CC BY
48
© А.Ю. Шумихина, С.Ю. Лобанов, А.В. Евсеев, В.Н. Токсаров, 2010
УДК 622.831
А.Ю. Шумихина, С.Ю. Лобанов, А.В. Евсеев, В.Н. Токсаров
РАЗРУШЕНИЕ КРОВЛИ ОЧИСТНЫХ КАМЕР В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОЙ ГЛИНИЗАЦИИ
Приведены результаты шахтных экспериментальных исследований устойчивости кровли очистных камер в условиях повышенной глинизации. Методами математического моделирования установлено влияние пролета выработок на устойчивость между-пластья.
Ключевые слова: камерная система разработки, двухпластовая отработка, очистная выемка, междупластье, устойчивость кровли, обрушение пород.
Я а Втором Березниковском калийном руднике (БКПРУ-2) Верхнекамского месторождения калийных солей применяется камерная система разработки с выемкой руды комбайновым способом. Отрабатываются силь-винитовые пласты КрІІ и АБ, отделенные друг от друга технологическим междупластьем мощностью 1,5-6,0 м, при этом ширина камер на вышележащем пласте АБ составляет 3,2 м, на пласте КрІІ в зависимости от применяемого комбайна изменяется от 5,2 до 6,1 м. Ширина целиков на пласте КрІІ вырьи-руется от 2,9 до 10,0 м, на пласте АБ -от 5,8 до 12,9 м. В кровле рабочих пластов (особенно КрІІ) залегают прослои глинисто-соляных пород (коржи) которые имеют слабую устойчивость и при отработке, как правило, обрушаются. Особенно актуальна эта проблема для юго-восточной части рудника, где наблюдается повышенное (до 16%) по сравнению с другими частями месторождения содержание глины в междупла-стье, из-за чего нередко возникает опасность обрушения пород. В ряде случаев при отработке запасов пласта КрІІ горные работы в камере прекращались, а комбайн экстренно отводился на штрек.
Для обеспечения устойчивого состояния кровли очистных выработок отработка пласта Кр11 производится с подрубкой коржей, либо с оставлением защитной пачки в кровле пласта мощностью 0,6 м. Поддержание непосредственной кровли выработок осуществляется распорными или винтовыми анкерами [1].
Для анализа влияния технологических параметров отработки продуктивных пластов в условиях повышенной глинизации на устойчивость очистных выработок проведен комплекс исследований, состоящий из двух этапов. На первом этапе в лабораторных условиях определены физико-механи-ческие свойства пород междупластья, а в натурных условиях выполнено исследование процессов деформирования и разрушения горных пород в окрестности выработок, и измерены действующие в междупластье напряжения.
Исследование физико-механичес-ких свойств пород междупластья АБ-КрП показали, что прочность при сжатии соляных пород пластов Кр1-КрП, Кр1 и А’-Кр1, слагающих технологическое меж-дупластье, в юго-восточной части шахтного поля на 15-20% ниже, чем в северо-восточ-ной части (таблица), где содер-
Пласт Северо-восточная часть шахтного поля Юго-восточная часть шахтного поля
20 восточная панель 9 восточная панель 11 восточная панель
А’-КрІ 26.38 16.65 20.81
Кр І 22.44 19.48 16.07
КрІ-КрІІ 23.45 20.35 15.75
жание глины не превышает 10%. Одной из основных причин снижения устойчивости пород кровли является наличие ряда достаточно мощных глинистых прослоев, достигающих 10-15 см.
Деформирование пород междупластья в процессе ведения очистных работ изучалось на 10 замерных станциях, заложенных на пластах АБ и КрІІ в разных частях шахтного поля - юговосточной и северо-восточной. На пласте КрІІ измерения выполнялись, как в камерах с оставлением защитной пачки, так и в камерах с подрубкой двух коржей. Конструкция замерной станции представляла собой систему контурных
100
200 Время, сут
300
Рис. 1. График оседания кровли пласта КрП 38
и глубинных реперов. В качестве глубинных реперов использовались металлические анкера длиной до 2.0 м.
Анализ результатов исследования показал, что в юго-восточной части шахтного поля в течение первых 1-2,5 месяцев после проходки происходит интенсивное расслоение кровли пласта КрІІ с последующим обрушением, при этом в деформирование вовлечены все слои технологического междупластья. В севоро-восточной части шахтного поля основная доля деформаций приходится на приконтурный слой, при этом величины оседаний до 10 раз меньше, чем на юго-востоке (рис. 1).
При подходе очистных работ к створу замерной станции, расположенной на вышележащем пласте АБ, отмечалась резкая активизация процессов деформирования, расслоения пород кровли очистной камеры, а также интенсивное пучение почвы. В дальнейшем, после перемещения фронта очистных работ за створ замерной станции, скорость деформирования пород почвы очистной камеры на пласте АБ стабилизировалась на прежних уровнях.
Экспериментами установлено, что вне зависимости от подрезки двух коржей 400 или оставления защитной пачки мощностью 0,6 м, при проходке очистных вырабо-
0
УН
ток на пласте Кр11 в условиях повышенного содержания глинистых прослоев, со временем происходит интенсивное расслоение пород кровли с последующим их обрушением. Различие заключается лишь в том, что обрушение пород кровли при оставлении защитной пачки происходит несколько позже, чем при подрезке двух коржей.
Измерения напряжений, выполненные гидродомкратом Гудмана с использованием акустоэмиссионных эффектов памяти [2], показали, что действующее горизонтальное напряжение достигает 6-7 МПа, при этом, как и следовало ожидать, на контуре выработки наблюдается снижение напряжений, коржевая часть междупластья так же находится в зоне пониженных по сравнению с вы-шележа-щей толщей напряжений.
Выполненные натурные и лабораторные экспериментальные исследования представляют исходную параметрическую информацию для реализации второго этапа, направленного на разработку критериев
разрушения кровли камер и геомеханическую оценку её устойчивости при различных схемах отработки.
Для анализа влияния пролета очистных камер в условиях повышенной глинизации сильвинитовых пород выполнено математическое моделирование изменения напряжен-но-деформирован-ного состояния технологического ме-ждупластья АБ-КрП. Полученные в результате выполнения шахтных экспериментов данные о скоростях деформирования, характере расслоения и действующих в междупластье напряжениях явились исходной информацией для настройки математической модели системы «камера-целик».
Принципиальная расчетная схема задачи представлена на рис.2. Рассматривается камерный блок, находящийся под действием массовых сил интенсивно-стью(у{ - удельный вес пород). На верхней горизонтальной границе задана распределенная нагрузка yH (H - расстояние до земной поверхности). На боковых границах отсутствуют горизонтальные, а на нижней вертикальные смещения. В интервале междупластья рабочих пластов заданы прослои глины, деформационные свойства которых на порядок ниже вмещающих соляных пород. В расчетах ширина камеры в соответствии с горнотехническими условиями юго-восточного участка рудника БКПРУ-2 составляла 6,1 и 5,2 м.
а)
иу, 8 -А 0-^- Ш камера пласта АБ
і——ІА— і
-40 - -во: иу, мм І^Ш О камера пласта КрІІ С
б)
иу, мм і -А
О -
камера пласта АБ
40 -
иу, мм
камера пласта КрП
зона действия
- элементы техногенной напряжений растяжения нарушенноети
- деформации кровли и почвы камер
Рис. 3. Формирование зон действия растягивающих деформаций растяжения в технологическом междупластье АБ-КрП при ширине камер пласта КрП: а) 5,2 м; б) 6,1 м
Численная реализация математического моделирования производилось по стандартной схеме метода конечных элементов в упруго-пластической постановке [4]. В рамках упругопластической модели в условиях сжатия разрушение пород междупластья за счет сдвига оценивается по критерию Кулона-Мора:
т > т ,
тах пр '
(1),
01 - 03
где Ттах =-----~---- - максимальное ка-
сательное напряжение, <г1, 03 - максимальное и минимальное главные напряжения. В неравенстве (1) Т пр определяется параболической огибающей кругов Мора:
Тпр = д/ (0р + 0)[20р - 2^0Р (0р+0сж ) + 0сж ]
где 0сж ,0 р - пределы прочности на сжатие и растяжение, О - нормальное напряжение в плоскости действия Ттах .
При формировании зон растягивающих напряжений условием разрушения является неравенство:
О ^ 0р.
Результаты оценки разрушения пород междупластья при пролетах камер соответствующих 6,1 и 5,2 м иллюстрируются на рис. 3. Здесь показана деформация кровли пласта КрІІ и почвы пласта АБ. Видно, что в количественном выражении расчетные оценки согласуются с экспериментальными данными.
Разрушение междупластья происходит вследствии действия растягивающих напряжений, преимущественно вертикальной ориентации, и формирования секущих субвертикальных трещин сдвига (рис. 3). Результаты геомехани-ческих расчетов показывают, что пролет камеры пласта КрІІ оказывает значительное влияние на устойчивость меж-дупластья. Так увеличение ширины с 5,2 м (рис.3, а) до 6,1 (рис.3, б) обуславливает расширение зон растяжения и сдвиговой нарушенности.
Дальнейшие теоретические исследования должны быть направлены на анализ влияния других горногеологических и горнотехнических факторов на процесс разрушения технологического ме-ждупластья КрІІ-АБ.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Методическое руководство по ведению горных работ на рудниках Верхнекамского калийного месторождения / Уральский филиал ВНИИГ, - М.: Недра, 1992, - 468 с.
2. Лавров А.В., Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л. Акусто-эмиссионный эффект памяти в горных породах. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2004, - 456 с.
3. Токсаров В.Н. Натурные исследования деформирования кровли очистных камер в условиях повышенной глинизации // Материалы научной конференции: Стратегия и процессы освоения георесурсов.- Пермь, 2009.
4. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. //М.- Мир, 1975.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------
Шумихина А.Ю. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Лобанов С.Ю. - кандидат технических наук, научный сотрудник,
Евсеев А.В. - младший научный сотрудник,
Токсаров В.Н. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
Горный институт Уральского отделения Российской академии наук, arc@mi-perm.ru
Ж
42
