Обоснование критериев нарушения сплошности водозащитной толщи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обоснование критериев нарушения сплошности взт

Н.А. Самоделкина

Одной из задач безопасного ведения горных работ на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей является поддержание сплошности водозащитной толщи (ВЗТ), отделяющей продуктивные пласты калийных и магниевых солей от водоносных горизонтов. Под действием горного давления, поддерживающие целики могут деформироваться и разрушаться, приводя к прогибу ВЗТ. В результате, возникает опасность образования водопроводящих трещин, что в конечном итоге может привести к попаданию пресных грунтовых вод в выработанные пространства и затоплению калийного рудника.

В соответствии с действующими нормативными документами [1] критерии безопасной подработки ВЗТ определяются суммарной мощностью соляных слоев, в которых не возникают трещины отрыва при деформировании толщи пород под воздействием горных работ. Эти критерии установлены в 90-х годах и основываются на физических параметрах нарушения сплошности ВЗТ - предельный прогиб слоев ВЗТ и предельные деформации растяжения. Причем, для последнего показателя четкие количественные показатели в нормативных документах отсутствуют.

Анализ условий деформирования краевых частей ВЗТ показывает, что в рамках физического моделирования наиболее адекватно этим процессам отвечает изгиб жестко закрепленных плит-балок. В этой связи для уточнения критериев нарушения сплошности ВЗТ проводились испытания однослойных и многослойных плит-балок, изготовленных из каменной соли.

Результаты лабораторных испытаний [2] (полные диаграммы деформирования, включающие и запредельную стадию в координатах «нагрузка-максимальный прогиб»; значения максимального прогиба плит-балок на момент образования магистральной трещины и на момент разрушения) легли в основу для параметрической настройки математической модели водозащитной толщи, реализация которой позволит конкретизировать инженерные критерии нарушения ее сплошности.

Теоретическая интерпретация результатов физического моделирования основывалась на численном моделировании деформирования и разрушения плит-балок в соответствии со схемой лабораторных экспериментов. Математическое моделирование осуществлялось в упруго-пластической постановке в рамках плоского деформированоого состояния по прямой схеме метода конечных элементов. Результаты двумерных расчетов выборочно контролировались трехмерным математическим моделированием. Численная реализация упругопластических задач проводилась на основе метода начальных напряжений.

Предельные напряжения в области сжатия описываются законом Кулона:

.

а в области растяжения ограничивается прочностью на растяжение:

В расчетах по специальной процедуре учитывалось различие модулей деформации соляных пород при сжатии и растяжении. При моделировании деформирования двух-и трехслойных плит-балок учет наличия контактов между слоями осуществлялся с использованием контактных элементов Гудмана по полной диаграмме их деформирования:

,

где - касательные напряжения по линии контакта, - деформация сдвига, - сдвиговая жесткость контакта, - сдвиговая жесткость контакта на участке разупрочнения, - пиковая прочность контакта, - остаточная прочность.

На конце консольно-закрепленной плит-балке задавались кинематические граничные условия, определяемые перемещением траверсы в лабораторных экспериментах. В этой связи решение задач осуществлялось пошагово в приращениях.

Основной целью математического моделирования в условиях существенного разброса механических характеристик соляных плит являлось определение показателей, наиболее адекватно отвечающих всему объему физических экспериментов (испытаниям однослойных и многослойных плит-балок различной толщины). Поскольку основными параметрами трещинообразования при лабораторных испытаниях являлись максимальный прогиб и соответствующее ему усилие на момент образования трещин, то контроль результатов математического моделирования осуществлялся именно по этим показателям. Их определение производилось на основе анализа полных диаграмм деформирования «усилие-максимальный прогиб», построенных в процессе численных экспериментов, с фиксацией начала развития пластических деформаций, которое принималось соответствующей моменту трещинообразования.

По результатам теоретического анализа установлена линейная зависимость максимального прогиба на момент образования магистральной трещины для плит-балки заданной толщины от предельной горизонтальной деформации растяжения , которая определялась как отношение растягивающего напряжения на участке зарождения трещины к модулю деформации при растяжении: водозащитный калийный плита балка

.

На основании расчетных данных при выбранных обобщенных прочностных и деформационных показателях построены зависимости критического прогиба плит на момент образования трещин от их толщины балок, а также зависимости относительного прогиба от отношения длины плит-балки к толщине. Данные зависимости приемлемо согласуются с результатами физического моделирования.

По обобщенным результатам математического моделирования введен новый критериальный параметр разрушения плит балок: отношение горизонтальной деформации растяжения к предельной . Данный показатель адекватно описывает разрушение плит-балок в широком диапазоне варьирования их характерных размеров, а анализ его распределения дает возможность объяснить ряд эффектов, наблюдаемых при лабораторных экспериментах. В частности, увеличение для многослойных плит-балок критического прогиба на момент трещинообразования и максимального разрушающего прогиба с ростом количества слоев.

Безразмерная запись введенного критериального параметра позволяет легко трансформировать его с физических моделей на реальные условия деформирования ВЗТ.

Геомеханический анализ безопасных условий подработки ВЗТ выполнялся для средних горно-геологических условий Верхнекамского месторождения.

Описание развития деформационных процессов в подработанном массиве во времени базировалась на разработанной модифицированной схеме метода переменных модулей. При анализе ситуации на текущий момент времени для определения интегральной функции ползучести подработанного массива использовались графики нарастания оседаний земной поверхности, полученные по данным маркшейдерских наблюдений.

В качестве условий нарушения сплошности ВЗТ (формирования субвертикальных трещин) использовались критерий Кулона-Мора и обоснованное на этапе физического моделирования и теоретического описания его результатов отношение горизонтальных деформаций растяжения к предельным значениям, определяемым как отношение предела прочности соляных пород на растяжение к соответствующему модулю деформации.

Полученные оценки по обоим критериям показали достаточно хорошее соответствие. Однако, применение введенного деформационного критерия представляется более предпочтительным, поскольку он в большей степени согласуется с уже привычной для практики Верхнекамского месторождения нормативной методологией оценки долговременной устойчивости ВЗТ, уточняя вместе с тем базовые критерии нарушения ее сплошности для различных геологических условий разработки.

Список литературы

1. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей : технолог. регламент / ВНИИГ. - СПб., 2008. - 88 c.

2. Экспериментальное определение критических прогибов соляных плит / И.Л. Паньков, В.Н. Токсаров, А.В. Евсеев, Н.Я. Ахметов // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - 2008. - № 8. - С.91-94.

Размещено на Allbest.ru