Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема обеспечения безопасной отработки Верхнекамского месторождения калийных солей и защиты рудников от затопления становится с каждым годом все более актуальной. Увеличение объемов выработанного пространства, применение системы разработки с податливыми целиками и связанные с этим относительно большие сдвижения горного массива, дефицит материала для своевременной закладки очистных камер, участившиеся в последнее время аварийные ситуации предопределяют корректировку тактики и стратегии разработки месторождения. Особая роль в реализации этих принципов отводится геомеханическому сопровождению горных работ.
Система геомеханического обеспечения безопасных условий разработки Верхнекамского месторождения калийных солей должна основываться на современных методах расчета, учитывать геологическое строение породного массива, технологические особенности ведения горных работ, реальные размеры горнотехнических объектов. Создание такой системы возможно на основе разработки схем крупномасштабного математического моделирования геомеханических процессов.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами: "Программы комплексных научно-исследовательских работ по изучению водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных солей на 1988-1995 г."(Правительственное поручение N14229 от 22.07.87., постановление АН СССР N 13100/1222-70 от 22.04.88); общеакадемической проблемы 12.9. "Разработка месторождений и обогащение полезных ископаемых", тема" Разработка комплекса геолого-геофизических, геомеханических и технологических мероприятий по предотвращению нарушений сплошности водозащитной толщи на месторождениях полезных ископаемых, залегающих в аномально-сложных горногеологических условиях", утвержденная Постановлением ГКНТ СССР N 191 от 21.06.88 г (N гос.per. 01890011297).
Цель работы - прогноз и оценка изменения состояния водозащитной толщи под воздействием горных работ методами крупномасштабного математического моделирования.
Идея работы заключается в численной реализации синтезированной геомеханической модели подработанного соляного массива, отражающей основные закономерности его деформирования, для оценки безопасных условий подработки водозащитной толщи.
- 4 -Задачи исследований:
построить синтезированную геомеханическую модель подработанного соляного массива, учитывающую его реальное геологическое строение, параметры и динамику ведения очистных работ, основные феноменологические особенности деформирования и разрушения соляных пород;
на основе обобщения экспериментальных данных провести оценку параметров геомеханической модели и разработать вычислительные схемы ее реализации;
оценить влияние напряженно-деформированного состояния основных конструктивных элементов камерной системы разработки на характер деформирования водозащитной толщи;
методами математического моделирования выполнить прогноз состояния водозащитной толщи для различных вариантов ее подработки.
Методы исследования включали обработку и анализ результатов лабораторных и натурных измерений, использование математического аппарата механики твердого деформируемого тела, методы вычислительной математики и ЭВМ при реализации численных процедур решения.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Параметрическое обеспечение синтезированной геомеханической модели подработанного соляного массива, включающей модель разупрочнения во времени междукамерных целиков, а также, построенные на основе резольвенты ядра релаксации Ржаницына, соотношения линей-но-вязкоупругого деформирования слоев ВЗТ.
-
Численный алгоритм учета полной диаграммы деформирования системы междукамерных целиков во времени в процедуре реализации метода геометрического погружения при математическом моделировании геомеханических процессов, определяющих условия разработки Верхнекамского месторождения калийных солей.
-
Методика оценки безопасности подработки водозащитной толщи, основанная на крупномасштабном математическом моделировании изменения напряженно-деформированного состояния массива в процессе ведения очистных работ и критериальном анализе с позиции механики разрушения условий формирования водопроводящих трещин в слоях водозащитной толщи.
-
Вычислительная схема прогноза развития процесса сдвижения подработанного камерной системой разработки массива горных пород.
учитывающая особенности его поведения под нагрузкой, геологическое строение, параметры и динамику очистной выемки калийной руды.
Достоверность научных положений выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, обеспечивается:
корректностью применяемого математического аппарата;
строгой постановкой теоретических задач, решением тестовых примеров;
использованием объективной геомеханической и геолого-геофизической информации для параметрического обеспечения модели;
качественным соответствием результатов, полученных с помощью методов математического моделирования, современным представлениям о закономерностях развития деформаций в подработанном соляном массиве;
сопоставительным анализом результатов математического моделирования с данными инструментальных и геофизических исследований напряженно-деформированного состояния соляного массива.
Научная новизна заключается в следующем:
установлена зависимость коэффициента вязкости соляных пород от скорости их нагружения, определяющая в рамках модели максвел-ловского типа характер деформирования и разрушения междукамерных целиков;
определены количественные характеристики функции влияния в виде трехпараметрического ядра ползучести, адекватно отражающие деформирование соляного массива во времени при различных параметрах системы разработки;
построена вычислительная схема учета латеральной изменчивости свойств соляных пород при оценке безопасных условий подработки водозащитной толщи методами крупномасштабного математического моделирования;
разработан алгоритм оценки влияния закладки очистных камер на процесс деформирования и разрушения пород водозащитной толщи;
получены решения комплекса новых прикладных задач геомеханики соляных пород, которые позволили установить ряд закономерностей, связанных с влиянием количества, порядка и последовательности отработки продуктивных пластов на состояние слоев водозащитной толщи, с формированием зон техногенной нарушенное над выработанным пространством калийных рудников.
Практическое значение работы состоит в разработке:
методики интегрального определения параметров ползучести соляного массива по данным маркшейдерских наблюдений за нарастанием оседаний земной поверхности;
методики прогноза изменения состояния водозащитной толщи в процессе ее подработки;
методики оценки влияния параметров и последовательности отработки продуктивных пластов на условия разрушения слоев водозащитной толщи.
Реализация работы. Разработанные методики и вычислительные схемы оценки безопасных условий подработки ВЗТ внедрены в практику разработки шахтных полей Верхнекамского калийного месторождения АО "Уралкалий" и АО "Сильвинит"(8-9 панель рудника БКРУ-1, З СВП рудника СКРУ-2. 15 ЗП рудника БКРУ-2, 1 панель рудника СКРУ-3). Полученные результаты 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, 1993 г.
Апробация работы.
На научно-технической конференции "Проблемы безопасной разработки калийных месторождений" (Солигорск, 1990 г.), на XXVII научно-технической конференции ПЛИ по результатам научно-исследовательских работ, выполненных в 1988-90 г.г. (Пермь,1991 г.), на региональном совещании "Проблемы техногенного изменения геологической среды и охраны недр в горнодобывающих регионах" (Пермь, 1991 г.), на X Межд. конф. по механике горных пород (Москва, 1993 г.), на Всероссийской конференции "Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых" (Екатеринбург, 1994 г.), на I Межд. семинаре "Напряжения в литосфере" (Москва, 1994 г.), на межрегиональной научно-технической конференции "Математическое моделирование систем и процессов" (Пермь, 1994 г.), на международном симпозиуме "Проблемы безопасности эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций" (Пермь, 1995 г.), на международной конференции "Геомеханика в горном деле -96" (Екатеринбург, 1996 г.), на ученых советах ГИ УрО РАН (1993-1996 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных трудов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников из 97 наименований и содержит 232 страницы, включая 150 страниц машинописного текста, 72 рисунка и 21 таблицу.