Горно-геологические особенности реконструкции вертикальных стволов на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей

ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

УДК 622.349.33

ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РЕКОНСТРУКЦИИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ НА РУДНИКАХ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КАЛИЙНЫХ СОЛЕЙ

Н.М. Качурин, И.А. Афанасьев, В.В. Тарасов, В.С. Пестрикова

Показано, что горно-геологические особенности реконструкции вертикальных стволов на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей проявляются в виде локальных геологических проявлений и специфических условий эксплуатации рассматриваемых вертикальных стволов. Приведены основные результаты экспериментальных и теоретических исследований.

Ключевые слова: калийная соль, рудник, горно-геологические условия, вертикальный ствол, тюбинг, горное давление, консервация, реконструкция.

Причины реконструкции вертикальных стволов на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей, как правило, это углубка для перехода на новые горизонты и восстановление законсервированных стволов. В соответствии с заданиями на разработку рабочих проектов по реконструкции бетонной крепи и армировки ствола №3 рудника БКПРУ-2 на интервале глубин 351,526 - 399,95 м и по прогнозу горного давления и расчету тюбинговой крепи в районе двух дозаторных камер в интервале отметок (-419,7) - (-382,2) м ствола №2 рудника БКПРУ-4 для ОАО «Уралкалий» были проведены вычислительные эксперименты, моделирующие несущую способность крепи ствола, для обоснования возможности использования усовершенствованной конструкция чугунных тюбингов АОА «ШАХТСПЕЦСТРОЯ» «7,0-50-2». В процессе исследований обоснована методика прогноза горного давления и выполнены необходимые прогнозные расчеты по вертикальным стволам №3 рудника БКПРУ-2 и №2 рудника БКПРУ-4. Обоснована методика, и алгоритм расчета чугунной

тюбинговой крепи разработаны паспорта чугунной тюбинговой крепи для этих стволов.

В связи с изменением планов развития производства калийных удобрений в ОАО «Сильвинит» в начале 90-х годов ХХ века было принято решение об остановке дальнейшего строительства горнодобывающего комплекса рудоуправления СКРУ-3 [1]. При этом проходку ствола № 4 при глубине забоя 356,6 м вынужденно прекратили. После выполнения ряда технических мероприятий по обеспечению устойчивости пройденной части ствол был переведен на режим «пассивного поддержания». В течение 1992-2011 гг. в стволе был выполнен комплекс мероприятий, что обеспечило сохранность ствола и возможность в настоящее время решать вопрос возобновления проходки ствола. В соответствии с классификацией Свода правил СП 91.13330.2012 Подземные горные выработки [2], вертикальные стволы относят к выработкам 1 -го класса. Нарушения нормальной эксплуатации вертикальных стволов приводят к остановке работы предприятия. Поэтому, как и в первом случае, были уточнены закономерности проявления горного давления на калийных рудниках и обоснованы параметры крепления реконструируемого вертикального ствола № 4 СКРУ-3. Основные результаты, выполненных исследований и разработки технических мероприятий, заключаются в прогнозных оценках горного давления, обосновании расчетной схемы многослойной крепи ствола, оценке физико-механических свойств существующей крепи и конструкции крепи ствола. Полученные результаты обеспечат возможность завершения строительства ствола № 4 и его длительной эксплуатации.

Изучение горно-геологических условий проведения и эксплуатации ствола №3 рудника БКПРУ-2, и ствола №2 рудника БКПРУ-4, ОАО «Уралкалий», а также физико-механических свойств горных пород и вычислительные эксперименты, моделирующие несущую способность крепи ствола, позволили обосновать использование усовершенствованной конструкция чугунных тюбингов, а основные выводы и рекомендации для разработки рабочих проектов заключались в следующем.

Для усредненных справочных данных, характеризующих физико -механические свойства горных пород, по которым пройден ствол №2 рудника БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий» на интервале глубин до 420 м, минимальные значения горного давления находятся в интервале 0,09 - 0,111 МПа, максимальные значения достигают 0,277 - 0,327 МПа, а среднее значение давления на крепь составит 0,162 - 0,164 МПа, для наиболее распространенных моделей горного давления.

Физическая модель двухслойной крепи, состоящей из внешнего бетонного слоя и внутреннего чугунного тюбинга, может быть представлена следующим образом. Тюбинговая колонна рассматривается как цилиндрическая оболочка, составленная из спинок тюбингов, опирающаяся на внут-

реннюю решетку из кольцевых, то есть в основу положен метод расчета составных колец. Следовательно, тюбинговая колонна в поперечном сечении будет моделироваться двухслойной крепью, состоящей из внешнего кольца, составленного спинками тюбингов, и внутреннего кольца, составленного кольцевыми ребрами жесткости. Параметры паспорта несущей способности чугунной тюбинговой крепи для ствола №2 рудника БКПРУ -4, ОАО «Уралкалий» имеют следующие значения: 1) для ребер тюбингов р0 = 11,8 МПа; р+2= 3,17 МПа; р- = - 4,5 МПа; р- = 1,2 МПа; 2) для спинок тюбингов р0 = 12,4 МПа; р0 = 14,7 МПа; р-= - 4,7 МПа; р-= 5,63 МПа, где р0, р0 - параметры несущей способности для кольцевых ребер по сжимающим нагрузкам; р-, р- - параметры несущей способности для

кольцевых ребер по сжимающим нагрузкам [3]. Несущая способность чугунной тюбинговой крепи для ствола №2 рудника БКПРУ - 4 в условиях нагружения на интервале глубин 382,2 - 419,7 м определяется в целом прочностью горизонтальных ребер.

Максимальные значения давления на крепь в рассматриваемом интервале глубин составляют 0,277 - 0,327 МПа, а границы области допускаемых нагрузок по прочности на сжатие существенно превышают эти значения, поэтому усовершенствованная конструкция чугунной тюбинговой крепи АОА «ШАХТСПЕЦСТРОЯ» «7,0-50-2» (Тип - 2) обеспечит надежное крепление ствола №3 рудника БКПРУ-2 и ствола №2 рудника БКПРУ-4. Толщина бетонного слоя крепи зависит от марки применяемого бетона. Расчетная толщина бетонного слоя крепи для крепления ствола на сопряжении с бункером дозаторных камер в зависимости от марки бетона изменяется в пределах от 150 до 400 мм. Поэтому в соотвествии с нормами проектирования должна составлять 500 мм.

Комплексные исследования, включавшие натурное обследование крепи вертикального ствола №4 СКРУ - 3, лабораторные исследования чугуна тюбингов, анализ и обобщение базы данных по проекту, по технологии проведения и консервации ствола, а также математическое моделирование напряженно-деформированного состояния крепи позволили уточнить закономерности проявлении горного давления и обосновать параметры крепления реконструируемого вертикального ствола № 4. Получены прогнозные оценки горного давления, обоснована расчетной схемы многослойной крепи ствола, проведена оценка физико-механических свойств существующей крепи и конструкции крепи ствола. Обоснована возможность завершения строительства реконструируемого ствола № 4 и предложены технические решения, по обеспечению его длительной эксплуатации. Основные выводы и рекомендации заключаются в следующем.

Данные ФГБУН «Горный институт» УрОРАН [4] содержат информацию, необходимую и достаточную для подготовки исходных данных к

прогнозу горного давления до глубины 600 м и для составления проекта углубки шахтного ствола № 4 рудника СКРУ-3. В соответствии с этими данными наиболее слабыми породами в пределах надсолевого комплекса являются мергели нижней части СМТ, предел прочности которых находится в интервале 3,8-5,7 МПа. В породах водозащитной толщи наиболее слабыми являются карналлитовые породы, предел прочность которых варьируется от 5,8 до 8,2 МПа. Прочность пород продуктивной толщи близка к средним значениям в целом по месторождению: сильвиниты пласта АБ - 19,0-22,0 МПа, красного сильвинита пласта КрП - 22,0-23,0 МПа, каменная соль междупластий - 22,0-24,0 МПа.

Фактические геологические условия и результаты прогноза горного давления в стволе № 4 СКРУ - 3 показывают, что на проектной глубине ствола, равной 468,18 м, горное давление не превышает 5 МПа.

Крепь ствола №4, состоящая из колонны чугунных тюбингов и бетонной рубашки толщиной до 500 мм, не является абсолютно герметичной. При этом выбранный ранее материал для погашения пустот и технология восстановления «бетонной рубашки» за тюбинговой крепью до сих пор обеспечивают устойчивость крепи ствола, зафиксированное состояние материала, использованного для погашения пустот, в настоящее время угрозы устойчивости ствола не представляет. За тюбинговой крепью на контакте бетонной рубашки с породным массивом в интервале тюбинговых колец № 212-196 (локально) имеются полости (пустоты) с размером по радиусу до 1,5 м, которые необходимо заполнить тампонажным раствором.

Характерной особенностью проявления деформаций и разрушения тюбинговых колец, является наличие выгнутых верхних и нижних углов деформированных тюбингов и локальные горизонтальные трещины небольшой протяженности, находящиеся в бортах и ребрах жесткости. Разрушения тюбинговых сегментов проявлялись на стыке между двумя соседними тюбингами с последующим смещением верхней и нижней частей спинки тюбинга в ствол на величину до 60 мм. При этом происходило образование сквозных трещин на вертикальных фланцах в местах болтовых соединений. В перспективе подлежат замене тюбинги, имеющие трещины различных размеров, представленные на схеме расположения дефектов на тюбингах.

В результате выполненных замеров и анализа проектной документации установлено, что в стволе № 4 СКРУ-3 были выставлены тюбинговые кольца польского завода «Дозамет» типа TG-01.12 К: «7-40», «7-50», «7-60» и опорные коробки типа ТС-01.12Р-2774, «7-80» с толщиной спинки в тюбинговой крепи от 40 до 60 мм. При этом результаты исследований структуры металла, химического состава, прочности и твердости для образцов чугуна, вырезанных из кусков чугунных тюбингов крепи шахтного

ствола №4, свидетельствуют о том, что по российским стандартам - это чугун, который соответствует марке СЧ 30.

Сейсмичность в районе расположения ствола №4 не превышала 4,5 балла по шкале ЫБК-64. Строительство рудника производилось, исходя из действующего на тот момент СНиП П-А.12-69*, согласно которому максимальная сейсмичность для данного региона составляет 5 баллов по шкале ЫБК-64. Интенсивность сотрясений согласно картам ОСР-97 на данном участке может составлять 6 баллов по шкале ЫБК-64, а интенсивность сотрясений согласно картам ОСР-2012 на данном участке может составлять уже 6,5 баллов по шкале ЫБК-64.

Параметры разработанных паспортов несущей способности чугунной тюбинговой крепи для ствола №4 рудника СКРУ - 3, ОАО «Уралка-лий» показывают, что при принятых условиях нагружения прочность тюбингов определяется прочностью их горизонтальных ребер. Это подтверждается и результатами натурных исследований состояния тюбинговой колоны.

Устойчивость кольцевой крепи в значительной степени определяется равномерной по окружности внешней нагрузкой. Поскольку ствол № 4 в пределах пройденного участка закреплен двухслойной чугунно -бетонной крепью, обязательным условием приложения внешней нагрузки (от породного массива) является отсутствие пустот (полостей) на контактах «бетонная рубашка - породный массив» и «бетонная рубашка - тюбинговая колонна».

Суммарные нормальные тангенциальные напряжения на внутреннем контуре спинки тюбинга существенно превышают значения суммарных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре ребер тюбинга. До глубины, не превышающей 400 м, суммарные нормальные тангенциальные напряжения на внутреннем контуре спинки тюбинга не превышают предельно допустимое напряжение у всех рассчитанных тюбингов с толщиной спинки от 40 до 100 мм. Начиная с глубины более 402 м, суммарные нормальные тангенциальные напряжения на внутреннем контуре спинки тюбинга превышают предельно допустимое напряжение у всех рассчитанных тюбингов с толщиной спинки от 40 до 60 мм, поэтому на завершающей стадии углубки ствола №4 при глубине более 402 м крепление ствола рекомендуется осуществлять чугунными тюбингами с толщиной спинки 80 - 100 мм .

Таким образом, горно-геологические особенности реконструкции вертикальных стволов на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей проявляются в виде локальных геологических проявлений и специфических условий эксплуатации рассматриваемых вертикальных стволов.

Список литературы

1. Булычев Н.С., Абрамсон Х.И. Крепь вертикальных стволов шахт. М.: Недра, 1978. 361 с.

2. Булычев Н.С., Амусин Б.З., Оловянный А.Г. Расчет крепи капитальных горных выработок. М.: Недра, 1974. 320 с.

3. Ольховиков Ю.П. Крепь капитальных выработок калийных и соляных рудников. М.: Недра, 1984. 238 с.

4. Геологические исходные данные для составления проекта «Углубка и обустройство шахтного ствола №4» // Отчет по НИР. Пермь. ФГБУН «Горный институт» УрОРАН. 2012. 89 с.

Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology@tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Афанасьев Игорь Александрович, канд. техн. наук, ecology@tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Тарасов Владислав Викторович, асп., ecology@tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пестрикова Варвара Сергеевна, асп., ecology@tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет

MINING AND GEOLOGICAL SINGULARITIES OF RECONSTRUCTING VERTICAL

SHAFTS IN MINES OF VERHNEKAMSKOE POTASSIUM SALT DEPOSIT

N.M. Kachurin, I.A. Afansiev, V.V. Tarasov, V.S. Pestrikova

It's shown that mining and geological singularities of reconstructing vertical shafts in mines of Verhnekamskoe potassium salt deposit become apparent as local geological demonstrations and specific conditions of exploitation for considering vertical shafts. Basic results of experimental and theoretical researchers were discussed.

Key words: potassium salt, mine, mining-geological conditions, vertical shaft, tubing, rock pressure, preservation, reconstruction.

Kachurin N.M., Doctor of Sciences, Full Professor, Chief of a Department, ecology @,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Afansiev I.A., Candidate of Technical Science, Scientific Associate, ecology@tsu. tu-la.ru , Russia, Tula, Tula State University,

Tarasov V.V., Post Graduate Student, ecology@tsu.tula.ru , Russia, Tula, Tula State University,

Pestrikova V.S., Post Graduate Student, ecology@tsu.tula.ru , Russia, Tula, Tula State University