Извлечение запасов из опорных целиков при разработке калийных пластов на больших глубинах

Введение

Вопросы разработки калийных месторождений становятся особенно актуальными при переходе горных работ на большие глубины, где эксплуатационные потери полезного ископаемого возрастают. В мировой практике для таких условий традиционно применяется камерная система разработки с оставлением опорных целиков между выемочными участками [1]. Однако предпринимавшиеся ранее попытки снизить потери за счет частичной выемки целиков или уменьшения их ширины не дали положительных результатов [2–4].

Следующими возможными шагами к повышению извлечения видятся варианты выемки междукамерных целиков, расположенных на выемочных участках, а также отработка запасов опорного целика. Однако предыдущие исследования [5] показали, что рационального решения вопроса снижения потерь за счёт доизвлечения междукамерных целиков достичь за срок службы блока практически невозможно – в частности, из-за невозможности обеспечить приемлемое отставание работ по доизвлечению междукамерных целиков от основных очистных работ на участке. К моменту когда возникает технологическая возможность приступить к доизвлечению, междукамерные целики уже оказываются в запредельном напряженно-деформированном состоянии вследствие реологических процессов.

Наблюдения на калийных рудниках, разрабатывающих пласты на глубинах порядка 1000–1200 м, показывают, что соляные целики деформируются пластично. В результате происходит постепенное заполнение выработанного пространства камер вплоть до формирования сплошного техногенного массива. Оседания кровли в первый год после очистных работ достигают 150–200 мм, а через 2–3 года выработки приходят в неэксплуатационное состояние. Напряжения в сохраняемых опорных целиках при этом возрастают многократно по сравнению с естественным уровнем, что делает невозможным ведение каких-либо очистных работ вблизи них без риска потери устойчивости всей системы.

Таким образом, возникает противоречие: опорные целики необходимы для поддержания устойчивости выемочных участков на период их отработки, но именно в них консервируется значительная часть запасов, извлечь которые традиционными подходами не удается. Разрешение данного противоречия видится в применении двухстадийной выемки, реализующей принцип доизвлечения запасов при обеспечении охраны подрабатываемых водоносных горизонтов с помощью закладки выработанного пространства. Своевременное заполнение камер первой очереди закладочным материалом способно ограничить рост напряжений в опорном целике и предотвратить его запредельное деформирование. После завершения закладочных работ на смежных выемочных участках опорный целик может быть отработан камерами второй очереди с оставлением лишь технологически необходимых междукамерных целиков.

В этой связи в статье предлагается отрабатывать опорный целик по двухстадийной схеме, предусматривающей доизвлечение запасов при обязательном выполнении охранных мероприятий для подрабатываемых водоносных горизонтов за счет закладки выработанного пространства.

Целью настоящего исследования являются разработка и обоснование технологии выемки пологих калийных пластов на больших глубинах, позволяющей минимизировать эксплуатационные потери полезного ископаемого.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• прогноз геомеханических процессов в массиве соляных пород при различных сценариях развития горных работ и оценка влияния временного фактора на напряженное состояние опорных целиков;
• разработка способов снижения действующих напряжений в опорном целике за счет оптимизации параметров закладки и конфигурации междукамерных целиков;
• исследование влияния закладки выработанного пространства (степень заполнения камер, тип закладочного материала) на напряженное состояние опорного целика;
• разработка алгоритма определения параметров предлагаемой технологии (количество камер, ширина междукамерных целиков) на основе результатов численного моделирования.

Методы

Для достижения поставленной цели и решения задач исследования использован метод компьютерного моделирования [6, 7], который в современной геомеханике является общепризнанным инструментом оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Численное моделирование выполнено с применением программного комплекса компании Rocscience, реализующего метод конечных элементов. Данный программный продукт предназначен для решения широкого круга задач геомеханики, включая обоснование проектных решений при разработке месторождений полезных ископаемых [8, 9]. Выбор этого программного средства обусловлен его способностью эффективно, с меньшими трудозатратами по сравнению с физическим моделированием, создавать и анализировать сложные многостадийные задачи – что особенно важно при исследовании процессов в массиве соляных пород.

Геометрия и параметры модели

В рамках исследования моделируется плоский фрагмент камерной системы разработки, включающий породы кровли и почвы, а также основной продуктивный пласт. В модели учитывается чередование междукамерных целиков на выемочном участке и опорного целика, разделяющего смежные выемочные участки. С учетом симметрии напряженно-деформированного состояния относительно вертикальной оси опорного целика в расчетах рассматривается половина его ширины и половина примыкающего выемочного участка. Геометрия модели и схема расположения элементов приведены на рис. 1.

Рис. 1. Геометрия исследуемой горно-геомеханической модели:
а – без закладки камер; б – с закладкой камер

Граничные условия и нагружение

На боковых границах модели заданы ограничения перемещений по горизонтальной оси, на нижней границе – по вертикальной. К верхней границе приложена распределенная нагрузка, соответствующая весу вышележащей толщи пород. Начальное напряженное состояние массива принято гидростатическим, что соответствует условиям глубокого залегания калийных пластов. Моделирование выполнялось в упруго-пластичной постановке с использованием критерия прочности Мора–Кулона, который адекватно описывает поведение соляных пород в рассматриваемом диапазоне нагрузок.

Моделирование закладочного массива

Для оценки влияния закладочных работ на напряженное состояние опорного целика в модели предусмотрено заполнение очистных камер материалом с заданными прочностными и деформационными характеристиками [10–12]. Варьируемыми параметрами выступали степень заполнения камер (отношение объема закладки к объему выработанного пространства), а также механические свойства закладочного массива, что позволяет рассмотреть различные типы закладки – от сухой до твердеющей. Возможность изменения этих характеристик позволяет проводить параметрические исследования для обоснования рационального типа закладочного материала применительно к конкретным горно-геологическим условиям [13, 14].

Применяемый подход к моделированию позволяет количественно оценить влияние каждого из рассматриваемых факторов на уровень напряжений, действующих в опорном целике, и на этой основе разработать рекомендации по параметрам технологии двухстадийной выемки. Для моделирования приняты усредненные значения прочностных и деформационных свойств соляных пород, слагающих моделируемый разрез [15–17].

Результаты

1. Прогноз геомеханических процессов

Для прогноза геомеханических процессов использовался такой параметр, как величина вертикальной конвергенции кровли (рис. 2). На одном из калийных месторождений России, где продуктивные пласты залегают на глубине 1100 м, наблюдения показали, что оседания кровли в очистных камерах в первый год после очистных работ достигают 200 мм. Дальнейшие наблюдения за состоянием камер не производились, поэтому для калибровки модели авторы использовали данные из научной литературы [18–20]. В работах [21, 22] установлено, что соляные целики деформируются пластично, в результате чего происходит постепенное заполнение выработанного пространства камер вплоть до создания нового сплошного техногенного массива. Максимальное оседание кровли чаще всего составляет от 30 до 40 % от вынимаемой мощности и зависит от отношения площади целиков к общей площади выемочного участка. Для оценки изменения напряжений в опорном целике с течением времени в модели варьировалась степень податливости целиков. Результаты свидетельствуют о том, что по мере деформации пласта напряжения в опорных целиках возрастают (рис. 3).

Рис. 2. Конвергенция кровли выемочного участка

Рис. 3. Напряжения в опорном целике

Процесс возрастания напряжений в опорных целиках носит не мгновенный, а протяженный во времени характер. Калибруя модель по величине оседаний кровли, можно проследить за изменениями напряжений в опорном целике. Таким образом, согласно результатам построенной модели напряжения в опорных целиках спустя год превышают уровень естественных напряжений в 1,5 раза, а на конечный момент сдвижений – более чем в 6 раз.

Согласно полученной эпюре распределения напряжений по сечению целика на конечный момент сдвижений в краевых участках наблюдается концентрация напряжений, максимальные значения которых в 1,4–1,7 раза больше средних. При решении вопросов о доизвлечении запасов необходимо ориентироваться на уровень максимально действующих напряжений в опорном целике, так как именно эти зоны повышенных напряжений создают сложности при расчете достаточной ширины оставляемых междукамерных целиков (МКЦ) второй очереди.

Увеличение сроков между очистными и закладочными работами приводит к росту напряжений, а также к усложнению закладочных работ.

Результаты визуально-инструментальных наблюдений на месторождении за процессами деформирования МКЦ и очистных камер свидетельствуют: выработки приходят в неэксплуатационное состояние уже через 1–2 года после окончания очистных работ. Исследования других ученых [23, 24] показывают, что обрушение стенок целиков на глубоких соляных месторождениях происходит примерно через 250 сут после отработки камеры. Однако на этих участках закладочные работы не велись.

Закладка камер снижает скорость деформирования пласта, уменьшает величину опускания кровли и, соответственно, предотвращает рост напряжений в опорном целике.

Очевидно, что чем меньше этот период, тем лучше. Однако необходимо технологически увязать этот процесс во времени и пространстве [25–27], учитывая при этом, что закладочный массив создает отпор не сразу.

Величина возможного доизвлечения запасов (количество камер) из опорного целика зависит от уровня напряжений в нем. При минимальном отставании закладочных работ от очистных оседания кровли минимальны, напряжения в опорном целике не увеличиваются, более того, их возможно привести к уровню естественных напряжений.

При исследовании влияния параметров закладочного массива на напряженное состояние опорного целика варьировались вынимаемая мощность пласта, степень заполнения камер, а также прочностные и деформационные характеристики закладочного материала.

Действующие напряжения в опорном целике для диапазона исследованных условий при ведении закладочных работ можно найти по формуле:

σ_оц = k · σ_ест,

где σ_ест – естественный уровень напряжений на глубине ведения горных работ; k – полученный на основе численных моделей коэффициент для оценки действующих в опорном целике напряжений σ_оц (рис. 4), имеющий вид:

k = A · x ^−B,

где x – степень заполнения камер закладочным материалом; A и B – эмпирические коэффициенты, зависящие от конкретных параметров разработки смежных участков (A – функция от вынимаемой мощности пласта; B – функция от деформационных свойств закладочных массивов).

Рис. 4. Зависимость коэффициента концентрации напряжений от деформационных свойств закладки и степени заполнения камер

Коэффициент A может быть выражен следующей функцией, зависящей от вынимаемой мощности пласта m, м, величина достоверности R² = 0,9241:

A = X · e^0,01m,

где X – коэффициент, зависящий от типа закладки (0,8 – для твердеющей; 1,5 – для гидравлической; 2,9 – для сухой).

Показатель степени B выражается полиномиальной функцией второй степени, зависящей от модуля упругости E, МПа, закладочного массива; достоверность аппроксимации R² = 0,9458:

B = −0,000002 · E² + 0,0033 · E + 0,5598.

При заполнении камер первой очереди создается монолитная конструкция. Она разгружает опорный целик от «будущих» напряжений, позволяя ему оставаться в разгруженном состоянии. Полученные зависимости справедливы для типовых условий залегания пологих калийных пластов на глубине 1100 м при вынимаемой мощности от 5 до 20 м и обеспечении требуемой степени нагружения целиков.

Уровень напряжений в опорном целике зависит от параметров закладки. Сухая закладка камер не оказывает значительного влияния на устойчивость целиков [5, 28]. Гидравлическая закладка несколько улучшает ситуацию, однако не позволяет в полной мере реализовать потенциал предлагаемой технологии. Извлечь максимально возможное количество камер второй очереди, приведя напряжения в опорном целике к уровню естественных напряжений, можно только с использованием твердеющей закладки.

2. Разработка технологии выемки пологих пластов

Идея предотвращения роста напряжений в опорном целике реализуема при одновременном ведении очистных и закладочных работ. Разработанный способ отработки калийных пластов на больших глубинах осуществляется следующим образом¹.

Разрабатываемое поле разделяют на выемочные участки, по границам которых оставляют опорные межучастковые целики. Ширину опорных целиков рассчитывают для условий полной подработки, когда на указанные целики давит масса полного столба налегающих пород до земной поверхности. Выемочные участки отрабатывают камерами первой очереди, между которыми оставляют ленточные целики, испытывающие давление столба пород в пределах свода естественного равновесия.

Далее по мере отработки каждой камеры первой очереди приступают к ее закладке. Таким образом, на участке должны одновременно вестись и очистные, и закладочные работы.

После закладки смежных выемочных участков отрабатывают опорный межучастковый целик камерами второй очереди. Количество камер второй очереди геометрически вписывают по ширине опорного межучасткового целика, учитывая необходимую ширину оставляемых между ними МКЦ. Ширину МКЦ второй очереди рассчитывают на величину действующих в опорном целике напряжений после закладки.

При реализации предлагаемого способа рекомендуется применять конфигурацию МКЦ, при которой их ширина уменьшается от периферии к центральной части выемочного участка (рис. 5).

Рис. 5. Конфигурация МКЦ переменной ширины

Минимальная ширина МКЦ определяется по степени его нагружения исходя из сроков отставания закладочных работ в блоке от очистных и рассчитывается по известным нормативным эмпирическим зависимостям.

Ширина промежуточных МКЦ bⁱ_мкц  увеличивается линейно от центра к границам выемочного участка, при этом средняя степень нагружения МКЦ на выемочном участке C_ср должна соответствовать максимально разрешенному нормативной документацией значению:

C_ср = ∑(bⁱ_мкцC_i)/∑bⁱ_мкц.

Наличие зоны с переменной шириной целиков «сглаживает» кривую оседаний, а также уменьшает уровень напряжений в опорном целике по сравнению с вариантом с оставлением МКЦ одной ширины на выемочном участке. При этом коэффициент запаса прочности МКЦ в предлагаемом варианте не ниже, чем в базовом, и остается больше 1 (рис. 6), что свидетельствует о том, что предлагаемый способ не снижает уровня безопасности.

Рис. 6. Коэффициент запаса прочности МКЦ

Рис. 7. Алгоритм определения параметров технологии разработки пологозалегающих калийных пластов на больших глубинах

Закладочный материал подбирают таким образом, чтобы расчетное значение эмпирической функции k было минимальным, что позволяет добиться максимального снижения величины напряжений в опорном целике.

На основании результатов численного моделирования и требований действующих нормативно-технических документов, регламентирующих ведение горных работ на калийных рудниках, разработана методика определения параметров предлагаемой технологии выемки пологозалегающих калийных пластов на больших глубинах со сниженными потерями руды. Алгоритм методики приведен на рис. 7.

¹Ковальский Е. Р., Конгар-Сюрюн Ч. Б., Сиренко Ю. Г.,Карпов Г. Н. Способ разработки калийных пластов на больших глубинах. Заявка на патент РФ № 2025136780; заявл. 18.12.2025.

Обсуждение

Ключевой вопрос при оценке перспектив практической реализации предлагаемой технологии – необходимость ведения закладочных работ, что традиционно рассматривается как фактор, повышающий капитальные затраты и сложность организации горных работ [29]. Действительно, создание и эксплуатация закладочного комплекса требуют дополнительных инвестиций и сопряжены с решением ряда технологических задач [30, 31]. Однако в современных условиях разработки калийных месторождений на больших глубинах закладка выработанного пространства перестает быть лишь желательным элементом совершенствования технологии, а становится объективной необходимостью.

Такой вывод подтверждается негативным опытом эксплуатации калийных рудников, где отсутствие закладочных работ в прошлом привело к серьезным геомеханическим и гидрогеологическим проблемам, включая неконтролируемые сдвижения пород, прорывы рассолов и потерю устойчивости выработок [32–34]. Предотвращение подобных явлений на вновь проектируемых и развиваемых рудниках требует обязательного применения закладочных систем независимо от принимаемой технологии очистной выемки. В этой связи затраты на создание закладочного комплекса, а также сопутствующие организационные и технологические сложности следует рассматривать не как недостаток конкретного способа двухстадийной выемки, а как неизбежные условия безопасной и устойчивой отработки глубоких горизонтов калийных месторождений.

Важным преимуществом предлагаемого технологического решения является его совместимость с существующими схемами подготовки и вскрытия шахтных полей. Реализация двухстадийной выемки с закладкой не требует проведения значительного объема дополнительных вскрывающих или подготовительных выработок и не предполагает коренной перестройки принятой технологической схемы рудника. Это существенно снижает барьеры для внедрения и позволяет адаптировать предлагаемый способ в условиях действующих предприятий с минимальными изменениями сложившейся инфраструктуры.

Дополнительным аргументом в пользу предлагаемой технологии является возможность утилизации значительных объемов отходов обогащения и шахтных пород при приготовлении закладочных смесей. Это позволяет не только решить проблему складирования отходов на поверхности, но и снизить негативное воздействие на окружающую среду. Таким образом, положительный эффект от применения технологии носит комплексный характер и складывается из двух составляющих: прямого экономического эффекта за счет дополнительного извлечения балансовых запасов из опорных целиков и эколого-экономического эффекта от сокращения площадей, занимаемых отходами, и предотвращения загрязнения природной среды [35]. В совокупности изложенное позволяет заключить, что предлагаемая технология несмотря на объективные сложности, связанные с необходимостью закладки, является не только геомеханически обоснованным, но и технологически реализуемым решением, обеспечивающим повышение полноты извлечения запасов при одновременном решении задач промышленной безопасности и охраны окружающей среды.

Заключение

В результате выполненных исследований разработан и обоснован способ выемки пологих калийных пластов на больших глубинах, позволяющий снизить эксплуатационные потери за счет доизвлечения опорных межучастковых целиков. Ключевым условием реализации предложенного подхода является одновременное ведение очистных и закладочных работ, ограничивающее рост напряжений в опорных целиках и создающее условия для их последующей отработки камерами второй очереди.

Для типовых условий разработки калийных месторождений (глубина 1100 м, вынимаемая мощность 5 м) установлено, что применение твердеющей закладки снижает концентрацию напряжений в опорном целике до уровня, характеризуемого коэффициентом k = 1,2, тогда как при отсутствии закладки этот показатель достигает k = 5,0. Четырехкратное снижение действующих напряжений обеспечивает возможность проведения камер второй очереди в габаритах опорного целика и дополнительное извлечение балансовых запасов. По результатам исследования сформулированы следующие основные выводы:

1. Возрастание напряжений в опорных целиках имеет протяженный во времени характер. Согласно результатам моделирования через год после очистных работ напряжения превышают естественный уровень в 1,5 раза, а на конечный момент сдвижений – более чем в 6 раз. Увеличение интервала между очистными работами и началом закладки приводит к необратимому росту напряжений, что определяет необходимость синхронизации очистных и закладочных работ в период не более 1–2 лет, пока выработки сохраняют эксплуатационное состояние.

2. Управление напряженным состоянием опорного целика достигается за счет двух факторов: применения междукамерных целиков переменной ширины (увеличивающейся от центра к периферии участка) и одновременного ведения очистных и закладочных работ. При этом коэффициент запаса прочности междукамерных целиков сохраняется выше 1, что свидетельствует о безопасности предлагаемого способа.

3. Уровень напряжений в опорном целике после закладки камер первой очереди определяется эмпирической функцией, полученной на основе численного моделирования. Функция учитывает деформационные свойства закладки (модуль упругости от 100 до 1000 МПа) и степень заполнения камер (от 0 до 100 %). Достоверность полученных зависимостей подтверждается коэффициентами R² = 0,9241 для параметра A и R² = 0,9458 для параметра B.

4. Разработанный алгоритм определения параметров двухстадийной выемки базируется на расчете максимальных напряжений в опорном целике, от которых зависят допустимое количество камер второй очереди и ширина оставляемых между ними междукамерных целиков.

Таким образом, предложенный способ представляет собой геомеханически обоснованное решение, направленное на повышение полноты извлечения запасов при обеспечении безопасности горных работ. Дополнительным эффектом является возможность утилизации отходов обогащения в закладочных смесях, что снижает нагрузку на окружающую среду.