Исследование деформируемости льдопородной закладки

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2008, №1

УДК 622.273.21

Исследование деформируемости льдопородной закладки

Г.П. Необутов, Д.Н.Петров

Приведены результаты лабораторных исследований деформирования образцов льдопородного материала и натурных измерений относительных смещений бортов льдопородной закладки. Выявлено, что льдопородный материал обладает явно выраженными реологическими свойствами, а смещения в закладочном массиве на данном этапе развития горных работ практически отсутствуют.

Represented results of laboratory research of deformation examples of ice-rock materials and natural meterage of realative changes of frozen backfield wall. It is determined that changes in backfield practically missing and ice-rock material have distinctive reologic properties.

Сложность процесса деформирования горного массива, вызываемого ведением горных работ, и большое число влияющих на него факторов обуславливают необходимость в проведении широких теоретических и экспериментальных исследований по его изучению. Исследование условий перехода горных пород в предельные состояния является наиболее важным этапом в изучении проявлений горного давления при подземной добыче полезных ископаемых. При разработке месторождений полезных ископаемых криолитозоны с применением льдопородной

а, МПа

100 120 140 160 180 200

Рис. 1. Диаграммы деформирования образцов: 1 - льдопородного материала при заданной скорости нагружения: 2 - то же при заданной скорости деформации; 3 - кварцевой руды при заданной скорости деформации

НЕОБУТОВ Геннадий Павлович - к.т.н., с.н.с. ИГДС СО РАН; ПЕТРОВ Дмитрий Николаевич -м.н.с. ИГДС СО РАН.

закладки [1] необходимость подобных исследований несомненна.

Для выявления качественной характеристики развития разрушения опор из промораживаемых пород проведены лабораторные исследования, на основании которых установлено, что переход образцов льдопороды в предельное состояние характеризуется высокой степенью ползучести и расчет предельных зон для целиков из льдопородной закладки должен производиться по огибающей на пределе ползучести.

Испытания на одноосное сжатие кубических образцов со стороной 100 мм, полученных последовательным намораживанием слоев при температуре порядка -15°С, проводились по методике, разработанной с учетом основных теоретических положений механики мерзлых пород на основе ранее выполненных натурных и лабораторных исследований. Линейные размеры при испытаниях принимались равными 1 : 50 по отношению к натурным. Образцы формировались в холодильной установке при объемной влажности -20%.

Анализ зависимостей деформирования серии образцов-близнецов льдопородного материала при одноосном сжатии на прессе, полученных при различных режимах нагружения - статическом с равномерно возрастающими нагрузками, равными 0,02 МПа/с (рис. 1, кривая 1), и кинематическом с постоянной скоростью деформации, равной 2,5 мм/мин (рис. 1, кривая 2), позволяет сделать вывод о наличии явно выраженных реологических свойств, обусловливающих вязкий характер его деформирования.

в-10'

НЕОБУТОВ, ПЕТРОВ

Весь процесс деформирования льдопородных образцов можно разделить на шесть характерных областей (рис. 1):

область ОА - стадия снятия неровностей в контактных поверхностях на торцах образца и частичного закрытия пор и трещин;

область АВ - стадия упругих деформаций; область ВС - стадия зарождения и развития новых трещин;

область СБ - стадия неуправляемого роста и слияния трещин, достигаются напряжения, соответствующие предельной прочности образца, на которой начинается разрушение верхнего промерзшего слоя;

область БЕ - стадия развития деформаций во времени (ползучесть), вязкого разрушения, падение напряжения при возрастающих деформациях, но локальная потеря устойчивости не вызывает исчерпания устойчивости и несущей способности образца породы в целом вследствие наличия связей между отдельными его частями (слоями). Это приводит к появлению ниспадающей ветви на диаграмме. Материалы, обладающие зависимостью напряжений от деформаций и включающие ниспадающий участок ветви, называются разупрочняющимися [2];

область ЕР - стадия прогрессирующих деформаций, «бочкообразное» расплющивание образца.

Образцы кварцевой руды подвержены хрупкому разрушению (кривая 3) и при переходе в

Наблюдающиеся смещения реперов в пределах 1-2 мм (рис. 2), которые могли бы указывать на оседание или упругое восстановление искусственного целика, очевидно, относятся к пределу погрешности измерений.

Следует отметить, что с увеличением напряженного состояния горных пород при подработке ниж-

предельное состояние полностью утрачивают связность. Расчет предельных зон для целиков из такого материала должен производиться по огибающей предела прочности [3].

Исследования состояния льдопородной закладки и закономерностей его деформирования в натурных условиях проводились на месторождении Бадран [1], которые включали визуальные наблюдения за поведением конструктивных элементов системы разработки и периодические измерения относительных смещений (конвергенции) бортов льдопородного целика в центральной части нижнего отработанного горизонта на глубине от поверхности ~ 150 м.

Замерные станции были оборудованы в льдо-породном целике (закладка первичной камеры -конец 2004 г.) длиной, шириной и высотой соответственно 32, 3 и 2,1 м. Измерения относительных смещений (рис. 2) проводились между парами контурных реперов, заложенных у кровли и почвы в боковые поверхности целика с вторичных камер, образованных выемкой междукамерных целиков в конце 2006 г.

Анализ результатов наблюдений показал, что в период с марта по октябрь 2007 г. смещения горных пород практически отсутствовали, что указывает на установившееся горное давление и, в конечном итоге, на достаточную работоспособность искусственных целиков на данном этапе развития горных работ на месторождении.

них горизонтов рудного столба будет возрастать влияние реологических свойств как льдопородной закладки, так и вмещающих пород на смещения контура горных выработок. Поэтому дальнейшие наблюдения за сближением кровли-почвы будут необходимы для выявления закономерностей горного давления и поведения льдопородных целиков.

март 07 апр.07 май 07 июнь 07 июль 07 авг. 07 сен. 07 окт. 07 Период наблюдений, мес.

♦ станция №1,- -а- -станция №2.—д- -станция №3

Рис. 2. Относительные смещения льдопородных целиков

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕРВАЛА ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ

Полученные результаты исследований являются методической основой и исходной базой для обоснования безопасных параметров конструктивных элементов мобильных геотехнологий разработки рудных месторождений с использованием льдопородной закладки.

Литература

1. Необутов Г.П. Подземная добыча руды с использованием льдопородной закладки на месторождении Бадран в Якутии [Текст]/ Необутов Г.П., Зуб-

ков В.П., Мамонов А.Ф.П Горный информ.-аналит. бюллетень.-2001.-№10.-С. 71-74.

2. Карташов Ю.М. Методы, аппаратура и результаты лабораторных и шахтных исследований горных пород в запредельной области деформирования [Текст]/ Карташов Ю.М., Николайчук Н.А., Мансуров В.А. - М.: Изд-во ЦНИЭИуголь, 1978. -112 с.

3. Методические указания по использованию теории предельного равновесия для решения задач горного давления [Текст] / Мин-во угольной пром-сти СССР. Всесоюзный науч.-исслед. ин-т горной геомеханики и маркшейдерского дела «ВНИМИ». - Л., 1974. -100 с.

УДК 532:51

Определение интервала гидратообразования в скважинах, пробуренных в многолетнемерзлых породах*

К.К. Аргунова, Э.А. Бондарев, И.И. Рожин

Предложен подход к определению положения и размеров гидратных пробок в газовых скважинах. Он основан на математической модели стационарного неизотермического течения реального газа в трубах и алгоритме вычисления равновесных условий образования гидратов по известному составу газовой смеси.

An approach to predictions ofposition and size of hydrate plugs inside tubes of gas wells has been proposed. It is based on the mathematical model of steady non-isothermal flow of real gas in tubes and an algorithm of calculation of equilibrium conditions of hydrate formation.

Анализ факторов, определяющих надежность подачи газа потребителям, расположенным в зоне многолетней мерзлоты, показал, что первым слабым звеном технологической цепочки является сама скважина и примыкающая к ней приза-бойная зона газоносного пласта. Именно здесь происходит интенсивное охлаждение газа за счет дросселирования при снижении давления и за счет теплообмена с окружающими скважину многолетнемерзлыми горными породами. Так как многие месторождения имеют достаточно высокие пластовые давления, то при этом возникает опасность образования газовых гидратов непосредственно в стволе скважин, что может

АРГУНОВА Кира Константиновна - к.ф.-м.н., : н.с. ИПНГ СО РАН; БОНДАРЕВ Эдуард Антонович д.т.н., проф., г.н.с. ИПНГ СО РАН; РОЖИН Игорь •'занович - к.ф.-м.н., с.н.с. ИПНГ СО РАН.

* Работа выполнена при частичной под держке гранта РФФИ №06-01-96004.

привести либо к снижению их пропускной способности, либо к их полной закупорке. Опасность закупорки скважин газовыми гидратами возникает и при их остановке из-за низкой температуры окружающих горных пород.

Для предупреждения образования гидратов в скважинах необходимо создать такой режим отбора газа, при котором его температура будет выше равновесной температуры гидратообразования. В этой связи существенный интерес представляет изучение возможностей управления температурой газа без изменения конструктивных параметров скважин. Такая возможность основана на следующих особенностях температурного режима газовых скважин, на который влияют два фактора; внешний теплообмен и внутренние диссипативные термодинамические процессы, являющиеся следствием несовершенства газа. Оценим влияние каждого из этих факторов отдельно в зависимости от массового рас-