Обеспечение устойчивости кровли очистных камер в условиях повышенного содержания глины в соляном массиве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Обеспечение устойчивости кровли очистных камер в условиях повышенного содержания глины в соляном массиве

Евсеев Антон Владимирович

Пермь - 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Горный институт Уральского отделения РАН и Пермском национальном исследовательском политехническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Асанов Владимир Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Андрейко Сергей Семенович доктор технических наук, профессор Ашихмин Сергей Геннадьевич

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации.

Соляная толща Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС) имеет слоистое строение, характеризующееся чередованием пластов каменной соли, сильвинита и тонких прослоев глинисто-ангидритового материала. Такие прослои, являясь наименее прочным звеном, снижают сцепление между слоями соляных пород. При залегании глинистого материала в кровле выработок повышается вероятность обрушения, что может привести к выходу из строя оборудования и травмированию рабочих. Эта проблема актуальна для многих рудников, расположенных в южной и юго-восточной части месторождения, где содержание нерастворимого остатка в породах междупластья превышает 15%, а в кровле отрабатываемых сильвинитовых пластов КрII и АБ залегают мощные (до 20 см) слои глины. Анализ состояния отработанных очистных камер на рудниках ВКМКС показал, что во многих случаях они теряют устойчивость до истечения необходимого по условиям эксплуатации времени. Из-за опасности обрушения кровли некоторые очистные камеры не дорабатываются до конца, что приводит к увеличению потерь полезного ископаемого.

Таким образом, исследование характера деформирования и разрушения тонкослоистых соляных пород с высоким содержанием глины представляет актуальную задачу геомеханики, а разработка методов прогноза и повышения устойчивости пород кровли очистных выработок имеет важное значение для обеспечения безопасности горных работ и полноты выемки полезного ископаемого. соляной порода горный давление

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научных исследований Учреждения Российской Академии наук Горный институт УрО РАН по теме «Геомеханическое обеспечение высокоэффективного и безопасного освоения месторождений водорастворимых руд в зонах градопромышленных агломераций» (№ гос. рег. 01200955521), грантом Российского фонда фундаметальных исследований «Контроль напряженного состояния грузонесущих элементов системы разработки соляных пород акустоэмиссионными методами» (№ 09-05-00902-а), грантом молодых ученых и аспирантов УрО РАН «Исследование масштабного эффекта в слоистых породах при сдвиге» (№ 10-5-НП-490), внутривузовским грантом Пермского национального исследовательского политехнического университета «Экспериментальное исследование процессов деформирования и разрушения глинистых контактов соляных пород Верхнекамского месторождения калийных солей», а также с хоздоговорными темами с ОАО «Уралкалий».

Целью работы является разработка способов обеспечения устойчивости кровли очистных выработок при отработке сближенных пластов в тонкослоистом соляном массиве с высоким содержанием глинистого материала.

Идея работы заключается в использовании комплексного экспериментально-теоретического метода оценки состояния приконтурного массива, позволяющего прогнозировать состояние междупластья и своевременно разрабатывать мероприятия по обеспечению устойчивости кровли очистных выработок, наиболее полно учитывающие особенности горно-геологических и горнотехнических условий отработки свиты сближенных сильвинитовых пластов с высоким содержанием глинистого материала во вмещающих породах.

Задачи исследований:

- провести исследование физико-механических свойств тонкослоистых соляных пород, слагающих междупластье;

- изучить закономерности деформирования и разрушения соляных пород междупластья КрII-АБ при различных параметрах очистных работ и способах управления горным давлением;

- выполнить оценку влияния глинистых прослоев на напряженно-деформированное состояние потолочин при отработке сильвинитовых пластов;

- разработать рекомендации по рациональным технологическим схемам выемки свиты сближенных сильвинитовых пластов в условиях повышенного содержания глины во вмещающих породах, обеспечивающие безопасные условия ведения очистных работ.

Методы исследований предусматривали комплексный подход к решению поставленных задач и включали анализ и обобщение научного и практического опыта, лабораторные и натурные исследования физико-механичес-ких свойств массива тонкослоистых соляных пород и характера деформирования и разрушения пород междупластья во времени, статистическую обработку результатов экспериментов, математическое моделирование напряженно-деформированного состояния элементов камерной системы разработки.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Количественные зависимости прочностных и деформационных свойств межпластовой глины и соляных пород с глинистыми прослоями от влажности и вида напряженного состояния, выраженные в уменьшении предела прочности на одноосное сжатие глинистого материала с 2,1 до 1,2 МПа, а предела прочности при растяжении с 0,61 до 0,17 МПа при увеличении влажности с 6 до 12%, и в пропорциональном увеличении предела прочности при сдвиге по глинистым контактам с ростом нормальной нагрузки, при этом увеличение площади контактов не приводит к изменению параметров их паспортов прочности.

2. Оценка устойчивости пород междупластья на соляных месторождениях может быть осуществлена на основе сопоставления определённого в натурных условиях интегрального модуля деформации приконтурного массива, учитывающего свойства соляных пород, степень их неоднородности и содержание глины, с критическим значением, установленным для конкретных горнотехнических условий.

3. При отработке сближенных сильвинитовых пластов повышение устойчивости кровли очистных выработок достигается за счет выбора оптимальных размеров целиков и очистных камер, их рационального расположения относительно глинистых прослоев и согласования положения фронтов горных работ на смежных панелях, определяемых в зависимости от характера формирования зон трещинообразования в тонкослоистых породах междупластья.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигается представительным объемом лабораторных и натурных исследований, выполненных с использованием апробированных методик и сертифицированного оборудования, строгой постановкой теоретических задач и корректностью применяемого математического аппарата, удовлетворительной сходимостью и качественным соответствием результатов математического моделирования с данными натурных измерений.

Научная новизна:

- впервые определены прочностные и деформационные свойства межпластовой глины продуктивной толщи ВКМКС;

- в натурных условиях определены значения модуля деформации соляных пород при повышенном содержании в них глины и предложена методика прогноза устойчивости пород междупластья;

- установлены закономерности изменения напряженно-деформирован-ного состояния пород междупластья в условиях интенсивного деформирования подработанного тонкослоистого массива в зависимости от параметров системы разработки и места расположения глинистых контактов относительно кровли очистных выработок;

- методами математического моделирования дана оценка влияния опережения фронтов работ на смежных панелях на устойчивость пород кровли очистных камер.

Практическое значение и реализация результатов работы:

- определены прочностные и деформационные свойства глинистых контактов соляных пород, которые включены в параметрическое обеспечение геомеханических расчетов безопасных условий отработки сильвинитовых пластов;

- установлено, что для шахтного поля рудника БКПРУ-2 на участках с модулем деформации пород междупластья более 1,1 ГПа при существующих параметрах отработки кровля очистных камер будет сохранять свою устойчивость на необходимый технологический срок службы без применения дополнительных мер охраны;

- разработаны и реализованы в юго-восточной части шахтного поля рудника БКПРУ-2 ОАО «Уралкалий» рекомендации по повышению устойчивости кровли очистных камер при высоком содержании глинистого материала, заключающиеся в уменьшении пролета камер, снижении степени нагружения междукамерных целиков, отработки пластов с подрубкой глинистых прослоев, а также выборе оптимальных расстояний между фронтами очистных забоев при отработке смежных панелей.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы были представлены на ряде научно-технических конференций, в том числе на региональной научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые западного Урала» (Пермь, 2009, 2010), научной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск, 2009), научной конференции «Геомеханика в горном деле» (Екатеринбург, 2009), научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2010, 2011), научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (Екатеринбург, 2010), VIII международной школе-семинаре «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород» (Санкт-Петербург, 2010), конференции «Новые технологии в маркшейдерии и недропользовании» (Пермь, 2010), XXI международной школе имени академика С.А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» (Алушта, 2011), ежегодной научной сессии Учреждения Российской академии наук Горного института УрО РАН (Пермь, 2009, 2010, 2011).

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы и ее структура.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 191 страницу машинописного текста, включая 79 рисунков, 11 таблиц, 3 приложения, список использованной литературы из 150 наименований.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность сотрудникам лабораторий физических процессов освоения георесурсов и механики горных пород ГИ УрО РАН за плодотворное сотрудничество, внимание, поддержку и ценные советы, а также инженерно-техническим работникам ОАО «Уралкалий» за конструктивную помощь в проведении натурных экспериментов и внедрении практических результатов работы.

2. Основное содержание работы

В первой главе выполнен анализ горно-геологических и горно-технических условий отработки запасов сильвинитовой руды на ВКМКС, рассмотрены существующие методы прогноза и способы повышения устойчивости пород кровли очистных камер, сформулированы цели и задачи исследований.

Основными рабочими пластами на Верхнекамском месторождении являются пласты КрII и АБ сильвинитового состава, разделенные междупластьем мощностью от 2,5 до 7,0 м. Вся надсолевая толща характеризуется высокой обводненностью. Для предотвращения прорыва воды и затопления шахт при ведении очистных работ на всех рудниках ВКМКС применяется камерная система разработки с поддержанием кровли в основном на относительно «жестких» целиках. Выемка руды осуществляется комбайновым способом. Ширина камер изменяется в пределах от 3 до 16 м, а высота определяется мощностью пластов и в среднем составляет 3-7 м. Ширина междукамерных целиков варьируется в диапазоне от 3 до 18 м.

Анализ состояния очистных камер в отработанном пространстве показал, что в ряде случаев выработки теряют свою устойчивость до истечения необходимого по условиям эксплуатации времени. Так, отработка двух сближенных сильвинитовых пластов АБ и КрII в юго-восточной части шахтного поля рудника БКПРУ-2 сопровождается интенсивными проявлениями горного давления: расслоением и обрушением пород кровли очистных камер на обоих пластах, пучением почвы на верхнем пласте АБ, разрушением междупластья.

Анализ результатов изучения вещественного состава пород продуктивной толщи по керну геологоразведочных скважин показал, что глинистый материал по территории шахтных полей рудников ВКМКС распределен неравномерно, его содержание возрастает в юго-восточном направлении, причем наиболее мощные слои залегают в кровле основного промышленного пласта КрII, что обуславливает низкую устойчивость пород междупластья КрII-АБ.

Исследованиям по обеспечению устойчивости выработок на калийных рудниках посвящены работы С.С. Андрейко, А.А. Баряха, В.А. Губанова, В.А. Асанова, М.П. Нестерова, Г.Н. Немтина, В.Е. Маракова, С.А. Константиновой, В.В. Хронусова, В.А. Мисникова, С.Я. Жихарева, М.А. Журавкова, Б.В. Лаптева, Г.П. Шаманского, S. Serata, W. Dreyer и др. В них определены основные закономерности деформирования и разрушения конструктивных элементов камерной системы разработки при различных условиях ведения горных работ и разработаны мероприятия по повышению устойчивости пород кровли горных выработок.

С целью увеличения времени устойчивого состояния выработок предлагается применение ряда специальных мероприятий, позволяющих изменить характер напряженного состояния пород приконтурного массива: использование эффекта выемки защитных пластов, проведение разгружающих выработок, крепление кровли, создание компенсационных щелей и полостей.

Несмотря на большой объём проведенных исследований, разработанные в настоящее время методы обеспечения устойчивости кровли очистных камер при отработке сближенных сильвинитовых пластов не отражают в полной мере всех особенностей её деформирования в условиях повышенного содержания глины и не гарантируют безопасность ведения горных работ. В этой связи остается актуальной проблема совершенствования методов и средств обеспечения сохранности кровли камер и междупластий на необходимый технологический срок отработки запасов в очистных камерах.

Вторая глава посвящена исследованию в лабораторных условиях физико-механических свойств глинистого материала и соляных пород, слагающих междупластье, а также закономерностей деформирования глинистых контактов при различных условиях нагружения.

Результаты исследования механических свойств пород продуктивной толщи (рабочих пластов и междупластья) на разных участках шахтных полей ВКМКС показали, что предел прочности на сжатие основных типов соляных пород (каменная соль, сильвинит) составляет 19-25 МПа. При этом наименее прочным является пласт каменной соли, залегающий непосредственно над пластом КрII. На основе корреляционного анализа данных по химическому составу и прочности пород продуктивной толщи, а также результатов непосредственных обследований состояния очистных выработок сделан вывод о том, что участки с низкой устойчивостью кровли приурочены к зонам повышенного содержания глинистого материала. Особенно это характерно для пласта КрII, где в кровле залегает до трех глинистых прослойков (коржей) суммарной мощностью до 50 см. Прочностные свойства пород междупластья КрII-АБ в районах с низкой устойчивостью кровли в целом на 15-25% ниже, чем на участках, характеризующихся удовлетворительной устойчивостью.

Исследование степени увлажнения пород в окрестности выработок показало, что на контуре влажность глинистого материала составляет 11-13%, а в массиве (на глубине более 0,5 м) она снижается до 6-8%. По результатам испытаний установлено, что предел прочности на сжатие глинистого материала существенно снижается с повышением влажности (так, у образцов с влажностью 6% он составляет 2,1 МПа, а у образцов с влажностью 12% - 1,2 МПа). При увеличении влажности с 3% до 12% предел прочности на растяжение глинистого материала уменьшается с 0,92 МПа до 0,17 МПа.

Таким образом, глинистые прослойки являются наиболее слабым звеном в слоистом соляном массиве, определяющем устойчивость кровли как очистных, так и подготовительных выработок. Низкие прочностные и деформационные свойства глинистого материала обуславливают интенсивное развитие заколообразования и обрушений по глинистым прослоям в отрабатываемом массиве.

В ходе анализа механизма деформирования слоистого массива установлено, что глинистые прослои, залегающие в кровле выработок, находятся в условиях сложного напряженного состояния, характеризующегося наличием нормальных сжимающих (растягивающих) и сдвиговых напряжений. В этой связи для геомеханического анализа устойчивости выработок изучалось поведение глинистых контактов при сложном нагружении. Исследование прочностных и деформационных свойств глинистых контактов выполнялось на сервогидравлическом испытательном комплексе MTS-816 (США), позволяющем осуществлять нагружение по схеме «сдвиг со сжатием» (рис.1а). По результатам исследований строились кривые деформирования глинистых контактов (рис.1б), которые описывались трехзвенными кусочно-линейными аппроксимациями (рис.1в). В процессе эксперимента варьировались площадь глинистого контакта, его мощность и величина нормальной нагрузки. Основными определяемыми параметрами являлись предел прочности на сдвиг (фпр), деформация на пределе прочности на сдвиг (Uпр), жесткость сдвига (ks) и жесткость разупрочнения (km). По результатам исследований также строились паспорта прочности глинистых контактов. Всего было испытано более 35 проб.

Рис. 1. Схема испытания глинистого контакта (а), характерные графики деформирования глинистых контактов при различной величине вертикальной нагрузки (б) и схема определения механических свойств (в)

Установлено, что с увеличением нормальной нагрузки наблюдается увеличение сдвиговой деформации, вертикального смещения на пределе прочности и остаточной прочности. Жесткость сдвига практически не зависит от величины нормального усилия и принимает значение близкое к 2 ГПа/м. Предел прочности при сдвиге по глинистым контактам линейно зависит от величины нормальной нагрузки, при этом увеличение площади сдвига с 50 до 250 см2 не приводит к изменению параметров их паспортов прочности, что позволяет использовать полученные результаты при математическом моделировании. Среднее значение коэффициента сцепления составляет 0,70 МПа, среднее значение тангенса угла внутреннего трения - 0,44.

Полученные закономерности легли в основу построения математической модели деформирования слоистого междупластья при различных схемах отработки сближенных сильвинитовых пластов КрII и АБ.

Третья глава посвящена исследованию характера деформирования кровли очистных выработок в натурных условиях.

Изучение процессов расслоения кровли, пучения почвы и деформирования стенок очистных выработок выполнялось на замерных станциях, заложенных на пластах АБ и КрII в юго-восточной (9, 11 ВП) и северо-восточной (20 ВП) частях шахтного поля рудника БКПРУ-2, а также на руднике СКРУ-2. В южной части рудника БКПРУ-2 содержание глинистого материала в породах междупластья превышает 15%, в северной составляет около 8%, а на 2 ЮВП и 2 СВП рудника СКРУ-2 - не превышает 2%.

Особенности геологического строения и характер расслоения пород междупластья в местах проведения исследований уточнялись при помощи системы телеинспекции скважин EC-10LCD. Каждая станция оборудовалась комплектом глубинных (длиной 0.5, 1.0, 1.5 и 2.0 м) и контурных реперов, смещение которых контролировалось методом нивелирования. Оборудование замерной станции осуществлялось непосредственно вслед за проходом комбайна. Всего проведено 84 серии наблюдений. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что в условиях 9 и 11 ВП в течение первых 1,0-2,5 месяцев после проходки происходило интенсивное расслоение кровли пласта КрII c последующим ее обрушением, либо зависанием заколов большого размера, вследствие чего вход в выработку прекращался. Очистные камеры на 20 ВП сохраняли своё устойчивое состояние длительное время. Трехлетние наблюдения показали, что деформации пород кровли пласта КрII на руднике на СКРУ-2 не превышают 2-5 мм/год.

Характер деформирования пород технологического междупластья в очистных камерах в юго-восточной (9, 11 ВП) и северо-восточной (20 ВП) части шахтного поля рудника БКПРУ-2 существенно различался. Так, в течение 54 суток контроля, деформация кровли пласта КрII в камере на 11_ВП составила около 370 мм, при этом наблюдался равномерный характер её деформирования по всей мощности. Для сравнения, суммарная деформация кровли в камере на 20 ВП за 329 суток наблюдений достигла 94 мм, при этом она полностью определялась деформацией непосредственной кровли на глубину не более 0,5 м. Смещение глубинных реперов, заложенных на расстоянии 1,0 м от контура, было на порядок меньше.

На 9, 11 ВП при подходе очистных работ на нижележащем пласте КрII к створу замерной станции, расположенной на вышележащем пласте АБ, в очистных камерах отмечалась резкая активизация процессов расслоения пород кровли и пучения почвы. Так, при подходе горных работ к замерной станции в течение одной недели произошло увеличение скорости деформирования пород почвы на пласте АБ в 5,5-6,0 раз. В дальнейшем скорость деформирования пород почвы очистной камеры стабилизировалась на прежнем уровне.

По результатам изучения особенностей деформирования пород междупластья видно, что в условиях, характеризующихся высоким содержанием глины, сразу вслед за проходом комбайна происходило интенсивное расслоение пород кровли с последующим её обрушением. Кроме того, на верхнем отрабатываемом пласте АБ наблюдалось интенсивное пучение почвы. При незначительном содержании глинистого материала в породах междупластья кровля сохраняла свою устойчивость на весь срок службы. В результате обследования старых очистных камер на рудниках СКРУ-1, 2, 3 установлено, что кровля может сохранять свою устойчивость в течение нескольких десятков лет при пролете очистных камер до 16 м.

При измерении напряжений в кровле очистных камер на 9 и 11 ВП рудника БКПРУ-2 максимальные горизонтальные напряжения в породах междупластья, равные 7,5 МПа, зафиксированы на расстоянии 1,9 м от кровли очистной камеры пласта КрII. Ближе к краевым частям междупластья отмечается снижение напряжений до 2-5 МПа. Смещение зоны максимума напряжений вглубь междупластья свидетельствует о том, что породы кровли нижнего пласта КрII и почвы верхнего пласта АБ нарушены и не способны воспринимать нагрузку, вследствие чего происходит их интенсивное деформирование и расслоение.

В результате большого объема лабораторных исследований механических свойств керна геолого-разведочных скважин сделан вывод о том, что наличие глинистых прослоев и высокая степень нарушенности соляных пород наиболее сильно отражаются в параметрах их деформирования. Поэтому, в качестве критерия при оценке степени устойчивости кровли очистных камер предложено использовать модуль деформации пород междупластья. Определяемый в натурных условиях, он в значительной степени характеризует особенности строения вмещающих пород, их механические свойства и степень нарушенности массива. Для прогнозирования степени устойчивости пород междупластья разработана методика и проведены натурные эксперименты по оценке величины модуля деформации в приконтурном массиве. При исследовании использован гидродомкрат Гудмана, представляющий собой каротажный зонд для измерения деформаций стенок скважин при их нагружении (рис.2а). В отличие от прессиометров, передающих при измерении нагрузку на породу через резиновую оболочку, домкрат прикладывает однонаправленное давление к стенкам скважины посредством двух стальных подвижных пластин. При этом реализуется условно жесткий режим нагружения стенок скважины.

Увеличение диаметра скважины в направлении приложения давления измеряется с помощью двух индуктивных датчиков перемещений, расположенных на концах нажимных сегментов. При перемещениях до 11 мм они обеспечивают точность измерений 0,01 мм. По результатам проведения экспериментальных исследований строились графики «давление - деформация», по которым определялись деформационные параметры пород приконтурного массива.

На диаграммах деформирования стенок скважины выделяются три характерные стадии (рис.2б). На первой стадии происходит расширение гидродомкрата до соприкосновения нажимных пластин со стенкой скважины (отрезок АВ). Вторая стадия (отрезок ВС) обусловлена смятием неровностей стенок скважины. Третья стадия соответствует полному контакту нажимных пластин со стенками скважины.

Модуль деформации рассчитывался по касательной, проведенной к нагрузочной части кривой деформирования на участке полного контакта нажимных пластин со стенками скважины (отрезок CD).

Исследования, проведенные в 9 скважинах на 9, 11 и 20 ВП рудника БКПРУ-2, позволили определить характер изменения модуля деформации по разрезу междупластья КрII-АБ (рис.3). Установлено, что средние значения модуля деформации пород в нижней части междупластья КрII-АБ на 9 и 11 ВП, где кровля начинает расслаиваться вслед за проходкой, составляет 0,8-1,1 ГПа. В средней части междупластья отмечается увеличение модуля деформации до 1,5-1,6 ГПа.

На 20 ВП модуль деформации пород междупластья КрII-АБ изменяется от 1,2 до 2,4 ГПа, что в среднем на 30-50% выше аналогичных значений, полученных на 9 и 11 ВП.

Рис. 2. Схема измерения модуля деформации (а) и график деформирования массива (б):

1 - гидродомкрат Гудмана, 2 - датчик давления, 3 - гидравлические шланги, 4 - ручной насос, 5 - регистратор деформаций

Таким образом, по величине модуля деформации вмещающих пород можно судить о характере проявлений горного давления в кровле очистных камер во времени. Чем выше его значение, тем больше степень устойчивости пород. При величине модуля деформации менее 1,1 ГПа резко интенсифицируются процессы расслоения кровли очистных камер с последующей потерей ее устойчивости. В пределах шахтного поля рудника БКПРУ-2 критическая величина модуля деформации, определяющая неустойчивое состояние тонкослоистых пород междупластья КрII-АБ и не позволяющая безопасно вести отработку сильвинитовых пластов, равна 1,1 ГПа. При модуле деформации от 1,5 до 2,5 ГПа соляные породы междупластья относятся к породам средней устойчивости, которые содержат не более 5-6% глинистого материала, что позволяет отрабатывать запасы камер без технологических осложнений, срок устойчивого состояния кровли очистных камер - около одного года. При модуле деформации массива более 2,5 ГПа вмещающие породы характеризуются однородностью (отсутствием глинистых «коржей» в кровле отрабатываемых пластов), имеют высокую устойчивость кровли, обеспечивающую обнажение на больших площадях (при ширине камер до 16-м) на срок до несколько лет.

Полученные результаты позволяют прогнозировать срок устойчивого состояния кровли очистных камер и, при необходимости, своевременно принимать решения по дополнительным мерам повышения устойчивости обнажений при ведении горных работ.

В четвертой главе методами математического моделирования выполнено обоснование комплекса мер по обеспечению устойчивости кровли выработок, сооружаемых в тонкослоистом соляном массиве.

При исследовании рассмотрена схема очистной выемки сближенных сильвинитовых пластов КрII и АБ с наличием глинистых прослоев, залегающих над пластом КрII (рис.4а).

Рис. 4. Расчетная схема исследования напряженно-деформированного состояния слоистого междупластья при отработке сближенных сильвинитовых пластов КрII и АБ (а) и механизм разрушения пород кровли (б)

Математическое моделирование процесса разрушения междупластья проводилось в постановке плоской деформации. Напряженное состояние камерного блока описывалось идеальной упругопластической средой, для которой связь между деформациями и напряжениями на допредельной стадии определялась законом Гука. Предельные напряжения в области сжатия рассчитывались в соответствии с законом Кулона-Мора. В области растяжения предельное напряжение ограничивалось пределом прочности на растяжение. Глинистые прослои учитывались путем введения контактных элементов Гудмана. Численная реализация осуществлялась методом конечных элементов в перемещениях с дискретизацией рассматриваемой области на треугольные элементы первого порядка.

Анализ изменения напряженно-деформированного состояния пород технологического междупластья показал, что одной из причин разрушения является расслоение по глинистым контактам (рис.4б). Вместе с тем, очевидно, что разрушенные породы не будут обрушаться в камеру, если они окружены материалом, не потерявшим своей несущей способности. Исходя из вышеизложенного, критерием обрушения пород междупластья принят выход зоны действия растягивающих напряжений на обнажение и достижение областью сдвиговой трещиноватости зоны расслоения по глинистым контактам.

Для проверки адекватности математического описания напряженно-деформированного состояния пород кровли выполнено сравнение величин вертикальных смещений кровли пласта КрII, а также горизонтальных напряжений в породах междупластья, полученных в результате расчетов, с данными шахтных исследований. Результаты математического моделирования и натурных измерений удовлетворительно согласуются между собой.

Для обоснования комплекса мер по обеспечению устойчивости кровли выработок, сооружаемых в тонкослоистом массиве, рассмотрено распределение напряжений и характер формирования зон разрушения в породах междупластья при двух применяемых на месторождении схемах очистной выемки: с оставлением защитной пачки сильвинита в кровле пласта КрII мощностью до 0,6 м и с подрубкой наиболее мощных глинистых коржей, залегающих непосредственно над пластом. Анализ результатов показал, что при очистной выемке с оставлением защитной пачки, в случае использования «податливых» (степень нагружения более 0,4) целиков на пласте КрII, в породах междупластья вначале реализуется разрушение защитной пачки вследствие формирования трещин отрыва. Одновременно происходит расслоение глинистых контактов, которое при достижении зоны сдвиговой трещиноватости обуславливает обрушение первого коржа. Далее, вследствие действия растягивающих напряжений, имеет место постепенное обрушение пород кровли, которое может охватить всю коржевую часть междупластья. С увеличением ширины целика процесс обрушения кровли развивается только за счет действия растягивающих напряжений и образования трещин отрыва. В случае «жестких» (степень нагружения менее 0,4) целиков динамика обрушения качественно остается подобной. В количественном выражении высота обрушения кровли несколько уменьшается (рис.5а, 5б).

При подрубке коржей и отработке пласта КрII c «податливыми» целиками отмечается интенсивная реализация всех форм разрушения кровли (образование трещин отрыва и сдвига, расслоение глинистых контактов), что в условиях повышенной глинизации и низких прочностных свойств соляных пород может привести практически к полной потере устойчивости междупластья (рис.5в).

Увеличение ширины междукамерных целиков в значительной степени улучшает горнотехническую ситуацию, и в случае применения «жестких» целиков зона обрушения ограничивается коржевой частью кровли (рис.5г).

Рис. 5. Схема формирования зон обрушения пород кровли при различных вариантах отработки камер: а, б - с оставлением защитной пачки; в, г - с подрубкой коржей; а, в - «податливые» целики; б, г - «жесткие» целики

Увеличение ширины камер обуславливает расширение зон растяжения и сдвиговой нарушенности, что ведет к интенсификации расслоения и обрушения пород междупластья.

Важно отметить, что, несмотря на реализацию обрушения в обоих вариантах за счет раскрытия контактов, характер их деформирования несколько отличается. При отработке камер с подрубкой коржей и «податливыми» целиками расслоение контактов имеет «пунктирный» вид, при этом раскрытие происходит одновременно по всей ширине камеры. При оставлении защитной пачки расслоение локализовано в средней части кровли.

Результаты моделирования хорошо подтверждаются данными натурных исследований. Наблюдения за состоянием очистных выработок показали, что основное расслоение пород междупластья связано с раскрытием глинистых контактов коржевой части. В условиях высокого содержания глины на 9, 11 ВП рудника БКПРУ-2 при подрезке двух коржей мощностью 0,6 м происходит интенсивное расслоение пород приконтурной части кровли с последующим её обрушением. При оставлении защитной пачки в тех же условиях наибольшее расслоение наблюдается на расстоянии 0,5-1,0 м от контура выработки. Вместе с тем, при оставлении защитной пачки расслоение происходит позже, однако объем вывала в этом случае больше, чем при подрезке двух глинистых коржей.

Таким образом, вне зависимости от схем очистной выемки увеличение ширины междукамерных целиков и уменьшение ширины камер снижает опасность формирования в кровле камер пласта КрII трещин сдвига и отрыва, уменьшает высоту зоны обрушения. Поэтому одним из способов повышения устойчивости очистных выработок является отработка запасов сильвинитовых пластов КрII и АБ комбайном типа «Урал-61» (с шириной выработки 3,1 м) в один ход по ширине и степенью нагружения междукамерных целиков не более 0,4 по обоим пластам.

Анализ сложившейся горнотехнической обстановки показал, что, как правило, одновременно в отработке находятся несколько смежных панелей, при этом отставание фронта очистных работ между панелями изменяется в широких пределах, что в условиях интенсивных деформаций подработанного массива приводит к увеличению горного давления и, как следствие, к увеличению скоростей деформирования пород кровли в отрабатываемых камерах.

Для определения величины оптимального отставания очистной выемки на смежных панелях выполнен трехмерный численный анализ изменения напряженно-деформированного состояния подработанного массива.

Результаты исследования показали, что при отработке одной отдельно взятой панели в окрестности выработанного пространства формируется зона опорного давления как перед фронтом очистных работ, так и в пределах боковых границ панели с максимумом в интервале рабочих пластов. При этом интенсивность опорного давления практически не зависит от размеров выработанного пространства, а полностью определяется уровнем деформаций подработанного массива, в частности, максимальными оседаниями земной поверхности и размерами краевой части мульды сдвижения.

При одновременной отработке смежных панелей с отставанием фронта очистных работ по одной из них характер распределения опорного давления существенно меняется. Здесь четко фиксируется наложение зон повышенного горного давления перед фронтом очистных работ «отстающей» панели и в краевой зоне уже отработанной панели (рис.6а). Пространственная локализация области значительного увеличения вертикального напряжения приурочена к углу сопряжения панелей. С ростом расстояния между фронтами отрабатываемых панелей размеры этой зоны увеличиваются, а величина действующих в ней напряжений повышается.

Анализ результатов исследований показал, что при отставании одной из панелей на расстояние более 50-60 метров начинается рост опорного давления (до 30%). При увеличении отставания между панелями более 200 м максимум опорного давления изменяется незначительно и стремится к некоторой асимптоте (рис.6б).

Рис. 6. Распределение вертикальных напряжений в кровле отрабатываемого пласта (а) и зависимость величины опорного давления от расстояния между фронтами очистных работ на смежных панелях (б)

Таким образом, в условиях интенсивного деформирования подработанного массива при совместной отработке панелей рекомендуется обеспечивать расстояние между фронтами очистных работ не более 50-60 метров.

Заключение

В диссертации по результатам проведенных исследований предложено решение актуальной научно-практической задачи по обеспечению устойчивости кровли очистных камер в условиях повышенной глинизации соляного массива, имеющее важное значение для безопасной отработки месторождений калийных руд.

Основные теоретические положения, научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Анализ горно-геологических условий залегания сильвинитовых пластов на ВКМКС и обследование состояния очистных выработок показали, что при содержании глинистого материала в породах междупластья более 15% кровля очистных камер теряет устойчивость до истечения необходимого по условиям эксплуатации времени, что может приводить к выходу из строя оборудования, травмированию рабочих, а также существенному повышению потерь полезного ископаемого.

2. Исследованиями физико-механических свойств пород продуктивной толщи шахтных полей рудников ВКМКС установлено, что прочностные свойства глинистого материала на порядок меньше, чем у вмещающих соляных пород (каменной соли, сильвинита), и существенно уменьшаются по мере увеличения его влажности, что обуславливает развитие процессов расслоения и обрушения кровли выработок по глинистым прослойкам междупластья.

3. Определены закономерности изменения прочностных и деформационных свойств соляных пород с глинистыми контактами при сложном нагружении по схеме «сдвиг со сжатием»: предел прочности при сдвиге по глинистым прослоям линейно зависит от величины нормальной нагрузки и не зависит от площади контакта. Коэффициент сцепления изменяется от 0,54 до 0,82 МПа и в среднем составляет 0,70 МПа, среднее значение тангенса угла внутреннего трения - 0,44. Жесткость сдвига практически не зависит от величины нормального усилия и принимает значение близкое к 2 ГПа/м.

4. Разработана методика оценки степени устойчивости тонкослоистых соляных пород, учитывающая горно-геологические особенности строения кровли отрабатываемых пластов (содержание глинистого материала, механические свойства вмещающих пород, степень их нарушенности) и основанная на определении в натурных условиях интегрального модуля деформации приконтурного массива.

6. Установлено, что увеличение устойчивости пород кровли при отработке сближенных сильвинитовых пластов в условиях повышенного содержания глины в междупластье достигается уменьшением пролета кровли камер, степени нагружения междукамерных целиков, ведением добычи с подрубкой глинистых прослоев и опережением фронтов работ по смежным панелям не более 60 м.

7. Полученные в ходе проведенных исследований результаты использованы при геомеханическом обосновании безопасных условий обработки сближенных сильвинитовых пластов на рудниках ВКМКС в условиях повышенного содержания глинистого материала в породах междупластья.

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах

а) издания, рекомендованные ВАК РФ:

1. Токсаров В.Н. Исследование проявлений горного давления при выемке сильвинитовых пластов / В.Н. Токсаров, В.А. Асанов, А.В. Евсеев // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - 2009. - № 10. - С. 69-71.

2. Геомеханическое обоснование отставания очистных работ при одновременной отработке смежных панелей / Барях А.А., Асанов В.А., Федосеев А.К., Токсаров В.Н., Евсеев А.В. // Вестн. Магнитогорского гос. ун-та им. Г.И. Носова. - 2010. - № 1. - С. 25-28.

3. Опыт изучения акустоэмиссионных эффектов в соляных породах с использованием скважинного гидродомкрата Гудмана / В.А. Асанов, В.Н. Токсаров, А.В. Евсеев, Н.Л. Бельтюков // Горный информ.-аналит. бюллетень. - 2010. - № 10. - С. 144-148.

4. Разрушение кровли очистных камер в условиях повышенной глинизации / А.Ю. Шумихина, С.Ю. Лобанов, А.В. Евсеев, В.Н. Токсаров // Горный информ.-аналит. бюллетень. - 2010. - № 11. - С. 37-41.

5. Евсеев А.В. Методика прогноза устойчивости пород кровли очистных камер на калийных месторождениях / А.В. Евсеев, В.Н. Токсаров // Горный информ.-аналит. бюллетень. - 2011. - № 8. - С. 5-10.

6. Евсеев А.В. Устойчивость пород кровли очистных камер при одновременной отработке смежных панелей // Известия ТулГУ. Науки о Земле. - 2011. - Вып. 1. - С. 272-276.

б) прочие издания:

7. Евсеев А.В. Методика проведения геомеханического мониторинга процессов деформирования потолочин горных выработок // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: материалы регион. науч.-практ. конф. / ПГУ [и др.]. - Пермь, 2009. - С. 396-399.

8. Методические аспекты изучения механических свойств контактов соляных пород на универсальном испытательном комплексе MTS-816 (сдвиг со сжатием) / В.А. Асанов, И.Л. Паньков, А.В. Евсеев, Н.Л. Бельтюков // Научные исследования и инновации. - 2009. - Т.3, № 4. - С. 38-41.

9. Евсеев А.В. Натурные исследования деформирования кровли очистных камер в условиях интенсивного проявления горного давления // Геомеханика в горном деле: докл. науч.-техн. конф. / ИГД УрО РАН. - Екатеринбург, 2009. - С. 248-253.

10. Асанов В.А. Особенности деформирования и разрушения потолочин при выемке сближенных калийных пластов / В.А. Асанов, В.Н. Токсаров, А.В. Евсеев // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: тр. Всерос. конф. с участием иностр. ученых / ИГД СО РАН. - Новосибирск, 2010. - С. 389-394.

11. Евсеев А.В. Использование лазерной сканирующей системы при изучении процессов деформирования контура горных выработок // Проблемы недропользования: материалы IV Всерос. молодежной науч.-практ. конф. / ИГД УрО РАН. - Екатеринбург, 2010. - С. 437-442.

12. Евсеев А.В. Контроль напряженно-деформированного состояния межпластовых потолочин // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2009 г. - Пермь, 2010. - С. 72-74.

13. Асанов В.А. Изучение масштабного эффекта при сдвиге соляных пород по глинистому прослою / В.А. Асанов, Н.Л. Бельтюков, А.В. Евсеев // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: материалы регион. науч.-практ. конф. / ПГУ [и др.]. - Пермь, 2010. - С. 314-317.

14. Экспериментальное изучение деформирования и разрушения контактов квазипластичных пород (сдвиг со сжатием) / Асанов В.А., Паньков И.Л., Евсеев А.В., Бельтюков // Физические основы прогнозирования разрушения горных пород: тез. докл. VIII междунар. шк.-семинара / ИФЗ [и др.]. - М., 2010. - С. 16.

15. Оценка влияния слоистости соляных пород на устойчивость обнажений / Асанов В.А., Токсаров В.Н., Евсеев А.В., Аникин В.В. // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: материалы XXI Междунар. науч. шк. им. акад. С.А. Христиановича / Таврич. нац. ун-т [и др.]. - Симферополь, 2011. - С. 31-35.

Размещено на Allbest.ru