ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА ПРОМЫШЛЕННОГО ОБЪЕКТА (ГАЗОПРОВОДА), РАСПОЛОЖЕННОГО В ЗОНЕ ПОДРАБОТКИ В ПРЕДЕЛАХ 6 ЗП И БЛОКОВ 4, 5, 6 ШАХТНОГО ПОЛЯ РУДНИКА БКПРУ-1

Аннотация

Отработка запасов месторождений полезных ископаемых подземным способом сопровождается сдвижением земной поверхности, что может привести к повреждению зданий и сооружений на участках подработки. Поэтому при проектировании строи- тельства или реконструкции поверхностных сооружений требуется геомеханическое обоснование безопасности эксплуатации данных объектов. Особенно это относится к объектам, расположенным над выработанным пространством рудника БКПРУ-1 Верх- некамского месторождения калийных солей (ВКМКС), который был аварийно затоплен в 2006 - 2009 годах. На основании «Программы развития газоснабжения газификации Пермского края на период с 2016 по 2020 годы» было принято решение о строительстве распреде- лительного газопровода в п. Чкалово городского округа «Город Березники». Анализ горнотехнической ситуации показывает, что площадка, на которой пла- нируется строительство распределительного газопровода, расположена в юго-западной части шахтного поля рудника БКПРУ-1 в пределах 6 ЗП и 4-6 блоков. В районе расположения газопровода был отработан только один пласт KpII. Глубина отработки пласта составляет 270 - 360 м, мощность пласта лежит в диапазоне 5,11 - 6,11 м, ширина камер изменяется от 11,3 м до 17,3 м, ширина МКЦ - от 8,7 м до 14,2 м. Пласт был отработан в период 1981 - 1997 гг., т.е. еще до аварийного затопления рудника. При отработке применялась камерная система разработки с поддержанием кровли на жестких междукамерных целиках. Осложняющими факторами являются: 1) большой временной разрыв отработки различных участков шахтного поля в районе расположения строительной площадкой (до 16 лет); 2) большая мощность отрабатываемого пласта (5 - 6 м) при частичной закладке выработанного пространства (заложены отдельные камеры); 3) различные параметры отработки смежных панелей; 4) заполнение горных выработок под рабочей площадкой рассолами из-за ава- рийного затопления рудника. Оседание и деформирование земной поверхности на участке шахтного поля обу- словлено образованием мульд сдвижения над границами между зонами с различными параметрами и временем отработки сильвинитового пласта КрII, сформировавшимися как до начала затопления рудника, так и с учетом влияния аварийного затопления гор- ных выработок. Подземный распределительный газопровод (глубина заложения - от 1,39 м до 1,93 м) имеет длину около 6 км и монтируется из стальных электросварных труб (ГОСТ 10704-91/В-10 ГОСТ 10705-80). Диаметры труб и толщина стенок составляют: 219х6,0; 159х4,5; 108х4,0; 89х3,5; 57х3,5. Избыточное давление 0,003 МПа. Норматив- ный срок службы газопровода - 40 лет. С целью получения количественной оценки влияния проведенных горных работ на строительную площадку с учетом аварийного затопления необходимо определить 122 ----------------------- Page 123----------------------- максимальные прогнозируемые ожидаемые и расчетные значения деформаций земной поверхности за нормативное время эксплуатации объекта. Согласно требованиям п. 5.5. «Указаний…» [1] расчеты по определению прогнозируемых (ожидаемых) деформаций земной поверхности необходимо вы- полнять в соответствии с разделом 4 и Приложением 7 «Указаний…» [1]. Вме- сте с тем, в указанных методиках не предусмотрены методы расчета показате- лей деформаций земной поверхности в условиях затопления подземных вырабо- ток. В связи с этим, прогнозируемые показатели деформаций земной поверхно- сти были определены в работе [2] с учетом требований раздела 4 и Приложения 7 «Указаний…» [1]. Расчет количественных показателей деформации земной поверхности (оседаний, максимальных горизонтальных деформаций, угла их ориентации, наклонов и кривизны) проводился на основе трехмерного математического моделирования изменения во времени напряженно-деформированного со- стояния подработанного массива. Одновременно выполнялась оценка потен- циальной опасности нарушения сплошности водозащитной толщи (ВЗТ) вследствие продолжающихся процессов ее деформирования и возможности образования провалов на земной поверхности. Расчетная схема отражала весь комплекс горно-геологических (слоистость, гипсометрия пластов, свойства пород) и горнотехнических (глубина горных работ, параметры системы разработки, степень заполнения камер закладочным материа- лом) условий отработки, а также группу факторов, связанных с прорывом пресных вод в горные выработки (уменьшение ширины междукамерных целиков и увеличе- ние высоты очистных камер вследствие растворения соляных пород. Кроме того, учитывалась дополнительная закладка, образующаяся за счет процесса выщелачи- вания, и гидростатическое давление рассолов после полного заполнения вырабо- танного пространства рассолами Численная реализация обобщенной математической модели проводилась по по- луаналитической схеме метода конечных элементов. По результатам математического моделирования определялись векторы пере- мещения, тензоры напряжений и деформаций в любой произвольной точке среды, на основе которых выполнялся расчет количественных показателей деформации земной поверхности: оседаний, максимальных горизонтальных деформаций, угла их ориента- ции, наклонов и кривизны. Полученные результаты являются исходной информацией для разработки мер охраны гражданских и промышленных объектов, расположенных на шахтном поле руд- ника БКПРУ-1, и организации мониторинговых наблюдений [2]. Установлено, что максимальные значения деформаций земной поверхно- сти в пределах строительной площадки, рассчитанные на срок службы объекта, составят: - ожидаемая относительная горизонтальная деформация: - 0,39 мм/м; - расчетная относительная горизонтальная деформация: - 0,59 мм/м; - наклон: -1,27 мм/м; - радиус кривизны: - 2645,5 км. Значения допустимых и предельных показателей горизонтальных деформаций приведены в табл. 1 [3]. 123 ----------------------- Page 124----------------------- Таблица 1 Допустимые и предельные показатели относительных горизонтальных деформаций земной поверхности для подземных трубопроводов Деформации -3 -3 Допустимые [ε ]·10 Предельные [ε ] ·10 д п При укладке в песок 3,5 6,0 При укладке в суглинок и глину 2,5 4,0 Выводы: 1. Максимальные прогнозируемые расчетные деформации земной поверхности в пределах строительной площадки, рассчитанные на срок их службы распределительно- го газопровода, не превысят допустимых показателей, поэтому дополнительных мер охраны для газопровода не требуется. 2. Строительная площадка по величинам деформаций земной поверхности отно- сится к IV группе подрабатываемых территорий [4, 5]. 3. При проектировании распределительного газопровода необходимо соблюде- ние требований СП 21. 1330.2012. [5], как для сооружений, расположенных на подра- ботанных территориях. 4. Так как указанные величины деформаций являются прогнозными, то необхо- димо организовать контроль деформаций земной поверхности в пределах строительной площадки в течение всего срока службы объекта.