Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Горно-геологические и горнотехнические особенности отработки калийных и угольных месторождений 16
1.1. Краткая горно-геологическая характеристика Старобинского месторождения калийных солей 16
1.2. Особенности и основные требования к системам разработки калийных пластов, пути совершенствования технологии и механизации горных работ 27
1.3. Охрана и поддержание подготовительных выработок, опыт и пути совершенствования 30
1.3.1. Камерная система разработки с поддержанием кровли на жестких целиках 35
1.3.2. Камерная система разработки с управлением кровлей на податливых целиках 36
1.3.3. Охрана подготовительных выработок при столбовой системе разработки 37
1.4. Цель и задачи исследований 54
Выводы по главе 54
Глава 2. Методика натурных исследований 56
2.1. Выбор и обоснование методов экспериментальных исследований 56
2.2. Методика оценки устойчивости контура подготовительных выработок 57
2.3. Методика измерения напряжений в массиве горных пород... 60
2.3.1. Измерение напряжений в массиве горных пород методом полной разгрузки 60
2.3.2. Метод разности давлений 62
2.3.3. Метод компенсационной нагрузки 62
2.3.4. Измерение напряжений с помощью ультразвукового метода.. 62
2.4. Методика исследований проявлений горного давления в забоях лав 68
2.4.1. Методика оценки нагруженности забойной крепи 69
2.4.2. Методика оценки устойчивости незакрепленной полосы кровли в забое лавы 70
Выводы по главе 74
Глава 3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований проявлений горного давления по контуру выемочного столба при отработке второго и третьего калийных пластов 75
3.1. Краткий обзор существующих методов расчета основных параметров опорного давления 75
3.2. Исследования геологического строения кровли Третьего калийного пласта на обрушаемость 90
3.3. Шахтные исследования параметров опорного давления по контуру выемочного столба 104
3.3.1. Исследование протяженности и ширины зоны временного и остаточного опорного давления 104
3.3.2. Исследование характера восстановления нагрузки на почву лавы после выемки верхнего слоя 115
3.4. Исследование характера обрушения (зависания) пород кровли позади очистного забоя при слоевой выемке Третьего калийного пласта 123
3.5. Измерение характера распределения напряжений в краевой части пласта ультразвуковым методом 132
3.6. Теоретическое обобщение и расчет параметров опорного давления 134
Выводы по главе 146
Глава 4. Охрана и поддержание подготовительных выработок при столбовой системе разработки калий ных пластов на глубине свыше 750 м 147
4.1. Исследование устойчивости подготовительных выработок вне зоны влияния очистных работ 147
4.2. Исследование способов проходки и поддержания выработок, пройденных выше IV сильвинитового слоя 157
4.3. Исследование устойчивости и разработка способов охраны и поддержания подготовительных выработок шириной свыше 3,0 м 161
4.4. Расчет устойчивости подготовительных выработок в зоне очистных работ 171
4.5. Устойчивость подготовительных выработок вышерасположенных горизонтов при их подработке лавами 175
4.5.1. Результаты натурных исследований устойчивости подготови тельных выработок при их подработке 175
Выводы по главе 182
Глава 5. Обоснование параметров механизированных крепей при слоевой выемке второго и третьего калийных пластов 183
5.1. Опыт отработки Старобинского месторождения столбовыми системами разработки 183
5.2. Проявления горного давления при отработке пластов длинными очистными забоями 189
5.2.1. Экспериментальные исследования проявлений горного давления в забоях лав при отработке Второго калийного пласта 191
5.2.2. Экспериментальные исследования проявлений горного давления в забоях лав при отработке Третьего калийного пласта 198
5.2.2.1. Исследование несущей способности крепи в нижних лавах 202
5.2.2.2. Исследование параметров установки крепи на интенсивность опускания кровли в очистном забое 214
Выводы по главе 232
Глава 6. Разработка мероприятий по снижению вредного влияния опорного давления и труднообрушающихся пород кровли на устойчивость очистных и подготовительных выработок при разработке калийных пластов длинными очистными забоями с полным обрушением кровли (для действующих и вновь разрабатываемых технологических схем) 233
6.1. Разработка новых технологических схем селективной выемки калийных пластов 233
6.1.1. Технологическая схема выемки Второго калийного пласта на полную мощность 235
6.1.2. Слоевая выемка Третьего пласта с опережающей отработкой IV сильвинитового слоя 237
6.2. Разработка способов и схем снижения динамических проявлений горного давления для действующей техноло гии слоевой выемки 237
6.2.1. Разупрочнение пород кровли с помощью БВР 241
6.2.1.1 .Разупрочнение пород кровли из специальной выработки.. 244
6.2.1.2.Разупрочнение пород кровли из вентиляционного штрека нижней лавы 244
6.2.1.3.Разупрочнение пород кровли со стороны конвейерного штрека нижней лавы 247
6.2.2. Создание зон «смягчения» по контуру выемочного столба 247
6.2.2.1 .Общие положения при создании зон «смягчения» 249
6.2.2.2.Параметры зон «смягчения» 250
6.2.2.3.Типовые схемы создания зон «смягчения» 250
6.3. Рекомендации по охране и поддержанию выработок на глубинах свыше 750 м 252
6.3.1. Охрана и поддержание главных выработок 255
6.3.2. Охрана и поддержание панельных выработок 257
6.3.3. Охрана и поддержание подготовительных выработок лавы 258
Выводы по главе 259
Заключение 261
Список использованных источников 263
Приложения 281
- Особенности и основные требования к системам разработки калийных пластов, пути совершенствования технологии и механизации горных работ
- Методика оценки устойчивости контура подготовительных выработок
- Исследования геологического строения кровли Третьего калийного пласта на обрушаемость
- Исследование устойчивости и разработка способов охраны и поддержания подготовительных выработок шириной свыше 3,0 м
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Главной особенностью месторождений калийных солей, определяющей способ их разработки, является чрезвычайно хорошая растворимость в воде. Эта особенность выдвигает основное требование к безопасным условиям их разработки — отсутствие водопритока в выработки. По этой причине при отработке калийных и соляных месторождений в мире, в основном, применяется камерная система разработки. Параметры системы определялись не только горно-геологическими условиями, но и видами добычного оборудования. По способу поддержания кровли камерная система разработки делится на камерную систему с жесткими целиками и камерную систему с податливыми целиками.
С 1971 года на Старобинском месторождении начала внедряться столбовая система разработки с полным обрушением кровли, которая, по сравнению с камерной системой разработки, существенно повысила качество добываемой руды и извлечение запасов минерального сырья из недр.
Отработка калийных и угольных пластов столбовыми системами разработки с полным обрушением кровли характеризуется не только высокими технико-экономическими показателями, но и наличием негативных моментов, связанных с динамическими проявлениями горного давления на призабойное пространство лав и забойную крепь, а также потерей устойчивости горных выработок на глубоких горизонтах.
При переходе на глубины разработки свыше 750 м в большей степени проявляются реологические свойства соляных пород, увеличивается содержание слабых глинисто-карналлитовых пород, что приводит к снижению устойчивости горных выработок. Ранее выполненные исследования, проведенные на меньших глубинах, не позволяют обоснованно выбрать технологию добычи калийной руды, параметров крепления очистного забоя и подготовительных выработок, при обеспечении безопасности работ и минимальных потерь полезного ископаемого в недрах.
Исследованиям проявлений горного давления и проблемам безопасной отработки пластовых месторождений посвящены работы Ардашева К.А., Аксенова В.К., Асанова В.А., Борисова А.А., Булычева Н.С., Воробьева А.Н., Воскобоева Ф.Н, Гмошинского В.Г., Глушко В.Г., Диманштейна А.С., Джигрина А.В, Динника А.Н, Журавкова М.А., Зубова В.П., Зборщика М.П., Зеленкина В.Н., Каткова Г.А., Кузнецова Г.Н., Карташова Ю.М., Кур-лени М.В., Николаева Ю.Н., Орлова А.А., Пермякова Р.С., Проскурякова Н.М., Петухова И.М., Петровского Б.И., Сорокина В.А., Смычника А.Д. и других ученых.
Несмотря на большой объем выполненных исследований и работ, посвященных проблемам горного давления они не могут решить некоторые вопросы отработки Старобинского месторождения калийных солей, в
частности, проблемы динамических осадок кровли и охраны подготовительных выработок на глубинах разработки свыше 750 метров. Проблема усугубляется еще и тем, что на некоторых участках месторождения встречаются труднообрушающиеся породы не только в основной кровле, но и в непосредственной. При переходе на большие глубины резко проявляются свойства соляных пород, выражающиеся в их ползучести, и, как следствие, снижении устойчивости капитальных и подготовительных выработок. Переход на глубины разработки свыше 750 метров сопровождается также увеличением содержания слабых глинистых и глинисто-карналлитовых пород выше IV сильвинитового слоя, а также отсутствием V и VI сильвинитовых слоев, которые на меньших глубинах служили в качестве защитной пачки при привязке кровли подготовительных выработок.
Обоснованный выбор средств механизации добычи калийной руды, параметров крепления очистного забоя и подготовительных выработок, обеспечивающих минимальные потери полезного ископаемого в недрах и безопасность ведения горных работ, невозможны без знания основных закономерностей формирования и изменения во времени параметров опорного давления в процессе ведения очистных работ. Недостаточная изученность напряженного состояния массива соляных пород на новых участках месторождения при наличии в кровле труднообрушающихся пород, слабая устойчивость боковых пород при их обнажении, обуславливают необходимость решения крупной научной проблемы - эффективной и безопасной разработки Старобинского месторождения длинными очистными забоями в сложных горно-геологических условиях и больших глубинах, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Связь работы с крупными научными программами, темами.
Научно-исследовательские работы выполнялись в соответствии с комплексными программами Минхимпрома СССР, Министерства по производству минеральных удобрений СССР, Государственной агрохимической ассоциации, Государственного комитета Республики Беларусь по промышленности и межотраслевым производствам, Белорусского государственного концерна по нефти и химии, а также программами организационно-технических мероприятий, направленных на повышение безопасности работ на промышленных объектах РУП «ПО «Беларуськалий» (№№ гос. регистрации НИР 76074873, 01812007746, 01812007745, 01880021120, 1995760, 1995762, 19992038, 2002992,20023034, 20023033,20052756, 20041348,20041728).
Диссертационная работа является обобщением НИР, выполненных в период с 1974 по 2005 г.г. автором или при его участии, а с 1989 года - под его руководством на рудниках РУП «ПО «Беларуськалий».
Цель работы — обоснование геомеханических параметров охраны и поддержания подготовительных и очистных выработок при отработке калийных месторождений длинными очистными забоями с использованием разработанной аналитико-эмпирической модели деформирования коїпура
выработок и окружающего их массива пород, результатов опытно-промышленных испытаний способов охраны выработок и взаимодействия боковых пород с крепями для обеспечения безопасных и эффективных условий ведения горных работ.
Основная идея работы заключается в исследовании характера обрушения налегающей толщи пород над лавой и перераспределении нагрузок на почву лавы и окружающий массив по контуру выемочного столба, исследовании характера деформирования контура подготовительных выработок в зонах временного и остаточного опорного давления в зависимости от горнотехнических и горно-геологических условий с учетом реологических свойств соляных пород. Устранение динамических проявлений горного давления рассматривается, как изменение напряженного состояния нетронутого массива соляных пород, разработкой и внедрением новых технологических схем добычи полезного ископаемого с минимальными размерами охранных целиков (или их отсутствии), и новых способов проходки и охраны подготовительных выработок.
Задачи исследований:
установление закономерности деформирования подготовительных выработок в зависимости от привязки их кровли относительно пласта и реологических свойств соляных пород и разработка способов их поддержания;
установление характера обрушения (зависания) пород основной и непосредственной кровли позади верхней лавы и разработка рекомендаций по принудительному обрушению зависших пород;
изучение характера взаимодействия боковых пород с гидромеханизированной крепью в зависимости от ширины призабойного пространства, несущей способности забойной крепи и обрушаемости пород кровли;
установление закономерностей изменения параметров опорного давления в зависимости от глубины разработки, ширины охранных междустолбовых целиков, времени отработки смежных панелей, скорости подвигания забоя;
- разработка анапитико-эмпирической модели деформирования
контура подготовительных выработок в зоне опорного давления и различных
горно-геологических и горнотехнических условиях;
- разработка инженерной методики расчета устойчивости выработок с
учетом реологических свойств соляных пород.
Методы исследований обусловлены комплексным подходом к предмету изучения - геомеханическим процессам, происходящим в толще пород над и под выемочным столбом и его контуре, под влиянием горногеологических и горнотехнических факторов. В работе использованы следующие методы исследований:
- метод анализа литературных и патентных источников с обобщением
практического опыта разработки калийных и угольных месторождений;
аналитико-эмпирический метод расчета основных параметров опорного давления;
инженерный метод расчета деформаций отдельных элементов выработки;
измерение напряжений в массиве соляных пород с помощью ультразвукового метода;
шахтный метод измерения деформаций контура выработки и характера нагружения забойной крепи;
комплексный подход к изучению геологического строения и прочностных свойств пород кровли;
- опытно-промышленные испытания способов охраны подготовитель
ных выработок и способов снижения динамической составляющей горного
давления.
Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Закономерности деформирования подготовительных и очистных
выработок в зоне временного и остаточного опорного давления в
зависимости от срока их службы, глубины разработки, ширины охранных
целиков, привязки кровли относительно пласта, применяемых мер охраны,
позволившие разработать методику расчета их устойчивости и обоснованно
подойти к выбору параметров технологических схем разработки калийных
пластов на стадии проектирования и повысить их эффективность и
безопасность вместо опытного способа подбора параметров, который
существовал до этого.
2. Обоснование способов проведения, необходимости охраны,
крепления подготовительных выработок в слоистых слабоустойчивых
глинисто-соляных породах, позволяющие сохранить их устойчивость на
глубинах разработки 750-900 м и сроке службы до 10 лет.
-
Закономерности обрушения пород основной и непосредственной кровли за закрепным пространством по длине лавы и длине выемочного столба, характера восстановления нагрузки на почву лавы после выемки верхнего слоя в зависимости от времени отработки нижнего слоя по отношению к верхнему и обрушаемости пород кровли, позволившие разработать рекомендации и технические решения по устранению динамических проявлений горного давления в призабоином пространстве лавы.
-
Прогноз динамических проявлений горного давления по длине выемочного столба нижнего слоя на основе измерения характера деформирования контура подготовительной выработки, позволяющий до начала ведения очистных работ в нижней лаве определять потенциально опасные места с внезапными обрушениями пород кровли.
-
Несущая способность забойной крепи в диапазоне250-785 кН/м2 не оказывает существенного влияния на обрушаемость пород непосредственной и основной кровли за закрепным пространством, а определяется геологическим строением и прочностными свойствами пород.
6. Безопасная отработка калийных пластов слоевыми лавами обеспечивается путем внедрения комплекса технических решений и мероприятий на основании научно-обоснованных рекомендаций и нормативно-методических документов, разработанных с учетом результатов опытно-промышленных испытаний различных элементов технологии добычи минерального сырья.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
установлен механизм обрушения соляных пород после выемки верхнего слоя и характер восстановления нагрузки на почву лавы по ее длине и длине выемочного столба;
установлена закономерность формирования протяженности и ширины зоны опорного давления впереди лавы в зависимости от глубины разработки и ширины охранных целиков между смежными панелями (выемочными столбами);
установлено наличие зон пониженных нагрузок под отработанным пространством верхней лавы в районе ее бортовых штреков, а также закономерность изменения ширины зоны разгрузки в зависимости от времени отработки верхнего слоя и обрушаемости пород основной кровли;
разработана классификация соляных пород кровли на обрушаемость в зависимости от содержания слабых и прочных прослойков, выполнено районирование потенциально опасных участков с труднообрушаемой кровлей по площади месторождения;
установлены значения критических деформаций горной выработки с момента ее проведения до потери устойчивости, которые составляют 3-4 % от эквивалентного пролета выработки. При этом релаксационные свойства соляных пород на контуре выработки проявляются в течение 3-5 суток с момента проведения выработки, а реологические в течение всего времени ее существования;
установлено влияние скорости подвигания забоя на величину протяженности зоны опорного давления и характер обрушения пород непосредственной кровли. При этом увеличение скорости подвигания забоя лавы с 3-4 м/сутки (наиболее характерное подвигание) до 6-7 м/сутки приводит к увеличению шага обрушения непосредственной кровли с 4-5 м до 8-12 м, а протяженности зоны временного опорного давления на 20-25 %;
установлена изменчивость прочностных свойств соляных пород Третьего калийного пласта по площади месторождения, которые увеличиваются по мере увеличения глубины разработки.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается представительным объемом выполненных натурных исследований, опытно-промышленными испытаниями и внедрением результатов исследований. Натурные исследования выполнены с использованием апробированных (в том числе и на угольных шахтах) методов и современной измерительной аппаратуры, применением современных методов теоретического анализа геомеханического состояния пород, вероятностно-статических методов обработки результатов измерений,
удовлетворительной сходимостью (в пределах 80-90 %) результатов аналитико-эмпирических и натурных исследований. Основные результаты исследований вошли составной частью в «Нормативные и методические документы по ведению горных работ на Старобинском месторождении калийных солей», а также в соответствующие рекомендации по разупрочнению пород кровли и созданию зон «смягчения».
Практическое значение результатов исследований заключается в следующем:
разработана методика определения пород основной и непосредственной кровли на обрушаемость;
разработан инженерный метод определения деформации элементов выработки в зоне опорного давления и различных горно-геологических условиях Старобинского месторождения калийных солей;
разработаны способы снижения динамических проявлений горного давления путем принудительного обрушения пород через выработанное пространство после выемки верхнего слоя, а также способ перераспределения нагрузки на почву верхней лавы путем создания по ее контуру зон «смягчения» за счет дополнительной выемки запасов из охранных междустолбовых целиков;
разработаны способы проведения и охраны подготовительных выработок с привязкой кровли выше IV сильвинитового слоя и глубине разработки свыше 750 метров;
разработаны рекомендации по снижению динамических проявлений горного давления в зависимости от обрушаемости пород кровли;
разработана методика определения потенциально опасных по динамическим проявлениям горного давления участков выемочного столба и длине лавы, основанная на измерении конвергенции выработки в зоне опорного давления нижней лавы и характере нагружения забойной крепи.
Реализация результатов работы. На РУП «ПО «Беларуськалий» внедрены и использованы:
- рекомендации по разупрочнению пород основной и непосредствен
ной кровли;
- инструкция о порядке ведения работ по разупрочнению пород
непосредственной и основной кровли при разработке Второго и Третьего
калийных пластов слоевыми лавами;
рекомендации по параметрам создания зон «смягчения» по контуру выемочного столба;
нормативные и методические документы по ведению горных работ на месторождении;
- рекомендации по поддержанию, ремонту капитальных выработок.
Суммарный экономический эффект от внедрения разработанных
технических решений составляет не менее 7 246 960 рублей РФ в год. Личный вклад автора заключается:
- в разработке основной идеи работы, постановке задач исследований,
разработке методологии и методик их решения, научном руководстве
исследованиями;
- в непосредственном участии на всех этапах работы в экспери
ментальных исследованиях, опытно-промышленных испытаниях, анализе
полученных данных, статистической обработке результатов измерений,
написании текста и его редактировании;
в разработке и проверке механизма обрушения пород позади очистного забоя после выемки верхнего слоя;
в разработке новых способов проведения и охраны подготовительных выработок;
в разработке классификации соляных пород на обрушаемость;
в выявлении ранее не учитываемых закономерностей проявления горного давления по контуру выемочного столба и очистном забое, а также подготовительных выработках;
' - в получении закономерностей формирования параметров опорного давления в зависимости от глубины разработки и ширины охранных целиков между смежными лавами;
в обосновании и разработке концепции обеспечения эффективной и безопасной отработки калийных пластов длинными очистными забоями и участием в ее практической реализации;
в обобщении и обосновании всех защищаемых положений.
Апробация результатов диссертации. Основные положения работы и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1977), на отраслевом совещании молодых галургов (Солигорск, 1978), на отраслевом научно-техническом семинаре «Совершенствование технологии и обеспечения безопасности горных работ на рудниках ПО «Беларуськалий» (Солигорск, 10-12 февраля 1987), на отраслевой научно-технической конференции «Проблемы безопасной разработки калийных месторождений (Солигорск, 13-15 сентября 1988); на VI Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов соляной промышленности «Повышение эффективности процессов добычи и переработки соли» (Артемовск, 1988), на республиканской научно-технической конференции «Проблемы безопасной разработки калийных месторождений (Солигорск, 1990), на Международной научно-технической конференции «Энерго и материалосберегающие экологически чистые технологии» (Гродно, 2002), на Международной конференции «Современные гидромеханизированные крепи с большим сопротивлением (Польша, Устронь, 2003), на Международной научно-технической конференции «Минеральные ресурсы и человек» (Болгария, Варна, 2002), на IV Международной научной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» (РАН ИПКОН, М. 18-22 октября 2004), на технических совещаниях РУП «ПО «Беларуськалий» (Солигорск, 1982-2006), на научно-технических советах ЗАО «ВНИИГ» (Ленинград, 1980-1990), на научно-технических советах ЗАО «Солигорский Институт
проблем ресурсосбережения с Опытным производством» (Солигорск, 2002-2006).
Опубликоеапность результатов. По теме диссертации опубликовано 85 научных работ общим количеством 740 страниц, в том числе монография - 1, сборник нормативных и методических документов - 1, статей в научных журналах - 31, статей в научных сборниках - 32, тезисов докладов - 2, изобретений и патентов - 18.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа общим объемом 305 страниц содержит 182 страницы машинописного текста, 120 рисунков, 30 таблиц, список использованных источников из 238 наименований, 13 приложений.
Автор выражает глубокую признательность своим учителям докт. техн. наук Р.С. Пермякову, проф., докт. техн. наук, члену корр. РАН | Н.М. Проскурякову |, докт. техн. наук Ю.М. Карташову, кандидату технических наук Ю.Н. Николаеву, а также проф., докт. техн. наук В.Я. Пру-шаку, проф., докт. физ.-мат. наук М.А. Журавкову, докт. техн. наук Б.И. Петровскому за ценные советы и замечания.
Автор благодарит за оказанную помощь в организации шахтных экспериментов и опытно-промышленных испытаний и проведении исследований Ясюкевича А.Г., Полякова А.Л., Сорокина В.А., Волкова Б.А., Ногина П.П., Плескунова В.Н., Чужова В.Н., Саяпина А.К., Подлесного И.А., Палто П.П., а также сотрудников горного отдела ЗАО «Солигорский Институт проблем ресурсосбережения с Опытным производством».
Особенности и основные требования к системам разработки калийных пластов, пути совершенствования технологии и механизации горных работ
Главной особенностью месторождения калийных солей, определяющей способ их разработки, является чрезвычайно хорошая растворимость в воде. Эта особенность выдвигает основное требование к безопасным условиям их разработки - отсутствие водопритока в выработки. Анализ разработки калийных солей в мире свидетельствует о том, что появление воды в горных выработках обычно заканчивается затоплением рудника. Так, например, в Германии, где калийная промышленность развивалась значительно раньше, чем в других странах, от затопления вышло из строя свыше 30 рудников [10]. В силу этого при разработке калийных и соляных месторождений подземным способом главным требованием является недопустимость попадания воды или рассолов в выработки. Это можно обеспечить за счет жесткого поддержания водозащитной толщи на срок отработки шахтного поля.
При этом система разработки не должна допустить опасных деформаций в водозащитной толще, которые могут привести к нарушению ее сплошности, появлению водопроводящих трещин. Из опыта разработки калийных месторождений вытекает, что мощность водозащитной толщи должна быть не менее 50 м [11] в противном случае калийный пласт считается непромышленным. По этим причинам при разработке калийных солей долгое время применялась камерная система разработки. На Старобинском месторождении калийных солей с 1971 года помимо камерной системы разработки, начали внедряться системы разработки длинными столбами с обрушением кровли. Эти системы начали внедряться на основании многолетних исследований и опытных работ по обоснованию их безопасного применения, выполненных ВНИИГом. Наблюдение за сдвижением земной поверхности на участках применения систем с обрушением кровли показали, что процесс сдвижения протекает плавно. В начальный период скорость оседания земной поверхности немного выше, чем при камерной системе разработки. Начальный период сдвижения при камерной системе длится более года, а при столбовой 1-2 месяца. Исследованиями так же было доказано, что глинисто-мергелистые породы на Старобинском месторождении могут быть включены в состав водозащитной толщи наравне с соленосными, что увеличивает ее мощность в два раза и дает возможность распространить столбовые системы разработки на всю площадь месторождения. Учитывая изложенное, можно объяснить почему практически на всех калийных месторождениях применялась и применяется камерная система разработки, при которой в отработанном пространстве оставляются охранные целики, предотвращающие опасные деформации налегающей толщи пород [12].
Такая система разработки была впервые внедрена в 1961 году на руднике 1 РУ и применялась на месторождении более 30 лет на Втором и Третьем калийных горизонтах. В первые годы очистная выемка этой системой выполнялась с помощью буровзрывных работ (БВР), а с 70 годов прошлого столетия более 85 % руды из камерной системы добывалось уже комбайновым способом. Из более чем 20 вариантов камерной системы разработки наибольшее применение нашел вариант с управлением кровлей на податливых (разрушающихся) целиках. При этом варианте коэффициент извлечения руды по блоку достигал значения 60-65 %. Однако содержание КС1 в добываемой руде составляло 24-28 % из-за валовой выемки сильвинитовых и галитовых слоев. На месторождении предпринимались попытки повышения эффективности добычи камерной системы путем разработки комбайнов, которые обеспечили бы селективную выемку пластов и тем самым повысили бы качество добываемой руды. Для этих целей были разработаны комбайны ПК-11, 2 КСК. Кроме того, был модернизирован комбайн «Урал-1ОКС», таким образом, чтобы его вынимаемая мощность была соизмерима с суммарной мощностью слоев II, II-III, III на нижнем горизонте и мощности пласта на Втором горизонте. Испытания комбайнов подтвердили техническую возможность селективной и частично селективной выемки слоев, однако по экономическим показателям их применение оказалось невыгодным. Исходя из вышеизложенного, в 1971-1972 г.г. на руднике З РУ были начаты шахтные исследования, направленные на обоснование возможности применения на месторождении столбовой системы разработки с полным обрушением кровли. Ниже рассмотрены основные этапы развития и внедрения столбовой системы разработки на Старобинском месторождении. Более подробный опыт внедрения данной технологии и пути ее совершенствования изложены в работах [13, 14, 15, 16, 17]. Первые лавы имели длину 70-100 м. Подготовка столбов выполнялась проходческими комбайнами ПК-8. При этом испытывались одно и двухслоевые лавы. Первые испытания были успешными. С учетом полученных данных и анализа опыта угольной промышленности для повышения эффективности технологии двухслоевой выемки были разработаны новые варианты отработки панелей двумя смежными лавами длиной 90-100 мис одной спаренной четырехкомбайновой лавой длиной 180-200 м. В дальнейшем улучшение технико-экономических показателей двухслоевой выемки Второго пласта шло за счет использования более высокопроизводительного оборудования. Схема двухслоевой выемки Второго калийного пласта представлена на рис. 1.3. Параллельно внедрению слоевых лав велись работы, связанные с валовой выемкой Второго пласта. Данная технология применялась на тех участках шахтных полей, где мощность пласта, а также межслоевая соль не позволяли обеспечить слоевую выемку без прирезки боковых пород. Развитие столбовой системы разработки на Третьем калийном пласте шло по пути использования ее вначале для однослоевой выемки IV сильви- нитового слоя и валовой выемки нижних слоев II, П-Ш, III.
Технологическая схема выемки Третьего калийного пласта комбинированным способом представлена на рис. 1.4. Данная технология наряду с положительными моментами (малая себестоимость добычи, отсутствие дорогого оборудования при выемке нижних слоев) имела большой объем горно-подготовительных работ, низкие показатели по извлечению запасов и качеству руды по нижнему слою. Данная технология, тем не менее, нашла широкое применение на руднике 1 РУ и используется до настоящего времени. Значительный прогресс в разработке Третьего калийного пласта был достигнут в период с 1980 по 1984 годы, когда была испытана и внедрена технология селективной выемки [18, 19]. Основными параметрами данной технологии являются: - разделение пласта по мощности на два слоя - верхний IV сильвинитовый слой мощностью 1,0-1,4 м (см. табл. 1.3) и нижний мощностью 1,9-2,1 м включающий слои II, П-Ш, III; - осуществление раздельной подготовки слоев с проведением подготовительных выработок нижней лавы в пределах выемочного столба верхней; - отработка слоев механизированными комплексами с опережением нижнего слоя верхним и оставлением в выработанном пространстве межслоевой пачки каменной соли III-IV мощностью 0,9-1,3 м, служащей кровлей нижней лаве. При этом было разработано и испытано три варианта технологии с последовательной и одновременной отработкой слоев в пределах выемочного столба, которые представлены на рис. 1.5, 1.6. При последовательной выемке подготовка и отработка нижнего слоя начинается после завершения очистных работ в верхнем слое. Последние годы на месторождении в основном используется этот вариант, как наиболее эффективный с точки зрения поддержания подготовительных выработок нижней лавы. При одновременной подготовке - подготовка выработок верхней и нижних лав производится совместно. При этом подготовительные выработки нижней лавы надрабатываются верхней. Опережение очистных работ составляет от 80-250 м до 400 и более метров. В последних случаях не всегда обеспечивается устойчивость подготовительных выработок нижней лавы после их надработки верхней. Данные варианты технологии применимы на участках шахтных полей с устойчивыми породами межслоевой пачки III- IV, например, в юго-западной части рудника 2 РУ. Технико-экономические показатели рассмотренных систем разработки приведены в таблице 1.6 [20].
Методика оценки устойчивости контура подготовительных выработок
Характер и степень деформирования отдельных элементов контура подготовительных выработок изучался с помощью измерительной стойки СУИ-3, рулетки Д-6 конструкции ВНИМИ, самопишущих манометров конструкции ВНИИГ, индукционных датчиков конструкции БФ ВНИИГ, которые устанавливались между контурными и заглубленными реперами. Измерения по глубинным реперам выполнялись с помощью штангенциркуля либо с помощью индикаторов часового типа ИЧ-10, ИЧ-25. Точность измерений вышеназванными приборами составляет от 0,01 до 0,5 мм. Исходя из предполагаемых деформаций (смещений) контура выработки применяют тот или другой прибор. При этом различают приборы периодического действия (рулетки, стойки), которые после замеров демонтируются и непрерывного (самопишущие приборы, индукционные датчики). Последние приборы устанавливаются один раз и наблюдения по ним ведутся в течение всего периода исследований. Для дистанционного измерения деформаций применяются реостатные датчики типа РД-2 конструкции ВНИМИ или индукционные датчики конструкции БФ ВНИИГ. Для измерения сближения стенок выработки используются рулетки ВНИМИ либо индукционные датчики, а также современные лазерные дальномеры типа LD-32. Наблюдательные станции представляют собой группу реперов, установленных через 5-Ю м друг от друга за зоной влияния очистных работ. На концах реперов имеются специальные углубления или захваты для установки приборов. При исследовании прогибов и расслоений пород кровли, стенок и почвы выработок применяются глубинные реперы. Сущность измерений с помощью глубинных реперов заключается в следующем. В пробуренные из подготовительных выработок шпуры (скважины) с помощью досыльных устройств вводятся реперы, которые закрепляются в породах на нужном расстоянии от устья шпура (скважины). Устье шпура оборудуется кондуктором, который фиксируется на контуре выработки. По изменению расстояний между реперами и кондуктором, а также между реперами судят о перемещении соответствующих точек массива и расслоениях на соответствующих интервалах. Фактические расслоения кровли исследуется также с помощью визуального прибора РВП-451. Для этих целей бурятся скважины диаметром 42 мм и глубиной 6-8 метров.
Разрешающая способность оптики прибора позволяет фиксировать расслоения от 0,5 и более миллиметров. Конструкция наблюдательных станций за характером деформирования подготовительных выработок представлена на рис. 2.1. Учитывая большой объем измерений, и недостаточное количество приборов, автором был разработан деформометр на основе индукционного датчика, который явился основой последующих замерных станций. Точность измерения деформаций (конвергенции, сближения и т.д.) составляла 0,01 мм, т.е. была такой же, как и у индикаторов ИЧ-10. Простота изготовления, низкая стоимость, малые размеры, отсутствие влияния соляной среды позволило использовать датчики практически для измерения всех параметров выработки [36]. Непосредственная конструкция индукционного датчика приведена на рис. 2.2. Принцип работы датчика заключается в изменении индуктивности катушки при введении в нее сердечника, в нашем случае, ферритового. В качестве корпуса и каркаса катушки используется текстолит или другой диэлектрик имеющий достаточную механическую прочность. Диапазон измеряемых перемещений зависит от конкретных условий применения и может меняться в диапазоне 0-50 мм.
Для измерений индуктивности используется мост переменного тока. В авторском варианте использовался специально изготовленный портативный прибор. Индукционные датчики перед спуском в шахту проходили тарировку с использованием образцовых и поверенных соответствующей службой микрометров. Измерение напряжений в массивах горных пород в свое время выполнялось следующими методами: - методом полной или частичной разгрузки; - методом компенсационной нагрузки; - методом разности давлений; - геофизическими методами. Наиболее в полной мере из всех названных был развит метод полной разгрузки. Для этого метода была разработана измерительная аппаратура, буровое оборудование для бурения скважин под измерительные тензорозетки и главным образом математическое обеспечение для обработки результатов измерений. Данный метод многие годы служил в качестве образцового при сравнении результатов измерения напряжений другими способами, например, геофизическими. Рассмотрим данный способ измерения напряжений более подробно. Данный метод основан на использовании характеристик упругого восстановления деформаций элемента массива при искусственном нарушении его связи с основным массивом. Он применяется для пород достаточной прочности, сохраняющих форму элемента после нарушения его связи с массивом и обладающих упругими свойствами. Метод разгрузки выполняется по трем схемам, которые отличаются, в основном, элементом измерения деформаций: - упругого восстановления торца скважины при выбуривании керна (схема ВНИМИ) [37]; - диаметра центрального отверстия в выбуриваемом керне (схема Хаста) [38, 39], когда сначала бурится скважина малого диаметра, в которой монтируется деформометр, а затем коронкой большего диаметра выбуривается керн в виде полого цилиндра; - стенки центрального отверстия в выбуриваемом керне (схема Лимана) [40].
Исследования геологического строения кровли Третьего калийного пласта на обрушаемость
Необходимость детального изучения геологического строения кровли возникла при внедрении технологии разупрочнения труднообрушающихся пород кровли при слоевой выемке Третьего калийного пласта. Первые исследования по этому вопросу были выполнены в 1999-2001 годах сотрудниками ОАО «БЕЛГОРХИМПРОМ» в рамках договора № 782.С.99-2001. Анализ [67, 68] геологического строения кровли авторами был выполнен по 69 скважинам эксплуатационной разведки, пробуренным на всех шахтных полях месторождения на высоту 20-27 м от кровли IV сильвинитового слоя. Геологический разрез кровли Третьего калийного пласта выше IV сильвинитового слоя, по скважине № 720 рудника 2 РУ, приведен на рис. 3.6. Это наиболее типичное строение кровли Третьего калийного пласта, в разрезе которого имеются все слои, в том числе V и VI сильвинитовые слои.
При анализе геологического строения кровли изучалось содержание, мощность, количество слабых (глинистые, глинисто-соляные, карналлитовые) и прочных (сильвинитовые, галитовые, доломитовые, песчаниковые) прослойков. Исходя из фактического расположения эксплуатационных скважин по площади месторождения, было выделено шесть профилей по глубине разработки и три профиля по простиранию пласта (рис. 3.7). Скважины от условных профилей находились на расстоянии не более 500 м. Для выявления каких-либо закономерностей в разрезе пласта исследования строения кровли выполнялись поинтервально. Вначале через каждый метр, затем на интервалах «0-10» и «10-20» метров от кровли IV сильвинитового слоя. Следует отметить, что анализ строения кровли с интервалом «1» м не выявил каких-либо закономерностей, которые могли бы использоваться в практических задачах. Анализ результатов на интервалах «0-10» и «10-20» выявил тенденцию изменения слабых прослойков в зависимости от глубины разработки, после чего эти два интервала были разбиты еще на два интервала. В конечном итоге исследования были выполнены на интервалах «0-5», «5-Ю», «10-15» и «15-20 метров от кровли IV сильвинитового слоя. Следует отметить, что первые два интервала находятся в непосредственной кровле, а вторые два - в основной.
Проведенный анализ строения кровли пласта позволил уточнить понятие «непосредственная и «основная» кровля для Третьего калийного пласта Старобинского месторождения. Непосредственная кровля: одна или несколько пачек (слоев) пород, залегающих непосредственно над отработанным пластом, не способных образовывать больших зависаний, обрушающихся при передвижке крепи. Шаг ее самопроизвольного обрушения составляет 3-5 м, а высота обрушения пород в основном не превышает 10 м. Основная кровля: первый мощный прочный слой (порода-мост), залегающий над непосредственной кровлей и имеющий шаг самопроизвольного обрушения в несколько раз больше шага обрушения непосредственной кровли, обычно 10-20 м. Породы основной кровли, как правило, находятся на высоте 10-20 м от кровли IV сильвинитового слоя. Все данные о содержании слабых прослойков на профилях в разрезе пласта были обработаны на компьютере с использованием пакета прикладных программ Microsoft Excel. Основные результаты этих исследований приведены в табл. 3.1. Анализируя эти данные можно отметить: 1. Содержание слабых прослойков изменяется по падению пласта на всех интервалах, от минимальных значений в юго-западной до максимальных в северо-восточной части месторождения. 2. В большей степени изменчивость в строении кровли по падению пласта наблюдается в непосредственной кровле, где содержание слабых прослойков изменяется от 20 до 95 %. 3. В основной кровле содержание слабых прослойков изменяется по падению пласта в пределах 5-40 %. 4. Содержание слабых прослойков по простиранию пласта изменяется в меньшей степени. 5. Эмпирические зависимости изменения содержания слабых прослойков в непосредственной кровле в зависимости от глубины разработки близки к функциональным (рис. 3.8). Используя данные о геологическом строении кровли и полученные зависимости по профилям были построены изолинии изменения содержания слабых прослойков по площади месторождения, которые приведены на рис. 3.9. Затем, на этот рисунок, были нанесены все случаи динамических проявлений горного давления, зарегистрированных на месторождении за период отработки Третьего калийного пласта. Как видно из рисунка, основные случаи обрушения кровли на призабойное пространство наблюдаются при содержании слабых прослойков менее 50-55 % и 15-16 % соответственно в непосредственной и основной кровле. Посадки забойной крепи «нажестко» на руднике З РУ в основном связаны с нарушением «Паспорта крепления и управления кровлей (2 случая) и пересечением геологического нарушения типа «мульда погружение» (2 случая). Используя результаты исследований, была, впервые для месторождения, разработана классификация пород кровли на обрушаемость, которая приведена в таб. 3.2.
Исследование устойчивости и разработка способов охраны и поддержания подготовительных выработок шириной свыше 3,0 м
Опорное давление на уровне пласта также формируется до своего максимального значения с некоторым запозданием, как во времени, так и в пространстве. В результате этого за забойной крепью образуется зависание, что подтверждается и визуальными наблюдениями в натурных условиях, пород непосредственной кровли с длиной породной консоли намного большей, чем в обычном режиме (рис. 3.32в). Длина зависшей консоли, как показывает опыт отработки лавы № 48 рудника 1 РУ, в этом случае может достигать 15-20 м. При достижении критической длины (которая зависит от мощности и прочностных свойств породной балки) породная консоль начинает разрушаться по схеме трехшарнирной балки (два шарнира по концам и один в центре балки, рис. 3.32г). При дальнейшем подвиганий забоя левая полубалка непосредственной кровли обрушается, а правая (за счет трения и смятия пород в шарнирах) продолжает висеть на двух точках опоры, создавая при этом условия для зависания пород основной кровли (рис. 3.32г,д) на участке остановки верхней лавы. Затем, при подходе забоя нижней лавы к этому участку (как правило, за 5-8 м до линии остановки верхней лавы), происходит одновременное обрушение непосредственной и зависшей основной кровли (рис. 3.32). Из-за наличия «пустоты» между непосредственной и основной кровлей падение пород основной кровли на забой и забойную крепь происходит с некоторой начальной скоростью, создавая при этом динамический удар. Внезапное обрушение пород кровли может происходить не только при подходе нижней лавы к месту остановки верхней, но и позади этого участка. Все вышесказанное справедливо для тех участков шахтного поля Старобинского месторождения, где в кровле имеются V и VI сильвинитовые слои мощностью не менее 0,15 м, которые являются одними из элементов для зависания пород непосредственной и основной кровли в местах временной остановки верхней лавы.
При рассмотрении во 2, 3 главах методик расчета параметров опорного давления практически во всех работах отмечалась необходимость изучения характера изменения напряжений в краевой части пласта, а также знания положения точки максимума опорного давления. На Старобинском месторождении калийных солей исследования по этому вопросу для систем разработки с полным обрушением кровли ранее не выполнялись. Поэтому к моменту начала экспериментальных работ о характере распределения напряжений в краевой части пласта можно было только судить исходя из анализа данных, полученных на месторождениях каменного угля. Учитывая большую разницу в физико-механических свойствах каменного угля и соли, эти представления носили прикидочный характер, и естественно, не могли быть использованы в инженерных расчетах. Выбирая метод измерений напряжений в краевой части пласта, нужно было руководствоваться техническими и практическими возможностями горного участка, где выполнялись исследования. Забой лавы стоит, как правило, в ремонтную смену длительностью 5-6 часов, а остальное время суток он находится в работе. За это время необходимо пробурить скважины и выполнить по ним необходимые замеры. По этой причине практически невозможно выполнить массовые замеры методом разгрузки в забое лавы. В тоже время, большой опыт исследований по измерению напряжений ультразвуковым методом, накопленный лабораторией исследования горного давления БФ ВНИИГалургии при камерной системе разработки, создал хорошие предпосылки для применения этого способа и при изучении закона изменений напряжений в краевой части забоя лавы. Как известно забои верхних лав имеют вынимаемую мощность 1,1-М м, что не дает возможности разместить буровое оборудование для проходки замерных станций. Поэтому все измерения выполнялись в лавах, где вынимаемая мощность составляла 1,6-2,9 м. Две параллельные скважины диаметром 65 мм располагались одна от другой на расстоянии 0,35-0,65 м и бурились на глубину 5-8 м с помощью ручного сверла СЭР-19М. Забой скважины очищался от бурового штыба, а затем для создания надежного акустического контакта смазывался технической смазкой БН-3. В качестве ультразвуковой аппаратуры на данном этапе исследований использовались более современные ультразвуковые приборы УК-10П, УКП-15М, (вместо УКБ-3) дополненные предусилителем (в виде отдельной приставки) и ламповым вольтметром, для непосредственного определения амплитуды прошедшей волны от передающего датчика к приемнику. Необходимость использования дополнительного предусилителя была названа тем, что предварительный усилитель, смонтированный в приборе УК-10П, УКП-15, имеет низкий коэффициент усиления и малый уровень выходного сигнала. Предварительный усилитель выполнен на транзисторах и питается от отдельного источника питания напряжением 12±0,5 В. При измерениях использовались ультразвуковые датчики с пневматическим распором. Для получения более детальной качественной картины о характере изменения напряжений по глубине скважины, шаг замеров составлял 10-20 см. Учитывая сложное геологическое строение пласта и особенно наличие большого количества глинистых прослоев, скважины бурились на слою каменной соли, в которой ультразвуковые волны испытывают меньшее затухание, чем по сильвиниту [27]. При этом выбирался участок каменной соли, где отсутствовали глинистые прослойки мощностью более 1-1,5 мм. Глинистые прослойки меньшей мощностью практически не оказывают влияния на результаты измерений. Измерения выполнялись по тем же лавам, где уже были проведены исследования протяженности и ширины зоны опорного давления. Для лучшего сопоставления результатов исследований по всем лавам скважины бурились по центру забоя, сразу же за остановкой очистных работ. Это ограничение связано с деформациями ползучести солей, благодаря которым точка максимума опорного давления может перемещаться вглубь массива при постоянной нагрузке в зависимости от времени остановки забоя [77, 85]. На проходку двух параллельных скважин глубиной до 8 м требовалось в среднем от 45 до 60 минут. На их прозвучивание с шагом 10-20 см и выполнение в каждой точке по 5-6 измерений, требовалось 2-2,5 часа. В итоге получается, что за одну ремонтную смену можно было выполнить практически каротаж только одной станции. На рис. 3.33 представлены измерения амплитуды прошедшей волны в некоторых лавах. Как видно из графиков, положение точки максимума опорного давления, в зависимости, от горно-геологических условий, в основном меняется от 0,4-0,6 до 2,0 м.
Выполненные исследования показывают, что положение максимума опорного давления даже для одних горнотехнических условий на калийных пластах не является постоянной величиной, а меняется в некотором пределе. Непостоянство положения максимума опорного давления объясняется состоянием основной и непосредственной кровли в момент измерений. Выполненные ультразвуковые замеры на Старобинском месторождении калийных солей позволили получить первые представления о характере распределения напряжений и о положении точки максимума опорного давления в краевой части забоя лавы. В отличие от месторождений каменного угля на калийных рудниках точка максимума опорного давления находится в непосредственной близости от забоя и не превышает по данным замеров 3 м. На основании ультразвуковых измерений, согласно методики, описанной во второй главе, вычислены значения напряжений в точке максимума опорного давления, а также концентрация напряжений. После математической обработки всех данных по лавам, где выполнялись измерения напряжений, получена зависимость изменения коэффициента концентрации напряжений от глубины разработки пласта в виде
