ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ ОТРАБОТКИ СБЛИЖЕННЫХ СИЛЬВИНИТОВЫХ ПЛАСТОВ

  • С.Ю. ЛОБАНОВ Горный институт УрО РАН

Аннотация

В работе представлены результаты геомеханического анализа устойчивости очистных выработок при различных технологических схемах и параметрах отра- ботки сближенных сильвинитовых пластов КрII и КрIII . Расчеты выполня- лись применительно к горно-геологическим и горнотехническим условиям шахт- ного поля рудника Усольского калийного комбината. Рассматривались две прин- ципиальные технологические схемы отработки. Первый вариант - совместная вы- емка запасов пластов КрII и КрIII. Второй вариант - первоначальная отработка пласта КрII, закладка его очистных камер и выемка запасов пласта КрIII после за- вершения активной стадии сдвижения. 85 ----------------------- Page 86----------------------- Геомеханические расчеты основывались на многовариантном математиче- ском моделировании изменения напряженно-деформированного состояния масси- ва, подработанного камерной системой разработки. При анализе учитывались ха- рактерные для Палашерского участка особенности слоистого строения продуктив- ной толщи, включая ее повышенную глинизацию. Численная реализация осущест- влялась в двухмерной упруго-пластической постановке методом конечных элемен- тов. В рамках принятого подхода производилась критериальная оценка устойчиво- сти очистных камер при различных вариантах отработки запасов сильвинитовых пластов КрII-КрIII. С учетом опыта работы на юго-восточном участке шахтного поля БКПРУ- 2, определенных горно-геологических условий, с целью обеспечения безопасно- сти производства горных работ при совместной отработке сильвинитовых пла- стов КрII и КрIII приняты следующие технические решения, касающиеся очист- ной выемки: 1. Ограниченные размеры выемочных единиц: - длина панелей 1,5-3 км, ширина 1,0-1,5 км; - длина блоков в основном 600 м; - ширина блоков в основном 400 м; - камеры одноходовые длинной не более 200 м 2. Восточное крыло шахтного поля с повышенным содержанием Н.О.(10,8% по пл.КрII и 7,29% по пл. КрIII) отрабатывается комбайнами Урал 61-А при ширине каме- ры 3,2 м и усредненной ширине междукамерного целика (МКЦ) - 13,8 м. Западное крыло (содержание Н.О. 6,6% по пл. КрII и 4,07% по пл. КрIII) отрабатывается комбай- нами Урал 20Р при ширине камер 5,5 м и усредненной ширине МКЦ - 12,2 м. 3. Оба пласта и межпластовая потолочина отрабатываются с расчетом парамет- ров системы разработки как для единого пласта КрII+КрII-КрIII+КрIIIа-б. Данные технические решения легли в основу математического моделирования про- цессов деформирования и разрушения технологического междупластья (межпластовая ка- менная соль КрII-КрIII) при совместной отработке сближенных пластов КрII и КрIII. Анализ устойчивости очистных камер основывался на математическом мо- делировании напряженно-деформированного состояния и критериальной оценке разрушения неоднородного слоистого породного массива, вмещающего систему горных выработок [1]. Решение проводилось в постановке плоского деформированно- го состояния. Рассматривалась подработанная соляная толща (для базового варианта совмест- ной отработаны сильвинитовые пласты КрII и КрIII), находящаяся под действием мас- совых сил интенсивностью ( - плотность пород) (рис. 1). Технологическое между- γ γ i i пластье КрII-КрIII и кровля пласта КрII моделировались слоистой средой, включающей глинистые контакты. В геомеханических расчетах рассматривались два варианта параметров системы разработки продуктивной соляной толщи (табл.1) Принципиальная схема задачи представлена на рис. 1. Мощность междупластья принималась h = 2 м для обоих вариантов. Глубина залегания отрабатываемых пластов определялась по данным скв.597 для западного крыла и для восточного по скв. 607. Свойства соляных пород технологического междупластья КрII-КрIII и глини- стых контактов принимались по данным лабораторных испытаний [2,3]. Выделенные прослойки глины в междупластье КрII-КрIII и кровле пласта КрII получены из описа- ния керна скважины 107-г при участии специалистов лаборатории геологии месторож- дений полезных ископаемых ГИ УрО РАН. 86 ----------------------- Page 87----------------------- Рис. 1. Принципиальная расчетная схема Таблица 1 Параметры системы разработки Межосевое Ширина Ширина Вынимаемая Крыло Пласт расстояние камеры целика мощность (l), м (а), м (b), м (m), м КрII 5.5 12.2 5.6 Западное 17.7 КрIII 5.5 12.2 3.1 КрII 3.2 13.8 5.6 Восточное 17 КрIII 3.2 13.8 3.1 Состояние подработанной толщи описывалось идеальной упругопластической средой, для которой связь между деформациями и напряжениями на допредельной ста- дии определяется законом Гука. Предельные напряжения в области сжатия определя- лись линейной формой закона Кулона-Мора [4]: (1) = =τ +Cτ tg σ ϕ cr maxr n где коэффициент сцепления Cr и угол внутреннего трения ϕ характеризуются преде- лами длительной прочности горной породы на сжатие и растяжение [5]: σ σ s d σ σ σ σ⎛ - ⎞ d s s d Cr = ; ϕ =arctg⎜⎜ ⎟⎟ σ σ + σ σ + d s ⎝ d s ⎠ В выражении (1) τmax и σn вычисляются через значения главных напряжений: ; ( =τ )-/ 2σ σ ( = σ )+/ 2σ σ max 1 3 n 1 3 где для условий плоской деформации главные напряжения определяются по формулам: σ σ σ =σ ( -σ σ±) ( -τ , +) 1 [4 2 2 ] 1 3 x y x y xy 2 В области растяжения предельное напряжение ограничивалось пределом проч- ности на растяжение: σ =σ 1 d 87 ----------------------- Page 88----------------------- Численная реализация осуществлялась методом конечных элементов в переме- щениях [6] с дискретизацией рассматриваемой области на треугольные элементы пер- вого порядка. Конечно-элементное решение упругопластической задачи основывалось на методе начальных напряжений [7]. Деформирование глинистых контактов между слоями в модели описывалось контактными элементами Гудмана [4]. Контакт являлся раскрытым если его деформа- δ > . ция n 0 Прочность на растяжение горных пород значительно ниже их показателей при сжатии. В этой связи локализация растягивающих усилий является предпосылкой к разрушению пород. Очевидно, что разрушенные под действием растягивающих напря- жений породы не будут обрушаться в выработанное пространство, если они окружены материалом, сохранившим свою несущую способность. Поэтому в качестве первого условия обрушения пород принимался выход зоны действия растягивающих напряже- ний на обнажение. Реализация этого критерия осуществлялась путем специальной ор- ганизации вычислительного итерационного процесса: на каждой итерации из рассмот- рения исключались (обнулялись) конечные элементы, примыкающие к границе кровли выработанного пространства [9]. В случае достижения областью сдвиговой трещиноватости «раскрытого» глини- стого контакта происходит обрушение пород в выработанное пространство [2]. Учет данного критерия обрушения также реализован в расчетной процедуре, путем локали- зации и последующего исключения из расчетов областей, ограниченных «раскрытым» глинистым прослоем и зонами сдвиговой трещиноватости. Как уже отмечалось, при совместной отработке пластов КрII и КрIII наибо- лее «слабым звеном», определяющим в целом устойчивость очистных камер, явля- ется технологическое междупластье КрII-КрIII. В этой связи при оценке безопас- ности горных работ основное внимание уделялось детальному анализу процессов его разрушения. При совместной отработке пластов КрII и КрIII рассматривались два под- варианта: выемка в пределах блока (600 м) прямым порядком пласта КрII и по- следующая отработка обратным порядком пласта КрIII; одновременная выемка пластов КрII и КрIII с опережением (порядка 100 м) очистных работ по пласту КрII. Последовательная отработка пластов КрII и КрIII предполагает первоначальную отработку пласта КрII, его закладку и выемку запасов пласта КрIII после завершения активной стадии сдвижения. Оценка безопасности ведения горных работ для всех вариантов очистной выем- ки базировалась на количественном анализе интенсивности расслоения пород кровли и междупластья (число «раскрытых» контактов, протяженность этих участков, макси- мальная величина расслоения δn в пределах каждого контакта). На основе этих расче- тов и, исходя из принятых критериев разрушения, определялась потенциальная воз- можность обрушения кровли очистных камер пласта КрII и технологического между- пластья КрII-КрIII. Геомеханические исследования безопасности ведения горных работ при различ- ных вариантах отработки сближенных сильвинитовых пластов КрII и КрIII в условиях рудника ООО «Еврохим - Усольский калийный комбинат» позволили получить сле- дующие основные результаты [10]. 1. При совместной отработке пластов КрII и КрIII (первоначальная выемка в пределах всего блока прямым порядком пласта КрII и последующая отработка об- ратным порядком пласта КрIII) очистными камерами, шириной 5,5 метра (Запад- ное крыло шахтного поля, комбайн «Урал-20Р») безопасность ведения горных ра- 88 ----------------------- Page 89----------------------- бот не обеспечивается. Последующая отработка пласта КрIII обуславливает резкую интенсификацию процессов разрушения технологического междупластья КрII- КрIII. По мере удаления очистных работ по пласту КрIII от границы блока рас- слоение по глинистым контактам охватывает всю мощность междупластья КрII- КрIII, которое проявляется в увеличении деформации кровли пласта КрIII и в пу- чении почвы пласта КрII. Реализация этих деформационных процессов обуславли- вает постепенное обрушение пород кровли пласта КрIII. При подвигании фронта очистных работ на расстояние порядка 100 м от границы блока при отработке пла- ста КрIII прогнозируется возможность полного разрушения технологического ме- ждупластья КрII-КрIII. Не обеспечивается безопасность горных работ и при отработке сильвинитовых пластов камерами шириной 3,2 метра (Восточное крыло шахтного поля, комбайн «Урал 61-А»). В этом случае несколько снижается интенсивность деформационных процес- сов, тем не менее, при подвигании фронта очистных работ по пласту КрIII на расстоя- ние порядка 150 метров от границы блока прогнозируется полное разрушение техноло- гического междупластья КрII-КрIII. 2. Совместная одновременная отработка пластов КрII и КрIII камерами ши- риной 5,5 метра с опережением (порядка 100 м) очистных работ по пласту КрII (Западное крыло шахтного поля, комбайн «Урал-20Р») также не обеспечивает безопасность ведения горных работ по пласту КрIII. Несмотря на то, что при реа- лизации этого варианта уменьшается расслоение пород по глинистым контактам и, как следствие, в 1,5 раза снижаются вертикальные смещения кровли пласта КрIII, полное разрушение технологического междупластья КрII-КрIII может наступить при подвигании фронта очистных работ примерно на 200 метров от границы блока. Уменьшение ширины камер до 3,2 метра (Восточное крыло шахтного поля, ком- байн «Урал 61-А») оказывает определенное позитивное влияние на устойчивость очистных выработок. Тем не менее, полное разрушение технологического между- пластья КрII-КрIII прогнозируется на стадии ведения очистных работ по пласту КрIII при подвигании фронта очистных работ на расстояние 240 метров от грани- цы блока. 3. В соответствии с выполненным геомеханическим анализом безопасные условия отработки сближенных сильвинитовых пластов КрII и КрIII обеспечи- ваются при первоначальной очистной выемке пласта КрII со степенью нагруже- ния междукамерных целиков С=0,4, его закладке с коэффициентом заполнения камер 0,75-0,8 и отработке запасов пласта КрIII после завершения активной ста- дии процесса сдвижения (согласно проведенным оценкам - через 35 лет). При такой схеме ведения очистных работ в интервале пласта КрII после завершения активной стадии процесса сдвижения формируется техногенный пласт с новыми эффективными механическими свойствами. В этом случае отработка пласта КрIII является независимой по отношению к выемке пласта КрII и позволяет планировать несоосное расположение очистных камер, которое согласно вы- полненным геомеханическим оценкам обеспечивает более безопасные условия отработки пласта КрIII. 4. Общая оценка устойчивости очистных камер в условиях повышенной глини- зации продуктивной толщи, характерной для Палашерского участка ВКМКС, показала, что предпочтительным является ведение очистных работ комбайнами «Урал 61-А» с шириной камер 3,2 метра.

Литература

  1. Критерии и особенности разрушения слоистой кровли камер при разработке Верхнекамского месторождения калийных солей / А.А. Барях, А.Ю. Шумихина, В.Н. Токсаров, С.Ю. Лобанов, А.В. Евсеев // Горн. журн. - 2011. - № 11. - С. 15-19.
  2. Interaction of layers in salt deposit. 1. Mechanical properties of joints / Baryakh A.A., Dudyrev I.N., Asanov V.A., Pankov I.L. // Journal of Mining Science. - 1992. - Vol. 28, № 2. - P. 145-149.
  3. Барях А.А. Физико-механические свойства соляных пород Верхнекамского калийного месторождения: учеб. пособие / А.А. Барях, В.А. Асанов, И.Л. Паньков. - Пермь: Изд-во ПГТУ, 2008. - 198 с.
  4. Кузнецов Г.Н. Механические свойства горных пород. - М.: Углетехиздат. - 1947. - 180 с.
  5. Baryakh A.A. Analysis of Time-to-Time variation of load on interchamber pillars in mines of the Upper Kama Potash Salt Deposit / Baryakh A.A., Lobanov S.Yu., Lomakin I.S. // Journal of Mining Science. - 2015. - V. 51, № 4. - P. 696-706.
  6. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. - М.: Мир, 1975. - 541 с.: ил.
  7. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - М.: Недра, 1987. - 221 с.: ил.
  8. Goodman R.E. The mechanical properties of joins // Adv. Rock Mech. - 1974. - V.1, Pt A. - P. 127-140.
  9. Baryakh A.A. Sinkhole formation mechanism / Baryakh A.A., Fedoseev A.K. // Journal of Mining Science. - 2011. - V. 47, № 4. - P. 404-412.
  10. Обеспечение безопасности освоения балансовых запасов сильвинита на руднике. ООО «ЕВРОХИМ - УСОЛЬСКИЙ КАЛИЙНЫЙ КОМБИНАТ»: Отчет о НИР. / ГИ УрО РАН. - Пермь, 2018.
Опубликован
2018-10-01
Выпуск
Раздел
Статьи