Верхнекамское месторождение калийных солей имеет субмеридиальное простирание. Размеры залежи в направлении с севера на юг составляют около 150 км, в широтном направлении 40 км. Площадь месторождения свыше 3,5 тыс. км². Характерные составляющие вертикального геологического разреза месторождения (сверху вниз) представлены следующими отложениями: четвертичными, пестроцветной толщей, терригенно-карбонатной толщей, соляно-мергелистой толщей, покровной каменно-солевой толщей и переходной толщей чередующихся слоев каменной соли и карбонатно-гипсоглинистых пород, карналлито-сильвинитовой пачкой.

Глубина залегания кровли карналлито-сильвинитовой пачки колеблется от 75 до 450 м.

Рабочие пласты сильвинитовой пачки: «Красный II» (4 < m < 9 и) и АБ (3 <m< 4м). Отработка пласта АБ ведется на площадях, где пласт Б представлен пестроцветными сильвинитами. Отрабатывается и пласт В карналлитового (т = 10 м) и сильвинитового (4 < m < 5 м) составов. Средние углы наклона пластов составляют от 2 до 3-4°.

Содержание нерастворимого остатка (Н. О.) в пластах, т. е. наличие в них примесей глинистого вещества, на преобладающей части месторождения составляет около 2%, возрастая в юго-восточном направлении до 6-8% и более. Изменение количества Н. О. в пластах предопределяет и изменение их физико-механических характеристик.

На всех рабочих пластах месторождения имеют место газодинамические явления различных классификационных типов.

В гидрогеологическом плане особенностью рассматриваемого месторождения является обводненность толщи, покрывающей соляную залежь. Мощность водозащитных отложений над рабочими пластами колеблется на месторождении от 0 до 140 м. В целом Верхнекамский калиеносный регион характеризуется сложными горно-геологическими условиями отработки.

Старобинское месторождение калийных солей территориально тяготеет к районам Солигорска и Старобина, занимая площадь около 350 км². Месторождение, в геологическом строении которого основную роль играют осадочные комплексы палеозойских, мезозойских и кайнозойских отложений, располагается в западной части Шатилковской впадины. Кровля толщи залегает на глубинах 300-600 м. Мощность толщи наибольшая в центре месторождения (550-800 м), на периферии достигает нулевых значений. Падение пластов - северо-восточное с углами до 6°. Залежь состоит из четырех калийных горизонтов с первого по четвертый (сверху вниз).

Первый горизонт в основном расположен в центре месторождения, имеет глубину залегания (по кровле) от 350 до 620 м. Мощность горизонта составляет 2-7 м. Имеются значительные примеси глинистого вещества (Н. О. составляет 19-21%). Отработка горизонта в настоящее время не производится.

Второй горизонт расположен на глубине (по кровле) от 370 до 700 м. Мощность его колеблется от 1 до 4,4 м. Глинистого вещества (Н. О.) содержится от 3 до 8%. Горизонт представлен двумя (верхним и нижним) сильвинитовыми слоями и одним (средним) слоем каменной соли. Верхний сильвинитовый слой имеет суммарное колебание мощности от 0,4 до 1,2 м (в среднем 0,7 м). Суммарная мощность нижнего слоя колеблется от 0,4 до 1,25 м. Средний прослой представлен каменной солью мощностью от 0,4 до 0,95 м. Горизонт отрабатывается на полную мощность.

Третий калийный горизонт распространяется на всей территории месторождения и состоит из трех пластов (пачек): верхнего сильвинитового (с включениями карналлита), среднего глинисто-карналлитового и нижнего сильвинитового. Мощность верхнего пласта изменяется от 1 до 4,5 м, среднего от 4 до 20 м, нижнего от 2 до 8,5 м. Промышленным является нижний пласт, состоящий из шести (считая снизу вверх) сильвинитовых слоев, разделенных слоями каменной соли. На месторождении в основном разрабатываются II, III и IV сильвинитовые слои с суммарной мощностью до 4,5м (Н. О. от 2 до 10%).

Кровля рабочего нижнего сильвинитового пласта третьего горизонта залегает на глубине от 350 до 1200 м, возрастающей в восточном направлении. Средние глубины залегания составляют: для первого рудника 585 м, второго - 620 м, третьего - 780 м, четвертого - 800 м.

Галопелитовые прослойки в пределах третьего калийного горизонта имеют мощности от долей миллиметра до 20 мм (иногда до 100 мм).

Устойчивость кровли выработок снижается (до слабоустойчивой) при их расположении в направлении к кровле нижнего сильвинитового пласта третьего горизонта. В указанном направлении возрастает и газонасыщенность пород кровли.

В пределах третьего горизонта широко распространены так называемые «мульды погружения», являющиеся выбросоопасными очагами при проведении горных выработок.

Четвертый калийный горизонт (по кровле) находится на глубинах 600-1335 м.

Предусмотрена доразведка четвертого горизонта совместно с подстилающей его каменной солью.

Расстояние между рассмотренными калийными горизонтами различно: между I и II - от 61 до 76 м, между II и III - от 128 до 199 м, между III и IV - от 150 до 190 м. Вмещающие их породы представлены в основном каменной солью с включениями ряда других литологических разностей.

Над соленосной толщей месторождения на глубине 90-200 м залегают глинисто-мергелистые отложения мощностью в среднем 200-550 м. Верхняя часть этой толщи (~50-70 м) и вышерасположенные отложения, включая четвертичные образования, обводнены. При этом ввиду отсутствия здесь пространственно выдержанных водоупорных слоев воды четвертичных, третичных, меловых и верхнедевонских отложений гидравлически взаимосвязаны, образуя единый водоносный комплекс. Водообильность глинисто-мергелистой толщи (ГМТ) незначительная (верхняя ее часть) и резко уменьшается с глубиной. Общая глубина проникновения вод на месторождении составляет 170- 200 м, ниже породы ГМТ практически безводны.

В Предкарпатском регионе (Львовская, Ивано-Франковская области) расположены месторождения соляных пород, представленных в основной лангбейнито-каинитовыми и каинитовыми минералами.

Залегающие здесь Стебниковское, Калуш-Голынское и Домбровское месторождения характеризуются небольшими (по площади) размерами и сложным геологическим (в том числе тектоническим) строением. Мощность пластов колеблется от 2,5 до 70 м. Углы падения изменяются от наклонных до крутых. Мощные соляные формации содержит Прикаспийская впадина- более 2000 м, которые распространены на больших площадях.

В Туркменистане расположены Карлюкское и Карабильское месторождения сильвинитовых и карналлитовых руд. Мощность соленосной толщи составляет 800-900 м.

1.3 Технология ведения горных работ на калийных пластах, ее обусловленность строением вмещающего массива и свойствами соляных пород

Рис. 1. Элементы и угловые параметры мульды сдвижения:

а - главное сечение мульды сдвижения по падению-восстанию пласта; б - главное сечение мульды по простиранию: в - главное сечение мульды по падению-восстанию при неполной подработке земной поверхности; - угол падения пласта (для условий Верхнекамского месторождения можно принять а=0°, а в качестве основной рассматривать схему «б»); - граничные углы; - углы полных сдвижений; Д₁, Д₂ - размеры выработанного пространства по падению и простиранию, соответственно; L_1, L₂- размер краевой части мульды соответственно по восстанию и падению пласта; L₃ - размер краевой части мульды по простиранию пласта; L₄ - длина зоны полной подработки земной поверхности; I - внутренняя граница краевой части (ВГКЧ) мульды сдвижения

Расчетными параметрами сдвижения подрабатываемого массива (параметрами деформаций поверхности, оцениваемыми эмпирико-аналитическим методом) являются: оседания ,м; наклоны i; кривизна ,м^-1; горизонтальные деформации . Суммарные (в зоне полной подработки и в зоне сжатия краевой части мульды) деформирования земной поверхности характеризуются макро- и микродеформациями. Для постоянных краев частей мульд сдвижения макродеформации рассчитываются по зависимостям:

(1)

где - оседание поверхности в точке с безразмерной координатой z, ;

х - расстояние от внутренней (со стороны выработанного пространства) границы краевой части (ВГКЧ) мульды до рассматриваемой в ее пределах точки, м;

Z_Т - длина краевой части мульды сдвижения в рассматриваемом сечении, м:

- в условиях полной подработки

(2)

- в условиях неполной подработки

где D - ширина выработанного пространства в рассматриваемом сечении мульды, м;

- расстояние от почвы разрабатываемого пласта до земной поверхности, м;

- оседание поверхности на ВГКЧ, достигнутое за время t, м; для случая конечных оседаний на этой границе:

, (3)

где - выемочная мощность пласта, м;

- коэффициент извлечения руды из недр, определяемый, например, при камерной системе разработки и комбайновой выемки руды как:

, (4)

где S_x - площадь очистной камеры, м²;

а - ширина камеры (при многоходовых камерах - с учетом ширины межходовых целиков), м;

3. Типовые задачи управления сдвижением горных пород при подземной разработке калийных месторождений

Методически типовые задачи о сдвижении горных пород, в общих чертах, могут быть классифицированы следующим образом.

Определение параметров, характеризующих изменение НДС подрабатываемой толщи пород:

- задачи по определению конечных величин оседаний (сдвижения) земной поверхности в зоне полной (неполной) подработки (на ВГКЧ мульды сдвижения);

- задачи по определению величины сдвижения земной поверхности на ВГКЧ мульды во времени;

- задачи по определению величины сдвижения (в том числе и во времени) в пределах постоянных краевых частей мульд сдвижения;

- задачи по определению деформаций земной поверхности (наклоны, кривизна, горизонтальные деформации) в пределах постоянных краевых частей мульды сдвижения (в том числе и во времени).

Выбор параметров горнотехнических мероприятий по управлению региональным состоянием массива:

- задачи по корректировке параметров камер и МКЦ для ограничения оседаний и деформации поверхности;

- задачи по корректировке технологий ведения горных работ (например, переход к технологии выемки пластов системами с закладкой выработанного пространства);

- задачи по региональной оценке предпрогнозного состояния пород комплекса водозащитной толщи;

- задачи по оценке целесообразных сроков применения защитных мероприятий применительно к подрабатываемой поверхности, как экологическому объекту.

Круг задач, требующих практического решения, как очевидно, значительно шире перечисленного выше. Но такие задачи обычно требуют существенной конкретизации исходных данных, отвечающих им специфическим положениям методик расчета и т.д. и т.п. Однако рассмотренные задачи, характеризуемые некоторой предельной постановкой, позволяют студенту в общем виде освоить принципиальные методические положения и подходы в решении вопросов регионального управления состоянием подрабатываемого массива горных пород.

4. Определение параметров, характеризующих изменение напряженно-деформированного состояния подрабатываемого массива горных пород

1. Определяю расстояние от границы выработанного пространства по пласту «АБ» до зоны полной подработки.

Рис. 2. Схема к решению задачи определения полных оседаний в «точке А»

Сопоставляя величины l и , убеждаюсь, что рассматриваемая «точка А» находится в зоне полной подработки, т.к. (330 м > 252 м).

2. Определяю , , , .

,

где (здесь ширина двух межходовых целиков в очистной камере составляет (1,5 + 1,5) = 3 м).

.

Степень заполнения камеры закладкой определяется при м (для закладки самоходными вагонами).

.

Для заданных D_max = 1000 м и D_min = 800 м коэффициенты степени подработанности поверхности следует принять равными 1.

.

3. Рассчитываю величину конечных оседаний (сдвижения) земной поверхности в зоне полной подработки

.

Ответ. Оседание (сдвижение) земной поверхности в «точке А» при принятых условиях составит .

4.2 Определение положения внутренней границы краевой части мульды сдвижения

калийное месторождение сдвижение горная порода

Задача. Определить положение ВГКЧ мульды сдвижения относительно границы выработанного пространства и конечных оседаний на ВГЧК в случае полной подработки поверхности двумя сильвинитовыми пластами «АБ» и «Красный II». Выемка пластов - комбайновая, закладка очистных камер не предусматривается, коэффициент технологических потерь k = 1,05. Глубина залегания пласта «АБ» 306 м, «Кр.II» 325 м. Вынимаемая мощность по пласту «АБ» составляет , по пласту «Кр.II» . Ширина трехходовых камер по пласту «АБ» , при ширине каждого из двух межходовых целиков равной 1,5 м. Ширина МКЦ на данном пласте . На пласте «Кр.II» ширина камер (в том числе с одним межходовым целиком шириной 2 м), ширина МКЦ .

Решение.

1. Нахожу положение ВГКЧ мульды сдвижения относительно границы выработанного пространства нижнего пласта.

Принимаю ,

Рис. 3. Схема к решению задачи определения оседаний в постоянной краевой части мульды сдвижения: Z=x/Lm

Кривая «АВС» - эпюра сдвижений в краевой части мульды; «АВ» - зона сжатия в подработанной толще.

2. Определяю коэффициент извлечения полезного ископаемого из недр:

- по пласту «АБ»:

- по пласту «Кр.II»:

3. В соответствии с условиями задачи

, .

4. Определяю величины конечных оседаний поверхности на ВГКЧ мульды сдвижения:

- при выемке пласта «АБ»

- при выемке пласта «Кр.II»

- суммарные сдвижения

Ответ.

1. Внутренняя граница краевой части ВГКЧ мульды сдвижения находится на расстоянии 227,6 м от контура выработанного пространства по нижнему из отрабатываемых пластов («Кр.II»).

2. Величина суммарных конечных оседаний поверхности ВГКЧ мульды сдвижения при рассматриваемых горно-геологических условиях составляет 3,44 м.

4.3 Расчет величины конечных оседаний поверхности

1. Определяю степень заполнения очистных камер закладкой, в качестве которой используется пустая порода.

2. Определяю коэффициент извлечения полезного ископаемого из недр.

3. По условиям задачи принимаю .

4. Определяю оседание поверхности, обусловленные выемкой полезного ископаемого по пластам:

- при выемке пласта «АБ»

- при выемке пласта «Кр.II»

Ответ.

Величина суммарных конечных оседаний поверхности в зоне полной подработки (на расстоянии не менее 227,6 м в направлении отработанного пространства от его контура) при применении технологии добычи руды с закладкой очистных камер по пластам «АБ» и «Кр.II» составляет 0,41 м.

4.4 Определение степени подработанности поверхности и величины ее конечных оседаний

1. Определяю нагрузки на целикии их «длительную» прочность Q, что отвечает условиям работы МКЦ (наличие полной подработки, длительный характер нагружения, «геометрия» целиков).

Для имею:

, МПа

- по пласту «АБ»:

МПа

- по пласту «Кр.II»:

МПа

Для Q имею:

, МПа

- по пласту «АБ»:

МПа

- по пласту «Кр.II»:

МПа

Рассчитываю степень нагружения МКЦ по пластам.

- по пласту «АБ»:

- по пласту «Кр.II»:

Средневзвешенное значение «с» по площади выемки (с учетом геометрических параметров МКЦ):

.

2. Рассчитываю величину конечных оседаний на ВГКЧ мульды сдвижения

,

которая для условий данной задачи (, ) имеет вид:

Рассчитываю коэффициенты извлечения руды из недр:

- по пласту «АБ»:

- по пласту «Кр.II»:

Определяю оседание поверхности :

- по пласту «АБ»:

- по пласту «Кр.II»:

- суммарные оседания:

3. Для условий подработки поверхности пластом «АБ» и «Кр.II» при степени нагружения МКЦ более 0,7 () рассчитываю величину оседаний .

, м

Принимаю в качестве суммарные оседания, вычисленные в п.2, а параметр Z=0 (рис.3).

На момент времени t = 3 года

.

Ответ. При полной подработке толщи пород двумя пластами «АБ» и «Кр.II» с принятыми технологическими параметрами, оседание поверхности на ВГКЧ мульды сдвижения (при постоянной краевой части мульды) составит по истечении трех лет с момента остановки фронта очистных работ .

Заключение

В ходе данной работы были проведены расчеты параметров, характеризующих изменения напряженно-деформированного состояния подрабатываемого массива горных пород. Оседание (сдвижение) земной поверхности в точке «А» при заданных условиях составит 0,5 м. Внутренняя граница краевой части ВГКЧ мульды сдвижения находится на расстоянии 227,6 м от контура выработанного пространства по нижнему из отрабатываемых пластов («Кр.II»). Величина суммарных конечных оседаний поверхности ВГКЧ мульды при рассматриваемых горно-геологических условиях составит 3,44 м. Величина суммарных конечных оседаний поверхности в зоне полной подработки (на расстоянии не менее 227,6 м в направлении отработанного пространства от его контура) при применении технологии добычи руды с закладкой очистных камер по пластам «АБ» и «Кр.II» составит 0,41 м. При степени подработанности поверхности величина сдвижения при принятых параметрах и технологии ведения очистных работ составит . При полной подработке толщи пород двумя пластами «АБ» и «Кр.II» с принятыми технологическими параметрами, оседание поверхности на ВГКЧ мульды сдвижения (при постоянной краевой части мульды) составит по истечении трех лет с момента остановки фронта очистных работ .

Список литературы

1. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1980.

2. Борисов А.А. Управление горным давлением. М.: Недра, 1983.

3. Галаев Н.З. Управление состоянием массива горных пород при разработке рудных месторождений. М.: Недра, 1990.

4. Зильбершмидт В.Г. Технология подземной разработки калийных руд / В.Г. Зильбершмидт, К.Г. Синопальников, Г.Д. Нолянина. М.: Недра, 1977.

5. Мозер С.П. Горная геомеханика: физические основы и закономерности проявлений геомеханических процессов при подземной разработке месторождений / СП. Мозер, Е.Б. Куртуков. СПб.: Недра, 2009.

6. Пермяков Р.С. Справочник по разработке соляных месторождений / Р.С. Пермяков, О.В. Ковалев, В.Л. Пинский. М.: Недра, 1986.

7. Пермяков Р.С. Внезапные выбросы соли и газа / Р.С. Пермяков, Н.М. Проскуряков. Л.: Недра, 1972.

8. Проскуряков Н.М. Управление состоянием массива горных пород: учебник для вузов. М.: Недра, 1991.

9. Турчанинов И.А. Основы механики горных пород / И.А. Турчанинов, М.А. Иофис, Э.В. Каспарьян. Л.: Недра, 1968.

10. Указания по защите рудников от затопления в условиях Старобинского месторождения калийных солей. Мн.: Белгорхимпром и др., 1994.

11. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987.

12. Христианович С.А. Механика сплошной среды. М.: Недра, 1981.

13. Шиман М.И. Предотвращение затопления калийных рудников. М.: Недра, 1992.

Размещено на Allbest.ru