Размещено на http://www.allbest.ru/

Специальность 25.00.20 Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Исследование и прогноз изменчивости механических свойств соляных пород Верхнекамского месторождения

Аникин Владимир Васильевич

Пермь - 2008

Работа выполнена в Горном институте Уральского отделения

Российской академии наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Барях Александр Абрамович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук Андрейко Сергей Семенович

- кандидат технических наук Глебов Сергей Валерьевич

Ведущая организация: Пермский государственный технический университет

Защита состоится "20" ноября 2008 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 004.026.01 при Горном институте УрО РАН по адресу: 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института УрО РАН.

Автореферат разослан "____" октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Бачурин Б.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Для защиты калийных рудников Верхнекамского месторождения солей (ВКМС) от затопления применяется камерная система разработки, обеспечивающая сохранение сплошности водозащитной толщи, которая отделяет отрабатываемые пласты от вышележащих водоносных горизонтов. Расчет параметров камерной системы разработки для участков шахтных полей должен основываться на достоверных результатах механических испытаний соляных пород. При освоении новых перспективных участков месторождения требуется обоснование проектных параметров отработки, что, в свою очередь, связано с необходимостью прогнозных оценок механических свойств продуктивных пластов.

Соляные породы характеризуются значительной вариацией минерального состава, разнозернистой структурой, слоистостью, наличием естественной микро- и макро нарушенности. Неоднородность состава и строения соляных пород обуславливает существенное различие их поведения под нагрузкой и значительный разброс механических показателей.

Схема механического опробования, применяемая в настоящее время на рудниках ВКМС, не обеспечивает получение достоверной информации об изменчивости механических свойств соляных пород, как по площади выемочных участков, так и по мощности продуктивных пластов. Кроме того, отсутствует обоснованная система прогноза механических свойств соляных пород на участках, планируемых к освоению. Для таких оценок, как правило, используются средние для всего месторождения механические показатели.

Таким образом, исследование механических свойств соляных пород Верхнекамского месторождения, установление их зависимости от вариации состава и условий залегания представляет актуальную задачу геомеханики, а разработка на основе ее решения обоснованных методик опробования и прогноза имеет важное значение для обеспечения безопасности горных работ и защиты калийных рудников от затопления.

Цель работы - обоснование схемы опробования и методов прогнозирования, обеспечивающих достоверные оценки изменчивости механических свойств соляных пород.

Основная идея работы - установление методами математической статистики зависимости механических свойств соляных пород от вариации состава и условий залегания.

Задачи исследований:

- сформировать базу данных по результатам исследования механических свойств и химического состава пластов продуктивной толщи;

- выявить возможные корреляционные связи между механическими свойствами соляных пород, условиями их залегания и элементами химического состава;

- на основе определения доминирующих факторов разработать статистические модели, позволяющие прогнозировать прочностные свойства соляных пород;

- построить прогнозные карты распределения прочностных свойств по шахтным полям рудников ОАО "Сильвинит";

- методами статистического анализа площадной изменчивости прочности соляных пород оптимизировать шаг механического опробования основных рабочих пластов;

- изучить изменчивость механических свойств соляных пород на участках осложнений геологического строения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Количественная зависимость средневзвешенного предела прочности основных рабочих сильвинитовых пластов АБ и KpII от условий их залегания и химического состава, выраженная в уменьшении прочности с ростом абсолютных отметок кровли, содержания нерастворимого остатка и ее увеличении с повышением содержания сульфата кальция.

2. Обоснование оптимальной сети механического опробования рабочих пластов, обеспечивающей достоверные оценки изменчивости прочностных показателей с допустимой 10 % вариацией.

3. Соляные породы в окрестности зон замещения продуктивных пластов характеризуются снижением предела прочности при сжатии и разрушающей деформации, а в зонах развития открытых трещин - увеличением жесткости и уменьшением прочности при растяжении.

Научная новизна:

1. На основе корреляционного анализа определены факторы, значимо влияющие на прочность соляных пород рабочих пластов KpII и АБ сильвинитового состава.

2. Построены статистические модели, позволяющие оценить величину средневзвешенного предела прочности соляных пород в зависимости от условий залегания и химического состава.

3. Обоснована схема минимального объема опробования сильвинитовых пластов KpII и АБ, обеспечивающая достоверную оценку их средневзвешенного предела прочности на одноосное сжатие.

4. Экспериментально установлено, что в соляной толще, залегающей над рифогенными структурами, отмечается снижение прочности и увеличение деформативности пород, приуроченных к склоновой части рифов, и проявление пластичности в верхних интервалах разреза над его сводовой частью.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом материалов для статистических исследований, строгой постановкой теоретических задач, корректным применением аппарата математической статистики, удовлетворительной сходимостью расчетных и фактических значений исследуемых механических параметров.

Практическая ценность работы:

1. Разработана методика прогнозирования механических свойств, позволяющая оценить прочностные параметры соляных пород на изучаемых и отрабатываемых участках месторождения при отсутствии результатов прямого механического опробования.

2. Предложена методика механического опробования рабочих пластов KpII и АБ, обеспечивающая достоверные оценки распределения прочностных свойств по площадям шахтных полей и мощности продуктивных пластов.

Реализация результатов работы. Методика механического опробования используется на рудниках ОАО "Сильвинит" и ОАО "Уралкалий" при определении механических свойств рабочих пластов. Методика прогнозирования механических свойств применяется при проектировании горных работ на рудниках ОАО "Сильвинит".

Апробация результатов диссертационной работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 1999, 2001, 2004, 2006, 2007, 2008), международных конференциях Geotechnika w budownictwie I gornictwiew (Wroclaw, 2003) и "Напряженное состояние породного массива и наведенная геодинамика недр (Бишкек, 2006), научном симпозиуме "Неделя горняка - 2005" (Москва, 2005) и региональной научно-практической конференции "Геология и полезные ископаемые Западного Урала" (Пермь, 2006, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 233 страницы, включая 133 рисунка, 71 таблицу, 4 приложения, список использованной литературы из 82 наименований.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам Горного института: В.А. Асанову, В.Н. Токсарову, И.Л. Панькову, Л.Н. Шатовой, А.С. Лошкареву, А.В. Евсееву, А.П. Лепихину, И.И. Чайковскому, Б.М. Голубеву, О.В. Иванову, С.В. Некрасову за внимание к проводимым исследованиям и оказанную помощь в процессе работы над диссертацией. При сборе материалов автору была оказана поддержка сотрудниками геологических служб рудников СКПРУ-1, СКПРУ-2 и СКПРУ-3 ОАО "Сильвинит", за что автор выражает им искреннюю благодарность.

Основное содержание диссертационной работы

Глава I. Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования. Известно, что основные причины разброса механических показателей соляных пород, влияющих на достоверность получаемых оценок, можно разделить на две группы.

К первой группе относятся причины, обусловленные природными факторами (минералогический состав, структура, текстура и т.д.), которые не зависят от условий испытания.

Вторую группу составляют причины методического характера, важнейшими из которых являются: размер и форма образцов, скорость приложения нагрузки, вид напряженного состояния, жесткость нагружающей системы, влажность, шаг опробования. Анализ работ А.А. Антонова, В.А. Асанова, А.А. Баряха, А.И. Баженова, З.А. Бича, В.Л. Водопьянова, В.Н. Воронцова, А.А. Вопилкина, И.Х. Габдрахимова, С.Я. Жихарева, В.Г. Зильбершмидта, Ю.М. Карташова, С.А. Константиновой, М.В. Курлени, Б.В. Лаптева, А.М. Линькова, Е.В. Лодуса, В.Е. Маракова, О.Б. Наймарка, И.Л. Панькова, А.М. Пенькова, Р.С. Пермякова, Н.М. Проскурякова, Б.Г. Тарасова, Б.В. Титова, А.Б. Фадеева, А.К. Черникова и других авторов показывает, что влияние методических причин на механические показатели в достаточной степени изучено. Воздействию же многообразных природных факторов на прочностные и деформационные свойства соляных пород посвящены лишь отдельные исследования. Так, ряд работ (С.А. Константинова, А.Н. Ставрогин и др.) посвящен изучению влияния глубины отработки на механические свойства соляных пород. Опубликованы зависимости (Х. Пфорр, Г. Розетц, А.И. Кудряшов и др.) прочности соляных пород от компонентов химического состава.

Вместе с тем, планомерные исследования изменчивости механических свойств соляных пород в зависимости от условий их залегания и вариации состава на территории Верхнекамского месторождения не проводились. В этой связи отсутствует обоснованная методика механического опробования рабочих пластов, представляющая параметрическую основу геомеханического обеспечения безопасности горных работ и защиты калийных рудников от затопления.

Глава II. Взаимосвязь прочностных свойств соляных пород с условиями их залегания и химическим составом. Для изучения связи между механическими свойствами соляных пород, условиями их залегания и химическим составом выполнен статистический анализ материалов, основанных на данных детальной и эксплуатационной разведки шахтных полей рудников СКПРУ-1, 2, 3 ОАО "Сильвинит", расположенных в центральной части Верхнекамского месторождения солей. Исследование взаимосвязей проводилось для сильвинитовых пластов KpII и АБ.

В статистическом исследовании использованы геологическое описание керна геологоразведочных скважин, выполненное работниками геологических служб рудников, результаты опробования керна разведочных скважин по составу, проведенного в химико-аналитических лабораториях рудоуправлений, а так же данные по определению физико-механических свойств образцов соляных пород, полученные в Горном институте УрО РАН.

Для анализа использовались результаты по двум совмещенным скважинам, одна из которых предназначалась для физико-механических испытаний, другая - для опробования на химический состав. За основной механический параметр принят предел прочности на сжатие (, МПа), который является определяющим при расчете параметров системы разработки. Обзор литературных источников и выполненные исследования позволили выделить возможные влияющие факторы: абсолютная отметка кровли пласта (, м) и мощность пласта (, м) в точке расчета, а также компоненты химического состава сильвинитовых руд рабочих пластов: нерастворимый остаток (Н.О., %), хлористый калий (KCl, %), хлористый натрий (NaCl, %), хлористый магний (MgCl₂, %), сульфат кальция (CaSO_4, %)

Известно, что пласты А и Б имеют разный минеральный состав и текстурно-структурные особенности. Вместе с тем, средневзвешенные оценки компонентов химического состава керна в пределах одной скважины, пройденной по пластам А и Б, позволяют учесть "вклад" каждого из них в итоговое значение соответствующего показателя, используемое в анализе. Кроме того, средневзвешенные оценки значительно более устойчивы по сравнению с частными. Таким образом, применение средневзвешенных оценок прочности и химического состава позволяет объединить два пласта А и Б в единый горизонт и рассматривать в дальнейшем статистическом исследовании один пласт АБ.

Аналогичным образом средневзвешенные оценки учитывают неоднородность в строении пласта KpII, состоящего из 7 слоев.

Величина средневзвешенных оценок предела прочности, используемых в анализе, определялась по формуле:

МПа (1)

где предел прочности го слоя, МПа; мощность го слоя, м; количество слоев (для пласта KpII 7, для АБ - 2).

С помощью аналогичных формул производились средневзвешенные оценки химического состава рабочих пластов.

На начальной стадии анализа для каждого пласта осуществлялась проверка на нормальность распределения по критерию согласия А.Н. Колмогорова для всех рассматриваемых параметров. Установлено, что распределение изучаемых параметров хорошо согласуется с нормальным распределением за исключением содержания MgCl₂ для пласта KpII. Проверка распределения преобразованных путем логарифмирования значений данного параметра показала, что оно хорошо согласуется с нормальным распределением.

При выполнении корреляционного анализа строилась корреляционная матрица (табл. 1) и проводилась проверка полученных коэффициентов корреляции.

Таблица 1. Корреляционная матрица между средневзвешенным пределом прочности, элементами залегания и параметрами химического состава для пластов KpII и АБ

Определяемый параметр	Влияющие факторы
	Zкр., м	М, м	H.O., %	KCl, %	NaCl, %	MgCl2, %	CaSO4, %
Пласт KpII, n = 125 скв.
sсж., МПа	0,51	0,21	-0,22	-0,05	0,04	-0,03*	0,38
Пласт АБ, n = 102 скв.
sсж, МПа	0,34	-0,40	-0,21	-0,17	0,17	0,06	0,31
*- для пласта KpII в матрице показан коэффициент корреляции между прочностью (sсж) и Ln(MgCl2).

С целью проверки значимости указанных в табл. 1 коэффициентов корреляции использовалась критическая область вида:

, (2)

где - абсолютное значение коэффициента корреляции; - значение q - процентных пределов для распределения Стьюдента в зависимости от степеней свободы и вероятности, = 1,96; - оценка среднеквадратичного отклонения. Выделенные в табл. 2 жирным шрифтом коэффициенты корреляции не удовлетворяют условию (2), поэтому они исключены из дальнейшего анализа.

Наличие значимых корреляционных зависимостей позволило в рамках линейной регрессионной модели построить следующие уравнения связи для средневзвешенного предела прочности рабочих пластов:

1) для пласта KpII

= 25,11458 + 0,03461Z_кр. - 0,09627M - 3,22099H.O. + 4,90337CaSO₄, (3)

2) для пласта АБ

= 32,45299 + 0,03835Z_кр. - 1,80318M - 1,19099H.O. + 2,06578CaSO₄, (4)

Таблица 2. Проверка реальности корреляционных связей

Пласт	Абсолютное значение коэффициента корреляции,	Размер критической области
АБ	0,34	0,172
	0,40	0,163
	0,21	0,186
	0,17	0,188
	0,06	0,193
	0,31	0,175
KpII	0,51	0,130
	0,21	0,168
	0,22	0,167
	0,05	0,175
	0,04	0,175
	0,03	0,175
	0,38	0,150
Примечание: указанный в таблице размер критической области рассчитан для уровня значимости p = 0,05.

Величина коэффициентов множественной корреляции для пластов KpII и АБ составляет, соответственно, 0,62 и 0,68, уровень значимости p < 0,01.

Анализ достоверности уравнений связи основывался на сравнении прогнозных значений средневзвешенной прочности с фактическими, полученными при испытаниях, и показал приемлемую для инженерных расчетов сходимость: для пласта АБ различие между указанными величинами составляет 4,6 %, для пласта KpII - 16,5 %. На основе прогнозных значений прочности, рассчитанных по формулам (3) и (4), с привлечением данных фактического опробования выполнено районирование шахтных полей рудников ОАО "Сильвинит" по прочностным свойствам (рис. 1, 2).

Рис. 1. Районирование шахтных полей рудников ОАО "Сильвинит" по средневзвешенному пределу прочности при сжатии для пласта АБ



Рис. 2. Районирование шахтных полей рудников ОАО "Сильвинит" по средневзвешенному пределу прочности при сжатии для пласта KpII

При районировании использовались результаты исследований 755 скважин по пласту АБ и 547 скважин - по пласту KpII. Проведенное районирование позволило выделить на шахтных полях участки с пониженными прочностными характеристиками соляных пород.

Глава III. Обоснование системы механического опробования рабочих пластов. Расчет параметров системы разработки производится на основе прочностных испытаний образцов соляных пород, изготовленных из керна геологоразведочных скважин или монолитов. Анализ показывает, что при шаге опробования (400х 400 м) разность значений средневзвешенного предела прочности между соседними скважинами может изменяться до 10 раз и более. Таким образом, используемый на месторождении шаг опробования, по сути, характеризует прочность соляных пород лишь в точках отбора и не позволяет отслеживать изменение механических в заданном диапазоне и распространить результаты исследований на конкретную площадь. Нормативными документами регламентируется корректировка параметров системы разработки при снижении фактических прочностных показателей соляных пород более чем на 10 % по отношению к принятым средним для месторождения значениям. В этой связи, в качестве оптимального шага отбора целесообразно принять расстояние, обеспечивающее изменение величины предела прочности в 10 % интервале с приемлемой вероятностью. Расчет указанных расстояний производился по следующей схеме. На первом этапе для каждого пласта определялось число возможных комбинаций между точками отбора (подземными геологоразведочными скважинами) по формуле:

, (5)

где C - число возможных сочетаний по n элементов для массива данных, состоящего из m элементов. Для пластов АБ и KpII n = 2, поскольку рассматриваются расстояния между двумя произвольными скважинами. Общий объем массива для пласта АБ составлял 146 скважин, для пласта KpII - 204 скважины.

На втором этапе для каждой расчетной пары, определенной по формуле (5), находилось расстояние между скважинами:

, м (6)

где и - координаты соответственно первой и второй скважины в расчетной паре. Расстояние R₁, соответствующее 10% отклонению средневзвешенного предела прочности на одноосное сжатие, вычислялось по формуле:

, м (7)

где и - средневзвешенный предел прочности, соответственно, для первой и второй скважины, МПа ();- расстояние между скважинами в расчетной паре, определенное по формуле (6), м.

На третьем этапе из полученных расчетных массивов формировались рабочие выборки путем наложения двух ограничений. Первое ограничение вытекало из предположения, что максимальное расстояние между двумя соседними скважинами не превышает 400-500 м.

В связи с этим, расчеты оптимального шага отбора проводились для трех значений параметра ( ).

Второе ограничение связано с видом формулы (7), в которой при расчетные значения стремятся к бесконечности. В этой связи, необходимо, априори, ограничить какой-либо приемлемой величиной, в качестве которой целесообразно принять характерный средний линейный размер шахтного поля (= 8,7 км).

Сформированные в результате этих операций выборки подвергались статистическому анализу. Проверка по критерию согласия А.Н. Колмогорова показала, что исходное распределение расстояния значимо отличается от нормального. Для оценки основных параметров распределения проведено преобразование массива путем логарифмирования статистических рядов, содержащих значения . Расчетами установлено, что среднее значение расстояния по пласту АБ стремится к 200 м, по пласту KpII - к 300 м. Анализ изменения предела прочности на одноосное сжатие при регламентации расстояния =200 м показал, что обеспечивается приемлемая достоверность оценки латеральной изменчивости прочностных свойств сильвинитовых пород: для пласта КрII она варьирует в диапазоне 6,5-7,7 %, для пласта АБ - 9,5-12,1 %. При шаге опробования, равном 400 м, достоверно фиксируется изменчивость на уровне 13,1-15,3 % для пласта КрII и 19,1-24,2 % - для пласта АБ, что не обеспечивает требуемую оценку латеральной изменчивости прочностных свойств в пределах 10 %. Таким образом, для получения достоверных оценок распределения прочностных свойств по площади необходимо обеспечить механическое опробование рабочих пластов по сетке 200х 200 метров.

При бурении скважин или отборе монолитов не всегда удается получить материал из всех семи слоев, представляющих пласт KpII. Кроме того, имеет место частичная потеря кернового материала (от 5 % до 25 %) при изготовлении образцов. В связи с этим возникает вопрос о достоверности определения средневзвешенного предела прочности при отсутствии результатов испытаний по всему разрезу пласта.

Статистический анализ результатов механического опробования выполнялся для скважин, имеющих полный разрез (семь слоев). Проверка исходного массива по критерию согласия А.Н. Колмогорова показала, что все рассмотренные распределения прочности и мощности, как по слоям, так и для скважин в целом, имеют высокую степень соответствия теоретическому нормальному закону. Установлено, что суммарная мощность статистически "слабых" слоев № 1, 2, 5 практически равна суммарной мощности статистически "крепких" слоев № 3, 4, 6, 7. Их отношение составляет 1,04. Следовательно, чтобы получить достоверное средневзвешенное значение прочности при неполном разрезе пласта КрII, необходимо разработать варианты, в которых "слабые" и "крепкие" слои будут находиться приблизительно в равном соотношении по мощности. Кроме того, для представительности оценок прочности при неполном разрезе, нужно, априори, ввести дополнительное ограничение: суммарная мощность слоев в вариантах должна составлять не менее половины мощности пласта КрII. В табл. 3 представлены отвечающие указанным требованиям варианты комбинации слоев и их статистические характеристики.

Таблица 3. Величина отклонений расчетных значений средневзвешенного предела прочности от реальных значений

Вариант	№№ слоев	Отклонение в меньшую сторону МПа (%)	Отклонение в большую сторону МПа (%)	Средняя относительная погрешность %
I	1, 5, 3, 4, 7	-0,72 (-2,69 %)	1,17 (4,96 %)	1,03
II	1, 5, 3, 6, 7	-1,04 (-3,36 %)	0,86 (4,14 %)	1,23
III	1, 2, 4, 6, 7	-1,81 (-6,97 %)	2,65 (11,35 %)	2,06
IV	2, 5, 4, 7	-2,68 (-9,65 %)	2,66 (10,76 %)	3,62
V	2, 5, 6, 7	-2,88 (-12,20 %)	2,54 (10,25 %)	3,56
VI	1, 4, 7	-2,48 (-11,17 %)	2,77 (11,74 %)	2,69
VII	1, 6, 7	-2,14 (-9,64 %)	2,41 (9,05 %)	2,93

Анализ показывает, что превышение вариантных значений средневзвешенного предела прочности над фактическими составляет не более 11,74 % (вариант VI), а погрешность изменяется в диапазоне от 1,03 % до 3,62 %, что обеспечивает приемлемую точность оценки прочности пласта КрII.

Таким образом, определение величины средневзвешенного предела прочности возможно при отсутствии результатов испытаний по всему разрезу сильвинитового пласта KpII. Минимальное число слоев для механического опробования должно быть не менее трех, а отбор образцов в этом случае необходимо производить из слоев № 1, 4, 7 или № 1, 6, 7.

Расчеты средневзвешенного предела прочности рабочего пласта АБ основаны на испытаниях образцов, представляющих пласты А и Б. Для оценки достоверности определения прочности пласта АБ при отсутствии результатов испытания по какому-либо из указанных пластов (А или Б), выполнен статистический анализ результатов испытаний керна 140 подземных геологоразведочных скважин, имеющих полный разрез (пласты А и Б). Проверка по критерию согласия А.Н. Колмогорова показала, что, как по пластам А и Б раздельно, так и для объединенного рабочего пласта АБ в целом, распределения прочности и мощности соответствуют теоретическому нормальному закону. Установлено, что мощность пласта А составляет 43,47 % от мощности объединенного рабочего пласта АБ, мощность пласта Б - 56,53 %. Поскольку среднестатистическая мощность пласта Б выше, а прочность ниже (0,41 МПа), чем у пласта А, то, априори, очевидно, что прогнозировать прочность пласта АБ сильвинитового состава целесообразно по результатам испытания образцов пласта Б. Расчеты показывают, что определение средневзвешенного предела прочности пласта АБ по результатам опробования пласта Б обеспечивает меньшую (на 2,5 %) среднюю относительную погрешность оценок и характеризуется более низким (на 25,6 %) разбросом.

Таким образом, при отсутствии представительного материала для определения средневзвешенного предела прочности пласта АБ, предпочтительнее производить его оценку по результатам испытания образцов, отобранных из пласта Б.

Глава IV. Изменчивость механических свойств соляных пород на участках осложнений геологического строения/ Особенностью геологии Верхнекамского месторождения является наличие осложнений строения соляной толщи (зоны замещения, трещины, складчатость) и пород подсолевого комплекса (рифогенные структуры и глубинные разломы).

Зоны замещения представляют собой участки, сложенные каменной солью, расположенные внутри продуктивных пластов калийной залежи. По А.И. Кудряшову зоны замещения можно условно разделить на три группы: крупные зоны (поперечник от нескольких сотен до нескольких тысяч метров), зоны замещения среднего плана (поперечник от 10 м до нескольких сотен метров) и замещения малых форм (поперечник меньше 10 м). Малые зоны занимают часть продуктивного пласта, средние и крупные - серию пластов. В некоторых случаях крупные зоны замещения прослеживаются через всю калийную залежь.

Большую опасность для горных работ представляют отдельные открытые протяженные трещины и зоны трещиноватости. Первые представлены одиночными открытыми субвертикальными трещинами, имеющими длину до 100 м и более. Ширина раскрытия трещин обычно не превышает 1,5 см. Такие трещины секут серию пластов (зафиксировано от А до Г). Вторые - системой открытых трещин. Эти трещины имеют длину порядка первых десятков метров, ширину раскрытия - до 3 - 4 см. Расстояние между трещинами составляет 5-10 м. Трещины наблюдаются в пластах Б-В', АБ и KpI-А'. Для указанных групп трещин точная высота их распространения не определена. Кроме того, существуют внутрипластовые трещины меньшего размера, обнаруженные в пластах KpII и АБ.

По данным геофизических исследований в пределах Соликамской впадины выявлены рифовые образования, которые формировались в позднедевонскую и раннепермскую эпохи в условиях глубоководного шельфа.

Результаты анализа и обобщения сейсморазведочных материалов по площади Верхнекамского месторождения солей (Санфиров И.А. и др.) показали наличие осложнений волновой картины в интервале подошвы соляной толщи, которые по ряду признаков соответствуют зонам разрывных нарушений. Указанные осложнения встречаются, в основном, на крыльях облекания девонско-турнейских рифовых массивов и над стыками блоков фундамента.

Для оценки влияния осложнений геологического строения на механические свойства соляных пород проводились статистически представительные лабораторные исследования.

Определение механических свойств соляных пород производилось на образцах, изготовленных из керна геологоразведочных скважин или из отобранных монолитов в соответствии с требованиями ГОСТ 21153.2-84 и ГОСТ 21153.3-85. Образцы испытывались на жестком электромеханическом прессе с записью полной диаграммы деформирования. Обработка результатов проводилась при помощи пакета специальных программ "Пресс".

Для изучения влияния зон замещения на механические свойства соляных пород проводилось исследование северо-восточной зоны замещения шахтного поля рудника СКПРУ-2. Экспериментальные работы осуществлялись на двух пластах: KpII и Б-В. По минерало-петрографическим признакам из отобранных образцов формировались однородные выборки.

Первичная статистическая обработка показала, что распределение основных механических параметров в рассматриваемых выборках хорошо согласуется с нормальным распределением. Анализ результатов механических испытаний основывался на сравнении между собой средних значений по каждой выборке (по каждому параметру), представляющих фон и переходную зону замещения. Использование двухвыборочного t-теста Стьюдента для проверки гипотезы о равенстве средних двух выборок показало, что с надежностью = 95 % расхождение между средними выборочными для таких основных механических параметров как предел прочности на сжатие (у_сж, МПа) и разрушающая деформация (е_пр, %) значимо. Проведенный анализ позволил установить, что в окрестности изучаемой зоны замещения уменьшение по сравнению с фоновыми значениями предела прочности при сжатии составляет 26,9 % для пласта KpII и 12,0 % - для пласта Б-В, разрушающей деформации - 17,5 % и 15,1 % соответственно.

Исследование механических свойств соляных пород в пределах зон развития крупных одиночных трещин проведено в районе блоков № 9-10 и № 1-2 панели № 8 шахтного поля рудника СКПРУ-3. Изучение производилось на образцах, отобранных из пластов Б-В' и В-Г (блоки № 9-10) и Б (блоки № 1-2).

Установлено, что обе трещины приурочены к участкам соляных пород, которые характеризуются повышенными значениями предела прочности на сжатие (от 13 % до 32 %) и касательного модуля (от 23 % до 43 %) с одновременным снижением предела прочности при растяжении по сравнению с фоновыми значениями (от 13 % до 69 %).

Влияние системы открытых трещин рассмотрено в районе блока № 2 панели № 4 шахтного поля рудника СКПРУ-3. Анализ показывает, что система открытых трещин, так же как и зоны развития одиночных трещин, приурочена к участку соляных пород, который характеризуется пониженным значением предела прочности при растяжении (от 21 % до 27 %) и повышенным значением касательного модуля (на 28-43 %) по сравнению с фоновыми значениями.

Оценка влияния рифогенных структур и глубинных разрывных нарушений на физико-механические свойства соляных пород выполнена на основе образцов, изготовленных из монолитов, которые были отобраны при бурении инженерно-геологических скважин №№ 1095, 1096, 1098, 1099 и 1100 на площади Юрчукского месторождения нефти (южная граница шахтного поля рудника СКПРУ-2).

Установлено, что в соляных породах, приуроченных к склоновой части рифов, отмечается пониженная прочность соляных пород и очень высокая деформативность (за исключением пластов каменной соли сильвинитовой зоны). соляной рудник порода геологический

Над сводовой частью рифа снижения прочностных свойств не обнаружено, однако наблюдается повышенная деформативность пород сильвинитовой зоны и проявление пластичности в пределах ПКС - пл. Г-Д.

В районе зоны глубинного разлома соляные породы характеризуются резким уменьшением прочностных показателей в пределах сильвинитовой зоны, значительным снижением деформационных свойств сильвинитов и ярко выраженной пластичностью каменной соли в интервале ПКС - пл. В-Г.

Участок взаимного влияния рифов и глубинного разлома отличается снижением прочности по всему разрезу (особенно в пределах сильвинитовой зоны), низкими деформационными свойствами сильвинитов и высокой пластичностью пород в интервале ПКС - пл. KpI-KpII.

Таким образом, изучение механических свойств соляных пород на участках осложнений геологического строения показало значительное изменение механических свойств, которое необходимо учитывать при планировании и ведении подземных горных работ.

Заключение

В диссертационной работе проведено изучение изменчивости механических свойств соляных пород с целью повышения достоверности геомеханического обеспечения.

Основные теоретические положения, научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Выявлены корреляционные связи между прочностью соляных пород и условиями их залегания, определены основные влияющие факторы: абсолютные отметки кровли пласта (Z_кр.) и мощность пласта (М), компоненты химического состава (сульфат кальция CaSO₄ и нерастворимый остаток Н.О.).

2. На основе значимых корреляционных зависимостей построены линейные регрессионные уравнения, позволяющие при отсутствии результатов прямого механического опробования оценить величину средневзвешенного предела прочности для двух рабочих пластов KpII и АБ сильвинитового состава.

3. Выполнено районирование шахтных полей рудников ОАО "Сильвинит" по основному механическому показателю - пределу прочности на одноосное сжатие, которое позволило выделить участки, характеризующиеся пониженными механическими свойствами.

4. Обоснован оптимальный шаг механического опробования рабочих пластов KpII и АБ, равный 200 м. Разработаны рекомендации, позволяющие с приемлемой достоверностью определять величину средневзвешенного предела прочности сильвинитовых пластов KpII и АБ при отсутствии испытаний по всему их разрезу.

5. Разработана методика механического опробования рабочих пластов Верхнекамского месторождения для рудников ОАО "Уралкалий" и "Сильвинит".

6. Выполнены исследования соляного массива на участках осложнений геологического строения соляной толщи и пород подсолевого комплекса. Установлено, что в указанных зонах наблюдается существенное изменение физико-механических свойств соляных пород.

Публикации по теме диссертации

1. Аникин В.В. Об изменчивости механических свойств соляных пород вблизи зон замещения / В.В. Аникин // Проблемы горного недроведения и системологии: материалы науч. сес. ГИ УрО РАН. - Пермь, 1999. - С. 74-75.

2. Аникин В.В. Изменение прочностных и деформационных параметров соляных пород в зонах открытых трещин / В.В. Аникин // Материалы научной сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2000 г. - Пермь, 2001. - С. 37-39.

3. Connection physic-mechanical properties with details of salt thickness geological structure / V. Asanov, A. Baryakh, V. Toksarov, V. Anikin // Geotecnika w budownictwie i gornictwie. - Wroclaw, 2003. - P. 175-181.

4. Аникин В.В. Методика оценки механических свойств соляных пород по условиям залегания и составу продуктивных пластов / В.В. Аникин // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2003 г. - Пермь, 2004. - С. 209-212.

5. Асанов В.А. Влияние глубинных рифовых структур на механические свойства соляных пород / В.А. Асанов, В.Н. Токсаров, В.В. Аникин // Горн. информ.-аналит. бюллетень - 2005. - № 8. - С. 164-167.

6. Оценка влияния природных трещин на напряженное состояние соляного массива / В.А. Асанов, В.Н. Токсаров, И.Л. Паньков, В.В. Аникин // Напряженное состояние породного массива и наведенная геодинамика недр: тр. Междунар. науч. конф. / НАН КР [и др.]. - Бишкек, 2006. - С. 190-194.

7. Аникин В.В. Методика прогнозирования прочности соляных пород / В.В. Аникин, В.А. Асанов // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: сб. ст. по материалам регион. науч.-практ. конф. / ПГУ [и др.] - Пермь, 2006. - С. 208-209.

8. Аникин В.В. Прогноз механических свойств соляных пород по геологическим условиям их залегания / В.В. Аникин // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2005 г. - Пермь, 2006. - С. 98-100.

9. Аникин В.В. Оценка влияния состава и условий залегания соляных пород на их механические свойства / В.В. Аникин. // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: материалы регион. науч.-практ. конф. / ПГУ. - Пермь, 2007. - С. 317-320.

10. Аникин В.В. Прогноз прочностных свойств сильвинитовых пластов. / В.В. Аникин. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2006 г. - Пермь, 2007. - С. 80-83.

11. Аникин В.В. Достоверность определения прочности при отсутствии результатов испытаний по всему разрезу рабочих пластов / В.В. Аникин // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2007 г. - Пермь, 2008. - С. 82-84.

Размещено на Allbest.ru