Проседание поверхности над выработанным пространством

Изучение горного давления и сдвижения пород при геотехнологических методах добычи полезных ископаемых требует учета ряда факторов, таких, как избирательность извлечения, влияние насыщающих пласт жидкостей, сложная динамика процесса извлечения во времени, изменение свойств руды и вмещающих пород под влиянием рабочих агентов и т. п. Поэтому готовые решения, найденные для условий отработки месторождений обычными способами, мало применимы для расчета напряжении и деформаций горных пород при геотехнологических методах. Кроме того, меняются требования к степени устойчивости горного массива, так как под землей отсутствуют люди и механизмы.

При разных способах добычи в рудной залежи в подвижное состояние переходит различное количество твердого вещества. Так, при выщелачивании радиоактивных и редких металлов пористость руды практически не изменяется, так как растворению подвержены лишь незначительные по содержанию минералы полезного ископаемого. Обработка руд с содержанием полезного компонента 15—20% и более сопровождается обычно разрушением структуры руды и ее уплотнением. Этот процесс во многом зависит от текстуры и структуры, а также от минерального и гранулометрического состава рудного скелета.

Руды прожилковые, гнездовые, вкрапленные с прочным скелетом могут сохранять целостность первоначальной структуры, в то время как землистые, дисперсные, брекчиевидные и другие разности полностью разрушаются. Следствием этого могут быть различные осложнения. Если над разрушившейся рудой залегают прочные породы, то в кровле рудного пласта образуется полость, а при пластичных покрывающих породах последние плавно оседают. Однако при этом может произойти нарушение цементных колец вокруг скважин, повреждение рабочих колонн и т. д.

В отличие от традиционных способов отработки, где определяющую роль играет давление горных пород на крепь и целики, обусловленное их массой, свойствами и формой выработок, при геотехнологических методах напряжения и деформации горного массива определяются сложным комплексом гравитационных, гидротермодинамических и физико-химических процессов. Это требует нового подхода к решению поставленной проблемы. Подобный подход впервые сформулирован Ю.П. Желтовым, а также В.А. Мироненко и В.М. Шестаковым, в работах которых сделана попытка связать проблему деформаций горных пород с фильтрацией насыщающих их жидкостей воедино, в основы гидрогеомеханики.

В общей постановке задача изучения проявлений горного давления сводится к определению напряжений и деформаций горной среды с учетом гравитационных, гидротермодинамических, поверхностных и молекулярных сил при условии, что свойства горной среды изменяются во времени и пространстве. Однако совершенно очевидно, что решение задачи в общем виде практически невозможно. Поэтому на данном этапе выделяется ряд частных задач, имеющих, с нашей точки зрения, наибольшее практическое значение.

К ним относятся: 1) расчеты устойчивости выработанных пространств; 2) определение устойчивости или динамики разрушения целиков; 3) прогноз характера сдвижения пород и поверхности над отработанным пространством; 4) исследование процессов деформации отрабатываемого рудного массива и вызываемых этой деформацией изменений в течении геотехнологического процесса и др.

Примером решения задачи о распределении напряжений в горном массиве с учетом влияния воды может служить уравнение Ю.П. Желтова для одиночной сферической камеры:

где or и от — радиальное и касательное напряжение; qг — горное давление, зависящее от массы вышележащих пород; P0 — давление жидкости в камере; r0 — радиус камеры; r — координата.

Из приведенной формулы видно, что, регулируя величину давления воды Po, можно обеспечить сохранность выемочной камеры на любой глубине. Аналогичным образом решаются задачи для выработок другой формы. В частности, вертикальная составляющая напряжения oz в междукамерных целиках при подземном растворении каменной соли системой камер радиусом r0 и высотой h, расположенных по квадратной сетке со стороной L, выражается формулой

где у1, у2, у3 — соответственно плотность пород кровли, соли и рассола; H0 — глубина до кровли камеры; P — избыточное давление рассола над устьем скважины.

Из этой формулы видно, что управление горным давлением в данном случае сводится к выбору оптимальных параметров L, r и р.

При некоторых геотехнологических методах добычи полезных ископаемых условие устойчивости целиков необязательно, требуется только обеспечить безопасность ведения работ над выработанным пространством на поверхности. Примером может служить оценка возможной величины оседания песчаных целиков между камерами, образующимися при скважинной гидродобыче. Рассмотрим эту задачу для условий Кингисеппского месторождения фосфоритов. Рудное тело представляет собой слабосцементированный песок, мощность которого составляет 3 м.

Проседание поверхности над выработанным пространством

Пески характеризуются коэффициентом сцепления 0,31 и углом внутреннего трения 33°.

Над ними залегают известняки, мергели и суглинки мощностью 20 м. Уровень воды практически совпадает с поверхностью земли.

Принимаем для простоты, что выработки имеют полосообразную форму шириной 2 (х2—х1) (рис. 61). Ширина целика равна 2 х1. Сила давления налегающих пород на единицу длины целика определяется формулой

где у1, у2 — плотность пород и воды; остальные обозначения ясны из рисунка.

Так как давление нагрузки на целик распределяется неравномерно, вполне обосновано предположить, что края целиков обрушатся с образованием откосов под углом а к горизонтали.

Решение задачи об устойчивости откоса с пригрузкой, равной Po, широко известно. В.В. Соколовским составлены таблицы и графики для определения предельного давления из выражения

где tg ф и С — угол трения и сцепление; oz — безразмерный коэффициент, определяемый по таблицам, в зависимости от углов трения и откоса.

Для принятых условий oz=15,7 и P0=0,48 МПа. Если Р>Р0, целик будет раздаваться в стороны до тех пор пока площадь опоры не увеличится так, что давление станет меньше предельного. Необходимую ширину горизонтальной площадки x3, удерживающей давление налегающих пород, находим из выражения

Принимая материал целика несжимаемым, можем найти высоту его после оседания из условия равенства объемов до и после раздавливания.

Если основание раздавленного целика больше суммы полуширины камеры и целика, то

Из этих уравнений находим величину оседания при различных параметрах выемки.

Для условий с заданными свойствами руды, глубиной залегания и напором воды x3 = Мх2, где M — безразмерный множитель, определяемый из выражения (VII.5). Для нашего примера M = 0,58.

Учитывая, что x2 = а/n и x1 = (а/ц) — а, где а — ширина выработки; n — коэффициент извлечения, получаем следующие выражения для вычисления осадки в зависимости от о и n при ширине целика по низу, меньшей 2 х2:

и при ширине по низу, больше 2 х2:

Числовые расчеты для приведенного примера дают следующие величины высоты целика в зависимости от степени извлечения:

Полученные данные хорошо аппроксимируются уравнением

При извлечении 60% максимальная величина проседания составит 1,4 м. Фактически это проседание будет меньше, так как произойдет некоторое разрыхление покрывающих пород. При высоком уровне грунтовых вод оседание может привести к заболачиванию и затоплению территории, для борьбы с которыми потребуются определенные мелиоративные мероприятия.

Если залежи руд имеют большую мощность, оседания пород над выработанным пространством могут достигать значительных размеров. Так, например, на территории Карфагенского рассолопромысла на поверхности образовалась серия воронок глубиной до 10 м и диаметром до 30 м, напоминающих карстовые провалы.

В некоторых случаях оседание может создать затруднения для ведения добычных работ. В частности, авторами предложена отработка Яковлевского железорудного месторождения KMA методом скважинной гидродобычи с твердеющей закладкой камер. Это позволит избежать оседания и одновременно обеспечит высокую степень извлечения.

Очень сложные и интересные задачи возникают при подземной выплавке серы. Из опыта ПНР известно, что обычно массив выплавленных руд разрушается, что сопровождается плавным прогибанием поверхности земли. В то жe время на одном из участков ПВС месторождения серы произошло поднятие поверхности на высоту до 2,6 м, что вызвало ряд технических осложнений.

Очевидно, что основными факторами, обусловливающими деформации покрывающей толщи при подземной выплавке серы, являются: 1) уменьшение прочности рудного пласта; 2) повышение температуры пласта и покрывающих пород и 3) давление теплоносителя. Как правило, выплавленные руды полностью разрушаются под массой вышележащих пород и влиянием температурных напряжений с образованием обломочной породы, имеющей пористость 20—25%. Объемное содержание серы в рудах составляет обычно 30—35%. Отсюда видно, что возможная величина осадки составляет 10—15% от мощности зоны плавления. Поднятие пород может происходить под влиянием температурного расширения пород и давления теплоносителя, причем оба фактора действуют совместно.

Давление теплоносителя на устьях серодобычных скважин в период эксплуатации участка ПВС составляло 1,2—1,5 МПа. Глубина залегания серных руд 80—90 м; покрывающая толща представлена песчаниками мощностью до 15 м, над которыми залегает однородная толща мергелистых глин. Средняя объемная масса покрывающих пород составляет 2 г/см3.

С учетом влияния воды вертикальная составляющая напряжения на уровне кровли пласта (глубина 80 м) отрицательна (растягивающее напряжение) и достигает от -0,6 до -0,9 МПа. Таким образом, на участке существовали все условия для образования трещин гидроразрыва на контакте известняков с покрывающими породами. Простейшие опыты показывают, что песчаники быстро размокают в горячей воде и образовавшиеся трещины не могут быть устойчивыми. Их поверхности дезинтегрируются, вследствие чего песчаники теряют водоупорные свойства. В результате растягивающие напряжения в породе возрастают, а их максимум перемещается выше.

Образование водопроводящих каналов в песчаниках было установлено термометрией. При бурении контрольных скважин на участке выявлено, что песчаники местами приобрели текучую консистенцию.

Наглядным подтверждением связи поднятия поверхности с давлением теплоносителя служат приведенные на рис. 62 гидротермодинамическая карта и разрез, на которых показано распределение давлений в пласте и величина поднятия поверхности. Интересно, что максимальная величина поднятия отмечается в районе, где еще отсутствует развитая зона плавления, оседание пород в которой могло бы в определенной степени компенсировать поднятие.

Важнейшими направлениями исследования в области изучения закономерностей деформации массивов горных пород при геотехнологических методах добычи полезных ископаемых являются: а) изучение изменений структуры и свойств руд и вмещающих пород в процессе эксплуатации; б) исследование распределения скоростей движения, давлений и температур насыщающих пласт жидкостей в процессе и после отработки; в) решение задач о распределении напряжений в горном массиве с учетом влияния заполняющих выработанное пространство рабочих и продуктивных флюидов и расчет результирующих деформаций; г) выбор способов управления горным давлением и определение оптимальных режимов и систем эксплуатации месторождений, в том числе с закладкой выработанных пространств.