Введение к работе
Актуальность проблемы.
Освоение месторождений водорастворимых руд связано с необходимостью защиты шахт и рудников от прорыва вод в горные выработки. Особенно актуален этот вопрос для Верхнекамсюгх калийных рудников, которые характеризуются сложными горно-геологическими условиями, большими площадями выработанных пространств, значительными сдвижениями подработанных пород. Решение проблемы обеспечения сохранности водозащитной толщи и снижения потерь полезного ископаемого в целиках не возможно без надежного геомеханического обоснования принимаемых технических решений. В этой связи резко возрастает значение своевременной информации о напряженно-деформированном состоянии подрабатываемого массива соляных пород.
Применяемые до последнего времени на соляных месторождениях методы контроля напряженного состояния массива не позволяют оперативно и с достаточной степенью точности проводить количественную оценку напряжений в массиве, что вызывает необходимость поиска новых путей решения этой задачи.
Таким образом, совершенствование экспериментальных методов и средств контроля напряженно-деформированного состояния соляных пород, направленное на учет их структурных особенностей, и обеспечивающее возможность определения напряжений на разных масштабных уровнях, является важной и актуальной задачей для практики разработки соляных месторождений.
Диссертационные исследования выполнены в соответствии с планами общеакадемической проблемы 12.9 "Разработка месторождений и обогащение полезных ископаемых", тема "Разработка комплекса геолого-геофизичских, геомеханических и технологических мероприятий по предотвращению нарушений сплошности водозащитной толщи на месторождениях полезных ископаемых, залегающих в аномально-сложных горно-геологических условиях", утвержденная Постановлением ГКНТ СССР N 191 от 21.06.88 г (№ гос. per. 01890011297); темы "Исследование закономерностей деформирования и разрушения осадочных толщ в процессе их формирования и техногенного воздействия", утвержденной Постановлением Президиума АН № 292 от 12.04.88 (№ roc. per. 01.9.90 000447).
Целью работы является разработка методик измерения напряжений в соляных массивах, учитывающих структурные и деформационные особенности пород и обеспечивающих повышение достоверности и информативности геоконтроля.
Идея работы заключается в адаптации инструментальных методов измерения напряжений к условиям соляньк породных массивов и использовании при интерпретации их результатов аппарата математического моделирования геомеханических процессов.
Задачи исследований:
изучить закономерности деформирования соляных пород для повышени точности определения напряжений методами разгрузки;
адаптировать технологию инструментальных методов измерения напря жений к условиям соляных породных массивов;
разработать методики измерения напряжений в соляных породах, обеспе чивающие возможность получения информации о напряженном состоянии мае сива на этапах проектирования и разработки месторождения;
на основе методов математического моделирования разработать способі оценки напряженного состояния ненарушенного массива по результатам изме рения напряжений на обнажениях;
для условий Верхнекамского калийного месторождения решить ряд прак тических задач, связанных, с инструментальной оценкой напряженного состоя ния соляного массива и конструктивных элементов камерной системы разра ботки.
Методы исследований предусматривали комплексный подход к решении поставленных задач и включали: анализ и обобщение научного и практической опыта по проблеме, лабораторные испытания, натурные измерения, использо вание аппарата математического моделирования и методов статистической об работки данных.
Научные положения, выдвигаемые на защиту:
-
При измерении напряжений в соляном массиве методами разгрузки не обходимо учитывать анизотропию упругих свойств пород и базу измерений определяющую размер образца (блока), на котором осуществляется определе ние механических показателей. Это позволяет снизить погрешности при вычис лении величин напряжений на 20-100 %.
-
Достоверность оценки естественного напряженного состояния ненарушенного соляного массива по результатам измерения напряжений на обнаже ниях повышается за счет разработанной численной схемы интерпретации, основанной на определении области допустимых значений коэффициентов бокового распора, которые обеспечивают соответствие расчетных величин натурным данным одновременно в двух взаимно перпендикулярных выработках.
-
Компяекеирование на стадии геологоразведочных работ результатої геофизического исследования степени овализации скважин и изучения закономерностей проявления акустоэмиссионного эффекта памяти при испытание керна, позволяет получить информацию о величине и направлении действш главных напряжений в ненарушенном массиве.
-
Региональное поле напряжений в ненарушенном массиве Верхнекамского калийного месторождения близко к гидростатическому и характеризуется линейной зависимостью напряжений от глубины залегания горных пород. Максимальные горизонтальные напряжения ориентированы в широтном направлении и на 15-30 % превышают меридианальные. В пределах месторождения возможно формирование локальных зон аномального распределения напряжений,
связанных с особенностями глубинного строения массива, в которых их величина может отличаться на 30-50 % от средних значений.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: представительным объемом инструментальных измерений, удовлетворительной сходимостью результатов определения напряжений разными методами, корректностью применяемого математического аппарата, строгой постановкой теоретических задач.
Научная новизна.
-
Определены коэффициенты анизотропии упругих свойств для основных типов соляных пород.
-
Установлено влияние масштабного фактора на изменение модулей упругости и деформации пород.
-
Разработан расчетный метод оценки напряженного состояния ненарушенного массива по результатам измерения напряжений на стенках двух взаимно перпендикулярных выработок.
-
Построена вычислительная схема оценки напряженного состояния ненарушенного массива по результатам измерения конвергенции выработки в процессе ее проходки.
-
Предложена методика оценки напряженного состояния породного массива, основанная на геомеханической интерпретации геофизических исследований параметров овализации стволов глубоких скважин.
-
Установлено, что при скоростях распространения упругих волн в образцах соляных пород меньше 3500 м/с акустоэмиссионный эффект памяти не проявляется.
Практическая пенность работы состоит в разработке методик и технических средств определения величин напряжений в окрестности горных выработок и в нетронутом массиве соляных пород, применение которых позволяет решать обширный круг задач по геомеханическому обеспечению безопасной эксплуатации рудников Верхнекамского месторождения калийных солей.
Реалнзапия результатов работы. Результаты данной работы использовались для параметрического обеспечения ряда геомеханических расчетов, связанных с оценкой безопасных условий подработки водозащитной толщи на рудниках ОАО «Сильвинит» и ОАО «Уралкалий»; для определения размеров участка закладки выработанного пространства в окрестности зоны массового обрушения пород на руднике СКРУ-2; для оценки срока службы междукамерных целиков под территорией городской застройки на рудниках СКРУ-1 и БКРУ-1.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзной конференции «Управление НДС массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых» (Новосибирск-Екатеринбург, 1994 г.); Международном семинаре «Напряжения в литосфере» (Москва, 1994 г.); Международном симпозиуме «Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений в зонах градопромыш-ленньгх агломераций» (Пермь, 1995 г.); Международных конференциях «Гео-
механика в горном деле» (Екатеринбург, 1996, 2000 г.г.); XI-ой Всероссийской конференции по механике горных пород (С.-Петербург, 1997 г.); Международной конференции «Горные науки на рубеже XXI века» (Москва-Пермь, 1997 г.); Международной конференции «Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения)» (Екатеринбург, 1998 г.); Международной конференции «Проблемы безопасности и совершенствования горных работ» (Москва — С.-Петербург, 1999 г.); Международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние земных недр» (Новосибирск, 1999 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 работ.
Обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, содержит 160 страниц машинописного текста, включая 50 рисунков, 32 таблицы и списка использованной литературы из 140 наименований.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность сотрудникам лабораторий физических проблем освоения георесурсов и механики горных пород Горного института УрО РАН за плодотворное сотрудничество, а работникам ОАО «Сильвинит» за заинтересованность и поддержку в проведении исследований.