Процессы деформаций подземных выработок в неоднороднослоистых массивах

В последнее десятилетие в мировой практике нашли широкое применение способы подземного хранения нефтегазопродуктов в специальных камерах, создаваемых различными способами (шахтный, метод внутренних взрывов, метод растворения). Одним из наиболее перспективных следует считать геотехнологический метод, при котором емкость формируется в отложениях каменной соли путем ее растворения пресной водой.
Достоинствами подземного способа хранения являются относительная простота технологической схемы сооружения емкости, отсутствие потерь хранимого продукта от испарения при сезонных и суточных колебаниях температуры, значительное сокращение расхода металла, уменьшение земельных угодий, отводимых под строительство, противопожарная безопасность.
К настоящему времени еще не накоплен представительный материал, позволяющий оценить устойчивость и прочность создаваемых подземных емкостей по сооружениям-аналогам, при этом отметим трудность осуществления натурного контроля характеристик деформируемости пород на контуре и в окрестности емкости. Поэтому необходимо изучать и в соответствии с конкретными условиями применять богатый опыт, накопленный при разработке месторождений каменной и калийной солей. Известно, что эти месторождения разрабатываются двумя способами: шахтным и методом подземного выщелачивания. При шахтном способе принята камерная система разработки с оставлением междукамерных целиков. Способ подземного выщелачивания подразделяется на шахтный, предусматривающий проведение подготовительных горных выработок и характеризующийся образованием специфических камер-луговен, бассейнов, колоколов, и подземное выщелачивание через буровые скважины.
Устойчивое положение выработки во многом определяется глубиной ее заложения и типом соляной структуры. Для пластовых соляных месторождений пролет камер на глубине 100 м составляет 20 м и уменьшается до 9 м при глубине 1500 м. Для купольных соляных структур пролет камер, заложенных на глубинах порядка 100 м, составляет 56 м и уменьшается до 15 м при увеличении глубины до 900 м.
В общем виде условие появления области неупругих деформаций для пространственного случая имеет вид:

Интенсивность пластических деформаций возрастает с глубиной; подобное явление наблюдалось рядом экспериментаторов при проходке глубоких стволов и штреков, расположенных на больших глубинах. Пластический характер деформирования калийных солей отмечен на руднике Alw insal (Канада), где наблюдалось выдавливание тонких прослойков глины в почве горизонтальной выработки, пройденной на глубине 850 м в сильвинитовых слоях.
Наблюдения на шахте им. Свердлова (Артемовское месторождение) показали, что характеру поперечных деформаций междукамерных целиков отвечает начальная стадия ползучести. Максимальная величина поперечной деформации достигла 0,4—0,6 мм на 1 м ширины целика (глубина разработки — 140—180 м, пролет и высота камер соответственно — 17, 12—14 мм; ширина целика 9—13 м). В одной из камер шахты 1 отмечено выдавливание почвы: раскрытие трещины составило около 2 см, почва в центре камеры имеет значительное поднятие.
Многочисленные наблюдения на шахтах Солотвинского месторождения указывают на пластический характер деформирования, проявляющийся в виде выпирания стенок выработок, увеличения поперечных размеров целиков и стенок.
Пластический характер деформирования пород соленосной толщи, сопровождающийся уменьшением сечения выработок и выдавливанием глинистых прослойков, отмечен на Аванском солеруднике.
При строительстве и эксплуатации подземных емкостей следует учитывать возможность развития процесса выдавливания глинистых прослойков в емкость.
Обращаясь к процессу деформирования неоднороднослоистых сред, можно отметить, что определяющими являются свойства пород, напряжения, характер деформирования. Выдавливание глинистых прослойков в емкость, обусловленное структурно-механическими особенностями основного горно-геологического яруса, происходит тогда, когда эта порода переходит из упругопластического состояния в вязкопластическое течение (по результатам натурных наблюдений на Аванском солеруднике скорость выдавливания примерно постоянна).
При решении задачи о деформируемости пород в окрестности сооружения, возводимого в слоистой среде, характеризующейся наличием глинистых прослойков (однофазная среда), может быть использовано допущение о том, что течение глинистого слоя подчиняется закону Бингама — Шведова. Решение позволяет определить скорость перемещения глинистых пород в пределах слоя и величину изменения объема выработки.
Для случая полного водонасыщения глинистых прослойков (двухфазная среда) прогноз деформации целесообразно осуществить на основе теории фильтрационной консолидации с использованием полученного Ю.К. Зарецким решения задачи о напряженном состоянии полого толстостенного грунтового цилиндра при плоской осесимметричной деформации и последующего учета ползучести минерального скелета глинистой породы.