Выбор и обоснование методов расчета параметров элементов массива при растворении соли в горно-геологических условиях отработки купольных месторождений

О. В. Ковалев; С. П. Мозер

УДК 622.831

Дана краткая характеристика Соль-Илецкого месторождения каменной соли и описаны основные технологические параметры его отработки. Выполнен анализ различных методик оценки устойчивости камер подземного растворения, который показал, что использование таких методик в специфических горно-геологических условиях при отработке купольных месторождений (подземным растворением) недостаточно адекватно отражает условия работы ответственных элементов массива горных пород. Оценка напряженно-деформированного состояния горных пород может быть выполнена с применением численных методов решения горно-геомеханических задач: методов граничных элементов, метода конечных элементов, метода конечных разностей - и для горно-геологических условий Соль-Илецкого месторождения. Численные решения (на базе перечисленных методов) достаточно объективно отражают напряженно-деформированное состояние соляного массива в окрестности камер растворения, Моделирование технологических параметров добычи каменной соли методом подземного растворения может быть проведено методом фиктивных нагрузок. Предварительные расчеты по указанной методике, проведенные для уже отработанных участков, дают достаточно высокую сходимость расчетных и наблюдаемых результатов. Описанный метод реализован в форме программы для ЭВМ и будет использован для дальнейших исследований.

Brief characteristic Sol-Ileck rock-salt deposit is adduced and its basic technological mining parameters also are described. The analysis of different techniques of an estimation of chambers stability of underground dissolution. The conducted analysis has shown, that usage of such techniques in specific geological conditions of mining of dome deposits (underground dissolution) is unsufficiently adequate mirrors the working conditions of accountable array cells of rocks. The estimation of stress state of rock mass can be executed with application of the numerical methods of the solution mining-geomechanics problems: methods of boundary members, fmite element method, method of finite differences. The analysis of the indicated methods has shown expediency of application of such methods in geological conditions of mining of reserves Sol-Ileck deposit, The numerical solution (on the basis of listed methods) is objective enough mirror stress state of a salt mass in neighborhood dissolution chambers. The simulation of technological parameters of underground dissolution mining a rock-salt can be conducted by a method of dummy loads. The precomputations on the indicated technique conducted for already mining sites, give high enough convergence of computational and observed outcomes. The briefly described method realised in the computer program and will be used for further researches.

Соль-Илецкое месторождение каменной соли (см. рисунок) приурочено к Илецкой соля но-ку по лъной структуре, а его разведанная часть к осложняющему купол соляному штоку. Соляной шток имеет размер 2 х 1,02 км на

уровне его контакта с четвертичными отложениями и 2,15 х 0,9 км на глубине около 300 м. По геофизическим данным, размер соляного купола на глубине 1600 м 6 х 4 км, а мощность солей в структуре превышает 2,6 км.

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. ТЛ52

îr 257

616

Геологический разрез по линии IV - IV Соль-Илецкого месторождения. Масштаб 1:10 ООО

Запасы месторождения отрабатываются подземным способом камерной системой

с

способа и управлением состоянием массива

пород с оставлением междукамер-

(МЭЦ) цели-

сота камер 30 м5 ширина камеры 29 м, ши рина целика 26 м. Для ного ведения работ с

юте я размеры оставляемых целиков соли Если на горизонте -310м отношение шири' ны междукамерного целика к ширине каме< ры составляет около единицы, то на горизонтах -575 м и -630 м оно вдвое, до 1,9. Растут и междуэтажных целиков влечения соли снижается с ОД 94 на гори-

м до ОД25 на горизонте -575 м. из прогнозируемой горно-гео-логической ситуации, предлагается смена применяемой на руднике № 2 технологии на

запасов методом подземного растворения солей (ПРС) через скважины с поверхности. Для применения технологии ПРС необходимы выбор и обоснование методов оценки устойчивых состояний элементов массива в окрестности камер растворения.

В этой связи выполнен анализ имеющихся подходов к оценке устойчивости камер подземного растворения на базе исследований М.Стаматиу, сотрудников ВНИИ-Соль, ВНИИПромгаза, ВНИИГа и других организаций.

Согласно методу Стаматиу, условие прочности целика рассчитывается по массе столба налегающих пород, а при соразмерных геометрических параметрах - по собственной массе целика с учетом давления рассола на потолочину камеры. В этом случае максимальная глубина разработки соли способом подземного растворения не должна

что, однако, не подтвер-

парамет-

ры систем разработки приводят к большим потерям полезного ископаемого, оставляе-

лению целика с жидкости

целик

щей нагрузки

'j

. По отношению разрушаю-к допустимой вычисляется запаса в целике. Численное коэффициента запаса прочности

по известным колебаниям

входящих в расчет величин с помощью метода, основанного на использовании решений теорий упругости, пластичности и математической статистики. Расчет сводится к оценке вывалоустойчивости стенок камеры с учетом противодавления рассола и изменчивости прочностных характеристик каменной соли

Метод ВНИИПромгаза основывается на расчете напряженного состояния вмещающих пород с использованием теории упругости. Полученные результаты сопоставля-

___-_ 79

Санкт-Петербург. 2002

ются с практическими наблюдениями за полостью, долгое время эксплуатирующейся в аналогичных условиях. При близком совпадении прочностных свойств исследуемой полости и аналога можно обосновать допустимый размер полости, тод, основанный на статистической теории хрупкого разрушения, ным недостатком - в выбор допустимых размеров полости вносится элемент случайности и субъективизма [2].

Методика Е.М.Шафаренко, основанная на исследованиях ВНИИПромгаза, базируется на математической модели упрушвяз-копластичной среды, учитывающей характерную для соляных пород возможность протекания процесса ползучести в одну и три стадии при сложном напряженном состоянии. Уравнения состояния каменной

соли, принятые в работе, описывают кривые деформирования, включающие и запредельный участок. Область запредельного деформирования формируется в месте сопряжения потолочины и стенки выработки. Объем области запредельного деформирования выбран в качестве основного критерия устойчивости подземных полостей

Метод В.С.Романова базируется на экспериментальных исследованиях и отличается от предыдущих более полным учетом влияющих факторов. Действующее на целик напряжение рассчитывается с учетом собственной массы

маемой им разности между весом вышележащих пород и давлением рассола, заполняющего камеру [4].

Анализ указанных методик показал, что применительно к специфическим шрно-геологическим условиям отработки купольных месторождений подземным растворением они недостаточно адекватно отражают условия работы ответственных элементов массива горных пород и не могут быть использованы для выбора параметров междукамерных целиков, потолочин и других элементов соляного массива, поскольку полностью не отражают условия эксплуатации ответственных элементов массива в пространстве и времени.

В то же время оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) горных пород в окрестностях камер растворения в

горногеологических условиях достаточно объективно может быть выполнена с применением численных методов решения шрно-геомеханических задач, в частности методов граничных элементов (МГЭ), метода конечных элементов (МКЭ), метода конечных разностей (МКР). Для конкретных горногеологических условий отработки запасов Соль-Илецкого месторождения методом

подземного растворения пользовать один из

целесообразно ис-МГЭ - метод

При решении задач этим методом составляются уравнения вида

N .. . N

X ^ ss Р / + X ^ sn Р п ~

0;

N

У А iJ Р J +

ns s ^

N

_ V Р 3 4. V А У Р У -

л п$ л 3 1 пп п

= -(у Я); I - N ,

где г, / - номера элементов контура иссле-

• »

дуемой области; Р/ и Р^ - касательные и

нормальные

нагрузки на j'-m

элементе соответственно;

гра'

ничные коэффициенты влияния для напря'

жении.

указанных уравнении относительно Р/ и Р}{ позволяет выразить напряжения и перемещения (параметры НДС исследуемой области) в произвольной точке тела через линейные комбинации фиктивных нагрузок для у = 1,..., N.

Данным методом могут быть решены и задачи для неоднородного тела (массива).

Для неоднородной среды со смешанными граничными условиями (в напряжениях и перемещениях) задача сводится к решению системы 2М алгебраических уравнений с 2АТ неизвестными компонентами фиктивных нагрузок, имеющей вид [3]:

N

Y С lJ Р J + У С lJ Р

Zw ss s ~ ¿^ w sn Х п

J -

bi •

7 = 1

80 -

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.152

N . . " N ,

Ш ^ № С ПП ^ П ~ ^ £ ?

/ = 1 N

V Л ^ * * * ^ .А Т ^

где Ь\ я Ь1п ~ известные граничные значения компонентов усилий (ст^)0 и (о^)0 или пе-

» ■ > • I«

ремещений (и15)0 и (игп)0; С1^, Сит... - надлежащие коэффициенты влияния (Л1^,...,

А*1п или зависящие от задан-

ных граничных условий (в напряжениях или перемещениях).

При рассмотрении неоднородного массива необходимо задавать граничные условия не только на свободных элементах контуров, но и на элементах, принадлежащих зоне контакта подобластей с разными деформационными свойствами. В этом случае при решении задачи каждый элемент на контакте необходимо рассматривать как два элемента, сопряженных, но принадлежащих двум контурам.

Предварительные расчеты по указанной методике, проведенные для уже отработанных участков, дают достаточно высокую

сходимость расчетных и наблюдаемых результатов. Описанный метод реализован в форме программы для ЭВМ и будет использован для дальнейших исследований. Полученные результаты позволяют полагать целесообразным применение расчетных методик для вновь проектируемых участков, в том числе и при проектировании новой технологии добычи каменной соли растворением через скважины с поверхности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Долгих МЛ. Оценка прочности камер выщелачивания в отложениях каменной соли / М.А.Долгих, В.В.Матвиенко, Н.С.Хачатурян; ВНИИСоль. М., 1962.

2. Кислер Л.Н. Об оценке прочности емкостей различной формы в соляных отложениях / Л.Н.Кислер, Н.М.Крюкова, В.А.Мазуров; ВНИИПромгаз. М., 1971.

3. Крауч С Методы граничных элементов в механике твердого тела / С. Крауч, А. Старфилд. М.: Мир, 1987,

4. Пермяков P.C. Технология добычи солей / Р.С.Пермяков. В.С.Романов, М.П.Бельды. М.: Недра, 1981.

5. Стаматиу М, Расчет целиков на соляных рудниках. М.: Госгортехиздат, 1963.

6. Шафаренко ЕМ. Длительная устойчивость подземных горных выработок в отложениях каменной соли: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Новосибирск, 1985.

_ 81

Санкт-Петербург. 2002

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — О. В. Ковалев, С. П. Мозер

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — О. В. Ковалев, С. П. Мозер