Введение к работе
Актуальность проблемы.
Массив соляных пород Верхнекамского месторождения представляет собой неоднородную по физическим свойствам среду. Эта неоднородность обусловлена как первичной слоистостью толщи, так и наличием аномалий геологического строения. Геологические аномалии в значительной степени затрудняют разработку массива, ограничивая, а, нередко, и исключая возможность подземной выемки. В существующих нормативных документах аномальность строения мас'сива не учитывается. В этой связи для решения многих прикладных задач, связанных с обеспечением безопасных условий разработки калийных месторождений, важное значение имеет анализ напряженно-деформированного состояния подработанного массива в зонах развития структурно-геологических неоднородностей. Достоверная оценка степени влияния таких неоднородностей может быть получена только на основе геомеханического анализа, выполненного для конкретного типа аномалии при заданных параметрах ведения очистных работ. Это может быть достигнуто в результате применения методов математического моделирования геомеханических процессов, которые адекватно отражают воздействие очистной выемки на различные типы аномалий геологического строения соляного массива.
Таким образом, исследования, направленные на геомеханическую оценку опасности подработки водозащитной толщи (ВЗТ) на участках развития геологических аномалий, являются актуальными и важными для практики разработки месторождений калийных солей.
Диссертационные исследования выполнены в соответствии с планами: "Программы комплексных научно-исследовательских работ по изучению водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных солей на 1988-1995 г." (Правительственное поручение N 14229 от 02.07.87 г., постановление АН СССР N 13100/1222-70 от 22.04.88 .г.); общеакадемической проблемы 12.9 "Разработка месторождений и обогащение полезных ископаемых", темы "Разработка комплекса геолого-геофизических, геомеханических и технологических мероприятий по предотвращению нарушений сплошности водозащитной толщи на месторождениях полезных ископаемых, залегающих в аномально-сложных горногеологических условиях", утвержденной Постановлением ГКНТ СССР N 191 от 21.06.88 г. (N гос. per. 01890011297).
Целью работы является создание теоретических основ и принципов геомеханической оценки влияния различных типов аномалий геологического строения соляного массива на безопасность подработки ВЗТ.
Идея работы заключается в построении и реализации численными методами геомеханических моделей участков аномального строения соляного массива для оценки изменения его напряженно-деформированного состояния под воздействием горных работ.
Задачи исследований:
разработать методологические принципы и методические подходы к оценке опасности подработки геологических аномалий;
построить геомеханические модели типовых аномалий строения ВЗТ и вычислительные схемы их реализации;
построить основные критериальные соотношения, определяющие условия роста техногенных и природных трещин в слоях ВЗТ;
оценить влияние геологических аномалий на изменение напряженно-деформированного состояния ВЗТ при ее подработке;
выполнить критериальный анализ разрушения слоев ВЗТ на участках развития геологических аномалий;
установить основные закономерности влияния типовых аномалий геологического строения ВЗТ на безопасность ведения горных работ.
Методы исследований включали обобщение и анализ геологических данных, результатов натурных и лабораторных экспериментальных исследований, математическое моделирование, аналитический и численный аппарат механики сплошных сред.
Научные положения, защищаемые в работе:
-
Методология геомеханического анализа опасности подработки ВЗТ на участках ее аномального строения, основанная на двухста-дийном подходе и включающая этап крупномасштабного математического моделирования изменения напряженно-деформированного состояния массива подвоздействием горных работ и последующую оценку реакции геологических неоднородностей различных типов на вновь сформированное поле напряжений;
-
Вычислительные схемы оценки условий, траектории и кинетики роста трещин, базирующиеся на критериальном анализе с" позиции механики разрушения техногенных изменений напряженно-деформированного состояния подработанного соляного массива;
з. Общие закономерности деформирования и разрушения ВЗТ на участках развития типовых аномалий геологического строения соляного массива, согласно которым имеет место:
. - увеличение потенциальной опасности образования субвертикальных трещин в зоне полной подработки большеамплитудных пликативных нарушений с максимальной интенсивностью этого процесса вблизи осевой поверхности складки;
локальное изменение под влиянием горных работ напряженно-деформированного состояния пород зон замещения, обуславливающее возможность формирования техногенной трещиноватости в слоях межпластовой каменной соли;
устойчивый рост вследствие отрыва открытых природных трещин в зоне полной подработки и их неустойчивый рост при определенной длине в краевой части выработанного пространства, происходящий путем сдвига.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью постановки теоретических задач; строгостью математических преобразований и надежностью применяемых численных алгоритмов; решением тестовых задач; качественным соответствием полученных результатов основным закономерностям деформирования подработанного соляного массива; положительным опытом внедрения результатов исследований в практику разработки Верхнекамского месторождения калийных солей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
для решения задач механики слоистых сред построена блочная процедура метода граничных элементов в модификации "разрывных смещений";
разработана методика оценки долговечности подработанного горными работами соляного массива, вмещающего открытую тектоническую трещину;
предложена вычислительная схема расчета траектории роста трещин в породах ВЗТ при произвольных горнотехнических условиях ее подработки;
определены условия формирования зон техногенной нарушенное на участках развития пликативных и вещественных аномалий геологического строения ВЗТ в зависимости от их положения относительно фронта очистных работ;
на основе решения комплекса новых прикладных задач геоме-
ханики установлены закономерности деформирования и разрушения соляного массива, связанные с ростом тектонических трещин различной ориентации, с оценкой опасности подработки типовых неоднороднос-тей геологического строения ВЗТ.
Практическое значение работы состоит в разработке:
методики определения условий развития техногенных трещин в подработанном соляном массиве;
схемы оценки опасности подработки типовых аномалий геологического строения ВЗТ методами математического моделирования.
Реализация работы. Результаты исследований внедрены в практику разработки Верхнекамского месторождения калийных солей и использованы при составлении "Указаний по защите рудников от затопления и охране зданий, сооружений и природных объектов на подрабатываемой территории Верхнекамского месторождения калийных солей" (С.-Петербург: ВНИИГ. 1993г.).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзной конференции "Технология строительства и эксплуатации подземных хранилищ нефти, газа и продуктов их переработки" (Москва, 1991 г.), на X Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993 г.), на Межрегиональной научно-технической конференции "Математическое моделирование систем и процессов" (Цермь, 1994 г.), на I Международном семинаре "Напряжения в литосфере" (Москва, 1994), на Международном симпозиуме SPM-95 "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций" (Москва-Пермь, 1995 г.), на Международной конференции "Управление напряженно-деформированным состоянием массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений" (Екатеринбург, 1996), на заседаниях Ученого Совета Горного института УрО РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных трудов.
Объем работы и ее структура. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 103 наименований, содержит 209 страниц, включая 155 страниц машинописного текста, 59 рисунков и 15 таблиц.
Автор выражает искреннюю признательность за помощь и внимание к работе д.г.-м.н. А.И.Кудряшову, к.т.н. Н.А.Ереминой, к.т.н.
В.А.Асанову, сотрудникам сектора механики горных пород и лаборатории физико-механических свойств горных пород Горного института УрО РАН.
