автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Геомеханическая оценка опасности подработки ВЗТ на участках развития геологических аномалий

М о '^Д

I 3 ЫЛл

На правах рукописи

Грачева Елена Александровна

ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ПОДРАБОТКИ ВЗТ НА УЧАСТКАХ РАЗВИТИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ АНОМАЛИЙ

Специальность: 05.15.11 - " Физические процессы горного производства"

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь-1997

Работа выполнена в Горном институте УрО РАН

Научный руководитель ■

доктор технических наук Барях Александр Абрамович .

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Константинова Светлана Александровна,

кандидат технических наук, доцент Саврасов Игорь Федорович .

Ведущая организация - ОАО ВНИИГ , г. Санкт-Петербург.

Защита состоится ^¿-^иЛ!- 1997 г. в_час. на заседании

диссертационного Совета К. 063.66.05 при Пермском государственном техническом университете по адресу : 614000 г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета.

Автореферат разослан " 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета канд. геолого-минералогических наук, доцент

У В.П. Наборщиков /

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

Массив соляных пород Верхнекамского месторождения представляет собой неоднородную по физическим свойствам среду. Эта неоднородность обусловлена как первичной слоистостью толщи, так и наличием аномалий геологического строения. Геологические аномалии в значительной степени затрудняют разработку массива, ограничивая. а, нередко, и исключая возможность подземной выемки. В существующих нормативных документах аномальность строения мас'сива не учитывается. В этой связи для решения многих прикладных задач, связанных с обеспечением безопасных условий разработки калийных месторождений, важное значение имеет анализ напряженно-деформированного состояния подработанного массива в зонах развития структурно-геологических неоднородностей. Достоверная оценка степени влияния таких неоднородностей может быть получена только на основе геомеханического анализа, выполненного для конкретного типа аномалии при заданных параметрах ведения очистных работ. Это может быть достигнуто в результате применения методов математического моделирования геомеханических процессов, которые адекватно отражают воздействие очистной выемки на различные типы аномалий геологического строения соляного массива.

Таким образом, исследования, направленные на геомеханическую оценку опасности подработки водозащитной толщи (ВЗТ) на участках развития геологических аномалий, являются актуальными и важными для практики разработки месторождений калийных солей.

Диссертационные исследования выполнены в соответствии с планами: "Программы комплексных научно-исследовательских работ по изучению водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных солей на 1988-1995 г." (Правительственное поручение N 14229 от 02.07.87 г., постановление АН СССР N 13100/1222-70 от 22.04.88 г.); общеакадемической проблемы 12.9 "Разработка месторождений и обогащение полезных ископаемых", темы "Разработка комплекса геолого-геофизических, геомеханических и технологических мероприятий по предотвращению нарушений сплошности водозащитной толщи на месторождениях полезных ископаемых, залегающих в аномально-сложных горногеологических условиях", утвержденной Постановлением ГКНТ СССР N 191 от 21.06.88 г. (N гос. per. 01890011297).

Целью работы является создание теоретических основ и принципов геомеханической оценки влияния различных типов аномалий геологического строения соляного массива на безопасность подработки ВЗТ.

Идея работы заключается в построении и реализации численными методами геомеханических моделей участков аномального строения соляного массива для оценки изменения его напряженно-деформированного состояния под воздействием горных работ.

Задачи исследований:

- разработать методологические принципы и методические подходы к оценке опасности подработки геологических аномалий;

- построить геомеханические модели типовых аномалий строения ВЗТ и вычислительные схемы их реализации;

- построить основные критериальные соотношения, определяющие условия роста техногенных и природных трещин в слоях ВЗТ;

- оценить влияние геологических аномалий на изменение напряженно-деформированного состояния ВЗТ при ее подработке;

- выполнить критериальный анализ разрушения слоев ВЗТ на участках развития геологических аномалий;

- установить основные закономерности влияния типовых аномалий геологического строения ВЗТ на безопасность ведения горных работ.

Методы исследований включали обобщение и анализ геологических данных, результатов натурных и лабораторных экспериментальных исследований, математическое моделирование, аналитический и численный аппарат механики сплошных сред.

Научные положения, защищаемые в работе:

1. Методология геомеханического анализа опасности подработки ВЗТ на участках ее аномального строения, основанная на двухста-дийном подходе и включающая этап крупномасштабного математического моделирования изменения напряженно-деформированного состояния массива под•воздействием горных работ и последующую оценку реакции геологических неоднородностей различных типов на вновь сформированное поле напряжений;

2. Вычислительные схемы оценки условий, траектории и кинетики роста трещин, базирующиеся на критериальном анализе с" позиции механики разрушения техногенных изменений напряженно-деформированного состояния подработанного соляного массива;

з. Общие закономерности деформирования и разрушения ВЗТ на участках развития типовых аномалий геологического строения соляного массива, согласно которым имеет место:

. - увеличение потенциальной опасности образования субвертикальных трещин в зоне полной подработки большеамплитудных плика-тивных нарушений с максимальной интенсивностью этого процесса вблизи осевой поверхности складки;

- локальное изменение под влиянием горных работ напряженно-деформированного состояния пород зон замещения, обуславливающее возможность формирования техногенной трещиноватости в слоях межпластовой каменной соли;

- устойчивый рост вследствие отрыва открытых природных трещин в зоне полной подработки и их неустойчивый рост при определенной длине в краевой части выработанного пространства, происходящий путем сдвига.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью постановки теоретических задач; строгостью математических преобразований и надежностью применяемых численных алгоритмов; решением тестовых задач; качественным соответствием полученных результатов основным закономерностям деформирования подработанного соляного массива; положительным опытом внедрения результатов исследований в практику разработки Верхнекамского месторождения калийных солей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- для решения задач механики слоистых сред построена блочная процедура метода граничных элементов в модификации "разрывных смещений";

- разработана методика оценки долговечности подработанного горными работами соляного массива, вмещающего открытую тектоническую трещину;

- предложена вычислительная схема расчета траектории роста трещин в породах ВЗТ при произвольных горнотехнических условиях ее подработки;

- определены условия формирования зон техногенной нарушенное™ на участках развития пликативных и вещественных аномалий геологического строения ВЗТ в зависимости от их положения относительно фронта очистных работ;

- на основе решения комплекса новых прикладных задач геоме-

ханики установлены закономерности деформирования и разрушения соляного массива, связанные с ростом тектонических трещин различной ориентации, с оценкой опасности подработки типовых неоднороднос-тей геологического строения ВЗТ.

Практическое значение работы состоит в разработке:

- методики определения условий развития техногенных трещин в подработанном соляном массиве;

- схемы оценки опасности подработки типовых аномалий геологического строения ВЗТ методами математического моделирования.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены в практику разработки Верхнекамского месторождения калийных солей и использованы при составлении "Указаний по защите рудников от затопления и охране зданий, сооружений и природных объектов на подрабатываемой территории Верхнекамского месторождения калийных солей" (С.-Петербург: ВНИИГ, 1993 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзной конференции "Технология строительства и эксплуатации подземных хранилищ нефти, газа и продуктов их переработки" (Москва, 1991 г.), на X Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993 г.), на Межрегиональной научно-технической конференции "Математическое моделирование систем и процессов" (Цермь, 1994 г.), на I Международном семинаре "Напряжения в литосфере" (Москва, 1994), на Международном симпозиуме 5РМ-95 "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций" (Москва-Пермь, 1995 г.), на Международной конференции "Управление напряженно-деформированным состоянием массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений" (Екатеринбург, 1996), на заседаниях Ученого Совета Горного института УрО РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных трудов.

Объем работы и ее структура. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 103 наименований, содержит 209 страниц, включая 155 страниц машинописного текста, 59 рисунков и 15 таблиц.

Автор выражает искреннюю признательность за помощь и внимание к работе д.г.-м.н. А.И.Кудряшову, к.т.н. Н.А.Ереминой, к.т.н.

В.А.Асанову, сотрудникам сектора механики горных пород и лаборатории физико-механических свойств горных пород Горного института УрО РАН.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Состояние изученности вопроса и задачи исследований

Главной особенностью калийных руд и вмещающих соляных пород является их легкая растворимость, что в значительной мере осложняет разведку и разработку калийных месторождений. В связи с этим существует необходимость сохранения водонепроницаемости пачки пород, расположенной между кровлей верхнего отрабатываемого пласта и кровлей первого сверху прослоя (пласта, пачки) каменной соли, называемой в горной практике ВЗТ. При нарушении сплошности ВЗТ пресные или слабоминерализованные воды, растворяя соляные породы, способны расширить трещины, что может в самые кратчайшие сроки привести к гибели рудника. Для обеспечения безопасных условий подработки ВЗТ применяют камерную систему разработки с оставлением междукамерных целиков с размерами, обеспечивающими безопасное поддержание покрывающей толщи.

Наряду с легкой растворимостью массив соляных пород характеризуется существенной неоднородностью, выраженной в наличии различных типов геологических аномалий, что существенно затрудняет разработку пластов, ограничивая, а, нередко, и исключая возможность очистной выемки. Под геологической аномалией ВЗТ понимается отклонение от ее обычного (фонового) строения. Аномалии ВЗТ, по А.И.Кудряшову, классифицируются на четыре типа: стратиграфические, тектонические, вещественные и текстурно-структурные. Стратиграфические аномалии проявляются в отношении полноты разреза водозащитной толщи. Тектонические аномалии представлены пликатив-ными и дизъюнктивными дислокациями. Среди дизъюнктивных аномалий с рассматриваемых позиций наибольший интерес представляют открытые трещины. Вещественные нарушения ВЗТ проявляются в латеральной изменчивости диалогического состава слагающих ее продуктивных пластов. Текстурно-структурные аномалии проявляются в виде участков развития соляных пород со вторичными структурами и текстурами. Породы с этими текстурно-структурными особенностями характе-

ризуются снижением (на 15-20%) прочностных свойств. Важнейшие характеристики любого типа аномалий - размер (объем, площадь и т.д.) и контрастность, т.е. отношение максимального значения параметра внутри аномалии к фоновому значению.

Исследования влияния геологических аномалий на безопасность подработки ВЗТ применительно к Верхнекамскому месторождению калийных солей начаты только в последние годы. Учет неоднородного строения соляного массива, связанный с его слоистостью, отражался в теоретических разработках М.А.Журавкова, В. Г.Зильбершмидта, С.А.Константиновой, Б.А.Крайнева, А.Г.Оловянного, И.Ф.Саврасова,

A.К.Черникова, С.И.Спирковой, М.П.Нестерова и др.

Общим проблемам анализа условий образования различных типов тектонических (пликативных) структур и оценке изменения вследствие этого исходного поля напряжений посвящены работы Т.А.Бекбу-. латова. М.А.Био, А.К.Егорова, Ж.С.Ержанова, Д.Н.Осокиной, К.В.Руппенейта, В.В.Эза и других. Данные исследования свидетельствуют. что геологические аномалии типа складок приводят к перераспределению горного давления и способствуют интенсификации процесса растрескивания пластов.

Изучение отдельных трещин, систем трещин и структурных блоков, создание методик учета трещиноватости охватывает два направления. Первое - связано с оценкой изменения естественного поля напряжений вблизи зон разрывных нарушений (П.В.Егоров, Д.Н.Осоки-на, В.К.Руппенейт, С.Н.Савченко, А.Я.Синяев, Г.П.Черепанов, К.П.Шкурина, Н.Ю.Цветкова и др.). В ходе проведенных исследований было установлено, что в зонах развития тектонических (дизъюнктивных) аномалий распределение естественного поля напряжений отличается от равномерного. Его локальные возмущения являются потенциальными источниками снижения механических свойств пород и образования в окрестности разрывов вторитаых нарушений в виде сбросов, что определяет повышенную трещиноватость массива.' Возникновение трещин отрыва в местах максимальных концентраций напряжений способствует формированию зон, по которым происходит смятие материала.

Второе направление включает геомеханический анализ воздействия горных работ на дизъюнктивные аномалии (А.Д.Борулев,

B.И.Борщ-Компониец, Г.В.Вардересян, А.Н.Галыбин, Р. В. Гольдштейн, А.Б.Макаров, Ш.А.Мухамедиев, Л.А.Назарова, В.Н.Одинцев, В.В.Сама-

рин, В.Н.Серяков, В.А.Трофимов, Ю.А.Фишман и др.). Исследования, выполненные для конкретных горногеологических условий разработки с использованием различных моделей деформирования и разрушения пород, позволили установить значительное изменение параметров, контролирующих устойчивость выработок. С наличием дизъюнктивных нарушений связывается интенсивное обрушение пород кровли очистных камер, развитие процесса разрушения междукамерных целиков и т.д. Отмечается увеличение размеров зон дробления и разуплотнения породы в окрестности горных выработок, причем их рост зачастую является неустойчивым и может реализовываться в форме горного удара.

Таким образом, аномалии геологического строения породного массива оказывают значительное влияние на его свойства и состояние. Локальные техногенные изменения поля напряжений в окрестности геологических нарушений предопределяют снижение устойчивости горных выработок, разрушение междукамерных целиков и других конструктивных элементов системы разработки.

Методология оценки опасности подработки ВЗТ

Для геомеханической оценки опасности подработки ВЗТ на участках развития аномалий ее геологического строения предлагается использовать двухстадийный подход, основанный на поэтапном решении задачи. На первом этапе анализа учитывается весь комплекс доминирующих горногеологических и горнотехнических факторов и проводится оценка глобального изменения напряженно-деформированного состояния массива под влиянием горных работ. На втором - определяется реакция произвольного типа неоднородности на сформированное поле напряжений. Первая стадия расчетов осуществляется согласно вычислительной схемы крупномасштабного математического моделирования, основанной на реализации синтезированной геомеханической модели подработанного массива. Она отражает глобальные особенности его геологического строения, деформационное поведение основных природных и структурных элементов, параметры ведения горных работ. Решение проводится методом геометрического погружения, который позволяет свести исходную краевую задачу для тела произвольной геометрии к итерационной последовательности задач, определенных на некоторой канонической области.

По результатам крупномасштабного математического моделирования вычисляется поле механических напряжений, действующих в подработанном массиве, при произвольном положении фронта очистных работ по отношению к зоне геологической аномалии. Полученная информация используется в качестве граничных условий для решения "локальной" задачи об изменении под воздействием горных работ напряженно-деформированного состояния пород на участке аномального строения ВЗТ. Реализация этого этапа осуществляется с использованием комплекса численных методов механики сплошных сред.

Для пликативных нарушений и вещественных аномалий предпочтительным представляется применение метода конечных элементов, так как он позволяет достаточно просто учесть в расчетах положение кровли слоев, изменчивость физико-механических свойств и другие локальные особенности строения ВЗТ.

Для нарушений разрывного типа используется метод граничных элементов в варианте "разрывных смещений". В этом случае граница тела и имеющиеся в нем трещины заменяются системой малых прямоли-' нейных разрезов (граничных элементов), на которых заданы неизвестные разрывы касательных и нормальных смещений в локальной системе координат. Разрывы имеют отчетливый физический смысл и отражают смещения берегов трещин в процессе их деформирования.

Анализ влияния аномалий геологического строения ВЗТ на процесс формирования в ней зон техногенной нарушенности базируется на основных критериальных соотношениях механики разрушения. • В рамках энергетического критерия разрушения разработана инженерная методика, в соответствии с которой условием развития трещин в слоях ВЗТ является выполнение неравенств:

й = 1 к[(б°п)2 + (х°зП)2]/2Е ) Сс ,

и, если рост трещины происходит за счет сдвига, то согласно:

С = 1 к[(т°вп)2 - т°зп |т'ап|]/2Е > Сс при |г°зп|>1т%п| ,

где Сс - критическое значение скорости высвобождения энергии, Е -модуль упругости пород слоев ВЗТ, б°п, т°зп - нормальное и касательное напряжение в системе координат, совпадающей с направлением роста трещины, т*зп - удельное усилие трения, к - безразмерный

коэффициент, зависящий от значения коэффициента Пуассона к=1,772(1-V2).

Анализ влияния различных типов складчатости на изменение состояния водозащитной толщи при ее подработке

Влияние геологической аномалии на безопасность подработки ВЗТ определяется многими факторами. С одной стороны, это - тип аномалии, ее собственные физико-геологические характеристики, естественное напряженное состояние, а с другой - технологические параметры ведения горных работ.

Выполнен геомеханический анализ локальных особенностей естественного поля напряжений в зоне развития лежачей складки, представляющей собой две антиклинали, разделенные синклиналью. Результаты расчетов показали, что наиболее значительные физико-структурные изменения, связанные с геометрией складки, выявлены в зоне между осевыми поверхностями антиклиналей. Здесь имеет место максимальная разгрузка горизонтальной компоненты напряжения при сохранении величины ее вертикальной составляющей, что указывает на возможность образования природных трещин субвертикальной ориентации. Экспериментальные исследования физико-механических свойств пород складки также показали некоторое ослабление пород на участке пликативных аномалий.

Изменение состояния соляного массива на участке развития аномалии определяется ее положением относительно фронта очистных работ. В этой связи для оценки степени опасности подработки геологической аномалии, вне зависимости от ее вида, приняты две основные схемы анализа: аномалия находится в краевой части подработанного массива, и аномалия расположена в зоне полной подработки.

Геомеханическая оценка условий подработки пликативных нарушений выполнялась в соответствие с принятым двухстадийным методологическим подходом для складок двух типов: лежачей и флексурооб-разной.

Степень влияния пликативных нарушений на напряженно-деформированное состояние ВЗТ оценивалась по отношению к "нормальному" строению соляного массива, когда пласты залегают субгоризонтально и являются выдержанными по мощности. В качестве показателей, ха-

растеризующих степень этого влияния, принимались горизонтальная растягивающая деформация и относительный энергетический показатель трещиностойкости (Е=С/Сс), которые определяют возможность развития в слоях ВЗТ субвертикальных трещин.

Проведенный комплекс геомеханических расчетов для различных условий подработки пликативных нарушений указывает, что они вносят существенные изменения в характер распределения напряжений и деформаций в породах ВЗТ.

В зоне полной подработки лежачей складки увеличивается потенциальная возможность образования техногенных трещин. Максимальная вероятность их распространения связана с осевыми поверхностями. Для флексурообразной складки наблюдается чередование по разрезу "негативного" и "позитивного" ее влияния на условия образования в слоях ВЗТ субвертикальных трещин. Максимальный "отрицательный" эффект также фиксируется вдоль осевой поверхности складки.

Данная закономерность сохраняется и для складки, расположенной в краевой части подработанного массива.

Таким образом, геомеханический анализ различных условий подработки лежачей и флексурообразной складок показывает, что в качественном отношении их воздействие на состояние слоев ВЗТ является отрицательным.

В этой связи наличие в строении соляного массива пликативных нарушений должно учитываться при оценке безопасных условий подработки ВЗТ. Ее реализация может быть выполнена на основе предложенного подхода для конкретных типов геологических аномалий с учетом реальных условий ведения очистных работ.

Влияние зон замещения на процесс деформирования ВЗТ

Для анализа возможного генезиса возникновения зон замещений выполнен геомеханический анализ условий образования инициирующих трещин применительно к различным тектоническим моделям их деформирования. Численная реализация расчетов проводилась методом граничных элементов в варианте "разрывных смещений". Критериальная оценка условий образования и развития трещин осуществлялась по скорости высвобождения энергии при их росте.

Показано, что формирование участка замещения может быть связано с развитием инициирующих трещин внутри соляной толщи по направлениям. входящим в наблюдаемый интервал углов падения контактов зон замещения. Такой генезис теоретически обуславливает наличие ослабленных по механическим свойствам зон, приуроченных к участкам замещений.

Экспериментальные исследования физико-механических свойств пород участка замещения показали, что каменная соль замещения имеет прочность на 30% ниже прочности межпластовой каменной соли. Это может быть обусловлено не только повышенным содержанием в ней зернистого галита низкой прочности, но и микротрещиноватостью перистого галита.

Изучение механических свойств зоны контакта участка замещения с вмещающими породами показало, что сдвиговая прочность контакта несколько ниже прочности пород, включающих контакт. Более значительно (в 1,5-2 раза) отличаются жесткостные параметры контакта.

Для оценки влияния контакта "каменная соль замещения-сильви-нит" на характер деформирования подработанного соляного массива угол его наклона к горизонтали принимался равным: 20°; 90°; 160°. Задача решалась методом граничных элементов. Прочностные и дефор-мационые характеристики контакта определялись данными механических испытаний.

Полученные результаты показали, что в процессе ведения очистных работ на участках, приуроченных к зонам замещения, энергетически предпочтительным является разрушение контакта "сильвинит-каменная соль замещения" путем сдвига по его поверхности. При прочих равных условиях степень разрушения контакта определяется его положением в пространстве. Данный процесс начинается с периферии. постепенно распространяясь по всей длине. Как показали расчеты, поскольку разрушение контакта происходит в результате сдвига, "опасный" угол его наклона к горизонтали приближается к 45° (135°).

Методология анализа состояния ВЗТ на участках подработки зоны замещения базировалась на предложенном принципе взаимоувязки глобального изменения напряженно-деформированного состояния подработанного массива, вызванного горными работами, с локальным, которое обусловлено особенностями строения соляного массива.

Оценка влияния зоны замещения на изменение состояния ВЗТ проводилась для самого "негативного" варианта ее подработки, когда аномалия расположена в краевой части соляного массива.

Установлено, что подработка зон замещения обуславливает увеличение растягивающих горизонтальных деформаций в породах ВЗТ. Выполненный критериальный анализ (рис.1) также свидетельствует об увеличении вероятности образования техногенных трещин на участках замещения, особенно в слоях межпластовой каменной соли.

Таким образом, как из генетических предпосылок, так и из геомеханических оценок следует, что участки замещения представляют собой потенциально опасные зоны в строении водозащитной толщи.

Исследование разрушения соляного массива в зонах развития открытых трещин

Оценка условий роста трещин базируется на основных критериальных соотношениях механики разрушения. Их применение в общем случае предполагает знание критических и расчетных для горных пород показателей роста трещин. Первые - определяются экспериментальным путем, вторые - вычисляются из решения соответствующих краевых задач с дефектами в виде трещин.

Обобщение и анализ имеющегося экспериментального материала позволил оценить вязкость разрушения (К1с) различных пов соляных пород.

Расчетные значения коэффициента интенсивности напряжений К: определялись различными способами: асимптотическими приближениями, по скорости высвобождения упругой энергии, по интегралу Рай-са-Черепанова.

Вычислительная процедура решения строилась на базе метода граничных элементов в модификации "разрывных смещений".

Для оценки влияния различных горногеологических и горнотехнических факторов на условия роста открытых тектонических трещин было получено решение ряда модельных задач. Рассматривалась вертикальная трещина, расположенная в слоистом соляном массиве и подработанная системой очистных камер.

Анализ влияния параметров системы разработки показал, что с увеличением длины трещины нормированное значение Кх падает вне зависимости от ширины камеры, т. е. имеет место устойчивый рост

Rom. %

24 22 20 19 16 14 12 10 8 6 4 2'

E

Д-Е Д

Г-Д Г

в-г в

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

132

■ 28

124

Рис.1, Изолинии степени изменения критериального параметра Ron, - (Ra -RH)-100% (Ra- значение параметра при наличии аномалии, R„ -значение параметра при отсутствии аномалии)

1)

К„/ ю6, МПа-м1/2

3 —

б)

2 —

1 —

Kj/105, МПам,/2

0.4 0.3 0.2 0.1

1 I 1 I 1 I 1 I

О 30 60 90 120

0.0

1,м

I 1 I 1 I

12 15

1,м

Рис.2. Зависимость коэффициента интенсивности напряжений от длины трещины при ее положении в краевой части мульды (а) и в зоне полной подработки (б)

6

трещины (с!К1/(31<0). Этот факт объясняется тем. что с увеличением длины трещины ее вершина попадает в зону с более низким уровнем разгрузки действующих сжимающих напряжений. Поскольку размеры области разгрузки определяются шириной камеры (при постоянной ширине целика). то ее рост ведет к повышению значения К!. Наиболее интенсивное увеличение коэффициента интенсивности напряжений наблюдается у трещин малой длины.

Для исследования влияния слоистости соляного массива на условия роста трещин построена блочная схема метода граничных элементов, реализация которой позволяет достаточно эффективно решать широкий класс задач о напряженно-деформированном состоянии слоистых сред.

Проведенные расчеты показали, что увеличение относительной жесткости слоя, в котором расположена трещина, приводит к повышению коэффициента интенсивности напряжений для трещин любой длины. При движении трещины по направлению из более жесткого слоя к податливому имеет место снижение Кх, что соответствует условию торможения трещины. При распространении трещины из податливого слоя к более жесткому наблюдается рост численного значения коэффициента интенсивности напряжений.

Рост наклонных трещин может происходить не только путем отрыва, но и вследствие продольного сдвига. В этом случае наиболее удобно использовать энергетический критерий механики разрушения. Установлено, что в зоне полной подработки наиболее опасными являются вертикально ориентированные ■ трещины. Им соответствует максимальное значение скорости высвобождения упругой энергии.

Оценка влияния характера деформирования контакта между слоями на условия роста вертикальных трещин показала, что его переход на стадию пластического деформирования ведет к существенному снижению коэффициента интенсивности напряжений, особенно при движении трещины из податливого слоя к более жесткому. Таким образом, возможность проскальзывания слоев является своеобразным "тормозом" распространения субвертикальных трещин.

Учет пластического деформирования пород в вершине трещины осуществлялся на основе модели Дагдейла. Для определения линейного размера пластической зоны построена вычислительная схема метода последовательных приближений. Как и следовало ожидать, проявление соляными породами пластических свойств снижает численное

значение коэффициента интенсивности напряжений.

При анализе условий роста открытых трещин при разработке калийных месторождений важным является вопрос оценки траектории их распространения. Построена численная процедура определения траектории развития прямолинейной трещины, берега которой свободны от нагрузок. Рост вертикальной трещины, расположенной в краевой части подработанного массива, происходит в направлении движения фронта очистных работ.

' Выраженное проявление соляными породами под нагрузкой реологических свойств предопределяет необходимость исследования кинетики роста трещин, развитых в слоях ВЗТ. Следуя А.А.Каминскому, можно выделить три периода их-роста во времени: подготовительный (инкубационный), период медленного квазистатического роста трещины и период динамического (мгновенного) развития трещины. Во время инкубационного периода происходит раскрытие берегов трещины без ее роста. Период медленного квазистатического распространения условно делится на два этапа: переходный и основной. Во время переходного трещина начинает свое движение и проходит расстояние, равное начальному размеру концевой зоны. В течение основного этапа неустойчивые трещины медленно подрастают до критического размера. Рост устойчивых трещин является затухающим и со временем прекращается.

Реализация данной методики, основанной на использовании двухфазной модели Леонова-Панасюка-Дагдейла, позволила оценить долговечность подработанного соляного массива, вмещающего открытую тектоническую трещину. Вычисление величины раскрытия берегов трещины на всех этапах ее развития проводилось методом "разрывных смещений". Граничные условия соответствующих расчетных схем определялись на стадии крупномасштабного математического моделирования напряженно-деформированного состояния массива, подработанного камерной системой разработки. Принцип действия методики проиллюстрирован на модельных примерах развития неустойчивой и устойчивой трещин.

Таким образом, полученные в настоящем разделе результаты позволили установить основные закономерности роста открытых трещин в соляном массиве и оценить влияние на условия их развития различных горногеологических и горнотехнических факторов, что представляется достаточно важным для анализа оценки безопасных

условий подработки ВЗТ.

Геомеханическая оценка состояния ВЗТ в зонах развития открытых тектонических трещин

При отработке запасов блоков 1 и 2 панели N 1 рудника СКРУ-3 АО "Сильвинит" были обнаружены открытые субвертикальные тектонические трещины. Средний азимут их простирания в пределах блока 1 составляет СВ 30°, в пределах блока 2 - СВ 55°. Протяженность трещины на участке блока 2 - 145 м, на участке блока 1 - около 100 м. Точная высота распространения трещин неизвестна. Трещина блока 1 расположена в краевой части выработанного пространства, трещина блока 2 - практически в зоне полной подработки.

Для обеспечения сохранности ВЗТ на данном участке шахтного поля регламентировалась закладка очистных камер пластов АБ и КрИ соответственно со степенью заполнения 0,63 и 0,85. Реально достигнутый коэффициент заполнения камер не соответствовал предписанному и составил: АБ - А=0. 7; КрП - А=0,75.

В этой связи была поставлена задача оценки достаточности осуществленных мер охраны ВЗТ на участке панели N 1. Расчет проводился для различной высоты трещины над выработанным пространством. Вычисленные коэффициенты интенсивности напряжений сравнивались с соответствующими для соляных пород критическими значениями. Полученные результаты свидетельствуют, что расчетные показатели. определяющие рост трещин в слоях ВЗТ, значительно меньше их критических величин. Таким образом, в рамках имеющейся информации о геологическом строении подработанного массива меры охраны ВЗТ. реализованные на участках 1 и 2 блоков панели N 1, являются достаточными.

При решении данной задачи установлены также основные закономерности роста открытых трещин при их подработке.

Результаты анализа показали, что рост трещины, расположенной в краевой части выработанного пространства, возможен только за счет сдвига. Распространение трещины в зоне полной подработки может осуществляться преимущественно путем отрыва.

Установлено, что в зависимости от длины трещины, расположенной в краевой части подработанного массива (рис.2,а), ее рост может носить устойчивый и неустойчивый характер. С увеличением дли-

ны вероятность "прорастания" трещины снижается. Конкретные показатели перехода от устойчивого развития к неустойчивому определяются положением трещины в подработанном массиве и горнотехническими условиями ведения очистных работ.

Для трещины, приуроченной к зоне полной подработки, наблюдается монотонное уменьшение коэффициента интенсивности напряжений с увеличением длины трещины (рис.2,б). Это объясняется тем, что рост трещин в результате отрыва возможен только при действии поля горизонтальных растягивающих деформаций, которое в зоне полной подработки формируется у верхней границы выработанного пространства. С удалением вверх по разрезу рост трещин отрыва становится невозможен. Причем, расчетные параметры, определяющие рост трещины в краевой части, намного превышают аналогичные для трещины, расположенной в зоне полной подработки.

Таким образом, одним из способов обеспечения безопасных условий подработки ВЗТ на участках развития открытых тектонических трещин является увеличение скорости ведения очистных работ для скорейшего "перевода" трещины из краевой части выработанного пространства в зону полной подработки.

Условия роста трещин зависят от их положения относительно очистных камер. Показано, что наибольшую опасность представляют природные трещины, ориентированные по направлению осей очистных камер.

Анализ кинетики роста трещины выявил, что развитие трещин во времени возможно при значениях расчетных параметров разрушения, меньших критических. Рост трещин, расположенных в краевой части выработанного пространства, с увеличением их длины замедляется. Существует такой размер трещины, при котором ее рост во времени становится невозможным. Значение этого параметра определяется собственными характеристиками трещин, строением породного массива и горнотехническими условиями ведения очистных работ.

Заключение

В диссертационной работе получено решение новой актуальной задачи геомеханической оценки опасности подработки ВЗТ на участках развития геологических аномалий.

Основные научные и практические результаты исследований зак-

лючаются в следующем:

1. Для анализа состояния подработанного соляного массива в зонах развития локальных геологических неднородностей (открытые трещины, складки, зоны замещения) разработаны методологические принципы двухстадийного подхода. На первом этапе анализа учитывается весь комплекс доминирующих горногеологических и горнотехнических факторов и проводится оценка глобального изменения распределения напряжений под влиянием горных работ. На втором - решается "локальная" задача по определению реакции произвольного типа неоднородности на сформированное поле напряжений.

2. Для оценки условий, траектории и кинетики роста трещин предложен комплекс вычислительных алгоритмов, включающий:

- блочную процедуру метода граничных элементов в варианте "разрывных смещений" для анализа распространения трещин в слоистом соляном массиве;

- метод последовательного приближения для учета пластического деформирования соляных пород в вершине трещины;

- схему определения условий и траектории роста трещин на произвольных участках подработанного массива, основанную на определении методом крупномасштабного математического моделирования изменения напряженно-деформированного состояния массива под влиянием горных работ и последующем критериальном анализе его разрушения;

- методику постадийной оценки развития открытой трещины во времени, основанную на реализации двухфазной модели разрушения Леонова-Панасюка-Дагдейла.

3. Показано, что при различных условиях подработки пликатив-ных нарушений в виде лежачей и флексурообразной складок максимальная вероятность образования техногенных трещин приурочена к осевым поверхностям.

4. Установлено, что наличие геологической аномалии в виде зоны замещения оказывает влияние на локальное изменение напряженно-деформированного состояния пород ВЗТ под воздействием горных работ. Это влияние относится не только к зонам замещения, но и межпластовой каменной соли, где опасность возникновения трещин субвертикальной ориентации повышается. Степень разрушения контакта зон замещений с вмещающими породами зависит от его ориентации в пространстве.

5. На основе геомеханического анализа условий роста тектонических трещин, подработанных очистными камерами, установлена закономерность изменения коэффициента интенсивности напряжений в зависимости от параметров системы разработки и длины трещины. Для слоистого соляного массива при распространении трещины из податливого слоя к более жесткому наблюдается рост численного значения коэффициента интенсивности напряжений. Переход контакта между слоями в стадию пластического деформирования снижает величину коэффициента интенсивности напряжений. Показано, что при условии полной подработки рост вертикальной трещины происходит устойчиво, наиболее опасной является ее ориентация вдоль осей очистных камер. При определенной длине трещины, расположенной в краевой части выработанного пространства, ее рост может носить неустойчивый характер.

6. Оценка долговечности соляного массива, вмещающего трещину, свидетельствует, что ее развитие во времени возможно при значениях расчетных параметров разрушения, меньших критических. Для трещин, расположенных в краевой части выработанного пространства, существует такой размер трещины, при котором ее рост во времени становится невозможным. Значение этого параметра определяется собственными характеристиками трещин, строением породного массива и горнотехническими условиями ведения очистных работ.

7. Выполненный анализ опасности подработки ВЗТ на участках развития типовых аномалий геологического строения позволил сформулировать ряд методических и практических рекомендаций, которые использованы при составлении нормативных документов и внедрены в практику разработки калийных месторождений.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Анализ устойчивости подземных хранилищ с позиции механики разрушения// (соавт. Барях A.A., Зильбершмидт В.Г.)/ Тез.докладов Всесоюзной конференции "Технология строительства и эксплуатации подземных хранилищ нефти, газа и продуктов их переработки" ВНИИП-ромгаз,- Москва, 1991.

2. Двухстадийный геомеханический анализ условий роста тектонических трещин при их подработке// (соавт. Барях A.A., Еремина H.A.)/ Тез.докладов X Международной конференции по механике горных пород.- Москва, 1993, С.77-78.

3. Крупномасштабное математическое моделирование как элемент системы обеспечения безопасной эксплуатации калийных месторождений// (соавт. Барях A.A., Еремина H.A., Шумихина А.Ю.)/ Горный вестник, 1995, N 4. С.31-35.

4. Реконструкция палеонапряжений для- определения условий формирования флюидопроводящих трещин// (соавт. Барях А.А, Кудря-шов А.И.)/ Тез. докладов I Международного семинара "Напряжения в литосфере",- Москва: РАН, 1994, С.15-16.

5. Оценка условий развития трещин в подработанном соляном массиве// (соавт. Барях A.A., Еремина H.A.)/Физ.-техн.пробл.разраб. полезн. ископаемых.- 1994, N 5, С.84-88.

6. Крупномасштабное математическое моделирование как элемент системы обеспечения безопасной эксплуатации калийных месторождений// (соавт. Барях A.A., Еремина H.A. и др.)/ Тез.докладов Международного симозиума "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций".- Пермь, 1995, С.13-14.

7. Деформирование и разрушение подработанного соляного массива// (соавт. Барях A.A., Еремина H.A., Шумихина А.Ю.)/ Тез.докладов Международной конференции "Управление напряженно-деформированным состоянием массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений".-Екатеринбург, 1996, С.63-64.

8. Оценка условий роста тектонических трещин в массиве горных пород// Тез.докладов Межрегиональной научно-технической конференции "Математическое моделирование систем и процессов".-Пермь, 1994. С. 46-47.

9. Геомеханическая оценка опасности подработки аномалий геологического строения соляного массива// (соавт. Барях A.A., Куд-ряшов А.И.)/ Горный институт: Основные научные достижения за 1992-1995 гг. Пермь, 1996.

Сдано в печать 01.04.97 г. Формат 60x84/16. Объем 1,5 п.л. Тиран 100. Заказ 1128. Ротапринт ПГТУ.