Полный текст

Введение Важнейшим условием безопасной и эффективной отработки месторождений полезных ископаемых является адекватное управление процессами деформирования и разрушения вмещающих пород. Это особенно актуально для калийных рудников, ведение горных работ на которых связано с необходимостью сохранения сплошности водозащитной толщи, отделяющей водоносные горизонты от выработанного пространства. Обеспечение устойчивости водоупорного целика и, следовательно, защита рудников от затопления достигается применением камерной системы разработки с поддержанием вышележащей толщи на ленточных междукамерных целиках [1]. Анализ результатов обследования состояния выработанных пространств на рудниках Верхнекамского калийного месторождения (ВКМКС) показывает, что на отдельных участках при отработке сближенных сильвинитовых пластов (КрII и АБ) с «жесткими» целиками, рассчитанными на «бесконечный» срок службы, спустя 20-30 лет наблюдаются их значительные разрушения. Глубина отслоения пород в стенках целиков может достигать 1,5-2,5 м, а в кровле камер имеют место обрушения потолочин и междупластий. Эта ситуация может быть усугублена снижением прочностных свойств в зонах геологических аномалий. Все это ведет к постепенному разрушению междукамерных целиков и интенсификации процесса сдвижения подработанных пород. Скорости оседаний могут достигать 500 мм/год, а конечные деформации земной поверхности - 3,0-4,5 м. Особенно это характерно для южной части месторождения, где в кровле нижнего сильвинитового пласта залегают мощные глинистые прослойки [2, 3]. Характер деформирования и разрушения междукамерных целиков и потолочин зависит от множества факторов: геометрических размеров и формы очистных выработок, особенностей строения и свойств пород, их поведения под нагрузкой и т.д. [4]. Для снижения степени опасности возникновения аварийных ситуаций необходима гибкая система геомеханического контроля безопасности горных работ, которая бы адекватно отражала разнообразие процессов, происходящих в массиве, и позволяла оперативно учитывать локальные изменения горно-геологических и горно-технических условий при принятии управленческих решений. Такая система должна оценивать изменение как механических характеристик пород приконтурного массива, так и его напряженного состояния в процессе ведения горных работ. В настоящее время накоплен большой опыт решения различных задач обеспечения устойчивости элементов подземных конструкций. Для анализа геомеханических процессов, происходящих в подработанном горном массиве, широко используют математические методы механики горных пород [5]. Однако, несмотря на усложнение математических постановок задач, точность их оценок зависит от достоверности параметрического обеспечения расчетов и адекватности геомеханических моделей, описывающих процесс напряженно-деформированного состояния породного массива (междукамерных целиков, кровли очистных камер). Это обусловливает необходимость экспериментального изучения характера деформирования и разрушения краевых частей горного массива и элементов подземных конструкций при различных условиях ведения горных работ. Комплекс исследований особенностей строения, физико-механических свойств, напряженно-деформированного состояния и характера разрушения соляных пород при отработке сильвинитовых пластов на рудниках ВКМКС позволил разработать принципы экспериментально-теоретической оценки состояния грузонесущих элементов камерной системы разработки (рис. 1). Сущность данной методики заключается в содержательной интерпретации результатов натурных исследований методами математического моделирования [4]. Исходной информацией для оценки состояния междукамерных целиков и потолочин служат геолого-маркшейдерская документация, полученная в процессе эксплуатационной разведки и отработки рабочих пластов, акты обследования очистных и подготовительных выработок, данные по оседаниям земной поверхности. По результатам анализа выделяются потенциально опасные участки, которые требуют более углубленного анализа их состояния. На этих участках выполняются исследования физико-механических свойств вмещающих пород, оценка напряженного состояния элементов подземных конструкций, изучение характера их деформирования во времени. Данная информация используется в качестве параметрического обеспечения, позволяющего уточнить модель деформирования подрабатываемого соляного массива и критерии его разрушения. Достоверность экспериментальной оценки напряженно-деформированного состояния элементов подземных конструкций во многом зависит от применяемого метода исследований, выбор которого в первую очередь определяется особенностями строения массива. Несмотря на то что соляные породы ВКМКС сложены однотипными минералами (галит, сильвин), их механические свойства варьируются в широких пределах, что обусловлено структурно-текстурными особенностями их строения [6, 7]. Соляные породы имеют разнозернистую структуру, где размеры кристаллов могут изменяться от 0,5 до 15,0 мм и более. Продуктивная толща пород характеризуется чередованием слоев каменной соли, сильвинита (карналлита) и тонких прослоев глинисто-ангидритового материала. В этом случае использование традиционных методов изучения массива с применением небольшой базы измерений дает большой разброс частных значений исследуемых параметров, что снижает достоверность результатов. Практика экспериментальных исследований показала, что при изучении напряженного состояния соляного массива необходимо использовать методы, исключающие необходимость модельных переходов от измеренных деформаций к напряжениям, с базой измерений, значительно превышающей характерный размер неоднородности пород [8, 9]. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяет метод компенсации напряжений с использованием эффекта акустической памяти. Идея метода контроля напряжений в породном массиве основана на способности горной породы запоминать уровень действия предыдущей нагрузки (акустоэмиссионный эффект Кайзера) [10-14]. При этом о величине напряжений судят по скачкообразному изменению активности акустической эмиссии (АЭ) при превышении в процессе повторного нагружения уровня напряжений, действующих ранее [15, 16]. Методика выполнения исследований Для отработки методики измерений был проведен комплекс лабораторных и шахтных исследований закономерностей изменения интенсивности акустической эмиссии при нагружении соляных пород. Лабораторные исследования показали, что соляные породы обладают высоким эффектом памяти, который может сохраняться в течение достаточно длительного времени. Основными источниками акустической эмиссии в соляных породах являются микротрещины растяжения, которые зарождаются на границах зерен и при деформировании образца и произрастают в направлении действия максимального главного напряжения [17]. При превышении уровня нагрузки над напряжениями, действующими ранее, происходят активизация процесса трещинообразования, слияние микротрещин с образованием крупных магистральных трещин, что отражается в резком повышении уровня активности АЭ [16]. Оценка напряженного состояния пород приконтурного массива в натурных условиях выполнялась с использованием скважинного гидродомкрата Гудмана фирмы Durham Geo Slope Indicator (США), который представляет собой каротажный зонд для измерения деформаций стенок скважин как функции приложенной нагрузки. В отличие от прессиометров, передающих нагрузку на породу через резиновую оболочку, в процессе измерений домкрат прикладывает однонаправленное давление к стенкам скважины посредством двух стальных подвижных пластин. Зонд спроектирован для применения в скважинах диаметром 76 мм. В комплект аппаратуры входят переносной прибор для измерения деформаций, гидравлический насос с трубопроводами высокого давления, запорной арматурой и датчиком давления. Для контроля параметров АЭ в процессе нагружения скважины на корпус домкрата крепился пьезокерамический датчик с диапазоном фиксируемых частот акустических событий 0,2-0,5 МГц. Измерение параметров АЭ производилось прибором АЭ-USB-1. Воздействие на контур скважины обеспечивается полукруглыми стальными пластинами длиной 200 мм, создающими давление в одной плоскости, что позволяет производить измерения параметров массива по различным направлениям (рис. 2). Для обоснования достоверности получаемой информации в шахтных условиях проведены работы по нагружению гидродомкратом стенок скважины, пробуренной в стенке одиночной выработки. При проведении экспериментальных исследований осуществлялся следующий порядок работ. На первом этапе производилась локальная разгрузка приконтурного массива путем бурения скважины, в которую затем помещался гидродомкрат на глубину не менее 1,0 м. С помощью ручного насоса производилось циклическое нагружение околоскважинного массива. Измерения выполнялись по схеме «нагрузка - разгрузка» с увеличением давления в каждом последующим цикле. Максимальное давление в гидросистеме в первом цикле нагружения составляло 15 МПа, во втором - 20 МПа, в третьем - 25 МПа. В процессе эксперимента осуществлялась регистрация давления на стенки скважины и количества импульсов выделения АЭ. Уровень предыдущей нагрузки определялся по резкому (в 2-3 раза) увеличению интенсивности импульсов АЭ либо по перегибу кривой на графике параметров АЭ в процессе направленного циклического нагружения стенок скважины (рис. 3). На начальном участке кривой активности АЭ выделяется участок достаточно интенсивных импульсов АЭ, что обусловлено наличием высокого уровня шума, связанного с перемятием неровностей стенки скважины гидродомкратом на начальной стадии деформирования. Затем выделяется зона, где активность АЭ незначительна (сохраняется на уровне фона), что соответствует упругому деформированию массива вокруг скважины. В первом цикле нагружения участок резкого возрастания активности АЭ связан с достижением нагрузки, равной величине напряжений, действовавших в массиве до бурения измерительной скважины. При последующих нагружениях интенсивность АЭ незначительна до уровня, близкого к нагрузке предыдущего цикла. Затем происходит скачкообразное увеличение количества импульсов АЭ, что достаточно хорошо совпадает с достижением нагрузки на стенки скважины уровня предыдущего цикла. Исследованиями установлено, что суммарное количество импульсов АЭ не всегда является надежным критерием локализации величины напряжений, действующих в массиве. Часто не удается идентифицировать точку перегиба по кривой суммарного количества импульсов АЭ. Наиболее информативным параметром является интенсивность (скорость выделения) АЭ, измеряемая количеством импульсов АЭ в единицу времени, позволяющим более точно регистрировать увеличение числа импульсов АЭ. В результате проведенных экспериментов определены методические особенности исследования напряжений с использованием эффектов памяти горных пород: - исследования должны производиться сразу же после бурения скважины и зачистки ее контура, по истечении 2-3 суток эффект памяти существенно ослабевает; - контроль уровня действующих напряжений целесообразно производить по измерению интенсивности АЭ; - точка перегиба на кривой интенсивности АЭ соответствует напряжению, действующему в плоскости нагружения, до проведения эксперимента; - определение величин напряжений, действующих в разных плоскостях, необходимо осуществлять в скважинах, разнесенных друг относительно друга не менее чем на 0,5 м. Результаты экспериментальных исследований Исследования напряжений проводились в междукамерных целиках на пласте КрII и в породах междупластья КрII-АБ в пределах 11-й восточной панели Второго Березниковского рудника Верхнекамского месторождения калийных солей. Отработка пласта ведется камерной системой с оставлением жестких ленточных целиков шириной 6,1 м, ширина камер - 5,3 м. Глубина ведения горных работ - 320,0 м. Экспериментальные скважины бурились в целиках, расположенных в центре панели. В процессе эксперимента измерялись: давление в гидросистеме, деформация стенок скважины в направлении нагружения, параметры интенсивности АЭ. Особенностью гидродомкрата Гудмана является возможность создания нагрузки на околоскважинный массив в одной плоскости, что позволяет оценивать величины напряжений по различным направлениям. На рис. 4 показано распределение вертикальных и горизонтальных напряжений по сечению междукамерного целика на пласте КрII со сроком службы более 30 лет. Анализ экспериментальных исследований показывает, что от контура целика до глубины 2 м наблюдается рост вертикальных напряжений от 3 до 8 МПа, что соответствует нагрузке от веса вышележащих пород. Горизонтальные напряжения с удалением от контура целика также растут и составляют примерно 60-70 % от вертикальных. Для сопоставления выполнены аналогичные измерения напряжений по сечению «свежего» междукамерного целика. Исследования показали, что максимум опорного давления расположен на глубине 1,3 м и равняется 18 МПа. В центральной части целика уровень вертикальных напряжений составляет около 10-11 МПа, что на 25-40 % выше веса вышележащих пород. Заключение Таким образом, проведенный комплекс исследований позволил разработать методику и произвести оценку напряжений в соляных междукамерных целиках. Анализ экспериментальных данных показал, что в «свежих» междукамерных целиках максимум опорного давления расположен вблизи контура и в 1,8-2,0 раза превышает нагрузку от веса вышележащих пород (gH). В центральной части целика уровень вертикальных напряжений составляет 1,25-1,4 gH. С увеличением срока службы целиков величина напряжений в приконтурном массиве снижается до уровня напряжений веса вышележащих пород. Горизонтальные напряжения с удалением от контура целика растут и составляют примерно 60-70 % от вертикальных. Результаты натурных исследований используются для оценки устойчивости конструктивных элементов камерной системы разработки сильвинитовых пластов ВКМКС.

Об авторах

Владимир Андреевич Асанов

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

доктор технических наук, заведующий лабораторией физических процессов освоения георесурсов

Валерий Николаевич Токсаров

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

кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории физических процессов освоения георесурсов

Антон Владимирович Евсеев

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

кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории физических процессов освоения георесурсов

Николай Леонидович Бельтюков

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

младший научный сотрудник лаборатории физических процессов освоения георесурсов

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 229

PDF (Russian) - 80

PDF (English) - 44

Ссылки

• Ссылки не определены.