Специалисты Института механики сплошных сред и Горного института Уральского отделения РАН модернизировали классический метод добычи калийных солей. Их разработка позволяет повысить точность прогнозирования нагрузок на породные целики, учитывая развитие в них трещин. Это вносит вклад в повышение промышленной безопасности и устойчивое развитие минерально-сырьевого комплекса страны.
Результаты опубликованы в журнале Eurasian Mining.
Проектирование шахт — это сложнейшее уравнение со множеством неизвестных. Чтобы рудник был эффективным и безопасным, инженеры ищут золотую середину между геологическими рисками, техническими возможностями и экономической выгодой. Малейший просчёт может превратить перспективный проект в техногенную катастрофу и привести к полной потере рудника.
Особенно актуальна эта задача для калийных месторождений. Здесь обычный прорыв грунтовых вод может превратиться в катастрофу: шахты просто затопит, а земля над ними начнёт проседать. Такие провалы — это не только удар по экологии, но и реальная угроза для домов, дорог и жизни целых городов.
Один из распространённых методов добычи калийных солей — камерная система разработки, которую используют, например, на Верхнекамском (Пермский край) и Гремячинском (Волгоградская область) месторождениях. При этом методе продуктивный пласт делят на камеры, содержимое которых извлекают, а между камерами оставляют опорные стенки — целики. Они поддерживают вышележащую защитную толщу пород, не давая грунтовым водам проникнуть в шахту. Задача инженеров найти оптимальную схему расположения камер и геометрические параметры целиков. Благодаря развитию вычислительной техники, горным инженерам на помощь всё чаще приходит математическое моделирование механических процессов в рудниках.
Традиционно инженеры при расчёте параметров целиков опираются на метод Турнера-Шевякова, предложенный ещё в XIX веке и усовершенствованный в 40-х годах XX века академиком Л.Д. Шевяковым. Этот классический подход не учитывает изменение свойств горной породы в процессе развития выработанного пространства. Однако пермские учёные выяснили, что перераспределение напряжений приводит к образованию трещин в приконтурной части целика, что снижает его несущую способность.
«Раньше приконтурная трещиноватость считалась незначительным фактором, её никто не учитывал, — прокомментировал заместитель директора по научной работе Пермского федерального исследовательского центра доктор физико-математических наук Иван Пантелеев. — Мы модернизировали классический метод расчёта степени нагружения целика, включив в него фактор неравномерного изменения механических свойств материала из-за развития трещин. Было показано, что особенно важную роль этот фактор играет для узких и высоких целиков, где игнорирование трещиноватости может привести к серьёзным ошибкам в оценке их устойчивости».
В ходе вычислительных экспериментов на примере сильвинитового пласта Кр II Верхнекамского месторождения учёные установили, что для целиков с соотношением ширины к высоте не более единицы изменение степени нагружения может достигать 26 %. Это демонстрирует необходимость корректировки подходов к геомеханическому обоснованию безопасности добычи руды на калийных месторождениях.
Исследование выполнено в рамках крупного научного проекта «Фундаментальная механика в новых материалах, конструкциях, технологиях» при поддержке Минобрнауки России (соглашение № 075-15-2024-535 от 23 апреля 2024 г.).