Отчет о результатах работы над диссертацией в I-м семестре (сентябрь2012 - декабрь 2012)

 В соответствии  с технологической схемой слоевой выемки нижней промышленной пачки III  калийного горизонта сначала отрабатывается  верхний IV сильвинитовый слой мощностью 1–1,3 м, а затем нижние слои II, II–III и III суммарной мощностью 1,9–2,1 м. Роль перекрытия от пород, обрушенных в результате опережающей выемки верхнего слоя, выполняет межслоевая пачка каменной соли III–IV, оставляемая в выработанном пространстве. Содержание KCL в продуктивных слоях составляет 26-32 %.

 В последние годы  совершенствование технологии слоевой выемки Третьего калийного пласта было направлено не только на повышение извлечения полезного ископаемого из недр (до 70-80 %), но и на снижение и полное устранение динамических проявлений горного давления, которое выражается во внезапном обрушении пород непосредственной и основной кровли на призабойное пространство и крепь. Это обеспечивается путем выполнения работ по разупрочнению труднообрушающихся пород кровли, созданием зон "смещения",   уменьшением междустолбовых целиков и т. д.

 

2.1 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОЛЯНЫХ ПОРОД

Для обеспечения  безопасной и рациональной отработки  калийных и каменносоляных  месторождений  подземным способом, а так же для  прогнозирования устойчивости горных выработок при проектировании и  эксплуатации калийных шахт, необходимо решить ряд проблем горной геомеханики. Одной из таких проблем является учет фактора времени на напряженно-деформированное состояние пород в зоне влияния горных выработок. Соляные породы являются телами упруго-пластическими и характеризуется большими деформациями ползучести при постоянной нагрузке во времени. Величина деформаций и напряжений соляных пород определяется, с одной стороны, величиной нагрузки, а с другой – временем ее действия. Поэтому исследование прочностных и деформационных  характеристик соляных пород без учета времени не может быть полным.

Реакция соляных пород  на различные механические воздействия  неодинакова и зависит от характера  приложения нагрузки. Как правило, породы, имеющие одинаковые механические свойства, при статических и динамических нагрузках обнаруживают значительную разницу прочностных и деформационных свойств. Это объясняется тем, что при статических нагрузках образец горной породы подвержен напряжению в полном объеме.

При практических расчетах изменения несущей способности соляных пород от действия нагрузки в течении длительного промежутка времени вводят понятие длительной прочности. Предел длительной прочности для соляных пород, испытывающих деформации ползучести, ниже их прочности при кратковременной нагрузке. Это обстоятельство имеет большое значение при расчете устойчивости горных выработок, рассчитанных на большой срок службы[9]. Учитывая большую трудоемкость, а также использование дорогостоящего профессионального оборудования при определении длительной прочности в лабораторных и тем более натурных условиях, как правило, в расчетах устойчивости выработок используют более доступный параметр – предел прочности пород на одноосное сжатие. В отчете при расчетах устойчивости горных выработок использованы данные о прочностных свойствах пород Третьего калийного пласта взятые из работы [7] и приведенными в таблицах 1, 2 настоящего отчета.

 

Таблица 1. Предел прочности  пород на одноосное сжатие (s_сж) на Третьем калийном горизонте.

Наименование горизонта, слоя Предел прочности пород на сжатие (МПа) по шахтным  полям I II III IV V* 1 2 3 4 5 6
Третий калийный горизонт
			Южное крыло	Се-верное крыло**	Южное крыло***	Се-верное крыло
Сильвинит                                  слой  I                        cлой  II                        слой  III                        слой  IV                        слой  V                        слой  VI	28,6 33,3 31,9 32,4 35,2 -	- 30,9 35,3 36,2 - -	28,6 33,3 31,9 32,4 35,2-	33,6 38,2 38,7 38,6 - -	- 38,8 32,1 32,1 - -	– – – – – -	- 37,1 35,4 35,2 36,6 34,9
Межслоевая каменная соль                                       слой  I-II                        cлой  II-III                        слой  III-IV                        слой  IV-V                        слой  V-VI	29,1 26,7 29,0 27,2 -	- 33,2 30,8 27,0 -	29,1 26,7 29,0 27,2 -	33,1 33,9 31,6 37,5 -	- 30,0 26,4 26,4 -	- - - - -	- 32,3 31,0 29,1 29,4
Подстилающая  каменная соль	29,6	-	29,6	–	-	-	-

 

Примечания 

1  Предел прочности на сжатие глинисто-мергелистых пород принимается равным 10 МПа

2* Шахтным полем V считать шахтное поле Краснослободского рудника

3**  Данные значения  s_сж  справедливы для крыльев шахтных полей Второго и Третьего калийных горизонтов, расположенных к северу от главных направлений

4*** Данные значения  σ_сж  справедливы для  южного крыла шахтного поля 4 РУ  (Березовский участок)

         5  При отсутствии данных о  пределе прочности пород на  сжатие рекомендуется пользоваться значениями  σ_сж  для I шахтного поля

 

Таблица 2. Коэффициент Пуассона  n  для пород Старобинского

                   месторождения

 

Порода	Коэффициент Пуассона n
Сильвинит	0,30
Каменная  соль	0,35
Глина	0,50

 

2.2. СПОСОБЫ ПРОВЕДЕНИЯ, КРЕПЛЕНИЯ И ОХРАНЫ ГОРНЫХ  ВЫРАБОТОК В КАЛИЙНЫХ РУДНИКАХ 

При выборе способа проведения горных выработок (капитальных и  подготовительных) руководствуются  главным критерием, а именно устойчивостью  выработок на весь срок их эксплуатации. На рудниках Старобинского месторождения  калийных солей в последние годы используется, в основном, машинный способ проведения и в небольшом количестве буровзрывной способ (различные технологические сбойки, ниши и т. д.) Способ проведения выработки, выбор мест ее заложения относительно пласта, линейные размеры выработки в конечном итоге предопределяют применение в той или иной технологии разработки полезного ископаемого, т. е. новую технологию можно применить там, где есть возможность на срок эксплуатации выемочного столба поддерживать в безопасном состоянии подготовительные выработки.

Для охраны подготовительных выработок в первые годы освоения месторождения (при камерной системе  разработки) в основном применялся только один способ – способ охраны путем оставления охранных целиков между очистными ходами, между блоковыми и панельными выработками. Размеры этих целиков обеспечивали отсутствие влияния смежноотработанных панелей (блоков), но существенным образом увеличивали потерю полезного ископаемого. Вопрос охраны и поддержания подготовительных выработок при внедрении технологии столбовой системы разработки на рудниках ОАО "Беларуськалий" возник уже на первых выемочных столбах в 1971-1974 годах и особенно при поддержании выемочных штреков шириной 4,0-4,5 м. Для охраны выработок оставляли целики, размеры которых определялись опытным путем. Кровля и бока таких выработок крепились анкерной крепью, которая не всегда обеспечивала их устойчивость. Основным направлением при разработке и дальнейшем совершенствовании способов охраны выработок являлось создание эффективных и технически возможных для условий калийных рудников методов снижения напряжений в породах находящихся на контуре выработок. Первым способом, который был разработан Житковым Э.Ф. и Ногиным П.П. и успешно внедрен на месторождении (который и сегодня используется на месторождении на глубинах до 650 м) был способ, основанный на проведении (параллельно охраняемой) специальных разгружающих выработок.

 Сущность способа  заключается в следующем. Разгружающая  выработка, предназначенная для изменения напряженного состояния, проходится первой с превышением кровли охраняемой выработки на высоту 0,8-1,0 м. Целик между охраняемой и разгружающей выработками должен быть таким (как правило 2,8-3,0 м), чтобы он разрушился в зоне опорного давления от выемочного столба и тем самым снижал действующие напряжения на контуре охраняемой выработки. При переходе горных работ на глубины свыше 650 м, из-за увеличения глинистых прослойков и их мощности, эффективность данного способа охраны резко снизилась. В середине 80-х годов прошлого столетия был разработан и реализован второй способ регулирования напряжений в породном массиве, основанный на проведении компенсационных щелей. Как показали промышленные эксперименты и исследования напряженного состояния массива горных пород, проведение компенсационных щелей на контуре выработок приводит к быстрому образованию ( в течении 2-3 месяцев) в массиве пород пониженных напряжений[10, 11]. Данный способ охраны выработок применяется сегодня на всех рудниках Первого, Второго, Третьего калийных горизонтах. 

 

2.3.КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ  ПОРОД ПО УСЛОВИЮ УСТОЙЧИВОСТИ  ПРИ ИХ ОБНАЖЕНИИ

При расчете устойчивости элементов контура горной выработки, кроме знаний физико-механических свойств  пород вблизи выработки, необходимо учитывать геологическое строений этих пород [12].               ОАО "Белгорхимпром" в конце 90-х годов разработал классификацию горных пород по условию устойчивости обнажений, которая используется сегодня горными отделами рудников и нашла отражение в работе [7]. Суть этой классификации сводится к следующему.

 По составу и строению непосредственная кровля делится на три типа. Тип кровли определяется следующим образом:

‒ в непосредственной кровле выработки на высоту 2,0 м подсчитывается количество (n) и общая мощность в сантиметрах прочных слоев. Прочными считаются монолитные слои пород галита, сильвинита, доломита, песчаниковидной соли или совокупные их агрегаты мощностью 30 мм и более. Слои, содержащие глинистые прослойки мощностью до 3 мм, принимаются как монолитные. При подсчете количества прочных слоев их границами считаются глинистые прослойки мощностью 3 мм и более. Эти прослойки глины, слои карналлита, а также слои галита, сильвинита, доломита, песчаниковидной соли или совокупные их агрегаты пород мощностью до 30 мм относятся к слабым.

‒ определяется средняя мощность прочных слоев  из отношения общей мощности прочных слоев к их количеству .

‒ определяется содержание слабых прослойков (h) по формуле:

 

               

                           (1) [1]

 

По таблице А.1 определяются тип кровли, усредненные значения предела прочности пород на сжатие и коэффициента Пуассона n_уср.

 

Таблица А.1- Типы кровли и усредненные значения предела прочности

                        пород  на сжатие и коэффициента Пуассона

 

Состав и  строение пород непосредственной кровли на высоту  2,0 м	Тип кровли	Усредненный предел прочности пород на сжатие , МПа	Усредненный коэффициент Пуассона nуср
1	2	3	4
Средняя мощность прочных слоев до 12 см; содержание слабых прослойков  h ≥ 30 %  1)	1	20,6	0,35
Средняя мощность прочных слоев от 12 до 20 см; содержание слабых прослойков h =15-30 %	II	23,5	0,3
Продолжение таблицы А.1
1	2	3	4
Средняя мощность прочных слоев 20 см и более; содержание слабых прослойков h < 15 %	III	26,5	0,3

                        

Примечание – ¹⁾ кровлю I типа с содержанием слабых прослойков не более 40 % допускается относить ко II типу, если мощность первого монолитного слоя, оставляемого в кровле выработки, не менее 0,2 м

 

 

 

 

 

 

3. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ДЕМОНТАЖНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ ОЧИСТНОЙ ВЫЕМКЕ ТРЕТЬЕГО КАЛИЙНОГО ПЛАСТА ЛАВАМИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИХ РАЗМЕРОВ, ПРИВЯЗКИ КРОВЛИ ОТНОСИТЕЛЬНО ПЛАСТА, ШИРИНЫ ОХРАННЫХ ЦЕЛИКОВ (НА ПРИМЕРЕ ЛАВЫ №87 РУДНИКА 1 РУ)

 

Как отмечалось в Первой главе данного отчета, в настоящее  время в нормативно-методических документах по ведению горных работ  на Старобинском месторождении отсутствует  методика расчета устойчивости демонтажных выработок, как отсутствует и само понятие демонтажная выработка. Для устранения этого пробела ОАО "Беларуськалий" и            ЧУП "Институт горного дела", в рамках договора 08/12 "Провести исследования и выдать рекомендации по проведению и креплению демонтажных выработок в рудниках ОАО "Беларуськалий"", ведут соответствующую работу, результаты которой дополнят (при необходимости) раннее выданные рекомендации[7]. Тем не менее, в данном разделе, выполнен расчет устойчивости демонтажной выработки (на примере лавы № 87 рудника 1 РУ) по старой методике. Результаты расчета сравним с результатами фактических инструментальных замеров, которые ведутся на руднике в настоящее время и будут отражены в последующих этапах диссертации.