Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса и задачи исследований 13
1.1 Анализ крупных аварий при подземной разработке месторождений водорастворимых руд: формы, причины, последствия 14
1.2 Состояние конструктивных элементов камерной системы разработки (на примере отработки калийных пластов ВКМКС). 27
1.3 Анализ методов оценки устойчивости и контроля состояния междукамерных целиков 39
1.4 Целии задачи исследований 58
2. Деформирование соляных пород под нагрузкой 61
2.1 Методические основы исследования механических свойств соляных пород 61
2.2 Контроль степени нарушенности пород 71
2.3 Оценка влияния структурно-текстурных особенностей строения массива на механические свойства пород 85
2.4 Исследование влияния формы и условий нагружения образцов на параметры их деформирования 104
2.5 Потенциальная удароопасность соляных пород 119
2.6 Физико-механические свойства соляных пород ВКМКС 124
2.7 Выводы по главе 134
3. Исследование напряженного состояния соляных пород 136
3.1 Оценка напряженно-деформированного состояния краевых частей массива методом компенсации напряжений 136
3.2 Изучение напряжений в приконтурном массиве с использованием эффектов памяти горных пород 148
3.3 Методика определения напряжений по измерениям деформаций на большой базе 153
3.4 Напряженное состояние пород соляного массива ВКМКС 160
3.5 Выводы по главе 169
4. Квазистатическое разрушение соляных медждукамерных целиков 171
4.1 Экспериментальное изучение состояния соляных междукамерных целиков 173
4.2 Контроль состояния целиков геофизическими методами 184
4.3 Деформирование междукамерных целиков во времени 197
4.4 Оценка остаточного срока службы междукамерных целиков 210
4.5 Методика контроля состояния междукамерных целиков 212
4.6 Выводы по главе 218
5. Динамиче скоб разрушение соляных междукамерных целиков 220
5.1 Условия динамического разрушения конструктивных элементов камерной системы разработки 221
5.2 Напряженно-деформированное состояние междупластий 230
5.3 Физическое моделирование характера разрушения целиков при многопластовой выемке 241
5.4 Оценка жесткости вмещающих пород 253
5.5 Исследование влияния жесткости нагружающей системы на характер разрушения соляных целиков 258
5.6 Методика оценки опасности динамического разрушения соляных целиков 267
5.7 Выводы по главе 272
6. Примеры использования результатов исследований в практике горного производства 273
6.1 Прогноз остаточного срока службы междукамерных целиков... 273
6.2 Оценка состояния целиков в камерах приводов магистральных конвейеров рудника СКРУ-3 277
6.3 Анализ состояния междукамерных целиков вокруг зоны массового обрушения пород на руднике СКРУ-2 282
6.4 Оценка достаточности мер по предотвращению динамического разрушения соляных междукамерных целиков 287
6.5 Выводы по главе 294
Заключение 296
- Состояние конструктивных элементов камерной системы разработки (на примере отработки калийных пластов ВКМКС).
- Оценка влияния структурно-текстурных особенностей строения массива на механические свойства пород
- Методика определения напряжений по измерениям деформаций на большой базе
- Оценка жесткости вмещающих пород
Введение к работе
Актуальность проблемы. Увеличение глубины разработки месторож-
Ф дений полезных ископаемых, вовлечение в эксплуатацию запасов, находя-
щихся в сложных горно-геологических условиях, зачастую, обуславливает
проявление горного давления в разнообразных катастрофических формах
(горные удары, техногенные землетрясения, массовые обрушения, выбросы
пород и газа, затопление рудников и т.п.), приводящих к большому экономи
ческому и социальному ущербу. Для предотвращения аварийных ситуаций
т необходима гибкая система геомеханического контроля состояния подрабо-
танного массива, позволяющая учитывать локальные изменения условий разработки и принимать оптимальные инженерные решения.
Обеспечение безопасных условий ведения горных работ при подземной
разработке соляных и калийных месторождений связано с проблемой пре-
* дотвращения прорыва подземных пресных вод в горные выработки. Во мно-
гих случаях это достигается использованием камерной системы разработки с
оставлением между камерных целиков. При этом налегающие соляные поро
ды должны сохранять свою сплошность на весь срок службы рудника, вы-
^ полняя функцию водозащитной толщи (ВЗТ).
В мировой практике известно более 80 случаев затопления соляных рудников. Основной причиной аварий, как правило, является несоответствие параметров камерной системы разработки (ширины камер и междукамерных целиков) горно-геологическим условиям конкретных отрабатываемых участков. В конечном счете, безопасность горных работ и сохранность рудников во многом определяется устойчивостью междукамерных целиков.
Характер деформирования и разрушения междукамерных целиков зависит от множества факторов: особенностей строения массива и свойств пород, геометрических размеров, формы и сроков службы очистных выработок, вида напряженного состояния массива поведения пород под нагрузкой и т. д. В этой связи особое значение приобретает вопрос достоверности эксперимен-
тальных и теоретических оценок устойчивости несущих элементов камерной системы разработки.
Таким образом, исследование процессов деформирования и разрушения подземных конструкций, сооружаемых в соляных породах, и разработка методов контроля их состояния (устойчивости) представляет актуальную проблему, которая имеет важное значение для теории и практики безопасного освоения георесурсов.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научных исследований Горного института УрО РАН, программами Президиума РАН и грантами РФФИ: план по общеакадемической проблеме № 12.9 «Разработка месторождений и обогащение полезных ископаемых», тема «Разработка комплекса геолого-геофизических, геомеханических и технологических мероприятий по предотвращению нарушения сплошности водозащитной толщи на месторождениях полезных ископаемых, залегающих в аномально-сложных горно-геологических условиях», утвержденная Постановлением ГКНТ СССР №191 от 21.06.1988 г. (№ гос. per. 01890011297); тема «Исследование закономерностей деформирования и разрушения осадочных толщ в процессе их формирования и техногенного воздействия», утвержденная Постановлением Президиума АН СССР № 292 от 12,04.1988 г. (№ гос. per. 01.9.90.000447); тема «Исследование процессов деформирования и разрушения конструктивных элементов систем разработки месторождений полезных ископаемых» (№ гос. per. 01.2001. 12855); грант РФФИ № 96-05-64849 «Исследование закономерностей деформирования и разрушения осадочных толщ в процессе их формирования и техногенного воздействия»; грант РФФИ № 01-05-96448 «Динамическое разрушение соляных междукамерных целиков: условия, механизм, прогноз»; грант РФФИ №04-05-96031 «Деформирование и разрушение квазипластичных горных пород»; программы № 13 фундаментальных исследований Президиума РАН «Изменения окружающей среды и климата: природные катастрофы»; тема «Динамическое разрушение горных пород: природные, техногенные катастрофы»; междисциплинарный
проект, выполняемый в содружестве ИГД СО РАН и ГИ УрО РАН «Дефор
мирование и разрушение квазипластичных горных пород и массивов при
различных условиях нагружения»; проект "Исследование динамического по-
, ведения слоев горных пород с целью предотвращения катастроф" (проект
№ 978211, НАТО-Россия).
Цель работы - разработка научно обоснованных методов оценки устойчивости несущих элементов камерной системы разработки, позволяющих повысить безопасность отработки месторождений водорастворимых руд.
Идея работы заключается в использовании экспериментально установ-
* ленных закономерностей деформирования и разрушения квазипластичных
соляных пород при геомеханической оценке состояния элементов подземных конструкций.
Задачи исследований:
- изучить закономерности деформирования и разрушения квазипластич-
(/Ц ных соляных пород при различных условиях нагружения;
разработать методики экспериментального исследования напряженного состояния краевых частей массива, учитывающие особенности строения и деформирования соляных пород;
исследовать напряженное состояние несущих элементов камерной системы разработки соляных пород и разработать способ прогноза срока их устойчивого состояния;
определить условия, реализации динамического разрушения соляных междукамерных целиков;
- выполнить геомеханическую оценку состояния целиков при различных
iW условиях ведения горных работ на рудниках Верхнекамского месторожде
ния калийно-магниевых солей (ВКМКС).
Методы исследований предусматривали комплексный подход к решению поставленных задач и включали: анализ и обобщение научного и практического опыта по поставленной проблеме, лабораторные испытания, натурные инструментальные и геофизические измерения, математическое и
физическое моделирование, статистическую обработку результатов экспериментов.
Научные положения, выносимые на защиту:
^ 1. Закономерности запредельного деформирования соляных пород при
различных условиях нагружения, позволяющие прогнозировать характер разрушения и время устойчивого состояния междукамерных целиков в зависимости от их формы, скорости приложения нагрузки, вида напряженного состояния, жесткости вмещающих пород.
2. В тонкослоистых соляных породах с крупнозернистой структурой и
~ нелинейной диаграммой деформирования достоверность результатов натур-
ных определений напряжений достигается за счет использования компенсационных методов контроля с базами измерения, значительно превышающими характерный размер неоднородности и исключающими необходимость модельных переходов от измеренных деформаций к напряжениям.
0І 3. Интегральная оценка напряженного состояния соляных междукамер-
ных целиков, основанная на проведении площадных геофизических наблюдений, выполнении точечных измерений напряженного состояния пород инструментальными методами и выявлении для конкретного участка шахтного поля взаимосвязей между средними напряжениями и скоростями распро-странения упругих волн.
Способ прогноза остаточного срока службы соляных междукамерных целиков, базирующийся на интерпретации результатов натурных измерений с помощью структурной реологической модели максвелловского типа, отражающей эффекты допредельного и запредельного деформирования.
Динамическое разрушение соляных междукамерных целиков при многопластовой выемке реализуется при мгновенной потере их несущей способности вследствие внезапного обрушения междупластий и наличия в кровле мощной толщи пород, способных накапливать потенциальную энергию упругого деформирования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достига
ется надежностью экспериментальных методик, представительным объемом
лабораторных и натурных исследований, строгой постановкой теоретических
, задач и корректностью применяемого математического аппарата, удовлетво-
рительной сходимостью результатов исследований, полученных разными методами, качественным их соответствием основным закономерностям деформирования несущих элементов камерной системы разработки соляных пород.
Научная новизна работы:
- установлены основные зависимости изменения запредельных характе-
Ф ристик соляных пород от формы образцов, скорости приложения нагрузки,
вида напряженного состояния, жесткости нагрузочной системы;
- построена структурная реологическая модель деформирования и раз
рушения контактов соляных пород, описывающая их разупрочнение и разуп
лотнение во времени;
4$ - определены закономерности изменения скорости распространения уп-
ругих волн и интенсивности акустической эмиссии от уровня нагружения, позволяющие интерпретировать результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния краевых частей соляного массива;
- установлены закономерности изменения во времени степени нару
шенное и характера перераспределения напряжений приконтурных пород в
«жестких» соляных междукамерных целиках, определяющие снижение
площади эффективного сечения, несущей способности и обуславливающие
сокращение срока их устойчивого состояния;
~ - разработан экспериментально-теоретический способ построения диа-
граммы деформирования во времени соляных междукамерных целиков;
- установлено, что динамическое разрушение соляных междукамерных
целиков возможно при мгновенном снижении их несущей способности за
счет изменения формы.
10 Практическая ценность результатов работы заключается в разработке:
-аппаратуры и методик, адаптированных для измерения напряжений в
т краевых частях соляного массива;
- методики оценки состояния междукамерных целиков комплексом
геофизических и инструментальных измерений;
- способа определения остаточного срока службы междукамерных цели
ков, позволяющего планировать время принятия дополнительных мер по
обеспечению устойчивости водозащитной толщи и охране подрабатываемых
* участков;
методики определения условий, исключающих массовое разрушение соляных пород при камерной системе разработки;
информационно-поисковой системы для обработки, хранения и анализа экспериментальных данных о физико-механических свойствах соляных
# пород.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований по геомеханической оценке устойчивости ме
ждукамерных целиков внедрены на калийных рудниках ОАО «Сильвинит» и
Л ОАО «Уралкалий» (приложение 1).
Основные результаты работы нашли отражение в нормативных документах, регламентирующих безопасные условия и порядок ведения горных работ:
- Временная инструкция по безопасному ведению горных работ на руд
ных и нерудных месторождениях, подверженных горным ударам. - Л.,
'* ВНИМИ, 1976 г.
Технологические схемы механизации и организации проведения горных выработок на шахтах Урала и Северного Казахстана. - Пермь, 1976 г.
Кадастр физико-механических свойств соляных пород Верхнекамского калийного месторождения.- Пермь, 1993 г.
Инструкция по защите рудников от затопления и охране объектов земной поверхности от вредного влияния подземных горных выработок в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей. - С.-П., 1994 г.
Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатывае-мых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей (технологический регламент). - С-П., 2004 г.
Информационно-поисковая система «Физико-механические свойства соляных пород ВКМКС» используется техническими службами рудников ОАО «Сильвинит» для обоснования безопасных условий отработки сильви-
^ нитовых пластов при составлении «Планов развития горных работ...»
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на Всесоюзном симпозиуме «Отражение современных полей напряжений и свойств пород и состояния скальных массивов» (Апатиты, 1977 г.), Всесоюзных совещаниях по механике горных пород
^ (Фрунзе, 1978 г., С.-П., 1997 г.), Всесоюзных семинарах по горной геофизике
(Ткибули, 1981 г., Тбилиси, 1989 г., Пермь, 1993 г.), Международном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1987 г.), VII Всесоюзной научной школе «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах» (Симферо-поль, 1990 г.), III Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Киев, 1990 г.), I Международном семинаре «Напряжения в литосфере» (Москва, 1994 г.), Международном конгрессе «Механика сплошных сред» (Пермь, 2000 г.), Международных конференциях - «Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах промышленных аг-ломераций» (Пермь, 1995 г.), «Мельниковские чтения» (Пермь, 1997 г.), «Проблемы геотехнологии и недроведения» (Екатеринбург, 1998 г.), «Горные науки на рубеже XXI века» (Екатеринбург, 1998 г.), «Геодинамика и напряженное состояние земных недр» (Новосибирск, 1999, 2003 г.), «Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов» (Волгоград-Пермь, 2001 г.), «Геомеханика в горном деле» (Екатеринбург, 2002 г,), Geotechnika
12 nicza і budownictwo podzemne (Wroclaw, 1997), Geotechniczne zabepieczenie
podziemnych wyrobisk gorniczych і tunelowych (Wroclaw, 1999), Geotechnika gornicza і budownictwo podzemne na pjczatku XXI wieku (Wroclaw, 2001), Aspekte der Langzeitsicherheir bei der Nachnutzung und Stilllegung von Kali-und Steisalzbergwerktn Exkurs.f.u. Verofftntl. GGW (Berlin, 2001), координационных совещаниях по проблеме прогноза и предотвращения горных ударов на рудных месторождениях (Москва, С.-П., 1976-80 г.г.), технических советах горнорудных предприятий Урала и Северного Казахстана (1973-80 г.г.), ежегодных научно-технических конференциях ПГТУ (Пермь, 1970-86 г.г.), научно-технических советах ОАО «Уралкалий» и «Сильвинит», постоянно действующем региональном семинаре по механике горных пород при ИГД УрО РАН (Екатеринбург, 1999, 2000, 2001 г.г.), ежегодных научно-технических конференциях ГИ УрО РАН (Пермь, 1987-2004 г.г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 43 работах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, содержит 362 стр. машинописного текста, включая 103 рис., 44 табл., 4 приложения, список использованной литературы из 317 наименований.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность сотрудникам лабораторий физических проблем освоения георесурсов, механики горных пород, геологических проблем техногенеза, активной сейсмоаку-стики Горного института УрО РАН за плодотворное сотрудничество, внимание, поддержку и ценные советы, а также инженерно-техническим работникам ОАО «Сильвинит» и ОАО «Уралкалий» за конструктивную помощь в проведении натурных экспериментов и внедрении практических результатов работы.
Состояние конструктивных элементов камерной системы разработки (на примере отработки калийных пластов ВКМКС).
Большой опыт отработки каменно-соляных и калийных месторождений г позволил выработать общие принципы ведения горных работ. Гидроизоляция выработанного пространства чаще всего обеспечивается за счет создания водонепроницаемого слоя пород между кровлей верхнего отрабатываемого пласта и почвой нижнего водоносного горизонта. Во многих случаях это достигается за счет использования камерных систем разработки с долговременным подцержа- .Щ нием вышележащей толщи на междукамерных целиках. Параметры системы разработки выбираются исходя из условия, что водозащитная толща (ВЗТ) должна сохранять свою сплошность (водонепроницаемость) в течение всего срока службы рудника. Размеры камер и целиков варьируются в широких пределах от 3-5 м до 20-30 м в зависимости от комплекса горно-геологических и горнотехнических условий. На многих месторождениях разрабатываются несколько рабочих пластов. В этом случае в массиве на больших площадях создается многослойная система - «этажерка» из чередующихся камер и целиков, обеспечение устойчивости конструктивных элементов которой является весьма сложной проблемой.
В качестве водоупорного слоя (целика) часто используется слой соляных пород, залегающих (оставляемых) в кровле рабочих пластов. Для сохранения гидроизоляционных свойств этого целика запрещается проведение выработок в пределах этого целика. Исключение составляют вскрывающие стволы и ограниченное число геологоразведочных скважин. Проходка и крепление вертикальных выработок осуществляется с использованием специальных способов, обеспечивающих гидроизоляцию. На уровне рабочих пластов вокруг поверхностных скважин оставляются специальные предохранительные целики, не-прорезаемые горными выработками. Для снижения риска затопления рудники отделяются друг от друга барьерными целиками, исключающими возможность затопления одновременно нескольких шахтных полей при прорыве вод на одном из участков. Кроме того, шахтные поля делятся на отдельные участки с помощью гидроизолирующих целиков с минимальным числом прорезающих их выработок. Система междукамерных целиков должна обеспечивать либо «жесткое» поддержание всех вышележащих (подработанных) пород на длительный (бесконечный) срок, либо плавное опускание кровли (без разрыва сплошности) после окончания очистных работ (податливые целики). Для снижения величины оседаний подработанной толщи часто используется закладка выработанного пространства, позволяющая, кроме защиты рудника от затопления, повысить степень извлечения и обеспечить сохранность объектов (промышленных и жилых зданий и сооружений) на дневной поверхности.
В связи с необходимостью сохранения сплошности водозащитной толщи геологоразведочные работы с бурением скважин, как правило, ведутся по весьма редкой сети (на ВКМКС поверхностные скважины разрешается бурить по сетке 2x2 км). Это обуславливает недостаточную геологическую изученность подрабатываемого массива, снижает надежность геомеханических и техниче-ских решений и, соответственно, повышает опасность ведения горных работ. Верхнекамское месторождение калийно-магниевых солей (ВКМКС) является характерным примером, на котором проявляются все особенности и проблемы отработки месторождений водорастворимых руд. ВКМКС - одно из крупнейших месторождений в мире, в нём сосредоточено около 30% мировых ф- запасов. В настоящее время на месторождении действуют 6 подземных рудников с общей добычей около 25 млн. тонн калийных и магниевых солей в год. Месторождение расположено на северо-востоке Пермской области и занимает площадь около 3500 км2. Верхнекамское месторождение находится в Преду-ральском краевом прогибе, который на западе граничит с Русской платформой, а на востоке переходит в Западно-Уральскую зону складчатости. Месторожде-ниє, также как и все структуры Урала, вытянуто в меридиональном направлении. Калийная залежь прослеживается с севера на юг на 140 км, при ширине до 40 км. Отработка месторождения ведётся с 1932 года. Для обслуживания рудников на площадях кондиционных запасов (исходя из экономических соображений) месторождения было построено два крупных города (Березники и Соликамск) с объектами химической промышленности (титаномагниевый, азотнотуковый, содовый заводы) и других видов производств, В настоящее время большая часть промышленных и жилых зданий и сооружений подработана горными выработками (рудники - БКПРУ-1 и СКРУ-1). Для снижения опасности ІІЬ последствий подработки на рудниках ведется закладка выработанных пространств под территорией городской застройки. Вопросы геологии Верхнекамского месторождения изучались многими известными учеными, что нашло отражение в ряде работ [76, 100, 136, 278, 134, 80]. В пределах соляной толщи выделяются снизу вверх следующие слои: подстилающая каменная соль (ПдКС) мощностью от 50 до 515 м, сильвинитовая зона (СЗ) средней мощностью 21 м, сильвинито-карнаплитовая (СКЗ) - мощностью от 21 до П5 м и покровная каменная соль (ҐІКС) (рис. 1.3). Над ПКС залегает соляно-мергельная толща (СМТ), представленная чередованием пластов каменной соли с мергелями и глинами [134, 80]. Мощность надсолевой толщи, которая представлена терригенно-карбонатными отложениями (ТКТ), пестро-цветной толщей и четвертичными отложениями, колеблется от 100 до 300 м. Глубина залегания кровли калийной залежи в пределах месторождения изменяется от 150 до 500 м. Сильвинито-карналлитовая зона состоит из девяти пластов калийно-магниевых солей, которые снизу вверх обозначаются буквами от Б до К. Нижний пласт Б сильвинито-карналлитовой зоны залегает непосредственно на пласте полосчатого сильвинита А, составляя единый пласт АБ средней мощностью -3,5 м.
В сильвинитовой зоне средние мощности пластов составляют: КрШ - 6,5 м, КрИ - 5,5-м, КрІ - 1,3 м, пласт А - 1,4 м. Основными промышленными пластами сильвинитового состава являются пласты КрП и АБ, В карналлитовой зоне промышленным является пласт В, который может иметь как сильвинитовый, так и карналлитовый состав. Средняя мощность пласта В при карналлитовом составе составляет - 15,0 м. Все пласты калийно-магниевых и калийных солей отделяются друг от друга межпластовой каменной солью мощностью 1,5-6,0 м. Нижняя часть соляно-мергельной толщи и покровная каменная соль составляют, так называемую водозащитную толщу (ВЗТ), являющуюся естественным водоупором, предохраняющим калийные рудники от затопления. Л В тектоническом плане для месторождения характерны пологие куполообразные поднятия и впадины соляной толщи субмеридионального простирания.
Оценка влияния структурно-текстурных особенностей строения массива на механические свойства пород
Соляные породы являются полиминеральными телами, состоящими из смеси галита, сильвина, карналлита и глинисто- ангидритовых включений, в которых процентное содержание компонентов изменяется в широких пределах. Название породы определяется по преобладающему компоненту. Исследованию зависимостей механических свойств от состава слагающих соляную породу компонентов посвящено достаточно много работ [202, 36, 240, 308]. А.И. Кудряшовым [135] установлено, что включения глинистых материалов снижают, а включения ангидритовых прослоев повышают прочностные показатели соляных пород. Изменение соотношения компонентов NaCl и КС1 в сильвикитовых породах может изменять прочностные свойства на 20-35%: увеличение содержания KCI снижаема -NaCl повышает прочность [202]. Анализ результатов исследования физико-механических свойств и химического состава для одних и тех же разностей пород сильвинитовои толщи в интервале пластов КрІ — КрШ показал, что зависимости механических свойств от содержания NaCl (КС1) для соляных пород ВКМКС не является определяющей. Это обусловлено небольшим различием механических свойств каменной соли и красного сильвинита. Наиболее существенное влияние состава на механические свойства выявлено для карналлитовых пород, сложенных различающимися по прочности минералами (приложение 2). Анализ результатов показал, что с увеличением содержания MgCb пропорционально снижаются как прочностные, так и деформационные свойства карналлитовых пород (рис. 2.15).
Исследование показали, что даже в пределах одного типа породы изменчивость свойств может быть также весьма значительна, что зависит от структурно - текстурных особенностей. Так, в каменной соли, как горной породе, выделяется четыре основных разновидности галита: зернистый галит, перистый (тёмный и светло-серый) галит, шпатовый галит. Данные разновидности существенно различаются по механическим свойствам. Предел прочности на сжатие изменяется от 26-30 МПа для темного перистого галита до 10-12 МПа для зернистого. В отдельных случаях галит может состоять из отдельных малосвязанных зерен - шламовидная соль. Такой материал легко крошится в руках и не имеет механической прочности. В работе [167] показано, что с прочностью образцов соляных пород уменьшается с увеличением размеров кристаллов, слагающих образец. Для каменной соли и сильвинита характерна разнозернистая структура, характеризуемая наличием в небольшом объеме породы (монолите, образце) кристаллов разных размеров (от долей до нескольких миллиметров). Карналлитовые породы характеризуются, преимущественно, крупнозернистой структурой. Для соляных пород влияние на механические свойства оказывает слоистость. Лабораторные исследования показали, что для однородных разновидностей соляных пород, имеющих массивную текстуру (без ярко выраженной слоистости), анизотропия механических свойств незначительна. При ультразвуковых исследования образцов (табл. 2.5) установлено, что коэффициент скоростной анизотропии каменной соли составляет 1,01 - 1,03, а для образцов сильвинита он достигает значений 1,06 - 1,14, что хорошо согласуется с результатами других исследователей [169, 159]. Коэффициент скоростной анизотропии карналлитовых пород значительно выше - 1,17 - 1,18. Механические испытания образцов карналлитовых пород (табл. 2.6) показали, что коэффициенты анизотропии свойств составляют: предел прочности на сжатие 1,18-1,23; модуль упругости изменяется от 1,07 до 1,29 и в среднем составляет 1,20; модуль деформации 1,51 - 1,56. Такие достаточно высокие коэффициенты анизотропии объясняются упорядоченной микротрещиновато-стью, характерной для карналлитовых пород [134]. Для слоистых разностей соляных пород анизотропия механических свойств существенно выше. Так, в работе [96] предел длительной прочности каменной соли и сильвинита, определенный перпендикулярно слоистости, в 1,2-1,5 раза выше, чем параллельно слоистости. По данным [169] для богатого сильвинита отношение модулей упругости вдоль и поперек слоистости равно 1,12.
Анализ результатов исследования физико-механических свойств пород по данным испытания керна поверхностных скважин (Половодовский, Боровский и Усть-Яйвинский участки ВКМКС) показал, что высокопрочным разностям соляных пород соответствует меньшая степень анизотропии свойств. Статистическая обработка результатов более 300 проб каменной соли позволила установить эмпирическую зависимость между коэффициентом анизотропии при сжатии (Ксжа = (Усж сж) и пределом прочности на сжатие перпендикулярно слоистости. Для диапазона изменения предела прочности на сжатие от 15 до 30 МПа она может быть аппроксимирована линейным уравнением: К =0,55 + 0,014 ocJ (2.7) с коэффициентом корреляции К = 0, 83. В процессе ультразвукового контроля степени неоднородности образцов для оценки анизотропии рекомендуется использовать коэффициент текстурной неоднородности (Кн), определяемый по отношению скоростей прохождения продольной волны перпендикулярно (V±) и параллельно (УЦ) слоистости: RH=VIWB. (2.8)Сопоставительные исследования показали, что между механическими свойствами {X) и коэффициентом текстурной неоднородности (У) существуют достаточно тесные корреляционные связи. В первом приближении (в исследуемом диапазоне условий) они могут быть описаны линейными уравнениями вида: Х=А +BY (табл. 2.7). Соляной массив представляет собой слоистую среду (переслаивание тонких прослоев галогенидов, а также межсолевой пластичной глины), где отдельные слои разделены между собой поверхностями раздела - контактами. Контакт может быть химически связанным (граница двух разных пород), плотным (заполненным глинистым материалом) или раскрытым (не имеющим механической прочности при растяжении). Толщина глинистых прослоев может изменяться в широких пределах (от десятков сантиметров до долей миллиметра). Изучение особенностей деформирования и разрушения разных типов коптактов проведено на образцах соляных пород с использованием одноплоскостного срезного прибора БВ-27 (ВНИМРГ) [113]. Для деформирования образца в горизонтальной плоскости (сдвиговое усилие) установлен электрический привод с тиристорным управлением, позволяющий плавно изменять скорость перемещения толкателя в 15 раз (с 2,9 -10 до 42 10" м/с). Для измерения сдви-4 говой нагрузки использован жесткий тензометрическии силоизмеритель [102], а для измерения деформаций применены тензоконвергорезисторы балочного типа. Непрерывная запись результатов испытаний велась с помощью двух самописцев типа Н- 307/1 в координатах «сдвиговое усилие — горизонтальное перемещение» и « вертикальное перемещение - горизонтальное перемещение». Измерение вертикального усилия осуществляется «мягким» динамометром ти-па ДОСМ-5, обеспечивая возможность перемещения сдвигаемых частей в вертикальной плоскости. Схема испытаний приведена на рис. 2.16.
Для испытаний изготовлялись образцы прямоугольной формы размерами 80 х 80 мм и высотой 40 мм, которые помещались в две цилиндрические мат- рицы и закреплялись в них с помощью песчано-цементного раствора. В процессе испытания образцы нагружались фиксированной нормальной нагрузкой, а сдвигающей нагрузкой образец доводился до разрушения. При расчетах деформационных характеристик при сдвиге ширина зоны деформирования принималась равной 5,0 мм. # Основные определяемые параметры: тр - пиковая (срезающая) прочность, МПа; Up - горизонтальное перемещение, соответствующее пиковой прочности, мм; х - остаточная прочность, МПа; U - горизонтальное перемещение, соответствующее остаточной прочности, мм; Gs - сдвиговая жесткость восходящей ветви диаграммы, ГПа; GM - сдвиговая жесткость разупрочнения (запредельной ветви диаграммы), ГПа.
Методика определения напряжений по измерениям деформаций на большой базе
Для интегральной оценки напряженного состояния горного массива в ИГД УрО РАН [226, 60, 63] предложено использовать метод измерения напряжений частичной разгрузки пород на большой базе. В качестве объекта, возмущающего поле напряжений ненарушенного массива, может быть использовано выработанное пространство (очистная камера, подготовительная выработка) или провал на поверхности, образованный горными работами. По измеренным смещениям приконтурного массива рассчитывается величина напряжений ненарушенного массива. На калийных рудниках проходка выработок осуществляется комбайновым способом без существенного разрушения приконтурного массива. В этих условиях для оценки напряженного состояния соляного массива можно использовать идею метода разгрузки, где в качестве разгрузочной скважины используется одиночная выработка. Измеряя деформации стенок выработки вслед за проходом комбайна, можно определить напряжения нетронутого массива (по аналогии с разгрузкой по схеме Хаста). Авторы работы [48] признают этот способ наиболее перспективным для измерения напряжений в соляных породах. Он удовлетворяет требованиям эксперимента по выбору адекватной базы измерения упругого восстановления соляных пород. Необходимо отметить ряд факторов, способствующих использованию данного метода: при существующих на ВКМКС глубинах ведения горных работ разрушение приконтурного слоя пород незначительно, форма выработок близкая к круговой снижает неоднородность распределения напряжений по контуру, высокие же скорости перемещения комбайна (до 20 м/час) уменьшают влияние реологических процессов. Это позволяет использовать аппарат теории упругости при расчетах напряжений в окрестности выработки.
При проведении натурных измерений осуществляется следующий порядок ь работ. В забое одиночной подготовительной выработки (вне зоны влияния очистных работ) закладываются три пары контурных реперов, позволяющие измерять перемещения в двух взаимно-перпендикулярных направлениях и под углом 45. Для установки реперов проходческий комбайн отгоняется от груди забоя на расстояние 10-15 м, после чего (в непосредственной близости от забоя) бурятся шпуры диаметром 43 мм, в которые устанавливаются контурные репера. Для обеспечения их сохранности при проходе комбайна репера заглубляются в массив. С целью исключения ошибок измерения расстояний между реперами повторяются три раза. После измерения начальных расстояний между реперами осуществляется проходка выработки на расстояние 10-15 м,и произ-Щ водятся повторные измерения (рис. 3.7), Конвергенция стенок выработки, вызванная перераспределением напряжений от проходки выработки, используется в качестве исходной информации при расчетах напряжений. Методика расчета напряжений ненарушенного горными работами массива включает численное моделирование такого естественного напряженного софі стояния, которое обеспечивает расчетные приращения перемещений на контуре выработки, соответствующие результатам натурных измерений [36]. Методом конечных элементов решается задача о напряженно-деформированном состоянии, формирующемся в окрестности забоя выработки под действием естественного поля, заданного главными напряжениями crz, т = Яуа у а = А а?. За эффективное принимается такое поле напряжений, которое определяет решение, удовлетворяющее результатам натурных измерений смещений контура выработки. Расчетная схема численного моделирования показана на рис. 3,8. Напряженно-деформированное состояние массива в окрестности забоя выработки, протяженной в направлении оси X, является трехмерным. Доя его определения используются полуаналитический метод конечных элементов [92, 247] и метод геометрического погружения [259]. В обоих методах в плоскости ZYO производится дискретизация рассматриваемой области сеткой треугольных элементов, а в направлении оси X искомый вектор смещений раскладывается в ряд Фурье.
Формальное отличие этих методов заключается в способе решений алгебраической системы уравнений. В полуаналитическом методе конечных элементов неизвестные коэффициенты разложения узловых смещений {и} определяются из решения системы: М«} =01. (3.18) а в методе геометрического погружения неизвестный вектор узловых смещений находится с помощью итерационной процедуры на основе соотношений: где [К ]- глобальная матрица жесткости канонической области; [К ]- глобальная матрица жесткости дополнения; [К]-[К ] + [Kd]- глобальная матрица жесткости исходной области; {/} - вектор правых частей (вектор сил); н,м - вектор неизвестных; м} - вектор перемещений, определенный на /-1 итерации. В качестве нулевой итерации обычно принимается решение для канонической области. Процедура численной реализации проводится в два этапа: - на первом этапе решение производится полуаналитическим методом (в этом случае в разложении удерживается щ гармоник); - на втором этапе применяется метод геометрического погружения (число гармоник, удерживаемых в разложении, увеличивается (« «/)), гДе в качестве нулевой итерации используется вектор, вычисленный на предыдущем этапе по полуаналитической схеме метода конечных элементов. Определение напряженно-деформированного состояния в окрестности забоя выработки проводилось в соответствии с расчетной схемой, изображенной нарис. 3.8. В рамках теории упругости для задачи по определению напряженно-деформированного состояния пород в окрестности выработки справедлив принцип суперпозиции. Тогда расчетные перемещения контура выработки могут быть представлены в следующем виде: и{р} = itj. + U Я, + гі Ху, (3.20) где иГ - перемещения на контуре выработки, обусловленные действием гравитационных сил в отсутствии бокового отпора; и , и"- перемещения, обусловленные наличием боковой нагрузки, действующей, соответственно» только в направлении оси Хили Y. Последовательно решаются задачи со следующими граничными условиями в напряжениях: 1) o,d=? , о, = 0, oj=0, 2) ог=0, о- Л , о,0 = 0, (3.21) 3) 0 = 0,0 =0,0-1= . По результатам расчета строятся следующие зависимости: dW2 = W2(L) W2(0) = Az + BZ .Ау + CZ ЛХ; (3.22) dWy=Wy{L)-Wy(0) = Ay+By-Xy+Cy-Xx (3.23) где dWzt dWy - приращение сближения кровли и почвы выработки в точках экспериментальных замеров при подвиганий ее забоя; L — расстояние от забоя до реперов (длина проходки выработки); А, В, С - коэффициенты для различных измерительных сечений. Для получения полного тензора напряжений необходимо производить частичную разгрузку в двух взаимно - перпендикулярных выработках. Для оценки достоверности результатов определения напряжений были проведены сопоставительные измерения на руднике СКРУ-3 предлагаемым методом, методом гидроразрыва скважин, а также методом щелевой разгрузкой [19, 23] (табл. 3.2). Анализ результатов определения напряжений в нетронутом массиве, выполненных различными методами, позволяют утверждать, что все три метода измерения напряжений оказались работоспособными в условиях соляных пород. Сопоставление результатов, показывает, что наибольший разброс значений получен при измерении методом гидроразрыва скважин. Это объясняется не совсем удачным выбором экспериментального участка (часть измерений выполнялась в зоне влияния соседней выработки). Измерения напряжений методом щелевой разгрузки на контуре выработки дают заниженные (на 25-30 %) результаты и достаточно большой разброс значений, достигающий 50 % от средних результатов, что обусловлено естественным разнообразием условий при точечных измерениях. Для уменьшения разброса необходимо более тщательно выбирать участки измерений и увеличивать число частных измерений.
Оценка жесткости вмещающих пород
Важным фактором, определяющим возможность реализации динамического разрушения целиков, является жесткость вмещающих выработанное пространство пород, которая зависит от особенностей геологического строения массива и параметров системы разработки. Оценка локальной жесткости вмещающих пород производилась методом конечных элементов. Моделировалась выемка трех сильвинитовых пластов применительно к условиям II СВП рудника СКРУ-2. Геологический разрез (табл. 5.6) взят по данным скважины №140. Схема расчета жесткости вмещающих пород показана на рис. 5.16. Параметры системы разработки следующие: пласт В - ширина камеры 13 м, ширина целика 14 м, вынимаемая мощность 5,2 м; пласт АБ — ширина камеры 13 м, ширина целика 14 м, вынимаемая мощность 3,9 м; пласт КрИ — ширина камеры 16 м, ширина целика 11 м, вынимаемая мощность 7,0 м. Средние мощности междупластий: Б-В - 5,0 м; КрП-А - 8,6 Таким образом, задача численной оценки локальной жесткости вмещающих пород сводится к расчету приращения смещений Ди. Локальная жесткость пород в кровле пласта В вычислялась для базового варианта трехпластовой выемки (рис. 5.16), а также при последовательном удалении междупластья Б-В и КрП-А. Результаты расчетов показали (рис. 5.17), что ее величина не зависит от вынимаемой мощности и числа отработанных пластов. Для конкретных параметров камерной системы разработки (ширина камер и целиков) локальная жесткость полностью определяется упругими свойствами элементов, слагающих соляной массив. При многопластовой выемке сильвинитовых пластов в кровле верхнего отрабатываемого пласта залегают относительно маломощные пласты каменной соли (до 5-6 м) и достаточно мощные - карналлита (до 20 м). Как показали исследования (2.6), каменная соль является более жесткой породой по отношению к карналлиту. В этой связи выполнен анализ влияния различных лито логических разностей, развитых в разрезе соляной толщи, на величину локальной жесткости вмещающих пород. На рис. 5.18 показаны три характерные прямые разгрузки кровли пласта В, построенные при различных упругих свойствах карналлита, сильвинита и каменной соли. Прямая 1 соответ- ствует следующим модулям упругости: карналлит - 0,5 ГПа; сильвинит - 0,8 ГПа; каменная соль - 1,0ГПа. В этом случае локальная жесткость составляет 27,0 МПа/м. При увеличении модуля упругости всех соляных пород в 10 раз (прямая 2) локальная жесткость возрастает более чем 4 раза и достигает 115,4 МПа/м. Если при этом на порядок уменьшить упругие свойства карналлитовых ф пластов Г, Д и Е (прямая 3), то имеет место резкое снижение локальной жест- кости до 36,5 МПа/м. Представляет интерес оценка влияния мощности карналлитовых пластов на величину локальной жесткости. Результаты этих вычислительных экспериментов (рис. 5.19) показывают, что увеличение модуля упругости карналлита пластов Г, Д и Е на порядок обуславливает более чем трехкратное повышение локальной жесткости. В то же время изменение суммарной мощности этих пластов с 25 до 55 метров весьма незначительно влияет на данный показатель. Его вариация не превышает 15 МПа/м.
Таким образом, можно констатировать, что опасность динамического разрушения целиков в основном будет определяться упругими свойствами мощных пластов карналлита Г, Д и Е, залегающих в нижней части сильвинито- кар-наллитовой зоны. Это связано с тем, что их наличие уменьшает эффективную локальную жесткость вмещающих пород. Как следует из расчетов, чем меньше модуль упругости карналлитов, тем ниже жесткость вмещающих пород и, соответственно, выше потенциальная опасность динамического разрушения целиков. Анализ гистограммы распределения модуля упругости карналлитовых пород показал, что вероятность значений модуля упругости карналлитовых пород меньше 1 ГПа составляет 5%, меньше 2 ГПа - более 25%, а меньше 3 ГПа - около 65%. Эти цифры, наряду с другими факторами, свидетельствуют о возможности реализации хрупкого разрушения между камерных целиков. Исследование влияния жесткости нагружающей системы на характер разрушения соляных целиков При определении критериев динамического разрушения между камерных целиков удобно вместо показателя локальной жесткости вмещающих пород использовать модуль их упругой разгрузки, равный E„=N„.(m/2), (5.7) где т- высота междукамерного целика. В этом случае условие (5.7-5.8) можно представить в виде: Рп Рт; М Е„, (5.8) где М- модуль спада (разупрочнения) целика. Для оценки критической величины модуля разгрузки вмещающих пород, при которой существует опасность динамического разрушения целиков, проводилась серия лабораторных экспериментов по разрушению соляных образцов различной высоты при изменении жесткости нагрузочной системы. Испытыва-лись три партии призматических образцов сильвинита с отношением высоты (h) к ширине (d = 35 мм), равным соответственно 2,8; 1,5 и 1,1. Образцы первой партии соответствовали междукамерному целику, который может сформироваться при обрушении потолочин в условиях трехпластовой отработки, второй и третьей — двухпластовой. Нагрузочное устройство, устанавливаемое на гидравлический пресс (рис. 5.20), состояло из жесткого основания (2), на котором укреплены две стальные стойки - опоры (3). На стойки укладывался пакет, состоящий из упругих пластин (4). Сверху к пластинам крепилась опорная пята (6), на которую устанавливался испытываемый образец (7). Жесткость устройства изменялась за счет изменения числа пластин и расстояния между опорами.
Для измерения деформаций образца использовались тензоконвергорези-сторы балочного типа. Регистрация результатов испытаний в координатах " P — U" (усилие - перемещение) в реальном масштабе времени осуществлялась на персональном компьютере с помощью многоканальной измерительной системы (частота опроса 4679 Гц), что позволяло отслеживать все режимы деформирования образца во времени, в том числе и переход на стадию динамического разрушения. Жесткость нагрузочного устройства вычислялась, как N„ = P/Ah, где Р- нагрузка на пружину, А/г - соответствующий ей прогиб. Изменение расстояния между опорами позволяет варьировать ее жесткость в диапазоне 5-106-г20(Ы06Н/м. По жесткости балочного пружинного устройства рассчитывался аналог модуля упругой разгрузки вмещающих пород Ер = Nр -(h/2). Изменяя в процессе испытаний жесткость пружины, для каждой партии образцов определяли условия перехода от динамического к квазистатическому разрушению. Всего было испытано 54 образца сильвинита. Каждая экспериментальная точка при варьировании отношения h/d и жесткости нагружения включала испытание трех - четырех образцов. Прежде чем перейти к анализу результатов испытаний, прокомментируем используемые термины: - «динамический режим разрушения» характеризуется резким снижением (сбросом) нагрузки при переходе через максимум (скорость падения нагрузки не менее 1,0 кН/с), с выделением большого количества энергии, проявляющимся в «мгновенном» разрушении всего объема образца, разлете осколков и звуковыми эффектами;
