Разработка метода прогнозирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород под влиянием водопонижения Косяков Сергей Иванович

Содержание к диссертации

Введение

1. Состояние изученности вопроса деформирования массива no- lo род при водопонижении

1.1. Опыт наблюдений за деформациями массива пород при отборе жидкости

1.2. Анализ исследования процессов в массивах пород при водопонижении

1.2.1. Процесс уплотнения горных пород за счет снятия эффекта гидростатического взвешивания 24

1.2.2. Изменение деформационных свойств осушаемых пород в сторону их упрочнения v 25

1.3. Методы прогнозирования деформаций водонасыщенных пород при водопонижении 27

Выводы и постановка задач исследований 31

2. Исследование напряженно-деформированного состояния гор ных пород при водопонижении 33

2.1. Механико-математическая модель процесса и решение задачи в общем виде 33

2.2. Моделирование на аналоговых вычислительных машинах 40

2.3. Моделирование на ЭЦВМ с помощью метода конечных элементов

3. Экспериментальные исследования изменения деформационных свойств пород при водопонижении 48

3.1. Геологическая и гидрогеологическая обстановка и технология работ, формирующие условия деформирования пород месторождений "Мир" и "Интернациональное" 48

3.2. Изучение деформационных и реологических свойств горных пород Яковлевского и Висловского месторождений КМА

3.3. Изучение деформационных свойств пород месторождений "Мир" и "Интернациональное" 66

4. Прогнозирование напряженно-деформированного состояния горных пород при водопонижении 72

4.1. Апробация методики расчета деформаций горных пород осадочной толщи на примере ІОжно-Белозерского месторождения железных руд 72

4.2. Оценка оседания поверхности земли при осушении месторождений трубок "Мир" и "Интернациональное". 80

Выводы

Заключение

Литература

• Анализ исследования процессов в массивах пород при водопонижении
• Моделирование на аналоговых вычислительных машинах
• Изучение деформационных и реологических свойств горных пород Яковлевского и Висловского месторождений КМА
• Оценка оседания поверхности земли при осушении месторождений трубок "Мир" и "Интернациональное".

Введение к работе

Коммунистическая партия и Советское правительство уделяют большое внимание развитию горнорудной отрасли промышленности. Б свете принятого в 1977 году постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О мерах по дальнейшему развитию черной металлургии в соответствии с решениями ТИ съезда КПСС" намечается реконструкция ряда существующих горнодобывающих предприятий и промышленное освоение разведанных железорудных месторождений / 41 /.

Разведанные и намеченные к разработке месторождения богатых железных руд КМ, а также некоторые месторождения (месторождения "Мир", "Интернациональное") характеризуются сложными гидрогеологическими условиями, осложняющими их строительство и эксплуатацию. Так, например, для месторождений богатых железных руд КМА. характерно залегание над рудными телами комплекса осадочных неустойчивых пород, содержащих до девяти водоносных горизонтов и имеющих между собой либо прямую гидравлическую связь, или же эта связь осуществляется через слабопроницаемые глинистые слои.

Для безопасного ведения горных работ на такого рода месторождениях, как правило, необходимо снижать уровни подземных вод над горизонтами отработки полезных ископаемых. Это приводит к существенным изменениям напряженного состояния осушаемой толщи и вызывает деформацию последней, что вызывает повреждения инженерных сооружений, находящихся в зоне смещения горных пород. Об этом свидетельствует значительный опыт эксплуатации водозаборов, осушения месторождений, добычи нефти и газа как у нас в стране, так и за рубежом. Наиболее характерным примером проявления такого рода процессов является осушение Южно-Белозерского месторождения железных руд.

В период освоения Южно-Белозерского месторождения железных руд (1966 г.) под влиянием дренажных работ начало происходить уплотнение пород как самих водоносных горизонтов, так и разделяющих их слабопроницаемых слоев, а вслед за ними и оседание дневной поверхности. При этом начали наблюдаться деформации крепи шахтных стволов и смещение их оси от первоначального положения. В то же время при сдвижении поверхности нарушилась устойчивость надшахтных зданий и сооружений, надземных машин. Эти процессы продолжают развиваться и в настоящее время. Так, вертикальные смещения поверхности земли в зоне ведения дренажных работ приближаются уже к 3 м, а горизон -тальные смещения превысили 0,5 м. Затраты, связанные только с ремонтом крепи шахтных стволов, к настоящему времени превысили I млн. рублей. Причем, как было отмечено В.В.Мольковым / 63 /, значительный ущерб крепи стволов был нанесен не только вертикальным, но в основном горизонтальными смещениями. Существующие в настоящее время методы расчета, основанные в основном на компрессионной теории Тер-паги-Герсеванова /18, 86 /.позволяют достаточно успешно моделировать лишь вертикальные смещения, тогда как методы расчета горизонтальных смещений разработаны совершенно недостаточно.

Опыт строительства и эксплуатации Южно-Белозерского месторождения железных руд показывает, что при освоении месторождений по -лезных ископаемых, аналогичных по инженерно-геологическим и гидрогеологическим условиям указанному месторождению, необходимо прогнозировать величину и характер как вертикальных, так и горизонтальных смещений водоносных и покрывающих их пород. Такие сведения необходимы для проектирования крепи шахтных стволов и горизонтальных выработок, а также при возведении надшахтных зданий и сооружений.

В работе-проанализированы материалы наблюдений за оседанием поверхности в результате отбора вод, добычи нефти и газа, как у нас в стране, так и за рубежом. Проанализированы процессы, происходящие в массивах пород при отборе жидкости. Проведены аналитические иссле - 6 дования вопроса изменения напряженно-деформированного состояния горных пород при водопонижении. На основании этих исследований предложены зависимости, позволяющие определять вертикальные и горизонтальные компоненты смещений толщи, покрывающей осушаемые породы. Предложена методика определения деформационных свойств поровых и по-рово-трещинных коллекторов. Проведены экспериментальные исследования деформационных свойств пород Яковлевского и Висловского месторождений железных руд КМА и месторождений "Мир" и "Интернациональное". Установлено, что процесс деформирования пород этих месторождений при водопонижении будет носить линейный характер. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований осуществлен прогноз возможных деформаций толщ при водопонижении на алмазных месторождениях "Мир" и "Интернациональное", а также Южно-Бело з ерском месторождении железных руд.

Актуальность темы. "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на І98І-І985 гг. и на период до 1990 года", принятыми ХХУІ съездом КПСС, предусматривается обеспечить опережающее развитие сырьевой базы горнорудной промышленности, что влечёт за собой отработку месторождений полезных ископаемых, находящихся в сложных геологических и гидрогеологических условиях. Зачастую для безопасного ведения горных работ на таких месторождениях возникает необходимость осушения обводненной надрудной толщи, напоры воды в которой могут быть значительны. Это ведет к существенному изменению напряженно-деформированного состояния осушаемых пород, приводящему к значительному ущербу инженерных сооружений.

Например, на Запорожском железорудном комбинате в результате глубокого водопонижения оседание земной поверхности достигло 2,9 м, все вертикальные шахтные стволы деформировались, а их крепь на многих участках получила существенные разрушения. Суммарные затраты на ремонт крепи и армировки стволов превысили миллион рублей. Для раз работки мероприятии по защите инженерных сооружений от влияния деформаций пород при проведении водопонижения необходим достоверный прогноз последних. В настоящее время вопрос оценки деформаций горных пород при водопонижении изучен недостаточно, особенно слабо разработаны методы расчета горизонтальных смещений. Поэтому установление закономерностей деформирования массива горных пород при водопонижении, позволяющих разработать метод прогнозирования его напряженно-деформированного состояния является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление закономерностей деформирования массива горных пород при водопонижении, позволяющих разработать прогноз напряженно-деформированного состояния для выбора рационального размещения узлов податливости в стволах, находящихся в зоне осушения, что обеспечивает снижение затрат на их эксплуатацию.

Идея работы заключается в установлении влияния сжимаемости твердой и жидкой фаз горных пород на их деформирование вследствие водопонижения.

Научные положения, разработанные лично диссертантом и новизна:

разработан метод прогнозирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород под влиянием водопонижения, отличающийся тем, что вертикальные и горизонтальные смещения горных пород устанавливаются с учетом сжимаемости её твердой и жидкой фаз;

впервые установлено, что величина горизонтальных смещений массива пород зависит от его деформационных свойств и крутизны депрес-сионной воронки, при этом максимум горизонтальных смещений перемещается в соответствии с развитием в массиве депрессионной воронки;

впервые установлено, что деформации трещиноватых породных массивов при проведении в них водопонижения обусловлены уменьшением трещинной пустотноети.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

удовлетворительным согласованием смещений горных пород, рассчитанных по теории упругости, и их моделирования на аналоговых вычислительных машинах и ЭЦВМ с данными наблюдений за оседанием земной поверхности шахтного поля Южно-Белозерского месторождения железных руд и данными натурных наблюдений за смещениями шахтных стволов на этом месторождении (расхождение результатов не превышает 7 %);

положительными результатами внедрения "Рекомендаций по величинам деформаций горных пород при водопонижении на руднике "Интернациональный" при проектировании крепи шахтных стволов рудника проектной конторой треста "Шахтспецстрой".

Значение работы: научное значение работы заключается в установлении взаимосвязи между горизонтальными и вертикальными смещениями массива горных пород при водопонижении, что развивает существующие представления о механизме деформирования при водопонижении.

Практическая ценность работы заключается в разработке "Рекомендаций по величинам деформации горных пород при водопонижении на руднике "Интернациональный", которые позволяют определять деформации крепи стволов и надшахтных сооружений при проведении водопонижения на руднике.

Реализация выводов и рекомендаций работы:"Рекомендации по величинам деформаций горных пород при водопонижении на руднике "Ин -тернациональный" внедрены проектной конторой треста "Шахтспецстрой" при проектировании крепи шахтных стволов рудника "Интернациональный" с экономическим эффектом в 82,5 тыс.рублей.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзном семинаре "Научные основы и методы изучения инженерно-геологических условий в процессе разведки месторождений полезных ископаемых", на научно-технической конференции молодых уче ных и специалистов по вопросам развития КМА., на республиканском семинаре "Изучение гидрогеологических условий и элементов водного баланса под влиянием разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом и строительства крупных гидротехнических сооружений".

Публикация. Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах.

Объём работы. Диссертация общим объёмом 107 страниц машинописного текста состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы, включающего 128 названий, 27 рисунков, 5 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность проф., д.т.н. Баклашо-ву И.Б., д.т.н. Казикаеву Д.М., к.т.н. Чужо В.М. за ценные советы при подготовке диссертационной работы.  

Анализ исследования процессов в массивах пород при водопонижении

Анализ полученных сведений по оседанию поверхности земли, теоретические и экспериментальные исследования различных авторов / 9, 18,22,26,27,35,49,54,64-68,70,86 /показали, что величина и характер деформаций массива горных пород зависят от многих факторов. Определяющими являются: 1) геологические - литология пород, мощность слоев, их чередование ;2) инженерно-геологические - инженерно-геологическая структура массива, физико-механические свойства пород;3) гидрогеологические - количество водоносных горизонтов, их гидравлическая связь между собой, мощность, высота напора, тип коллектора;4) горнотехнические - системы отработки и осушения месторождения.

При этом в осушаемых массивах развиваются следующие процессы:а) уплотнения горных пород за счет снятия эффекта гидростати- х ческого взвешивания;вопросы нашли освещение в работах К.Терцаги /79, 85 /, Н.М.Герсеванова / 21 /, В.А.Флорина / 91-94 /, М.Н.Гольдштейна /22/, Ю.К.Зарецкого / 28 /, В.М.Добрынина / 26 /, В.Н.Щелкачева /99,100 / и др.

Как известно, при снижении напора жидкости в пласте (пластового давления) Р возрастает эффективное давление на скелет породы РглрРэф-Рг-сР (1-І)где Рг - горное давление, МПа; с - коэффициент разгрузки.Н.Брандтом / 26 / было определено, что С = 1,если Р 0,Ь"к Поскольку последнее неравенство практически всегда соблюдается, то формула (I.I) принимает довольно простой и наиболее употребляемыйвид

По мнению В.Н.Щелкачева / 100 / для механизма деформации в общем случае характерно следующее:при уменьшении нагрузки на зерна скелета горной породы последние увеличиваются в объёме и уменьшают поровое пространство. Так как коэффициент сжимаемости скелета породы очень мал, этот фактор имеет незначительное влияние;в результате увеличения эффективного давления возрастает нагрузка на скелет, происходит сжатие скелета и уменьшение порового пространства (эта деформация обратима);может произойти переупаковка зерен (эта деформация необратима);в породе может находиться менее жесткое цементирующее вещество, его деформация может повлиять на упаковку зёрен.

Таким образом, если в процессе деформации пород преобладают I и 2 факторы, то деформации носят упругий характер. При преобладании 3 и 4 факторов, деформации носят реологический характер. Возможна также комбинация деформаций упругости и ползучести.

С таким описанием механизма деформации можно согласиться и,как будет показано ниже, современные теории расчета деформаций водона-сыщенных горных пород при их осушении основываются на этом представлении.

Как показывают теоретические исследования, приведенные В.Н.Щел-качевым, Г.Брандтом, И.Феттом, В.М.Добрыниным / 26 /, коэффициент сжимаемости пор р„ для модели идеализированной породы, представленной упругими шарами, зависит от эффективного давления. В.М.Добрынин / 26 /, основываясь на модели В.Н.Щелкачева для одинаковых упругих шаров в кубической упаковке, дал следующую зависимость коэффициента сжимаемости пор К от действия одноосного давления на где Кп - первоначальная пористость; ETg - модуль Юнга материала шаров; Утб - коэффициент Пуассона материала шаров.

Этот факт при больших значениях эффективного давления был подтвержден также и экспериментально.Анализируя эксперименты И.Фетта по определению коэффициент сжимаемости порового пространства кварцевого песчаника, а также эксперименты, выполненные в Московском институте нефтехимической и газовой промышленности, В.М.Добрынин / 26 / предложил следующую зависимость рп от эффективного давления Рэ ргде PmLa - значение эффективного давления, при котором начинается уменьшение J3n ; Pmax - значение эффективного давления, при котором Рп 0

Исследования В.ДДомтадзе на глинах при высоких давлениях до 500 МПа также показали, что сжимаемость глин зависит от давления / 51 /. Автор выделил 3 стадии уплотнения глин по мере отжатия различных фаз воды:1) при давлениях от 0 до 5-Ю МПа отжимается свободная вода, глина сильно сжимаема. Коэффициент сжимаемости порового пространства в этом интервале постоянный. Однако, величина этого интервала зависит в большей степени от структуры глины и для некоторых видов глин равна нулю;2) при давлениях от 5 до 10-30 МПа отжимается рыхлосвязная вода, сжимаемость глин резко падает; 3) при давлениях свыше 30 МПа отжимается прочносвязная вода, часть которой переходит в свободную.

На Яковлевском месторождении железных руд КМА. глубина водопони-жения будет достигать 400-500 м, что соответствует приращению эффективного давления до 4-5 МПа, то есть здесь можно ожидать для некоторых видов горных пород изменения коэффициента сжимаемости в пределах изменения эффективных давлений. Этот вопрос требует своего изучения.

Впервые фильтрационная теория консолидации была предложена К.Терцаги. Эта теория в основном предназначалась для нужд строительной практики. Здесь рассматривался следующий процесс. При нагруже-нии водонасыщенного грунта давление переносится на воду, которая, если для этого есть условия, начинает отжиматься. Часть приложенных напряжений переносится на скелет грунта, что в свою очередь уменьшает избыточное поровое давление. Так как нагрузки на грунт для этих условий являются незначительными (десятые доли МПа), К.Терцаги оказалось возможным ввести следующие упрощающие положения:1) ступени нагрузки прикладываются мгновенно;2) сжатие грунта и отток воды являются одновременными процессами;3) грунт полностью насыщен водой;4) действителен закон Дарси;5) вода и минеральные частицы сами по себе несжимаемы;6) коэффициент проницаемости и сжимаемости минерального скелета остаются постоянными для данной ступени нагрузки;7) деформации малы по сравнению с первоначальной высотой сжимаемого слоя.Уравнение одномерной теории консолидации Терцаги имеет вид

Моделирование на аналоговых вычислительных машинах

Полученные зависимости (2.29) и (2.30) позволяют оценить смещения пород при большой степени схематизации условий деформирования.

Существуют приближенные методы, позволяющие с меньшей степенью схематизации моделировать природные условия. Одним из таких методов может являться моделирование процессов деформаций при водопо-нижении на аналоговых вычислительных машинах.

Методика моделирования таких процессов применительно к электроинтеграторам типа УСМ-І, БУСЕ и т.д. была разработана В.М.Чуйко Решение задачи производится одновременно на двух, или на одной сетке методом последовательных приближений.

В первой "тжтерации потенциалы на сопротивлениях задаются в узловые точки, расположенные в кровле сжимаемого пласта. Величины U и ЇЇ , входящие в соотношения (2.36) и (2.37), полагаются равными нулю. При последующих приближениях процесс решения такой же, как и при первой итерации, однако, значения U и V берутся из предыдущей итерации, кромв того, при расчете потенциалов, задаваемых в узлы, расположенные выше сжимаемой толщи, в выражениях (2.36) и (2.37) отбрасываются члены, содержащие величины понижений 3 уровней подземных вод.

Итерационный процесс считается законченным, когда значения перемещений в предшествующем и последующем приближении совпадают. Значения U , U пересчитываются по значениям потенциалов Уш , полученных при отсчете на потенциометре измерительного устройства в момент компенсации, по формуле

Большие возможности для расчета напряженно-деформированного состояния массива горных пород, в том числе и при водопонижении представляет метод конечных элементов.

Суть его заключается в следующем. Исследуемая область разбивается на конечное число элементов. Как правило, для плоской или осе-симметричной в разрезе задачи наиболее удобно применять треугольные элементы, поскольку краевые условия наиболее просто записываются вдоль стороны треугольника. Затем внутри каждого элемента разбиения задаются функции перемещений Ц , If в виде полиномов третьей степени.

Определение искомых напряжений и перемещений и осуществляется на основе вариационных принципов. Для каждого элемента задаются некоторые единичные перемещения. Деформации определяются из уравнений Коши, напряжения - из закона Гука.

Потенциальная энергия возможного деформирования на площади элемента определяется по формуле І -го единичного перемещения в і -й компонент узловых сил; Li элемент матрицы жесткости - -го элемента, характеризующий вкладj -го единичного перемещения в 1-й компонент узловых сил.

После построения матрицы жесткости для всей области, имеющей порядок 2М, составляется система линейных уравнений

Таким образом задача сводится к решению 2М - числа алгебраического уравнения с 2М коэффициентами, для решения которых можно применять ЭЦВМ.

Здесь необходимо отметить то обстоятельство, что у границ исследуемой области точность прогноза падает из-за принятого допущения о постоянстве в пределах элемента напряжений и деформаций. Поэтому для повышения точности расчетов вблизи интересующих нас областей сетка элементов должна быть сгущена.

Нами использовалась в расчетах программа решения плоской задачи теории упругости, разработанная применительно к ЭЦАМ БЭСМ-4М Ю.Н.Ефимовым, Л.Б.Сапожниковым и А.П.Троицким / 37 /.1. Предложены зависимости (2.29),(2.30), позволяющие оценить как вертикальные, так и горизонтальные смещения покрывающей водоносный комплекс толщи и могут быть взяты за основу исследований изменения напряженно-деформированного состояния горных пород при проведении водопонижения.2. Для более детальных исследований напряженно-деформированного состояния пород при водопонижении возможно применение как моделирования этого процесса на электроинтеграторе, так и расчет на ЭЦВМ с применением метода конечных элементов. горных пород зависит от таких свойств пород, как коэффициент объёмного сжатия водонасыщенных пород, модуль сжимаемости перекрывающих пород Е , их коэффициентов Пуассона. Кроме того, характер деформирования горных пород во времени зависит от их реологических свойств. Этот фактор хорошо иллюстрируется примером оседания поверхности земли на Белозерском месторождении железных руд, которое продолжалось и после прекращения понижения уровня подземных вод.

По этой причине важное место в исследовании процесса деформации горных пород при водопонижении занимает вопрос изучения деформационных и реологических свойств пород.

Процессы деформации горных пород при водопонижении происходят на объектах, находящихся в различных геологических и гидрогеологических условиях, с различными системами отработки и системами водо-понижения. Это накладывает значительные особенности на характер деформирования и его величину. Например, при открытых разработках происходит дренирование всех обводненных литологических разностей, вовлеченных в отработку. При подземных же работах, особенно с закладкой выработанного пространства, дренируются, как правило, лишь породы, обводняющие рудную залежь, это вносит существенную разницу в характер деформации осушаемых пород по сравнению с залегающими выше недренируемыми породами. Огромное влияние на процесс развития деформаций играют также геологические и гидрогеологические условия.

Рассмотрим условия деформирования пород месторождений "Мир" и "Интернациональное".Коренные месторождения алмазных трубок "Мир" и "Интернацио -нальное" располагаются в Якутской АССР. Месторождение трубки "Мир" находится в черте г.Мирного, Территория района представляет собой равнину, слаборасчлененную современной гидросетью. Абсолютные отметки земной поверхности в районе месторождения трубки "top" ко -леблются от +302 до +341 м, в районе трубки "Интернациональная" -от +360 до 400 м.

Кимберлитовые трубки "Мир" и "Интернациональная" представляют собой крутозалегающие трубообразные тела, сужающиеся с глуби -ной. Оба месторождения отрабатываются в настоящее время открытым способом. Проектная глубина карьера "Мир" 450 м, карьера "Интер -национальный" 330 м. В дальнейшем оба месторождения предполагается отработать подземным способом.

Вмещающие породы представлены галогено-карбонатными и биту -минозными отложениями толбачанской, олекминской, чарской свит (нижний кембрий), а также теригенно-карбонатными и сульфатно-карбонатными отложениями ичерскои, матегерской, верхоленской и илгин-ской свит (средний и верхний камбрий).

Отложения чарской свиты являются почвой метегеро-ичерского водоносного комплекса. При снижении уровня подземных вод в последнем породы чарской и нижележащих свит практически не будут испытывать деформаций и по этой причине рассматриваться не будут. Водовмещаю-щие породы метегерскои и ичерскои свит представлены известняками идоломитами. При этом наблюдается чередование толщ с пониженными и

Изучение деформационных и реологических свойств горных пород Яковлевского и Висловского месторождений КМА

В качестве апробации методики изучения деформационных свойств поровых коллекторов путем моделирования процессов водопонижения при водится применение такой методики к изучению деформационных свойств пород Яковлевского и Висловского месторождений богатых железных руд КМА. Полученные данные предполагается использовать при дальнейших исследованиях в рамках ВИР, выполняемой в институте ВИОГЕМ, связанной с прогнозом деформаций горных пород при водопонижении на Яков-левском месторождении при участии автора.

Были проведены эксперименты по определению коэффициентов объёмного сжатия и коэффициентов Пуассона песчано-глинистых пород нижнего водоносного комплекса обоих месторождений. Всего было испытано НО образцов, отобранных из инженерно-геологических скважин, пройденных в районах расположения обоих месторождений.

В ходе опытов моделировались процессы, происходящие в массиве пород при его осушении. Это производилось следующим образом. Исследовались образцы цилиндрической формы диаметром 50 мм и высотой от 40 до 100 мм. Образец породы помещался в камеру стабилометра, где насыщался водой. На первом этапе опыта образец выводился в исходное напряженное состояние, соответствующее состоянию того участка массива, из которого был взят исследуемый образец. Боковое и вертикальное давление на образец поднимались ступенями по 0,3 МПа. На последней ступени выдерживалось заданное вертикальное, боковое и поровое давление.

Эксперименты проводились в условиях равенства горизонтальных и вертикальных напряжений в соответствии с методикой определения главных нормальных напряжений в районах со спокойной тектоникой/26/, к которому можно отнести и Белгородскую группу месторождений. Эта методика основана на предположении, что в силу релаксации касательных напряжений в течение геологического времени главные нормальные напряжения равны между собой.После полной консолидации образца в условиях напряженного состояния проводился второй, основной этап опыта, в котором модели ровался процесс водопонижения в массиве водонасыщенных горных пород, давление у верхнего торца образца снижалось ступенями по 0,3 МПа до нуля. Каждая ступень выдерживалась до прекращения изменения порового давления у нижнего торца образца и прекращения вертикальных деформаций образца. Боковое и вертикальное давления в процессе опыта оставались постоянными. По результатам опыта строились графики зависимости относительного изменения объёма образца - - от эффективного давления Рэ р . Испытания глинистых пород проводились на образцах различной высоты и показали, что результаты испытаний несущественно отличаются друг от друга. Поэтому все полученные данные аппроксимировались по методу наименьших квадратов. Так, для глин Ja&t+ ь Яковлевского месторождения полученное уравнение имело вид (рис.3.I)

Коэффициент корреляции этого уравнения составляет % = 0,989, значимым с вероятностью больше 99,9 %.Коэффициент объёмного сжатия определялся по известной из теории упругости по формулеР где лРэпз - разность эффективных давлений при данном относительном изменении объёма образца — -.

Для глин JJ t + 6 Яковлевского месторождения коэффициент объёмного сжатия оказался равным 3,6 х ICP MVMH.При этом, исходя из анализа уравнения (3.1), выполненного в соответствии с рекомендациями С.А.Айвазяна / 25 /, коэффициент объёмного сжатия с вероятностью 95 % находится в пределах 3,4-3,8.

Глины &t+ о Висловского месторождения оказались менее ежи Рис.3.I. Обобщенный график зависимости относительного изменения объёма образцамаемыми. Полученное в результате опытов уравнение имеет вид (рис. 3.2)Коэффициент корреляции этого уравнения г - 0,982, значимый с вероятностью больше 99,9 %. Анализ уравнения показывает, что коэффициент объёмного сжатия с вероятностью 95 % находится в пределах (1,5-1,9)-10-3 л /Мн.

Результаты испытаний глин C,V Яковлевского месторождения иллюстрируются рис.3.3 и опсываются уравнениемКоэффициент корреляции этого уравнения Ъ = 0,979, значимый с вероятностью более 99,9 %. Анализ уравнения показал, что коэффициент объёмного сжатия глин C,V Яковлевского месторождения с вероятностью 95 % лежит в пределах (3.1-3,5) 10 NT/MH.

Глины C,V Висловского месторождения так же, как и глины J(,6t+ & , оказались менее сжимаемыми.Результаты испытаний (рис.3.4) описываются уравнениемКоэффициент корреляции этого уравнения t = 0,984, значимый с вероятностью более 99,9 %. Из анализа уравнения следует, что коэффициент объёмного сжатия глин C.V Висловского месторождения с вероятностью 95 % лежит в пределах (1,4-1,8)-10 шг/Мн.

Сжимаемость келловей-батских песков їаК+ К изучалась при проведении трех циклов нагрузки и разгрузки исследуемых образцов. Поскольку испытывались образцы с нарушенной структурой, по мнению В.Н.Щелкачева / 100 / применение такой методики соответствует процессу естественного нагружения горных пород в условиях осадкообра зования. Дело в том, что изготовление образца с ненарушенной структурой из песка весьма затруднительно, а трамбовка его при насипаний в камеру стабилометра не создаёт естественной плотности. Поэтому первый цикл нагружения даёт в значительной степени завышенные результаты и расчет необходимо проводить по последующим циклам.

Опыты показали, что коэффициент объёмного сжатия песков Д,к+ Jbbt не зависит от эффективного давления. Кроме того, оказалось, что результаты испытаний для песков 4 Яковлевского и Висловского месторождений близки между собой (рис.3.5, 3.6).

Как видно из рис.3.5, 3.6, после первого цикла нагрузки коэффициент объёмного сжатия резко уменьшается и для третьего цикла нагрузки для песков j(,K + 5St Яковлевского месторождения составляет р = 2.4 10 wr/Мн, а для Висловского месторождения в = = 2,2 10 иг/Ш, что более чем на порядок меньше сжимаемости глин І&І+& и глин V . Принимая во внимание примерно равные мощности песков и глин, можно считать, что пески J .&t + & практически не сжимаемые.

Достоверность приведенной здесь методики определения сжимаемости келловей-батских песков подтверждают натурные наблюдения за послойным уплотнением горных пород при их осушении на Южно-Белозер-ском месторождении железных руд. По данным смещений реперов, установленных в толще песков в Северном вентиляционном стволе (реперы 210 и 216), рис.1.3, можно считать, что бучакские пески практически не сжимались, несмотря на то, что пьезометрический уровень в них был снижен на 170 м.На основании результатов работ Б.А.Филимонова / 90 / и Н.П.Верещагина / 71 / рудно-кристаллические образования Pt и известншшCjV можно считать практически несжимаемыми, поэтому значения их коэффициентов объёмного сжатия нами не изучались.

Оценка оседания поверхности земли при осушении месторождений трубок "Мир" и "Интернациональное".

После того, как выяснилась возможность применения для расчета предложенных способов прогнозирования напряженно-деформированного состояния массива пород при проведении в нем водопонижения, приведен такой прогноз для месторождения "Мир" и "Интернациональное".

Проведенные нами эксперименты на образцах горных пород обоих месторождений не показали сколько-нибудь заметного проявления ползучести горных пород. Поэтому примем, что процесс деформирования пород на месторождениях "Мир" и "Интернациональное" носит линейный характер.

На основании сведений о геологических и гидрогеологических условий района месторождения, а также результатов лабораторных иссле дований, схема деформирования горного массива при снижении уровня подземных вод в породах метегеро-ичерского водоносного комплекса представляется двухслойной. При этом водосодержащие породы метегерской и ичерскои свит, лежащие на жестком основании - породах чар-ской свиты, представляют собой деформируемый слой. Водоупорные породы метегерской и ичерскои свит залегают в виде линз и по этой причине не имеют существенной жесткости и вследствие того, что породы уплотняться при водопонизительных работах не будут, они исключаются из расчетной схемы. Средняя мощность деформируемого слоя в районе исследований принята равной 170 м. Вечномерзлые породы верхолен-ской и илгинской свит в рассматриваемой схеме деформирования играют роль плиты, лежащей на деформируемом основании и жестко с ним сцепленной. Мощность её принимаем равной 300 м. Поскольку исследуемая нами область представляет пространство между месторождениями трубок "Мир" и "Интернациональная", то покрывающая деформируемый слой плита принимается ослабленной двумя выемками (карьерами).

К дренажным системам обоих карьеров формируются плоско-радиальные потоки. Поэтому прогноз смещений горных пород в районе месторождений производился путем моделирования осесимметричной задачи деформирования массива на электроинтеграторе УСМ-І. Схема разбивки исследуемой области на расчетные блоки изображена на рис.4.6. Поскольку деформационные свойатва пород метегеро-ичерского водоносного комплекса месторождений трубок "Мир" и "Интернациональная" несколько отличаются между собой, деформируемый пласт разделяется на участки I, П, П (рис.4.3). Рассматривалось два варианта.1. Для схемы деформирования пород, предложенной В.М.Добрыниным,принимали следующие значения: 6 = 7,4 10, р = 8 10 , 6 == 8,8 Ю""6 к /Мн.2. Для схемы деформирования, изображенной на рис.3.9: р = обоих вариантов.

Граничные условия принимались следующие. По почве водоносного комплекса задавались нулевые перемещения как горизонтальные, так и вертикальные (нулевые потенциалы). Борт карьера "Мир" свободно деформировался, так как карьер по проекту вскрывает водоносный комплекс на всю глубину. На боковой границе пород метегеро-ичерского водоносного комплекса карьера "Интернациональный" задавались горизонтальные смещения (потенциалы), поскольку по проекту карьер вскрывает лишь вечномерзлые породы верхоленской и илгинской свит, боковая граница которых не закреплялась. Результаты моделирования изображены на рис.4.4 и 4.5. Здесь необходимо отметить, что за счет взаимодействия между дренажными системами обоих рудников можно считать, что в районе между этими месторождениями формируются плоскопараллельные потоки, поэтому расчет деформаций для указанного района можно проводить с помощью зависимостей (2.30), а также по программе Ю.Н.Ефимова / 37 / на ЭЦВМ БЭСМ-4М.

Результаты расчета смещений вечномерзлых пород по зависимостям (2.30) приведены на рис.4.6.Кроме того, прогноз смещений горных пород в районе месторождений проводился с помощью метода конечных элементов по программе Ю.Н.Ефимова / 37 /. Граничные условия принимались такими же, как и при моделировании на УСМ-І. Результаты расчета приведены на рис.4.7 и 4.8. Как видно из рис.4.4, 4.5, 4.7, 4.8 результаты расчетов смещений толщи горных пород хорошо согласуются между собой.

Смещения толщи вечномерзлых пород, полученные аналитическим методом близки как по величине, так и по характеру, смещениям, по- лученным методом конечных элементов на ЭЦВМ. Это еще раз подтверждает то, что программа решений плоской задачи теории упругости может с успехом применяться при расчете оседания поверхности под влия Рис.4.4. Вертикальные смещения по профилю трубки "Мир". - трубка "Интернациональная" моделирование на УСМ-І: I, 3 - смещение кровли водоносного горизонта для I и П " вариантов; 2, 4 - смещение поверхности земли соответственно для вариантов I и П ниєм водопонижения.

Характер смещений вечномерзлой толщи при решении задачи в плоской и осесимметричной постановке различный. Если при решении плоской задачи теории упругости покрывающая деформируемый слой толща вечномерзлых пород практически не разуплотнялась, то решение задачи в осесимметричной постановке различное. Если при решении плоской задачи теории упругости покрывающая деформируемый слой толща вечномерзлых пород практически не разуплотнялась, то решение задачи в осесимметричной постановке даёт заметное разуплотнение покрывающей водоносный комплекс толщи. Оседание поверхности здесь оказалось в среднем на 20 % меньше кровли деформируемого слоя.

Общее же смещение кровли водоносного пласта, полученное раз -личными методами, имеет одинаковые значения. Результаты расчета смещений толщи горных пород для П варианта оказались существенно меньше, чем для I варианта, то есть по схеме деформации горных пород, предложенной В.М.Добрыниным. Однак, принимая во внимание малую изученность вопроса деформаций порово-трещинных коллекторов, рекомендовать для расчета деформаций предложенную на рис.3.9 схему деформирования трещинных коллекторов представляется преждевременным. Для этого требуется подтверждающие такую схему данные натурных наблюдений.

Поэтому на основе проведенных расчетов можно ожидать следующих значений смещений. Для района заложения шахтных стволов месторождения трубки "Мир" оседание поверхности составит около 14 см, кровли водоносного горизонта 16 см. Горизонтальные смещения поверхности земли 0,5 см с направлением в сторону водопонижающих скважин. Для района заложения шахтных стволов месторождения трубки "Интернациональная" оседание поверхности составит 9 см, водоносного горизонта II см, горизонтальные смещения поверхности земли 0,4 см с направле ниєм в сторону карьера.

Учитывая то обстоятельство, что величина деформаций горных пород пропорциональна их пористости, на основании данных распределения пористых пород по разрезу скважин можно построить вертикальные смещения по такому разрезу. На рис.4.9 и 4.10 изображены ожидаемые вертикальные смещения горных пород в районе заложения шахтных стволов на обоих месторождениях. 1. Расчетная схема деформирования горных пород на рассмотренных месторождениях прдставляется двухслойной.2. Предварительный расчет деформаций горных пород для Ккно-Белозерского месторождения показал хорошую сходимость натурных и расчетных данных. При прогнозировании оседания поверхности в районе шахтного слоя на этом месторождении целесообразно пользоваться предложенными логарифмическими зависимостями (4.13)-(4.17).3. На основании проведенных исследований определены ожидаемые смещения горных пород в районе шахтных полей месторождений трубок "Мир" и "Интернациональная".