ВЛИЯНИЕ ГЛУБИНЫ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ НА ИЗВЛЕЧЕНИЕ КАЛИЙНОЙ РУДЫ ИЗ НЕДР

  • Е.А. ТЕЛЕГИНА Горный институт УрО РАН

Аннотация

Сложность разработки месторождений калийных солей обусловлена тем, что природные минеральные соли обладают хорошей растворимостью в воде и не- высокой несущей способностью. Поэтому основными проблемами эффективного освоения соленосных бассейнов являются сохранение сплошности водонепрони- цаемых пород над отрабатываемыми пластами и увеличение степени извлечения калийной руды из недр. Очистная выемка запасов на Верхнекамском месторожде- нии калийно-магниевых солей ведется, в основном, на глубине до 450 м при мощ- ности водозащитной толщи (ВЗТ) до 120 м. До затопления рудника БКПРУ-3 единственным критерием обеспечения безопасности, и, соответственно, уровня из- влечения калийных солей, считалась достаточная мощность ВЗТ. По геомеханиче- ским расчетам при однопластовой отработке ее мощность должна была составлять более 60 м, при двухпластовой - 80 м, а при трехпластовой - 100 м. Затопление рудника БКПРУ-3 на участке, где мощность ВЗТ достигала наибольших для ме- сторождения значений (порядка 120 м), показало несостоятельность использования данного критерия. Возникает много вопросов, если учесть, что глубина отработки 90 ----------------------- Page 91----------------------- Старобинского месторождения в Белоруссии составляет до 1000 м [1] при мощно- сти ВЗТ в нескольких сотен метров. В Канаде использование новых технологий добычи [1] даже при мощности ВЗТ порядка 15 м дает возможность разрабатывать глубоко залегающие (до 2000 м) продуктивные пласты. Калийные горизонты в Германии также приходятся на глубину порядка 1000-1500 м [1] при сравнительно небольшой мощности пачки водозащитных пород. В настоящее время шахтные поля новых предприятий размещаются, как прави- ло, на участках месторождений со все менее благоприятными горно-геологическими условиями. Сложное строение соляной залежи Верхнекамского бассейна, изменчивость такого основного геологического фактора, как глубина разработки, и предопределило цель данных исследований - оценить влияние глубины ведения очистных работ на уро- вень извлечения калийной руды из недр. Расчетная схема математического моделирования напряженно-деформирован- ного состояния подработанного массива представлена на рис. 1. Рис. 1. Расчетная схема Залегание пластов принималось субгоризонтальным с постоянной по лате- рали мощностью. Для формирования мульды сдвижения под воздействием горных работ использовался реологический подход, основанный на модификации извест- ного метода переменных модулей [2]. Математическое моделирование процессов разрушения ВЗТ проводилось в упругопластической постановке для условий плос- кого деформированного состояния (ПДС). Для анализа нарушения сплошности слоев в области действия сжимающих напряжений использовался критерий Куло- на-Мора [3]: = τ= +τ С σ tgϕ, (1) max пр n где C - коэффициент сцепления, tgϕ - коэффициент внутреннего трения,σn - нормаль- ное напряжение в плоскости действия τmax . Максимальное касательное (τmax ) и нор- мальное ( σ ) напряжения определялись на площадках, где отношение (τ /τ ) дости- n max пр гает максимальных значений. Критерий разрушения соляных пород в поле растягивающих напряжений реализо- вывался согласно соотношению: σ =σ . (2) 1 раст Численная реализация математического моделирования осуществлялась мето- дом конечных элементов, решение упругопластической задачи - методом начальных 91 ----------------------- Page 92----------------------- напряжений [4, 5]. Разрушение пород ВЗТ в области сжатия означало развитие трещин сдвига, в области растяжения - трещин отрыва. Ввиду меньшей прочности карналлитовых пород по сравнению с каменной со- лью предполагалось [6], что устойчивость ВЗТ определяется суммарной мощностью слоев каменной соли, в которых не возникают трещины сдвига и отрыва при деформи- ровании подработанного массива. Для установления взаимосвязи между глубиной разработки и извлечением калийной руды из недр выполнялось многовариантное математическое моделиро- вание процесса деформирования подработанного массива. Расчетные варианты определялись такими основными параметрами мульды сдвижения [7] как: длина ее краевой части (L), максимальные оседания земной поверхности в зоне полной подработки (η ) и глубина горных работ (H). Для Верхнекамского месторожде- max ния длина краевой части мульды сдвижения при полной подработке [6] составляет L H =1,54 . Геомеханические расчеты проводились при постоянном значении L в динамике нарастания оседаний земной поверхности η при вариации глубины max горных работ H в диапазоне от 300 м до 450 м с интервалом 50 м. Мощность ВЗТ составляла порядка 100 м. В процессе деформирования ВЗТ наибольшая опасность в связи с наруше- нием ее сплошности связана с образованием субвертикальных трещин. В случае, если зона такой трещиноватости охватывает всю мощность ВЗТ, формируется ка- нал для проникновения надсолевых пресных вод в выработанное пространство рудника, что неминуемо ведет к его гибели. В связи с этим, в расчетных вариантах по мере нарастания оседаний земной поверхности от 0,5 м до некоторой величи- ны η =0,9 mω, производилась оценка потенциальной возможности формирования k в краевой части выработанного пространства трещин субвертикальной ориента- ции. Максимально достижимые оседания в зоне полной подработки ограничива- лись конечными вертикальными сдвижениями [1] η= =η 0,9 mω, соответст- max k вующими завершению процесса сдвижения и определяемыми конкретными пара- метрами камерной системы разработки, а, следовательно, и уровнем извлечения. Такой подход [13] позволяет непосредственно при расчетах накапливать пластиче- ские деформации в пластах ВЗТ и отражать динамику техногенного нарушения ее сплошности. Характер изменения оседаний земной поверхности в зависимости от глубины гор- ных работ при фиксированном максимальном оседании в зоне полной подработки ил- люстрируется на рис.2. Рис. 2. Характер изменения оседаний земной поверхности в зависимости от глубины горных работ 92 ----------------------- Page 93----------------------- Как видно, с увеличением глубины горных работ крутизна мульды сдвижения, и, соответственно, максимальный градиент оседаний земной поверхности в краевой части отработанного пространства уменьшаются, что свидетельствует о вероятном снижении величины техногенного воздействия на пласты ВЗТ и повышении их безопасности. Динамика разрушения пластов, развитых в интервале ВЗТ, в зависимости от глу- бины горных работ при указанном выше характере изменения оседаний земной по- верхности приведена на рис.3. Рис. 3. Характер нарушения сплошности ВЗТ в зависимости от глубины отработки С увеличением глубины отработки критическая величина оседания земной по- верхности, при которой происходит полное разрушение пластов ВЗТ, а, следовательно, и соответствующий ей уровень извлечения, повышаются. Для установления взаимосвязи между степенью нарушенности пластов ВЗТ и уровнем извлечения калийной руды в зависимости от глубины горных работ про- водилась количественная оценка разрушения слоев межпластовой и внутрипласто- вой каменной соли, развитых по разрезу ВЗТ. Оценка выполнялась для деформа- ций ВЗТ, соответствующих концу процесса сдвижения (η= =η 0,9 mω). На рис.4 max k иллюстрируется изменение относительной суммарной мощности нарушенных _ пластов каменной соли М в зависмости от уровня извлечения руды из недр и _ глубины отработки. Критериальный параметр М определялся согласно следую- щему соотношению: _ , (3) М М М = / n S где М - суммарная мощность нарушенных пластов каменной соли, М - общая n S суммарная мощность пластов каменной соли, развитых в интервале ВЗТ. Выполненный анализ показал, что вне зависимости от глубины разработки при извлечении до 40-45% сохранность ВЗТ обеспечивается. При этом разруше- нию подвержено до 20-30% суммарной мощности пластов каменной соли. Даль- нейшее повышение коэффициента извлечения обуславливает резкое увеличение суммарной мощности нарушенных слоев каменной соли при средних глубинах разработки 300-350 метров. Для глубин ведения горных работ в диапазоне 400-450 метров извлечение по критерию безопасных условий подработки ВЗТ может быть 93 ----------------------- Page 94----------------------- повышено до 50%. Однако, в этом случае ограничительным барьером будет яв- ляться регламентированная допустимая степень нагружения междукамерных цели- ков для условий ВКМКС [ ] С =0,4 [6]. Рис. 4. Изменение относительной суммарной мощности нарушенных пластов каменной соли в зависимости от уровня извлечения калийной руды при различной глубине отработки Оценка зависимости коэффициента извлечения руды из недр от глубины горных работ при регламентированной степени нагружения целиков может быть произведена по формуле: ω= γHa , (4) b Cσ[ n ] где a - ширина очистной камеры, b - ширина междукамерного целика, γ - объемный вес пород, [ ] σ - расчетная несущая способность целика, C - допустимая степень на- п гружения междукамерного целика. Принимая в выражении (4) ширину камеры a=5,2 и суммарную вынимаемую мощность пластов КрII и КрIII, равной m=6, 8, 10, 12 м, с учетом фактических свойств пород для различных глубин легко определить уровень извлечения, соответст- [ ] вующий допустимой степени нагружения междукамерных целиков С =0,4. Данные графики ( 1,2,3,4) (рис.5) являются в определенной мере условными, могут несколько видоизменяться при вариации принятых параметров отработки, но с очевидностью от- ражают тенденцию снижения извлечения с ростом глубины горных работ по критерию допустимой степени нагружения целиков. Зависимость (А) (рис.5) получена по резуль- татам многовариантного математического моделирования процесса разрушения ВЗТ. В качестве критерия безопасных условий подработки ВЗТ принято условие резкого на- растания техногенной нарушенности пластов (слоев) каменной соли, развитых в разре- зе ВЗТ (перегиб кривых на рис. 4). Результаты выполненного анализа показывают (рис. 5), что при глубинах разра- ботки, не превышающих 300 метров вне зависимости от суммарной вынимаемой мощ- ности, коэффициент извлечения ограничивается допустимой степенью нагружения ме- ждукамерных целиков. При суммарной вынимаемой мощности 8 метров в диапазоне глубин 300-450 коэффициент извлечения уменьшается от 35 до 28%. С увеличением суммарной вынимаемой мощности пластов КрII и КрIII извлечение руды из недр уменьшается до 25-30%. 94 ----------------------- Page 95----------------------- Рис. 5. Зависимость коэффициента извлечения от глубины горных работ по критерию безопасных условий подработки ВЗТ (А) и допустимой степени нагружения целиков (Б) при различной суммарной вынимаемой мощности пластов КрII и КрIII ( 1,2,3,4) С учетом этих положений, для средних (нормальных) горно-геологических ус- ловий в зависимости от глубины ведения горных работ уровень извлечения, обеспечи- вающий безопасные условия подработки ВЗТ и допустимую степень нагружения меж- дукамерных целиков, составляет 25-35%. В случае наличия аномальных особенностей в строении ВЗТ величина коэффи- циента извлечения будет определяться степенью снижения механических свойств со- ляных пород в пределах выделенных аномальных зон и их пространственным положе- нием относительно выработанного пространства.

Литература

  1. Проблемы освоения крупнейших калийных месторождений мира / Батурин Е.Н., Меньшикова Е.А., Блинов С.М., Наумов Д.Ю., Белкин П.А. // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 6. - С. 613.
  2. Барях А.А. Об одном подходе к реологическому анализу геомеханических процессов / А.А. Барях, Н.А. Самоделкина // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2005. - №6. - С. 32-41.
  3. Кузнецов Г.Н. Механические свойства горных пород. - М.: Углетехиздат. - 1947. - С. 4.
  4. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. - М.: Машиностроение, 1975. - 400 с.
  5. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - М.: Недра, 1987. - 221 с.: ил.
  6. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей: технолог. регламент / ВНИИГ. - СПб., 2008. - 88 c.
  7. Турчанинов И.А. Основы механики горных пород / И.А. Турчанинов, М.А. Иофис, Э.В. Каспарьян. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Недра, 1989. - 488 с.: ил.
Опубликован
2018-10-01
Выпуск
Раздел
Статьи