Введение к работе
Актуальность. Добыча калийных солей на Верхнекамском месторождении (ВКМКС) ведется подземным способом с применением камерной системы разработки. С течением времени происходит разрушение отдельных конструктивных элементов горных выработок, что приводит к потере их устойчивости в целом. Определение срока устойчивого состояния горных выработок, определяемых на этапе проектирования, является приоритетной задачей, повышенная точность решения которой требует учета максимального числа влияющих факторов.
Выполнение прогнозной оценки срока устойчивого состояния горных выработок в условиях ВКМКС осложнено необходимостью учета значительной вязкости соляных пород и низкопрочных глинистых прослоев. Последние, располагаясь вблизи контура выработки, активизируют процессы сдвига и последующего расслоения между отдельными породными блоками, что в свою очередь, приводит к потере устойчивости горных выработок в виде обрушения отслоившихся пород в отработанное пространство.
Современное промышленное освоение ВКМКС характеризуется разнообразием технологических схем, параметров горных выработок и применяемого проходческого оборудования. Такие условия ставят важные для практики ведения горных работ задачи разработки инженерных и методических средств оценки влияния прослоев соленосных глин на срок устойчивого состояния горных выработок в зависимости от горнотехнических и горно-геологических условий и определения их рациональных параметров.
Объект исследований. Породы продуктивной породной толщи Верхнекамского месторождения калийных солей.
Предмет исследований. Процессы деформирования и разрушения горного массива, вмещающего выработки различного назначения, ослабленного прослоями соленосных глин.
Цель работы заключается в установлении закономерностей деформирования и разрушения породного контура горных выработок, включающих прослои соленосных глин, для выбора оптимальных параметров горных выработок.
Основная идея работы заключается в оценке влияния положения поверхностей ослабления вязкоупругого соляного массива, в виде прослоев соленосных глин, на процессы деформирования и разрушения горных выработок в условиях ВКМКС.
Методы исследования включали анализ и обобщение теоретических и натурных исследований по проблеме влияния соленосных глин на устойчивость отдельных конструктивных элементов горных выработок, математический аппарат механики деформируемого твердого тела, математическое моделирование геомеханических процессов на основе метода конечных элементов, численный метод решения задач контактного типа.
Основные научные положения, защищаемые автором, сформулированы следующим образом:
для определенной степени нагружения сильвинитового междукамерного целика, ослабленного прослоем соленосной глины на контакте «целик-кровля», максимальный срок его устойчивого состояния достигается при отношении радиуса свода кровли выработки (R) к ее высоте (h), равным R/h=0,5, и максимальном значении коэффициента формы целика , равным отношению его ширины к высоте, изменяемого в условиях ВКМКС до значения 2,75;
оставление в кровле горных выработок, пройденных по сильвинитовому пласту, арочного и прямоугольного сечения защитной пачки, из монолитной породы мощностью n/Lp 0,15 м, где Lp – расчетный пролет выработки, исключает влияние прослоя соленосной глины на устойчивость кровли. При выполнении условия n/Lp < 0,15 м, снижение срока устойчивого состояния кровли горной выработки описывается степенной функцией отношения мощности защитной пачки к расчетному пролету выработки;
сокращение срока устойчивого состояния кровли капитальной (подготовительной) выработки при оставлении защитной пачки n/Lp < 0,15 м происходит при мощности глинистого прослоя m > 0,005 м. Для условий m 0,2 м зависимость снижения срока устойчивого состояния кровли капитальной (подготовительной) выработки описывается степенной функцией от мощности глинистого прослойка.
Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:
установлены закономерности потери устойчивости очистных выработок, при ослаблении междукамерного целика прослоем соленосной глины на контакте «целик-кровля», в зависимости от формы их сечения;
установлены зависимости изменения времени устойчивого состояния кровли горных выработок от мощности защитной пачки и глинистого прослойка;
установлена зависимость времени устойчивого состояния кровли подготовительной выработки, охраняемой анкерной крепью, от мощности защитной пачки и параметров анкерной крепи.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается:
применением корректной апробированной феноменологической модели деформирования и разрушения соляных пород;
использованием объективной горно-геологической, маркшейдерско-геодезической и геомеханической информации в качестве исходных данных;
высокой степенью сходимости применяемых прямых и итерационных методов решения численных задач; удовлетворительным соответствием полученных методом математического моделирования результатов натурным данным.
Практическая значимость и реализация работы.
-
Результаты использованы при проектировании систем разработки для условий рудников ОАО «Уралкалий» (проекты 51.178 и 52.088).
-
Выполнена корректировка действующих инженерных методик оценки устойчивости кровли горных выработок, содержащихся в «Инструкции по применению анкерной крепи на рудниках ОАО «Уралкалий»», разработан и введен в действие «Технологический регламент по охране и креплению горных выработок на рудниках ОАО «Уралкалий»».
-
Модернизирован пакет МКЭ – программ Earth 2D.1 для решения плоских задач упругости и вязкоупругости с учетом наличия плоскостей ослабления контактного типа. Получен патент о государственной регистрации на программу Earth 2D.1 (Свидетельство № 2011610648).
-
Разработаны методические основы проведения геодинамического прогнозного мониторинга недр и земной поверхности в условиях ВКМКС на основе применения численных средств математического моделирования.
Личный вклад автора состоит в сборе, анализе и обобщении данных исследований влияния прослоев соленосных глин на процессы деформирования и разрушения пород соленосной толщи; разработке расчетных схем и выполнении исследований закономерностей деформирования и разрушения породного массива, вмещающего горные выработки, ослабленных прослоями соленосных глин; выполнении корректировки действующей инженерной методики; создании и отладке отдельных модулей программы Earth 2D.1.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на научно-практических конференциях, в том числе на Всероссийской школе-конференции «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2006 г., 2007г.), конференции «Прикладная математика и механика» (Пермь, 2007), Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (Екатеринбург, 2008 г.), международной школе – семинаре «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород» (Санкт-Петербург, 2010 г.), Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, 2006 г., 2011 г.), конференции «Актуальные проблемы математики, механики, информатики» (Пермь, 2011 г.), на заседании кафедры МСС и ВТ ПГНИУ (Пермь, 2012 г.), на заседании научно-технического совета ОАО «Галургия» (Пермь, 2012 г.), на заседании секции «Геомеханика» Института Горного дела УрО РАН г. Екатеринбург (2012 г.), на научной сессии Горного Института УрО РАН (Пермь, 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 6 статьей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 156 страницах, содержит 76 иллюстрации и 8 таблиц. Список использованных источников состоит из 144 наименования.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность руководителям работы Константиновой Светлане Александровне и Качурину Николаю Михайловичу за неоценимую помощь при написании работы, Матвеенко Валерию Павловичу и Соловьеву Вячеславу Алексеевичу за организационную поддержку, внимание и ценные советы, а также сотрудникам лаборатории геодинамической безопасности ОАО «Галургия» и кафедры «Механика сплошных сред и вычислительных технологий» Пермского государственного национального исследовательского университета за методическую и организационную помощь.
