Влияние глубинных рифовых структур на механические свойства соляных пород

1. Джапаридзе Л.А., Каишвили С.М. Оценка напряженного - деформированного состояния арочной крепи при наличии закрепной пустоты в своде//Горное давление и крепление горных выработок. - Тбилиси: Мецниереба, 1977. - Вып.3. -с.5 - 14.

2. Колоков С.Б. О влиянии качества установки металлической арочной крепи на условия ее рабо-ты//Шахтное строительство. - 1987. - С. 14-16.

3. Максимов А.П., Шашенко А.Н., Рожко А.Н. Влияние качества забутовки на несущую способ-

ность металлической арочной крепи//Шахтное строительство. - 1987. - С. 21-23.

4. Ерофеев Л.М., Мирошникова Л.А. Повышение надежности крепи горных выработок. - М.: Недра, 1988. - 245 с.

5. Якоби О. Практика управления горным давлением. Пер. с нем. - М.: Недра, 1987. - 566 с.

6. Тин П. Состав, транспортировка и опыт применения строительных смесей для подземных горных работ//Глюкауф. - 1992. - 10/12. - С. 3037.

— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------

Мартыненко И.И., Мартыненко И.А., Минакова Ж.А. - Шахтинский ин-т филиал Южнороссийского государственного технического университета (НПИ), Шахты.

--------------------------------------------------- РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

1. Дремов В.И., Никитенко Е.А., Мокроусов Б.А. Роль противопылевых респираторов в формировании пылевой нагрузки на органы дыхания (№ 404/08-05 — 02.03.05) 2 с.

2. Руденко В.В., Тюрин В.А. Стоимостная оценка полоты и качества извлечения запасов флюо-ритовых руд при их подземной разработке (№ 405/08-05 — 03.03.05) 12 с.

------------------------------------------ © В.А. Асанов, В.Н. Токсаров,

В. В. Аникин, 2005

УДК 622.02:531

В.А. Асанов, В.Н. Токсаров, В.В. Аникин

ВЛИЯНИЕ ГЛУБИННЫХ РИФОВЫХ СТРУКТУР НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОЛЯНЫХ ПОРОД *

Семинар №3

✓"Обеспечение безопасной эксплуата-Я-^ции рудников Верхнекамского калийного месторождения в значительной степени определяется наличием достоверной информации о строении и свойствах соляной толщи и вмещающих пород.

Анализ результатов исследования физико-механических свойств соляных пород показывает, что, несмотря на однотипность состава основных их разновидностей, латеральная изменчивость механических показателей варьируется в ши-

роких пределах и может отличаться в 4-5 раз от средних значений. Такой разброс параметров во многом обусловлен изменчивостью состава, структуры, текстуры и степени дефектности образцов, присущих горным породам по природе их образования. Кроме того, их изменчивость связана с особенностями геологического строения массива. В последние годы особое внимание уделяется выявлению и оконтурива-нию аномальных зон в строении горного массива.

Наиболее часто встречающимися неоднородностями строения подстилающих соляную толщу пород в пределах месторождения являются рифогенные постройки, залегающие на глубине 1500-2500 м в осадочных породах подсоляного ложа.

Исследованиями установлено, что над периферийными частями рифов в соляной толще часто наблюдаются участки геологических осложнений различного рода [1], развиваются кольцевые зоны повышенных напряжений [2] и трещиноватости [3]. В процессе ведения горных работ вблизи таких зон часто наблюдается снижение устойчивости выработок, более интенсивное разрушение целиков, осложнение при бурении скважин и ряд других явлений, сви-

детельствующих об изменении механических свойств пород. Однако каких-либо количественных или даже качественных взаимосвязей до сих пор не было установлено. Это объясняется, с одной стороны, отсутствием планомерных исследований в этом направлении, а, с другой, - необходимостью накопления значительного объема статистического материала.

Оценка влияния глубинных рифовых построек на механические свойства соляных пород выполнена на основе опытнометодических работ, проведенных Горным институтом совместно с ОАО «Уралкалий» на площади Юрчукского месторождения нефти вблизи южной границы 2-го Соликамского рудника (рис. 1). Скважины бурились в окрестности рифогенных построек пермского и девонского возраста: на склоне рифа (скв.1098), в его периферийной зоне (скв.1095) и вне зоны его влияния (скв.1096). Исследование физикомеханических свойств соляных пород выполнялось по стандартным методикам [4, 5] на цилиндрических образцах диаметром - 85-110 мм с отношением высоты (И) к диаметру (й), равном 1,0, изготовляемых из кернового материала.

*Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-05-96031) и Интеграционного проекта УрО РАН № 05-11-04.

Таблица 1

Механические свойства соляных пород

Интервал № скв. Показатели

разреза, порода Осж, МПа £р» % В„р., ГПа Оу, МПа Ву, ГПа Е, ГПа К1с К„„

1096 30,4 7,80 0,49 15,4 1,06 3,64 0,42 0,41

ПКС, кс 1095 26,5 5,47 0,71 13,4 1,54 4,97 0,39 0,35

1098 26,7 4,17 0,81 13,9 2,43 3,97 - 0,66

1096 27,6 6,36 0,55 15,0 1,22 2,97 0,40 0,70

КЗ, кс 1095 24,3 5,52 0,55 13,9 1,26 3,54 0,39 0,56

1098 26,2 4,60 0,74 12,0 2,24 3,85 0,35 0,79

1096 27,1 6,11 0,57 14,8 1,14 2,88 0,37 0,59

СЗ, кс 1095 27,2 5,71 0,62 13,8 1,29 3,60 0,32 0,49

1098 24,4 5,03 0,63 10,7 1,34 3,20 0,30 0,62

1096 28,0 7,71 0,45 13,0 1,18 2,81 0,35 0,60

& с З, С 1095 25,6 6,93 0,50 11,0 1,05 2,58 0,30 0,52

1098 24,8 6,09 0,51 8,9 0,99 1,81 0,20 0,76

Таблица 2

Относительное изменение механических свойств соляныш пород в зоне влияния рифа

Интервалы разреза, порода Параметры, %

Осж £р В„р. Е К:с ТЛ * К„„

ПКС, к.с -12,5 -38,2 +55,1 +22,8 -7,1* 37,8

КЗ, к.с. -8,6 -20,5 +17,3 +24,9 -7,5 20,3

СЗ, к.с -6,5 -11,0 +7,8 +18,7 -16,8 13,7

СЗ, скр. -10,0 -23,5 +12,2 -21,9 -31,5 20,0

Ср. знач. -9,4 -23,3 +23,1 +22,1 -15,7 23,0

*Среднее значение, подсчитанное по абсолютным величинам

В процессе испытаний определялся комплекс прочностных и деформационных параметров, включающий: исж _ предел прочности на одноосное сжатие, МПа; оу. предел упругости, МПа; епр - относительная продольная деформация, соответствующая пределу прочности (разрушающая деформация), %; Бпр. - модуль деформации (секущий) на пределе прочности, ГПа; Ву - модуль деформации (касательный) на пределе упругости, ГПа; Е - модуль упругости, определенный по разгрузочной ветви диаграммы деформирования, ГПа; К1с - коэффициент трещиностойко-

сти, Па-м1/2; Кпп =еуп1/еост. Сопоставление результатов производилось по осреднен-ным данным механических свойств каменной соли (кс) для трех интервалов, выделяемых в разрезе соляной толщи (табл. 1): покровная каменная соль (ПКС), кар-наллитовая зона (КЗ), сильвинитовая зона (СЗ). В табл. 1 также приведены результаты исследования механических свойств красного сильвинита (скр) сильвинитовой зоны.

Анализ результатов показал, что интенсивность изменения прочностных и деформационных параметров соляных по-

1- участки отсутствия калийной залежи; 2- зона замещения калийнокаменной солью; 3- оси разрывных нарушений; 4- рифогенные постройки девонского и пермского возраста; 5- фактическое положение профиля сейсморазведки; 6- солеразведочные скважины

род различна как по разрезу, так и по ла-терали:

• во всех скважинах и на всех интервалах наблюдается тенденция к росту показателя трещиностойкости и модуля упругости каменной соли;

• для скважин №№ 1096, 1098 характерна тенденция к увеличению среднего значения предела прочности при одноосном сжатии и предела упругости для каменной соли по всем рассматриваемым интервалам;

• в скважинах, пройденных над рифовым массивом (№«№ 1095, 1098), прослеживается тенденция к росту касательного модуля деформации каменной соли по всей соляной толще;

• у красных сильвинитов отмечается рост среднего значения разрушающей деформации и показателя пластичности при одновременном снижении модулей деформации (секущего) и упругости для всех скважин, а также касательного модуля деформации для двух скважин (кроме фоновой) по сравнению со средним значением аналогичных параметров для каменной соли СЗ.

Положение участка проведения опытнометодических работ

В табл. 2 показано среднее по интервалам разреза изменение механических параметров каменной соли для скважин, пройденных в аномальной зоне (скв. 1095 + 1098), по отношению к фоновым значениям (скв. № 1096).

Наименьшее снижение прочности каменной соли характерно для СЗ - (6,5 %), наибольшее - для ПКС (12,5 %). Максимальное снижение разрушающей деформации наблюдается для ПКС, минимальное - для каменной соли СЗ. В верхней части разреза соляной толщи установлено значительное возрастание деформационных показателей. Так, модуль упругости покровной каменной над рифом на 22,8 %, а секущий модуль деформации почти в полтора раза выше, чем в фоновой скважине.

Необходимо отметить, что в нижней части разреза соляной толщи значительно интенсивнее снижается коэффициент трещиностойкости (на 31,5 % по сравнению 7,1 % для каменной соли ПКС), что

свидетельствует о повышенной степени их дефектности.

Обращает на себя внимание характер изменения коэффициента пластичности, например: наибольшее изменение этого показателя в наблюдается для ПКС (37,8 %), при этом в периферийной части его средняя величина снижается на 14,6 %, а над сводовой частью рифа она возрастает на 61,0 % по сравнению с фоновым значением, что также свидетельствует о существенном влиянии рифогенных образований.

Наличие «ослабленного» участка в соляных породах над зоной рифов также подтверждается анализом данных бурения, геофизическими исследованиями и результатами изучения геологического строения участка. В скв. № 1095 выход керна при проходке пласта Б составил всего 21 %, в то время как среднее значение этого показателя в интервале разреза «подошва пл. Б - кровля пл. В» равно 67,6 %, при этом бурение скважины сопровождалось поглощением цемента и потерей бурового раствора, что однозначно свидетельствует о трещиноватости массива. Согласно геологическим исследованиям в

1. Мирчинк М.Ф., Мкртчян О.М., Хатьянов Ф.И. и др. Рифы Урало-Поволжья, их роль в размещении залежей нефти и газа и методика поисков. - М., Недра, - 1994.

2. Барях А.А., Санфиров И.А., Кудряшов А.И., Прийма Г.Ю. О влиянии рифогенных образований на структуру верхних этажей осадочного чехла // Докл. АН - 1998, том 363, № 3.

3. Gendzwill D.J., Stead D. Rock mass characterization around Saskatchewan potash mine opening

скв. №№ 1095, 1098 из разреза выпадает нижняя часть соляно-мергельной толщи, содержащая пласты каменной соли, что с большой степенью вероятности может быть обусловлено развитием зоны повышенной трещиноватости, наличие которой привело, в конечном итоге, к выщелачиванию этого горизонта. Согласно геофизическим исследованиям, в пределах разреза, соответствующего соляномергельной и карналлитовой зонам, в волновой картине наблюдается резкое фазовое смещение, интенсивное затухание, снижение скоростей на 200-300 м/с. Эти данные могут интерпретироваться как разрывное нарушение в надсоляной и соляной толщах [2].

Таким образом, жесткие включения в виде рифогенных построек, залегающие ниже соленосной толщи, оказывают существенное влияние на механические свойства и устойчивость соляных пород. При проектировании горных работ и мер охраны водозащитной толщи необходимо учитывать не только аномалии строения собственно соляной толщи, но и всего комплекса вмещающих пород.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

using geophysical techniques: a review. Canadian Geotechnical Journal, V.29, № 4, 1992.

4. ГОСТ 21153.2-84. Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии. - М., - 1984. - 10 с.

5. ГОСТ 28985-91 Породы горные. Методы определения деформационных характеристик при одноосном сжатии. - М., - 1991. - 19 с.

— Коротко об авторах

АсановВ.А., ТоксаровВ.Н., Аникин В.В. - Горный институт УрО РАН, г. Пермь.

© М. С. Плешко, Д. В. Крошнев, 2005