Введение к работе
- З -
Актуальность проблемы. Подземная добыча водорастворимых руд непосредственно связана с решением вопросов предотвращения прорыва вод в горные выработки, который зачастую приводит к гибели калийных рудников и соляных шахт. В мировой практике насчитывается более 80 горнодобывающих предприятий, затопленных в результате аварийного поступления надеолевых вод в выработанное пространство. Цричиной аварий, как правило, является несоответствие параметров системы отработки продуктивных пластов конкретным геологическим условиям.. Данное несоответствие возникает в связи с отсутствием гибкой системы геомеханического обеспечения, способной оперативно учитывать локальные изменения горногеологической обстановки. Причем, усложнение горно- и гидрогеологических условий разработки, широкие перспективы по освоению подземного соляного выработанного пространства, геоэкологические задачи, сопутствующие горным работам, существенно расширяют круг традиционных и выдвигают ряд новых прикладных задач механики соляных пород, решение которых направлено на всестороннее обеспечение безопасной эксплуатации рудников, шахт, подземных горнотехнических объектов.
Одним из основных элементов системы геомеханического обеспечения разработки калийных и соляных месторождений является математическое моделирование напряженно-деформированного состояния подработанного массива, отражающее основные особенности ведения горных работ, сложное литологическое строение массива, специфический характер деформирования соляных пород во времени.
Известные подходы к оценке напряженно-деформированного состояния подработанного соляного массива основываются на использовании однотиповых математических моделей, что не позволяет с достаточной степенью точности отразить геомеханические процессы в окрестности всего выработанного пространства. Для обеспечения адекватности крупномасштабного моделирования более рациональным является выделение доминирующих структурных элементов подработанного массива с последующими математическим описанием их физического поведения и построением синтезированной геомеханической модели всего подработанного массива В свою очередь, применение таких усложненных моделей для решения прикладных задач механики соляных пород требует разработки эффективных численных методов их реализации.
Таким образом, разработанные в диссертационной работе теорети-
- 4 -ческие положения моделирования процессов деформирования и разрушения соляных пород и массивов, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии перспективного направления в механике горных пород - геомеханики соляного массива, направленного на решение актуальной проблемы, связанной с обеспечением безопасности разработки месторождений водорастворимых руд. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами: "Программы комплексных .научно-исследовательских работ по изучению водозащитной толщи на Берхнекамском месторождении калийных солей на 1988-1995 г." (Правительственное поручение N14229 от 02.07.87., постановление АН СССР N 13100/1222-70 от 22.04.88); общеакадеми-ческой проблемы 12.9. "Разработка месторождений и обогащение полезных ископаемых", тема "Разработка комплекса геолого-геофизических, геомеханических и технологических мероприятий по предотвращению нарушений сплошности водозащитной толщи на месторождениях полезных ископаемых, залегающих в аномально-сложных горногеологических условиях",, утвержденная Постановлением ГКНГ СССР N 191 от
-
г (N гос. per. 01890011297); программы фундаментальных исследований АН СССР N 15 "Комплексное исследование региональных и глобальных геологических процессов с целью оптимизации геологического изучения страны, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых", утвержденной Постановлением ГКНГ СССР N 263 от
-
г.; Государственной научно-технической программы "Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф (проект 2.3.7.1); программы биосферных и экологических исследований АН СССР на период до 2015 года (тема 7.3.51).
Цель работы - создание теоретических основ и развитие методов моделирования процессов деформирования и разрушения соляных пород и массивов для обеспечения безопасной разработки месторождений водорастворимых руд.
Идея работы заключается в построении и аффективной реализации методом геометрического погружения синтезированных геомеханических моделей подработанного соляного массива для оценки изменения его напряженно-деформированного состояния в процессе подземной разработки.
Задачи исследований:
- разработать и развить методы математического моделирования и алгоритмы их эффективной реализации для широкого класса двумерных
- 5 -и трехмерных задач механики соляных пород;
установить закономерности и определить основные параметры деформирования и разрушения соляных пород;
построить модели напряженно-деформированного состояния природных и техногенных структурных элементов подработанного соляного массива;
на основе предложенных численных методов разработать вычислительные схемы реализации моделей деформирования и разрушения структурных элементов соляного массива;
оценить влияние горногеологических и горнотехнических факторов на условия развития трещин в массиве соляных пород;
выполнить геомеханический анализ процесса деформирования и разрушения соляного массива для различных условий его подработки.
Мзтоды исследования предусматривали комплексный подход к решению поставленных задач и включали: использование аппарата функционального анализа, аналитические и численные методы механики сплошных сред, экспериментальные лабораторные исследования и анализ результатов натурных измерений, математическое и физическое моделирование.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Теоретическое обоснование метода математического моделирования (метод геометрического погружения) напряженно-деформированного состояния подработанного горного массива, заключающегося в построении приближенного решения соответствующей краевой задачи для области произвольной геометрической конфигурации в виде итерационной последовательности вариационных задач для нетронутого горными работами породного массива, и схемы его численной реализации.
-
Закономерность разрушения образцов соляных пород, согласно которой интенсивное развитие микродефектов соответствует напряжению, действующему в диапазоне (0,6- 0,8) б еж вне зависимости от соотношения размеров образцов. На запредельной стадии деформирования процесс разрушения происходит в форме диспергирования, охватывая весь объем образца. С уменьшением скорости деформирования ветвь разупрочнения выполаживается, и на участке остаточной прочности имеет место полное Переформирование структуры соляных пород.
-
Деформирование и разрушение контактов между слоями соляных пород, характеризуется тремя стадиями: сцепления, разупрочнения и проскальзывания. Параметры деформирования контакта определяются его минеральным составом, состоянием поверхности, уровнем действу-
ющего нормального напряжения и не зависят от свойств контактирующих сред, фи значительных сжимающих напряжениях участок разупрочнения может отсутствовать, в тоже время сдвиговая жесткость контакта остается практически неизменной. Деформированию контактов сопутствует явление дилатансии, которое определяется степенью его шероховатости и связано с выходом границ раздела из зацепления.
4. Синтезированная геомеханическая модель подработанного соляного массива, включающая линейно-вязкоупругую модель деформирования слоев, модель деформирования и разрушения контактов между слоями, описывающую его разупрочнение, скольжение и разуплотнение, структурную реологическую модель деформирования междукамерного целика и системы "целик-закладка", отражающую эффекты разупрочнения и упрочнения во времени при переменной скорости нагружения; алгоритм численной реализации синтезированной модели методом геометрического погружения, позволяющий при итерационной процедуре решения "отслеживать" различные стадии деформирования структурных элементов модели и корректировать тип разрешаемого уравнения в процессе анализа напряженно-деформированного состояния подработанного слоистого массива.
Б. Способ оценки условий роста открытых тектонических и техногенных трещин на произвольных участках подработанного массива, основанный на определении методами крупномасштабного математического моделирования изменения под влиянием горных работ напряженно-деформированного состояния массива в зоне распространения трещины и последующем анализе условий их роста с помощью критериальных соотношений механики разрушения.
6. Закономерности образования зон техногенной нарушенности над выработанным пространством калийных рудников, согласно которым формируются три основных типа разрушения подработанного массива:
зарождение и развитие вертикальных и кососекуших трещин, связанные с появлением горизонтальных растягивающих деформаций и приуроченные к краевой части массива;
расслоение, определяемое разрушением по поверхностям ослаблений (контакты между слоями иди прослоями), связанное с разгрузкой вертикальной компоненты напряжений и характерное для боны полной подработки;
горизонтальные подвижки по контактам слоев (прослоев), вызванные действием значительных касательных напряжений и имевшие место в краевой части массива.
- 7 -Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
строгостью применяемого математического аппарата;
корректной постановкой теоретических задач, решением тестовых примеров и соответствием получаемых результатов точным решениям и данным оптического моделирования;
применением надежных стандартных методик экспериментальных исследований, воспроизводимостью и представительностью результатов испытаний;
качественным соответствием полученных результатов основным Бакономерностям деформирования элементов подработанного соляного массива;
включением результатов исследования в нормативно-методические документы; положительными результатами внедрения методик, рекомендаций и выводов на калийных горнодобывающих предприятиях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
теоретически обосновано применение метода геометрического погружения для решения краевых задач теории упругости в случае, если вектор поверхностных усилий является линейным оператором вектора смещений, и предложен способ численной реализации метода геометрического погружения для многосвязных слоистых плоскопараллельных сред, основанный на использовании аналитического решения в рядах Фурье;
построена методика предрасчета упругих свойств соляных пород в зависимости от упругих параметров и содержания галита и сильвина, объемной концентрации пор и микровключений глины;
установлены закономерности и определены параметры деформирования и разрушения образцов соляных пород и контактов между слоями при различных режимах запредельного нагружения;
построены структурная реологическая модель междукамерного целика и системы "целик-закладка", учитывающая эффекты упрочнения и разупрочнения при переменной скорости деформирования, и вычислительная схема метода геометрического погружения, отражающая особенности деформирования системы междукамерных целиков при наличии закладки выработанного пространства и без нее;
применительно к разработке калийных месторождений получены результаты решения широкого круга новых задач механики соляных пород, которые позволили установить ряд закономерностей, связанных с ростом трещин различной ориентации в подработанном слоистом соля-
- 8 -ном массиве, с формированием типовых зон техногенной нарушенности над выработанным пространством, с определением условий эффективного применения закладки в качестве конструктивного элемента защиты калийных рудников от затопления.
Личный вклад автора состоит в организации и постановке экспериментальных и теоретических исследований и непосредственном участии в их проведении; в анализе результатов исследований; в разработке методов математического моделирования и процедур их численной реализации; в установлении закономерностей деформирования и разрушения соляных пород и массивов; в теоретическом обобщении и обосновании всех защищаемых положений.
Практическое значение работы состоит в разработке:
методики предрасчета упругих свойств соляных пород;
методики оценки влияния неоднородности состава и строения на прочностные свойства соляных пород;
методики оценки изменения состояния водозащитной толщи в процессе ее подработки методами математического моделирования;
методики оценки условий роста открытых тектонических трещин в слоях водозащитной толщи.
Реализация работа Результаты исследований по геомеханической оценке безопасных условий ведения горных работ внедрены в практику разработки калийных месторождений АО "Уралкалий" и АО "Сильвинит".
Полученные результаты использованы при составлении следующих нормативных и методических документов:
-
Указания по защите рудников от затопления и охране зданий, сооружений и природных объектов на подрабатываемой территории Верхнекамского месторождения калийных солей (вторая редакция).-С. - Петербург: ВЙИИГ, 1993 Г.
-
Кадастр физико-механических свойств соляных пород центральной части Верхнекамского месторождения. Пермь: ГИ УрО РАН, 1993 г.
-
Заключение о причинах затопления рудника БКРУ-3, составленное в соответствии с постановлением Госгортехнадзора РСФСР N 14 от 17.10.91 г.;
Отдельные методики использованы для геомеханического обоснования рационального уровня извлечения полезных ископаемых на территории Пермской области. Разработанные методы математического моделирования применены для оценки устойчивости бортов карьеров ОА "Западуралнеруд".
Основные научные положения и практические рекомендации исполь-
- 9 -зуотся в учебных курсах горных специальностей Пермского государственного технического университета
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на VI Всесоюзной конференции по механике горных пород (Фрунзе, 1978 г.), на III и VI Всесоюзном семинаре "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород" (Новоси-бирск, 1979 г., 1991 г.), на VII Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1979 г.), на Всесоюзном семинаре "Физические свойства пород в массиве" (Новосибирск, 1980 г.), на Всесоюзной конференции "Исследование, прогноз и контроль проявления горного давления" (Ленинград, 1982 г.), на совещании по разработке калийных месторождений (Канада, Саскаче-ванский университет, 1989 г.), на научно-технической конференции "Проблемы безопасной разработки калийных месторождений (Солигорск, 1990 г.), на VII Всесоюзной научной школе "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках (Алушта, 1990 г.), на III Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Житомир, 1990 г.). на международном семинаре "Автоматизация научных исследований в геологии, горном деле и экологии" (Москва, 1991 г.), на II международной конференции по калийной технологии "Калий-91 (ФРГ, Гамбург, 1991 г.), на Всесоюзной конференции "Технология строительства и эксплуатации подземных хранилищ нефти, газа и продуктов переработки" (Москва, 1991 г.), на региональных совещаниях "Проблемы комплексного изучения водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных солей" (1989-1993 гг.), на совместном заседании Объединенного Ученого Совета по механике, энергетике и горным наукам СО АН СССР и Объединенных Ученых Советов по математике и механике, физико-техническим наукам, наукам о Земле (Свердловск, 1990 г.), на научно-технических конференциях Пермского политехнического института (1977-1991 гг.), на технических советах АО "Уралкалий" и АО "Силь-" винит".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 печатных трудов.
Структура и объем работы, диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников из 226 наименований, приложения (документы о внедрении) и содержит 374 страницы, включая 256 страниц машинописного текста, 90 рисунков и 28 таблиц.
