Содержание к диссертации
Введение
I. Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1. Общая характеристика горно-геологических и горнотехнических условий разработки месторождения 9
1.2. Основные особенности геомеханического обеспечения безопасности горных работ 20
1.3. Оценка изученности физико-механических свойств соляных пород 26
1.4. Анализ факторов, определяющих изменчивость физико-механических свойств соляных пород 29
1.5. Цели и задачи 38
II. Взаимосвязь прочностных свойств соляных пород с условиями их залегания и химическимсоставом 40
2.1. Постановка исследований 40
2.2. Поиск и анализ корреляционных связей между прочностью соляных пород и условиями залегания их залегания и химическим составом 43
2.3. Построение статистических зависимостей 46
2.4. Анализ достоверности зависимостей 48
2.5. Построение прогнозных карт распределения предела прочности по площадям шахтных полей рудников ОАО «Сильвинит» 53
2.6. Выводы по главе 63
III. Обоснование системы механического опробования рабочих пластов 65
3.1. Постановка задачи 65
3.2. Формирование расчетных массивов, необходимых для оптимизации сетки механического опробования 66
3.3. Анализ расчетных массивов 69
3.4. Определение и оценка минимального объема механического опробования рабочих пластов 75
3.4.1. Пласт КрИ 75
3.4.2. Пласт АБ 83
3.5. Методика механического опробования рабочих пластов ВКМС 88
3.6. Выводы по главе 92
IV. Изменчивость механических свойств соляных пород на участках осложнений геологического строения 94
4.1. Постановка задачи 94
4.2. Степень изменчивости соляных пород вблизи зон замещения 95
4.3. Изменение свойств соляных пород вблизи открытых трещин 105
4.4. Влияние системы открытых трещин 114
4.5. Влияние рифовых образований и глубинных разрывных нарушений на механические свойства соленосной толщи 120
4.6. Выводы по главе 130
Заключение 132
Список литературы 134
Приложения 143
- Основные особенности геомеханического обеспечения безопасности горных работ
- Поиск и анализ корреляционных связей между прочностью соляных пород и условиями залегания их залегания и химическим составом
- Определение и оценка минимального объема механического опробования рабочих пластов
- Изменение свойств соляных пород вблизи открытых трещин
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Для защиты калийных рудников Верхнекамского месторождения солей (ВКМС) от затопления применяется камерная система разработки, обеспечивающая сохранение сплошности водозащитной толщи, которая отделяет отрабатываемые пласты от вышележащих водоносных горизонтов. Расчет параметров камерной системы разработки для участков шахтных полей должен основываться на достоверных результатах механических испытаний соляных пород. При освоении новых перспективных участков месторождения требуется обоснование проектных параметров отработки, что, в свою очередь, связано с необходимостью прогнозных оценок механических свойств продуктивных пластов.
Соляные породы характеризуются значительной вариацией минерального состава, разнозернистой структурой, слоистостью, наличием естественной микро- и макро нарушенности. Неоднородность состава и строения соляных пород обуславливает существенное различие их поведения под нагрузкой и значительный разброс механических показателей.
Схема механического опробования, применяемая в настоящее время на рудниках ВКМС, не обеспечивает получение достоверной информации об изменчивости механических свойств соляных пород, как по площади выемочных участков, так и по мощности продуктивных пластов. Кроме того, отсутствует обоснованная система прогноза механических свойств соляных пород на участках, планируемых к освоению. Для таких оценок, как правило, используются средние для всего месторождения механические показатели.
Таким образом, исследование механических свойств соляных пород Верхнекамского месторождения, установление их зависимости от вариации состава и условий залегания представляет актуальную задачу геомеханики, а разработка на основе ее решения обоснованных методик опробования и прогноза имеет важное значение для обеспечения безопасности горных работ и защиты калийных рудников от затопления.
Цель работы – обоснование схемы опробования и методов прогнозирования, обеспечивающих достоверные оценки изменчивости механических свойств соляных пород.
Основная идея работы – установление методами математической статистики зависимости механических свойств соляных пород от вариации состава и условий залегания.
Задачи исследований:
- сформировать базу данных по результатам исследования механических свойств и химического состава пластов продуктивной толщи;
- выявить возможные корреляционные связи между механическими свойствами соляных пород, условиями их залегания и элементами химического состава;
- на основе определения доминирующих факторов разработать статистические модели, позволяющие прогнозировать прочностные свойства соляных пород;
- построить прогнозные карты распределения прочностных свойств по шахтным полям рудников ОАО «Сильвинит»;
- методами статистического анализа площадной изменчивости прочности соляных пород оптимизировать шаг механического опробования основных рабочих пластов;
- изучить изменчивость механических свойств соляных пород на участках осложнений геологического строения.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Количественная зависимость средневзвешенного предела прочности основных рабочих сильвинитовых пластов АБ и KpII от условий их залегания и химического состава, выраженная в уменьшении прочности с ростом абсолютных отметок кровли, содержания нерастворимого остатка и ее увеличении с повышением содержания сульфата кальция.
2. Обоснование оптимальной сети механического опробования рабочих пластов, обеспечивающей достоверные оценки изменчивости прочностных показателей с допустимой 10 % вариацией.
3. Соляные породы в окрестности зон замещения продуктивных пластов характеризуются снижением предела прочности при сжатии и разрушающей деформации, а в зонах развития открытых трещин – увеличением жесткости и уменьшением прочности при растяжении.
Научная новизна:
1. На основе корреляционного анализа определены факторы, значимо влияющие на прочность соляных пород рабочих пластов KpII и АБ сильвинитового состава.
2. Построены статистические модели, позволяющие оценить величину средневзвешенного предела прочности соляных пород в зависимости от условий залегания и химического состава.
3. Обоснована схема минимального объема опробования сильвинитовых пластов KpII и АБ, обеспечивающая достоверную оценку их средневзвешенного предела прочности на одноосное сжатие.
4. Экспериментально установлено, что в соляной толще, залегающей над рифогенными структурами, отмечается снижение прочности и увеличение деформативности пород, приуроченных к склоновой части рифов, и проявление пластичности в верхних интервалах разреза над его сводовой частью.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом материалов для статистических исследований, строгой постановкой теоретических задач, корректным применением аппарата математической статистики, удовлетворительной сходимостью расчетных и фактических значений исследуемых механических параметров.
Практическая ценность работы:
1. Разработана методика прогнозирования механических свойств, позволяющая оценить прочностные параметры соляных пород на изучаемых и отрабатываемых участках месторождения при отсутствии результатов прямого механического опробования.
2. Предложена методика механического опробования рабочих пластов KpII и АБ, обеспечивающая достоверные оценки распределения прочностных свойств по площадям шахтных полей и мощности продуктивных пластов.
Реализация результатов работы. Методика механического опробования используется на рудниках ОАО «Сильвинит» и ОАО «Уралкалий» при определении механических свойств рабочих пластов. Методика прогнозирования механических свойств применяется при проектировании горных работ на рудниках ОАО «Сильвинит».
Апробация результатов диссертационной работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 1999, 2001, 2004, 2006, 2007, 2008), международных конференциях Geotechnika w budownictwie I gornictwiew (Wroclaw, 2003) и «Напряженное состояние породного массива и наведенная геодинамика недр (Бишкек, 2006), научном симпозиуме «Неделя горняка - 2005» (Москва, 2005) и региональной научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2006, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 233 страницы, включая 133 рисунка, 71 таблицу, 4 приложения, список использованной литературы из 82 наименований.
Автор выражает глубокую признательность сотрудникам Горного института: В.А. Асанову, В.Н. Токсарову, И.Л. Панькову, Л.Н. Шатовой, А.С. Лошкареву, А.В. Евсееву, А.П. Лепихину, И.И. Чайковскому, Б.М. Голубеву, О.В. Иванову, С.В. Некрасову за внимание к проводимым исследованиям и оказанную помощь в процессе работы над диссертацией. При сборе материалов автору была оказана поддержка сотрудниками геологических служб рудников СКПРУ-1, СКПРУ-2 и СКПРУ-3 ОАО «Сильвинит», за что автор выражает им искреннюю благодарность.
Основные особенности геомеханического обеспечения безопасности горных работ
Задачи геомеханического обеспечения определяются, в первую очередь, сложным геологическим строением месторождения и необходимостью сохранения целостности ВЗТ при ведении подземных горных работ, потому что в случае нарушения сплошности ВЗТ следует неизбежное затопление калийного рудника водами надсолевого горизонта. Основными направлениями геомеханического обеспечения на рудниках Верхней Камы являются: определение условий безопасной подработки ВЗТ, выбор мер защиты рудников от затопления, расчет параметров сдвижения земной поверхности и выбор мер охраны зданий, сооружений и природных объектов. Необходимо отметить, что указанные направления взаимосвязаны. Согласно [54] критерием безопасной подработки ВЗТ является условие, в соответствии с которым, суммарная мощность отдельных ненарушенных слоев каменной соли больше или равна их минимально допустимой суммарной мощности: где Ms - суммарная мощность слоев каменной соли, в которых при деформировании толщи пород не возникают техногенные субвертикальные трещины; [М] - минимально допустимая суммарная мощность ненарушенных слоев каменной соли ВЗТ.
Проверка условий безопасной подработки ВЗТ выполняется на границах остановки очистных работ и на границах выработанного пространства с различными параметрами [54]. Параметры системы разработки должны обеспечивать выполнение условия, ограничивающего величину максимального прогиба слоев ВЗТ [54]: где Vn— расчетное значение максимального прогиба слоев водозащитной толщи, соответствующее принятым параметрам отработки пластов; \У,п\ - величина допустимого прогиба слоев ВЗТ в рассматриваемых горно-геологических условиях, удовлетворяющая критерию (1.1). Защита рудников от затопления, в соответствии с действующими нормативными документами, осуществляется поддержанием налегающей толщи пород (исключающим нарушение допустимых условий подработки) и охраной участков ВЗТ, содержащих тектонические трещины, ослабленные зоны и геологоразведочные скважины, путем оставления охранных и предохранительных целиков. Выбор мер защиты рудника от затопления предусматривает определение параметров системы разработки калийных пластов, исключающих проникновение надсолевых вод в горные выработки, необходимых размеров предохранительных целиков, оценку необходимости применения дополнительных горнотехнических мер охраны и сроков их реализации. Отработка рабочих пластов приводит к сдвижению земной поверхности, которые характеризуются процессами сдвижения, изменяющимися во време ни. При отработке горизонтально залегающих пластов (с углом падения ап=0±0 ) сдвижение земной поверхности при условии полной подработки сопровождается образованием мульды сдвижения. Пара метры мульды сдвижения земной поверхности зависят от: размеров вырабо танного пространства; глубины разрабатываемых пластов; параметров сис темы разработки; продолжительности процесса сдвижения; степени заполне ния выработанного пространства закладкой; физико-механических свойств пород и закладочного материала.
Выбор мер охраны поверхностных объек тов основан на определении величин деформаций земной поверхности и сравнении их с допустимыми значениями [54]. Практически во всех направлениях геомеханического обеспечения центральное место занимают параметры камерной системы разработки, так как именно при помощи этих параметров осуществляется, прежде всего, управление горным давлением. В конечном итоге, при разведанных горногеологических условиях и определенных геомеханических параметрах ВЗТ все мероприятия по защите ВЗТ, рудников, зданий и сооружений поверхности будут базироваться, прежде всего, на расчете камер и целиков, потому что состояние именно этих основных элементов системы разработки будет определять процессы деформирования, происходящие во времени как в горном массиве, так и на поверхности. Необходимо также отметить, что указанные элементы взаимосвязаны. Так, например, при анализе аварии на СКРУ-2, произошедшей 05. 01.95 г., было установлено, что одной из причин является разрушение потолочин камер, которое привело к увеличению высоты междукамерных целиков при многопластовой схеме отработки и уменьшению их несущей способности, а это, в конечном итоге, вызвало разрушение МКЦ и массовое обрушение в подземных горных выработках на площади около 30 га. Согласно п. 1.14., Приложение 1 [54] устойчивый пролет кровли камер {вот) устанавливается на основе актов обследования очистных камер (на участках шахтного поля, горно-геологические условия которых аналогичны участкам, планируемым к отработке), утверждаемых техническим руководителем ОАО «Сильвинит», ОАО «Уралкалий». При отсутствии экспериментальных данных (подтвержденных актами обследования состояния очистных камер) при определении параметров отработки пластов используются расчетные значения устойчивых пролетов кровли камер в соответствии с данными таблицы 1.2, Приложение 1 [54]. Основными грузонесущими элементами камерной системы являются целики. Согласно п. 1.2.,
Приложение 1 [54] расчетная степень нагружения междукамерных целиков выражает отношение действующей нагрузки к его несущей способности и определяется по формуле: где - коэффициент, учитывающий изменение нагрузки на целики; у - объемный вес пород ,тс/м ; / - межосевое расстояние, м; Н0 - максимальное значение расстояния от земной поверхности до кровли целиков на рассматриваемом участке отработки, м; b - расчетная ширина междукамерных целиков, м; стп - расчетная прочность пород, тс/м2. Из формулы 1.1 следует, что в известных горно-геологических условиях при заданной степени нагружения целиков С, которая, как правило, лежит в диапазоне 0,3-0,4, расчетная ширина МКЦ будет определяться, прежде всего, механическими свойствами соляных пород, слагающих целик. Кроме того, из формулы 1.1 следует, что при проверочном расчете, когда известны горногеологические условия и параметры МКЦ, степень нагружения также, в первую очередь, будет определяться прочностью пород целика. Таким образом, механические свойства соляных пород являются важнейшей составляющей геомеханических расчетов. Влияние механических свойств соляных пород на основные характеристики системы разработки рассмотрим на примере расчета ширины жестких междукамерных ленточных целиков. Расчет произведем в три этапа. На первом этапе определим ширину целиков Ь при заданной степени нагружения С = 0,4 и средних значениях прочности соляных пород, слагающих эти целики (табл. 1.1, Приложение 1 [54]). На втором этапе рассчитаем ширину междукамерных целиков b при той же степени нагружения, но при максимально возможной прочности слагающих его пород, а затем - при минимальной (см. табл. 1.1). На третьем этапе рассмотрим, как изменяются степень нагружения целиков С, эксплуатационные потери по камерному блоку пэ и время сохранения устойчивого состояния междукамерных целиков 0 в зависимости от прочности пород, слагающих целики. Подробно расчет показан в Приложении 1. Результаты расчетов сведены в табл. 1.2. Из табл. 1.2 следует, что механические свойства соляных пород, слагающих целики, имеют двоякое влияние на параметры камерной системы разработки: с одной стороны они определяют устойчивость целиков, а с другой - уровень потерь.
Поиск и анализ корреляционных связей между прочностью соляных пород и условиями залегания их залегания и химическим составом
В результате первоначальной обработки исходного массива данных из дальнейшего анализа было исключено (с учетом скважин, оставленных для проверки искомых зависимостей), в среднем, около 25 % первичной информации (неполный разрез продуктивной толщи, зоны замещения и т. д.). Полученные после первоначальной обработки данные проверялись на соответствие нормальному закону распределения по критерию согласия Колмогорова. Для этого были построены интегральные функции распределения (ИФР) для экспериментальных значений и предполагаемого теоретического распределения (рис. 2.1-2.16, Приложение 2) по каждому параметру для каждого рассматриваемого пласта. Из полученных диаграмм выбирались наибольшие значения отклонения Ц между накопленными частотами исследуемой эмпирической ИФР и расчетными значениями теоретической ИФР, по которым рассчитывался параметр Л. Проверка проводилась по схеме, которая подробно изложена в I главе, поэтому здесь показаны только результаты расчетов, сведенные в табл. 2.1. Анализ табл. 2.1 показывает, что расчетное значение вероятности р{Х) существенно выше критического значения, равного 0,01 (колонка 5), поэтому распределение изучаемых параметров хорошо согласуется с нормальным законом. Исключение составляет содержание MgCh для пласта КрП (выделено жирным шрифтом), для которого расчетное значение вероятности р{Х) существенно ниже критического значения, поэтому для уменьшения асимметрии и эксцесса функции плотности вероятности необходимо произвести логарифмирование исходных значений данного параметра. Проверка преобразованных значений рассматриваемого параметра показала, что р(Л) = 0,040 0,010, следовательно, преобразованное распределение хорошо согласуется с нормальным законом (рис. 2.17,
Приложение 2). Поиск зависимостей между указанными параметрами производился по следующей схеме. Вначале для каждого пласта строилась корреляционная матрица (табл. 2.2). Затем, при выполнении корреляционного анализа проводилась проверка значимости полученных коэффициентов корреляции. Для этого по каждому коэффициенту корреляции между указанными выше параметрами, представленному в матрице, осуществлялась проверка гипотезы об отсутствии корреляционной связи, включающая построение критической области следующего вида [48]: где \г\ - абсолютное значение коэффициента корреляции; tq - значение q - процентных пределов для распределения Стьюдента в зависимости от Из табл. 2.3 видно, что не все искомые коэффициенты корреляции, представленные в табл. 2.2, удовлетворяют условию (2.1). Для пластов АБ и КрИ условию (2.1) не удовлетворяют коэффициенты корреляции (выделены жирным шрифтом) между средневзвешенной прочностью и следующими компонентами химического состава: KCl, NaCl и MgCh (LnfMgCh) для пласта КрИ). На этом основании перечисленные корреляционные связи были исключены из дальнейшего статистического анализа. Остальные (табл. 2.2, 2.3) коэффициенты корреляции, представляющие интерес, удовлетворяют условию (2.1). Следовательно, с вероятностью 95% можно утверждать, что корреляционные связи между значениями средневзвешенной прочности соляных пород, с одной стороны, и абсолютными отметками и мощностью пластов, а таюке средневзвешенным содержанием компонентов химического состава (Н.О. и CaS04), с другой стороны, действительно имеют место [48]. Обнаруженные зависимости между средневзвешенным пределом прочности и влияющими факторами, определенными при анализе табл. 2.3, представлены на рис. 2.18-2.25,
Приложение 2. В общем случае уравнение связи между средневзвешенной прочностью соляных пород и влияющими факторами в рамках линейной регрессионной модели имеет вид: где crpcpms - расчетное (прогнозное) значение средневзвешенного предела прочности по пласту, МПа; Ь0 - оценка свободного члена регрессии; bv, b2, b3, b4 — оценки неизвестных параметров; Z - абсолютная отметка кровли пласта в точке расчета, м; М - мощность пласта в точке расчета, м; И.О.- содержание нерастворимого остатка, %; CaS04 - содержание сульфата кальция, %. Для обработки всех данных был использован модуль «igfeg. m» программы «ШС .О». В результате расчета получены кор реляционные уравнения связи и статистические параметры, характеризующие ее тесноту и надежность полученных зависимостей. Численные значения коэффициентов bl, b2, b3, Ь4, приведены в табл. 2.4. Коэффициент множественной корреляции в данном случае представляет собой меру зависимости между средневзвешенным пределом прочности, элементами залегания пласта (абсолютная отметка и мощность) и средневзвешенными величинами содержания химических компонентов в пластах, выражая точность прогноза искомой переменной по линейному уравнению регрессии. У полученных регрессионных уравнений величина коэффициентов множественной корреляции для пластов АБ и КрП составляет не менее 0,6 (табл. 2.5). Значимость построенных регрессионных уравнений проверялась по F - критерию Фишера. Проверка показала, что рассматриваемые регрессии имеют достаточно большое расчетное значение F - критерия и уровень значимости р 0,05, следовательно, полученные регрессии значимы [8]. Приемлемые с точки зрения математической статистики характеристики полученных уравнений (табл. 2.5) позволяют использовать их для прогноза средневзвешенных значений прочности в пределах шахтных полей рудников, входящих в состав ОАО «Сильвинит», для двух рабочих пластов АБ и КрП сильвинитового состава.
Анализ достоверности полученных зависимостей основывался на сравнении расчетных значений средневзвешенной прочности, полученных в соответствии с построенными регрессионными уравнениями, с фактическими данными испытаний образцов геологоразведочных скважин. Стандартное отклонение (а) находится по формуле [52]: где сг ffle_ - прогнозное значение средневзвешенного предела прочности при сжатии, МПа; сгсжс - фактическое значение средневзвешенного предела прочности при сжатии, МПа; п - объем выборки (количество скважин). Коэффициент вариации определяется из выражения [61]: где ас - среднее значение средневзвешенной прочности соляных пород для соответствующего рудника, МПа. Результаты определения стандартного отклонения и коэффициента вариации по рудникам и пластам приведены в табл. 2.6.
Определение и оценка минимального объема механического опробования рабочих пластов
При расчете параметров системы разработки в качестве входного параметра используется значение средневзвешенного предела прочности при одноосном сжатии, которое определяется по результатам механических испытаний пород слоев, слагающих пласт КрИ. Вместе с тем, при бурении скважин или отборе монолитов не всегда удается получить материал из всех семи слоев, представленных в пласте КрП. Кроме того, имеет место частичная потеря кернового материала (от 5 % до 25 %) при механической обработке соляных пород. В связи с этим возникает вопрос о достоверности определения средневзвешенного предела прочности при отсутствии результатов испытаний по всему разрезу рабочих пластов. Средневзвешенный предел прочности по пласту определяется по формуле [52]: где (7, - предел прочности /-го слоя, МПа; mt- мощность і-то слоя, м; п - количество слоев (для пласта КрП п = 7, для АБ - п = 2). Для оценки достоверности его расчета выполнен статистический анализ результатов механического опробования скважин, имеющих полный разрез (семь слоев). На первом этапе анализа исходный массив данных проверялся на нормальность распределения (табл. 3.8, рис. 25-40, Приложение 3) по критерию согласия Колмогорова в соответствии со схемой, рассмотренной в I главе, п. 1.4. Из табл. 3.8 следует, что расчетное значение вероятности р{Х) существенно больше критического значения 0,01 для всех рассматриваемых рядов, следовательно, все рассмотренные распределения прочности и мощности, как по слоям, так и для скважин в целом (по 7 слоям) имеют высокую степень соответствия теоретическому нормальному закону.
В табл. 3.9 приведены показатели изменчивости величины предела прочности по каждому слою пласта КрП, средневзвешенного предела прочности по изучаемым скважинам, а также безразмерный коэффициент изменчивости Кип,,, равный отношению максимального значения прочности {атах МПа) к минимальному (с МПа) в пределах слоя или пласта. Коэффициент вариации Kv, показанный в табл. 3.9, рассчитывался по формуле: где J - среднее значение предела прочности / - итого слоя (/= 1... 7), подсчитанное по всем скважинам, имеющим полный разрез; ут - значение предела прочности, вычисленное как среднее средневзвешенных значений по всем скважинам, имеющим полный разрез, ап1 = 24,96 МПа (табл. 3.9). Результаты табл. 3.9 показывают, что средние значения предела прочности по слоям отличаются от средневзвешенного значения не более, чем на 10%. При этом, относительно статистически наиболее «слабыми» (меньше средневзвешенного предела прочности) являются слои №№ 1 ,2, 5, а наиболее «прочными» (больше средневзвешенного предела прочности) слои №№ З, 4, 6, 7. Следует также отметить существенную вариацию и изменчивость, как предела прочности слоев, так и средневзвешенной его величины для пласта КрП в целом: коэффициент вариации слоев составляет 14,80-22,64 %, коэффициента изменчивости - 2,17-3,87 (см. табл. 3.9). Все это свидетельствует, что показатель прочности не позволяет однозначно определить слои, испытание которых обеспечивает максимально достоверную оценку средневзвешенной величины предела прочности пласта КрП.
В дальнейший статистический анализ необходимо включить характеристики мощности слоев пласта КрП. Параметры ее распределения по данным испытания 71 скважины даны в табл. 3.10. Согласно представленным в табл. 3.10 результатам наибольшую мощность имеет слой № 1 (1,35 м), наименьшую - слои № 2, 4, 6 (0,34-0,38 м). Для слоев № 5 и 7 характерна средняя величина мощности 0,98-1,05 м. Следует отметить весьма существенную вариацшо, как мощности отдельных слоев, так и мощности пласта КрП в целом: коэффициент вариации слоев составляет 37,14-44,74%, коэффициент изменчивости - 5,07-9,70. Кроме того, коэффициент вариации мощности пласта КрП более чем в 2 раза превышает коэффициент вариации средневзвешенной прочности, т.е. для мощности характерна более высокая степень вариации по сравнению с прочностью. В табл. 3.11 приведены основные статистические параметры, необходимые для дальнейшего анализа. В соответствии с данными табл. 3.11 суммарная мощность «слабых» слоев № 1, 2, 5 (М=1,35+0,38+0,98=2,71 м) практически равна суммарной мощности «крепких» слоев № 3, 4, 6, 7 (М=0,85+0,37+0,34+1,05=2,61 м). Их отношение составляет 1,04. Следовательно, чтобы получить достоверное средневзвешенное значение прочности пласта КрП по неполному разрезу необходимо рассматривать варианты, в которых комбинация «слабых» и «крепких» слоев находится приблизительно в равном соотношении по мощности.
Изменение свойств соляных пород вблизи открытых трещин
Как уже отмечалось в первой главе, для пластов продуктивной толщи Верхнекамского месторождения солей характерны различные геологические аномалии, в том числе и самые разнообразные трещины, которые различаются по генезису, по отношению к слоистости пород и т.д. В соответствии с классификацией, предложенной А.И. Кудряшовым [28], все трещины, встречающиеся в соляной толще, делятся на две большие группы: открытые и залеченные. Наибольшее количество трещин обнаружено на шахтном поле рудника СКПРУ-3. Из всего многообразия обнаруженных открытых трещин будут рассмотрены наиболее крупные, так как при их вскрытии во время ведения подземных горных работ в соляном массиве могут возникнуть условия развития этих трещин на всю мощность ВЗТ с образованием сквозных водо-проводящих каналов. Механические свойства соляных пород в пределах зон развития крупных одиночных трещин на шахтном поле рудника СКПРУ-3 рассмотрим на примере двух участков. Первый участок включает трещину, обнаруженную в районе блоков №№ 9-10 панели № 8, второй - трещину, вскрытую в районе блоков №№ 1-2 панели № 8 (рис. 4.4). Трещина, расположенная в районе блоков №№ 9-10 панели № 8, имеет видимую длину 123 м, высоту - до 9 м. Раскрытие трещины составляет 7—10 мм, местами трещина становится нитевидно-сомкнутой.
В результате визуального обследования кровли разведочной выработки было сделано предварительное заключение о том, что данная трещина имеет тектоническую природу, и возникла вследствие правостороннего горизонтального сдвига ее юго-западного края относительно северо-восточного. Трещина, находящаяся в районе блоков №№ 1-2 панели № 8, имеет крутое падение, видимую длину 103 м, раскрытие - до 2-3 см. Изучение механических свойств соляных пород производилось на образцах, изготовленных из монолитов и кернового материала подземных разведочных скважин. Вблизи трещины, расположенной в районе блоков №№ 9-Ю (панель № 8), пробурено девять скважин, из которых три (Т-1/8, Т-2/8, Т-3/8) пройдены по трещине, а остальные находятся на расстоянии от 1,0-2,0 до 55 м (рис. 4.5). Вблизи трещины, вскрытой в районе блоков Ж№ 1-2 панели № 8, специально пробурены 3 разведочные скважины (Т-11/8, Т-12а/8, Т-13/8), отобрано 3 монолита. Для проведения эксперимента из кернового материала разведочных скважин и соляных монолитов были изготовлены образцы, которые до испытаний были подвергнуты ультразвуковому контролю, часть образцов была исследована способом оптической микроскопии. Перед испытанием проведено минерало-петрографическое описание всех образцов. Из каждого монолита были изготовлены образцы размерами 50х50 50 мм. Из керна разведочных скважин были изготовлены образцы цилиндрической формы с соот ношением высоты к диаметру (h/d), равным 1. Образцы испытывались на жестком электромеханическом прессе 1231 У-10 с записью полной диаграммы деформирования. Испытания образцов и обработка результатов проводились по стандартной методике. Результаты испытаний приведены в табл. 4.3, 4.4 и 4.7, Приложение 4. Средние значения параметров, характеризующие соляные породы в районе трещины, расположенной в блоках №№ 9-10 (панель № 8), представлены в табл. 4.5. механических параметров практически не отличаются от средних по шахтному полю, за исключением четырех показателей: упругой деформации, модуля упругости, модуля спада и предела прочности на растяжение.
Среднее уменьшение (по двум пластам) составляет: упругой деформации - на 29,5 %, модуля упругости - на 22 %, модуля спада - на 25 %, предела прочности на растяжение - на 15,5 0%. Вблизи трещины (2,0 м) по сравнению с фоновыми значениями наблюдается устойчивый рост предела прочности (в среднем на 18 %), касательного модуля - на 43% (по пласту В-Г) при одновременном снижении предела прочности при растяжении (в среднем на 13 %). На расстоянии 14 м от трещины для соляных пород (по пласту В-Г) также характерны по сравнению с фоновыми значениями существенный рост прочности (оу на 25 % и осж на 32 %) и модулей деформации (Dy на 37 % и Dnp — на 12 %) при одновременно значительном снижении предела прочности при растяжении (до 69 %) и модуля спада (до 21 %). На расстоянии 55 м от трещины наблюдается (по пласту В-Г) значительное увеличение по сравнению с фоновыми значениями прочности ((Ту и (Тсж — на 29 %), рост упругой (на 48 %) и разрушающей деформации (на 13 %) и предела прочности при растяжении (до 22 %) с одновременным снижением модуля упругости (до 35 %) и модуля спада (до 21 %). Подводя итог, можно отметить: вблизи трещины наблюдается зона пониженных значений прочностных и деформационных показателей, что, очевидно, вызвано разрушением пород, по которым прошла трещина.
Это подтверждается результатами оптической микроскопии. В соляных породах вблизи трещины наблюдается большая концентрация (до 20 деф./см3) мелких полостей размером до 1 мм. Более крупные каверны встречаются редко (до 1-6 деф./см3). Кроме того, на хрупких разновидностях соляных пород в районе трещины обнаружены зоны повышенной микронарушенности (до 80-100 мм-1). С удалением от трещины (от 2 м до 14 м) прослеживается тенденция к росту прочности и уменьшению деформации, предела прочности при растяжении.
