ОБОСНОВАНИЕ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОВАЛОВ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ АВАРИЙНЫХ ЗАТОПЛЕНИЯХ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ

Аннотация

Разработка месторождений водорастворимых руд возможна только при со- хранении целостности водоупорного целика, отделяющего выработанное простран- ство рудника от водоносных горизонтов, называемого в практике горных работ во- дозащитной толщей (ВЗТ). Нарушение сплошности ВЗТ обусловливает прорыв пре- сных или слабоминерализованных вод в горные выработки. В связи с высокой рас- творимостью минеральных солей, это, зачастую, приводит к полному затоплению рудника и его гибели [1]. К одним из основным негативным последствий затопления калийных руд- ников относится интенсификация процесса деформирования подработанного породного массива [2, 3], вызванного растворением соляных пород. При этом возможно образование провала, который представляет собой переход статиче- ских деформаций массива, проявляющихся в виде оседаний земной поверхно- сти, в динамическую форму - обрушение. Это представляет реальную угрозу безопасной жизнедеятельности территорий, приводит к значительным финансо- вым убыткам и негативным социально-экономическим и экологическим послед- ствиям [4]. Провалы на земной поверхности, связанные с аварийным затоплением, можно разделить на две группы по механизму их формирования (рис. 1): 1. Провалы, образовавшиеся в результате растворения солей во время затоп- ления рудников. Поступающие в рудник надсолевые воды формируют в месте про- рыва техногенные карстовые полости, вызывающие деформации земной поверхно- сти, которые при определённых условиях переходят в динамическую форму с обра- зованием провала. Положение данного типа провалов на земной поверхности доста- точно хорошо согласуется с местом прорыва надсолевых вод в выработанное про- странство рудника. 2. Вторичные провалы, произошедшие уже после затопления рудника в резуль- тате растворения целиков, обрушения кровли выработок и выщелачивания вышележа- щих пластов. При наличии достаточного объёма ненасыщенного рассола этот процесс 98 ----------------------- Page 99----------------------- будет происходить бесконечно длительное время с формированием полостей растворе- ния значительных размеров. Обычно, предшествующие образованию провала ускоренные оседания земной поверхности наблюдаются на относительно небольших площадях, что обуславливает формирование мульд сдвижения с высокими градиентами оседаний. Выполненное мно- говариантное математическое моделирование показало [5], что обеспечение подобных градиентов оседаний невозможно без введения в расчётную схему областей в интерва- ле надсоляной толщи, ослабленных по прочностным и деформационным свойствам по- род. В физическом отношении их формирование означает, что в результате процесса деформирования массива происходит разрушение пород в верхней части геологическо- го разреза. При этом также может происходить нарушение сплошности ВЗТ вследст- вие образования в ней трещин различной ориентации, расслоения по контактам слоёв и прослоев. В случае образования сквозной зоны трещиноватости, про- стирающейся от водоносных горизонтов до отработанных пластов, в ВЗТ фор- мируются каналы проникновения надсолевых вод в горные выработки. Раство- рение пород в верхней части соляной толщи и формирование в надсоляной тол- щи ослабленной по прочностным и деформационным свойствам области, вслед- ствие миграции пресных вод и сопутствующих им суффозионных и карстовых процессов, создают предпосылки для образования провала в месте прорыва пре- сных вод в рудник. Согласно выполненным расчётам [6] можно прогнозировать образование прова- ла при достижении каналом радиуса 5-10 метров со средней скоростью его увеличения в 2-5 см/сутки. С учётом этого было проведено математическое моделирование аварий- ного затопления рудника, на примере аварии 2006/07 годов на руднике БКПРУ-1, по- следовательно на моменты времени от начала поступления надсолевых вод в вырабо- танное пространство (17 октября 2006 года) до образования провала на земной поверх- ности (28 июля 2007 года). На момент прорыва надсолевых вод в ВЗТ фиксируется сквозная зона техноген- ной нарушенности, в пределах которой вероятно образование водопроводящего канала (рис. 2а). При этом для обеспечения наблюдаемых градиентов оседаний потребовалось введение в расчётную схему «ослабленных» областей в интервале ВЗТ и в верхней час- ти геологического разреза. Значения прочностных и деформационных свойств в них были снижены в 1,5-2,5. К июлю 2007 г. зона техногенной нарушенности простирается уже от вы- работанного пространства до земной поверхности (рис. 2б), что можно тракто- вать как потенциальную возможность образования провала. Радиус канала при этом превышает 5 м при скорости его увеличения в 2 см/сутки. Снижении меха- нических свойств в надсоляной толще в «ослабленной» области составило 2,6 раза, при этом посредственно в районе максимальных оседаний достигло 6 раз. По всей видимости достижение данного уровня может служить количественным критерием перехода статических деформаций в динамическую форму с после- дующим образованием провала в случае наличия достаточной по объёму полос- ти растворения в ВЗТ. После затопления рудника образование полостей выщелачивания на уча- стках отработки карналлитовых пород обуславливает неоднородный характер деформации подработанного массива с локальными участками активизации осе- даний земной поверхности. Наблюдаемые при этом мульды сдвижения облада- ют высокими градиентами оседаний, для обеспечения которых требуется введе- 99 ----------------------- Page 100----------------------- ния в расчётную схему «ослабленных» областей в надсоляной толще. Объеди- нение полости растворения и «ослабленной» области создаёт предпосылки к об- разованию вторичных провалов на земной поверхности над полностью затоп- ленным рудником. Верификация данных условий проводилась для участка «панели переходного периода» («ППП») затопленного рудника БКПРУ-1 [5]. В конце 2011 - начале 2012 гг. (через 3 года после полного затопления рудника) в северной части этой площади началась активизация процессов сдви- жения. Предположения что ускорение деформаций подработанного массива происходит за счёт уменьшения интегральных механических свойств пород от- работанного карналлитового пласта, обусловленного выщелачиванием хлорида магния, оказываются достаточными для описания процесса деформирования вплоть до конца 2012 г. Разрушение подработанного массива при этом не на- блюдается (рис. 3а). Рис. 3. Результаты математического моделирования процесса образования провала на конец 2012 (а), 2013 (б) и 2014 (в) годов Дальнейшее описание процесса деформирования оказывается возможным толь- ко при включении в расчётную схему «ослабленной» области, развитой в верхней части геологического разреза, и обеспечении возможности формирования полости растворе- ния в интервале соляной толщи. Согласно выполненным критериальным оценкам со- стояния массива, отмечается быстрое увеличение полости по вертикали и её выход к почве ПКС уже к концу 2013 года, степень снижения механических свойств пород в пределах «ослабленной» области по отношению к нормативным значениям составляет r = 1,5. Образование сквозной зоны техногенной нарушенности, способной иницииро- вать образование провала на земной поверхности, на этот момент времени не наблюда- ется (рис. 3б). Интенсивное нарастание оседаний земной поверхности, наблюдавшееся в те- чение 2014 года, в геомеханических расчётах отражалось постепенным снижением (до 1,7) механических свойств пород в пределах «ослабленной» области (рис. 3в). При этом потребовалось задать более высокую (r = 6,5) степень снижения в её краевой части (рис. 3в). Согласно расчётам в этом случае становится возможным формирова- ние сквозной нарушенной зоны, простирающейся от кровли полости растворения до земной поверхности (рис. 3в). Таким образом, на конец 2014 года создаются предпо- сылки к образованию провала на земной поверхности. Провал пород на данном уча- 100 ----------------------- Page 101----------------------- стке шахтного поля произошёл 17 февраля 2015 года, что достаточно хорошо соответ- ствует расчётам. Таким образом, выполненные расчёты выявили, что формирование мульд сдви- жения с высокими градиентами оседаний земной поверхности сопряжено с процессом разрушения надсоляной толщи и формированием локальных «ослабленных» областей. Сформулированы условия, создающие при этом предпосылки перехода статических деформаций в динамическую форму с образованием провала на земной поверхности. Показана принципиальная возможность прогноза положения и размера провала, а так- же диапазонной оценки времени его образования в процессе прорыва надсолевых вод в рудник и после его полного затопления.