Расчет ожидаемых оседаний и деформаций земной поверхности над горными выработками 7 северо-восточной панели шахтного поля первого Березниковского рудника

УДК 622.271

РАСЧЕТ ОЖИДАЕМЫХ ОСЕДАНИИ И ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

НАД ГОРНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ 7 СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ ПАНЕЛИ ШАХТНОГО ПОЛЯ ПЕРВОГО БЕРЕЗНИКОВСКОГО РУДНИКА

И.В. Алипова

Науч. рук. - доцент С.Н. Кутовой Пермский государственный технический университет

В статье рассматривается авария на первом Березников-ском руднике и определены последствия затопления наиболее опасного участка шахтного поля.

В результате возникновения 18 октября 2006 г. аварийной ситуации на руднике БПКРУ-1 ОАО «Уралкалий» 28 октября 2006 г. были остановлены горные и закладочные работы, и было принято решение прекратить работу рудника и вывести людей, участвующих в ликвидации аварии на поверхность. Решение было принято в связи с резким увеличением скорости притока рассолов - до 1200 м3/ч и выше при увеличении концентрации сероводорода. По мнению ученых, повышенный приток рассолов в рудник стал следствием разрыва ВЗТ и возникновения в ВЗТ водопроводящих нарушений. По этой причине в течение последнего столетия в мире были затоплены 80 соляных и калийных шахт.

Остановка горных работ в северной части шахтного поля произошла в основном по 7 СВП, 1бис, 2бис, Збио, 4бис, 5бис восточным панелям, при этом вдоль значительной части границы остановленных работ выработанное пространство не заложено (рис. 1).

Вдоль этих границ со временем будут формироваться краевые части мульды сдвижения, в зону влияния которых попадает большое количество жилых и общественных зданий города Березники.

Рис. 1. Наиболее опасный участок

В данное время происходит затопление выработанного пространства рудника. Одновременно идет работа над искусственным заполнением рудника насыщенными рассолами. Это позволит уменьшить угрозу проседания земной поверхности [2].

При заполнении камер рассолами, ненасыщенными солями, содержащимися в руде (в стенках камеры), происходит выщелачивание стенок, почвы камер. Предполагается, что кровля камер не выщелачивается, т.к. вода либо не достигает кровли - воздух препятствует, либо держится на уровне кровли. Глубина выщелачивания стенок и почвы камер с ленточными целиками определяется по формуле (1):

1 =в

выщ

Рнас-Рпсх-Рз-^-Рз

2'Рр'ар

1-

где в - ширина межкамерного целика, м; рнао - содержание соли в насыщенном растворе, т/м3; рисх - содержание соли в исходном рассоле (пульпе), т/м3; (З3 - содержание соли в закладочном материале, доли ед.; К3 - степень заполнения камеры, доли ед.; рР, р3, рс - плотность соответственно руды, закладочного массива, частиц закладочного массива, т/м3; Ор - содержание соли в руде, доли ед.; 2 - количество стенок в камере.

Поскольку в отработанное пространство будут поступать не только воды рассольного горизонта, но и опресненные воды, содер-

жание соли в исходном растворе (пульпе) приходится увеличивать до 390 г/л (по данным предприятия). По данным опробования геологоразведочной службы, содержание соли в растворе, подвергнувшемуся опреснению, было уменьшено до 280 г/л.

Таким образом, при ширине камеры 11,3 м и ширине целика 11м произойдут следующие изменения:

расчетная высота камеры, т = 3,6+0,426= 4,026 м; ширина междукамерного целика, в=11-0,831=10,169 м; ширина камеры, а = 1-е =22,3-10,169 =12,131 м; где I - межосевое расстояние.

Величина конечного оседания земной поверхности на конец процесса сдвижения определяется по формуле

Л0=0,9-от-ш-Р;

где со-расчетный коэффициент извлечения пласта; Р - параметр, учитывающий влияние закладки очистных камер.

В результате многочисленных преобразований формула расчета оседания земной поверхности приобретает вид

п п т'а

Л0 =0,9-,

а + в

где т - вынимаемая мощность, м; а - ширина камеры, м; в - ширина междукамерного целика, м.

Произведем расчет оседаний при естественном протекании процесса; при существующих параметрах отработки и при условии приконтурного выщелачивания стенок выработок, при поступлении рассолов в выработки.

Поскольку выработки будут заполнены рассолом и в них будет создано определенное гидростатическое давление (т.к. плотность рассола выше плотности воздуха), то величину конечных оседаний с учетом выщелачивания стенок камер уменьшим на 10 % (по данным предприятия). Результаты расчетов приведены в таблице.

Расчетные конечные оседания

Участок Параметры Конечные оседания, 11, м Параметры, с учетом выщелачивания стенок и почвы камер Конечные оседания, Г|, м С учетом гидрост. давления

а, м Ь, м тв, м а, м Ь, м тв, м

7СВП 11,3 11 3,6 1,641 12,131 10,169 4,026 1,971 1,773

При условии полной подработки (% > 1,4) прогнозируемая величина максимального оседания земной поверхности во времени определяется в соответствии с выражением

г\т

где г) о - величина максимального оседания земной поверхности на период окончания процесса сдвижения; к, - коэффициент, характеризующий изменение отношения г[ш(?)/г|о во времени, определяется по формуле [2].

На рис. 2 представлен график величины максимального оседания во времени для 7 СВП и 2 бис ВП.

6U>

500

4W

.100

200

2 6нс Ш /

/

7CBI! j>

У

У

Рис. 2. График нарастания оседаний

на границах отработки 7 СВП и 2 бис ВП

Для определения величин деформаций наклона, кривизны и растяжения - сжатия, которые возникнут на земной поверхности при реализации конечных расчетных оседаний, было построено сечение вдоль длинной стороны дома № 168 по ул. Свердлова, в десяти точках которого были вычислены величины деформаций:

- оседание: ц

- наклон: i

II 2

- кривизна к

- горизонтальные деформации растяжения-сжатия

в

где г|0 - максимальное оседание на период окончания процесса сдвижения определяется по формуле (2); S (z); S '(г); S u(z)', - функции распределения безразмерных оседаний, наклонов и кривизны в краевой

части мульды сдвижения определяются по табл. 6.8 «Указаний по защите рудников от затопления» [1]; г - безразмерная координата рассматриваемой точки в краевой части мульды сдвижения, равная отношению х/Ь\ х - расстояние от точки с максимальными оседаниями земной поверхности до рассматриваемой точки; Ь - длина краевой части мульды сдвижения.

Рис. 3. Схема распределения сдвижений и деформаций в точках главных сечений мульды на конец процесса сдвижения

Как видно из графиков (рис. 3, 4), при полной реализации оседания земной поверхности г)о =1,773 максимальные величины деформаций составят:

Наклон г =11,820*10~3;

Кривизна к =+1,128*10-4; -1,536*10-4;

Горизонтальные деформации а = +2,032 мм/м; -2,770 мм/м.

Период времени, за который оседание земной поверхности реализуется полностью, будет достаточно продолжительным и, безусловно, превысит срок службы зданий и сооружений. Для более конкретной оценки влияния сложившейся ситуации на жилые здания определим величины деформаций, которые будут достигнуты в ближайшие 50 лет, к 2057 г.

Максимальное ожидаемое значение оседания земной поверхности над горными работами к 2057 г. составит 0,204 м.

Рис. 4. Схема распределения сдвижений и деформаций в точках главных сечений мульды через 50 лет после аварии

Максимальное значение деформаций составят:

1-3.

Наклон г =1,360*10

Кривизна &= +0,129*10^; -0,177*10~4;

Горизонтальные деформации а = +0,495 мм/м; -0,674 мм/м.

На основе выполненных расчетов производится оценка сохранения эксплуатационной способности зданий от вредного влияния на него горных работ.

Объектом исследования являлось жилое гражданское здание Свердлова 168 с конструктивными мерами защиты (здание разделено на 2 отсека деформационными швами), расположенное на границе подработанной территории 7 СВП и северной границей 6СВП, которая по причине затопления рудника не будет отработана и превратится в постоянную границу шахтного поля.

По периметру здания были выделены 4 точки и определено их местоположение относительно мульды сдвижения (рис. 5).

Рис. 5. Местоположение исследуемого дома

Определение необходимости применения дополнительных мер охраны основывается на сравнении расчетных деформаций земной поверхности с допустимыми и предельными деформациями для охраняемого объекта [3].

[А 1д] = К-[А 1д\ • п2  п3  п4  п5;

Шп] = К-Ш„]н-п1-п2-п3-п

4 'V

где К- коэффициент, принимается по табл. 3.2 [4], в зависимости от скорости оседания земной поверхности на участке расположения здания г| = г|г/£;

г)г - расчетное значение оседания земной поверхности на участке расположения здания за время от начала его подработки г до конца расчетного срока службы здания;

[А/д]н, [ А/,,1,, - нормативные допустимые и предельные показатели суммарных деформаций, определяется по табл. 3.13 [4], в зависимости от назначения гражданского здания и его этажности. [А/Д]н, =130 мм, [А/П]н=160 мм.

Расчетный показатель суммарных деформаций АI (мм) для гражданских зданий определяется по формуле:

АI = 1Ат1 -82 + т

Н

м

где I и Н - соответственно длина отсека, м и его высота от подошвы фундамента до верха карниза, м;

е и й- расчетные величины горизонтальной деформации и радиуса кривизны (м.);

т.., /»/._ коэффициенты условий работы, осредняющие соответственно и горизонтальные деформации и кривизну по длине отсека, определяются по табл. 6.17[1]; тв=0,7, тк=0,5.

Максимальные расчетные деформации на четыре рассматриваемых периода показали точки:

т. 2 (на границе отработки 7 СВП и 6 СВП) А12 = 16,97 мм при [1д]=199 мм

т. 4 (находящаяся на подработанной части панели). А14 =21,36 мм при [1д]=199 мм, где АI - расчетный показатель суммарных деформаций (в точках 2 и 4 соответственно).

2

Сравнивая полученные расчетные деформации с допустимыми и предельными, приходим к выводу, что рассмотренное здание в дополнительных конструктивных мерах защиты на свой срок службы (100 лет) не нуждается.

В заключении надо отметить, оседания и деформации земной поверхности определялись только теоретически. Планируется заложить в этом году 2 наблюдательные станции с грунтовыми и стенными реперами, отражающими фактическое состояние зданий и земной поверхности.

Данные расчетные величины являются прогнозными, и в дальнейшем необходимы тщательные периодические наблюдения за оседанием земной поверхности.

Список литературы

1. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей (технологический регламент), 2004.

2. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей: метод, рек.

3. Инструкция по наблюдениям за сдвижением земной поверхности и подрабатываемыми зданиями и сооружениями на калийных рудниках.

4. Указания по допустимым условиям подработки эксплуатируемых зданий и сооружений на Верхнекамском месторождении калийных солей.