Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса 12
1.1. Анализ геологических и горно-технических условий отработки месторождений горно-химического сырья подземным способом..: 13
1.2. Обзор методов расчета параметров различных технологий подземной разработки соляных месторождений 20
1.2.1. Анализ методических особенностей расчёта параметров камерных систем разработки при шахтном способе добычи каменной соли 22
1.2.2. Анализ методических особенностей расчёта параметров камерных систем разработки при подземном растворении соли через скважины 26
1.3. Проблемы отработки запасов каменной соли с помощью "шахтного" способа, включая отработку месторождений купольного типа в осложненных горно-геологических условиях 28
1.4. Проблемы добычи солей из индивидуальных камер с помощью геотехнологических скважин 34
1.5. Выводы по 1-й главе. Цели и задачи исследований 37
2. Анализ и теоретическое обобщение параметров технологических схем отработки месторождений каменной соли методом подземного расворения 41
2.1. Обобщение параметров технологии подземного растворения применительно к отработке месторождений минеральных солей 42
2.1.1. Анализ прогрессивных технологических схем подземного растворения и условий их применения 44
2.1.2. Анализ технологических схем подземного растворения при отработке мощных соляных отложений 51
2.1.3. Управление процессом растворения и контроль параметров камер 52
2.1.4. Направления совершенствования технологии ПРС при отработке мощных залежей минеральных солей 53
2.2. Анализ методик расчёта технологических параметров технологии ПРС ... 55
2.2.1. Аналитические аспекты расчета процесса растворения в камере 56
2.2.2. Инженерные методики расчета процесса растворения в камере 58
2.3. Расчет конструктивных параметров систем разработки каменносоляных месторождений способом подземного растворения на глубоких горизонтах, включая отработку месторождений купольного типа в осложненных горногеологических условиях 62
2.4. Оценка взаимовлияния существующих горных выработок и проектируемые камеры подземного растворения при комплексном способе отработки соляных месторождений -. 70
2.5. Выбор и обоснование метода оценки геомеханического состояния налегающей толщи в условиях глубоких горизонтов месторождений купольного типа 71
2.5.1. Анализ аналитических и численных методов расчёта напряженно-деформированного состояния сплошных сред 72
2.5.2. Методические особенности различных модификаций метода граничных элементов 74
3. Исследование напряженно-деформированного состояния соляного массива при его техногенном возмущении камерами растворения 78
3.1. Горно-геомеханическая модель НДС соляного массива при наличии камер подземного растворения в соляном куполе (штоке) 78
3.2. Результаты моделирования НДС соляного массива 88
3.3. Анализ результатов моделирования отработки месторождений купольного типа способом ПРС 125
4. Обоснование рациональных технологических схем отработки запасов каменной соли методом подземного растворения в условиях месторождений купольного типа 132
4.1. Обобщение результатов моделирования НДС соляного массива при использовании ПРС-технологии для отработки купольных месторождений 132
4.1.1. Разработка инженерных зависимостей для расчета устойчивых состояний междукамерных целиков 132
4.1.2. Разработка инженерных зависимостей для расчета устойчивых состояний потолочин 137
4.2. Разработка алгоритма расчета рациональных технологических схем отработки запасов каменной соли на месторождениях купольного типа 140
5. Разработка эффективных методов интенсификации рассолодобычи 145
5.1. Требования к управлению процессом подземного растворения 145
5.2. Способы контроля параметров камер 149
5.3. Способы интенсификации процесса растворения, основанные на использовании разнофазного состава растворителя 154
Заключение 162
Список литературы 164
- Обзор методов расчета параметров различных технологий подземной разработки соляных месторождений
- Анализ методик расчёта технологических параметров технологии ПРС
- Результаты моделирования НДС соляного массива
- Разработка алгоритма расчета рациональных технологических схем отработки запасов каменной соли на месторождениях купольного типа
Введение к работе
Метод подземного растворения солей (ПРС) через буровые скважины с поверхности получил широкое распространение в бывшем СССР и за рубежом, особенно при разработке каменно-соляных месторождений. В настоящее время на территории бывшего СССР метод применяют 15 рассолодобывающих предприятий, строится и проектируется еще несколько рассолопромыслов. Общая глубина разработки увеличилась с 200 м (Ново-Карфагенский рассолопромысел) до 1700 м (Волгоградский и Зиминский рассолопромыслы). Проведен значительный комплекс опытно-промышленных работ по внедрению метода ПРС на Карлюкском калийном месторождении в Туркмении, ведется опытная добыча бишофита подземным растворением на глубинах до 2500 м на Волгоградском в России, Новоподольском и Полтавском месторождениях на Украине.
Метод ПРС нашел широкое применение при разработке соляных месторождений за рубежом - в США, Германии, Польше, Румынии, Китае, Болгарии, Канаде и многих других странах. Вместе с тем невозможность визуального слежения за технологическим процессом, значительные глубины разработки и сложности геологического строения ряда месторождений ограничивают масштабы применения ПРС. К тому же кажущаяся простота выполнения технологических приемов ПРС и часто невнимание к строительству скважин для этих целей приводили к негативным последствиям и снижали достоинства метода.
Основным объектом технологии ПРС является рассольная скважина -капитальная горная выработка, в которой подача агента растворения и отбор получаемого продукта осуществляются по стволу, содержащему две свободновисящие колонны («труба в трубе»), а добыча полезного ископаемого растворением производится в подземной камере, расположенной в разрабатываемом пласте.
Актуальность темы. Метод подземного растворения солей через буровые скважины с поверхности земли начал промышленно применяться с
60-ых годов XX века и получил широкое распространение во всем мире. Данная технология является одной из самых "молодых" и интенсивно развивается - применяется при отработке практически всех типов месторождений: по форме залегания - пластовые, купольные; пласты от средней мощности (2-ь5 м) до весьма мощных (более 500 м); по глубине залегания (от 100 м до 3 000 м). Камеры растворения в отложениях каменной соли могут быть использованы в качестве резервуаров для хранения углеводородов, или для захоронения различных типов отходов (химическая промышленность, атомная энергетика и др.), причем назначение данных объектов после отработки планируется на стадии проектирования предприятия и предписывается (регулируется) законодательством. Основными особенностями камер растворения являются: значительная глубина заложения, большой объем и сложная форма контура камер. Обеспечение длительной устойчивости таких резервуаров в соляных отложениях при их строительстве и эксплуатации осложняется реологическими свойствами соли и величинами действующих в приконтурном массиве' на рассматриваемых глубинах напряжений.
Основной особенностью месторождений купольного типа является незначительное распространение их по площади и значительные размеры относительно однородного, геологически выдержанного рудного тела в глубину. Например, площадь Илецкого соляного купола, представляющего собой в плане форму эллипса на глубине 100 м составляет 2 км , а на глубине 2,6 км по геофизическим данным площадь составляет 24 км (при этом запасы месторождения составляют более 3 млрд. тонн). Огромные ресурсы месторождений купольного типа в настоящее время используются недостаточно эффективно, так как при отработке их запасов шахтным способом даже на незначительных глубинах максимальный коэффициент извлечения составляет 0,25 (по системе разработки). Это свидетельствует о перспективности отработки таких месторождений технологией подземного растворения, позволяющей достигнуть величин коэффициента извлечения до
0,4 (по системе разработки) при глубинах разработки, превышающих несколько километров.
Высокая аварийность (по фактору затопления) предприятий, отрабатывающих галургические месторождения (около половины данных предприятий затапливается не закончив отработку месторождения в запроектированном контуре) свидетельствует о недостаточной научной обоснованности проектных решений (рудник № 1, отрабатывавший Илецкое месторождение стихийно затоплен в 70-ые годы, 1986 год - затоплен крупнейший калийный рудник отрабатывающий Верхнекамское месторождение, конец 90 годов XX века - затоплены два рудника в Саскечеване, Канада и др.)- Сложные, требующие решения, проблемы, при шахтном способе отработки солей, в том числе и на месторождениях купольного типа и незначительные коэффициенты извлечения (до 0,4) даже на незначительных глубинах свидетельствуют о перспективности отработки таких месторорждений ПРС-технологией, позволяющей достигать извлечения 0,4 при глубинах разработки превышающих несколько километров.
Невозможность визуального наблюдения за технологическим процессом
растворения, сложности геологического строения ряда месторождений,
значительные глубины разработки вызывают. необходимость
совершенствования методов прогноза геомеханических и технологических параметров камер и процессов растворения каменных солей на стадиях строительства, эксплуатации и вторичного использования камер растворения, особенно на месторождениях купольного типа, для которых методики расчёта рациональных параметров технологии ПРС недостаточно обоснованы.
Большой вклад в теорию и практику разработки соляных месторождений, включая вопросы устойчивости выработок в отложениях каменной соли, технологические аспекты ее добычи с применением различных технологий внесли следующие отечественные, а также зарубежные специалисты и ученые: Алексеенко А.Г., Арене В.Ж., Бельды М.П., Березин Ф.И., Бобко П.С., Гофман-Захаров И.М., Джессен Ф., Догару М., Дудко П.М., Дурье Р., Дядькин Ю.Д., Ержанов Ж.С., Ильин В.П., Каземи X., Каратыгин Е.П., Ковалёв О.В.,
Ф КошинА.Г., Крайнев Б.А., Кубланов А.В., Кулле П.А., Однопозов В.Л.,
Пермяков Р.С., Подопригора В.П., Поздняков А.Г., Проскуряков Н.М., Романов B.C., Ремсон Д., Стаматиу М., Толстунов С.А., Тремп Э., Удалов А.Е., Федоров Б.Н., Хчеян Г.Х., Шафаренко Е.М. и др.
Особенности условий залегания каменной соли на месторождениях купольного типа (небольшие площади в плане и значительные размеры купола
до ^^
в глубину) не позволяют достаточно гарантировать безопасные праметры ПРС технологии, рассчитанные по использующимся в настоящее время при проектных работах методикам, а также параметры комплексного метода (рудники - ПРС), из-за недостаточного учёта в таких методиках (в силу их эмпирической "природы") всех факторов, влияющих на устойчивость камер растворения (технологическая безопасность) и на сохранность поверхности (экологическая безопасность).
Актуальность темы диссертации подтверждается её соответствием плану.
щ, НИР СПГГИ(ТУ) по основным научным направлениям (грант администрации
Санкт-Петербрга ЗОГМ).
Цель работы: обоснование параметров технологии подземного растворения соли при отработке запасов месторождений купольного типа для обеспечения экономичности, надежности и безопасности ведения горнотехнологических работ.
Идея работы: освоение ресурсов месторождений купольного типа на основе использования шахтного способа, метода подземного растворения или их комбинации должно осуществляться, системами разработки, параметры которых определяются по установленным закономерностям, обеспечивающим повышение технологических, технико-экономических и социальных показателей.
Основные задачи исследований:
1. Исследовать закономерности деформирования и разработать критерии
оценки устойчивости конструктивных элементов камер подземного
**' растворения в конкретных горно-геологических условиях, обеспечивающих
безаварийность работы рассолопромысла на стадиях строительства, эксплуатации и вторичного использования горных выработок.
2. Усовершенствовать методику расчета конструктивных элементов
системы разработки и технологических параметров для обоснования
рациональных технологических схем отработки каменной соли, камерами
растворения с учетом допустимых оседаний земной поверхности.
3. Разработать алгоритм взаимосвязи геомеханических и технологических
параметров камер растворения на этапах подготовки, эксплуатации и
вторичного использования в качестве подземных хранилищ.
Методы исследований. При выполнении работы использовался комплексный метод исследований, включавший: анализ и обобщение данных, приведенных в горнотехнической литературе; изучение специфики горногеологических и горнотехнических условий разработки месторождений купольного типа; шахтные наблюдения за проявлениями горного давления в зонах влияния очистных работ; изучение и анализ существующих технологических схем отработки запасов мет'одом растворения с применением скважин; использование методов математической статистики; экспериментально-аналитические исследования влияния горнотехнических факторов на параметры камер.
Научная новизна работы:
-установлены закономерности формирования напряженно-
деформированного состояния водозащитной толщи при переходе с шахтного на геотехнологический способ отработки залежей;
- установлено, что при заложении камер рассолопромыслов наиболее значимым фактором является глубина ведения работ, которая функционально определяет мощность водозащитной толщи и другие параметры: диаметр и высоту камер, а также размеры междукамерных целиков и междуэтажных потолочин.
Научные положения, защищаемые в работе:
1. Добыча соли с применением шахтной технологии рациональна до глубины, определяемой величиной коэффициента извлечения полезного
ископаемого, функционально зависящего от устойчивости несущих элементов соляного массива по фактору непревышения предельно допустимых деформаций.
2. При отработке запасов месторождений купольного типа мощность
водозащитной толщи необходимо определять с учетом пролета. камер, их
суммарной высоты, глубины заложения и размеров междукамерных целиков.
3. Выбор и обоснование параметров системы разработки при
использовании метода подземного растворения солей на месторождениях
купольного типа необходимо осуществлять по разработанному алгоритму
расчёта, основанному на установленной взаимосвязи технологических
параметров и конструктивных элементов системы разработки.
Практическая ценность работы:
разработана методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния элементов системы разработки соляного массива при отработке месторождений солянокупольного типа рудниками, подземным растворением и комплексным методом;
- разработаны инженерные методики для расчета устойчивых состояний
ответственных элементов массива при использовании метода подземного
растворения;
- разработаны и запатентованы способы управления растворением стенки
подземной камеры, а также контроля параметров данного процесса.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется, использованием результатов натурных экспериментов при разработке и корректировке горно-геомеханических моделей изучаемых объектов, корректностью применяемого математического аппарата, достаточным уровнем сходимости расчетных и экспериментальных данных, определяющих основные параметры элементов системы разработки, сопоставимостью выводов и рекомендаций с теоретическим и практическими результатами исследований других авторов.
Реализация результатов работы. Выводы и рекомендации могут использоваться институтами ВНИМИ и ВНИИГалургии для использования при
* выполнении научно-исследовательских и проектных работ в области
технологии подземного растворения.
Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований, выполнены, проанализированы и обобщены результаты шахтных и аналитических исследований, разработаны рекомендации по реализации результатов работы.
Апробация работы. Содержание и основные положения
диссертационной работы докладывались на ежегодньж конференциях молодых
ученых и студентов СШТИ (ТУ) имени Г.В. Плеханова "Полезные ископаемые
России и их освоение" (Санкт-Петербург, 2000-2004 гг.); 13-й Зимней школе по
механике сплошных сред (Институт механики сплошных сред, УрО РАН,
Пермь, 2003г.); Политехническом симпозиуме "Молодые ученые -
промышленности Северо-Западного региона" (Санкт-Петербург, 2003 г.);
конференции "Инженерное искусство в развитии цивилизации" (Пенза, 2004г.),
у. на заседаниях кафедры "Разработки месторождений подземным способом"
СПІТИ (ТУ).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 13 публикациях. Новые технические решения, созданные в процессе выполнения работы, защищены 4-мя патентами РФ на изобретения.
Обзор методов расчета параметров различных технологий подземной разработки соляных месторождений
Основной особенностью разработки соляных месторождений — является легкая растворимость полезного ископаемого в воде, а следовательно необходимость гидроизоляции всей соленосной толщи. Данная особенность сказывается с одной стороны на возможностях подземного растворения солей при ПРС, а с другой стороны определяет главное требование при шахтном способе добычи - это недопущение проникновения подземных вод в горные выработки, так как это неизменно влечёт за собой закрытие (затопление) действующего предприятия.
Об актуальности данной проблемы свидетельствует мировой опыт разработки данных месторождений - около 50 % предприятий, разрабатывающих горно-химическое сырьё подземным способом, гибнут, не закончив отработку запасов в запланированном контуре. Наиболее яркие примеры - это затопление крупнейшего в мире рудника на Верхнекамском месторождении (1986 г, глубина отработки около 300-И-00 м), затопление двух рудников в Канаде (девяностые годы XX столетия, глубина около 1 000 м) и т.д. [65]. При этом некоторые из них были затоплены ещё на стадии строительства до начала очистной выемки руды. Основным гарантом стабильной работы этих предприятий является сохранность водозащитной толщи (невозможность проникновения в нее подземных вод), поэтому параметры всех систем подземной разработки данного вида сырья рассчитываются в первую очередь по фактору обеспечения сохранности этого ответственного элемента соляного массива. Второй отличительной особенностью данных пород является их опасность по газодинамическим явлениям (ГДЯ) (для сильвинитов), поэтому все рассчитываемые параметры систем разработки проверяются и по данному фактору [67].
При отработке соляных пластов мощностью более 10м (как шахтным способом, так и методом ПРС) основным условием является — сохранение поверхности, поскольку при разрушении покрывающей толщи провалы на некоторых участках поверхности могут намного превышать мощность отрабатываемых пластов за счёт эффектов карстообразования при фильтрации подземных вод и растворении вмещающих солей. Такие процессы являются неуправляемыми и могут привести к образованию глубоких (до 100 м) озёр, изменению гидрологического и гидрологического режимов района, что в отдельных случаях может быть классифицировано как экологическая катастрофа [34, 93, 95, 96] .
При отработке мощных соляных пластов (10 м и более) применяются только камерные системы разработки, причем подземные камеры имеют весьма значительные размеры. В таких условиях кроме параметров целиков и камер большое влияние (а иногда и решающее) на устойчивость ответственных элементов массива оказывает мощность соляной потолочины (как межгоризонтной, так и водозащитной). При значительной мощности однородной соляной потолочины возможно изменение деформационных характеристик соляных целиков без нарушения их сплошности и "уход" целиков из-под нагрузки. Поскольку соли являются пластичными, то деформационные характеристики целиков становятся меньшими, чем у потолочины, напряжения в системе целики-потолочина-вмещающий массив перераспределяются. При значительных размерах систем целики-потолочины, процессы их разрушения могут протекать годы (иногда до 10-20 лет), являясь необратимыми. Примером таких процессов может служить работа рудника №1 на Илецком месторождении, который был стихийно затоплен в 70-ые годы, из-за того, что в горные выработки начали проникать рассолы, а их откачка приводила лишь к увеличению водопритоков. Работа рудника №2 на данном месторождении показала, что рассчитанные параметры камер и целиков не смогли обеспечить сохранность последних и они постепенно разрушаются (причём уже более 7 лет ведутся наблюдения за процессами деформирования и трещинообразования в целиках и на данный момент нельзя однозначно утверждать, что процессы деформирования целиков стабилизировались или затухают).
Необходимо отметить, что в горном деле одним из значимых критериев рациональности применения той или иной системы разработки является сбор статистического материала и его обработка методами математического анализа. Это в условиях отработки соляных месторождений оказывается зачастую неприемлемым из-за необходимости обеспечения высокой надёжности принимаемых решений, которую нельзя обеспечить при использовании опыта отработки месторождений аналогов (даже в достаточно схожих условиях).
Приведённый материал свидетельствует о значимости рассматриваемой проблемы, её многогранности и сложности. В дальнейшем кратко излагаются основные методики расчёта параметров систем разработки соляных месторождений.
Как уже отмечалось, параметры целиков и потолочин могут рассчитываться как с позиции обеспечения локальной безопасности, так и с позиции обеспечения безопасности региональной (сохранность водозащитной толщи, поверхности, водоносных горизонтов и т.д.). В данном подразделе рассматриваются лишь методики расчёта устойчивых состояний целиков и межгоризонтных потолочин при отработке мощных соляных тел (пластов, куполов, штоков).
При выполнении данной работы анализировались различные методики: труды ВНИИСТа, ВНИИПромгаза, ВНИИГа, ЛГИ, а также некоторые другие [42, 65, 72, 76, 85, 86].Критерием устойчивого состояния целиков в рассмотренных методиках обычно принимается условие непревышения рассчитанных нагрузок на целик некоторому "безопасному" значению (обычно пределу прочности на сжатие при наличии определённого коэффициента запаса прочности). Нагрузка на целики рассчитывается по коэффициенту концентрации напряжений, который равен отношению суммы ширин камеры и целика к ширине целика (к=(а+Ь)/Ь). Предел прочности пород на сжатие обычно определяют при испытаниях стандартных образцов на прессах и затем вводят поправки на соответствие свойств образца свойствам пород в массиве. Влияние высоты целика на его устойчивость учитывается через коэффициент формы. Расчёт этого коэффициента ведется по различным зависимостям для различных условий(например кф = ЬЛі - Е. Церн, кф = J- - Л.Д. Шевяков; кф = 0,775+0,22b/h V h
И. Баушингер; кф = 0,6+0,4b/h при b/h 1 и кф = b/h при b/h 1 - ВНИМИ и т.д. [41, 51, 52]) Для учета трещиноватости целиков вводится коэффициент ослабления, который для солей составляет не более 10 %. Коэффициент запаса зависит от срока службы и назначения целиков и составляет от 1,34-1,5 до 3,5+5. С учётом всех вышеприведенных коэффициентов допустимая нагрузка на целик составляет:где 10 - предельный пролёт; h - мощность несущего слоя пород кровли; у - объёмный вес пород кровли; q - интенсивность дополнительной пригрузки.
Как видно из приведенной зависимости ширина камеры "фактически определяется" двумя параметрами: мощностью несущего слоя и его дополнительной пригрузкой. Определение этих параметров на практике весьма затруднительно. При отработке месторождений купольного типа мощность несущего слоя выделяется условно, поскольку в соляных куполах практически невозможно выделить слои и пачки, в отличие от отработки пластовых месторождений, а "пригрузка" несущего слоя может изменяться от нуля до веса всего столба вышележащих пород.
Анализ методик расчёта технологических параметров технологии ПРС
Для систем камерного растворения определение геомеханических параметров разработки сводится к выбору размеров камер и междукамерных целиков, а также к выбору расположения выработок относительно друг друга и элементов залегания соляной толщи - ее кровли и почвы. При отработке мощных соляных залежей также встаёт вопрос расчёта (выбора) рациональной высоты камер подземного растворения. Причём данный параметр может стать определяющим при обосновании безопасного пролёта камеры и размера междукамерного целика.
В мировой практике при управляемом растворении диаметр камер при глубине работ до 2000 м составляет от 40 м (СРР) до 100+150 м (СССР, НРБ, ФРГ и др.), причем наиболее часто - около 100 м (обнажение кровли 8 тыс. м2). Такие размеры обнажений, как правило, не осложняют выемки, и известны примеры устойчивых камер диаметров до 250 м.
Принимаемые размеры камер и целиков обеспечивают извлечение соли до 20 % и незначительное сдвижений поверхности. Однако нужно иметь в виду, что продолжительность эксплуатации промыслов 15+20 лет пока невелика по сравнению с общим сроком их службы (до 50 лет).
При камерных системах практически единственным способом контроля устойчивости пока является звуколокационная съемка. При сплошных системах возможности звуколокационных съемок ограничены, и важное значение имеют маркшейдерские наблюдения по поверхностным реперам и контрольным скважинам. Ведутся работы по применению методов сейсмо- и электроразведки. обусловленные, с одной стороны, физико-химической природой растворения солей, а с другой - гидравликой и гидродинамикой циркуляционных систем, возникающих при создании в соляном массиве камер больших размеров [13, 22, С позиций химической кинетики растворение соли является гетерогенной реакцией, т.е. происходящей на поверхности раздела жидкой и твердой фаз. Реакция включает поступление растворителя к поверхности соли, взаимодействие растворителя и соли (межфазные процессы), отвод растворенного вещества от поверхности соли (процессы диффузии). У границы раздела твердой и жидкой фаз образуется особый пограничный слой раствора, из которого ионы соли диффундируют в массу раствора. Под действием силы тяжести пограничный слой приобретает самостоятельное движение, при этом возникает естественный поток, транспортирующий растворенное вещество из одной точки в другую и обеспечивающий приток свежих порций растворителя к растворяющейся поверхности.
Уравнение кинетики растворения твердого тела в жидкости обычно записывается в виде: твердого тела с единицы поверхности, кг/ч м2; К - коэффициент скорости растворения, или коэффициент массоотдачи, м/ч, Сн и С - концентрация соли в насыщенном растворе и в растворителе, кг/м . Для большинства природных солей процесс растворения протекает диффузионно, и коэффициент скорости растворения: где D - коэффициент диффузии, м2/ч, 8С - толщина диффузионного пограничного слоя, м. Величина коэффициента скорости растворения зависит от многих факторов и определяется в зависимости от условий движения растворителя (режим вынужденной или свободной конвекции) и характера течения пограничного слоя (ламинарный или турбулентный). С повышением температуры скорость растворения увеличивается (рис. 2.11). Для скорости растворения в воде вертикальной поверхности каменной соли П. А. Кулле [53] предложена формула, которая после простых преобразований имеет вид: При работе индивидуальной скважины в цилиндрической камере с плоской потолочиной могут быть выделены четыре зоны с четко выраженными гидродинамическими отличиями: зона припотолочного (компенсационного) потока (I), зона вертикального плоскопараллепьного потока (П), промежуточная зона (III), зона сферического (IV) потока -центростремительное движение жидкости к точке забора (рис. 2.12). Наиболее активным является плоскорадиальный припотолочный поток, растекающийся от точки ввода жидкости к боковым стенкам камеры [16].
Вода в камеру может подаваться на уровне ее потолка или ниже - при заглублении башмака водоподающей колонны. В последнем случае перемешивание отраженного потока с окружающим объемом жидкости улучшается. Башмак водоподающей колонны может быть оборудован отражательной муфтой. За счет этого вертикальное движение нисходящего потока при входе в камеру переводится в радиально-горизонтальное.
Высокая активность припотолочного потока, с одной стороны, создает благоприятные условия для растворения соли в потолочине камеры (особенно в приствольной части потолка), но с другой - при необходимости изоляции потолка от растворения - затрудняет поддержание у кровли пленки жидкого нерастворителя, Вне рассмотренных зон перемещение жидкости в камере под действием внешнего давления происходит равномерно и крайне медленно. Достаточно сказать, что в индивидуальной камере диаметром 100 м при производительности скважины 50 м /ч на обновление жидкости в слое высотой 1 м требуется около 7 суток [16]. 2.2.2. Инженерные методики расчета процесса растворения в камере Для расчета процессов, протекающих в камерах и определения технологических параметров эксплуатация скважин предложен ряд методик. Одни из них в большей мере исходят из теоретических представлений (процессы в камерах описываются известными уравнениями гидродинамики и конвективной диффузии при определенных граничных условиях), другие - из инженерных предпосылок и носят в значительной мере эмпирический характер. Одним из первых теоретических расчетов производительности камер и средней концентрации соли в рассоле является решение П.А. Кулле. Решение основано на допущении, что переходящая в рассол соль равномерно распределяется по всему объему камеры, как при механическом перемешивании (модель смешения). Принято также, что концентрации рассола в любой точке горизонтального сечения камеры равны между собой, а локальные скорости растворения соли в любой точке на поверхности камеры подчиняются единой зависимости (условие ламинарного характера течения пристеночного потока). Для средней концентрации рассола в камере объемом V получено уравнение где С, Сн, С0 - соответственно сред необъемная концентрация, концент-рация насыщения, начальная концентрация соли в растворителе, т/м ; К -коэффициент скорости растворения, м/ч; S - площадь поверхности камеры, подверженная растворению, м ; r,i o - рассматриваемый и начальный моменты времени, ч. Сложную форму поверхности растворения П. А. Кулле предложил подразделить на отдельные элементы с учетом угла наклона поверхности к горизонту и представлять произведение в виде: где K(pi - коэффициент скорости растворения і-го элемента поверхности с углом наклона ф;; S - площадь і-го элемента поверхности. Расчет П.А. Кулле является весьма приближенным (не учитывает стратификации рассола по высоте камеры) и может быть использован лишь для начальной стадии эксплуатации скважин. Практическое применение расчетных формул осложняет необходимость определения локальных значений К и S. Практическое использование методик, основанных на теоретических представлениях, осложняет то, что требуемые для расчетов исходные данные трудно, а иногда и невозможно получить в условиях промышленных камер.
Результаты моделирования НДС соляного массива
Параметры НДС вмещающего массива получены при моделировании гидростатических полей в камерах, которые определяются наличием в рассолоподъемных трубах рассолов (кондиционных, насыщенных) или воды, Поскольку наиболее опасной с точки зрения устойчивости камер является аварийная ситуация при "закупорке" рассолоподъемных труб кристализовавшейся солью (а соответственно промывка данных труб растворителем - обычной водой), то к анализу параметров, характеризующих устойчивое (неустойчивое) состояние камер были приняты результаты моделирования при наличии в рассолоподъемных трубах воды (а не рассолов). В штатной ситуации (наличие в рассолоподъемных трубах рассолов) будет иметь место определенный "коэффициент запаса", поскольку противодаление рассола в камере будет повышать ее устойчивость в сравнении с режимом "промывки" рассолоподъемных труб. Необходимо отметить, что такие режимы йельзя рассматривать как кратковременные, так как они могут длиться довольно долго (от нескольких суток при небольших глубинах - до нескольких недель при больших глубинах разработки).
Анализ полей параметров (тензоров напряжений и деформаций, а также вектора перемещений) напряжённо-деформированного состояния налегающей толщи пород показал, что данные параметры функционально зависят от геометрических и деформационных характеристик слагающего массива, геометрических параметров применяемых систем разработки, глубины ведения горных работ, наличия на вышележащих горизонтах очистных пространств рудника, их геометрии и т.д.
Анализ и обобщение результатов моделирования шахтных технологий отработки соляного купола Илецкого месторождения подтвердил полное качественное соответствие основных параметров НДС моделируемой подработанной толщи и фактических замеров, проводимых в ОАО "Илецксоль". Полученные результаты свидетельствуют о том, что при наличии сжимающих вертикальных и горизонтальных напряжений в междукамерных целиках возникают сжимающие (отрицательные) вертикальные деформации и растягивающие (положительные) горизонтальные деформации. Величины данных деформаций определяются шириной целика и пролетом камер. Растягивающие деформации также возникают в краевой части массива.
В междугоризонтных потолочинах (при наличии "гирлянды" камер) вертикальные деформации практически во всех случаях отрицательны (сжимающие), а горизонтальные деформации отрицательны над кровлей камер и положительны над целиками, причем они всегда меньше растягивающих деформаций в самих целиках.
Высота зоны "возмущения" в кровле камер ("глубина" возмущения в водозащите) и параметры данного "возмущения" определяются шириной МКЦ, пролетом и высотой камер (суммарной высотой камер и междугоризонтных потолочин при наличии "гирлянды" камер). Причем можно выделить две зоны: первая зона - над центрами пролетов камер и вторая зона - в краевой части массива. В первой зоне возникают растягивающие вертикальные деформации (а в определенных условиях и напряжения), что может привести к расслоению массива, а соответственно и довольно нетривиальному "механизму" разрушения потолочины. По высоте данная зона довольно выдержана при условии превышения мощности ВЗТ над мощностью "возмущений" от целиков-камер. При приблизительном равенстве высоты возмущения и мощности ВЗТ происходит чередование зон растяжения-сжатия вертикальных деформаций. Параметры, определяющие разрушение ВЗТ по данному фактору (єу) будут зависеть от значительного числа факторов и трудно поддаются прогнозированию в рамках рассматриваемой задачи, однако, даже простое наличие положительных вертикальных деформаций или напряжений (причем при вертикальных положительных деформациях - напряжения могут быть отрицательными), может расцениваться как аварийная ситуация поскольку интенсивность данных деформаций будет существенно прогрессировать во времени, обусловленная гравитацией и гидродинамическими процессами в самих камерах. Во второй зоне (краевая часть массива) возникают только растягивающие горизонтальные деформации. Форма "зоны растяжения" и интенсивность деформаций растяжения зависят от пролета камер, ширины МКЦ и высоты камер (суммарной высоты "гирлянды").
Предварительный анализ результатов моделирования позволяет сделать ряд следующих принципиальных (качественных) выводов.Во-первых, при наличии выработок рудника в соляном массиве, отделяющем камеры растворения от поверхности, НДС соляного массива (а, следовательно, и устойчивость его ответственных элементов) определяется в первую очередь параметрами данных выработок. Поскольку при моделировании комплексной технологии исследовались параметры существующих выработок рудника (имеющими место in situ), а также планируемые для горизонтов "-215 м" и далее, то управление НДС массива возможно только за счет варьирования параметров метода ПРС. Как показали результаты моделирования увеличение мощности потолочины вплоть до 1 км не позволяет избежать существенного перераспредения напряжений в междукамерных целиках, что говорит о невозможности гарантированного сохранения устойчивости данных элементов массива, а, следовательно, и водозащитного комплекса, отделяющего данные выработки от выработок рудника № 1. Управление НДС МКЦ возможно за счет использования различных специальных мероприятий в очистных камерах рудника № 2 (например, их частичной закладки, затопления рассолами и т.д.). Поскольку данные мероприятия являются довольно дорогостоящими, то обоснование целесообразности отработки нижележащих горизонтов Илецкого месторождения методом ПРС требует разработки специального проекта, в котором должна быть обоснована безопасная мощность потолочины, разделяющей рудник и камеры ПРС, при проведении комплекса мероприятий,. гарантирующих сохранность поверхности (то есть исключение нарушения водозащиты разделяющей рудник № 1 и рудник № 2). Данные вопросы могут быть решены только в процессе проведения специального комплекса исследований, а в данной работе в дальнейшем рассматривается обоснование безопасных параметров метода ПРС, как основного (и единственного), использующегося для отработки месторождений купольного типа.
Второй принципиальный вывод. В отличие от традиционных методов отработки соляных залежей (пластов) при отработке месторождений купольного типа наряду с шириной МКЦ и пролетом камеры третьим параметром (столь же существенно влияющим на НДС вмещающего массива, а, следовательно, и на устойчивость его ответственных элементов) - является высота камеры (или суммарная высота камер и междукамерных потолочин). Результаты исследований показывают отсутствие каких либо геомеханических факторов, ограничивающих высоту камер. Поэтому максимальная высота камер ограничивается рядом технологических показателей, такими как: максимальная высота "свободно висящих" труб, ограничиваемая динамическими параметрами процессов при подаче растворителя и его "выброса" в камеру; максимальный срок отработки камер; вероятность отклонения стенки камеры от планируемого контура (которая определяется "выдержанностью" вещественного состава по высоте залежи и временем отрабоотки камеры) определяется зависимостью экспоненциального типа в функции от высоты камеры. Экспертная оценка показала, что рациональная высота для условий Илецкого купола (при довольно выдержанном вещественном составе залежи в глубину и технологической возможности использовании выосокопроизводительного оборудования) должна находиться в переделах 200-Н-00 м. Исходя из приведенных аргументов была выбрана ориентировочная рациональная высота камеры - составляющая 300 м. Однако еще раз подчеркнем, что данный параметр может изменяться в большую и меньшую сторону в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях.
Третий принципиальный вывод заключается в том, что основной параметр, оказывающий определяющее значение на НДС междукамерных (межгоризонтных) потолочин это - высота камер. Межгоризонтные Потолочины должны охранять свою устойчивость даже при сравнительно
Разработка алгоритма расчета рациональных технологических схем отработки запасов каменной соли на месторождениях купольного типа
Анализ различных технологических схем подземного растворения, обобщение опыта размыва камер в минеральных солях, а также результаты экспериментально-аналитических исследований, позволили установить взаимосвязь закономерностей, описывающих состояние элементов массива и составить алгоритм выбора параметров технологии подземного растворения при отработке солянокупольных месторождений (рис. 4.3). В алгоритме отражена последовательность принятия решений при проектировании отработки месторождений купольного типа и расчета параметров рассматриваемых технологических схем.
Отработка нескольких горизонтов рудничным способом может потребовать оставления водозащитной потолочины мощностью до 1000 м, а, соответственно, данные запасы являются "потеряными" с точки зрения возможности их отработки. Также необходимо отметить, что рассматриваемые технологии являются принципиально различными как по способам добычи соли, так и по "планируемым" потребителям продукции предприятий (рассолы - химпромышленность; твердая соль - пищевая промышленность, сельское хозяйство и парфюмерия).
Анализ прогрессивных технологических схем подземного растворения показывает, что при отработке куполов ПРС-технологией наиболее целесообразным является соосное расположение камер. При таком расположении камер их отработка может вестись снизу вверх или сверху вниз. При втором варианте возникнут практически непреодолимые трудности (технологического характера) с поддерлсанием "старых" камер и размывом "новых". Поэтому единственным практически приемлемым направлением отработки камер "в гирлянде" - является отработка "снизу-вверх".
При несоосном расположении камер обосновать безопасные параметры довольно сложно, и при этом необходимо учитывать значительно большее количество параметров, чем в рассматриваемом случае. Такие проекты наиболее целесообразно обосновывать на базе трехмерного моделирования, а предложение инженерных зависимостей, в которых учитывались бы все необходимые параметры практически очень затруднительно.
Исходя из вышеприведённых доводов на первом этапе необходимо определить глубину заложения почвы нижних камер (по зависимости между сроком службы предприятия, его производственной мощностью и утвержденными балансовыми запасами).
Далее по технологическим соображениям может быть рассчитана предварительная сетка скважин подземного растворения: путем целочисленного деления размеров купола в плане на сумму диаметра камеры и ширины междукамерного целика - а+Ь. По нормам технологического проектирования рассолопромыслов [60, 31 ] пролет камер должен приниматься не менее 100 м, а ширина междукамерных целиков лежит в пределах 40-Т-200 м. Необходимо отметить, что ширина междукамерного целика (камеры) должна приблизительно соответствовать его ширине.
Затем ведется выбор и расчет параметров технологических схем с учетом проекта вторичного использования камер по существующим методикам (высота и пролет камер, ширина междукамерного целика, мощность водозащиты и междуэтажных потолочин).
Рассчитанные параметры технологических схем проверяются по условию непревышения горизонтальных деформаций в целике их предельно допустимых значений. При несоблюдении неравенства увеличивается ширина целика (Ь) при неизменных параметрах сетки скважин - то есть a+b=const. При увеличении ширины целика на столько же уменьшается пролет камеры. Таким образом, методом итераций обеспечивается выполнение неравенства (1).
Затем проверяется условие выполнение неравенства (2). Обеспечение его выполнения производится путем увеличения ширины целиков (Ь) (при неизменной сетке скважин — a+b=const) или изменением высоты элементов системы разработки (Нвзт, Нкам, Ныэп): увеличение мощности водозащиты или мощности междуэтажных потолочин при неизменной суммарной высоте "гирлянды" камер. Увеличение мощности водозащиты может изменяться за счет уменьшения высоты верхней (последней в гирлянде) камеры. Выбор "путей обеспечения" выполнения неравенства (2) обосновывается всем комплексом технологических, горно-геологических, горно-технических, горногеомеханических факторов, а также проектом вторичного использования камер растворения. Так, например, уменьшение высоты камеры целесообразно до величины равной ширине целика, далее предпочтительно увеличение ширины за счет уменьшения пролета камер. Выбираемые параметры должны быть рациональны с точки зрения возможности их получения определенными технологическими схемами размыва. Выдержанность свойств и вещественного состава соли по мощности купола необходимо регламентирует рациональную высоту камер и т.д.
После обеспечения выполнения условия (2) переходят к проектированию собственно технологии ПРС: обоснование технологических схем размыва подготовительных и эксплуатационных выработок; расчет регламента размыва; определение необходимости и способов интенсификации процесса растворения на различных стадиях размыва камеры; выбор методов контроля параметров камер и др. [30, 61 и др]
В заключении производится укрупненный расчет технико-экономических показателей различных технологий и принятие окончательного решения на базе их сравнения. 1. Обобщение результатов моделирования параметров напряженно деформированного состояния ответственных элементов соляного массивапозволило получить зависимости для расчета геометрии конструктивныхэлементов системы разработки (высота камер, сетка буровых скважин, пролетыкамер, ширина междукамерных целиков, мощность межгоризонтных потолочини т.д.) и рациональных параметров технологических схем растворениякаменных солей.2. Обоснован порядок отработки месторождений купольного типа, рациональные глубины заложения подошвы нижних камер при многогоризонтной схеме растворения, порядок отработки камер на горизонте.3. Предложен алгоритм выбора и расчета параметров технологии ПРС при отработке месторождений купольного типа.
