Эффективное решение упрочнения междукамерного целика (МКЦ) анкерной крепью при разработке Илецкого месторождения каменной соли
Естественные залежи каменной соли возрастом более 270 миллионов лет под городом Соль-Илецком являются уникальным ценным природным ресурсом России, представляют собой геологическое тело в форме соляного купола, который был выведен на поверхность.
Размеры соляного тела на глубине 215 метров составляют 1920 метров по длинной оси и 840 метров по короткой, а на глубине 600 метров — 2150 метров по длинной оси и 880 метров по короткой. Это колоссальные разведанные запасы до глубины 600-700 м, из которых доля балансовых составляет 568 406 000 тонн. По геофизическим данным, на глубине 1600 м размер купола равен 6-4 км. При нынешнем объёме добычи до 1,7 млн. т/год месторождение будут отрабатывать не менее
200 лет. Высокое качество добываемой соли не требует дополнительных процессов очистки. Её переработка заключается в дроблении на специальных вальцевых станках и сортировке методом грохочения с разделением сырья на фракции.
Двухсотлетняя эксплуатация Илецкого месторождения каменной соли носила хаотичный характер. Длительное время добыча соли велась вручную, с поверхности. С 1889 года началась подземная добыча, до 1926 года соль вынимали в «Старой камере» на глубине 140 метров. С каждым годом технологии совершенствовались,
и с 1964 года стартовала разработка новых участков на глубине 280 метров, а в 2004 году компания «Руссоль» начала работы на глубине 300 метров.
Деятельность горнодобывающих предприятий связана с длительным влиянием на геологическую среду, приводящим к нарушению существующего природного равновесия. Основной техногенной опасностью при разработке месторождений соляных легко водорастворимых геоматериалов является аварийное
внезапное, непрогнозируемое водопроявление с растворимостью галогенных отложений соляной толщи.
Вода и рассолы в результате подработки водозащитной толщи проникают через трещины, размывают соляной массив, защитные междукамерные целики (МКЦ) и вмещающие породы, возникают обильные водо- и рассолопритоки.
Результаты воздействия водо- и рассолопритоков проявляются в:
между отрабатываемыми этажами и водоносными горизонтами. Как показывает опыт отработки таких месторождений, наилучшие условия сохранности водозащитной толщи в долгосрочной перспективе обеспечиваются обоснованными параметрами охранных и междукамерных целиков.
Поэтому безопасная эксплуатация водорастворимых соляных месторождений связана с тем, чтобы исключить возможность образования трещин между выработками и водоносными горизонтами.
Изменение влажности влияет на устойчивость массива при разработке соляных месторождений из-за гигроскопичности и склонности к изменению прочностных и деформационных показателей пород, которые снижают устойчивость и повышают ползучесть междукамерных целиков.
Ранее вследствие заложения в верхней, трещиноватой и закарстованной части соляного штока были затоплены несколько шахт и рудник № 1.
В настоящее время на руднике № 2 горные работы идут под водозащитной потолочиной мощностью 130 м, отделённой от затопленной шахты № 1 камерной системой разработки с оставлением междукамерных ленточных целиков. Очистные камеры имеют следующие параметры: протяжённость — до 500 м, высота — 30 м, ширина — 30 м, размер междукамерных целиков — 26÷28 м. Отработка камер — послойная, нисходящая, без крепления, с использованием проходческо-очистных комбайнов «Урал-20», количество слоёв — 14.
Безопасное и эффективное освоение запасов месторождения предполагает решение ряда геомеханических задач: охраны месторождения от затопления; предотвращения проникновения воды в горные выработки; обеспечения сохранности поверхностных объектов для их безопасной и безаварийной эксплуатации; недопущения больших потерь каменной соли.
С переходом на большие глубины разработки проблема обеспечения устойчивости горных выработок и междукамерных целиков большой протяжённости и сечения в соляных рудниках на весь срок их службы становится чрезвычайно актуальной.
Проведённый анализ отечественного и зарубежного опыта показал, что наибольшие нагрузки возникают в нижней части целика и частично в верхней, что и показали результаты моделирования.
По результатам обследования состояние МКЦ его отнесли ко второй категории разрушения: в МКЦ появились признаки разрушения (отдельные трещины, заколы и коржи
на боковых поверхностях).
Соляные породы пластичны, то есть обладают способностью под нагрузкой изменять форму без разрыва сплошности, накапливая необратимые деформации. Этот параметр существенно зависит от скорости нагружения, температуры, влажности и др. Пластичные соляные породы характеризуются значительными деформациями
ползучести при констатированной нагрузке и Породы характеризуются неустановившейся, установившейся и прогрессирующей стадиями ползучести.
Взаимодействие якорного анкера с междукамерным целиком носит сложный пространственно-временной характер. Это обусловлено упруго-вязко-пластическими свойствами каменной соли, длиной и диаметром, начальным натяжением якорного анкера и т. п. Изменение начального усилия в натяжении анкера зависит в первую очередь от реологических свойств соляного междукамерного целика.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанная система крепления МКЦ обеспечивает:
Размеры соляного тела на глубине 215 метров составляют 1920 метров по длинной оси и 840 метров по короткой, а на глубине 600 метров — 2150 метров по длинной оси и 880 метров по короткой. Это колоссальные разведанные запасы до глубины 600-700 м, из которых доля балансовых составляет 568 406 000 тонн. По геофизическим данным, на глубине 1600 м размер купола равен 6-4 км. При нынешнем объёме добычи до 1,7 млн. т/год месторождение будут отрабатывать не менее
200 лет. Высокое качество добываемой соли не требует дополнительных процессов очистки. Её переработка заключается в дроблении на специальных вальцевых станках и сортировке методом грохочения с разделением сырья на фракции.
Двухсотлетняя эксплуатация Илецкого месторождения каменной соли носила хаотичный характер. Длительное время добыча соли велась вручную, с поверхности. С 1889 года началась подземная добыча, до 1926 года соль вынимали в «Старой камере» на глубине 140 метров. С каждым годом технологии совершенствовались,
и с 1964 года стартовала разработка новых участков на глубине 280 метров, а в 2004 году компания «Руссоль» начала работы на глубине 300 метров.
Деятельность горнодобывающих предприятий связана с длительным влиянием на геологическую среду, приводящим к нарушению существующего природного равновесия. Основной техногенной опасностью при разработке месторождений соляных легко водорастворимых геоматериалов является аварийное
внезапное, непрогнозируемое водопроявление с растворимостью галогенных отложений соляной толщи.
Вода и рассолы в результате подработки водозащитной толщи проникают через трещины, размывают соляной массив, защитные междукамерные целики (МКЦ) и вмещающие породы, возникают обильные водо- и рассолопритоки.
Результаты воздействия водо- и рассолопритоков проявляются в:
- нарушении гидродинамического режима и затоплении рудника;
- последующем обрушении вмещающих пород с провалообразованием, нарушением и эрозией ландшафта;
- невосстановимых потерях полезного ископаемого;
- изменении химического состава подземных и поверхностных вод;
- изменении температурных параметров массива горных пород.
между отрабатываемыми этажами и водоносными горизонтами. Как показывает опыт отработки таких месторождений, наилучшие условия сохранности водозащитной толщи в долгосрочной перспективе обеспечиваются обоснованными параметрами охранных и междукамерных целиков.
Поэтому безопасная эксплуатация водорастворимых соляных месторождений связана с тем, чтобы исключить возможность образования трещин между выработками и водоносными горизонтами.
Изменение влажности влияет на устойчивость массива при разработке соляных месторождений из-за гигроскопичности и склонности к изменению прочностных и деформационных показателей пород, которые снижают устойчивость и повышают ползучесть междукамерных целиков.
Ранее вследствие заложения в верхней, трещиноватой и закарстованной части соляного штока были затоплены несколько шахт и рудник № 1.
В настоящее время на руднике № 2 горные работы идут под водозащитной потолочиной мощностью 130 м, отделённой от затопленной шахты № 1 камерной системой разработки с оставлением междукамерных ленточных целиков. Очистные камеры имеют следующие параметры: протяжённость — до 500 м, высота — 30 м, ширина — 30 м, размер междукамерных целиков — 26÷28 м. Отработка камер — послойная, нисходящая, без крепления, с использованием проходческо-очистных комбайнов «Урал-20», количество слоёв — 14.
Безопасное и эффективное освоение запасов месторождения предполагает решение ряда геомеханических задач: охраны месторождения от затопления; предотвращения проникновения воды в горные выработки; обеспечения сохранности поверхностных объектов для их безопасной и безаварийной эксплуатации; недопущения больших потерь каменной соли.
С переходом на большие глубины разработки проблема обеспечения устойчивости горных выработок и междукамерных целиков большой протяжённости и сечения в соляных рудниках на весь срок их службы становится чрезвычайно актуальной.
Для крепления междукамерных целиков специалисты ООО «РАНК 2» совместно с НИЦ «Прикладная геомеханика и конвергентные горные технологии», Горный институт НИТУ «МИСиС» разработали специализированную крепь АКМ20.01-2 (патент RU 195787 U1). Кроме того, они создали систему упрочнения деформируемых частей междукамерного целика (МКЦ) в этаже –132/–160 м анкерами, определив необходимые характеристики для сохранения устойчивости геомеханической системы рудника на время отработки третьего нижележащего этажа –240/–270 м. Проект выполнен, чтобы обеспечить безопасность горных работ на предприятии в период 2018–2032 гг.
Анализ результатов обследования состояния выработанных пространств на рудниках месторождений калийных и каменных солей показывает, что на отдельных участках при отработке пластов с «жёсткими» целиками, рассчитанными на «бесконечный» срок службы, спустя 20-30 лет и ранее наблюдаются их значительные разрушения.Проведённый анализ отечественного и зарубежного опыта показал, что наибольшие нагрузки возникают в нижней части целика и частично в верхней, что и показали результаты моделирования.
По результатам обследования состояние МКЦ его отнесли ко второй категории разрушения: в МКЦ появились признаки разрушения (отдельные трещины, заколы и коржи
на боковых поверхностях).
Соляные породы пластичны, то есть обладают способностью под нагрузкой изменять форму без разрыва сплошности, накапливая необратимые деформации. Этот параметр существенно зависит от скорости нагружения, температуры, влажности и др. Пластичные соляные породы характеризуются значительными деформациями
ползучести при констатированной нагрузке и Породы характеризуются неустановившейся, установившейся и прогрессирующей стадиями ползучести.
Взаимодействие якорного анкера с междукамерным целиком носит сложный пространственно-временной характер. Это обусловлено упруго-вязко-пластическими свойствами каменной соли, длиной и диаметром, начальным натяжением якорного анкера и т. п. Изменение начального усилия в натяжении анкера зависит в первую очередь от реологических свойств соляного междукамерного целика.
Процесс пластичного течения соляных пород с помощью жёсткой крепи остановить нельзя, необходимо контролируемое управление. Ни один элемент рудничной крепи в отдельности не способен обеспечить достаточного сопротивления движению массива каменной соли. Попытки остановить этот процесс посредством использования жёсткой крепи не приносят результата: в конечном итоге она разрушается. Крепь в таких условиях должна обеспечивать достаточное сопротивление горному давлению, но в то же время быть податливой, чтобы позволять массиву каменной соли двигаться под контролем в течение всего срока эксплуатации участка и выработок. Необходимо в рассматриваемых условиях применить систему, состоящую из нескольких элементов.
Для повышения эффективности целесообразно использовать податливые виды крепи, допускающие смещения и деформации за пределами упругих напряжений при сохранении своей несущей способности.
Разработанная система крепления МКЦ (рис. 1, 2) состоит из анкерной крепи с якорями (рис. 3), высокопрочной поверхностной крепи — сетки MINAX (рис. 4) и самозакрепляющихся анкеров (СЗА, рис. 5). Для контроля за работой анкеров, в том числе на стадии проведения опытно-промышленных испытаний, устанавливаются волоконно-оптические датчики деформации FBG-ST-310, FBG-ST-330 и проводят постоянные наблюдения. Датчики предназначены для измерения относительной деформации на поверхности конструкций.ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанная система крепления МКЦ обеспечивает:
- создание упруго-пластичной неразрушаемой системы крепления «анкерная крепь — МКЦ» посредством изменения усилия затягивания анкерной крепи в условиях деформирования МКЦ, допускающей смещения и деформации за пределами упругих напряжений при сохранении своей несущей способности;
- постоянный мониторинг работы анкеров в режиме реального времени посредством установки волоконно-оптических датчиков деформации FBG-ST-310, FBG-ST-330;
- снижение возможных техногенных рисков при разработке месторождений каменной соли.