ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ НА ШАХТНЫХ ПОЛЯХ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КАЛИЙНЫХ СОЛЕЙ

Аннотация

В пределах Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС) сильвинитовые пласты АБ и КрII отрабатываются камерной системой разработки с поддержанием вышележащей толщи целиками различных размеров. Как показыва- ет опыт, характер деформирования и разрушения междукамерных целиков зависит от множества факторов: особенностей строения массива и свойств пород, геомет- рических размеров, формы и сроков службы очистных выработок, вида напряжен- ного состояния массива, поведения пород под нагрузкой и т.д. В этом случае обес- печение безопасных условий ведения горных работ во многом обусловлено досто- верностью определения механических свойств вмещающих горных пород и кор- ректностью их трансформации в соответствующие параметры конструктивных элементов камерной системы разработки. Согласно нормативным документам [1], несущая способность целиков опреде- ляются исходя из агрегатной прочности соляных пород. Величина данного показателя зависит от эквивалентной прочности, определяемой по средневзвешенным значениям прочности отдельных слоев пород слагающих целик по высоте, и корректируется ря- дом поправочных коэффициентов, учитывающих различные влияющие факторы (фор- му целика, слоистость и др.). Несмотря на то, что соляные породы ВКМКС сложены однотипными ми- нералами (галит, сильвин) их механические свойства варьируются в широких пре- делах, что обусловлено структурно-текстурными особенностями их строения. Продуктивная толща пород характеризуется чередованием слоев каменной соли, сильвинита (карналлита) и тонких прослоев глинисто-ангидритового материала. Подобные прослои зачастую являются наиболее слабым звеном в подрабатывае- мом массиве и определяют как степень устойчивости, так и характер разрушения приконтурных пород. Обследованием очистных камер установлено, что наиболь- шее содержание глинистых пород приурочено к кровле отрабатываемых пластов. Мощность таких прослоев может изменяться от 1 - 3 мм до 20 см и более. Степень глинизации возрастает в юго-восточном направлении ВКМКС, достигая на шахт- ных поля рудников БПКРУ-3, БПКРУ-2 ПАО «Уралкалий» 12 - 15 %. С возраста- нием содержания глинистых включений резко снижаются прочностные показатели соляного массива. Наличие глинистых прослоев снижает устойчивость пород кровли очистных камер, обуславливая ее интенсивное расслоение и обрушение со- ляных пород технологического междупластья АБ - КрII (рис.1). Это, в свою оче- редь, приводит к увеличению высоты междукамерных целиков и, как следствие, к снижению их несущей способности. Горным институтом УрО РАН накоплен большой объем информации по физико-механическим свойствам соляных пород (каменная соль, сильвиниты, карналлит) ВКМКС. Статистическая обработка результатов исследования меха- нических свойств соляных пород на шахтных полях рудников ПАО «Уралкалий» (более 10000 проб по 500 подземным разведочным скважинам) показала, что пре- дел прочности соляных пород при одноосном сжатии изменяется от 2 до 48 МПа (табл. 1). 110 ----------------------- Page 111----------------------- Рис. 1. Характерные виды разрушения кровли и междукамерных целиков Таблица 1 Изменчивость механических свойств соляных пород ВКМКС Экспериментальные показатели Порода, Кол-во Ср. Макс. Мин. Ср. кв. Коэф. пласт испытанных знач., знач., знач., откл., вар., проб МПа МПа МПа МПа % Сильвинит красный, 491 26,06 36,69 16,38 3,65 14,0 пласт КрII Сильвинит пестрый, 234 23,22 37,72 9,04 5,05 22,37 пласт АБ Карналлит, 97 7,76 26,64 2,52 4,82 70,10 пласт В Каменная соль 762 26,14 48,50 9,24 4,92 18,80 междупластья Анализ распределения прочности для красного сильвинита пласта КрII показывает, что регламентированным значениям прочности, равной 23,0 МПа 10 %, соответствует только 36 % от общего числа экспериментальных данных. В тоже время в 34 % измерений показали, что сильвинит может иметь прочность менее 20 МПа. Оценочные расчеты пока- зывают, что уменьшение прочности пород, слагающих целик, на 10 % приводит к увеличе- нию степени нагружения целиков в среднем на 15 %. В этом случае деформирование меж- дукамерных целиков будет происходить в «податливом» режиме с ограниченным сроком их службы. Следствием этого является повышение техногенной нагрузки на водозащитную толщу (ВЗТ) и реализация ускоренных деформаций земной поверхности. В последние годы наметилось повышение спроса на минеральные удобрения. Увеличение добычи калийно-магниевых руд достигается как за счет увеличения произ- водительности действующих рудников, так и строительства новых предприятий (ос- воение Усть-Яйвинского, Половодовского, Талицкого участков на ВКМКС, Гремячин- ского месторождения, рудников в Белоруссии, Казахстане, Узбекистане и Таджикиста- не). Осваиваемые участки, как правило, характеризуются сложными горно- геологическими, гидрогеологическими и горнотехническими условиями (большой глу- биной, наличием весьма сближенных пластов, высокой обводнённостью вмещающих пород, повышенной степенью глинизации продуктивных пластов, слабой устойчиво- стью пород непосредственной кровли), что обуславливает увеличение риска техноген- ных аварий. В этой связи особое значение приобретает вопрос достоверной экспери- 111 ----------------------- Page 112----------------------- ментальной и теоретической оценки устойчивости элементов камерной системы разра- ботки, зависящих от свойств вмещающих пород. Для уточнения моделей деформирования соляного массива, используемых при обосновании безопасных условий ведения горных работ, выполняются эксперименты по одноосному и объемному нагружению образцов различного масштабного уровня, исследуются прочностные и деформационные свойства контактов, наиболее слабого звена, определяющего устойчивость обнажений, определяются реологические характе- ристики соляных пород при длительном нагружении. Для оценки начальной степени нарушенности исходного материала все образцы до испытаний подвергаются ультра- звуковой дефектоскопии. При необходимости для каждой пробы определяются плотно- стные свойства, пористость, влажность и остаточная газонасыщенность. При исследовании механических свойств соляных пород используется компью- терный измерительно-вычислительный комплекс, позволяющий регистрировать в реаль- ном масштабе времени различные параметры (усилия нагружения, деформации образца, акустическую эмиссию и т.д.) в процессе эксперимента. Обработка результатов измерений ведется с помощью пакета специальных программ «Пресс», позволяющих рассчитывать прочностные и деформационные параметры в соответствии с ГОСТ [2, 3, 4]. Для идентификации и правильной интерпретации результатов испытаний про- изводится документирование всех образцов, заключающееся в описании структурно- петрографических особенностей строения образцов с выделением их индивидуальных особенностей и фото регистрацией внешнего вида до испытаний и после. На каждую пробу оформляется адресная карточка, включающая описание мес- та отбора пробы (название рудника, номера скважины, пробы, образца), характеристику породы (название пласта, слоя, тип породы, состав, особенности текстуры, структуры), геометрические размеры образца и другую информацию, позволяющую производить идентификацию и анализ результатов. В настоящее время накоплен большой объём данных, позволяющих выявить основные закономерности изменения механических свойств соляных пород в зависи- мости от их состава и условий залегания. Для действующих рудников построены про- гнозные карты распределения прочностных и деформационных свойств по площади рабочих пластов шахтных полей ВКМКС, где прослеживается изменчивость механиче- ских свойств пород, как по разрезу соляной толщи, так и по площади месторождения. Так как точки отбора проб имеют пространственную привязку, то расчет параметров очистных работ выполняется на основе достоверной информации о свойствах соляных пород конкретных участков, что обеспечивает более надежное обоснование параметров отработки сильвинитовых пластов. В настоящее время готовится к вводу в эксплуатацию подземный рудник «Евро- Хим-УКК» на базе запасов Палашерского и Белопашинского участков ВКМКС. Прогноз- ные оценки горно-геологических условий показывали, что они будут соответствовать ус- ловиям имеющим место в юго-восточной части рудника БПКРУ-2, где отмечается низкая устойчивость междупластья КрII-АБ, связанная с повышенной глинизацией массива. Од- нако первый опыт ведения горных работ на этом руднике показал, что горно- геологические условия существенно сложнее. Содержание глинистого материала в про- дуктивных пластах юго-восточной части шахтного поля возрастает до 17 - 25 %, а мощ- ность глинистых коржей составляет 0,5-0,7 м. Как показали исследования физико- механических свойств пород, выполненные на образцах, отобранных при проходке горных выработок, что прочность пород пласта КрII в 1,5 - 2,0 раза ниже средних значений по ме- сторождению. Так, нормативное значение прочности красного сильвинита составляет 23,0 МПа [1]. Наиболее низкие прочностные свойства и наибольшее содержание глинистого материала соответствуют первому (наиболее богатому) слою пласта КрII (табл. 2). 112 ----------------------- Page 113----------------------- Таблица 2 Результаты исследования свойств соляных пород продуктивных пластов I ЮВП рудника «ЕвроХим - УКК» Предел Предел проч- прочно- Модуль Модуль Коэф. Тангенс Пласт, ности сти на дефор- упруго- сцепле- угла внут- Порода слой на сжа- растя- мации сти ния реннего тие жение трения МПа МПа ГПа ГПа МПа КрII, сильвинит 13,73 1,44 0,49 5,29 3,28 0,67 сл.1 красный КрII, каменная 15,48 1,39 0,55 6,50 3,04 0,64 сл. 2 соль КрII, сильвинит 15,00 1,72 0,56 6,04 3,81 0,65 сл. 3 красный КрII, сильвинит 19,00 1,83 0,83 6,77 4,35 0,68 сл. 4 красный КрII, сильвинит 19,02 1,34 0,64 7,08 3,87 0,75 сл. 5 красный КрII каменная 23,00 1,78 0,76 8,03 4,85 0,73 сл. 6 соль КрII, сильвинит 22,12 1,52 0,72 7,31 4,48 0,76 сл. 7 красный КрII- каменная 23,62 1,76 0,95 9,06 4,92 0,74 КрIII соль Таким образом, анализ результатов и опыт отработки юго-восточной части шахтного поля рудника БПКРУ-2 [5] показывает, что для обеспечения безопасных ус- ловий отработки сближенных сильвинитовых пластов КрII и КрIII необходимо пере- сматривать основные проектные решения по технологии ведения горных работ на руд- нике «ЕвроХим - УКК».