Полный текст

Введение Разработка месторождений калийных солей существенно осложняется газодинамическими явлениями (ГДЯ), которые в большинстве случаев наносят значительный материальный ущерб калийным предприятиям и представляют реальную угрозу жизни горнорабочих. За последние три десятилетия внесен существенный вклад в исследование природы, механизма, разработку методов прогноза и способов предотвращения газодинамических явлений в калийных рудниках [1-10] и угольных шахтах [11-15]. Однако при отработке калийных месторождений появляются новые, ранее не встречавшиеся в практике ведения горных работ виды ГДЯ. Например, внезапные достаточно мощные выбросы соли и газа на сопряжении лава-штрек при слоевой выемке калийных пластов в условиях Старобинского месторождения калийных солей [16-19]. В связи с этими фактами появилась настоятельная необходимость в изучении данного типа ГДЯ и разработке возможных способов управления газодинамическими процессами в почве горных выработок. Условием реализации газодинамических явлений является наличие газовых скоплений в приконтурной части породного массива и выполнение при этом основных критериев разрушения [20-26]. Для условий Старобинского месторождения калийных солей газовые скопления в породах почвы горных выработок, как правило, приурочены к глинистым прослойкам и слоям в соляных породах [27-28]. Геомеханическими предпосылками к проявлению ГДЯ является раскрытие глинистых контактов, что приводит к образованию каналов миграции свободных газов и формированию техногенных газонасыщенных зон под воздействием горных работ. Постановка задачи Для оценки опасности развития ГДЯ из почвы выработанного пространства лавы выполнялось геомеханическое моделирование напряженно-деформированного состояния пород почвы при отработке слоев 2, 2-3, 3 в условиях слоевой выемки Третьего пласта и выявлялись участки, потенциально опасные по газодинамическим явлениям из почвы. Данная задача в общем случае требует проведения пространственного математического моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) соляного породного массива. Однако для понимания закономерностей геомеханических процессов (обрушение пород кровли отрабатываемого пласта, локализация пластических деформаций во вмещающих породах, раскрытие глинистых контактов в соляной толще), имеющих место при движении забоя лавы, а также определения степени влияния механических свойств пород и технологических параметров очистных работ на изменение НДС соляного массива требуется решение ряда задач, которые можно провести в двумерной постановке. Двумерная расчетная схема оценки изменения НДС породного массива в процессе отработки лавы построена перпендикулярно движению фронта очистных работ и соответствует типовому для Старобинского месторождения геологическому разрезу (рис. 1). Рис. 1. Расчетная схема Граничные условия задавались исходя из начального литостатического напряженного состояния верхней части породного массива: горизонтальные перемещения на боковых гранях и вертикальные - на нижней принимались равными нулю. На верхней границе задавалось горное давление, соответствующее весу вышележащей толщи пород. Расчетная область находилась в условиях действия массовых сил интенсивностью γi (удельный вес). Для определения напряженно-деформированного состояния пород использовалась модель идеальной упругопластичной среды с внутренним трением. В качестве условия пластичности в области сжатия использовалась параболическая огибающая кругов Мора [29]. Условием локализации пластических деформаций являлось выполнение равенства (1) а в области растяжения - (2) где τmax - максимальное касательное напряжение, τmax = (σ1 - σ3)/2; σ - нормальное напряжение, σ = (σ1 + σ3)/2; σc - предел прочности на сжатие, σр - предел прочности на растяжение; σ1, σ3 - главные напряжения, определяемые по результатам математического моделирования. Отметим, что зоны локализации пластических деформаций отождествлялись с процессами трещинообразования соответственно за счет развития трещин сдвига и отрыва. Численное решение задачи осуществлялось по стандартной процедуре метода конечных элементов [30]. Для учета пластического характера деформирования пород использовался метод секущей матрицы [31]. Прочностные и деформационные свойства принятых к расчету элементов геологического разреза представлены в табл. 1. Таблица 1 Принятые к расчету механические свойства пород Порода Модуль деформации, ГПа Предел прочности на сжатие, МПа Предел прочности на растяжение*, МПа Сильвинит 2,3 27 3 Каменная соль 2,3 27 3 Карналлит 1,8 11 1 Глинисто-мергелистый горизонт 0,82 11 3 Примечание. * при отсутствии экспериментальных данных предел прочности на растяжение принят отличным на порядок от предела прочности на сжатие. Прочность на растяжение горных пород значительно ниже их показателей при сжатии. В связи с этим локализация растягивающих усилий в каких-либо областях массива является предпосылкой к разрушению пород. Вместе с тем очевидно, что разрушенные под действием растягивающих напряжений породы не будут обрушаться в выработанное пространство, если они окружены материалом, не потерявшим своей несущей способности. Исходя из этого в качестве первого условия обрушения пород принимался выход зоны действия растягивающих напряжений на обнажение. Реализация этого критерия осуществлялась путем специальной организации вычислительного итерационного процесса: на каждой итерации из рассмотрения исключались (обнулялись) конечные элементы, примыкающие к границе кровли выработанного пространства областей концентрации растягивающих напряжений [32]. Наличие глинистых прослоев в кровле лавы является дополнительным фактором, способствующим обрушению пород. В этом случае при достижении областью сдвиговой трещиноватости «раскрытого» глинистого контакта происходит обрушение пород в выработанное пространство [33]. Учет данного критерия обрушения также реализован в расчетной процедуре путем локализации и последующего исключения из расчетов областей, ограниченных «раскрытым» глинистым прослоем и зонами сдвиговой трещиноватости. Обрушенные из кровли лавы породы заполняют выработанное пространство и с учетом их разуплотнения формируют техногенную геосреду, которая также включалась в расчетную схему математического моделирования. Ее деформационные свойства принимались на порядок ниже соответствующих показателей породного массива. Таблица 2 Осредненные механические свойства глинистых контактов Нормальная нагрузка σn, МПа Предел прочности на сдвиг τр, МПа Деформация на пределе прочности δр, мм Вертикальное смещение при пределе прочности δп, мм Остаточная прочность на сдвиг τ*, МПа Жесткость сдвига на пределе прочности ks, ГПа/м Жесткость разупрочнения km, ГПа/м 2 1,60 0,98 0,14 1,29 1,63 0,06 3,5 2,17 1,21 0,29 1,79 1,79 0,08 5 2,93 1,27 0,25 2,62 2,31 0,13 10 5,12 2,00 0,51 4,91 2,57 0,10 Примечание. Среднее значение коэффициента сцепления С по глинистому контакту составляет 0,7 МПа, угла внутреннего трения φ - 23°. Деформирование глинистых контактов между слоями описывалось контактными элементами Гудмана [34, 35]. Свойства глинистых контактов принимались по данным лабораторных исследований [36] и представлены в табл. 2. Результаты математического моделирования Наличие глинистых контактов оказывает значимое влияние на характер разрушения пород почвы выработанного пространства. Эти эффекты проявляются наиболее выраженно в условиях минимальной пригрузки почвы обрушенными породами (рис. 2). Так, при отсутствии контактов или условий к их раскрытию зона разгрузки (рис. 2, а) охватывает значительную часть почвы выработанного пространства, что обусловливает возможность дегазации этой части пород почвы. При наличии в почве лавы трех глинистых прослоев (рис. 2, б) происходит раскрытие двух из них. При этом сплошность перекрывающих контакты пород сохраняется, что при наличии свободных газов приводит к их аккумуляции в раскрытых контактах, т.е. формированию очага ГДЯ. Рис. 2. Влияние глинистых контактов в почве лавы на изменение НДС в окрестности выработанного пространства при отходе от монтажного штрека На рис. 3 представлено изменение конфигурации породного массива при отходе лавы от монтажного штрека при отработке слоев 2, 2-3, 3 в разрезе, перпендикулярном фронту очистных работ, а также показаны локализация и амплитуды раскрытия глинистых контактов. Контакты в кровле дегазированы в результате надработки, поэтому анализируется только состояние глинистых прослоев, развитых в почве лавы. Раскрытие глинистых контактов наблюдается сразу в процессе движения фронта очистных работ (рис. 3, а). При протяженности выработанного пространства за крепью 10 м и более начинается обрушение кровли и частичное закрытие контактов (рис. 3, б, в). При отходе лавы от монтажного штрека происходит разрушение междупластья и проникновение обрушенных при надработке пород в выработанное пространство (рис. 3, г). Породы начинают создавать дополнительный отпор, что приводит к закрытию или дегазации контактов в почве лавы (см. рис. 3, г) [37]. В некоторых случаях обрушение кровли за забойной крепью происходит не сразу [38, 39], что приводит к открытию контактов в почве призабойного пространства, а значит, созданию условий для реализации ГДЯ (рис. 3, д). Эти контакты закрываются после продвижения лавы и обрушения пород в пространстве за крепью (рис. 3, е). Таким образом, в зависимости от физико-механических свойств пород, их разуплотнения, а также латеральной изменчивости этих характеристик может наблюдаться некоторая периодичность в характере разрушения породного массива в окрестности выработанного пространства. При этом в призабойном пространстве нижней лавы имеет место периодическое формирование очагов ГДЯ вследствие раскрытия контактов в почве (см. рис. 3, г, д, е). Рис. 3. Характер разрушения породного массива в процессе движения фронта очистных работ при протяженности выработанного пространства: а - 5 м; б - 10 м; в - 15 м; г - 20 м; д - 25 м; е - 30 м Заключение Результаты математического моделирования напряженно-деформированного состояния пород почвы при отработке слоев 2, 2-3, 3 в условиях слоевой выемки Третьего пласта позволяют сделать следующие выводы: 1. Установлено, что при отсутствии глинистых прослоев в породах почвы при отходе лавы от монтажного штрека в породах почвы - слое подстилающей каменной соли - образуется зона разгрузки. В таких условиях приконтактных скоплений свободного газа в породах почвы не образуется. 2. Установлено, что при наличии трех и более глинистых контактов в слое подстилающей каменной соли происходит раннее раскрытие контактов, перекрывающие породы сохраняют свою сплошность. Тем самым создаются условия для формирования многоярусного очага ГДЯ, образовавшегося при раскрытии газонасыщенных глинистых контактов. 3. При движении фронта очистных работ в призабойном пространстве возможно периодическое формирование временных очагов ГДЯ в почве при «зависании» пород кровли. Результаты проведенных исследований использовались для разработки параметров профилактического бурения дегазационных шпуров в почву горных выработок для предотвращения газодинамических явлений из почвы при отработке слоев 2, 2-3, 3 в условиях применения различных вариантов столбовой системы разработки Третьего калийного пласта на рудниках 1-4 РУ и Краснослободского рудника 2 РУ ОАО «Беларуськалий».

Об авторах

Александр Абрамович Барях

Автор, ответственный за переписку.
Email: bar@mi-perm.ru
614007, Россия, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН, директор

Сергей Семенович Андрейко

Email: ssa@mi-perm.ru
614990, Россия, г. Пермь, Комсомольский пр., 29

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой разработки месторождений полезных ископаемых

Антон Кимович Федосеев

Email: rm_anton@mi-perm.ru
614007, Россия, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а

кандидат технических наук, научный сотрудник

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 728

PDF (Russian) - 152

PDF (English) - 83

Ссылки

• Ссылки не определены.