Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Научное обоснование вторичного использования горных выработок Дальневосточного региона

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Научное обоснование вторичного использования горных выработок Дальневосточного региона"

Р Г Б ОД

^ „ ... „ На правах рукописи

САДАРДИНОВ ИЛЬЯС ВАСИЛЬЕВИЧ

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА

Специальность - 11.00.11 -«Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток - 1996г .

Работа выполнена в ОАО «ДальвостНИИпроектуголь»

Научные руководители: кандидат экономических наук

Васянович A.M. кандидат технических наук Оганян О.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шкабарня Н.Г. доктор экономических наук Жариков Е.П.

Ведущее предприятие: «ПромстройНИИпроект»

г.Владивосток

Защита состоится _27 декабря 1996г. в 10 час

на заседании диссертационного совета Д 064.01.02 в Дальневосточном roi дарственном техническом университете: 690600, г. Владивосток, ул. Пуыш екая, д.ЗЗ, ауд. Г-134.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДВГТУ.

Автореферат разослан ноября 1996г.

Ученый секретарь диссертационног^совета

к.т.н. О.А. ШереметМ^ски

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Положительный опыт повторного использования подземных выработок для размещения различных объектов народного хозяйства, накопленный в отечественной практике, показывает, что при правильном инженерном подходе и соответствующем технико-экономическом обосновании размещения народно-хозяйственных объектов в подземных выработках достигается высокая технико-экономическая эффективность, надежность и долговечность эксплуатации подземных сооружений, решение социальных и экологических проблем.

С каждым годом выявляются новые возможности использования подземного пространства, а номенклатура объектов, размещаемых в подземных выработках, постоянно расширяется: заводы и фабрики различного назначения, хранилища газов, нефти и продуктов нефтепереработки, воды, продовольственных и промышленных товаров, производства овощей, грибов, цветов, птиц и скота, госпитали и лечебницы, зрелищные учреждения и музеи, хранилища книг, исторических и культурных ценностей, спортивные- сооружения и т.д.

Эффективность повторного использования подземных выработок, в первую очередь, зависит от соответствия свойств горного массива, горнотехнических. гидрологических, географо-экономических условий функциональным потребностям объекта. При размещении объектов в подземных условиях, желательно, максимально использовать специфические возможности подземных выработок: высокую экранирующую способность, сейсмичность, высокую инерционность тепловых процессов, простоту регулирования санитарно-комфортных условий, долговечность сооружений.

Систематизация подземных горных выработок по факторам, отражающим принципиальную возможность повторного использования для различных хозяйственных целей, позволяет обеспечивать накопление информации для определения потенциальных возможностей выработок.

Основной целью работы является установление потенциальных возможностей подземных выработок и области рационального размещения объектов народного хозяйства в подземных выработках.

Задачи исследований:

- изучение отечественного опыта повторного использования, систематизация выработанного пространства по основным квалификационным признакам;

- изучение горнотехнических, геологических и гидрогеологических условий эксплуатации подземных сооружений;

- разработка классификации подземных выработок, пригодных для повторного использования;

- определение условий возможного размещения объектов народного хозяйства в подземных выработках.

Идея и новизна работы состоит в научно-проектном обосновании целесообразности вторичного использования реальных подземных горных выработок Дальневосточного региона.

Методы исследований. В работе использовался комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных и фондовых источниках, экономико-математическое моделирование, проектно-изыскательские разработки, аналитические исследования с использованием результатов проектных изысканий для получения общих закономерностей и расчетных формул.

Достоверность полученных научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием апробированных методов исследований, анализом большого объема информационных данных с применением математических методов, разработкой конкретных рекомендаций по вторичному использованию. реальной учебной штольни ДВГТУ для целей спецобъекта и- реального спецобъекта в г. Владивостоке для использования под кафе-мороженое и подземный тир.

Личный вклад автора заключается в:

- постановке проблем и более чем десятилетних исследованиях целесообразности вторичного использования горных выработок в народнохозяйственных целях;

- разработке классификации подземных горных выработок, пригодных для повторного использования;

- определении условий размещения объектов народного хозяйства в подземных горных выработках Дальнего Востока;

- обосновании схемы функционирования устойчивой системы вторичного использования горных выработок:

- разработке предложений по организации структуры и научной программы по решению проблемы вторичного использования горных выработок;

- разработке рекомендаций по вторичному использованию горных выработок в г. Владивостоке.

Научное значение диссертации заключается в:

- определении условий размещения объектов народного хозяйства в подземных горных выработках;

- обосновании схемы функционирования устойчивой системы вторичного использования горных выработок;

- оценке горнотехнических условий и разработке классификации подземных горных выработок, пригодных для повторного использования; .

- оценке условий размещения и обосновании схемы функционирования устойчивой системы вторичного использования подземных горных выработок;

- разработке основ научной программы по решению проблемы вторичного использования горных выработок Дальнего Востока.

Практическое значение диссертации заключается в:

- разработке классификации подземных горных выработок, пригодных для повторного использования;

- разработке структуры и программы вторичного использования горных выработок;

- оценке целесообразности использования учебной штольни для создания объекта безопасности жизнедеятельности коллектива ДВГТУ;

- оценке целесообразности вторичного использования спец-объекта для размещения кафе-мороженого и подземного тира в г. Владивостоке.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- система качественной и количественной оценки целесообразности вторичного использования горных выработок, обеспечивающая устойчивое функционирование подземных объектов нового назначения;

- классификация подземных горных выработок, позволяющая на основе оценки условий размещения объектов, принимать эффективные решения о целесообразности повторного использования выработок;

- предложения по созданию структуры и формы ее научной, проектной и производственной деятельности, взаимодействия с бюджетными и коммерческими структурами с целью реализации разработанных научно-исследовательских программ по решению проблемы вторичного использования горных выработок.

Апробация работы. Основные положения и отдельные этапы работы обсуждались в период с 1984 по 1996 г.г. и были одобрены на научно-техническом совете проектно-изыскательского института

"ДальвостНИИпроектуголь" ( г. Владивосток ), на научных семинарах Дальневосточного государственного технического университета ( г. Владивосток ), на НТС "Приморскуголь" ( г. Владивосток ), на НТС "Центрогипрошахт" г. Москва), на НТС МУП СССР (г. Москва), на научно-технических совещаниях, конференциях и семинарах ( г.г. Новосибирск, Якутск, Ленинград, Партизанск и др.).

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы, изложенных на 152■- страницах машинописного текста, и содержит 15 таблиц, 12 рисунков и 108 наименования литературных источников.

Автор выражает благодарность В.К.Кабанцеву и Б.Т.Лифанскому, п инициативе которых были начаты эти исследования, а также сотрудникам ин статута ДальвостНИИпроекгугольт помогавшим проведению работы на разны: этапах:

В.Г.Молибоге, C.B. Фастову, В.И.Лавренчуку. В.Н. Зарицкому, Л.И. Ивановой ИФ.Уфилиной, Р.А. Мордовиной, В.И. Королькову, П.Н. Благовещенском) О.Ф. Халилеевой, Л.М. Довженко, А.И.Мисюра, Б.ИЛарионовоЁ Е.А.Кучергиной, Л.М.Леконцевой, Е.В.Резниковоь

М.К.Абрамовой,Н.М.Орловой, Л.В.Бушуевой, И.В.Ермолиной, П.С.Жежкс Р.И.Аладьиной, Н.П.Качесовой, А.Д.Перевозному. Автор признателе!

докторам технических наук, профессорам ДВГТУ В.И.Короткову, Ю.Н. Нис ковскому, Н.А.Муратову, А.В.Жукову и другим за научно-методическую по мощь при подготовке диссертации. I

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современное горнодобывающее предприятие представляет собо] сложное хозяйство с высоким уровнем механизации, концентрации и интенси фикации производства, чаще всего непрерывного характера. Основные и вспо могательные технологические процессы происходят в подземных горных вы работках различных размеров и конфигураций. В зависимости от технологиче ских функций подземные горные выработки имеют определенные параметры размеры, пространственное расположение, крепление и т.п. Наиболее специ фичными являются очистные горные выработки в силу индивидуальности ме сторождений, при выемке которых и создаются очистные горные выработки Вскрывающие и подготовительные выработки, хотя и имеют определенны» черты специфичности, могут быть типизированы, т.к. различия в размерах i форме поперечного сечения и ориентации относительно горизонта не очей значительны.

Специфичность горнодобывающих предприятий заключается в посто янном перемещении в пространстве очистных забоев по мере выемки полезны: ископаемых. Подземные горные выработки во времени создаются, обновляют ся и выбывают из процесса добычи полезного ископаемого. Основная часл вскрывающих и подготовительных выработок после исключения их из процес са добычи полезного ископаемого пригодна для дальнейшего использования Очистные выработки сохраняют свое устойчивое состояние, если это преду сматривается технологией горных работ (поддержание крепью, рудными ига искусственными целиками подработанных горных пород).

Сохранившиеся горные выработки, отслужившие срок своего первона чального предназначения, могут выполнять другие функции в случае появлени) новой потребности и возможности ее удовлетворения при использовании этих

выработок. Использование выработанных подземных пространств осуществлялось с давних времен. Известны примеры использования подземных искусств е нньсГпо л о стё й Тюсле выемки полезных искбпаемыхв Древнем Египте,"Ин:~ дии, Греции для различных целей: создание культовых храмов, водоснабжения, подземных городов. Подобные примеры в истории человечества имеются, практически, во все времена и во всех частях света. В последние годы использование горных выработок имеет более масштабный характер и в связи с достигнутым уровнем науки и техники имеет значительный потенциал эффективности.

Согласно нормативным документам горнодобывающие предприятия, разрабатывающие подземным способом месторождения твердых полезных ископаемых, должны оценивать потенциальную пригодность использования для нужд народного хозяйства подземных горных выработок, используемых в добыче полезного ископаемого. Отобранные выработки подлежат консервации силами предприятий. Для расширения объема выработок , пригодных для повторного использования, повышения эффективности и обеспечения долговременной сохранности, предприятиям, разрабатывающим подземным способом месторождения строительных материалов и калийных солей, рекомендовано осуществлять целевую подготовку подземных горных выработок, учитывающую последующее повторное использование выработок.

Отбор подземных горных выработок осуществляли министерства и ведомства, в ведении которых находились предприятия, на балансе которых значатся отбираемые подземные выработки.

Для повторного использования пригодны выработки, созданные "при разработке строительных материалов, гипса, известняка, каменной и калийной солей, рудных месторождений, отработанных камерной и камерно-столбовой системами разработки, и не подлежащие в дальнейшем закладке, обрушению и затоплению, а также подземные сооружения камерного и тоннельного типа". Не пригодными к повторному использованию считаются выработки, пройденные в породах: сильно обводненных, слабых и неустойчивых; закарстованных и с интенсивными оползневыми явлениями; склонных к самовозгоранию, горным ударам; имеющие участки со значительными тектоническими нарушениями.

Выработки, предназначаемые для размещения объектов, должны находится в устойчивом состоянии, иметь ширину не менее 4 м и высоту не менее 2,4 м при ширине проходов между отдельными выработками не менее 2 м с общей суммарной площадью почвы не менее 500 м" при уклоне от 0 до 0,2, не иметь водопритока с кровли и стен. Для хранения газонефтепродуктов подлежат учету отработанные устойчивые камеры рассолопромыслов, имеющие правильную форму поперечного сечения, диаметром не более 20 м и сводчатую или плоскую потолочину, располагающиеся в массиве каменной соли без включения битумов, сульфидов, солей калия и магния.

Горные выработки, предназначенные для целей гражданской обороны, должны иметь ширину не менее 2 м, высоту не менее 1,8 м и уклон до 0,32,. не должны быть опасными по затоплению шахтными и поверхностными водами, по загазированию - вредными, взрывчатыми или возгорающимися газами в течете срока использования этих выработок.

Первичному учету подлежат горные выработки, созданные при добыче каменных строительных материалов, солей, малоценных рудных ископаемых, извлекаемых камерной и камерно-столбовой системами разработки, не подлежащие в дальнейшем закладке, обрушению или затоплению, а также камерные и тоннельные горные выработки.

По изложенной методике осуществляется государственный учет в виде каталогов горных выработок и естественных полостей, пригодных для размещения объектов народного хозяйствами защитных сооружений гражданской обороны. Для разработки проектно-сметной документации необходимо выполнить дополнительные инженерно-геологические изыскания по оценке свойств горного массива: физико-механические свойства, устойчивость в обнажениях, фильтрационные свойства, устойчивость к воздействию атмосферного воздуха и воды, наряженно-деформированные состояние, склонность к горным ударам.

Анализ фонда государственного учета подземных выработок, пригодных для повторного использования, показывает, что учитываются отработанные, не используемые горнодобывающими предприятиями, очистные, откаточные, доставочные, вентиляционные и вспомогательные горные выработки. Из учтенных выработок, потенциально пригодных для повторного использования, наибольшее количество по площади приходится на месторождения каменных строительных материалов - 80,3%, калийной и каменной солей - 10,32% и руд -9,33%.

Весьма малые объемы учтенных выработок, пригодных для повторного использования в народном хозяйстве, приходится на РФ, где имеются значительные выработанные пространства, перспективные для повторного использования.

По нашему мнению, при отборе и учете подземных выработок, пригодных для повторного использования, необходимо руководствоваться следующими положениями:

- учету" подлежат все выработки, сохранившие свою устойчивость и не погашенные в процессе извлечения полезного ископаемого;

- геолого-маркшейдерская документация выработки должна отражать структурно-тектоническую характеристику, трещиноватость горных пород, все случаи непроектных обрушений конструктивных элементов выработки, водо-обильность, склонность к горным ударам, самовозгоранию, выделению вредных

[ возгорающих газов, радиоактивность, наличие связи с обрушенным про-транством.

Вопрос о размещении в- подземной выработке объекта народного хо-яйства должен решаться индивидуально не во время учета, а тогда, когда поятся конкретная потребность в размещении или иного объекта. Целесообраз-юсть размещения того или иного объекта должна определяться путем анализа соответствия горнотехнических условий техническим требованиям эксплуата-щи объекта и экономической целесообразности. Вопрос о консервации выра-юток должен решаться проектом на разработку месторождения.

Изучение горнотехнических условий учтенных подземных горных вы->аботок, перспективных для использования в народном хозяйстве, проводилось ю данным, содержащимся в "Каталогах подземных горных выработках, подомных сооружений и естественных полостей (пещер), перспективных для раз-дещения объектов народного хозяйства" и "Каталогах подземных горных вы-иботок, подземных сооружений и естественных полостей (пещер), перспективных для размещения защитных сооружений гражданской обороны". Анализ )тих данных показывает, что основная часть учтенных подземных горных выработок, состоящих на балансе предприятий, создана в известняках (61% от )бщего количества), бесхозных выработок (39%) и пещер (64%). Что объясняйся, с одной стороны, широкой распространенностью известняков, с другой ггороны - целенаправленным размещением капитальных и подготовительных зыработок в известняках, обладающих относительно благоприятными условиями по обеспечению устойчивости.

Положительный опыт размещения объектов народного хозяйства в тодземных выработках, показывает, что при правильном инженерном подходе троектирования и строительства и соответствующей рациональной эксплуатации достигается высокая технико-экономическая эффективность использования выработанных пространств.

Разработанная нами классификация свидетельствует о том, что в лю-Зом случае для обеспечения эффективности принятого решения необходимо информационное обеспечение проектирования объекта, базирующееся на методиках:

- системой оценки функциональной, экономической, социальной и экологической целесообразности вторичного использования горных выработок;

- выбора геометрических параметров объекта и типа крепи;

- определения тепловых, влажностных, вентиляционных, световых характеристик объекта;

- экономической оценки эффективности вторичного использования горных выработок.

На этой основе должны быть разработаны рекомендации по повыпк нию эффективности уже использующихся горных выработок и рекомендаци "повторйномуТис^ выработок" " *""

Эффективность использования в значительной степени будет зависел от сущности коммерческого предложения по вторичному использованию, основе которого может лежать оплата за рекомендации или долевое участие прибыли.

Устойчивое функционирование предложенной системы (схема) во: можно при образовании накоплений на содержание и развитие специально структуры, занимающейся проблемой. В раде случаев повторного использов; ния горных выработок для обеспечения безопасности жизнедеятельности лк дей участие специальной структуры в реальном улучшении социальных и эк< логических проблем региона может поощряться в виде дотаций из прибыл предприятий и из бюджета государства. В ряде стран уже отстроены системь по которым предприятия, задействованные в использовании объектов повто{ ного использования горных выработок, приносят значительные вклады в бюх жет из своей прибыли.

Таким образом, проблема рационального использования выработанш го пространства охватывает широкий круг задач, включающих разработку ш вых принципов проектирования, строительства и эксплуатации горных пре; приятий, а также размещение в недрах подземных объектов различного назн; чения.

Данная проблема является комплексной, так как ее реализация во: можна при решении соответствующих задач геологии, механики горных поре и массивов, строительной механики, теплофизики, технологии горного прок водства, строительства подземных сооружений, физико-химических процессо: экологии и ряда других дисциплин. Следует также разработать нормы на прс ектирование, строительство и эксплуатацию подземных сооружений, технолс гические регламенты на реконструкцию подземных сооружений и горных вь работок и методику экономической и социальной оценки целесообразност использования выработанного пространства. Оценка целесообразност вторичного использования учебной штольни для создания объекта безопасно жизнедеятельности Дальневосточного государственного технического униве] ситета (г. Владивосток) показала, что наиболее целесообразным является е расширение и конфигурационные изменения, т. к. в этом случае:

- не требуется дополнительных земельных участков под строительств поверхностного защитного сооружения;

- учебную штольню во время ее реконструкции и после сдачи в эк< плуатацию можно использовать для практических занятий студентов и слуш; телей различных курсов;

- убежище в горных выработках имеет весьма высокий коэффициент

защиты;

— всг корпуса ДВГТУ попадают в радиус сбора

Изучение обратной задачи использования подземного спец-объекта в районе Спортгавани (г.Владивосток) для коммунальных целей показало, что при расширении сечений выработок до 16,2-46,7 м2 в свету, придании им сводчатой формы, закреплении анкерной крепью с металлической сеткой и последующим бетонированием, в них могут быть размещены кафе-мороженное и подземный тир.

Вентиляция помещений предусматривается двумя скважинами диаметром 300 мм обсаженными металлическими трубами.

Отработанная струя выдается через устья штолен. Такой проект обеспечивает высокую надежность функционирования самого объекта и размещенных в нем коммерческих предприятий.

заключение:-------

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические и гтроектно-технологические разработки вторичного использования подъемных горных выработок в специфических условиях Дальнего Востока.

Выполнен анализ состояния учета подземных выработок, пригодных для размещения объектов народного хозяйства. Установлены основные причины и пути устранения недостатков учета подземных выработок.

Проанализированы горнотехнические условия размещения народнохозяйственных объектов в подземных выработках в стране. Установлены потенциальные возможности подземных выработок при размещении различных народно-хозяйственных объектов. Определены условия размещения народнохозяйственных объектов различного назначения в подземных выработках.

Основные выводы, научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Проблема вторичного использования горных выработок, образованных в результате добычи полезных ископаемых, для целей размещения различных объектов народного хозяйства и отходов производства время приобретает все большее значение, так как в ее основе лежит возможность вовлечения в :феру хозяйственной деятельности дополнительных источников природных ресурсов для решения экономических, экологических и социальных проблем.

2. Абсолютное большинство горных предприятий страны не заботите} о дальнейшей судьбе подземных выработок, если это не диктуется требования' ми техники безопасности. В фондах государственного учета подземных выра боток, пригодных для повторного использования, на долю горных предприятш приходится 9%, а основную часть (более 80%) составляют выработки, образо ванные при выемке строительных материалов.

3. Из общего количества учтенных выработок повторно используето лишь 6% выработок в простых условиях. Большая часть используемых вырабо ток залегает на глубине до 50м от поверхности - 54%, на глубине от 50 до 100л - 41% и 71,5% выработок связаны с земной поверхностью штольнями и укло нами.

4. Для повышения эффективности повторного использования подзем ных выработок необходимо его поставить на научную основу, да чего на первой стадии необходимо:

- разработать методические основы оценки возможности использова чия выработанного пространства с учетом физико-механических свойств гор ных пород, применяемых технологий, географо-климатических условий;

- разработать методы определения функциональной возможности ис пользования подземных выработок в зависимости от геологических и горно технических условий;

- разработать эколого-экономические оптимизационные модели освое ния выработанного пространства недр;

- изучить закономерности взаимодействия вновь создаваемых подзем ных объектов и горного массива.

5. Разработанная классификация подземных горных выработок позво ляет на основании результатов анализа отечественного и зарубежного опыта п 16 показателям, отражающим горнотехнические условия, геометрические па раметры и пространственную ориентацию выработок, свойства горных порог климатические условия, производить оценку потенциальных возможносте: подземных выработок. При помощи классификации существенно упрощаете, сбор данных о подземных выработкахдак как используется цифровая кодиров ка.

6. В первом приближении определены технические требования к под земным выработкам при размещении объектов с различными функциональны ми свойствами.

7. Конкретные рекомендации работы по вторичному использовали* учебной штольни для создания спецобъекга обеспечения безопасности жизне деятельности коллектива ДВГТУ и по использованию спецобъекта граждан ской обороны для размещения в нем кафе-мороженого и подземного тира, сви детельствуют о широком спектре прямых и обратных задач повторного испол! зования горных выработок с высоким социальным и экономическим эффектом

Задачами дальнейших исследований автор считает обоснование нормативно-правовых документов, разработку научных основ проектирования, ¡троительства и эксплуатации экологически надежных подземных сооружений I создание экспериментальных проектов подземных сооружений в Дальнево-ггочном регионе.

Основные положения и результаты исследований изложены в следую-цих работах автора:

1. Классификация подземных горных выработок, пригодных для позорного использования. Сб. «Технический прогресс в горной промышленно-гги Дальнего Востока» г. Владивосток, 1996г.

2. Оценка условий размещения объектов народного хозяйства в под-емных выработках. Сб. «Технический прогресс горной промышленности Дальнего Востока», г. Владивосток, 1996г.

3. Схема функционирования устойчивой системы вторичного исполь-ования горных выработок. Сб. «Технический прогресс горной промышленно-ти Дальнего востока», г. Владивосток, 1996г.

Сдано в печать -2Ш)9.96г. Подписано в печать 6.11.96г. Формат 60х 84/16. Б)

мага газетная. Печать офсетная, условно печ. Л. 1,15.

Тираж 100 экз. Бесплатно

МАНЭБ г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10.