 29. pp. 1-21.
14. Investigation of deformation of underground mine workings in the conditions of the Gremyachinsky potassium salt deposit / V.N. Toksarov, I.A. Morozov, N.L. Beltyukov, A.A. Udartsev // Mining information and analytical bulletin. 2020. No. 7. pp. 113-124.
15. Pospelov D.A., Toksarov V.N. Results of borehole tests to determine the deformation properties of rocks in conditions of a deep potash mine // Gornoe Echo. 2023. No. 1 (90). pp. 59-64.
16. Baryakh A.A., Samodelkina N.A. On one approach to the rheological analysis of geomechanical processes // Physico-technical problems of mining. 2005. No. 6. pp.
32-41. 17. Hadithe Mansouri, Rasul Ajalloeyan. Mechanical behavior of salt rock during uniaxial compression and creep tests // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018. V. 110. P. 19 - 27.
18. Hao Tang, Dongpo Wang, Zhao Duan. A new Maxwell creep model based on fractional and elastoplastic elements // Achievements in civil engineering. 2020. V. 2020. pp. 1-11.
19. Titov B.V. Research and development of a method for determining the long-term strength of salt rocks under compression: dissertation of the Candidate of Technical Sciences. Berezniki, 1983. 248 p.
20. Sinha S., Chyu Yu.P. Validation of the critical deformation method for assessing the stability of coal mine intersections and its potential for developing roof control plans // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2018. Vol. 10, No. 2. pp. 380-389.
