Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Калийные месторождения характеризуются сложными горно- и гидрогеологическими условиями. Соляные породы склонны к ползучести, которая лосит нелинейный характер и сопровождается разрушением. По глинистым прослойкам происходит расслоение и отслоение пород. Увеличение глубины горных работ, содержания в пластах слабых прослойков усиливают влияние на деформирование и устойчивость выработок различных Факторов.
Сильвинитовые пласты на Верхнекамском месторождении калийных и калийно-магниевых солей отрабатываются камерной системой. Обводненность надсоляной толщи и легкая растворяемость солей определяют параметры разработки и ограничивают количество одновременно разрабатываемых пластов.
При определенных горно-геологических и горнотехнических условиях очистные выработки теряют устойчивость до истечения необходимого по условиям эксплуатации времени.
С процессами деформирования и разрушения пород кровли камер верхнего разрабатываемого пласта связаны процессы деформирования пород водозащитной толщи (ВЭТ). В связи с этим проблема обеспечения устойчивого состояния очистных камер при условии повышения коэффициента извлечения полезного ископаемого и сохранения при Этом сплошности ВЗТ достаточно актуальна. Для успешного ее решения необходимо разработать методику , позволяющую еще на стадии проектирования предрассчитать время устойчивого состояния очистных выработок в зависимости от основных влияющих Факторов, в том числе закладки выработанного пространства.
Исследования, положенные в основу диссертационной работы, являются составной чатью работ, проводившихся АО "Галургия" по теме "Разработать "Указания по защите рудников от затопления и охране зданий, сооружений и природных объектов на подрабатываемой территории Верхнекамского месторождения калийных солей" в 1990-93 г.г., в которой автор принимал участие в качестве исполнителя.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является разработка методики оценки времени устойчивого состояния очистных выработок при отработке пологих сильвинитовых пластов с закладкой выработанного пространства.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:
-
Проведение анализа опубликованных в отечественных и зарубежных источниках результатов исследований прочностных, деформационных и реологических свойств сильвинита и каменной соли с целью выбора расчетной модели, расчетной схемы и граничных условий для краевых задач;
-
Разработка пакета программ для ПЭВМ, реализующего методом конечных элементов (НКЭ) Феноменологическую модель деформирования и разрушения соляных пород , которая учитывает их нелинейную ползучесть и разрыхление при нагрузках, превышающих предел длительной прочности, деформирование в предельной стадии со снижением прочностных характеристик;
-
Проведение численных расчетов для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) и оценки устойчивости пород вокруг очистных выработок на основе математического моделирования при учете основных влияющих горно-геологических и горнотехнических Факторов;
-
Оценка упрочняющего влияния закладочного массива на деформирование междукамерных целиков, кровли очистных камер и пород, слагающих ВЗТ, с учетом особенностей деформирования и разрушения соляных пород;
-
Проведение- качественного и количественного анализа влияния основных горно-геологических и горнотехнических Факторов, в том числе закладки выработанного пространства на НДС и устойчивость пород вокруг очистных выработок;
-
Доведение результатов исследований до практического применения, т.е. разработка инженерных методик, позволяющих предрас-считать время устойчивого состояния очистных выработок в зависимости от влияющих Факторов и оценить "упрочняющее" влияние закладки на устойчивость междукамерных целиков и кровли камер.
ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в том , что, учитывая реологические свойства соляных пород, а именно нелинейную ползучесть, разрыхление, деформирование в предельной стадии, и критерии потери устойчивости очистных выработок, можно установить расчетные зависимости времени их устойчивого состояния от основных влияющих горногеологических и горнотехнических Факторов.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ включают анализ и обобщение предшествующих работ, посвященных исследованию НДС и устойчивости соляных пород вокруг выработок, а также Физико-механических свойств соляных пород в лабораторных и натурных условиях; статистическую оценку геологических данных о Факторах, влияющих на устойчивость очистных выработок; математическое моделирование на ПЭВМ; теоретические исследования НДС и устойчивости массива в окрестности очистных, выработок ,' пройденных по сильвииитовым пластам, выполненные МКЭ; математическую обработку результатов расчета и сопоставительный анализ их с экспериментальными данными других авторов.
-
Разработан пакет программ для ПЭВМ типа IBM для автоматизированных расчетов НДС массива вокруг горной выработки в рамках нелинейной вязкоупругости.
-
Установлены новые закономерности влияния основных горногеологических и горнотехнических Факторов (глубины залегания разрабатываемых пластов, мощности междупластья, Формы очистных выработок, коэффициента извлечения полезного ископаемого, ширины неж-ходовых целиков и т. д.) на прогиб кровли очистных выработок и оседание пород, слагающих ВЗТ.
-
Предложена новая модель взаимодействия закладочного массива с соляными породами, окружающими очистную выработку, и алгоритм оценки реакции закладки, реализованный в программном модуле.
-
Установлены новые закономерности влияния глубины разработки, коэффициента извлечения полезного ископаемого, пористости закладочного материала и параметров закладочных работ на значение реакции закладочного массива.
ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений , выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается:
корректностью численных методов исследований и постановки теоретических задач, решением тестовых примеров; качественным соответствием результатов решения задач методом математического моделирования современным представлениям о закономерностях деформирования и разрушения соляных пород вокруг очистных выработок, пройденных по сблизенным сильвииитовым пластам; удовлетворительным . количественным совпадением прогнозируемых величин смещений породного контура очистных выработок с экспериментальными данными дру-
гих авторов (расхождение не превышает 20%); включением результатов исследований в нормативный документ.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ работы состоит в разработке инженерного метода прогноза устойчивости очистных камер на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей, позволяющего принять решения по выбору рациональных параметров системы разработки на конкретном участке вахтного поля.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы использованы при составлении нормативного документа "Указания по защите рудников от затопления и охране зданий, сооружений и природных объектов на подрабатываемой территории Верхнекамского месторождения калийных солей." (Третья редакция) - С.Петербург: ВНИИГалургии, 1993.
В АО "Сильвинит" и АО "Уралкалий" переданы программные модули для ПЭВМ типа IBM для оценки реакции закладки на целики.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения (г.Куйбышев, 1989г.), на Всесоюзной научно-технической конференции с международным ' участием стран СЭВ "Применение статистических методов в производстве и управлении" (г.Пермь, 1990г.), на XVII научно-технической конференции Пермского политехнического института (г.Пермь, 1991г.) , на IX зимней школе по механике сплошных сред (г.Пермь, 1991г.), на XI международной конференции по автоматизации в горном деле (г.Екатеринбург, 1992г.), на X международной конференции по механике горных пород (г.Москва,1993г.)-
Основное содержание диссертации изложено в научных работах, опубликованных в центральных журналах и трудах международных конференций. По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных работ.
ОБЪЕМ РАБОТЫ И ЕЕ СТРУКТУРА. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, содержит 226 страниц машинописного текста, 86 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 145 наименований-