Разработка ученых Пермского Политеха и Горного Института УрО РАН повысит сохранность калийных рудников от затопления
Разработка Верхнекамского месторождения калийных солей осложняется многими факторами, одним из важнейших является растворимость солей и наличие водонасыщенных пород, залегающих над продуктивной соляной толщей. Для предотвращения затопления рудника и исключения образования провалов на земной поверхности необходимо сохранять водозащитную толщу в целости. Для этого в недрах оставляют часть соляных запасов – так называемых целиков, для которых важно производить расчет несущей способности и определять степень их нагруженности. Ученые Пермского Политеха совместно с учеными Горного Института УрО РАН разработали новый способ расчета, который позволяет учитывать наличие и прочность всех разнородных слоев горных пород.
Статья с результатами опубликована в журнале «Известия ТулГУ. Науки о Земле», 2024 год. Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания.
Сложность разработки Верхнекамского месторождения калийных солей заключается в наличии водонасыщенных пород, залегающих над продуктивной соляной толщей. Для того чтобы безопасно извлечь полезное ископаемое и избежать затопление рудника, его разработку проводят камерной системой. Выемка ведется с помощью коротких очистных забоев - камер, между которых оставляют неизвлекаемый массив – соляные целики. Такие целики позволяют поддерживать вышележащую толщу, исключить образование трещин и прорыв пресных вод в подземной пространство, в котором работают люди и находится добычное оборудование. При этом необходимо знать, какую максимальную нагрузку целики могут выдержать, не разрушаясь бесконечно длительное время, сохраняя свою устойчивость.
Правильный расчет несущей способности соляных целиков зависит от многих факторов, основными из которых являются слоистое строение породы и наличие слабых глинистых прослоев, чередующихся между слоями сильвинита и каменной соли. Для большинства разрабатываемых участков Верхнекамского месторождения толщина глинистых прослоев не превышает нескольких сантиметров. В тоже время существуют участки с аномальным строением, она может достигать нескольких десятков сантиметров и более, такое увеличение существенно влияет на устойчивость и сохранность соляных целиков.
Практика ведения горных работ в таких аномально глинистых условиях показала, что расчет несущей способности целиков существующим методом дает не совсем корректные результаты. Поэтому ученые Пермского Политеха и Горного Института УрО РАН разработали корректировки стандартного метода расчета прочности целиков, позволяющего учитывать влияние слабых глинистых слоев значительной мощности. Для этого исследователи изготовили около тысячи двухслойных, трехслойных и четырехслойных искусственных образцов с фиксированными прочностными свойствами и толщиной слоев, которые испытывались на сжатие в лабораторных условиях.
– Проведенный комплекс экспериментов позволил установить, что с уменьшением толщины слабого слоя прочность слоистых образцов увеличивается. При этом максимальные деформации приходятся на наиболее слабый слой, являющимся местом начала разрушения образца. На основании полученных результатов было разработано новое уравнение расчета эквивалентной прочности целиков, которое учитывает, как наличие разнопрочных слоев, так и влияние слабых глинистых прослоек различной толщины, – рассказывает Артем Ударцев, старший преподаватель кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» ПНИПУ.
На примере реальных участков месторождения с «повышенным» и «нормальным» содержанием глины ученые ПНИПУ и Горного Института УрО РАН подтвердили, что новое уравнение для расчета несущей способности соляных целиков позволяет проводить более точную оценку в условиях высокой глинизации по сравнению с нормативной методикой. Разработка повысит безопасность ведения горных работ при добыче калийных солей.
