Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 10
1.1. Особенности подземной разработки месторождений солей 10
1.2. Аварийные водопритоки на рудниках 15
1.3. Провалы на земной поверхности над затопленными шахтными полями 23
1.4. Методы расчёта провалов 25
1.5. Цели и задачи исследования 34
Глава 2. Математическое моделирование процесса сдвижения земной поверхности 36
2.1. Общие сведения о сдвижении земной поверхности на калийных месторождениях 36
2.2. Прогноз оседаний земной поверхности 38
2.3. Определение реологических параметров 44
2.4. Графики нарастания оседаний земной поверхности 50
2.5. Верификация методики описания мульд сдвижения для условий многопластовой отработки 53
2.6. Моделирование формирования высокоградиентных мульд сдвижения земной поверхности 58
2.7. Выводы 72
Глава 3. Образование провалов на земной поверхности в месте прорыва пресных вод в рудник 74
3.1. Содержательная постановка задачи 74
3.2. Ретроспективный анализ скорости развития водопроводящего канала 79
3.3. Оценки скорости растворения соляных пород 90
3.4. Диапазонная оценка условий образования провала 95
3.5. Анализ аварийной ситуации на руднике СКРУ-2 114
3.6. Выводы 128
Глава 4. Обоснование условий образования провалов на земной поверхности после аварийного затопления калийных рудников 129
4.1. Математическая модель деформирования подработанного массива в процессе длительного растворения соляных пород 129
4.2. Многовариантное численное моделирование развития деформации подработанного массива в процессе растворения соляных пород 133
4.3. Обоснование условий образования провалов на земной поверхности 145
4.4. Выводы 152
Заключение 153
Список сокращений и условных обозначений 155
Список использованных источников 156
- Аварийные водопритоки на рудниках
- Моделирование формирования высокоградиентных мульд сдвижения земной поверхности
- Ретроспективный анализ скорости развития водопроводящего канала
- Многовариантное численное моделирование развития деформации подработанного массива в процессе растворения соляных пород
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Разработка месторождений водорастворимых руд возможна только при сохранении целостности водоупорного целика, отделяющего выработанное пространство рудника от водоносных горизонтов, и называемого в практике горных работ водозащитной толщей (ВЗТ). В связи с этим выбор системы и технологических параметров разработки соляных месторождений напрямую связан с обеспечением сохранности ВЗТ, которая должна быть гарантирована не только непосредственно в процессе разведки и эксплуатации месторождения, но и вплоть до завершения процесса сдвижения земной поверхности.
Нарушение сплошности ВЗТ обуславливает прорыв пресных или слабоминерализованных вод в горные выработки. В связи с высокой растворимостью минеральных солей, это, зачастую, приводит к полному затоплению рудника и его гибели. Многочисленные примеры аварий, связанных с водопритоками в соляные шахты и калийные рудники, в разных странах мира, начиная с самых первых горных разработок и до настоящего времени, свидетельствуют о том, что совершенствование методов и способов разведки и эксплуатации месторождений не позволяет полностью исключить опасность прорыва надсолевых вод в горные выработки.
К одним из основным негативным последствий затопления калийных рудников относится интенсификация процесса деформирования подработанного породного массива, вызванного растворением соляных пород, что создаёт опасность разрушения гражданских и инженерных объектов, расположенных на земной поверхности. При этом образование провала в месте прорыва вод, как правило, является «стандартным» последствием и сопровождает аварии на всех калийных рудниках и соляных шахтах. Провал, как явление, представляет собой переход статических деформаций массива, проявляющихся в виде оседаний земной поверхности, в динамическую форму – обрушение. Размеры провалов могут достигать сотен метров и их формирование представляет реальную угрозу безопасной жизнедеятельности территорий, приводит к значительным финансовым убыткам и негативным социально-экономическим и экологическим последствиям.
Вследствие этого актуальной геомеханической задачей является определение времени и условий образования провала на участке прорыва пресных вод в рудник.
К числу уникальных последствий затопления рудников относятся вторичные провалы, формирование которых происходит уже после полного затопления выработанного пространства. Априори, их образование связано с объёмами и продолжительностью процесса затопления, а также со специфическими геологическими и гидрогеологическими условиями месторождений. Здесь возникает две актуальные задачи: пространственная локализация участков, в пределах которых может сформироваться провал на земной поверхности и, по возможности, диапазонный прогноз времени его образования.
В настоящее время, использование высокопроизводительных вычислительных комплексов при математическом моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) подработанного породного массива и совершенствование экспериментальной и научной базы позволяют очень детально исследовать происходящие в нём геомеханические процессы. В связи с этим, задачи геомеханического прогноза негативных последствий крупномасштабных аварий на калийных рудниках, связанных с прорывом пресных вод в горные выработки, являясь важными самостоятельными научными проблемами, имеют большое значение для теории и практики освоения месторождений водорастворимых руд, сохранности объектов наземной инфраструктуры.
Цель диссертационной работы.
Геомеханический анализ предпосылок, обуславливающих формирование провалов на земной поверхности при аварийном затоплении калийных рудников.
Идея работы заключается в применении методов математического моделирования для анализа критического изменения НДС подработанного массива в условиях интенсивного растворения соляных пород.
Задачи исследований:
-
Выполнить анализ и обобщение информации, связанной с последствиями аварийного затопления соляных шахт и калийных рудников.
-
Построить математическую модель деформирования подработанного массива, учитывающую растворение соляных пород в процессе прорыва надсо-левых вод в рудник и после его полного затопления.
-
Разработать параметрическое обеспечение геомеханических моделей, основанное на анализе развития процесса сдвижения подработанного массива.
-
Оценить методами многовариантного математического моделирования НДС подработанного массива, отражающее формирование мульд сдвижения с высокими градиентами оседаний земной поверхности.
-
Определить условия образования провалов на земной поверхности на участке прорыва пресных вод в горные выработки.
-
Обосновать диапазонные критерии формирования вторичных провалов над затопленным рудником.
-
Показать возможность пространственного и временного прогноза образования провалов на земной поверхности при аварийном затоплении калийного рудника.
Методы исследования предусматривали комплексный подход к решению поставленных задач и включали анализ и обобщение экспериментальных данных (геологической и геофизической информации, лабораторных исследований растворения соляных пород, результатов маркшейдерских наблюдений за развитием процесса сдвижения), применение аппарата механики сплошных сред, использование численных методов математического моделирования на основе современных высокопроизводительных вычислительных технологий.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Установлено, что формирование мульд сдвижения с высокими градиентами оседаний земной поверхности обусловлено процессом разрушения конструктивных элементов камерной системы разработки и образованием в надсо-ляной толщи локальных областей, ослабленных по прочностным и деформационным свойствам пород.
-
Условием образования провала на земной поверхности в месте прорыва пресных вод в рудник является формирование в соляной толще водопроводя-щего канала радиусом 5-10 метров и снижение вследствие её деформирования механических свойств пород верхней части геологического разреза в 6 и более раз. В этом случае время зарождения провала оценивается в диапазоне 250-500 суток.
3. Предпосылками к формированию вторичных провалов на земной по
верхности после полного затопления рудника является совокупное сочетание
следующих факторов: высокий (выше 3-4%) градиент оседаний земной поверх
ности, ослабленная (в 4-6 раз) по прочностным и деформационным свойствам
область в интервале надсоляной толщи и наличие полости растворения, способ
ной вместить весь объём разрушенных пород.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в работе, обуславливается использованием содержательной геомеханической и геофизической информации, корректным применением аппарата механики твёрдого деформируемого тела и адаптированного параметрического обеспечения, приемлемым качественным и количественным соответствием между результатами математического моделирования и наблюдаемыми процессами.
Научная новизна работы:
-
Разработана трёхмерная математическая модель деформирования подработанного массива, отражающая процессы его ускоренного деформирования и разрушения вследствие растворения соляных пород.
-
Предложены подходы к математическому описанию мульд сдвижения с высокими градиентами оседаний земной поверхности.
-
На основе ретроспективного математического моделирования процесса образования провала на земной поверхности на участке прорыва пресных вод в выработанное пространство рудника произведена оценка скорости увеличения радиуса водопроводящего канала в соляной толще, составляющая 2 см/сутки.
4. Установлен инверсионный характер разрушения подработанного мас
сива: в надсоляной толщи развитие трещин происходит сверху вниз по границам
области, ослабленной по прочностным и деформационным свойствам пород, а в
пределах водозащитной толщи — снизу вверх в результате увеличения верти
кальных размеров полости растворения и разрушения в краевых частях мульды
сдвижения.
5. Выявлены количественные диапазонные критерии, определяющие усло
вия формирование провалов на земной поверхности при аварийном затоплении
калийного рудника.
Личный вклад автора.
При непосредственном участии автора произведена постановка задачи, выполнены теоретические исследования, проведены математическое моделирование, анализ и обработка полученных результатов.
Практическая значимость.
Обоснованы условия, определяющие предпосылки к переходу статических деформаций подработанного массива в динамическую форму в процессе прорыва пресных вод в рудник и после его полного затопления. Разработаны подходы к пространственному и временному прогнозу опасности образования провалов на земной поверхности при аварийном затоплении калийных рудников.
Реализация работы.
Основные результаты диссертационной работы, связанные с оценкой опасности образования провалов на земной поверхности, используются при анализе данных комплексного мониторинга территории г. Березники над затопленным рудником БКПРУ-1.
Связь работы с крупными научными программами и темами.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научных исследований «ГИ УрО РАН» по госбюджетной теме «Геомеханическое обеспечение высокоэффективного и безопасносного освоения месторождений водорастворимых руд в зонах градопромышленных агломераций» (№ гос. рег. 01200955521), а также с тематикой хоздоговорных работ с ПАО «Уралкалий».
В 2015-2017 гг. исследования по теме диссертации были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ) – грант № 15 05 04988 А «Разработка экспериментально-теоретических основ геомеханического прогноза негативных последствий крупномасштабных аварий на калийных рудниках» (№ гос. рег. 115013070060).
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на межрегиональной научно-практической конференции «Проблемы и задачи инженерно-строительных изысканий» (г. Пермь, 2005 г.), Международной научной конференции «Напряжённое состояние породного массива и наведённая геодинамика недр» (г. Бишкек, Киргизия, 2006 г.), научных сессиях и семинарах «ГИ УрО РАН» (г. Пермь, 2004 – 2006, 2012 – 2018 гг.), Европейском симпозиуме по геомеханике «EUROCK 2018» (г. Санкт-Петербург, 2018 г.).
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе 5 в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации (ВАК при Минобрнауки России).
Объем диссертационной работы и её структура.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения; содержит 169 страниц машинописного теста, включает 58 рисунков, 11 таблиц и список использованных источников из 126 наименований.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность сотрудникам лабораторий механики горных пород, физических проблем освоения георесурсов, активной сейсмоакустики, природной и техногенной сейсмичности «ГИ УрО РАН» за плодотворное сотрудничество, ценные советы и проявленный интерес, инженерно-техническим работникам ПАО «Уралкалий» за предоставленную информацию и использование практических результатов исследования.
Аварийные водопритоки на рудниках
Несмотря на все применяемые меры защиты рудников от затопления, включая геофизические исследования района, моделирование процесса отработки и сдвижения земной поверхности для выбора их оптимальных параметров, а также мониторинг ситуации, до сих пор не удаётся избежать аварий, связанных с прорывом вод в горные выработки.
Известный канадский горный инженер Ф. Пруггер в своей работе [28] отметил: «Верным, вероятно, является утверждение, что из всех калийных рудников, введённых в эксплуатацию, потерянных в результате затопления больше, нежели действующих».
В связи с этим в настоящее время всё большее значение приобретает тема исследования последствий деформирования породного массива, вызванного затоплением рудника. Вся мировая история освоения соляных месторождений убедительно свидетельствует о постоянном риске затопления [29; 30 и др]: в настоящее время число затопленных рудников приближается к ста. Более тридцати из них находится в Германии [31; 32; 33 и др.], также вышла из строя часть рудников Верхнекамского [34; 35; 36; 37; 38 и др.] и Соль-Илецкого [29] (Россия), Саскачеванского [28; 39; 40 и др.] (Канада), Сент-Поль [29; 41] (Конго), Солотвинского [29; 42; 43] и Стебниковского [29] (Украина) месторождений, как уже находившихся в эксплуатации, так и только строившихся.
Также отмечаются многочисленные происшествия, связанные с водопроявлениями на рудниках и шахтах в США [44; 45; 46; 5 и др.]. Типичными примерами являются затопления шахт в так называемом районе «Пяти островов» (Луизиана), рядом с Мексиканским заливом. Из пяти шахт, находящихся на каждом из островов, в настоящее время три выведены из строя: на острове Белл шахта была оставлена после серьёзных водопритоков, на о. Джефферсон - затоплена за несколько часов в результате ошибочного бурения нефтеразведочной скважины [7] и на о. Викс – оставлена после двух провалов, соединяющих ненасыщенные воды с шахтой [47; 48; 49].
Первые сведения о затоплениях рудников относятся к концу XIX – началу XX века: Страссфуртские калийные шахты в Магдебург-Гальберштатском бассейне, рудники Ашерслебен. Наиболее тяжелые последствия были вызваны аварией на шахтах «Леопольдсгалль I» и «Леопольдсгалль II», открытых в середине XIX века. Уже через 15 лет после начала эксплуатации обнаружились трещины в целиках и прогибы кровли, стали отмечаться провалы на земной поверхности. В 1879 г. после обрушения на площади 20 тыс. м2 было зафиксировано поступление рассолов в выработки. Попытки ограничить приток к месту аварии предпринимались вплоть до 1897 г. и закончились безрезультатно, поднявшийся к 1890 г. уровень воды вынудил к полному прекращению работ [31]. Из-за затопления шахт в районе пришлось демонтировать около 800 зданий [32].
Типичная ситуация наблюдалась на затопленном в 1975 г. руднике «Ронненберг». В течении длительного времени (1905-1973 гг.) в открытые галереи просачивался рассол с небольшим начальным расходом, который оценивается за всё это время в 200 тыс. м3. В 1974 было зафиксировано его резкое увеличение и только за этот год он составил 240 тыс. м3. В 1975 г. было принято решение оставить шахту, скорость потока в это время достигала 60 м3/мин.
Анализ аварийных водопритоков на шахтах и рудниках Германии показал [29], что на начальном этапе их существования одной из главных причин прорыва вод и рассолов является недостаточная информация о геологии и гидрогеологии участков месторождений, вводимых в эксплуатацию.
Восемь рудников было затоплено из-за представлений о свойствах водозащитных пластов, пять из-за отсутствия сведений о наличии и характере последствий тектонических воздействий на поднятие соленосной толщи. Два рудника («Иессенитц» и «Фридрих-Франц») разрабатывались при отсутствии водозащитной толщи и были затоплены через десять лет эксплуатации.
С повышением качества геологического и гидрогеологического обеспечения горных работ снижалась опасность катастрофического исхода водопроявлений. В случаях, когда параметры системы разработки и способы управления горным давлением, соответствовали горно-геологическим условиям выемки, удавалось достичь длительного функционирования рудников в условиях контролируемого притока рассолов.
Одни из самых неблагоприятных горно-геологических условий разработки калийных руд отличается Саскачеванское месторождение в Канаде. На рудниках, расположенных на его территории, характерны интенсивные водопроявления. Согласно [29] их можно условно разделить на две группы:
прорывы вод из-за вскрытия зон нарушений, гидравлически связанных с водоносными породами (затопленый рудник «Пейшн Лейк», авария на руднике «Роканвилль»);
водопритоки за счёт нарушения сплошности пород, вмещающих разрабатываемый пласт (рудники «Ванской», «Джеральд (К2)», «Колонсей»). За время эксплуатации месторождения был накоплен большой опыт борьбы с водопроявлениями, который включает детальную разведку различными методами строения породного массива для предварительной оценки условий для принятия технологических решений и отлаженную технологию водоподавления.
Стоит отметить, что в рассмотренных случаях водопритоков удавалось их существенно снизить, но полной герметизации аварийных участков достигнуто не было. В целом наиболее рациональным считается отказ от отработки участков, характеризующихся осложняющими факторами. Изоляция прогнозно-опасных участков шахтного поля калийного пласта от остальных его площадей на ранних этапах фиксации прогнозируемых признаков нарушения сплошности ВЗТ (например, при концентрациях изотопов 40Ar больше среднестатистической [50; 51]) позволяет сохранить калийное предприятие как эффективно функционирующее.
В 1994 г. произошло обрушение панели размером 150x150 м на соляной шахте Ретсоф (Нью-Йорк, США) [44; 45; 46], крупнейшей в США и второй в мире, проработавшей к тому времени 110 лет. Обрушение вызвало проявление сейсмической активности магнитудой 3,6 балла. Сразу после обрушения рассол начал затапливать горные выработки со скоростью 19 м3/мин. Несмотря на восстановление устойчивости массива, водоприток остановить не удалось и рудник был ликвидирован.
В ходе расследования были обнаружены доказательства развития зон трещиноватости, а также наличие коллектора, заполненного рассолом и газом, в 50 м над рабочим горизонтом, что привело к ослаблению вышележащей толщи. В 1995 г. шахта была полностью затоплена, что привело к понижению водоносного горизонта. В результате этого высохли многие колодцы питьевой воды, а также наблюдались провалы свыше 50 м диаметром.
Первый аварийный прорыв воды на калийных и соляных месторождениях на территории бывшего постсоветского пространства произошел на Соль-Илецком месторождении в 1919 г. В результате обрушения потолочины мощностью 25-30 м. в камере высотой 70 м и размерами в плане 25 на 240 м, на земной поверхности образовался провал диметром 20 м и глубиной 15 м.
Прорывы надсолевых вод в 1950-е гг. в очистные выработки рудников № 7 и 8 Солотвинского месторождения каменной соли (Закарпатская обл., Украина) привели к интенсивному развитию карста и вынудили прекратить в 1952 г. горные работы на руднике № 7. Главной причиной аварий было названо образование водопроводящих трещин в ВЗТ под действием горных работ [29].
В феврале 2008 г. катастрофические провалы, вызванные неконтролируемым затоплением подземных горных выработок, привели к прекращению работ на соляных шахтах № 8 и 9 Солотвинского солерудника. Притоки воды в шахту № 8 достигали 100 м3/ч, в шахту № 9 – 300 м3/ч.
Наибольшие размеры карстовых провалов наблюдаются для шахт № 7 и № 9, где их диаметр достигает 250 и 200 м соответственно при видимой глубине до 75 м [42].
В 1979 г. вследствие разрушения междукамерных целиков и развития трещин в породах ВЗТ за 36 часов был затоплен Соль-Илецкий рудник № 1.
В марте 1986 г. произошла крупная авария на руднике БКПРУ-3 Верхнекамского месторождения [52]. Первые рассолопроявления в объеме 10 м3/ч были замечены ещё в январе, но очистные работы не были прекращены. К 1 марта приток достиг 150 м3/ч и продолжал увеличиваться. Оценка притока на 9 марта составляла 5 тыс. м3/ч. К 12 марта рассолы достигли пункта посадки людей в околоствольном дворе и рудник прекратил существование. В ночь с 26 на 27 июля над местом прорыва вод сформировался провал земной поверхности, образование которого сопровождалось взрывом газа. В качестве официальной версии аварии принято заключение о несоответствии параметров и порядка ведения очистных работ конкретным горно-геологическим условиям.
17 октября 2006 был зафиксирован аварийный водоприток в рудник БКПРУ-1, расположенный непосредственно в пределах города Березники [36; 37]. Ориентировочный дебит рассолов составил 300-400 м3/ч и привёл к затоплению двух насосных станций. В период с 18 по 20 октября были задействованы дополнительные насосные мощности, суммарной производительностью 600-650 м3/ч, которые позволили справиться с водопритоком в рудник. Но уже 28 октября было отмечено увеличение водопритока до 1200 м3/ч. В связи с таким высоким дебитом откачка рассолов была прекращена, горные работы остановлены, процесс затопления рудника стал неуправляемым.
Моделирование формирования высокоградиентных мульд сдвижения земной поверхности
В целом метод переменных модулей [111] и его модификации [83; 110] позволяют за счёт изменения обобщённых модулей деформаций отработанных пластов достигать точного соответствия между фактическими и расчётными оседаниями земной поверхности. Тем не менее в некоторых ситуациях получение даже приемлемого соответствия только за счёт вариации свойств выработанного пространства является невозможным.
Большой практический интерес представляют случаи, когда при этом мульда сдвижения земной поверхности обладает в своих краевых частях высокими градиентами оседаний, наблюдаемыми на относительно небольших участках. В качестве примера можно привести мульды оседаний по маркшейдерской линии № XVII рудника БКПРУ-2 (рисунок 2.8, а) и линии № 2 рудника БКПРУ-1 (рисунок 2.8, б). В обоих примерах в краевых частях фиксируются очень высокие градиенты оседаний. Независимо от причины формирования подобных мульд над выработанным пространством, их образование априори сопряжено с повышением техногенной нагрузки на подработанный массив.
Как показывают выполненные математические расчёты, в этом случае для обеспечения реальных градиентов оседаний необходимым является введение в расчётную схему областей в интервале надсоляной толщи, ослабленных по прочностным и деформационным свойствам пород [74; 75].
Рассмотрим участок шахтного поля рудника БКПРУ-2 в районе геологоразведочной скв. № 1015 (рисунок 2.9). В пределах 11 восточной панели (ВП) отработаны два сильвинитовых пласта АБ и КрII. Очистные работы проводились, начиная с 2005 г. от восточной границы шахтного поля в западном направлении. Подробные сведения о параметрах отработки пластов, глубине горных работ и времени очистной выемки представлены в таблице 2.8. В ней также указаны конечные оседания земной поверхности в зоне полной подработки (0) и расчетная степень нагружения междукамерных целиков ().
По результатам сейсморазведочных работ на 11 ВП в интервале ВЗТ выделен ряд аномалий, характеризуемых нарушением волновой картины, изменением кинематических и динамических параметров упругих волн и имеющих по всей видимости природно-техногенное происхождение. При проведении геомеханических расчетов природные аномалии учитывались как области с пониженными, в соответствии с установленным коэффициентом ослабления, прочностными и деформационными свойствами соляных пород. Их положение показано на принципиальной схеме расчёта (рисунок 2.10).
По 11 ВП с востока на запад проходит XVII профильная линия наблюдений за сдвижениями земной поверхности (рисунок 2.9). Характер оседаний земной поверхности в пределах панели является достаточно неравномерным, что обусловлено различными параметрами отработки и разным временем с момента её завершения. Математическое моделирование показало, что практически вдоль всей маркшейдерской линии XVII удаётся получить хорошее согласование между фактическими и расчётными оседаниями земной поверхности (рисунок 2.11), что свидетельствует об адекватности результатов численного эксперимента реальным процессам деформирования подработанного массива.
Между тем наблюдается заметное расхождение расчетных и фактических оседаний непосредственно у восточной границы 11 ВП (рисунок 2.11). Здесь на небольшом участке расчётного профиля (170 м между реперами №№ 8 и 14) происходит резкое увеличение оседаний на 1,8 м с образованием крутого восточного склона мульды сдвижения. Как показали выполненные расчёты, только за счёт изменения модулей деформации отработанных пластов не удаётся обеспечить соответствия между расчётными и фактическими оседаниями в районе скв. № 1015 с сохранением при этом их максимума и полным совпадением с наблюдаемыми вертикальными сдвижениями на западном склоне мульды.
Выполненное многовариантное математическое моделирование показало, что для обеспечения таких высоких градиентов оседаний требуется введение в расчётную схему ослабленной по прочностным и деформационным свойствам области в интервале надсоляной толщи. На рисунке 2.12 (кривая 2) показан пример расчётных оседаний земной поверхности при наличии у восточной границы 11 ВП «ослабленной» области, развитой в пестроцветной толще (ПЦТ). Как видно из рисунка 2.12 в этом случае расчётная кривая оседаний существенно точнее отражает данные маркшейдерских наблюдений.
Для характеристики состояния ВЗТ в процессе деформирования подработанного массива использовалась её критериальная оценка.
Паспорт прочности соляных пород описывается параболической огибающей кругов Мора [112], построенной по известным значениям их пределов прочности на растяжение (аг) и сжатие (as).
Специфика поведения горных пород в поле сжимающих напряжений состоит в том, что пластическое деформирование в них осуществляется за счёт образования трещин сдвига. Таким образом условием разрушения соляного массива за счёт образования трещин сдвига является выполнение неравенства
При вычислении значения предельного касательного напряжения должна учитываться зависимость прочностных параметров соляных пород (пределов прочности на одноосное растяжение и сжатие) от времени, посредством введения в расчёт коэффициента длительной прочности, определённого по результатам реологических испытаний [16].
Критериальные оценки состояния ВЗТ (без введения в расчётную схему «ослабленной» области в интервале ПЦТ) показали (рисунок 2.13, а), что, у восточной границы 11 ВП в районе охранного целика скв. № 1015 формируется зона субвертикальной нарушенности, охватывающая все пласты водозащитной толщи т.е. существует потенциальная опасность возникновения канала проникновения надсолевых вод в выработанное пространство рудника.
В тоже время аналогичные оценки состояния ВЗТ при наличии «ослабленной» области в интервале ПЦТ (рисунок 2.13, б) свидетельствуют о том, что устойчивость ВЗТ обеспечивается за счет сохранности ПКС. В физическом отношении обусловлено это тем, что при разрушении пород, залегающих в верхней части разреза, происходит определенное снижение нагрузки непосредственно на пласты ВЗТ и повышается ее устойчивость.
Можно заметить, что попытки достичь большего соответствия расчетных и наблюдаемых оседаний за счет введения в модель дополнительных «ослабленных» областей в верхней части геологического разреза могут привести к искусственному снижению техногенной нагрузки на ВЗТ и как следствие недооценки опасности её разрушения. В этой связи, пространственная локализация «ослабленных» областей и уровень снижения в них прочностных и деформационных свойств пород оказывают существенное влияние на объективную оценку состояния ВЗТ.
С целью изучения влияния подобных «ослабленных» областей, развитых в пестроцветной толще, на критериальную оценку состояния ВЗТ были произведены дополнительные исследования.
На рисунке 2.14 показаны расчетные оседания земной поверхности при наличии у восточной границы 11 ВП «ослабленной» области (кривые 2 и 3) и без неё (кривая 1). Как видно из рисунка расчётные кривые оседаний в случае «ослабленных» областей значительно точнее отражают данные маркшейдерских наблюдений. Кривые 2 и 3 соответствуют различным вариантам снижения свойств пород ПЦТ и изменения обобщенных модулей деформаций отработанных пластов (2 – принятые в предыдущем расчете коэффициенты снижения механических свойств, 3 – свойства дополнительно снижены на 10%). Очевидно, что за счет их вариации можно добиваться требуемого соответствия расчётных оседаний маркшейдерским наблюдениям при сохранении модулей деформаций отработанных пластов на уровне, обеспечивающем оседания земной поверхности не меньше прогнозных для заданных параметров отработки в соответствии с рекомендациями действующих «Указаний…» [113]. При этом необходимо заметить, что сравнительно небольшое повышение точности в варианте 2 (кривая 3) по сравнению с базовым (кривая 2), требует большего снижения прочностных и деформационных свойств пород ПЦТ и меньшего в пределах отработанных пластов, что, априори, обуславливает снижение нагрузки на ВЗТ
Ретроспективный анализ скорости развития водопроводящего канала
В соответствии с выполненными исследованиями [76] переходу статических деформаций соляного массива в динамическую форму сопутствуют повышенные скорости оседаний земной поверхности, локализованные в плане на сравнительно небольших участках шахтного поля. При этом оседания в краевых частях мульды сдвижения характеризуются высоким градиентом, который увеличивается со временем. Также важнейшим условием является наличие полости в соляной толще и ослабленной по прочностным и деформационным свойствам области в верхней части геологического разреза. Объединение этих зон техногенной нарушенности создает предпосылки к образованию провала. При этом объем полости должен быть достаточным для вмещения разрушенных пород.
В случае аварийного затопления рудника геомеханические расчёты места и размеров возможного провала в большой степени базируются на данных маркшейдерских наблюдений за сдвижениями земной поверхности и прогнозах растворения соляных пород в горных выработках. В зависимости от различных допущений и предположений, а также с учётом объективных данных комплекса геофизических исследований (сейсморазведка, гравиразведка, электроразведка и др.), получаемые результаты могут достаточно сильно отличаться.
Из-за нарушения сплошности ВЗТ и прорыва надсолевых вод в выработанное пространство рудника в соляной толще образуется водопроводящий канал. На начальном этапе затопления в силу постоянного оттока рассолов от места прорыва вод в рудник, канал не является полностью заполненным рассолами и наблюдается их свободное движение вдоль вертикальных границ канала. Вследствие растворения соляных пород и их выноса со стенок канала имеет место постоянное увеличение его характерного размера (радиуса).
При этом непосредственно над каналом в интервале надсоляной толщи предполагается существование ослабленной по прочностным и деформационным свойствам области, образующейся вследствие притока надсолевых вод к каналу. Её наличие предопределяет высокие градиенты оседаний земной поверхности, наблюдаемые при формировании провалов, как правило, на относительно небольшом по площади участке [74; 75]. В геомеханических расчётах первоначальные размеры и положение «ослабленной» области, а также степень снижения механических свойств выбираются из условия наилучшего соответствия расчётных оседаний данным маркшейдерских наблюдений.
На первом этапе математического моделирования выполнялась оценка предельных размеров водопроводящего канала, предшествующего образованию провала. Рассматривался участок крупномасштабной аварии, связанной с затоплением рудника БКПРУ-1 вследствие прорыва пресных вод в районе скв. № 17 (рисунок 3.4).
На момент аварии максимальные оседания земной поверхности на данном участке превысили 3,7 м. Доступ в выработанное пространство оказался невозможным, вследствие этого точное место прорыва вод не могло быть установлено. Вероятнее всего нарушение сплошности ВЗТ, отделяющей водоносные горизонты от выработанного пространства, произошло в восточной части 3-4 западных панелей (рисунок 3.4), где отработаны два сильвинитовых пласта АБ (1964-1965 гг.) и КрII (1976-1977 гг.). Закладка очистных камер производилась в 1994-1996 годах в условиях интенсивного проявления горного давления и активизации процесса сдвижения. Оценочная полнота заполнения камер закладочным материалом составила 80%.
Обобщенная геомеханическая расчётная схема представлена на рисунке 3.2. Расчетная схема отражала весь комплекс горно-геологических (слоистость, гипсометрия пластов, свойства пород) и горнотехнических условий отработки (глубина горных работ, параметры системы разработки, степень заполнения камер закладочным материалом). Построение физико-геологической модели подработанного массива в районе исследований осуществлялось на основе данных бурения геологоразведочных скважин и результатов сейсморазведочных работ. Осреднённая характеристика геологического разреза в пределах площади исследований и принятые в расчёте механические свойства его элементов по скв. № 17 даны в таблице 3.1.
Расчёты выполнялись в трехмерной упруго-пластической постановке с использованием высокоэффективных вычислительных технологий, позволяющих увеличивать уровень дискретизации расчётной схемы [115].
На рисунке 3.5 иллюстрируются оседания земной поверхности с «ослабленной» областью в верхней части геологического разреза и без неё.
Хорошо видно, что влияние «ослабленной» области на характер распределения оседаний оказывается достаточно ограниченным и практически полностью локализуется участком её расположения. Уже на небольшом (порядка десятков метров) расстоянии от неё оседания в обоих случаях оказываются одинаковыми.
На рисунке 3.6 показаны оседания земной поверхности по характерному разрезу (рисунок 3.5), проходящему через центральную часть мульды сдвижения. Можно заметить, что в случае включения в расчетную схему «ослабленной» области имеют место значительно более высокие градиенты оседаний в краевых частях и существенно увеличиваются максимальные оседания в зоне полной подработки.
Таким образом, включение в расчётную схему «ослабленной» области является необходимым условием для математического описания сдвижения земной поверхности с высоким градиентом оседаний, наблюдаемым на небольшом по площади участке.
Как показывают расчёты, при реализации подобных оседаний земной поверхности зачастую создаются предпосылки к нарушению сплошности ВЗТ. В связи с чем, они могут рассматриваться как один из признаков потенциальной опасности разрушения пород ВЗТ.
В целом можно отметить, что введение «ослабленных» областей в расчётную схему позволяет достигать хорошего соответствия расчетных и фактических оседаний и, таким образом, обеспечивать достаточную адекватность расчетных моделей. При этом уровень снижения прочностных и деформационных свойств пород, а также локализацию «ослабленных» областей целесообразно контролировать, ориентируясь на данные маркшейдерских наблюдений за сдвижением земной поверхности и заверять данными геофизических наблюдений (сейсмо- и электроразведка).
Анализ напряженно-деформированного состояния породного массива выполнялся при наличии в расчётной схеме водопроводящего канала в ВЗТ (рисунок 3.2). При этом предполагалось, что он находится в краевой части мульды сдвижения с наибольшим градиентом оседаний (т.е. на потенциально опасном по нарушению сплошности ВЗТ участке) и его характерный размер в ходе расчётов изменяется вследствие растворения соляных пород. Таким образом, моделировался процесс увеличения водопроводящего канала в ходе затопления рудника.
Одновременно производилось поэтапное расширение «ослабленной» области вследствие развития зон пластичности, которые трактовались, как области разрушения надсоляной толщи. При этом предполагалось, что непосредственно над каналом степень уменьшения механических свойств пород может быть выше в 2-3 раза, чем в целом в пределах «ослабленной» области. Данное допущение связано с тем, что при однородном уменьшении прочностных свойств становится невозможным увеличивать градиент мульды оседаний без дальнейшего увеличения размеров мульды по латерали. Кроме того, в этом случае разрушение надсоляной толщи может не происходить даже при достаточно большом (несколько десятков метров) характерном размере водопроводящего канала, что не соответствует наблюдениям за провалами в момент их образования.
Для всех расчетных вариантов анализировалось напряженно деформированное состояние породного массива. При этом появление сквозной области техногенной нарушенности от земной поверхности до канала интерпретировалось как возможность перехода статических деформаций подработанного массива в динамическую форму с образованием провала.
На рисунке 3.7 представлена динамика разрушения надсоляной толщи, в процессе увеличения размеров водопроводящего канала в ВЗТ.
В соответствие с выполненными критериальными оценками состояния подработанного массива, в момент прорыва надсолевых вод по водопроводящему каналу (рисунок 3.7, а) зона сквозной техногенной нарушенности в надсоляной толщи не формируется. Таким образом, предпосылок к образованию провала на этот момент времени не существует.
Многовариантное численное моделирование развития деформации подработанного массива в процессе растворения соляных пород
При проведении численных геомеханических расчетов принималось, что на участках отработки карналлитовых пород выщелачивание хлорида магния будет продолжаться после затопления рудника очень длительное время [57]. Это обусловлено тем, что плотность рассола, насыщенного по отношению к карналлиту, несколько выше, чем раствора, равновесного только с сильвином и галитом (1,269 г/см3 и 1,232 г/см3 соответственно). Учитывая, что карналлитовый пласт залегает на гипсометрически более высоких отметках, после заполнения выработанного пространства начнется конвективное перемешивание рассолов, связанное с оттоком более плотных флюидов из камер карналлитового пласта в наиболее погруженные части рудника и их заменой менее плотными рассолами, ненасыщенными по отношению к карналлиту. Это приведёт к дальнейшему, теоретически полному, выщелачиванию карналлита на отработанных участках, к которым существует прямой доступ рассолов.
Реализация этих процессов, как правило, обуславливает неоднородный характер деформации подработанного массива с формированием локальных участков активизации оседаний земной поверхности. При этом зачастую, наблюдается миграция зон повышенных скоростей оседания в плане и во времени, что объясняется нестационарным характером растворения карналлитовых пород.
Предположим, что в результате растворения соляных пород интенсивное увеличение скорости оседаний земной поверхности наблюдается на сравнительно непротяжённом участке расчётного профиля. На рисунке 4.4 показана мульда сдвижения, отражающая два состояния подработанного массива: до начала интенсивного растворения (кривая 1) и в процессе выщелачивания хлорида магния (кривая 2). Как видно, кривая 2 при относительно небольшом (порядка 0,7 м) увеличении оседаний земной поверхности имеет значительный градиент их изменения в краевых частях. Это обуславливает повышение техногенной нагрузки на весь подработанный массив.
Численное моделирование показало, что наличие полости растворения и деформаций, обусловленных камерной системой отработки, не позволяет получить достаточно высокий градиент оседаний в краевых частях мульды сдвижения. Расчётная кривая оседаний (рисунок 4.5, кривая 2) имеет более пологий вид по сравнению с требуемой (условно фактической) мульдой сдвижения (рисунок 4.5, кривая 1).
С целью оценки основных факторов, определяющих характер развития процесса сдвижения вследствие растворения соляных пород в затопленном выработанном пространстве рудника, было выполнено математическое моделирование. На этом этапе производилось варьирование размеров полости растворения и механических свойств подработанного массива в пределах «ослабленной» зоны для адекватного теоретического описания фактической мульды оседания земной поверхности.
Результаты многовариантных расчетов показали (рисунок 4.6), что размеры полости растворения определяют максимальные оседания земной поверхности. Уменьшение ее протяженности ведет к снижению максимальных оседаний (рисунок 4.6, а), увеличение – к их росту с одновременным расширением мульды сдвижения и, как следствие, выполаживанием ее краевой части (рисунок 4.6, б).
Таким образом, только путём вариации размеров полости растворения невозможно добиться приемлемого соответствия расчётных оседаний земной поверхности фактическим, локализованным в пределах относительно небольшой площади. Для обеспечения высоких градиентов оседаний в краевой части мульды сдвижения в расчётную схему вводится ослабленная по прочностным и деформационным свойствам зона, развитая в верхней части геологического разреза. При этом вопрос генезиса этой зоны является вторичным. Более важным представляется факт её наличия.
На рисунке 4.7, а показаны оседания земной поверхности, когда «ослабленная» зона развита в интервале ТКТ–ПКС при различной степени снижения в её пределах механических свойств пород. Рисунок 4.7, б иллюстрирует характер изменения мульды сдвижения при разной глубине распространения «ослабленной» зоны и заданном уровне снижения свойств.
Полученные результаты показывают, что путём вариации обоих этих факторов (глубины распространения «ослабленной» зоны и степени уменьшения механических свойств) можно добиться приемлемого соответствия расчётной мульды сдвижения и фактической, краевая часть которой характеризуется значительными градиентами оседаний земной поверхности (кривая 1 на рисунке 4.7). Вместе с тем, установленные закономерности вносят определенную неоднозначность в параметрическое обеспечение расчетной схемы. Для ее преодоления рекомендуется выполнение инженерных сейсморазведочных исследований, результаты которых позволяют оценить интервал развития «ослабленной» зоны в верхней части геологического разреза.
Таким образом, геомеханический анализ показал, что доминирующими факторами, определяющими характер деформирования подработанного массива в условиях затопленного рудника, являются протяженность полости растворения, и наличие ослабленной по механическим свойствам зоны в верхней части разреза.
Согласно полученным критериальным оценкам состояния ВЗТ (рисунок 4.8), над полостью растворения формируется область субвертикальной нарушенности в виде образования трещин отрыва. В соответствии с принятой методикой, на этих участках происходит выщелачивание хлорида магния и обрушение пород. В рамках итерационной процедуры эти области включаются в общий объем полости, первоначально локализованной только в выработанном пространстве пласта В.
Можно отметить, что также могут возникать зоны разрушения ВЗТ вследствие образования трещин сдвига (рисунок 4.8, г). Подобные зоны приурочены к склонам мульды сдвижения и появляются в областях перегиба кривых оседаний.
В процессе нарастания оседания земной поверхности на участке сформировавшейся мульды сдвижения наблюдается постепенное разрушение пластов подработанного массива. Было выполнено моделирование ситуации, при которой «ослабленная» область в надсоляной толщи охватывает все пласты породного массива в интервале ТКТ-ПКС.