Оценка влияния глинистых прослойков на несущую способность соляных междукамерных целиков

© В.А. Асанов, А.В. Евсеев, В.Н. Токсаров, 2011

УДК 622.831

В.А. Асанов, А.В. Евсеев, В.Н. Токсаров

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГЛИНИСТЫХ ПРОСЛОЙКОВ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ СОЛЯНЫХ МЕЖДУКАМЕРНЫХ ЦЕЛИКОВ

Методами физического моделирования показан эффект снижения прочности составных образцов с глинистым прослоем. Установлена количественное влияние мощности и влажности глинистых прослойков на несущую способность соляных целиков.

Ключевые слова: прочность, влажность, несущая способность, целик.

Одним из основных условий обеспечения безопасности на рудниках Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей (ВКМКС) является сохранение сплошности пород водозащитной толщи (ВЗТ). Это достигается использованием камерной системы разработки с оставлением междука-мерных целиков. Анализ состояния очистных выработок и инструментальные наблюдения за устойчивостью конструктивных элементов камерной системы разработки показали, что, несмотря на значительный запас прочности, краевые части соляных междукамерных целиков в условиях длительного нагружения постепенно разрушаются. Одной из причин этого является слоистое строение соляного массива, характеризующееся чередованием слоев каменной соли, сильвинита (карналлита) и тонких прослоев глинисто — ангидритового материала. Такие прослои, как правило, являются наиболее слабым звеном, которые снижают сцепление между слоями более крепких пород и снижают устойчивость междукамерных целиков. Кромке того, содержащиеся в соляной толще маточные рассолы, конденсат, образующийся в горных выработках в теплое время года, а так же рассолы гидрозакладочных работ приводят к

увеличению влажности в приконтурой части глинистого прослоя. Исследования показали, что влажность глинистого материала изменяется от 6 % (в глубине массива) до 11—13 % на контуре, что приводит к увеличению его пластичности, и может вызывать снижение несущей способности целиков. Это хорошо подтверждается комплексом экспериментальных и теоретических исследований устойчивости междукамерных целиков Новомосковского месторождения гипса, которые показали, что при увлажнении слоя мергеля, залегающего в почве прочность гипсовых образцов снижается более чем на 40 % [1]. В связи с этим, исследование роли глинистоангидритового прослоя в обеспечении устойчивости выработок и безопасности горных работ становится весьма актуальной.

Анализ геологического строения соляной толщи ВКМКС показал, что наибольшее количество глинистого материала сосредоточено в кровле продуктивных пластов, где может находиться до трех слоев (коржей) сильвинита, разделенных слабыми прослоями глины, суммарной мощностью до 0,8 м. Мощность глины первого «коржа» может достигать 15—20 см. Следует отметить, что в кровле пластов залегают не только

Таблица 1

Прочностные и деформационные свойства соляных пород ВКМКС

Тип породы Предел прочности на сжатие, МПа Относит. прод. деформация, % Модуль упругости, ГПа Модуль спада, ГПа

Каменная соль 26,14 3,73 13,90 0,44

Кр. сильвинит 26,06 4,06 13,79 0,37

Г линисто-соляный материал (сухой) 2,05 4,02 0,37 0,05

Глинисто-соляный материал (влажный) 1,23 3,92 0,11 0,06

одиночные мощные слои глины, но и множество тонких глинисто-соляных слоёв, имеющих низкую прочность.

Исследования механических свойств основных разновидностей пород продуктивной толщи ВКМКС (каменной соли, красного сильвинита и глинистоангидритового материала) показали, что прочность глины из «коржей» на порядок ниже, чем каменной соли и сильвинита (табл. 1).

Важно отметить, что предельная деформация у каменной соли, красного сильвинита и глины практически одинаковые, а модуль спада и модуль упругости ниже в 8 и 40 раз соответственно.

Исследованиям влияния контактных условий на прочностные свойства горных пород посвящено большое число экспериментальных и теоретических работ. Для соляных пород эти вопросы рассмотрены в работах Проскурякова Н.М. [2], Титова Б.В. [3] и ряда других исследователей, где показано, что наличие смазки на торцах образцов может вызывать изменение предела прочности при испытании их на одноосное сжатие более чем в 5 раз. Однако в этих работах не рассматривался вопрос местоположения слабого прослоя и не учитывался фактор увлажнения глинистого материала. В нормативных документах [4] основным параметром, определяющим

снижение несущей способности целиков, является относительная суммарная мощность глинистых прослоев, при этом место их расположения и степень увлажнения не учитывается.

Для оценки степени влияния глинистого материала на несущую способность целиков было выполнено исследование основных закономерностей деформирования и разрушения несущих элементов камерной системы разработки в слоистых соляных массивах на моделях из составных образцов. В качестве модели был использован составной образец кубической формы с размерами 60х60х60 мм, внутри которого находился глинистый прослой. В процессе эксперимента варьировалось местоположение глинистых прослоев, их число (от 1 до 5 слоев), мощность (от 1 до 17 ымм), влажность (от 6 % до 12 %). Для сопоставления результатов исследований также испытывались однородные образцы без глинистого прослоя. Для обеспечения контактных условий подобных натурным между стальными плитами пресса и испытываемым образцом помещались соляные пластины.

Для исключения их разрушения они закреплялись в металлических оправках. Схема испытания приведена на рис. 1.

частью происходило образо-

— плиты пресса

— металлические оправки

- соляные плиты

ЙЙЙЙЙ — сильвинитовый образец

- глинистый материал

Рис. 1. Схема проведения испытания составных образцов с глинистым прослоем

Деформация, %

Образцы с естественной влажностью глины

-------Образцы с повышенной влажностью глины

Рис. 2. Характерные диаграммы деформирования составных образцов при различной мощности и влажности глинистого слоя

Нагружение образцов одноосной нагрузкой проводилось на жестком электромеханическом прессе Zwick-250 с предельной нагрузкой 25 т.

В ходе исследования установлено, что при наличии в составном образце глинистого материала, разрушение сильвинитовой части составного образца начинается в месте контакта глина-сильвинит с образованием системы вертикальных трещин. В местах контакта глинистого прослойка с сильвинитовой

вание локальных выколов и выдавливание глинистого материала. С увеличением мощности глинистого прослойка все процессы выдавливания пластичного материала проявлялись более выражено.

Исследование места расположения глинистых прослойков и их числа, показало, что увеличение мощности и количества глинистых прослойков приводит к снижению разрушающей нагрузки, при этом одним из основных факторов, оказывающих влияние на прочность, является место расположения глинистого прослойка. Так прочность «кубиковых» образцов при наличии пластичного прослойка в центральной части снижается в среднем на 10— 15 %, то в случае расположения прослойка на торце образца его прочность снижается в 2 раза. [5].

Исходя из того, что наибольшее снижение прочности составных образцов наблюдается в случае расположения глинистого прослоя на торце составного образца и учитывая особенности геологического строения, особое внимание следует уделить испытаниям образцов с прослоем на торце.

Анализ диаграмм деформирования составных образцов с расположением

стсж, МПа

8

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Рис. 3. Зависимость предела прочности от отношения мощности глинистых прослоев к высоте образцов при естественной влажности глинистого материала

1 I 1 I 1 I 1

0 4 8 12 %

Рис. 4. Зависимость нормированного предела прочности образцов от влажности

глинистого прослоя на торце (рис. 2) показывает, что влажность и мощность глинистого прослоя оказывают влияние, как на предел прочности составных образцов, так и на его деформационные свойства. С увеличением мощности пластичного прослойка и его влажности повышается величина продольных деформаций образца при одновременном снижении прочности. Результаты исследования влияния мощности глинистого прослойка расположенного на верхней границе соляного образка (в кровле междукамерного целика) приведены на рис. 3.

Для оценки влияния влажности было проведено нормирование зависимости прочности составных образцов при увлажнении глинистого прослоя по их прочности при естествен-ной влажности (рис. 4).

Из графиков видно, что мощность глинистых прослоев и влажность уменьшают прочность испытанных образцов, причем зависимость в исследуемых диапазонах изменения данных параметров носит характер близкий к линейному.

Статистическая обработка результатов исследований показала, что распределение предела прочности образцов, мощности и влажности глинистых прослоев хорошо согласуются с нормальным законом распределения. Это позволило в рамках линейной

регрессионной модели получить уравнение связи предела прочности слоистого соляного образца с мощностью глинистого прослоя и его влажностью:

Смсж = 22,55 - 61,45С --0,40 W МПа,

где Ж — влажность глинистого прослоя, %.

Таким образом, в результате проведенных исследований установлена

1. Евсеев А.В. Оценка степени снижения несущей способности междукамерных целиков при наличии в их основании ослабленного слоя // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. Горного ин-та УрО РАН по результатам НИР в 2006 г., 16— 20 апр. 2007 г. — Пермь, 2007.

2. Проскуряков Н.М., Пермяков Р.С., Черников А.К. Физико-механические свойства соляных пород. — Л.: Недра, 1973.

3. Методическое руководство по ведению горных работ на рудниках Верхнекамского калийного месторождения. — М.: Недра, 1992.

зависимость изменения прочностных свойств слоистого соляного образца от мощности и степени увлажнения глинистого прослойка, находящегося на верхней его границе. Полученные оценки использованы при математическом моделировании напряженно-деформированного состояния слоистых соляных междукамерных целиков, с целью корректировки методики расчета степени их нагружения.

------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей. Технологический регламент. — СПб, 2008.

5. Барях А.А., Асанов В.А., Паньков И.Л. Физико-механические свойства соляных пород Верхнекамского калийного месторождения: учебное пособие. — Пермь: Издательство Пермского государственного технического университета, 2008. Н5гдз

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------

Асанов В.А. — доктор технических наук, профессор, e-mail: ava@mi-perm.ru; Евсеев А.В. — аспирант, младший научный сотрудник, e-mail: evseev@mi-perm.ru; Токсаров В.Н. — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: toksarov@mi-perm.ru Горный институт, Уральское отделение РАН.

----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

НАУЧНО-ИНЖЕНЕРНЫЙ ЦЕНТР «ГЕОМАРК»

АСАИНОВ Сергей Турсунович Разработка метода оценки безотказной работы систем вентиляции и управления газовыделением выемочных участеков угольных шахт 05.26.01 к.т.н.