автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Научное обоснование прогноза и предотвращения газодинамических явлений при разработке калийно-магниевых солей

гб о а

На правах рукописи

ЛАПТЕВ БОРИС ВАСИЛЬЕВИЧ

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОГНОЗА И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ КАЛИЙНО-МАГНИЕВЫХ СОЛЕЙ

Специальность 05.15.11 -"Физические процессы горного производства", 05.26.01 - "Охрана труда"

_____________АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в АО "Галургия"

Официальные оппоненты: Бич Яков Адамович, доктор технических наук, профессор; Нестеров Михаил Павлович, доктор технических наук, профессор; Полянина Генриетта Даниловна, доктор технических наук, профессор.

Ведущая организация: горный институт УрО РАН

Защита диссертации состоится 1996 г. в час. на заседании диссертационного совета

Д 063.15.01 в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) им. Г.В.Плеханова по адресу: Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "

1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор, д.т.н.

ОБЩА" ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Для целенаправленного, а но повсеместного по всей площади опасного пласта, применения профилактических мероприятий необходимо на стадии проектирования и планирования горных работ выявлять потенциально опасные зоны в массиве с помощью регионального и конкретизирующего локального методов прогноза по геологическим параметрам. Дальнейшее уточнение выбросоопасных си-гуаиий <=о рремени и пространстве должно вестись текущими непрерывными средствами контроля.

Предотвращение динамических явлений должно осуществляться региональными и локальными способами путём организации наиболее безопасного порядка отработки выбросоопасных пластов, применения параметров горных работ соответствующих конкретным горно-геологическим условиям, а в наиболее опасных ситуациях - активного воздействия на массив внешней энергии, например, взрывом нарядов ВВ

Комплексное, поэтапное нз различных уровнях прогнозирование и управление интенсивными формами проявлений горного и газового давлений позволит значительно повысить безопасность горных работ решить крупную научную и социальную проблему на калийных предприятиях

Цель работы. Разработка методических положений и рекомендаций по прогнозированию выбросоопасных зон и мероприятий по снижению уровня опасности и предотвращению газодинамических явлений (ГДЯ) в горных выработках на основе изучения и учета главных природных и техногенных факторов выбрссоопэсьости

Идея работы заключается а том, что наиболее газонасыщенныв породы с пониженной прочностью приурочены к зонам вторичного метаморфизма и отличаются по химсоставу, при этом формирование выбросоопасных очагов зависит от реакции массива на силовое воздействие, а также от параметров горных выработок и очередности во времени и пространство отработки сближенных пластов.

Задачи исследований:

- проанализировать результаты исследований по разработке методов и методик прогноза выбросоопасных зон и способов предотвращения ГДЯ на соляных и угольных месторождениях с целью установления их достоинств, недостатков и выявления тенденций по направлениям развития;

- провести анализ произошедших ГДЯ для выявления комплекса природных и техногенных, влияющих на. динамические процессы, факторов и определить основные из них, осуществить систематизацию явлений и разработать метод их классификации по количественным критериям;

- разработать механизм различных типов ГДЯ, отражающий их природу и позволяющий обосновать методические положения по прогнозированию и ликвидации опасных условий;

- исследовать распределение газонасыщенных зон по площади месторождения и выявить их связь с другими геологическими параметрами;

- изучить характер и величину изменения НДС приконтурных пород в различных геологических условиях во;<руг очистных и подготовительных выработок для установления закономерностей их изменения в зависимости от параметров горных работ и порядка отработки сближенных выбросоопасных пластов;

- провести исследования механических свойств пород из выбросоопасных и неопасных зон и определить параметры, по которым они значимо различаются, а также оценить их изменения от силового воздействия и состава;

- разработать концепцию методов прогноза выбросоопасных очагов с различней степенью детализации и для каждого уровня в соответствии с имеющимися представлениями о механизме явлений методические положения о их прогнозировании;

. - установить закономерности в формировании выбросоопасных очагов в потенциально опасных зонах и на их основе разработать комплекс мероприятий по управлению или ликвидации газодинамических процессов.

Научная нозизнэ работы состоит:

- а теоретическом обосновании к экспериментальном подтверждении закономерностей формирования выбросоопасных очагоз под воздействием горных работ а переходных зонах, где происходили метасоматические преобразования руд,-и геологических параметров для их еыделения и регистрации выбросоопасных факторов;

■ з установлении закономерностей изменений механического и напряженно-деформирозанного состояния пород, приводящих к совместной реализации потенциальных ¡энеоги* пород V: газа в динамических саморазвивающихся процессах-рушэния приконтурного массива, в зависимости от схем подготовки, параметров' очерёдности отработки сближенных выбросоопасных пластов. Основные защищаемые положения:

1. Динамические явления в соляных породах происходят под совокупным воздействием энергий газа и горного давления в зонах с пониженной прочностью пород. Инициирование ГДЯ горными работами зависит от мощности защитной пачки пород, площади обнажения, интенсивности и характера пригрузки приконтурного массива. Энергетический баланс газодинамических процессов наиболее адекватно рассчитывается с учётом адиабатического расширения газа, реологических параметров пород и позволяет определить критические значения глубины залегания пластов, мощности защитной пачки и минимально допустимого размера зоны неупругих деформаций пород.

2. Газонасыщенные зоны располагаются а районах, где происходили метасоматические преобразования руд, а также в меридиональных структурах со своим "гипсометрическим горизонтом". Поля насыщенные и бедные газом могут быть разделены с помощью многофакторного анализа многомерного признакового простран-, ства ряда геологических параметров.

3. Насьг ченме кзрналлитовых пород газом приводит к снижению их прочно-' стных и пластических свойств. Соляные породы при определённых режимах нагру-жения склонны к упругому деформированию и хрупкому разрушению. Прочность пород в выбросоопасных зонах на 25% и более ниже, чем в неопасных, которая зависит от минералогического состава. Вокруг выработок формируются зоны различной прочности пород и дезинтеграции. Упруго - вязко - пластичная модель с жестким

элементом наиболее адекватно отражает фактическое распределение нормальных тангенциальных напряжений 8 приконтурных породах.

4. В стенках выработок в зависимости от характера нагружения на некотором удалении от обнажения могут происходить спады напряжений, а в породах кровли непосредственно у забоя - деформации сжатия, что обусловлено периодической миграцией максимума нагрузок, сменой знака деформирования у отдельных интервалов пород. Величина приращения напряжений и характер их распределения зависят от формы и размеров выработок, параметров горных работ, порядка отработки пластов и может изменяться от 0,5 до 1,4-р- <}• Н.

5. Потенциально выбросоопасные участки на сильзинитооых пластах контролируются зонами вторичного метаморфизма и выделяются по величинам вероятности появления в них сильвинита и содержания нерастворимого остатка (Н.О.), на карналлитовых - по химсоставу и глубине залэгания пород. Выбросоопасные очаги вокруг выработок определяются геомеханическим состоянием пород, энергоёмкость разрушения которых в 1,6 раза ниже, чем в неопасных условиях. Скорость оседаний подрабатываемого массива над выбросоопасными зонами в 2 раза выше, чем над неопасными. Опасные зоны распространяются вверх по разрезу в карнал-литово- сильвинитовых пластах.

6. Управление выбросоопасностью пород в региональном плане достигается путём регламентации во времени и пространстве порядка отработкии сближенных пластов, в локальном - использованием энергии взрыва ВВ и способности солей при растворении выделять паз. Устойчивость контура выработок при возмущающем действии комплекса выбросоопасных факторов обеспечивается соответствующим расположением его относительно опасных очагов в зависимости от параметров выработок и конкретных горно - геологических условий.

Практическая значимость работы :

- разработана методика регионального и локального прогноза по геологическим данным и на её основе составлены прогнозные карты выбросоопасных зон по всэм площадям шахтных полей планируемых к отработке на Верхнекамсхом месторождении;

- разработана методика текущего непрерывного прогноза степени выбросо-опасности пород по удельной потребляемой на комбайнах электроэнергии;

- составлены мэтодики прогноза газонасыщенных зон по геологическим данным и на их основе про>»озныэ карты по площади месторождения, а такжо определения газообильности горных ьырзботок, которые являются дополнением к "Спецмечсприятиям по безопасной отработке газоносных и выбросоопасных плэ-стоз'

- разработаны рекомендации по безопасному порядку отработки сближенных пыбоесоопасных плзстоа.

- составлены как дополнение к "Спеимероприотияч ..* рекомендации по оп-о«двяе»»м т.'брсссбезопасных параметров горных выработок,

- разработано руководство по определению типа происходящих газодинамических явлений;

- составлены "Указания по безопасной механизированной отработке карнал-литового пласта "В" на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей";

- результаты исследований вошли составной частью в "Методическое руководство по ведению горных работ на рудниках Верхнекамского калийного месторож-

'./I Недсз, '932г

¡'аЗотл выполнялась о 1072 ■ '395 г г в АО "Уралкалий" и АО 'Галургия1' в соогзоьлёии с ;>о:ипле-'сиы'.<н нз>,чис - -ехническими планами Мииудобррнсй, ВО "Сочтгяяй" Агрохим, Со:оз_~! производителей и экспортеров калия В проведении эщ* ргЗот автоо приниуал участие чяд ответственный исполнитель, а с 1986 г - в кг.чествэ руководителя том

О5ос:>опанность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации обеспечивается корректностью и бог.ыи'-.м объемом натурных исследований на различных шахтных поля* комплексом 1.'<лодов, кспогхаозонийм для установления ряда закономерностей значительного по объёму банка данных о природных и техногенных факторах; совпадением результатов шахтных исследований с результатами модр/тирогзания, оСра0о>».ой <"'■-/■•уенгых результатов со;;ре\'.е-нны\«и методами матст.кистгки, сопострягл^у':'-' с результатами другик исследователей, прогнозной оценкой происходят.«/ ГДЯ оио-дренк^м результатов исследований и рекомендации а пссизводстео. испсп.к.>»о»«и-ом их ¡3 проектах и нормативных документах, защитой технических решении авторскими свидетельствами.

Реализация результатов работы. Основные положения диссертации вошли составной частью во все редакции "Спецмороприятий..." и в приложения к ним, в "Указания по безопасной механизированной отработке карналлитозого пласта "В* на ВМШС, е "Методическое руководство по ведению горных работ на рудниках Верхнекамского калийного месторождения". Методики по прогнозу ГДЯ и газонась1-щенных зон используются при проектировании и планировании горных работ на всех шахтных полях Верхнекамского месторождения. При проведении горных работ и проектировании отработки новых запасов учитываются рекомендации по порядку отработки сближенных выбросоопасных сильвинитсвых пластоз и расчету параметр ров горных выработок в опасных услозиях, применяются в производстве составленные прогнозные карты выбросоопасности и газоносности пород.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на координационных созещаниях и семинарах по проблеме ГДЯ и безопасному ведению горных работ в АО "Уралкалий" (г. Березники), "Сильвинит" (г.Соликамск), "Беларускалий" (Г.Солигорск), в ПГТУ (г.Пермь) а 1974 - 1995г,г„ в УФ ВНИМИ (г,Екатеринбург) в 1973 - 1977 г.г„ на Всесоюзной конференции по проблеме физических свойств пород в массиве в 1982г. (г.Новосибирск), на Всесоюзной конференции по устойчивости горных выработок и

1988 г. (г.Екатеринбург), на 9 Всесоюзной конференции по механике горных пород в

1989 г. (г.Бешкек), на Всесоюзном научно - техническом семинаре по проблеме горного давления на больших глубинах в 1990 г. (г.Кривой Рог), на Всесоюзном семинаре по проблеме солевых пород в 1990 г. (г. Москва), на 24 международной конференции по безопасности работ в горной промышленности в 1991 г. (г. Донецк), на региональном совещании по проблемам техногенного изменения геологической Среди и охраны недр в горнодобывающих регионах в 1991 г. (г. Пермь), на Всероссийское конференции "Управление НДС массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых" в 1994 г. (г.Екатеринбург), на семинаре "Физика и мехгника разрушения горных пород" во ВНИМИ в 1994 г. (г. С. -Петербург), на Международном симпозиуме "Проблемы безопасности .при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопройышленных агломераций" о 1995 г. (г. Москва - Пзрмь).

Публикации. Основные содержания диссертации опубликованы в 66 печатных работах, в т.ч. в 3 монографиях, новые' технические решения -кедищвнь! 7 авторскими свидетельствами на изобретения, на 4 из которых получены патенты.

Объём работы. Диссертация состоит из зведен'/я, 8 разделов м заключения, изложена на 350 страницах машинописного текста, включая 82 рис., 22 табл. и библиографический список из 193 наименований.

Ochos;¡os содержание работы На большинстве калийных месторождений мира: в России, Германии, Франции, Польше, Англии добыча полезных ископаемых сопряжена с опасностью в вида внезапных выбросов соли и газа, иногда в очень больших количествах.

За прошедший период времени накоплен определённый объём знаний о газодинамических процессах, что позволило разработать некоторые способы прогноза опасных зон и профилактические противозыбросные мероприятия

Наибольший вклад в решение указанной проблемы внесли С. С Андрейко. V..M Бей, Б.Ш. Винокур, В. Гимм, Г. Духроз, П.В. Долгоа, О.В. Ковалев, М.о. Краскж. A.C. Кириченко, П. Марграф, И.И. Медведев. В.В. Мещеряков. И.М Петухов. Г.Д. Полянина, Н.М. Проскуряков, К. Тома, Г.П. Шаманский и .многие друтке

Практическая реализация многих ранее разработанных методов к аппаратуры прогнозирования опасных зон и способов предотвращения динамических форм проявлений горного и газового давлений затруднена в производстве в силу их низкой достоверности в оценке опасности ситуации, неэффективности, сложности реализации а технологическом процессе или отсутствия аппаратуры. Разоаботка новы* и совершенствование известных методов и средств предотвращения опасных явле-, ний с последующим внедрением их в производство в виде комплекса мероприятий является а. .туш .¿ной задачей на многих калийных горнодобывающих предприятиях Необходимо разработать единую методологию прогнозирования и предотвращения внезапных еыбросов пород и газа с тем, чтобы она могла быть использована а других подотраслях и научных учреждениях.

1. Первое защищаемое научное положение Динамические явления в соляных породах происходят под совокупным воздействием энергий газа и горного давления в зонах с пониженной прочностью пород. Инициирование ГДЯ горными работами зависит от мощности защитной пачки пород, площади обнажения, интенсивности и характера пригруз-ки приконтурного массива. Энергетический баланс газодинамических процессов наиболее адекватно рассчитывается с учётом адиабатического расширения газа, реологических параметров пород и позволяет определить критические значения глубины залегания лластоа, мощности защитной пачки и минимально допустимого размера зоны неупругих деформаций пород.

Распределение ГДЯ по типам, месту проявлений в выработках и интенсивности (количество выбрасываемой породы в тоннах) на Верхнекамском месторождении при отработке сильвинитовых пластов представлено в таблице.

Распределение ГДЯ по типам, месту проявлений и интенсивности

Рудник Выбросы Обрушен. Места проязлений Количестве Г ДЯ

и комбинир. кровля почза забой < 3 т 3-50 т > 50 т

БКПРУ-1 2 2 4 - - - - 4

БКПРУ-2 119 ' 55 152 17 5 - 91 66 17

БКПРУ-3 31 47 70 2 6 32 24 22

БКПРУ-4 1 5 6 - - . 2 2 2

СКПРУ-1 ' — 1 1 — — — — 1

СКПРУ-2 1 1 1 — 1 1 — 1

СКПРУ-3 5 2 7 — — — 5 2

'.59 113 241 19 12 126 97 49

Из таблицы следует, что 60% явлений приходится на внезапные выбросы и 40% на остальные типы. Горное и газовое давления в динамической форме проявляются в основном из кровли выработок - 89%, остальные из почвы, стенок, забоя. Почти у половины ГДЯ интенсивность не превышает 3 т и только у 18% она более 60 т. На Старобинском месторождении явления из кровпи выработок фиксируются

чаще • в 98%, наибольшую опасность представляют выбросропасныа мульды погружения пластов. При отработке карналлитового пласта на Верхнекамском место-рожден/л в зависимости от объёмов и способа добычи руды регистрируется до 500 язлений в год. Чаще всего они приурочены к моменту взрывных работ по отбойке или при торпедировании'/ ( камуфлет) массива перед механическим разрушением его комбайном, поэтому они представляют значительно меньшую угрозу подземным трудящемся. Явления на кгрналлитовом пласте, в основном, происходят из стенок или забоя в верхней части пласта, реже из кровли

В 76% случаев все явления, в внезапные выбросы в 85% на сильвинитовых пластах регистрируются на расстоянии менее 5 м от забоя или по времени не более 1-2 часов после обнажения массива. Внезапные обрушения, комбинированного типа более удалены от забоя - 33% на расстоянии свыше 5 м. Большое число явлений и рост их количества в первоначальный период отработки шахтных полей а южной части Вэрхнекамского месторождения (БКЛРУ - 2, 3) обусловлены резким изменением газодинамических характеристик массива и интенсивным перераспределением его напряженного состояния, вызванных появлением отработанных площадей Количество явлений снизилось при образовании отработанной площади свыше 4 кз км. Нельзя оставить без внимания тот факт, что на указанных полях работы начали развиваться с наиболее погруженной части - со дна мульд, где геостатические напряжения выше ,

Необходимо отметить влияние на газодинамические процессы рудничного климата в зоне изменяющихся параметров вентиляционной струи. Установлено сезонное изменение количества ГДЯ - в летний период их меньше, чем в зимний (рис.1) Сезонные измекения а количество ГДЯ отмечаются на расстоянии в 2,5 3 км от воздухоподающих стволов, т.е. на расстоянии с изменяющимися параметрами вентиляционных струй.

Динамические явления инициируются при воздействии горными работами на природные потенциально опасные зоны и в каждом конкретном случае определяющую роль могут играть или горные работы, или природные геологические параметры.

Из горнотехнических параметров на газодинамические процессы оказывают наибольшее влияние мощность защитной пачки пород (расстояние от обнажения до газовых, выбросооласных очагов), ширина выработок.

О 2 . 4 6 8 10 12

Месяцы года

Рис. 1. Сезонное распределение ГДЯ на Верхнзкамском и Старобикском месторождениях.

1-количествг.чное распределение ГДЯ на Верхнекгмском месторождении(К');

2-суммарное распределение ГДЯ на Зерхнекамском и Стэробкнском. месторождениях (№);

3-влажность рудничного воздуха(У\/);

4-выделение (поглощение) влаги(О).

С уменьшением мощности защитной пачки пород частота явлений увеличивается, аналогично и при увеличении ширины выработок. Влияние ширины и высоты междукамерных целикоз незначительно. Исключение составляют случаи прорезки или уменьшения до критической величины междуходовых целиков, что приводит к образованию больших площадей обнажения пород кровли, переходу целиков в запредельное состояние и мягкому режиму нагружения кровли. При отработке сближенных выбросоопасных пластов ГДЯ происходят как в надработанных (36%), так и в подработанных (7 ... 20%) камерной системой пластах. Максимальное число явлений на сильвинитовых пластах зафиксировано на шахтном поле БКПРУ - 2 - одно на 0,8 млн. т добываемой руды.

Установлена прямая линейная зависимость объёмов выбрасываемых пород от площади обнажения. При отработка пластов встречными, догоняющими забоями или в створе, а также при обратной схеме выемки ходов в камерах произошло 70% явлений от всех, зарегистрированных на очистных работах.

Из геологических параметров наибольшее влияние на газодинамические процессы оказывют глубина горных работ, состаз, газоносность и прочность пород. В сильвинитовых пластах они не происходят на глубинах менее 290 м, с узеличени-

ем её частота возрастает. В 75% случаев очаги ГДЯ располагаются в породах с примесью карналлита, каменной соли и глины Наличие в очагах слоистой структуры с переслз'/.занием рззнопрочнсстных пород приводит к сложному виду напряжённо -деформированного состояния массива На шахтных полях со слабоустойчивыми породами низкой прочности (БКПРУ-2,3) ГДЯ происходят а десять раз чаща.

Одним из важнейших моментов проблемы борьбы с ГДЯ следует считать разработку классификации, которая бы наиболее правильно отражала их природу и механизм возникновения. Классификация необходима для научного обоснования методов прогноза и способов предотвращения каждого типа явления в отдельности. Анализ произошедших на рудниках явлений позволил установить, что их необходимо подразделять на четыре типа на карналлитовых пластах - внезапные выбросы соли и газа и внезапные обрушения из кровли и стенок выработок; на силовинито-вых пластах также на четыре типа - внезлные выбросы соли и газа, внезапные обрушения с попутным выделением газа, явления комбинированного типа и внезапные выбросы из почвы выработок. С помощью дискриминантного анализа получены линейные полиномы, при решении которых с использованием параметров выработок и

полостей произошедшего яоления определяется объективно численный критерий по отнесению его к тому или иному типу.

Как показывает анализ, они в соляных породах проявляются в виде саморазвивающегося динамического лавинообразного разрушения приконтуркых пород, выноса частиц разрушенного материала под действием расширяющегося газа, горного давления и сил тяжести. ГДЯ приурочены к локальным, природным зонам с повышенной газоносностью и пониженной прочностью пород и происходят, когда уровень действующих напряжений от горного давления и давления газа превышает их механическую прочность. ' •

При отработке выбросоопасного пласта о помощью буровзрывных работ' взрывная волна, проникая в .газонасыщенную породу пониженной прочности, вызывает интенсивное трещинообразоааний в ней с одновременным частичным высвобождением микровключенного газа и соединением его со свободным в локальных участках. Отторжение части массива взрывом приводит к резкому обнажению пород, находившихся в объёмном напряжённом состоянии, изменению его вида и пригрузка их. В результате нарушается устойчивость пород и развивается процесс самолод-

держйвающегося разрушения. В случае отработки пласта комбайном "инициаторами" нарушения устойчивости контура являются концентрация напряжений в приконтурных породах пониженной прочности, насыщенных газом и нежесткий режим нагружения.

Выбросы из соседних пластов развиваются при определённом сочетании горнотехнических и горно - геолргических условий, когда концентрация напряжений оказывается предельной, а породы, отделяющие выбросоопасный пласт от отрабатываемого, часто обладают пониженной прочностью и склонностью к рассланцева-нию. При динамических явлениях а виде внезапных обрушений с попутным выделением газа расслоившаяся порода под действием высокого давления газа выбрасывается в выработку.

8 явлениях комбинированного типа процесс начинается с первоначального обрушения кровли выработки под собственным весом при участии газа, в результате чего мгновенно обнажается выбросоопасный пласт, в котором развивается внезапный выброс пород и газа. Это двухстадийный единый процесс разрушения массива.

Механизм ГДЯ включает в себя формирование выбросоопасных очагов при активном перераспределении напряженно - деформированного состояния пород; инициирование явлений при достаточно резком образовании свободных поверхностей, вскрывающих выбросоопасные очаги; бурное развитие послойного отрыва и выноса частиц газоносного пласта от перепада газового давления и перераспределения напряжений; образование устойчивой формы полости явления.

Для более полного понимания механизма явлений, на основе которого должны быть разработаны профилактические мероприятия, необходима количественная оценка доли участия (вклада) каждого из основных факторов выбросоопас-ности

По мнению проф. И.М.Петухова выделяющаяся энергия состоит из энергии расширяющегося газа - йд, потенциальной энергии разрушаемых пород - ит, энергии вмещающих отрабатываемый пласт пород - <Дэ>, Указанная совокупность энергий расходуется на разрушение - Ир и,придание кинетической энергии кускам разрушенного массива - дк. Остальная часть её расходуется на сейсмические колебания массива - «с, образование ударной воздушной волны и частично погло-, щэется вмещающими породами - ив, к«.

8 связи с тем, что динг.лические процессы .скоротечны, работу газа необходимо рассматривать кзг здгябатический процесс, при котором в момент расширения газа объемом V от давления до Ра выделяется энергия:

й

Р - V ,

Г

к -1 I

Ра )

Ю

К.-1 к

0)

(2)

МПа;

Р1 - давление газа в массиве пород до их разрушения, МПа ;

Р2 - давление газа на момент отрыва пород ( полость с газом раскрылась),

Ра - давление в атмосфере выработки, МПа;

VI - объём газа в массиве пород, м3;

4?. - объём газа в породах на моменг их еыироса или обрушения, м';

к - показатель адизбзты

При изменении г,озлен»я газа от 1 до 10 МПа и газоносности от 0,1 до 20 мэЛа* энергия гага увеличнпазтся от 0,12x10 млн до 240x10 млн Дж/м'

Потенциальная энергия пород, накапливаемая в них, расходуется на изменение объема и формы Расчеты удельной потенциальной энергии пород со свойствами ползучести позволили установить, что ее величина в соляных породах может составлять от 0,067x10 млн до 1,59x10 млн Дж/м3 при изменении глубины разработок от 250 до 400 сл. времени с момзнта обнажения 0 . 2 часа и коэффициента Пуассона - 0,3 0,5 .

Энергию, идущую на разрушение пород, предпагается оценивать по зависимости :

при

р _ беж _ " 2

р-ч-

! + у

1 - 51.1/

где — радиус пластического деформирования, м;

m, G, у, H, р, q — модули Пуассона , сдвига, угол внутреннего трения, глубина работ, плотность, ускорение свободного падения.

Получено, что удельная энергия разрушения составляет 1,9x10 млн Дж/м3. Адекватность зависимости подтверждается расчётами энергии развиваемой одиночным зарядом ВВ взрываемым в глубине массива на одну обнаженную поверхность. Объём выбрасываемых взрывом пород берется равным объёму полостей при ГДЯ. Потенциальной энергии пород недостаточно для развития динамического процесса разрушения. Внезапное разрушение массива под воздействием только энергии газа возможно при доэольно высоких, крайне редко встречающихся на практике его параметрах; газоносность свыше 0,5 м3/м3, давление - 3 ... 5 МПа. В случае совместного воздействия энергий пород и газа динамическое разрушение возможно при реально существующих их параметрах с учётом фактора времени.

Для оценки влияния ( количественного ) свободного газа и других выбросо-опасных факторов на изменения НДС приконтурных пород было проведено численное моделирование . Решение задачи осуществлялось методом конечных элементов. В процессе расчётов определялись смещения и прогиб кровли выработок, расширения целиков, главные напряжения и их интенсивность ( рис. 2 ). Установлено, что с увеличением глубины разработок смещения и прогиб кровли линейно возрастают, пролёта - также возрастают, но уменьшается концентрация растягивающих напряжений. Изменение выссты и ширины целиков оказывает несущественное . влияние. Увеличение давления газа вызывает рост смещения и прогиба кровли выработок и концентрации напряжений, а увеличение расстояния до газовой полости -их снижение.

внезапное разрушение пород происходит, например, если над выработкой 6 м шириной на высоте в 0,5 м находится газ под давлением 0,5'p-q н при длине га. зовой полости в 3 м. Критической величиной является относительный-прогиб пород в 0,007 ... 0,01 при их относительной деформации в 130 ... 140 мм/м.

Газ есть

Газа нет

-о, т.

5 -О,318

7 -0,09

9 0,49

I -О,1о9

3 -0, 01 5

5 0,138

7 0,292

9 0,446

Рис 2. Влияние газовой полости на распределение максимальных главных напряжений б / р -ц Н вокруг выработок

2. Еторое защищаемое научное положение Газонасыщснные зоны располагаются в районах, где происходили ме-тасоматинсские преобразования руд, а также в меридиональных структурах со своим "гипсометрическим горизонтом". Поля насыщенные и бедные газом мог/г быть разделены с помощью многофакторного анализа многомерного признакового пространства ряда геологических параметров.

Калийно - магниевые соли на всех месторождениях газоносны, газ иногда встречается в каменной соли. Он выделяется в виде суфляров при бурении скважин ил'/ шпуров, при различных видах разрушения массива пород, с обнаженных поверхностей горных выработок по природным или техногенным трещинам. Проблемы, связанные с газоносностью .солей месторождений, оозникли ужз на начальной стадии их освоения. Зафиксированы случаи появления газов при проходке первых шахтных стволов, загазованив выработок и вспышек таза при отработке карналли-тоеых пластов.

Вопросам исследования газоносности пород соляных месторождений посвящены работы Дудырева А.Н., Земского А.Н., Крзсноштейна А.Е., Красгака Н.Ф., Медведева И.И., Морачевского Ю.В., Поляниной Г.Д., Фоминых В.И., Черэпенни-кова А А и др.

Формирование газснасыщенных участков в недрах месторождений является результатом сложных геологических процессов, включающих длительные седимен-тационные и постседиментационные фиглю - химические превращения в калийной залежи, интенсивность которых определяется геологическим строением и составом различных частей месторождений и шахтных полей.

По мнению большинства исследователей газы в солевых породах находятся в двух формах: свободные - это газы, заполняющие всякого рода трещины и пустоты; микровключённые - заключённые внутри кристаллов и между ними.

В составе микровключённых газсв на Верхнзкамском месторождении преобладает азот, в значительно меньшем количестве присутствуют метан и водород. Свободные газы по составу представлены, в основном, водородом, метаном и азотом, а также в небольших количествах углекислым газом, сероводородом, тяжёлыми углеводородами. Анализ зафиксированных случаев интенсивных газовыделений, происходивших в процессе бурения скважин детальной разведки показал, что наиболее насыщенные газом породы располагаются в средней части Верхнекамского месторождения и простираются в меридиональном направлении. В целом, в пределах месторождения зона интенсивных газовыделений имеет подковообразную форму с краями, обращенными на запад. Отмечается три участка, где частота встречаемости газовыделений резко повышена - Володин - Каменская и Романовская мульды, Березниковское поднятие и Тверитенская мульда. Чёткой приуроченности газовыделений к определенному типу структур нет.

Для Ьолее точной оценки распределения газа по площади промышленных пластов были собраны и проанализированы материалы замеров состава рудничной атмосферы. За критерий отнесения пород к участкам с повышенной газоносностью принимались случаи содержания газов в атмосфере выработок свыше ПДК. Здесь жэ по планам бороздового опробывания определялся комплекс геологических параметров. Анализировались данные по всем рудникам за весь период их отработки, дополнительно устанавливался объём добытой с начала эксплуатации рудников руды по каждому из них и отдельно по пластам. Зависимость газообильности горных

зыработск, глазным образом , от геологических параметров подтвердилась анализом. который показал нз отсутстоиз существенного влияния на наё горнотехнических параметров - ширины поперечного пролета камер, целиков и степени извлечения полезного ископаемого из нэдр

Всего по месторождению в банк данных было принято более 550 случаев за-•ззевенеа атмосферы горных выработок и примерно равное гопичестзо случаев, в когосых газ «е зарегистрирован. Выполненный анализ по изучаемым характеристикам показал на невозможность разделения площзп.вй с г??ом и без чего па отделки,о гс.тгым геологическим пвоеуетряч. но язгвогиг. сделать выьод о существовании такого разделения в многомерном ( многофакторном ) признаковом пространстве. Разделение на группы ( классификация ) проводилось с помощью матстатистики -дискримииантного анализа.

Дискриминантный анализ осуществлялся на персональном компьютере по специальной программе "Статграф", которая позволяет определять уравнение функции, центры групп и "расстояние" между ними, производить оценку вероятности правил:,-¡ой классифиявц/и кйч/-сй из групп, вычислять критерий значимости разделений А->'ць'х на группы и меру линейной ээзисимост/. между Функцией и набором переменных пврвметроэ Мера зависимости оценивалась по множественному коэффициенту корреляции, а за критерий значимости разделения выборок принимался X - квадрат К анализу было принято одиннадцать параметров, которые постоянно регистрируются геологическими службам* и которые имеют нормальный или близкий к нему закон распределения по площади: мощность пласта, содержание хлористого калия, глубина залегания пласта от земной поверхности, абсолютная отметка залегания пласта, со держание в породах хлористого магния, нерастворимого в воде остатка и др.

На основании расчётов многочисленных вариантов окончательно получены дискриминантные функции, дающие вероятность правильной классификации групп с газом о 70 ... 80%, а без газа - 80 ... 95%. Коэффициент множественной корреляции в 0,8 указывает на высокую линейную зависимость от выбранных геологических параметров, а X - квадрат, превышающий табличное значение ( 195 против 25 ), - зна-. чимом разделении.

В соответствии с полученными результатами предлагается разделять шахт-ныелоля на три категории по газонасыщенности пород: зоны газонасыщенные, ела-

бо и умеренно насыщенные. Совмещение на планах горных работ зон с точками интенсивных, выделений газа и определённой экспериментально газоносностью пород позволило установить критерии оценки их газонасыщенности и возможной газообильности выработок. К газонасыщенным, например, по горючим газам на сильзи-нитовых пластах относятся зоны, в которых одно интенсивное газовыделение ( свыше ПДК ) приходится на 0,4 и менее млн. т добываемой руды, а газоносность пород составляет болае 0,2 м"/м3. В умеренно насыщенных зонах происходит одно газовыделеше на 0,4 ... 2,5 млн. т добываемой руды, газоносность пород - 0,02 ... 0,2 м3/мэ. В слабо насыщенных зонах одно интенсивное газовыделение приходится на более, чем 2,5 млн. т добываемой руды при газоносности мензе 0,02 м3/м3. Аналогично получены критерии для горючих газов в карналлитовых и сероводорода в сильвинитовых породах.

Прогноз зон ведётся путём расчёта величины дискриминантного числа при решении соответствующих уравнений. Подставляя в уравнения значения геологических параметров в каждой точке опробования, определяется величина дискриминантного числа, которая затем сравнивается с критериальными значениями и делается заключение об отнесении денной точки к той или иной зоне по газонасыщенности.

Разработанное методическое положение по разделению геохимических полей с газом и без него позволяет составлять прогнозные карты зон с раз! гай степенью насыщения их газом.

3. Третье защищаемое научное положенно

Насыщение карналлитовых пород газом приводит к снижению их прочностных и пластических свойств. Соляные породы при определённых режимах нагружения склонны к упругому деформированию и хрупкому разрушению. Прочность пород а выбросоопасных зонах на 25 % и более ниже, чем в неопасных, которая зависит от минералогического состава. Вокруг выработок формируются зоны различной прочности пород и дезинтеграции. Упруго - вязко - пластичная модель с жёстким элементом наиболее адекватно отражает фактическое распределение нормальных'тангенциальных напряжений в при-контурных породах.

Механические свсйстза соляных пород на многих месторождениях изучены в большом объёме, т.к. их зноние необходимо при решении широкого круга зада" В основном определялись кратковременная и длительная прочности на одноосное сжатие, иногда при объёмною сжатии в лабораторных услос/.ях на специальных прессах и стабилометрах. Результаты опубликозаны в трудах Бича Я.А., Водопьянова В.Л., Габдрахимоза И.Х., Гимма Б , Зильбершмидта В.Г., Картошоеа Ю М , Ковалёва О В., Константинозой С.А , Рермяхоаа P.C., Проскуряксэа Н.М., Протосени А.Г.,

г

Сераты Ш., Ставрогина А.Н., Титова Б.В. и др. Значительно меньше ечимзмип уделялось исследованию запрэдэлоных характеристик пород, прочности и механического состояния в выбросоопасных зонах, их упругих характеристик, влияния газа на прочность пород.

Детально характер поведения соляных пород был изучен автором на блоках размером 350x400x450 мм в лабораторных условиях. Блоки сложного состава с пре-обпаданием сильвинита имели слоистое строение. Нагрулсе.чие проводилось в 300 -тонном прессе циклами нагрузка - разгрузка. В процессе испытаний регистрировались деформации в вертикальном, продольном и диагональном направлениях в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с помощью теьзерозеток Данные, полученные а результате испытаний, указали на сложный характер деформиоования пород Установлено, что соляные породы на любом этапе деформирования могут обладать высокими упругими свойствами Так. в одном из блокос упругие деформации от общих за все Бремя нагружения составили но менее 45% при нагрузке 37,5% от разрушающей, скорость нагружения ( 0,16 ... 2,7 )х 10 отн. ед./мин.

Исследования запредельных механических характеристик проводились также в лабораторных условиях на образцах кзрналлитовых и сильаинитозых пород. Предел прочности карналлита при сжатии с ростом скорости деформирования на один и два порядка уменьшается соответственно на 12 ... 29% и 41 ... 61%, относительная продопьная деформация также уменьшается Модуль спада с ростом скорости нагружения стабильно снижается на 14 . 58% и на 53 ... 82%

Для установления различий в механических характеристиках пород производился отбор образцов из выбросоопасьых и неопасных-зон с последующим испытанием их а лабораторных условиях. Образцы после испытаний на прессе анализировались в химлаборатории для определения вещественного состава. В опасных зонах на карналлитовом пласте прочность пород на одноосное сжатие составляет 12,

в неопасных -15/, МПа; модуль спада выше (1240 против 760 МПа ), а модуль деформаций ниже ( 990 против 1530 МПа ). В опасных зонах в породах больше хлористых калия, магния и кристаллизационной воды, но меньше хлористого натрия, нерастворимого остатка и карбонатов. Не отличаются зоны по длительной прочности пород. Прочность сильвинита пласта Кр 1 в опасных зонах в 1,5... 2 раза ниже.

Наибольший объём исследований в натурных условиях проаэдён с помощью контактного метода, основанного на вдавливании индентора в стенки скважин с помощью прибора МГД. Определялись контактная прочность пород и величина вдавливания, измеряемые на диаграммах прибора. Анализ результатов вдавливания индентора позволил установить три вида диаграмм, характерных для различных типов пород: каменной соли, сильвинита и карналлита, что дает возможность определята в какой породе идёт исследование.

Была проведена оценка изменений контактной прочности пород и их пластических свойств d зависимости от горнотехнических условий. Получено, что указанные показатели изменяются в значительных пределах и взаимно неодназначно. Для сильвинита, например, контактная прочность которого в разгруженных от горного давления условиях колеблется в пределах 3,0 ... 3,6 МПа, в напряжённом массиве -от 0,33 до 10,3 МПа.

В натурных условиях определялось влияние газа на прочноетныэ и деформационные свойства карналлитовых пород, Проведённые исследования показали, что насыщение пород газом в одних случаях вызывает одновременное их охрупчи-вание и упрочнение, в других - одновременное снижение прочности и пластичности.

Параметры ползучести сильвинита, необходимые для геомеханических расчётов устойчивости выработок, получены в натурных условиях в зоне стационарного опорного горного давления с помощью реперов, фотоупругих датчиков и скважинных деформометров. В результате статистической обработки данных получено, что параметр . а равен 0,6, а S в зависимости от уровня нагружения от 0,0033 до 0,018.

В шахтных условиях испытанию подвергались образцы значительных размеров {350x350x600 мм ) при постоянной скорости нагружения'0,1 МПа/сек, создаваемой давильной установкой ВНИМИ. Деформации в образце измерялись с помощью тензоколец и регистрировались осциллографом типа Н-700. При нагрузках

сильвинита до 80% от разрушающих упругие деформации в центральной части об-разцоз могут достигать 70%

Для выявления местоположения очагов вероятного проявления ГДЯ были исслодсеаны условия образования зон различной прочности вокруг выработок определяемых по величине коэффициента запаса прочности разного отношению гкс-тремялькых значений напряжений к величине допустимых Мзтечгти-'еское моделирование механического состояния пооод вокру выработок г.оатво;>д/.го результаты диагностики пород контактным методом о существовании таких зон.

Большой объем исследований в натурных условиях геомехсичссксго состояния пород позволил установить некоторые закономерности его изменения и предложить для описания их поведения в приэабойном пространстве механическую вязко - упруго - пластическую модель с жёстким элементом, разработанную доктором Венткатесвара РАО, которая объясняет возможность образования зон дезинтеграции и два максимума напряжений в приконтурном массиве,

4, Чотвсртоо защищеэмоа научное положение 3 стояках аырзботок о записимости от харпкг*ра нагружения на некотором удалении от обнажения мог/т происходить спады напряжени", а в кровле непосредственно у забоя - деформации окатил, что обусг.оалеио периодической миграцией максимума ¡.¿грузок, сменой знака деформирования у отдельных интервалоа пород. Величина приращений напряжений и характер их распределения зависят от формы и размеров выработок, параметров горных работ, порядка отработки сближенных пластов и может изменяться от 0,5 до i.4pq-H.

Наибольший объём исследований НДС соляных пород проведён под руково--. дством Винокура Б.Ш., Водопьянова В.Л., Гимма В., Ковалёва О.В., Константиновой С.А., Крайнего Б.А., Мараковь В.Е., Нестерова М.П., Проскуря/ова Н.М., Сераты Ш., Шафаренко ЕМ. и др.

Анализ всего проведённого автором комплекса исследований на Верхнекамском месторождении позволил уста; ¡овить ряд общих закономерностей з НДС г.оред при отработке выбросоопасных пластов. Вокруг выработок различных форм, размеров, в породах сложного состава характер и величина НДС существенно отличаются. Проходка выработок приводит к перераспределению напряжений на протяжении

2 ... 5 её диаметров. В зоне повышенных напряжений их концентрация может достигать 2...3-р-д-Н, распределение полей деформаций в прикотурных породах часто имеет синусоидальный характер. На удалении в 0,5 ... 1 м от обнажения фиксируется разрыв полей,напряжений, что объясняется формированием зоны дезинтеграции пород. В породах, окружающих выработки с сечением, близким к круглому, наибольшие приращения напряжений (в зависимости от расстояния до фронта очистных работ) зафиксированы в 0,5 м от обнаженной поверхности, а рост относительных деформаций - выше в 1,5 м (радиус выработки). Вокруг выработок с попереч-ным-сечением, близким по форме к эллиптическому, приращения напряжений выше на глубине 1м (0,2 ширины выработки). Рост относительных деформаций имеет аналогичный характер, что и приращения напряжений.

Под влиянием очистных работ в породах вокруг выработок, в первую очередь нарезаемых, происходят активные изменения в НДС. Размер зоны временного опорного горного давления По напластованию при первоочередной отработке одного из пластов составляет 40..,80м. Если один из пластов отработан камерной системой, размер опорного горного давления по соседнему пласту уменьшается в 2...3 раза. Степень и интенсивность изменения НДС пород зависят от порядка ведения очистных работ, параметров системы разработки и прочностных свойств пород. Так, при последовательном движении фронта очистных работ приращения напряжений достигают 0,5-р-ч-н, а при встречной отработке сближенных пластов или при отработке их "догоняющими" забоями - В породах, вмещающих отра-

батываемые пласты, в т. ч. ив подстилающей соли, на удалении 15 м от разрабатываемого пласта приращения напряжений могут достигать

>дн.

Указанные изменения НДС приконтурных пород влияют на величину и характер сближения контура выработок. Сближение кровли с почвой в выработках чаще всего имеет степенную зависимость от расстояния до фронта очистных работ. Исключение составляет сближение в одиночной выработке при сё подработке, когда зависимость линейная. Если выработки охраняются податливыми целиками, то абсолютная величина сближения больше в горизонтальной плоскости, чем в вертикальной, даже в выработках с плоской кровлей, а при охране жёсткими целиками -больше в вертикальной. Так, в выработках в окружении податливых целихов сближение кровли с почвой может составлять 340 мм, боковых стенок - 400 мм, а при

охране жёсткими целиками за тот же промежуток времени и на том же расстоянии от Фронте работ сближение кровли с почоой 200 мм, а в горизонтальной плоскости -

110 Л'М.

При отог.ботке сближенных пластов на устойчизость контура выработок и формирование вы5росоопзскч>х счггое оказывает впиякиз НДС пород междупла-стьг Отоек?ляющую рол» з данном случае играют не только мощность его, но и г,гсо*-г.сл?ниь',е глин/стыз прослойки в нем, которые способствуют расслоению и выпучиванию пород. После отработки двух пластов породы твхнояегучссяого меж-¡¡¡■"■'гтьг; гкггьгзгготся нагоуменимми торизочтпльньл'.''', усилиями вдола напластования величиной от 4 до 6,2 МПа.

На Верхнекамском месторождении при первоочередной отработке верхнего пласта приращения нагрузок в 1,5. ..2 раза выше, а рост относительных деформаций в 2...3 раза меньше, чем в случае первоочередной отработки нижнего ппастз. Необходимо иметь ввиду, что указанное обстоятельство не явпяется свойством какого -либо пласта или результатом очередности отработки, р обусловлено параметрами очисти.IX работ - на кихс-а" гласе целики междучамерньда более податливые, чем кз вор> кем.

Степень елтиге тетвссиоредной отработки нижнего плзста на изменения !ДС город зархнего чем порэточередной отработки верхнего пласта на

породы куцего (скорее** д&фориирооания соответственно 0,12 и 0.6 мм/сут). В это:-.'. спу«аа. несмотря на бол^'гио рзз\:еоы оыработок по нижнему пласту, также определяющую рель играет кёехкость целиков.

Отработка подработанного пласта вызывает меньшие го величине очноси-т<:Г.г-.н',(е деформации V, приргщечия нзпря^ений в нем, чем при пеовоочередной о:р-ботхе ( 2,5 и 7,5 МПа ). В надработанном пласте при его отработке скорости и величины деформаций равны таковым при первоочередной его отработке, а в породах кровли больше.

Влияние отработки надргботан'-юго или подработанного пласта на НДС пород целиков и вмещающих их пооод и выработки по соседнему отработанному ранее пласту почти разнозначно ( 0,1.. 0,4 мг/Ум-сут ) В случае отработки пластов с оставлением опорных иеликоа междукамерных при степени их нагружения менее 0,3...0,4 зависимости величины и интенсивности проявлений горного давления от очерёдности выемки сближенных ппастов не установлены/Очередность отработки

2f,

сближенных пластов при указанных параметрах горных работ может регламентироваться только горно - геологическими условиями: мощностью и складчатостью технологического междупластья.

Таким образом, комплекс исследований изменений НДС пород при отработке сближенных пластов показал, что при малой степени извлечения полезного ископаемого и мощных поддерживающих целиках в первую очередь может отрабатываться любой из двух пластов. Если один из пластов отрабатывается с оставлением целиков с большей податливостью, то предпочтительнее первоначально отрабатывать его.

При отработке пластов с любыми параметрами горных работ минимальный разрыв между линиями фронтов очистных работ по соседним пластам должен быть не менее 50 м с целью исключения наложения зон временного опорного горного давления. Макоимало.чый разрыв между ними регламентируется временем устойчивого состояния пород технологического междупластья и системы подготовительных выработок.

Минимальный разрыв между фронтами очистных работ по сближенным пластам требуется выдерживать в случав отработки с податливыми целиками. Податливые междукамэрные целики, разрушаясь, мгновенно уходят из - под нагрузок, часть которых передаётся на жёсткие меяадуштрековые и околоштрековые целики обоих пластов, что резко сокращает время устойчивого, безопасного состояния всей системы подготовительных выработок.

При отработке пластов камерами с междуосевым расстоянием 14... 18 м максимально допустимый разрыв между фронтами необходимо иметь не более 250 м Или по времени менее 0,5 года. В случае отработки пластов камерами с междуосевым расстоянием 9... 11 м максимальный разрыв должен быть не более 150 м. На основании установленных закономерностей составлены рекомендации по очерёдности отработки сближенных выбросоопасных пластов, которые вошли составной частью в "Спецмероприятия...".

5. Пятое защищаемое научное положение1

Потенциально выбросоопасные участки на сильвинитовых пластах контролируются зонами вторичного метаморфизма и выделяются по величинам вероятности появления в них сильвинита и содержания Н.О., на карналли-

товых - по химсоставу и глубине залегания пород. Выбросоопасныс очаги вокруг выработок определяются геомеханическим состоянием пород, энергоемкость разрушения которых с 1,6 раза ниже, чем в неопасных условиях. Скорость оседания подрабатываемого массива над пыбросоопасяыми зонами в 2 раза выше, чем над неопасными. Опасные зоны распространяются еверк по разрезу а карналлитово - сильвинитовых пластах.

Для безопасной и эффективной отработки выбрососпасных очагов необходимо знать их местоположение в пространстве как до момента вскрытия выемочных полой, так и в перид ведения очистных и подготовительных работ Это достигается " региональным и локальным методами прогноза опасных зон. Региональный прогноз служит для выделения потенциально опасных по возможному динамическому разрушению пород районов в пределах месторождения или отдельного шахтного поля с тем, чтобы главным образом, в этих районах сосредоточить внимание на поиске участков представляющих непосредственную опасность. Он используется, в основном, при проектировании горных работ на планируемых к отработке шахтных полях или отдельных участков. В связи с тем, что региональный прогноз осуществляется по данным геологической разведки, проводимой с поверхности, между точками, оп-робывания могут оказаться значительные по площади участки, включающие а себя как опасные, так и неопасные зоны. Для уточнения степени опасности этих участков необходим локальный прогноз.

Анализ данных детальной и эксплуатационной геологических разведок, проведённых в районах, где были зафиксированы динамические явления -л вне их, показал, что потенциальная выбросоопасность пород зависит, в первую очередь, от минералогического состава пород. Большая часть произошедших явлений расположена в контуре руд переходного типа - переход от карнаплитового состава к сильзи-: , нитовому и о г сильвинитового к каменной соли. Перзходными необходимо считать руды, в которых сильвинит с карналлитом и каменной солью в плане распределены в виде мелких островов, а в разрезе представлены переслаиванием этих пород. Свободный газ на соляных месторождениях формируется из михровключёккого м концентрируется в благоприятных "ловушках". Для высвобождения микровключёкно-го газа должны были произойти определённые геохимические или механические' Процессы, т.к. из соляных пород он выделяется при их механическом разрушении, растворении или плавлении. Таким процессом должен быть метасоматоз - геохими-

ческбе преобразование руд одного состава в другой, изменение структуры пород под воздействием внешних сил или их комбинация.

В результате таких процессов нарушаются связи между отдельными кристаллами, зёрнами, блоками, слоями, что приводит к снижению прочностных свойств пород и высвобождению микровхпюченного газа. В случае, когда метасоматоз ье закончился, указанные связи не успевают восстановиться на прежнем энергетическом уровне и руды в этих зонах имеют пониженйую связанность, прочность. Установлено, что вероятность появления сильвинита необходимо определять по зависимости:

К={1/[е(А+вм-КС)+1]}100%;

(5)

. М — мощность пласта, м; '

С - содержание хлористого калия в пласте, %;

.А,В,К — параметры аппроксимации.

К переходным относятся руды, в которых вероятность появления сильвинит! находится в пределах 1% < N < 100%.

На скорость протекания вторичных процессов оказывает влияние содержа ниа в породах Н.О. На рис. 3 представлено поле всех произошедших на Верхнекам ском месторождении, на сильвинитовых пластах явлений в зависимости от вероят ности появления сильвинита и содержания Н.О.

С. н. о., % и

24 16 12

м

Я -ГРП

90 Ы, Ч

Рис.3. Поле ГДЯ в зависимости от вероятности появления сильвинита (М) и содержания нерастворимого остатка (С.н.о.).

Из планограммы видно . что критериями прогноза выбросоопасных зон на яегконельном й локальном уровнях является вероятность появления сильвинита в интервале от 10 до 90% и содержание Н.О. более 2%. На основании полученных •срнториов и данных геологических работ составлены карты потенциалк но выбросо-опасны> зон для всех шахтных полей Верхнекамского месторождения и методика регионального и локального прогноза этих зон. По аналогичной методологии разработана методика прогноза опасных зон из карналлитоеом пласте.

Для установления возможности распространения выбросоопзсных зон по ?г:р8зу соляной толщи были использованы материалы наблюдений за сдвижением подрабатываемого массива горными работами над выявленными опасными и неопасными зонами. К анализу принимались данные о сдвижении земной поверхности по 20 профильным линиям на различных шахтных полях. Их обработка велась с помощью множественной линейной регресии, дисперсионного и дискриминантного анализов. Оценивалось влияние горнотехнических и горно - геологических параметров. Доказано, что еыбросоопасные зоны отличаются от неопасных по геологическим параметрам и. имеют распространение вверх по разрезу в сильвинито - хар-наллитоюй толще Скорость оседаниг подрабатываемых пород в опасных зонах в дса раза выше, чем в неопасных.

Потенциальная аыбросоопасьость пород не предопределяет обязательного применения мероприятий по профилактике ГДЯ Их необходимо применять з слу«ве появления на потенциально выбросоопзсных участках опасных снагоа Прогноз в них должен быть текущим, непрерывным бо времени, и пространства.

Известно, что чем ниже прочность пород, тем меньше усилий и дополнительных энергозатрат требуется для разоушзния массива Установлено влияние на прочность пород содержания в них основных породослагающих компонентов. Увеличение содержания хлористого калия на 45% уменьшает прочность пород на 20%, а увеличение массовой доли хлористого натрия на ¿0%, увеличивает прочность на 28% В выбросоопасных зонах прочность пооод более, чем на 25% ниже

Сопротивляемость резанию соляных пород также зависит от содержания о них основных минералов и Н.О. Так, увеличение содержания хлористого натрия на 25% и Н.О. на 20% увеличивают сопротивляемость резанию на 40% и 80% соответственно. Удельная потребляемая электроэнергия при разрушении пород с помощью

комбайнов зависит от сопротивляемости пород резанию -1,2 кВт-ч/т при сопротивляемости 37МГ!а и 1,4- при 45 МПа.

* В связи с однозначной заэисимостью прочности, сопротивляемости резанию и выбросоопасностыо пород от их минералогического состава, между этими характеристиками также существует взаимосвязь. Следовательно, по удельной потребляемой на комбайне электроэнергии можно вести оценку выбросоопасности пород. На указанной зависимости разработан текущий прогноз выбросоопасности пород при их разрушении механическим способом.

Результаты исследований в промышленных условиях показали, что в выбро-соопасных зонах перед выбросом удельная потребляемая электроэнергия в 1,6 раза меньше, чем в неопасной ( например, на карналлитозом пласте 0,50...0,62 против 0,94...1,1 кВт• ч/т); в угрожаемой зоне (переходной) в 1,2 раза меньше. На уровень энергозатрат ¡.югут влиять динамические свойства трансмиссии и электропривода, параметры режущего инструмента и схемы резания, жёсткость электрической сети. Указанные побочные факторы, неоднозначно влияющие на уровень потребляемой на комбайне электроэнергии , исключаются при оценке уровня энергозатрат не по абсолютным показателям, а'по относительным при одной и той же скорости подачи комбайна на забой.

6. Шестое защищаемое научное положение Управление выбросоопасностыо пород в региональном плане достигается путём регламентации во времени и пространстве порядка отработки сближенных выбросоопасных пластов, в локальном - использованием энергии взрыва ВВ и способности солей при растворении выделять газ. Устойчивость контура выработок при возмущающем действии комплекса выбросоопасных факторов обеспечивается соответствующим расположением его относительно опасных очагов в зависимости от параметров выработок и конкретных горно - геологических условий.

На потенциально опасных пластах вокруг выработок формируются выбросо-опасные очаги, управление размерами и местоположением которых представляет одну из важнейших задач в предотвращении ГДЯ. Снижения степени опасности можно добиться нейтрализацией одновременно всех факторов или даже одного, т.к. при этом будет ликвидировано условие для самоподдерживающегося процесса.

Исследования а натурных условиях на моделях и в прямом производстве показали, что наиболее активные изменения НДС пород, обусловливающее опасные, с 'очки зрения динаг/ических проявлений, концентрации напряжений, происходят при определенном порядка ведения горных работ.

"/юделиосванио было организовано в натурных условиях на образцах пород ослабленных системой отверстий с целью выявления наиболее рациональных и технолог/чнь;х решений по управлению НДС пород путём изменения параметров и взаимного расположения выработок относительно друг друга. Образцы значительных размеров (0,8x0,8x0,5 м) изготовлялись непосредственно е горной выработка при, охонтуривании части массива потью плоскостями обнажения. Полости, воспроизводящие горные сооружения, выбуривались инструментом с диаметром коронок, соответствующим в заданном масштабе реальным выработкам. Количество и расстояние между отверстиями выбирались согласно поставленной задаче. Всего было испытано еосемь различных схем. Силовое поле в образцах создавалось давильной установкой ВНИМИ. Деформации и нагрузки регистрировались с помощью реперов, индикаторов часового типа, скважинных и рычажных даформеметров

Экспериментальная проварка эффекта разгрузки в производственных условиях проводилась на руднике БКПРУ - 2 в лодгг.-огзительных выработках. Для разгрузки нижнего пласта целики на верхнем переводились в категорию податливых буровзрывными работами. Установлено, что на мо^ант прогрессирующей ползучести пород целиков по верхнему пласту (40...50 суток) скорость смещения прихон-турных пород в защищаемой вь.работке в 2,3 раза меньше, угол разгрузки составляет 56°. Аналогичный положительный эффект разгрузки от горного давления получен при защите главных транспортных штреков на руднике БКПРУ - 3 путём отработки защитной зоны на вышележащем пласте с оставлением высокоподатливых целиков-, между комбайновыми ходами (ширина целикоз-2м ).

В соответствии с представленным механизмом ГДЯ и результатами моделирования доказано, что для их предотвращения профилактические мероприятия должны быть направлены на повышение устойчивости пород, ликвидацию газовых очагов, снижение уровня полей напряжений, деформаций, скорости нагружения пород, повышение прочностных свойств пород и мощности выбросоззщитной зоны. В качестве профилактических мероприятий могут быть использованы активные и пассивные, локальные и региональные способы, иногда их сочетание. К пассивным от-

носитбя бурение дренажных скважин и шпуров; к активным - управление горным и газовым давлениями горными работами, высвобождение микроаключённого и свободного газов и создание условий для их дренирования с помощью взрывных работ или нагнетания воды в пласт под давлением.

Уровень НДС пород определяется,, главным образом, глубиной разработки, механическими свойствами пород, тектоникой, а также порядком ведения и параметрами горных работ. Последнее наиболее легко управляемо. Порядок ведения горных работ, при котором происходят наименее активные изменения НДС пород, может служить одним из способов снижения степени опасности. При камерной системе разработки ГДЯ происходят чаще всего в случае ведения горных работ в зоне опорного давления отрабатываемого или -соседнего пластов и в условиях наложения зон. В связи с указанным, отработка сближенных выбросоопасных пластов должна вестись только на массив с последовательной отработкой ходов в камерах.

Очерёдность отработки сближенные выбросоопасных пластов, как одного из основных элементов технологии, зависит одновременно от горно - геологических и горнотехнических параметров. К основным параметрам относятся : мощность меж-дупластья, интенс шность его складчатости; ширина поперечного пролёта выработок, ширина целиков, степень их нагружения, минимальный и максимальный разрывы во времени и пространстве менаду фронтами очистных работ по пластам. При мощности междупластья менее 3,5 м а первую очередь отрабатывать необходимо верхний пласт, а более 5 м - любой. В случае степени нагруже'ния целиков менее 0,3 очерёдность отработки не регламентируется, а более 1,0 - только верхний пласт.

Газоносность соляных пород имеет локальный характер, поэтому нейтрализация газового фактора не может быть полностью осуществлена даже при равномерном нагружении пород. В связи с этим, одновременно с упорядочением горных работ, для борьбы с ГДЯ в ряде случаев рекомендуется использовать локальные способы. Фильтрационные каналы в породах могут быть созданы, например, камуф-летным взрыванием зарядов ВВ. Исследования и последующая практическая апробация камуфгетного взрывания позволили установить параметры взрывных работ. Снизить опасность слоистых пород до неопасного уровня можно при расстоянии между взрывными зарядами Я = 0,83 О, при О от 0,6 до Зкг ВВ.

Отработку лохальных выбросоопасных очагов с чёткими контурами в виде мульд погружения на Старобинском месторождении наиболее целесообразно вести

о предварительным нагнетание,«i воды в пласт одновременно через 4 и более скважины. Давление воды в гидросистема должно быть не менее 1,3-p-q-H, что позволит достичь скорости распространения трещин разрыва -1,0 м/мин

Разработка научно - обоснованных и эффективных способов предотвращения ГДЯ s общем сл/чаз сзязана с решением вопросов устойчивости выработок. Устойчивость необходимо paccvQTpnsaTb как способность материальной системы сохранять сзоо состояние е условиях вогуущающих выбросоопасных фактероа. Количественная оценка устойчивости, в соответствии с основным принципом расчета «э продольным состоянием, как бь:гс показано ранее, определяется отношением несуще.! способности к действующим напряжениям. Критическое состояние кровли, лочвы, забоя предлагается устанавливать по величине их прогиба, который определяется как сумма прогибов от давления газа и горного давления.

На основании статистической обработки параметров ГДЯ доказана связь между некоторыми природными и техногенными выбросоопасными факторами. Получена линейная зависимость критической мощности защитной пачки пород от ширины выработок для каздсго уровня относительной прочности пород (О ,/p-q-H) . 8 результате обработки зависимостей и аппроксимации результатов численного моделирования получено сырюкен-ле. определяющее безопасную ширину выработок.

где,

Ь — расстояние от обнатения до газонасыщенного очага, м , о - степень извлечения полезного ископаемого из нс-дв По формулзм (6, 7) и данным геологических разведок для шахтных полей составлены карты выбрособезопасной ширины выработок, при которой применения

для подготовительных еыработок.

(6)

для очистных выраооток'

(7)

других профилактических мероприятий необязательно, а также методика расчёта

выбрособезопасных параметров выработок. *

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

3 диссертации на основании аналитических, лабораторных и натурных исследований решён комплекс вопросов крупной проблемы по разработке научных основ прогнозирования и предотвращения газодинамических процессов в соляных породах, что имеет важное социальное и экономическое значение для калийных горнодобывающих предприятий.

Основные научные VI практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Анализ произошедших явлений позволил установить, что их количество рзэко сокращается при разрядке от горного и газового давлений, увеличении фильтрационных свойств и снижении газонасыщенности пород. Из природных факторов наибольшее влияние на выбросоопасность пород оказывают глубина горных работ, прочностные и деформационные свойства пород, их газоносность. Доказано влияние параметров вентиляционной струи и способность к образованию зон дезинтеграции в породах вокруг выработок на формирование выброссопасных очагов. Проведена паспортизация природных и техногенных выбросоопасных фактороэ. Составлена методика классификации происходящих явлений по численным критериям.

2 Разработан механизм ГДЯ всех типов при различных способах отбойки полезного ископаемого. С онергетических позиций произведена оценка роли газа и горного давления в газодинамических процессах. Доказано, что ГДЯ в соляных породах могут происходить под совокупным действием обоих факторов. Представлена методика расчёта количества энергии необходимой для разрушения пород. На основании численного моделирования геомеханических процессов установлены зависимости изменения НДС пород вокруг выработок от геологических ( в т.ч. свободного газа ) и горнотехнических параметров. Получены критериальные значения деформаций и прогиба пород перед их динамическим разрушением'.

3. Впервые установлена зависимость распределения газонасыщенных зон от ряда геологических параметров - глубины и абсолютной отметки залегания пород, содержания в них хлористых магния и калия, нерастворимого остатка, мощности

пластов. По величине газоносности пород предложено рыделять три категории газонасыщенных зон - бедные газом, умеренно насыщенные и насыщенные. Составлены зависимости и численные критерии выделения зон.

4. 3 лабораторных и натурных условиях исследованы прочностные и деформационные свойства пород из выбросоопасных и неопасных зон с получением их запредельных характеристик. Показана склонность сол~.чых пород к упругому деформированию и хрупкому разрушению при определённых режимах нагружения. Установлено влияние газа на деформационные свойства карналлита - насыщение пород газом приводит к снижению его прочности и пластичности. Прочность пород в выбросоопасных зонах на 25 % и более ниже, чем в неопасных, которая зависит от их минералогического состава. Доказано влияние на механическое состояние лри-контурного массива горнотехнических параметров. В натурных условиях еыяапсны численные значения параметров ползучести пород.

5. На основании анализа и обобщения натурных исследований НДС прикон-турных пород выявлены закономерности его изменения е зависимости от параметров очистных работ, формы и размеров выработок, очередности отработки пластоа, в подработанных и надработанных пластах, что позволило разработать рекомендации по наиболее безопасному порядку ведения горных работ

6. На основании имеющихся представлений о механизме динамических процессов и участвующих в нём выбросоопасных факторов разработана концепция методов прогноза трёх уровней на единой генетической осноае - регионального, локального и текущего. Региональный и локальный прогнозы предлагается вести по данным геологических разведок для выявления потенциально выбросоопасных зон на площадях, планируемых к отработке. Получены зависимости для выявления зон, на основе которых составлены прогнозные карты ло площади Верхнекамского месторождения Опасные зоны распространяются ввер^ по разрезу, в которых скорость оседаний подрабатываемых пород в два раза выше, чем в неопасных Теку-' щий прогноз впервые предлагается вести по удельюй энергоёмкости разрушения пород

7. Моделированием в натурных условиях и исследованием механического состояния в производственных условиях установлены закономерности в формировании выбросоопасных очагов а зависимости от по; ядка и параметров горных работ. Управление выбросоопасностью пород в региональном плане при отработке

-Сближенных выбросоопасных пластов предлагается вести путём регламентации порядка отработки ходов в камерах и пластов; в локальном - использованием внешней энергии взрыва камуфлетных зарядов ВВ и высоконапорного нагнетания'воды в пласт. Разработана методика расчёта параметров горных выработок, при которых обеспечивается их устойчивость при возмущающих действиях выбросоопасных факторов на породы пониженной прочности - давления свободного газа и горного давления.

Таким образом, на основании аналитических, лабораторных и натурных исследований решён комплекс вопросов по разработке научных основ прогнозирования и предотвращения газодинамических процессов в соляных породах.

Основное содержание работы опубликовано в следующих изданиях:

1. О прогнозировании выбросооласности калийных пластов керновым методом II Труды ВНИИГа, - вып.77, - Л. - 1975, -с. 72 - 76 ( соавтор Винокур Б.Ш. ).

2. Напряжённо - деформированное состояние пород вокруг выработки при ведении очистных работ// Горный журнал. -1977, -№8, -с. 35-37 (соавтор Винокур Б.Ш. ).

3. Управление выбросоопасностью при разработке Верхнекамского месторождения калийных солей // Горный журнал, -1978, №9, -с. 68-71 (соавторы Винокур Б.Ш., Габдрахимов И.Х., Голубев Б.М.).

4. Влияние горных работ на изменение прочностных и деформационных показателей соляных пород // Разработка соляных месторождений. - Межвузовский сб., -Пермь,-1980,-с. 186-188(соавтор ПотехинР.П. ).

5. Деформируемость соляных пород Верхнекамского месторождения II Физические свойства пород в массиве. - Сб. научн. тр. ИГД АН СССР, - Новосибирск, -1982, - с. 67 - 71 ( соавторы Шаманский Г.П., Устюгов М.Б. ). •

6. Исследование процесса деформирования пород в целиках различных размеров II С б. научн. тр. ВНИМИ - Л., - 1984, - "Локальные методы борьбы с горными ударами", - с. 38 - 41 ( соавтор Потехин Р.П. ).

7. Предотвращение проявлений горного давления II Безопасность труда в промышленности. - 1984, - № 10, - с. 49 - 50 ( соавторы Винокур Б.Ш., Потехин Р.П.).

6. Опыт охраны вырабо. ок главного направления на Верхнекамском месторождении // Горный журнал. - 1985, - № 2, - с. 51 - 52 ( соавторы Шаманский Г.П., Воронцов 3 И., «опытов В Л }.

9 О локальной защите подготовительных выработок от горного давления I Горный журнал. Изззстия ВУЗов, - 1985, - № 4, - с. 14 -16 (соавторы Шаман-ткий Г Г! Всронцоз В.И )

1'). Устойчивость подготовительных выработок на Верхнекамском месторождении калийных солей II Шахтное строительство, - 1985, - № 2. - с. 3 - 6 (соавтор Щгугко ий Г.П.).

11. Многомерные статистические критерии классификации газодинамических явлений на рудниках Верхнекамского калийного месторождения // ФТПРПИ, - 1985,

- № 1, - с. 85 - 91 (соавторы Андрейко С.С., Шаманский Г.П.).

12. А.С. № 1173244 СССР, МКИ в01 3/28. Способ определения напряжённого состояния материала 11 В.В. Середин, Б.В. Лаптев - № 3668212/25 - 28. Заявлено 25.11.83, опубл. 15. 08. 85. Бюл.№30

''3 оормирозгниа и развитие внезапных выбросов сопи и газа II ФТПРПИ,

- 1988. - К'2 3, - с 32 - (соавторы Неупокоов В А , Винокур Б Ш , Потехин Р ,П }.

'4 Безопасная разработка калийно - магниевых пластов в кн "Повышение эффективности разработки Варчнекамского калийного бассейна",- Пермь, ■ 1986, -с 132 - 143 (соазторы Бой М ¡VI, Андрейко С С., Шаманский Г П )

15. Резервы повышения устойчивости выработок на калийных рудниках. // Шахтное строительство - 198'3, - 9, - с 10-12.

16. К проблеме борьбы с газодинамическими явлениями на калийных пластах // Горный журнал Изсзсгия ВУЗос, - 1586, - № 11, - с 1 - 4 ( соавторы Бой М М , Шаманский Г.П., Потехин Р.П.).

17. А .С. № 1317158 СССР, МКИ Е21 Р 5/00. Способ предупреждения взрывов газовоздушных смесей в комбайновых забоях соляных рудников II Бей М М.. Шаманский Т.П., Лаптев БВ. Климов ГМ - № 3908654/22-03, Заявл 01 10 85 ог>бл 15.03.35. Бюл. N3 22.

18 О влиянии зональной дезинтеграции соляных пород на инициирование выбросов //ФТПРЛИ. - 1983, - № 3, - с. 65 - 6о ( соавтор Потехин Р. Л )

19 Устойчивость контура выработок в выбросоопасных соляных, порода/ II Шахтное строительство, - 1988. №11,-с. 8-11.*

20. АС, № 1458571 СССР, МКИ Е21 С 41/04. Способ текущего прогноза вы-бросоопасных зон массива горных пород // Лаптев Б.З., Бей М,М. - N2 4141623/22-03. Заявл. 03.11.86; Опубл. 15.02.89., Бюл. №3.

21. Отработка карнаплитового пласта на Верхнекамском месторождении //Горный журнал. -1989, - N9 10, - с. 39 - 40 ( соавторы Бей М.М., Шаманский Г.П.).

22. О сезонности газодинамических явлений на калийных месторождениях /Горный журнал. Изв. ВУЗов. - 1989, № 11, - с. 53 - 56 ( соавторы Барышников Г.В., ПоздинВ.И.).

23. Прогноз выбросоопасности калийных пород при подготовке выемочных полей //Шахтное строительство. -1990, - № 4, - с. 9 -10 ( соазтор Тупицын И.С.).

24. Особенности распределения сероводорода а соляных породах Верхнекамского месторождения //Советская геология, - 1991, № 3, - с. 26 - 27 ( соавтор Тупицын И.С.).

25. Прогнозирование и предупреждение газодинамических явлений в калийных рудниках // Тезисы докладов 24 Международной конференции по безопасности работ в горной промышленности. - Донецк, - 1991, - с. 55 (соавторы Мещеряков В.В., Трофимов А.Ю., Андрейко С:С., Бей М.М.).

26. Газоносность соляных пород II В кн. Методическое руководство по ведению горных работ на рудниках Верхнекамского калийного месторождения. -М.:Недра,-1992, с. 25 -31.

27. Основные сведения о газодинамических явлениях и способы их предотвращения //В кн. Методическое руководство по ведению горных работ на рудниках Верхнека.мского калийного месторождения. - М.: Недра, -1992, -с. 155 -172.

28. Предотвращение газодинамических явлений на Верхнекамском месторождении. - М.: Недра, -1994, - с. 200.

29. Выявление газонасыщенных зон в сильеинитоаых пластах Верхнекамского месторождения //Известия ВУЗов "Геология и разведка", -1994, - № 6, - с. 77 - 82

( соавторы Комиссарова В.К., Азанова Н.С.).

30. Прогноз и предотвращение газодинамических явлений на Верхнекамском месторождении калийных солей : "Физика и механика разрушения горных пород применительно к прогнозу динамических явлений" // Сб. трудов семинара, - ВНИМИ, - С.-Петербург, - 1995, -с. 197 - 205 ( соавтор Бей M M.) .