АКТУАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ ГЕОМЕХАНИКИ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ СОЛЕЙ

  • А.А. БАРЯХ Горный институт УрО РАН

Аннотация

Вся российская добыча калийных солей в настоящее время сосредоточена в пределах Верхнекамского месторождения (ВКМС), которое является вторым в мире по разведанным запасам - более 3,8 млрд. тонн. Разработка ВКМС и других место- рождений минеральных солей связана с риском возникновения аварий, обусловлен- ных разрушением водозащитной толщи (ВЗТ), и, как следствие, прорывом пресных или слабоминерализованных вод в горные выработки [1, 2]. В этой связи историче- ски геомеханические исследования были востребованы практикой освоения ВКМС. Как правило, они основывались на эмпирических и инженерных подходах [3]. При- менение методов математического моделирования к расчету устойчивости ВЗТ на рудниках ВКМС началось примерно с 90-х годов прошлого века [4,5] и постоянно развивается. Здесь, в первую очередь следует отметить комплексирование геомеха- ники с геофизическими методами [6], когда выделенные по результатам сейсмораз- ведочных наблюдений неоднородности (природные и/или техногенные) непосредст- венно включаются в расчетную схему математического моделирование состояния ВЗТ. Этот подход, получивший название сейсмогеомеханический, в настоящее вре- мя в плановом режиме применяется на всех рудника ВКМС и постоянно совершен- ствуется. Это относится как к методике и технологии геофизических исследований, так и к геомеханической компоненте [7]. Для сейсмогеологических условий (ВКМС) наземные малоглубинные сейс- моразведочные исследования в мониторинговом режиме позволяют локализовать участки негативных изменений упругих параметров породного массива размерами в несколько десятков метров по латерали в интервале глубин от 100 до 500. Подобные исследования могут при необходимости дополняются инженерными сейсморазве- дочными наблюдениями, которые обеспечивают изучение верхней части разреза от приповерхностных отложений до первых горизонтов ВЗТ. Для повышения детали- зации геологического строения и определения состояния породного массива на уровне продуктивных пластов проводятся высокочастотные сейсморазведочные ис- следования из горных выработок. Результатом интерпретации многоуровневых сейсморазведочных исследований являются физико-геологические модели повы- шенной детальности, которые представляют исходные данные для текущих и про- гнозных геомеханических оценок состояния ВЗТ на потенциально опасных участках шахтных полей калийных рудников. Для получения адекватных геомеханических оценок безопасности подработки ВЗТ при математическом моделировании используется и другая эмпирическая инфор- мация, связанная, в частности, с развитием процесса сдвижения во времени. На основе этих данных производится калибровка геомеханических моделей ВЗТ. Теоретическое описание поведения соляных пород под нагрузкой, формулировка новых критериев разрушения [8] базируется на результатах их лабораторных испытаний в сложных ре- жимах нагружения [9]. На потенциально опасных по нарушению сплошности ВЗТ участках, сейс- могеомеханический контроль которых осуществляется в ежегодном режиме, стали 78 ----------------------- Page 79----------------------- применяться трехмерные постановки (рис.1). Это потребовало использования вы- сокоэффективных вычислительных технологий решения трехмерных задач геоме- ханики на многопроцессорной суперкомпьютерной технике (суперкомпьютер URAN Института математики и механики УрО РАН, г.Екатеринбург). Совершен- ствование математических моделей, их параметрического обеспечения и средств вычислений, безусловно, позволило повысить достоверность геомеханических прогнозов состояния ВЗТ. а) б) 2016 г. 2030 г. Рис. 1. Пространственное (а) и по разрезу (б) положение зон техногенной нарушенности ВЗТ Целый комплекс практических задач связан с разработкой дополнительных мер охраны ВЗТ, позволяющих минимизировать риски нарушения ее сплошности. Здесь, в рамках математического моделирования решается задача выбора наиболее эффектив- ного способа защиты ВЗТ. В качестве примера на рис.2 приводятся результаты анализа создания зоны смягчения у постоянной или длительно остановленной границы горных работ [10]. Вовлечение в разработку новых участков ВКМС характеризуется усложне- нием горно-геологических условий ведения горных работ, которое проявляется, в частности, в значимом повышении содержания глины в рабочих пластах. Наличие глинистых прослоев не только снижает несущую способность междукамерных це- ликов, но обуславливает ускоренное обрушение кровли, что оказывает негативное влияние на устойчивость камерной системы разработки в целом. Следует отме- тить, что зачастую реализация этих процессов не вписывается в инженерную схе- му расчета конструктивных элементов очистной выемки калийных пластов [11]. Необходимым здесь является включение в расчетную схему математического мо- делирования параметров деформирования и разрушения контактов [12] с после- дующим детальным анализом разрушения всех геологических элементов слагаю- щих продуктивную толщу. На рис.3 иллюстрируется вариант совместной отработ- ки сближенных пластов КрII и КрIII [13]. 79 ----------------------- Page 80----------------------- Рис. 2. Расчетные оседания земной поверхности и зоны техногенной нарушенности: а, б) - без создания зоны смягчения; в, г) - создание зоны смягчения путем закладки пласта КрII Рис. 3. Характер развития деформационных процессов и разрушения пород при совместной отработке пластов КрII и КрIII 80 ----------------------- Page 81----------------------- В статье затронут лишь наиболее востребованный практикой разработки место- рождения круг задач геомеханики. Вне рассмотрения остались актуальные проблемы, направленные на прогноз горно-геологических условий разработки, основанные на ретроспективном математическом моделировании геологических процессов. Это слож- ная, комплексная задача, решение которой должно базироваться на научной коопера- ции геологов, геофизиков и геомехаников. Не отмечены также геомеханические вопро- сы, связанные с анализом последствий аварийного затопления рудников ВКМС. Вместе с тем, хочется обратить внимание, что в относительно недалеком будущем многие дей- ствующие калийные рудники должны перейти в стадию ликвидации. Вне зависимости от способа ликвидации («сухой» или «мокрый») на повестку встанут задачи во много подобные аварийным проблемам. Это оценка степени растворения соляных пород (при «мокром» способе - плановая, при «сухом» - в случае нарушения водонепроницаемо- сти ВЗТ после ликвидации), прогноз деформации земной поверхности, опасности обра- зования провалов, заболачивания и подтопления территорий. Таким образом, планомерное геомеханическое сопровождение горных работ на всех стадиях освоения ВКМС является залогом обеспечения его безопасной и эффек- тивной разработки.

Литература

  1. Шиман М.И. Предотвращение затопления калийных рудников / М.: Недра, 1992. - 160 с.
  2. Красноштейн А.Е., Барях А.А., Санфиров И.А. Горнотехнические аварии: затопление Первого Березниковского калийного рудника // Вестн. Перм. науч. центра. - 2009. - № 2. - С. 4 - 9.
  3. Механика горных пород при разработке месторождений природных солей // Труды ВНИИГалургии, под ред. М.П. Нестерова, Вып. 67 Ленинград : ВНИИГ, 1974.- 158 с.
  4. Барях А.А., Шумихина А.Ю. Крупномасштабное математическое моделирование геомеханических процессов при разработке калийных месторождения // Горный журнал. 1993. № 4. С. 31.
  5. Барях А.А. Геомеханические аспекты защиты калийных рудников от затопления // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 1995. № 6. С. 185.
  6. Барях А.А., Санфиров И.А. Комплексное геомеханическое и геофизическое обеспечение безопасности подземных работ // Горн. журн. 2005. № 12. С. 79 - 83.
  7. Барях А.А. Cейсмо-геомеханический прогноз состояния водозащитной толщи на калийных рудниках / Барях А.А., Санфиров И.А., Федосеев А.К., Бабкин А.И., Цаюков А.А. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2017. № 6. С. 10-22.
  8. Барях А.А., Самоделкина Н.А. Об одном критерии прочности горных пород // Чебышевский сборник. 2017, №18(3). С.72-87.
  9. Жигалкин В.М. Деформирование квазипластичных соляных пород при различных условиях нагружения / Жигалкин В.М., Усольцева О.М., Семенов В.Н., Цой П.А., Асанов В.А., Барях А.А., Паньков И.Л., Токсаров В.Н. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2005. № 6. С. 14-25.
  10. Телегина Е.А. Геомеханический анализ целесообразности и эффективности создания зон смягчения у постоянно или длительно остановленных границ горных работ // Стратегия и процессы освоения георесурсов: сб. науч. тр. Вып. 11, 2013. С. 69-72.
  11. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей // Пермь- Березники, 2014. - 130 с.
  12. Барях А.А. Interaction of layers in salt massif. Part 1. Mechanical properties of contacts / Baryakh A.A., Dudyrev I.N., Asanov V.A., Pan’kov I.L. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1992. № 2. С. 48-52.
  13. Лобанов С.Ю. Геомеханическое обоснование безопасных условий отработки сближенных сильвинитовых пластов // Стратегия и процессы освоения георесурсов: сб. науч. тр.
Опубликован
2018-10-01
Выпуск
Раздел
Статьи