Разработка методологии систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения в угледобывающих регионах

Левкин, Юрий Михайлович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка методологии систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения в угледобывающих регионах
ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Разработка методологии систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения в угледобывающих регионах"

На правахрукописи

ЛЕВКИН Юрий Михайлович

УДК 622.1:528.481/482+622.1:528.5(043)

РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ СИСТЕМ МАРКШЕЙДЕРСКОГО МОНИТОРИНГА ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА МНОГОЦЕЛЕВОГО ОСВОЕНИЯ В УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ

РЕГИОНАХ

Специальность: 25.00.16.«Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и

геометрия недр»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва2004

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный консультант

заслуженный деятель науки РФ, доктор технический наук, профессор ПОПОВ Владислав Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор МАКАРОВ Александр Борисович доктор технических наук, профессор СТРЕЛЬЦОВ Владимир Иванович доктор технических наук, профессор БАКЛАШОВ Игорь Владимирович

Ведущая организация - Институт проблем комплексного освоения недр (ИПКОН) РАН (г. Москва)

Защита состоится 21 октября 2004 года в 13 час. на заседании диссертационного совета Д.212.128.04 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн. наук, проф.

Ю.В. Бубис

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ежегодно на планете добывается подземным способом более миллиарда тонн угля. После добычи полезного ископаемого остаются сотни километров подземных горных выработок, далее не используемых горными предприятиями. Горнодобывающие предприятия в развитых странах мира после прекращения использования подземных горных выработок в процессе добычи угля осваивают их для размещения своих вспомогательных производств, складов, шахтного туризма, лечебных и других целей.

В настоящее время в европейской части России миллионы кубометров экологически небезопасного для окружающей среды нетоксичного мусора занимают большие площади землеотводов городских территорий и горных предприятий, на аренду и содержание которых расходуется немало средств. Химический состав сухой массы компонентов твёрдых бытовых отходов в зависимости от климатических зон составляет: органические вещества - 56 - 80%; зола - 20 - 45%; углерод - 28 - 39%.

Обследование угольных шахт в Восточном Донбассе, Кузбассе, Печорском и Подмосковном бассейнах показало, что в среднем 30% подземных горных выработок закреплены монолитной, сборной бетонной, железобетонной крепью; 70% выработок закреплены деревянной, анкерной, металлической крепью.

Многоцелевое вторичное освоение подземных горных выработок на работающих угольных шахтах для кратковременной или долговременной эксплуатации даст возможность снижения себестоимости добычи угля, позволит сэкономить средства предприятий, расходуемые на оплату аренды земли, занятой породными терриконами, хвостохранилищами горных предприятий, свалками мусора, обеспечить рациональное использование природных ресурсов, экологическую безопасность угледобывающего региона, дать дополнительные рабочие места местному населению, что в свою очередь снизит социальную напряжённость. Вторичное использование горных выработок постоянно требует информационного обеспечения в режиме непрерывного или дискретно непрерывного мониторинга о состоянии массива горных пород, несущих конструкций крепи, изменения геометрических и прочностных характеристик

объектов, попавших в мульду сдвижения на земной поверхности. Существующие виды мониторинга не рассматривают маркшейдерский мониторинг горных выработок вторичного многоцелевого использования в угледобывающих регионах. В период многоцелевой вторичной эксплуатации подземного пространства снижаются технические характеристики крепи и крепёжного материала, продолжают изменяться гидрогеология, свойства пород, экологическая обстановка..

Системы маркшейдерского мониторинга подземного пространства для его многоцелевого освоения в угледобывающих регионах позволят произвести оценку и прогноз состояния объектов наблюдений для принятия управленческих решений промышленной и экологически безопасной эксплуатации предприятия. Они являются составной частью экологического мониторинга, который создаётся в нашей стране в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации «О создании Единой государственной системы экологического мониторинга России» от 24 ноября 1993 г. № 1229.

Обоснование разработки методологии создания систем маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок, высвободившихся в результате завершения добычи угля на работающих и подлежащих закрытию угольных шахтах, для их многоцелевого вторичного использования, с учетом геологического строения массива, гидрогеологических условий, нарушенности толщи пород деформационными процессами, вызванными подработкой массива в результате проведения подземных работ, геометрических и прочностных характеристик крепи, состояния её несущих конструкций в зависимости от длительности эксплуатации, технологии строительства и характера использования выработок, является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ ЯВЛЯЕТСЯ научное обоснование разработки методологии систем маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок, высвободившихся в результате завершения технологического цикла добычи угля и предназначенных для вторичного многоцелевого экологически безопасного освоения на закрывающихся и работающих угольных шахтах, на основе предложенных новых методов оценки и прогноза состояния подработанного слоистого, массива горных пород, с учётом его геологического строения,

гидрогеологических условий, геометрических и прочностных характеристик несущих конструкций крепи.

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в использовании маркшейдерского мониторинга для получения информации о состоянии и динамике изменения геометрических параметров подземных горных выработок вторичного многоцелевого освоения подработанного слоистого массива горных пород с целью обеспечения экологически чистой и безопасной эксплуатации подземных технологических объектов на угольных шахтах.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ. В работе использованы: системный анализ и теоретическое обобщение результатов исследований в области создания систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства вторичного многоцелевого освоения угледобывающих регионов, теоретические исследования сдвижения пород, маркшейдерские наблюдения за изменениями состояния подработанного слоистого массива пород, маркшейдерские натурные обследования состояния крепи подземных горных выработок угольных шахт с целью определения номенклатуры выработок для многоцелевой эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ, РАЗРАБОТАННЫЕ ЛИЧНО АВТОРОМ:

1. Режимы и схемы реализации маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок, предназначенных для вторичного многоцелевого освоения, должны осуществляться с учётом горногеологической информации о свойствах, строении и состоянии горных пород вмещающего массива, динамики их изменения во времени и пространстве, а также изменчивости дестабилизирующих факторов различной физической природы, которые могут привести к потере устойчивости геологической среды и находящихся в ней подземных природно - технических объектов.

2. Принципы подбора и определения направления подземного пространства вторичного многоцелевого освоения основываются на анализе многолетних маркшейдерских наблюдений за массивом горных пород и комплексом горных выработок угольной шахты и учитывают посредством использования вычислительной базы маркшейдерского мониторинга технологию строительства, длительность и цели эксплуатации выработок, изменения

геометрических, прочностных характеристик крепи и состояние её несущих конструкций на момент обследования, геологическое строение, гидрогеологические факторы среды, состояние слоистого массива, подработанного в результате добычи полезного ископаемого.

3. Маркшейдерский мониторинг состояния подземных объектов природно-промышленных комплексов вторичного многоцелевого освоения должен осуществляться на разномасштабных уровнях. Надёжность и достоверность получаемой информации обеспечивается за счёт проведения его в сочетании с геологическим, гидрогеологическим, геофизическим, газодинамическим и другими видами мониторинга, а получаемая при этом информация должна анализироваться и интерпретироваться в комплексе, дополняя друг друга, и учитываться при принятии решений по управлению устойчивостью объекта и установлению момента перехода его в критическое состояние.

4. Выбор места размещения измерительных устройств в комплексе подземных горных выработок вторичного многоцелевого освоения и массиве горных пород в каждом конкретном случае должен осуществляться с учётом геологических, технологических и других факторов, определяющих эффективность контроля, так как подземное эксплуатируемое пространство и окружающие выработки породы находятся в постоянном взаимодействии друт с другом и оказывают взаимное влияние на параметры измерений в процессе маркшейдерского мониторинга. В зависимости от динамики изменения контролируемых параметров объектов наблюдения, маркшейдерский мониторинг должен осуществляться в непрерывном или дискретно непрерывном режимах, в том числе с использованием различных типов сигнализаторов критического состояния.

5. Эффективность решения задач маркшейдерского мониторинга достигается использованием интеллектуальной автоматизированной системы, имеющей иерархическую трёхуровневую структуру построения и обеспечивающей оперативный контроль и прогнозирование изменений состояния массива горных пород, и геометрических параметров подземного пространства многоцелевого освоения.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ,

ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ ПОДТВЕРЖДАЮТСЯ:

о представительным объёмом статистических данных, полученных при обработке 246 км подземных горных выработок угольных шахт по 4 угольным регионам России;

о сходимостью результатов теоретических исследований с натурными маркшейдерскими наблюдениями при установлении механизма деформирования, образования и развития трещин в подработанном слоистом массиве горных пород.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В СЛЕДУЮЩЕМ:

обоснованы необходимость и перспективность маркшейдерского обеспечения вторичного многоцелевого использования комплекса подземных горных выработок, высвободившихся в результате прекращения добычи полезного ископаемого на работающих и закрывающихся угольных шахтах, для размещения в подземном пространстве хранилищ, производств длительной эксплуатации, а также складирования (захоронения) нетоксичных отходов предприятий различного профиля (хвостохранилищ горных предприятий, породных терриконов и т.п.);

разработана методология построения систем маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок многоцелевого использования в угледобывающих регионах, направленная на обеспечение промышленной и экологической безопасности;

разработаны системы маркшейдерского мониторинга с использованием различных типов сигнализаторов критического уровня в режиме непрерывного или дискретно непрерывного наблюдения за динамикой геометрических параметров комплекса подземных горных выработок и геологической среды; разработаны маркшейдерские методы оценки комплекса подземных горных выработок угольных шахт, предназначенных для вторичной эксплуатации, и обоснован методический подход к выбору направления их использования в зависимости от состояния геометрических и прочностных характеристик несущих конструкций крепи;

о маркшейдерскими наблюдениями установлен механизм деформирования слоистого породного массива, основанный на определении несущей способности каждого слоя пород с учетом их прочностных характеристик и динамики развития секущих трещин при знакопеременных деформациях слоя, что позволяет существенно уточнить условия образования сквозных водо-, газопроводящих трещин и потери устойчивого состояния подработанной толщи пород.

НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ СОСТОИТ В РАЗВИТИИ ТЕОРИИ МАРКШЕЙДЕРИИ И ЗАКЛЮЧАЕТСЯ:

в обосновании концептуальных положений систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения угледобывающих регионов на основе новых маркшейдерских методов оценки и прогноза состояния горных пород, вмещающих подземную горную выработку;

разработке моделей идентификации источников потери устойчивости вмещающего массива горных пород с учётом их динамики во времени и пространстве;

разработке методического подхода к использованию различных типов сигнализаторов критического уровня состояния среды объекта наблюдения, которые совокупно обеспечивают экологическую и промышленную безопасность.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ:

о в установлении перспективности вторичной многоцелевой эксплуатации подземного пространства, высвободившегося в результате прекращения добычи полезного ископаемого на угольных шахтах, что позволит сократить площади земельных отводов, занятых нетоксичными отходами, предприятий, населённых пунктов и сэкономить средства, расходуемые на оплату аренды земли, занятой отходами жизнедеятельности человека, ликвидацию загрязнения окружающей среды, а также создать рабочие места; о разработке методологии, позволяющей принимать научно обоснованные решения при разработке технических заданий на создание и проектирование автоматизированных систем маркшейдерского мониторинга комплекса

подземных горных выработок вторичного многоцелевого освоения в угледобывающих регионах, а также при выборе технических средств измерения и способов маркшейдерских съёмок;

разработке методики подбора номенклатуры подземных горных выработок угольных шахт, предназначенных для их вторичного многоцелевого использования;

«Методическое руководство по маркшейдерскому обеспечению эксплуатации объектов в подземном технологическом пространстве при отработке угольных месторождений европейской части России» принято к использованию: «Управлением Маркшейдерского обеспечения Ликвидации шахт и разрезов ГУРШ»; «Институтом горючих ископаемых». АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты работы доложены на: международном симпозиуме EUROCK в г. Лиссабоне (Португалия) в 1993 г.; II Международной конференции по механизму сдвижения пород в г. Вене (Австрия) в 1995 г.; X Международном конгрессе международного маркшейдерского общества «Горное дело в III тысячелетии» в г. Фримантле (Австралия) в 1997 г.; на экологических конференциях в г. Москве (МГГУ) (2000 - 2002гг.), заседаниях круглого стола в рамках «Недели горняка» в г. Москве (МГГУ) (1990 - 2004гг.), на семинарах кафедры «Маркшейдерского дела и геодезии» г. Москвы (МГТУ) (1999 - 2004гг.).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликованы 23 научные работы, в том числе 1 монография.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 145 наименований, содержит 40 рисунков, 31 таблицу, 2 приложения.

Автор выражает благодарность научному консультанту - д.т.н. В.Н. Попову; коллегам - к.т.н. Г.В. Орлову, д.т.н. М.А. Иофису, д.т.н. В.А. Букринскому, д.т.н. Б.А. Картозия, д.т.н. В.Л. Шкуратнику, к.т.н. И.М. Иофису, д.т.н. Е.Ю. Куликовой за полезные советы и помощь при подготовке работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Объём отходов производства и всевозможной деятельности человека в мире вырос в настоящее время по сравнению с 1970 г. в 2,7 раза. Жилые дома, территории общего пользования, общественные, административные и другие учреждения, промышленные предприятия являются источником твёрдых бытовых отходов (ТБО). Основную массу отходов образуют города. В среднем на одного европейского жителя в городах приходится 400 кг, а в сельской местности -170 кг бытового мусора в год. При длительной неподвижности без дополнительного внешнего воздействия ТБО способны уплотняться и выделять фильтрат. Высокая влажность ТБО вызывает коррозию металлов и способствует появлению в фильтрате растворов различных солей.

Обезвреживание и ликвидация отходов - сложная санитарная, техническая и экологическая проблема. Методы обезвреживания отходов подразделяют на утилизационные и ликвидационные. В городах, как правило, применяются ликвидационные способы: механический (обезвреживание отходов на полигонах) и термический (отходы сжигаются). Распространен также биологический способ утилизации, предусматривающий компостирование отходов.

Около 80% всех твердых отходов складируется на свалках к полигонах, в виде насыпных холмов или в карьерах и оврагах, что приводит к загрязнению грунтовых вод фильтратом, а окружающей территории - легкими фракциями отходов. При подземном захоронении и обезвреживании отходов различают три подхода: неглубокое захоронение (покрытые землей насыпи или искусственные структуры, конструкции под поверхностью земли, канавы, ямы, колодцы); захоронение в естественные или искусственные пустоты в горных породах (горные выработки шахт и рудников, высокопроницаемые горные породы); глубокое геологическое захоронение жидких отходов через скважины.

Значительный вклад в изучение вопросов вторичной эксплуатации подземных горных выработок внесли зарубежные учёные: Duffaut P., Marin G. Srauffer T.P. Woodard D., Hughes D.S., Ryan V.J. Runovc F., Kortnik J,. Христов Е., Aughenbaugh N.B,, Хамм Э., российские учёные: Ярунин С.А., Малкин А.С., Иофис М.А., Попов

В.Н., Орлов Г.В., Коколов О.В., Умнов В.А., Папернов М.М., Зильберборд А.Ф., Швецов П.Ф. и др.

Предпосылками для эксплуатации подземного пространства служат следующие факторы: горнотехнические; геологические; энергосберегающие; оборонные, социальные. Считается, что экономически эффективна эксплуатация подземного пространства в районах с высокой плотностью населения, плодородными почвами, развитой горнодобывающей промышленностью, благоприятными инженерно-геологическими условиями для подземного строительства. Также экономически эффективно размещение в подземном пространстве складов в северных районах, пожароопасных, шумных и других предприятий, наносящих вред окружающей среде. Понятие эксплуатации подземных сооружений включает в себя управление состоянием окружающего массива горных пород и водопритоком, учёт особенностей размещаемого в подземных условиях объекта.

Опыт зарубежных стран показал, что подземное пространство горных предприятий эксплуатируется для следующих целей: обеспечение доступа к полезным ископаемым при их добыче; создание специализированных подземных объектов; получение дополнительных пространственных ресурсов; вторичное использование. В подземных хранилищах размещаются отходы энергетического и других производств, т.к. они в течение долгих лет могут распадаться (разлагаться) естественным путем. Наибольший опыт вторичной эксплуатации подземных горных выработок имеется в США. В горных выработках размещаются предприятия точного приборостроения, оптики, по производству спортивных судов, проволочных изделий, конвейеров и другого оборудования, научно-исследовательские лаборатории. Из 20 млн. м2 выработок известняковых шахт г. Канзас-Сити используются около 2 млн. м2, в том числе: 85% - под склады и холодильники; 7% - производственные объекты; 5% - офисы; 3% - предприятия сферы обслуживания Со 100 кв. футов подземных складских помещений экономится 60-120 тыс. долл. в год за счет сохранения естественного тепла от людей и оборудования. В России, на шахте им. Губкина Лебединского ГОКа, в ходе эксперимента при заполнении отработанных камер в подземное пространство было

подано из хвостохранилища 375 тыс. м3 пульпы, уложено и осушено 117 тыс. т хвостов, отведено в оборотное водоснабжение 337 тыс. м3 осветлённой воды.

Выполненный анализ горно-геологических условий и эксплуатационного состояния капитальных выработок позволил И.В. Баклашову сформулировать предварительные рекомендации по конструктивному обеспечению долговечности капитальных выработок. Расчеты, выполненные им по средним характеристикам горно-геологических условий в основных угледобывающих бассейнах, показали, что относительная долговечность капитальных выработок наименьшая в Подмосковном бассейне и Кузбассе и почти в 2 раза выше в Восточном Донбассе и Печорском бассейне.

Разработкой видов мониторинга в разных областях знаний занимались учёные Р. Мэнн, Ю.А. Израэль, В.А. Королев, Г.К. Бондарик, В.А Мироненко, В.К. Епишин, В.И. Стрельцов и др. Р. Мэнн на Стокгольмской конференции ООН в 1972 г., впервые ввёл понятие мониторинга окружающей среды. Теорию мониторинга одним из первых в советской науке разработал Ю.А. Израэль. В.Д. Минченко разработал подробную схему общей типизации видов мониторинга. Термин «гидрогеоэкологический мониторинг», а также «государственный гидрогеоэкологический мониторинг России» введён В.А. Мироненко.

В практике горного дела маркшейдерские работы, промышленные и экологические аспекты обеспечения подземных горных выработок угольных шахт, предназначенных для вторичного многоцелевого освоения, а также социальное значение эксплуатации таких предприятий, рассматриваются в недостаточной взаимной увязке. Существующая в настоящее время система маркшейдерских наблюдений не учитывает специфику подземных экологически небезопасных объектов, прямой доступ к которым отсутствует.

Геологические и горнотехнические факторы, определяющие возможность вторичного использования выработок

По литологическому составу и прочности вмещающие горные породы представлены в основном глинистыми и песчанистыми сланцами, песчаниками, реже известняками, от V до II категории крепости по шкале М.М. Протодъяконова

на глубоких и средней глубины горизонтах (Восточный Донбасс, Печорский бассейн, Кузбасс) и глинами от VII до VI категории крепости на небольшой глубине (Подмосковный бассейн). Трещины и межслоевые контакты составляют более 80% всех структурных нарушений вмещающих породных массивов. Среднее значение коэффициента структурного ослабления составляет: в Восточном Донбассе и Печорском бассейне - 0,6; в Подмосковном бассейне - 0,8; в Кузбассе - 0,4. Большое количество крупных и мелких тектонических нарушений отмечается в углевмещающих породных массивах. Зоны повышенной нарушенности с размером по простиранию от 40 до 1200 м выделяются вблизи крупных тектонических нарушений и осевых плоскостей складок. Нарушенность пологого и наклонно-залегающих пластов значительно слабее. Она увеличивается при увеличении угла падения пластов. Так, количество нарушений на 100 м линейного расстояния увеличивается в 3 - 4 раза с увеличением угла падения от 60 до 80 градусов. Тектоническое строение по основным бассейнам оценивается как простое в Подмосковном бассейне, средней сложности в Восточном Донбассе и Печорском бассейне, сложное в Кузбассе.

Устойчивость вмещающих пород массива изменяется при изменении глубины заложения капитальных выработок и прочностных характеристик пород: в Восточном Донбассе, Печорском бассейне и Кузбассе - от устойчивого состояния (I категории) до неустойчивого (III категории), в Подмосковном бассейне - от среднеустойчивого состояния (II категории) до неустойчивого (III категории).

По данным Росугля, на конец 1993 года общая протяженность капитальных горных выработок угольных шахт, сечение которых изменяется от 7 до 22 м2, составляла: околоствольных - 519897 м; квершлагов - 1098099 м; в том числе: по Восточному Донбассу соответственно 68504 м и 94534 м; по Печорскому бассейну - 60385 м и 127383 м; по Кузбассу - 229316 м и 605515 м. Виды применяемой крепи в процентах к общей протяженности горизонтальных капитальных выработок (околоствольных дворов и квершлагов) распределяются следующим образом: в Кузбассе рамная металлическая крепь составляет 68%, монолитный бетон и железобетон - 25%, сборный железобетон - 5%, анкерная крепь - 0,2% и прочие виды крепи - 1,8%; Восточном Донбассе соответственно 58, 16, 19, 6 и 1%;

Печорском бассейне соответственно 65, 25, 8, 0 и 2%; Подмосковном бассейне соответственно 21,71, 8, 0 и 0%.

Вопрос освоения подземного пространства угольных шахт с целью размещения в них объектов народного хозяйства наиболее остро стоит в европейской части России, поэтому определение типов горных выработок, перспективных для вторичного использования, осуществлялось на примере работы шахт Донбасса, Подмосковного, Печорского и Челябинского угольных бассейнов. В первую очередь были рассмотрены выработки, закреплённые крепью, рассчитанной на длительную эксплуатацию, и менее остальных подверженные влиянию горных работ.

В рамках данной научной работы на шахтах Восточного Донбасса, Подмосковного, Печорского и Челябинского угольных бассейнов были обследованы подземные горные выработки протяжённостью 246,97 тыс. м, площадью 1037,2 тыс. м2, объёмом 3008 тыс. м3. Горизонтальные выработки из общей протяжённости составили 145,66 тыс. м, (58,98%), наклонные 91,04 тыс. м, (36,86%), вертикальные 10,27 тыс. м (4,16%) (табл.1).

Из общей протяжённости выработок закреплено: монолитной бетонной крепью около 31,75 тыс. м (12,87%), в том числе: горизонтальных 19,91 тыс. м, наклонных 1,57 тыс. м, вертикальных 10,27 тыс. м; сборной железобетонной крепью 18,35 тыс. м (7,41%), в том числе: горизонтальных 9,9 тыс. м, наклонных 8,4, тыс. м; металлической арочной крепью 160,53 тыс. м (65%), в том числе: горизонтальных 103,07 тыс. м, наклонных 57,46 тыс. м; анкерной крепью 33,98 тыс. м (13,77%), в том числе: горизонт&тьных 12,14 тыс. м, наклонных 21,84 тыс. м; деревянной крепью 2,36 тыс. м (0,95%), в том числе: горизонтальных 0,65 тыс. м, наклонных 1,71 тыс. м. Как показало обследование выработок, сборная железобетонная и металлическая крепи сохраняют несущую способность в течение длительного времени (до 45 лет) за исключением участков, где осуществлялась частичная выемка околоштрековых целиков и требуется перекрепление выработок.

На этих участках отмечается деформирование крепи, куполение пород кровли и пучение почвы. При определенном порядке отработки шахтного поля или в период доработки запасов угля возможно использование горизонтальных и наклонных

Таблица 1

Показатели крепления поддерживаемых выработок па шахтах Подмосковного, Печорского, Челябинского и Донецкогоугольныхбассейнов

Наименование выработок, закреплённая длина м Тип крепления

Монолит бетон. Сборная железобетон. Металлич. арочная' Металл, анкер. Деревянная.

Горизонтальные

Штрек, м 12531 5233 89312 11850

Квершлаг, м 4698 192 12051 140

Околостовольные, м 2667,1 4459 1704,7 645

Камера, м 20 11 146

I 19916,1 9895 103067,7 12136 645

Наклонные

Уклон м 1057 4128 43401 10402 1713

Ходок,м 513 4327 14060 11441

I 1570 8455 57461 21843 1713

Вертикальные

Ствол,м 10266

I 10266 0 0 0 0

Итого I 31752,1 18350 160528,7 33979 2358

выработок для целей, не связанных с добычей полезного ископаемого. После перекрепления выработок, закрепленных металлической арочной крепью, при вторичной эксплуатации могут быть использованы коренные штреки и ряд уклонов.

Выбор перспективных для многоцелевого использования подземных горных

выработок угольных шахт должен осуществляться на основе данных результатов их

обследования, с учётом технологии строительства, длительности и цели

эксплуатации выработок, изменения геометрических, прочностных характеристик

крепи и состояния её несущих конструкций на момент обследования,

гидрогеологических факторов среды, геологического строения, наличия

тектонических нарушений и нарушенности массива деформационными процессами,

вызванными его подработкой в результате добычи полезного ископаемого, а также

прогнозных данных об изменении геомеханического состояния породного массива, геоэкологической среды. Геологические, гидрогеологические условия и физико-механические свойства пород, в которых пройдена выработка, в значительной мере определяют срок и условия их эксплуатации.

При оценке возможности вторичного использования выработок необходимо учитывать тип крепи и её состояние на момент обследования. К числу перспективных для размещения объектов и подлежащих первичному учёту относятся выработки (отработанные участки выработок), закрепление и поддерживание которых не требует дополнительного возведения крепи. В сложных гидрогеологических условиях, при слабых и неустойчивых вмещающих породах наиболее предпочтительны монолитные бетонная и железобетонная крепи.

Массив горных пород, окружающий подземную горную выработку, предназначенную для вторичной эксплуатации, с учётом геологического строения вмещающих пород, их мощности, прочностных характеристик и гидрогеологических условий, должен обеспечивать надёжность эксплуатации этих выработок на необходимый период. Литологичесткий состав, мощность, физические свойства, структурное строение пород и тектонические нарушения влияют на формирование гидрогеологических условий, от которых во многом зависит вероятность загрязнения окружающей среды.

Особую роль в обводнении месторождений играют тектонические нарушения, которые способствуют поступлению вод в горные выработки не только из подземных горизонтов, но и открытых водоёмов. Если использование горных выработок, имеющих надёжную крепь, гидроизоляцию и расположенных вне зоны влияния очистных работ, под долговременные объекты не повлечёт изменения гидрогеологических условий, то погашение выработок с размещёнными в них нетоксичными отходами может вызвать нарушения режимов вод, осложняющие эксплуатацию добычных горизонтов и участков. Во избежание этого должны быть проанализированы фактические и прогнозные гидрогеологические характеристики водоносных горизонтов с оценкой степени их изолированности или сообщаемое™. Характер и величины деформаций крепи выработок и окружающих горных пород, изменение фильтрационных свойств подработанного массива и, следовательно, дополнительные водопритоки связаны с положением выработок относительно зон с

различной степенью проявления горного давления и нарушенности породных слоев, образовавшихся над (под) очистным выработанным пространством.

Анализ методов изучения и оценки геомеханического состояния породного массива при ведении горных работ

Изучение геомеханического состояния горных пород и массива осуществляется с привлечением трех различных групп методов: теоретических (аналитических), моделирования, натурных измерений и наблюдений. В практике используется комплексный подход к изучению напряженно-деформированного состояния массива пород, базирующийся на применении методов всех трех групп.

Приложение методов механики сплошной среды к решению горных задач осуществляется на основе гипотез, которые различаются между собой по совокупности исходных допущений и приложений. Наиболее распространенными являются: гипотеза сплошной среды (Динник А.Н., Савин Г.Н., Баклашов И.В. и др.), гипотеза пластичной среды (Феннер Р. и др.), гипотеза упруго-пластичной среды (Лабасс А., Руппенейт К.В., Либерман Ю.М., Ершов Л.В., Заславский Ю.З. и др.), гипотеза наследственной ползучести (Ержанов Ж.С., Максимов А.П., Черняк И.Л., Векслер Ю.А. и др.). Более перспективны развиваемые в последние годы численные методы, основанные на положениях строительной механики - метод конечных элементов и вариационно-разностные методы, базирующиеся на энергетических принципах теории упругости.

Хубек Младен и др., отмечая, что метод граничных элементов (МГЭ) восполняет недостатки и сложности других численных методов, рекомендуют рассчитывать распределение локальной нагрузки на ограниченной площади вокруг подготовительной выработки с использованием МГЭ. Исходные данные определяются напряжениями и деформациями в пределах этой площади.

По данным комитета производства горных работ США, численные методы моделирования, относительно к оценке устойчивости кровли выработки с поперечными трещинами, необходимо применять дифференцированно. Моделирование обрушения пород кровли по поверхностям поперечных трещин целесообразно выполнять с помощью метода конечных элементов, напряженного

состояния и условий понижения предельных касательных напряжений в наиболее опасных точках - методом граничных элементов, а распространения сдвигового хрупкого разрушения и сдвижения крупных блоков кровли - методом дискретных элементов. Существующие аналитические решения построены не на экспериментальной основе, а на произвольных допущениях, нередко искажающих физический смысл рассматриваемых процессов, поэтому они не находят широкого применения в инженерной практике горного дела. Созданию того или иного расчетного метода должна предшествовать разработка экспериментально обоснованной расчетной схемы, базирующейся на установленном механизме сдвижения и деформирования горных пород. Для расчетов проявления горного давления в горизонтальных выработках учеными предлагался ряд гипотез: свода, балок, плит, упругой среды, трещиноватых пород, сыпучих пород и другие. «Гипотеза свода» в большей своей части базируется' на малообоснованных предположениях и допущениях. Область допустимого её применения ограничивается однородными породами. Формулы, применяемые при расчетах на основе «гипотезы упругой среды», справедливы лишь для однородных изотропных упругих материалов. Отдельные положения «гипотезы сыпучих пород» могут найти применение только при наличии в кровле выработки мощных слоев песков или других рыхлых отложений. «Гипотеза балок» основана на предположении, что работа кровли очистных забоев, имеющих достаточную длину, и в которой залегают твердые слоистые породы, аналогична работе балок. В разнообразных интерпретациях гипотеза излагалась многими учеными различных стран: Л. Шульцем, Т. Фриндом, А. Эккардом, Д.В. Филлипсом, В.Д. Слесаревым, Г.Н. Кузнецовым, А.А. Борисовым и др. «Гипотеза плит» является дальнейшим развитием «гипотезы балок». Предположения о том, что кровля, сложенная слоистыми породами, работает подобно плите, высказывали Д.С. Ростовцев, В.Д. Слесарев, В. Штокке, Г. Герман и др. Возможность замены, для решения ряда инженерных задач, сложного расчета плиты расчетом балки, эквивалентной плите по значениям напряжений и деформаций в наиболее опасных сечениях, обосновал В.Д. Слесарев. Он различает три предельных состояния кровли. Идеи В.Д. Слесарева были развиты в работах Г.Н. Кузнецова, М.А. Иофиса и А.А. Борисова. Последний установил влияние на несущую способность пород кровли

закрепляющей нагрузки, вызванной весом вышележащей толщи и изгибающими моментами пород-мостов покрывающей толщи, что позволило существенно уточнить расчеты, но привело к значительному их усложнению.

Изложенные методы хотя и явились определенным вкладом в развитие геомеханики, широкого распространения в практике горного дела не получили из-за значительных расхождений наблюдаемых величин от расчетных. Основными недостатками этих методов являются: использование формул сопромата, имеющих ограниченное применение для горных пород. Излишне упрощенное представление о механизме деформирования слоистого массива, в частности, допущения, что обрушение слоя происходит только в том случае, когда образовавшиеся трещины прорастают на всю его мощность от одной поверхности слоя до другой (от верхней до нижней и наоборот), слабо обоснованный искусственный прием определения нагрузки на рассматриваемый слой путем подсчета этой нагрузки с помощью так называемой «скользящей выработки».

Разработка метода оценки и прогноза деформированного состояния подработанного слоистого массива

Сдвижение пород обычно начинается с прогиба кровли выработки. По мере увеличения площади выработанного пространства прогиб пород растёт, в сдвижение вовлекается всё большая часть породного массива, в толще появляются секущие трещины и трещины расслоения, поэтому породы непосредственной кровли разбиваются обычно на отдельные блоки и обрушаются. В результате влияния горных работ в сдвижение приходят также породы почвы, испытывающие поднятие. Поднятие почвы и выдавливание её в сторону выработанного пространства объясняется снятием с неё нагрузки от вышележащих пород и перераспределением горного давления. В процессе сдвижения происходит изменение объёма пород, в зоне повышенного (опорного) давления породы уплотняются, а в зоне обрушения разрыхляются. Разрыхлённая порода, увеличиваясь в объёме, заполняет выработанное пространство и создаёт подпор вышележащим породам.

Основной формой деформирования слоистого массива за пределами зоны беспорядочного обрушения является прогиб пород в сторону выработанного пространства и последовательное их расслоение. При этом слои в толще пород деформируются подобно плитам, защемлённым по концам, а слой пород, прилегающий к земной поверхности - подобно плите, лежащей на упругом основании. Под влиянием горных работ в массиве образуется несколько зон, отличающихся по характеру и величинам деформаций пород. Современное состояние изученности вопроса позволяет выделить в деформирующемся массиве три области (разгрузки, повышенного горного давления, полных сдвижений) и 16 зон: обрушения (1); сквозных трещин (2); фильтрующих трещин (3); локальных трещин (4); плавного прогиба (5); опорного давления (6); предельно-напряженного состояния (7); сквозных; фильтрующих; локальных трещин (8-10); плавного прогиба (11); опорного давления (12); растяжения (13 и 14); сжатия (15); сползания слоев (16); отличающихся характерными свойственными только для этих зон особенностями. В зависимости от условий разработки, способов управления кровлей и других влияющих факторов, число и местоположение зон деформаций может отличаться от распространённой схемы сдвижения пород. Состояние объекта окружающей среды практически полностью зависит от того, в какую зону деформирования пород они попадают в процессе ведения горных работ. Так, если водоносный горизонт попадает в зону обрушения или сквозных трещин, происходит прорыв воды в горные выработки и резкое изменение гидрогеологического режима в районе ведения горных работ. При попадании водоносного горизонта в зону фильтрующих трещин, будет происходить постепенное его дренирование в горные выработки. Аналогично будет происходить осушение поверхностных и подземных водных объектов, попадающих в зоны растяжения, если системы трещин в них будут сквозными или фильтрующими.

Система сквозных трещин образуется обычно в тех случаях, когда поперечные трещины, идущие от верхней и нижней поверхностей слоя, соединяются и становятся секущими. Проведенные исследования показали, что секущие трещины в слое образуются, как правило, в тех случаях, когда неравномерность оседания слоя Ar|m превысит критическую величину, определяемую из выражения:

где Аг|т(сг) - критическая разность оседания слоя, при которой образуются сквозные секущие трещины; £сг - критическое растяжение, при котором начинает нарушаться сплошность пород (определяется лабораторными испытаниями или опытным путём); М - расстояние по нормали между горной выработкой и рассматриваемым слоем; к - мощность слоя.

Фильтрующие трещины образуются в том случае, если слой в результате изгиба приобретает форму "седла" (рис.1), т.е. если в одном направлении (например, по падению породы) слой получает положительную кривизну, а в другом (по простиранию) - отрицательную кривизну. В этом случае две взаимно перпендикулярные трещины пересекаются и образуют водо- и газопроводящие каналы, которые, соединяясь с аналогичными каналами в других слоях, создают относительно сложную систему фильтрующих трещин.

Оценка состояния деформирования слоистого массива сводится в основном к определению суммарной глубины трещин в различных его сечениях. При этом в качестве критериев используются расчётные и измеренные деформации растяжения а также критические деформации полученные из данных натурных наблюдений (рис.2).

Гвс1. Схема образования фильтрующих трещим в горных породах

Е ' (2)

где Е - относительная горизонтальная деформация растяжения на поверхности слоя; есг - величина деформации растяжения, при которой происходит разрыв сплошности горных пород; h - мощность изгибающегося слоя.

Трещины, образующиеся на нижней и верхней поверхностях прогибающегося слоя, соединятся, если глубина развития каждой составит не менее половины его мощности: АЬтр > 0.5 Ь. Приняв АЬ-^ 0.5 Ь, получим:

Тогда значение е, при котором соединятся трещины, будет равно:

Обобщение результатов инструментальных наблюдений позволило установить, что максимальное растяжение на поверхности слоя определяется из выражения:

где - расстояние от нейтральной линии слоя до его поверхности; АН - расстояние по нормали от горной выработки до поверхности слоя; - максимальное

оседание (прогиб) слоя; L - длина полумульды сдвижения; ч'ш - максимальное

4 'шах

значение функции Э' (г) , характеризующей распределение наклонов в мульде сдвижения.

Значение У| для горных пород осадочного происхождения составляет обычно 0.9 Ь Длина полумульды сдвижения L при полной подработке, когда е достигает максимальных значений, определяется из выражения:

Г^кН + ДН^Ч'з, (4)

где Н - глубина горных работ; К - коэффициент, отражающий зависимость размеров зоны опорного давления от глубины горных работ; - угол полных сдвижений.

С учётом средних для угольных месторождений значений приведенных параметров (К = 0.3, ЧКэ = 550, = 2.2)

(5)

тогда формула (3) принимает вид:

Бтах ~ 2

откуда

L = 0.3Н+0.7ДН,

h-t1max

ДН(0.3-Н +0.7-АН) '

(6)

I 0.5 Сщах

АН(03Н+0.7-АН)

(7)

Заменив в формуле (7) максимальные деформации ешах на критические есг,

определим предельный прогиб слоя üm, при котором секущие трещины достигают его середины (рис.26), т.е. создаются условия для разрушения слоя за счёт соединения трещин, идущих от верхней и нижней поверхностей слоя:

Полная потеря устойчивости и обрушение слоя наступает в тот момент, когда выработанное пространство достигает предельного размера, при котором секущая трещина, развивающаяся от нижней поверхности слоя, образуется под имевшейся ранее трещиной от верхней поверхности и смыкается с ней (рис.2в). Предельный размер выработанного пространства при котором происходит наибольшее

развитие горизонтальных деформаций с образованием трещин в слое пород, вызывающих полную потерю его устойчивого состояния, определяется из выражения:

Diim = C|,m АН, (9)

где C|,m - коэффициент, зависящий от прочностных свойств пород, определяемый по данным натурных наблюдений

Образование сквозных секущих трещин в слоях пород и полная потеря их устойчивости наиболее вероятны при одновременном выполнении двух условий (8) и (9). По данным маркшейдерских инструментальных наблюдений, размер выработанного пространства, при котором, происходит максимальное развитие трещин в слоях осадочных пород, составляет 1,2 ДН, а расстояние между горизонтальными проекциями точек с максимальным растяжением на верхней и нижней поверхностях слоя равно 0.4 АН (рис.2в). Тогда соединение секущих трещин произойдёт в указанных породах при Djlm. = 1.6ДН. Одной из основных задач контроля за состоянием породной толщи является проведение маркшейдерских наблюдений за сдвижением пород кровли и почвы выработок, так как интегральным показателем, характеризующим геомеханическое состояние массива горных пород, является прогиб кровли и пучение почвы выработок. Критический и предельный прогибы слоев для конкретных условий определяются в зависимости от мощности прогибающегося слоя и его физико-механических свойств.

Разработка систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения в угледобывающих регионах

Постоянный маркшейдерский контроль за устойчивостью выработок и поведением массива горных пород, в которых они пройдены, производится при их использовании в качестве складов, выращивании сельхозпродукции и других видах эксплуатации, связанных с нахождением человека под землей. От правильного выбора методов и средств наблюдений зависит не только сохранность строений, трубопроводов, водоёмов, находящихся в зоне возможного сдвижения земной

поверхности, но и обеспечение экономической эффективности эксплуатируемых объектов в подземном технологическом пространстве.

В связи с отсутствием маркшейдерского мониторинга автор данного научного труда разработал системы маркшейдерского мониторинга подземного пространства вторичного многоцелевого освоения в угледобывающих регионах, а также сформулировал определение предприятия многоцелевого освоения в угледобывающем регионе и маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения. Предприятие многоцелевого использования в угледобывающем регионе - это горнодобывающее предприятие, полностью или частично использующее свои подземные горные выработки (подземное пространство), высвободившиеся в результате завершения процесса добычи угля, для захоронения нетоксичных отходов или размещения производств (вспомогательных цехов), оказания других услуг, в целях сохранения производственных мощностей, снижения себестоимости продукции, при условии обеспечения экологически безопасного состояния окружающей среды. Маркшейдерским мониторингом подземного пространства многоцелевого освоения называется система постоянно проводимых по заранее намеченному плану маркшейдерских наблюдений, учитывающих многолетние маркшейдерско-гсологичссккс наблюдения, позволяющая осуществлять оценку и прогноз изменений, происходящих в массиве горных пород, подземном технологическом пространстве и на земной поверхности, для принятия управленческих решений по оптимальному функционированию предприятия и обеспечению экологически безопасного состояния подземной и наземной частей окружающей среды.

Системы маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения в угледобывающих регионах относятся к детальному мониторингу и являются низшим иерархическим уровнем мониторинга окружающей среды. Учитывая важность предприятий многоцелевого использования, организованных на базе работающих и закрывающихся угольных шахт, данный мониторинг должен проводиться в горнодобывающих регионах России. Для получения надёжной и достоверной информации о состоянии подземных объектов природно-промышленного комплекса вторичного многоцелевого освоения, маркшейдерский мониторинг необходимо проводить в

сочетании с геологическим, гидрогеологическим, геофизическим, газодинамическим и другими видами мониторинга. Получаемая при этом информация должна анализироваться и интерпретироваться в комплексе и учитываться при принятии решений по управлению устойчивостью объекта и установлению момента перехода его в опасное критическое состояние.

Маркшейдерский мониторинг подземного пространства многоцелевого освоения состоит из следующих разделов (рис.3): 1. Маркшейдерское обследование угольной шахты. 2. Определение направления многоцелевого использования подземного пространства. 3. Мониторинг и управление технологическим пространством.

Рис.3. Схема маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения -

Маркшейдерское обследование угольной шахты (рис.4) включает в себя

сбор информации по состоянию землеотвода, шахтного поля, подземных горных

выработок в период работы горнодобывающего предприятия и на момент

обследования. На основании полученного материала осуществляются оценка и

прогноз состояния подработанного массива пород в период работы предприятия

многоцелевого использования. При создании мониторинга предприятия

многоцелевого освоения на стадии разработки ТЭО учитываются многолетние

маркшейдерские наблюдения за массивом горных пород и за породами,

Рис. 4 Структурная схем» маркшейдерского обследовании угольной шаггы

окружающими горную выработку, состояние подземных горных выработок и крепи, геологические характеристики месторождения, включая водный режим по временам года в пределах границ шахтного поля, а в случае необходимости всей территории, которая будет задействована в период работы данного предприятия, за проявлением сдвижения горных пород в массиве, и его влиянием на земную поверхность, а также объекты, попавшие в мульду сдвижения. Основой разработки маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения является маркшейдерское обследование подземного пространства угольной шахты, горных выработок, которые планируется использовать для длительной или кратковременной эксплуатаци. Анализ многолетних маркшейдерских наблюдений, проводимых в период работы предприятия, а также материалов обследования горных выработок, служит основой при разработке технико-экономического обоснования мониторинга. При использовании горных выработок работающего горнодобывающего предприятия для многоцелевого использования учитываются технология добычи полезного ископаемого и план развития предприятия в добычных целях. В зависимости от геологии месторождения, технологии добычи полезного ископаемого и вида многоцелевого использования подземного пространства, определяется перечень приборов и инструментов, необходимых для проведения наблюдений в подземных условиях и на земной поверхности. Данный анализ позволяет обосновать определения направления использования горных выработок, высвободившихся в результате завершения добычи полезного ископаемого. Маркшейдерские наблюдения позволяют обеспечить своевременное устранение возникших нарушений пород, окружающих выработки, а также проводить работы по восстановлению несущей способности нарушенной крепи. Проведенные автором исследования показали, что рациональное использование подземных горных выработок, необходимость в которых отпадает по мере завершения отработки запасов угля на отдельных горизонтах и участках, а также при подготовке к закрытию нерентабельных угольных шахт, рекомендуется осуществлять по трём направлениям (рис.5).

КАТЕГОРИЯ ПОРОД ПО СНвП-Н 94-80

КРЕПЬ ВЫРАБОТОК

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И

КОНСТРУКТИВНАЯ ПОДАТЛИВОСТЬ КРЕПИ

ПАРАМЕТРЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

УСТОЙЧИВОСТЬ

ЭКОНОМИ- НАЗНАЧЕНИЕ ЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТА-ЦЕЛЕСО- ЦИИ ОБРАЗ- ВЫРАБОТОК НОСТЬ

ВЫРАБОТКИ

Потеря

геомехани- да

ческой и

льной

устойчи-

вости

эксплуатацию выработок, подлежащих погашению

УПРАВЛЕНИЕ

Маркшейдерским ■ обеспечением

Горизонтальные

Рие. 5. Структур« модели определения иепрякленмя миогоцелеео!« освоения подземного пространстве

К первому направлению относятся подземные пространства для долговременной многоцелевой эксплуатации (горизонтальные и наклонные выработки) в качестве производственных цехов, складских помещений, холодильников, хранилищ, механических мастерских, теплиц, оранжерей, выращивания сельхозпродукции, организации шахтного туризма, оздоровления и прочих целей, требующие сохранности крепи выработок, дополнительной гидроизоляции. Для размещения таких объектов целесообразно использовать капитальные горные выработки: околоствольные дворы; откаточные штреки; квершлаги, обладающие геомеханической и функциональной устойчивостью, закрепленные монолитной бетонной, железобетонной, металло-бетонной, сборной железобетонной, бетонной, металлической арочной крепью с железобетонной затяжкой. Учитывая СНиП-И 94-80, эти выработки должны быть пройдены в породах III категории (неустойчивых), II категории (средней устойчивости), закреплены крепью, имеющей несущую способность от 0,3 до 0,5 МПа и конструктивную податливость от 60 до 150 мм. К данной крепи относится любая бетонная крепь с податливой забутовкой и последующим тампонажем закрепкого пространства или анкерным упрочнением вмещающего массива. Для этих целей также используются горные выработки, пройденные в устойчивых породах 1 категории, закрепленные анкерной крепью с сеткой и набрызг-бетонным покрытием, обладающие достаточной геомеханической и функциональной устойчивостью. Экономически целесообразно использовать горные выработки шириной 4 м и более, высотой не менее 2,4 м и суммарной площадью не менее 500 кв. м. Горные выработки, пройденные в слабых и неустойчивых породах, закарстованных, с интенсивными оползневыми явлениями, первичному учету для долговременной эксплуатации не подлежат. Прогнозирование поведения крепи выработок, рассчитанных на длительную эксплуатацию, необходимо осуществлять на основе изучения изменения её несущей способности во времени. Ко второму направлению относятся подземные пространства для кратковременной эксплуатации в качестве размещения нетоксичных промышленных и бытовых отходов (продуктов их переработки) в процессе погашения горных выработок или частичного извлечения угля из предохранительных целиков. Для размещения отходов при погашении выработок могут быть использованы горизонтальные

(подготовительные, очистные), наклонные (уклоны, ходки) и на заключительной стадии вертикальные (стволы, шурфы) выработки. В этом случае ширина и высота выработок должны обеспечивать безопасность при производстве работ по размещению отходов и погашению выработок, а длина и площадь - экономическую целесообразность их вторичного использования.

Размещение отходов необходимо проводить с учётом химического состава окружающего отходы породного массива, так как их контакт с подземными водами и шахтной атмосферой может спровоцировать дополнительные химические превращения, что в свою очередь ухудшит экологическую обстановку. Горные выработки, восстановление которых экономически нецелесообразно, подлежат погашению. Погашение этих выработок проводится за счет размещения в этих выработках нетоксичных отходов, горных пород, получаемых в результате добычи полезного ископаемого, породной массы из хвостохранилищ. Прогнозная оценка многоцелевого недропользования учитывает сохранение целиков для обеспечения увеличения сроков эксплуатации горных выработок.

К третьему направлению относятся подземные пространства, подлежащих закрытию угольных шахт, предназначенные как для длительной, так и для кратковременной эксплуатации.

Нарушение несущей способности крепи, изменение параметров выработок, геомеханической или функциональной устойчивости, а также отсутствие экономической целесообразности в их восстановлении, будет являться основанием для изменения направления ее эксплуатации. То есть выработка, предназначенная для долговременной эксплуатации, переходит в данной ситуации в категорию кратковременной эксплуатации с последующим ее погашением. Выработки, предназначенные для погашения, целесообразно заполнять нетоксичными отходами, что позволит снизить проявление сдвижения горных пород в массиве на земную поверхность.

На весь период многоцелевого вторичного освоения подземного пространства системы энергоснабжения, транспорта, вентиляции и водоотлива должны обеспечивать бесперебойное функционирование предприятия.

Мониторинг и управление технологическим пространством являются рабочей стадией маркшейдерского мониторинга по обеспечению бесперебойного

функционирования подземного пространства вторичного многоцелевого освоения (рис.6). Данный мониторинг состоит из трёх основных частей: маркшейдерское обеспечение; геоэкологический контроль; управление подземным технологическим пространством. Проведенные исследования показали, что горные выработки и массив пород находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и оказывают взаимное влияние на параметры измерений в процессе маркшейдерского мониторинга.

Маркшейдерское обеспечение подземного пространства многоцелевого использования заключается в установлении контролирующих массив, подземные горные выработки датчиков и приборов. Промышленная и экологическая безопасность выработок вторичной многоцелевой эксплуатации может быть обеспечена только при условии проведения маркшейдерских наблюдений за их состоянием в режиме непрерывного или дискретно непрерывного мониторинга как в подземном технологическом пространстве, так и в окружающих выработки породах. Подземные и наземные инструментальные маркшейдерские наблюдения, а также обработка с помощью вычислительного комплекса информации, поступающей от датчиков и приборов, дает возможность контролировать состояние массива горных пород, эксплуатируемых участков подземного технологического пространства, а также наблюдаемых на земной поверхности объектов. Слежение за динамикой изменения параметров состояния среды объекта наблюдения должно обеспечиваться различными типами сигнализаторов, фиксирующих один или несколько критических уровней. Выбор места размещения измерительных устройств в каждом конкретном случае должен осуществляться с учётом геологических, технологических и других факторов, определяющих эффективность контроля.

Установка конкретного прибора зависит от состояния выработки, цели её использования. На основе анализа современных методов и средств измерений выбраны наиболее рациональные приборы и инструменты, обеспечивающие экологически безопасную многолетнюю эксплуатацию подземных объектов в технологическом пространстве шахт и получение исходных данных для прогнозирования устойчивого состояния крепи выработок, окружающих пород. При

этом необходимо устанавливать измерительные приборы непрерывного или дискретно непрерывного действия. Так, например, импульсные радиометрические

датчики дискретно непрерывного действия срабатывают в зависимости от заложенных в измерительное устройство фиксированных параметров, несущей способности пород и конструктивной податливости крепи.

Измерительное устройство при контроле состояния породного массива устанавливается в породы, окружающие выработку. Изменения геометрических и прочностных характеристик крепи определяются при установке устройства на крепь. Кроме приборного контроля, осуществляются визуальные осмотры выработок. Инструментальные наблюдения проводятся в выработках долговременной и кратковременной эксплуатации на период их использования.

Геоэкологический контроль включает в себя определение концентрации вредных веществ з шахте: атмосфере; воде; донных отложениях подземных водосборников и на земной поверхности: водоемах, флоре и фауне. Особое внимание необходимо уделять данному контролю в выработках, предназначенных для захоронения отходов, и в местах их экологического влияния. Воды, выходящие из этих выработок, необходимо пропускать через каскад водосборников. В пределах экологического влияния предприятия многоцелевого освоения на земную поверхность, необходимо проводить анализ содержания вредных веществ в окружающей среде.

Управление подземным технологическим пространством предприятия многоцелевого использования зависит от направления эксплуатации горной выработки. Функции управления выработками осуществляются в период их использования вплоть до их погашения. Для выработок долговременной эксплуатации предусматривается перекрепление нарушенных участков, бесперебойное обеспечение вентиляцией, электроэнергией, водоотливом, запасными выходами в случае эвакуации, питьевой водой, продуктами питания, доставка и отгрузка необходимых грузов. Выработки, в которых осуществляется захоронение отходов, обеспечиваются по такой же схеме, как и выработки для долговременной эксплуатации, однако эта схема, с некоторыми корректировками, может действовать только до их погашения после заполнения отходами. При захоронении отходов детально разрабатывается технология доставки и размещения отходов в выработку, определяется наименование транспортных и других средств, участвующих в этих процессах, а также технология замуровывания отходов,

постоянный демонтаж оборудования, электрокабеля и других систем жизнеобеспечения, участвующих в эксплуатации.

Для каждой из целей эксплуатации разрабатывается план доставки с поверхности в подземные горные выработки и подъёма на поверхность оборудования и материалов. Доставка грузов, предназначенных для размещения в выработках, должна осуществляться с учётом габаритов этих грузов. Для обеспечения промышленного и экологически безопасного использования подземного пространства функциональная и геомеханическая устойчивость подземных выработок осуществляется за счёт поддержания в рабочем состоянии рельсового пути, проложенного в выработках, прочностных характеристик крепи и состояния ее несущих конструкций.

Автоматизированная информационная система маркшейдерского

мониторинга

Предложенная автоматизированная информационная система (АИС), создаваемая на базе вычислительного комплекса, составляет основу организационной структуры маркшейдерского мониторинга подземного пространства вторичного многоцелевого освоения в угледобывающих регионах (рис.7).

АСИОН

АСМУ

Автоматизированная система мониторинга и управления

Автоматизированная система информации и обработки данных маркшейдерских наблюдений.

маркшейдерского мониторинге лодочного пространства многоцелевого оскоения

Автоматизированная информационна* система

АОПС

Автоматизированная оценочно-прогнозная система

Рис. 7. Схема структуры автоматизированной информационной системы (АИС) маркшейдерского мониторинга подземного пространства чногопе левого освоения

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ КНБЛИОТВКД

С.П«*еНГ»г

АИС реализует набор функциональных процедур. Данная система обеспечивает получение определенных результатов, поддержание нужных режимов функционирования, а также сохранение и развитие структуры системы. Главной целью использования АИС является маркшейдерский мониторинг подземного пространства многоцелевого освоения. При создании АИС используются материалы многолетних маркшейдерско-геологических наблюдений за состоянием подземных горных выработок и геологической среды, что позволяет обеспечить определение направления многоцелевого освоения подземного технологического пространства для его долговременной и кратковременной эксплуатации, или погашении горных выработок. Обработка материалов обеспечивает оптимальное решение задач маркшейдерского мониторинга технологического пространства вторичного многоцелевого освоения. В соответствии с этим, конечной целью АИС является нахождение оптимальных решений систем маркшейдерского мониторинга, включая управление подземным технологическим пространством многоцелевого освоения, путем регулирования его режима эксплуатации, осуществляемого на базе анализа геолого-маркшейдерских наблюдений за состоянием массива пород, горных выработок в период работы угольной шахты и текущего функционирования предприятия. При этом необходимо минимизировать затраты на создание или поддержание в рабочем состоянии горных выработок многоцелевого освоения.

Математическое обеспечение АИС состоит из трех основных блоков: 1. Блок автоматизированной системы информации и обработки данных маркшейдерских наблюдений (АСИОН). 2. Блок автоматизированной оценочно-прогнозной системы (АОПС); 3. Блок автоматизированного мониторинга и управления (АСМУ). Все три блока в системе АИС маркшейдерского мониторинга взаимосвязаны и составляют единое математическое обеспечение.

Таким образом, впервые разработаны методологические системы маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок, высвободившихся в результате завершения процесса добычи угля, позволяющие осуществлять оценку и прогноз состояния подработанного массива от кровли выработки до земной поверхности; образования и развития водо- и газо-проводящих трещин, состояния подземного пространства в зависимости от прочностных характеристик крепи и ее несущих конструкций, а также управление

предприятием. По результатам исследований разработано «Методическое руководство по маркшейдерскому обеспечению эксплуатации объектов в подземном технологическом пространстве при отработке угольных месторождений европейской части России», которое принято к использованию «Управлением Маркшейдерского обеспечения Ликвидации шахт и разрезов ГУРШ»; «Институтом горючих ископаемых».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании анализа и обобщения опыта разработки угольных месторождений подземным способом, учёта природных и техногенных особенностей массива горных пород, теоретических исследований и натурных измерений в диссертации решена важная для народного хозяйства научно-техническая проблема разработки методологии построения систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения в угледобывающих регионах, обеспечивающая промышленную и экологическую безопасность объектов различного назначения, размещаемых в горных выработках угольных шахт, высвободившихся в результате завершения добычи полезного ископаемого.

Оснозные научные результаты, полученные при выполнении исследоъаний, заключаются в следующем:

1. Обоснованы целесообразность и возможность разработки систем маркшейдерского мониторинга при вторичном многоцелевом освоении комплекса подземных горных выработок, высвободившихся в результате завершения технологического цикла добычи угля на работающих или подлежащих закрытию угольных шахтах России.

2. Обоснована методика маркшейдерского обследования комплекса подземных горных выработок угольных шахт, позволяющая определять направления эксплуатации подземного пространства вторичного многоцелевого использования и учитывающая положения «Основ законодательства о недрах» в части размещения объектов, не связанных с добычей полезных ископаемых.

3. Маркшейдерскими исследованиями установлено, что на выбор направления многоцелевого вторичного использования горных выработок оказывают

существенное влияние: горно-геологические факторы массива пород, время предыдущей эксплуатации подземного пространства, изменения геометрических, прочностных характеристик крепи, состояние ее несущих конструкций на момент обследования, несущая способность и конструктивная податливость крепи. 4. Маркшейдерскими обследованиями комплекса подземных горных выработок угольных шахт установлено:

- для долговременной вторичной многоцелевой эксплуатации могут использоваться подземные пространства (горизонтальные и наклонные выработки) в качестве производственных цехов, складских помещений, холодильников, хранилищ, механических мастерских, теплиц, оранжерей, выращивания сельхозпродукции, организации шахтного туризма, оздоровления и прочих целей, требующие сохранности крепи выработок, дополнительной гидроизоляции. Для размещения таких объектов целесообразно использовать капитальные горные выработки: околоствольные дворы; откаточные штреки; квершлаги, обладающие геомеханической и функциональной устойчивостью, закрепленные монолитной бетонной, железобетонной, металло-бетонной, сборной железобетонной, бетонной, металлической арочной крепью с железобетонной затяжкой. Экономически целесообразно использовать горные выработки шириной 4 м и более, высотой не менее 2,4 м и суммарной площадью не менее 500 кв. м. Горные выработки, пройденные в слабых и неустойчивых породах, закарстованных, с интенсивными оползневыми явлениями, первичному учету для долговременной эксплуатации не подлежат. Прогнозирование поведения крепи выработок, рассчитанных на длительную эксплуатацию, необходимо осуществлять на основе изучения изменения её несущей способности во времени;

- для кратковременной эксплуатации в качестве размещения нетоксичных промышленных и бытовых отходов (продуктов их переработки) в процессе погашения горных выработок или частичного извлечения угля из предохранительных целиков могут быть использованы горизонтальные (подготовительные, очистные), наклонные (уклоны, ходки) и на заключительной стадии вертикальные (стволы, шурфы) выработки. В этом случае ширина и высота выработок должны обеспечивать безопасность при производстве работ по размещению отходов и погашению выработок, а длина и площадь - экономическую

целесообразность их вторичного освоения. Размещение отходов необходимо проводить с учётом химического состава окружающего их породного массива, так как их контакт с подземными водами и шахтной атмосферой может спровоцировать дополнительные химические превращения, что в свою очередь ухудшит экологическую обстановку. Горные выработки, восстановление которых экономически нецелесообразно, подлежат погашению. Погашение этих выработок проводится за счет размещения в этих выработках нетоксичных отходов, горных порол, получаемых в результате добычи полезного ископаемого, породной массы из хвостохранилищ.

5. Разработаны системы маркшейдерского мониторинга при вторичном многоцелевом освоении подземного пространства угольных шахт, обеспечивающие устойчивую, экологически безопасную работу предприятия, сохранение наземных объектов. Системы маркшейдерских наблюдений за массивом пород, подземными горными выработками и земной поверхностью являются необходимым элементом промышленной безопасности, так как объект эксплуатации является бинарной природно-технической, динамической системой, постоянно меняющей свои свойства. Системы позволяют осуществлять оценку и прогноз состояния подработанного массива от кровли выработки до земной поверхности; образования и развитая водо- и газопроводящих трещин и состояния комплекса подземных горных выработок в зависимости от прочностных характеристик крепи и ее несущих конструкций.

6. Разработана методика выбора приборов и инструментов, необходимых для маркшейдерского контроля за горными выработками, при их вторичной (параллельной с добычей) долговременной и кратковременной эксплуатации, массивом горных пород, мульдой сдвижения земной поверхности и наземными объектами.

7. На основе современных представлений о сдвижении подработанного массива пород и данных маркшейдерских наблюдений предложены схема образования, развития секущих трещин в прогибающемся породном слое и механизм деформирования слоистого породного массива, основанный на определении несущей способности каждого слоя пород с учетом их прочностных характеристик, трещиноватости, геологических нарушений и механизма образования поперечных

трещин при знакопеременных деформациях слоя, что позволяет существенно уточнить условия появления сквозных водо- и газопроводящих трещин, разрушения пород и деформации крепи выработок.

Расстояние между горизонтальными проекциями точек с максимальным растяжением на верхней и нижней поверхностях слоя равно 0,4 АН. В методе оценки учтены формирование знакопеременных горизонтальных деформаций на верхней и нижней поверхностях слоя, а также глубина развития трещин, определяющая его устойчивость в зависимости от мощности прогибающегося слоя (пачек слоев) и суммарной глубины трещин в различных его сечениях.

9. Использование интеллектуальной автоматизированной информационной системы, имеющей иерархическую трехуровневую структуру построения для решения задачи маркшейдерского мониторинга на основании данных слежения за динамикой изменения параметров состояния объекта маркшейдерских наблюдений, обеспечивает оперативный контроль и прогнозирование изменений параметров подземного пространства многоцелевого освоения и массива горных пород.

Таким образом, впервые разработаны системы маркшейдерского мониторинга подземного пространства, высвободившегося в результате завершения угледобычи на конкретном горизонте, используемого для многоцелевого вторичного освоения в угледобывающих регионах. Надёжность и достоверность получаемой информации обеспечивается использованием приборов и инструментов непрерывного или дискретно непрерывного действия, вычислительной базы маркшейдерского мониторинга в сочетании с геологическим, гидрогеологическим, геофизическим,

газодинамическим и другими видами мониторинга, что позволяет сохранить

экологическую безопасность природно-промышленного объекта.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Левкин Ю.]И. Выявление влияния горно-геологических факторов на процессы подземной газификации углей с помощью геометризации. - В сб.: Применение математических методов и ЭВМ в геологии. - Новочеркасск, 1983, с. 106-107.

2. Левкин Ю.М. Исследование влияния сдвижения горных пород на устойчивость технологических скважин при геотехнологических способах добычи.- В сб.: Совершенствование технологии и техники подземной разработки рудных месторождений. -М.:МГИ,1983,с.27-29.

3. Левкин Ю.М. Влияние сдвижения горных пород при скважинной добычи полезных ископаемых на обсадные колонны. - В сб.: Научно-технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны. - Свердловск, СГИ, 1984, с. 127 - 128.

4. М.Л. Iofis, Y.M. Levkin. Ways to mitigate harmful environmental of mining operations. 'Methodes de diminution de l'effet nuisible des operations minicrcs sur I'environnement Mittel zur Seakung der schadlichen Bergbauwirkung auf die Umwelt1. EUROCK 93/LISBOA/ PORTUGAL PROCEEDINGS / COMPTES - RENDUS / SITZUNGS-BERICHTE ISRM INTERNATIONAL SYMPOSIUM /1993, 06. 21 - 24.. s. 317 -322.

5. Yu.M. Levkin, I.M. Iofis. Interaction between the exavatoin support and joined rock mass. Proceedings of the second international conference on the mechanics of joined and faulted rock -MJFR-2. Vienna/Austria/10-14 april 1995. MECHANICS OF JOINTED AND FAULTED ROCK. Edited by HANS-PETER ROSSMANITH Institute of Mechanics, Technical University of Vienna, Austria, s. 817-822.

6. Попов В.Н., Иофис M.A., Орлов Г.В., Левкин Ю.М. Опенка и прогноз геомеханического состояния подработанного слоистого массива горных пород. Симпозиум "Современное горное дело: Образование, Наука, Промышленность" Посвящается памяти академика Владимира Васильевича Ржевского 29.01.96 - 2.02.96г. - М.: ГИАБ, 1996. - № 4. - с. 57 - 62.

7. Yu.M. Levkin, G.V. Orlov Prevention of surface subsidence caused by underground mining and coal gasification - MINING IN THE 3rd MILLENNIUM. The Social and Environmental Impact. Xth INTERNATIONAL CONGRESS of the INTERNATIONAL SOCIETY FOR MINE SURVEYING in conjunction with the 23м IEMSA NATIONAL SURVEYING CONFERENCE, Fremantle, Western Australia/2-6 November 1997, Congress Proceeding, Hosted by The Institution of engineering and mining surveyors Australia, s. 399 -400.

8. Попов В.Н., Иофис М.А., Орлов Г.В., Левкин Ю.М. Оценка и прогноз геомеханического состояния подработанного слоистого массива горных пород. International Society for Mine Surveying 4-th Commission ( Rockmass movements and mining damage ). Proceedings of the Scientific Sessions in Ustron - Poland ( No.XVIII, 1995 ) and Balatongyorok - Hungary ( No.XIX, 1996). Gliwice, Poland, 1997, с 155 -160.

9. Левкин Ю.М. Мониторинг подземных горных выработок повторной эксплуатации. - М.: ГИАБ, 2000.-№6.-с. 127.

международная экологическая конференция студентов и молодых учбных. Москва, МГГУ. 16 -18 апреля, 2000г. Том 1-Смоленск,: Ойкумена, 2000, с. 158 -160.

11.Левкин Ю.М. Использование геодинамического районирования в условиях вторичной эксплуатации подземного пространства угольных шахт. Тезисы научных докладов. - Y1 Международная конференция "Экология и развитие Северо - Запада России", 11-16 июля, 2001г. - СПб: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы (МЛНЭБ),2001,с.164.

12. Левкин Ю.М., Левкин В.В. Факторы, определяющее целесообразность закрытия подземных угольных шахт. «Экологическая безопасность и устойчивое развитие». / Пятая международная экологическая конференция студентов и молодых ученых. Москва, МГТУ. 18-19 апреля 2001 г. Том 1. - Смоленск, Ойкумена, 2001 ,с.224 - 227.

13. Левкин Ю.М. Геодинамический контроль подземных горных выработок угольных шахт при вторичной эксплуатации. Тезисы научных докладов 7 Международной конференции «Экология и развитие Северо - Запада России». 2-7 августа 2002 г. - СПб: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ). 2002, с. 4.

14. Левкин Ю.М. Горнотехнические и геологические факторы, определяющие возможность повторного использования выработок. Экологическая безопасность как ключевой фактор устойчивого развития. - Сб. докладов / Шестая международная экологическая конференция студентов и молодых учёных. Москва, МГТУ. 1-3 апреля 2002 г. Том 1. - Смоленск, Ойкумена, 2002. - с. 96 - 99.

15. Левкин Ю.М. Горнотехнические и геологические факторы, определяющие возможность повторного использования выработок. -М.: ГИАБ, 2002. - № 12. - с. 25 -26.

16. Левкин Ю.М. Вторичная эксплуатация подземных горных выработок угольных шахт. - М.: ГИАБ, 2003. - № 2. - с. 13-16.

П.Левкин Ю.М., Иофис И.М. Взаимодействие крепи выработки с подработанным породным массивом. - М.: ГИАБ, 2003. - № 4. - с. 20 - 24.

18. Левкин Ю.М. Маркшейдерское обеспечение подземного технологического пространства многоцелевого использования. -М.: МГТУ, 2003, 215 с.: ил. - ISBN 5 - 7418-0274-5 (в пер.).

19. Левкин Ю.М. Мониторинг предприятия многоцелевого использования. - М.: ГИАБ, 2003. -№12. -с. 8 -10.

20. Левкин Ю.М. Маркшейдерское обследование угольной шахты для обеспечения мониторинга предприятия многоцелевого использования. - М.: ГИАБ, 2004. - № 1. - с. 26 - 30.

21. Левкин Ю.М. Факторы определяющие целесообразность многоцелевого использования подземного пространства угольных шахт. - М.: ГИАБ, 2004. - № 2. - с. 15-18.

22. Левкин Ю.М. Разработка автоматизированной информационной системы маркшейдерского мониторинга. - М.: ГИАБ, 2004. - № 5. - с. 139 - 144.

23. Левкин Ю.М. Математическая обработка автоматизированной информационной системы маркшейдерского мониторинга. - М.: ГИАБ, 2004. - № 6. - с. 62 - 68.

Подписано в печать Формат 60X90/16

Объем 2 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 73?

Типография МГГУ. Ленинский пр., 6

»16667

Содержание диссертации, доктора технических наук, Левкин, Юрий Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НАПРАВЛЕНИЙ ВТОРИЧНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА.

§ 1.1. Анализ состояния и перспективы вторичного многоцелевого освоения подземного пространства угольных шахт.

§ 1.2. Основные геологические и технологические характеристики некоторых угледобывающих районов России.

§ 1.3. Экологические последствия использования подземного пространства угольных шахт.

§ 1.4. Технологические схемы многоцелевого использования подземного пространства.

§ 1.5. Требования, предъявляемые к расположению участков недр, способам и технологиям захоронения. fc

§ 1.6. Понятие о мониторинге.

§ 1.7. Цели и задачи исследований.

ГЛАВА 2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ВТОРИЧНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫРАБОТОК.

§2.1. Анализ состояния подземных горных выработок угольных шахт.

§2.1.1 .Подмосковный угольный бассейн.

§ 2.1.2. Донецкий угольный бассейн Ростовской области.

§ 2.1.3.Печорский угольный бассейн.

§ 2.1.4.Челябинский буроугольный бассейн.

§ 2.2. Факторы, определяющие возможность вторичного использования подземных выработок.

§ 2.2.1 .Требования, предъявляемые к горным выработкам многоцелевого использования.

§ 2.2.2.Направления многоцелевого использования подземных горных выработок.

§ 2.2.3.Геологическое строение вмещающих пород, их мощность и прочностные характеристики.

Щ § 2.2.4.Тип крепи, состояние, прогнозные изменения её несущей способности во времени.

§ 2.2.5.Характеристики гидрогеологических условий и их прогнозные изменения.

§ 2.2.6.Геомеханическое состояние породного массива и прогнозные его изменения.

§ 2.2.7.Влияние вторичной эксплуатации выработок на окружающую среду.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗУЧЕНИЯ И ОЦЕНКИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНЫХ РАБОТ.

§3.1. Теоретические методы расчета напряженнодеформированного состояния массива пород.

§ 3.2. Методы оценки и прогноза геомеханического состояния слоистого породного массива.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА * ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДРАБОТАННОГО СЛОИСТОГО МАССИВА.

§4.1. Схема и механизм деформирования слоистого массива горных пород.

§ 4.2. Установление механизма разрушения слоя пород.

§ 4.3. Оценка расслаиваемости подработанной толщи пород.

§ 4.4. Определение предельного состояния слоя пород.

§ 4.5. Взаимодействие крепи выработки с подработанным породным массивом.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

ГЛАВА 5. МАРКШЕЙДЕРСКИЙ МОНИТОРИНГ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК МНОГОЦЕЛЕВОГО ОСВОЕНИЯ.

§5.1. Маркшейдерское обследование угольной шахты для обеспечения мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения.

§ 5.1.1.Перечень основных исходных данных, учитывающихся при обследовании подземного пространства угольной шахты.

§ 5.1.2.Оценка и прогноз недропользования для многоцелевого освоения подземного пространства.

§ 5.2. Определение направления многоцелевого использования подземного пространства.

§ 5.3. Мониторинг и управление подземным технологическим пространством.

§ 5.3.1.Маркшейдерское обеспечение подземного пространства вторичной эксплуатации.

§ 5.3.1.1. Оценка напряжений и деформаций крепи выработок.

§ 5.3.1.2. Контроль за изменением контура выработки.

§ 5.3.2.Маркшейдерский контроль за сдвижением земной поверхности и толщи горных пород.

§ 5.3.2.1. Измерение величины смещения горных пород в скважине глубинными реперами.

§ 5.3.2.2. Определение физико-механических свойств породного массива.

§ 5.3.2.3. Измерение напряженно-деформированного состояния в породном массиве и приконтурной части выработки.

§ 5.3.2.4. Определение величины динамического проявления горного давления.

§ 5.3.2.5. Наблюдения за сдвижением горных пород.

§ 5.3.2.6. Геоэкологический контроль.

§ 5.3.2.7. Обеспечение функционирования подземного технологического пространства многоцелевого использования.

§ 5.3.2.8. Автоматизированная информационная система.

§5.3.2.8.1.Разработка автоматизированной информационной системы маркшейдерского мониторинга.

§5.3.2.8.2.Математическое обеспечение автоматизированной информационной системы.

§ 5.4. Экономическая оценка использования систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методологии систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения в угледобывающих регионах"

Ежегодно на планете добывается подземным способом более миллиарда тонн угля. В результате этой деятельности человека остаются сотни километров подземных горных выработок, не участвующих в добыче угля. Средняя глубина разрабатываемых горизонтов на угольных шахтах России колеблется от 80 до 600 метров. Протяжённость капитальных горных выработок Российских угольных шахт превышает 1,5 миллиона километров. Они закреплены в Восточном Донбассе, Кузбассе, Печорском и Подмосковном бассейнах: рамной металлической крепью - 68 - 21%, монолитным бетоном и железобетоном - 16 - 71%.

Реформирование угольной отрасли в России, как правило, приводит к закрытию нерентабельных угольных шахт. Их ускоренное закрытие нередко приводит к затоплению многих километров подземных горных выработок. Затопление выработок нарушает гидрогеологическую обстановку шахтного поля, в результате чего выработки обрушаются, на земной поверхности образуются провалы.

В настоящее время в европейской части России миллионы кубометров экологически небезопасных для окружающей среды нетоксичных отходов занимают большие площади землеотводов городских территорий и горных предприятий, на аренду и содержание которых расходуется немало средств. Химический состав сухой массы компонентов твёрдых бытовых отходов в зависимости от климатических зон составляет: органические вещества - 56 -80%; зола - 20 - 45%; углерод - 28 - 39%. Одной из реально существующих в настоящее время проблем является захоронение отходов электростанций, работающих на сжигании мусора или угля. Решение этой проблемы требует больших затрат, так как отходы содержат вредные вещества в виде тяжёлых металлов, ароматических углеводородов и других веществ в концентрациях, превышающих их предельно допустимые значения. Способность отдельных составляющих отходов энергетического и других производств к естественному распаду (разложению) в течение долгих лет ставит вопрос о целесообразности размещения отходов в хранилищах подземного типа.

Обследования угольных шахт в ряде регионов России показали, что в среднем 30% подземных горных выработок, закреплённых монолитной и сборной бетонной, железобетонной крепью, могут быть использованы для долговременной многоцелевой вторичной эксплуатации в качестве складов, механических мастерских, выращивания сельхозпродукции, организации шахтного туризма, экскурсий, оздоровления и прочие цели, 70% выработок, закреплённых деревянной, анкерной, металлической крепью, могут быть использованы для складирования или захоронения нетоксичных отходов.

На территории России и стран СНГ горные выработки угольных шахт в основном используются лишь в технологических циклах по добыче минеральных ресурсов. Вторичная эксплуатация горных выработок, не участвующих в производственном процессе, осуществляемая параллельно с • добычными работами на горном предприятии, даст возможность снижения себестоимости добычи угля.

Так, на шахте им. Губкина Лебединского ГОКа в ходе эксперимента при заполнении отработанных камер в подземное пространство было подано из хвостохранилища 375 тысяч кубометров пульпы, уложено и осушено 117 тысяч тонн хвостов, отведено в оборотное водоснабжение 337 тысяч кубометров осветлённой воды.

Горнодобывающие предприятия в странах мира используют подземные пространства, не участвующие в добыче полезного ископаемого для размещения своих вспомогательных производств, складов. В США из 20 млн. кв. м горных выработок известняковых шахт г. Канзас-Сити используются около 2 млн. кв. м. Из них 85% подземного пространства находится в эксплуатации в качестве складов и холодильников. Вторичная эксплуатация горных выработок снижает расходы на тепло 60 - 120 тыс. долл. США в год со 100 квадратных футов. Экономический анализ показал, что целесообразно б использовать подземные пространства, расположенные на расстоянии до 200 миль от крупных городов.

Проблему вторичной эксплуатации подземных горных выработок изучали зарубежные учёные: Duffaut P., Marin G. Srauffer Т.Р. Woodard D., Hughes D.S., Ryan V.J. Runovc F., Kortnik J,. Христов E., Aughenbaugh N.B., Хамм Э. и другие; российские учёные: Ярунин С.А., Малкин А.С., Иофис М.А., Попов В.Н., Орлов Г.В., Коколов О.В., Умнов В.А., Папернов М.М., Зильберборд А.Ф., Швецов П.Ф. и другие. Обеспечение надежности несущих и ограждающих конструкций, технологической и эксплуатационной безопасности отражено в трудах И.В. Баклашова, П.П. Бессолова, Б.В. Бокия, В.Н. Борисова, Н.С. Булычева, 3. Вайды, Д.Р. Каплунова, Б.А. Картозия, Н.Н. Мельникова, И.Д. Насонова, Н.М. Покровского, К.В. Руппенейта, К.Н. Трубецкого, Б.И. Федунца, П.М. Цимбаревича, В. А. Чантурия, Н.Н. Чаплыгина, Е.И. Шемякина, А.А. Шилина, М.Н. Шуплика.

• Вторичное использование горных выработок постоянно требует информационного обеспечения в режиме непрерывного или дискретно непрерывного мониторинга, о состоянии массива горных пород, несущих конструкций крепи, изменения их геометрических и прочностных характеристик, объектов, попавших в мульду сдвижения на земной поверхности.

Многоцелевое вторичное использование подземных горных выработок закрывающихся, а также работающих угольных шахт для захоронения нетоксичных отходов или длительной эксплуатации позволит сэкономить средства предприятий, расходуемые на оплату аренды земли, занятой породными терриконами, хвостохранилищами горных предприятий, свалками мусора, обеспечить рациональное использование природных ресурсов, экологическую безопасность угледобывающего региона, дать дополнительные рабочие места местному населению, что в свою очередь снизит в них социальную напряжённость.

Разработкой мониторинга в России занимались Израэль Ю.А., Королёв В.А., Бондарик Г.К., Ярг JI.A. и другие.

Существующие мониторинги не рассматривают маркшейдерский мониторинг горных выработок вторичного многоцелевого использования в угледобывающих регионах. Наблюдения маркшейдерскими, геофизическими приборами и инструментами за массивом пород, подземными горными выработками и земной поверхностью необходимы, так как объект эксплуатации является бинарной природно-технической системой, постоянно меняющей свои свойства в динамике. В период многоцелевой вторичной эксплуатации подземного пространства продолжают изменяться гидрогеология, свойства пород, экологическая обстановка, снижаются технические характеристики крепи и крепёжного материала. Существующая в настоящее время система маркшейдерских наблюдений не учитывает специфику подземных объектов данного назначения, у которых отсутствует прямой доступ к наблюдаемому экологически небезопасному объекту.

Системы маркшейдерского мониторинга подземного пространства для его многоцелевого освоения в угледобывающих регионах позволяют обеспечить оценку и прогноз состояния объектов маркшейдерских наблюдений для принятия управленческих решений, обеспечивающих технологически и экологически безопасную эксплуатацию предприятия. Они являются составной частью экологического мониторинга, который создаётся в нашей стране в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации «О создании Единой государственной системы экологического мониторинга России» от 24 ноября 1993 г. № 1229.

Поэтому актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение, является обоснование разработки методологии создания систем маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок угольных шахт, не участвующих в технологическом процессе добычи угля для их многоцелевого вторичного использования, учитывающей нарушенность толщи пород деформационными процессами, вызванными подработкой массива в результате добычи полезного ископаемого, геологическое строение и наличие тектонических нарушений вмещающего породного массива, гидрогеологические условия, геометрические и прочностные характеристики крепи, состояние её несущих конструкций в зависимости от длительности эксплуатации, технологию строительства и характер использования выработок.

В практике горного дела, однако, маркшейдерские работы, экологические, технические и технологические аспекты обеспечения подземных горных выработок угольных шахт, предназначенных для вторичного многоцелевого освоения, а также социальное значение новой эксплуатации горных предприятий, рассматриваются в недостаточной увязке друг с другом.

Не изучены вопросы воздействия отходов, находящихся в подземном пространстве, на окружающую среду мест размещения, включая изменения прочностных характеристик крепи, её несущих конструкций, физико-механических свойств горных пород, экологических последствий данной эксплуатации горных выработок, т.е. те вопросы, без изучения которых невозможна выработка стратегии минимизации экологической опасности при размещении под землёй объектов, не связанных с добычей полезного ископаемого и осуществление мероприятий инженерной защиты окружающей среды от их вредного влияния.

Настоящая работа выполнена в рамках хоздоговорной темы с компанией «Росуголь» «Маркшейдерское обеспечение эксплуатации объектов в подземном технологическом пространстве при отработке угольных месторождений европейской части России», а также фундаментальных исследований Министерства образования РФ в области горных наук по проблеме «Создание теоретических основ экзодинамических природно-антропогенных и техногенных процессов при добыче полезных ископаемых».

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ ЯВЛЯЕТСЯ научное обоснование разработки методологии систем маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок, высвободившихся в результате завершения технологического цикла добычи угля и предназначенных для вторичного многоцелевого экологически безопасного освоения на закрывающихся и работающих угольных шахтах, на основе предложенных новых методов оценки и прогноза состояния подработанного слоистого массива горных пород, с учётом его геологического строения, гидрогеологических условий, геометрических и прочностных характеристик несущих конструкций крепи.

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в использовании маркшейдерского мониторинга для получения информации о состоянии и динамике изменения геометрических параметров подземных горных выработок вторичного многоцелевого освоения, подработанного слоистого массива горных пород с целью обеспечения экологически чистой и безопасной эксплуатации подземных технологических объектов на угольных шахтах.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В работе использованы: системный анализ и теоретическое обобщение результатов исследований в области создания систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства вторичного многоцелевого освоения угледобывающих регионов, теоретические исследования сдвижения пород, маркшейдерские наблюдения за изменениями состояния подработанного слоистого массива пород, маркшейдерские натурные обследования состояния крепи подземных горных выработок угольных шахт с целью определения номенклатуры выработок для многоцелевой эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ, РАЗРАБОТАННЫЕ ЛИЧНО АВТОРОМ: 1. Режимы и схемы реализации маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок, предназначенных для вторичного многоцелевого освоения, должны осуществляться с учётом горногеологической информации о свойствах, строении и состоянии горных пород вмещающего массива, динамики их изменения во времени и пространстве, а также изменчивости дестабилизирующих факторов различной физической природы, которые могут привести к потере устойчивости геологической среды и находящихся в ней подземных природно - технических объектов.

Принципы подбора и определения направления подземного пространства вторичного многоцелевого освоения основываются на анализе многолетних маркшейдерских наблюдений за массивом горных пород и комплексом горных выработок угольной шахты и учитывают посредством использования вычислительной базы маркшейдерского мониторинга технологию строительства, длительность и цели эксплуатации выработок, изменения геометрических, прочностных характеристик крепи и состояние её несущих конструкций на момент обследования, геологическое строение, гидрогеологические факторы среды, состояние слоистого массива подработанного в результате добычи полезного ископаемого.

Маркшейдерский мониторинг состояния подземных объектов природно-промышленных комплексов вторичного многоцелевого освоения должен осуществляться на разномасштабных уровнях. Надёжность и достоверность получаемой информации обеспечивается за счёт проведения его в сочетании с геологическим, гидрогеологическим, геофизическим, газодинамическим и другими видами мониторинга, а получаемая при этом информация должна анализироваться и интерпретироваться в комплексе, дополняя друг друга, и учитываться при принятии решений по управлению устойчивостью объекта и установлению момента перехода его в критическое состояние. Выбор места размещения измерительных устройств в комплексе подземных горных выработок вторичного многоцелевого освоения и массиве горных пород в каждом конкретном случае должен осуществляться с учётом геологических, технологических и других п факторов, определяющих эффективность контроля, так как подземное эксплуатируемое пространство и окружающие выработки породы находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и оказывают взаимное влияние на параметры измерений в процессе маркшейдерского мониторинга. В зависимости от динамики изменения контролируемых параметров объектов наблюдения, маркшейдерский мониторинг должен осуществляться в непрерывном или дискретно непрерывном режимах, в том числе с использованием различных типов сигнализаторов критического состояния. 5. Эффективность решения задач маркшейдерского мониторинга достигается использованием интеллектуальной автоматизированной системы, имеющей иерархическую трёхуровневую структуру построения и обеспечивающей оперативный контроль и прогнозирование изменений состояния массива горных пород и геометрических параметров подземного пространства многоцелевого освоения.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ ПОДТВЕРЖДАЮТСЯ: о представительным объёмом статистических данных, полученных при обработке 246 км подземных горных выработок угольных шахт по 4 угольным регионам России; о сходимостью результатов теоретических исследований с натурными маркшейдерскими наблюдениями при установлении механизма деформирования, образования и развития трещин в подработанном слоистом массиве горных пород. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В СЛЕДУЮЩЕМ: — обоснованы необходимость и перспективность маркшейдерского обеспечения вторичного многоцелевого использования комплекса подземных горных выработок, высвободившихся в результате прекращения добычи полезного ископаемого на работающих и закрывающихся угольных шахтах, для размещения в подземном пространстве хранилищ, производств длительной эксплуатации, а также складирования (захоронения) нетоксичных отходов предприятий различного профиля (хвостохранилищ горных предприятий, породных терриконов и т.п.); разработана методология построения систем маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок многоцелевого использования в угледобывающих регионах, направленная на обеспечение промышленной и экологической безопасности; разработаны системы маркшейдерского мониторинга с использованием различных типов сигнализаторов критического уровня в режиме непрерывного или дискретно непрерывного наблюдения за динамикой геометрических параметров комплекса подземных горных выработок и геологической среды; разработаны маркшейдерские методы оценки комплекса подземных горных выработок угольных шахт, предназначенных для вторичной эксплуатации, и обоснован методический подход к выбору направления их использования в зависимости от состояния геометрических и прочностных характеристик несущих конструкций крепи; маркшейдерскими наблюдениями установлен механизм деформирования слоистого породного массива, основанный на определении несущей способности каждого слоя пород с учетом их прочностных характеристик и динамики развития секущих трещин при знакопеременных деформациях слоя, что позволяет существенно уточнить условия образования сквозных водо-, газопроводящих трещин и потери устойчивого состояния подработанной толщи пород.

НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ СОСТОИТ В РАЗВИТИИ ТЕОРИИ МАРКШЕЙДЕРИИ И ЗАКЛЮЧАЕТСЯ: в обосновании концептуальных положений систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения угледобывающих регионов на основе новых маркшейдерских методов оценки и прогноза состояния горных пород, вмещающих подземную горную выработку; разработке моделей идентификации источников потери устойчивости вмещающего массива горных пород с учётом их динамики во времени и пространстве; разработке методического подхода к использованию различных типов сигнализаторов критического уровня состояния среды объекта наблюдения, которые совокупно обеспечивают экологическую и промышленную безопасность.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ: в установлении перспективности вторичной многоцелевой эксплуатации подземного пространства, высвободившегося в результате прекращения добычи полезного ископаемого на угольных шахтах, что позволит сократить площади земельных отводов, занятых нетоксичными отходами, предприятий, населённых пунктов и сэкономить средства, расходуемые на оплату аренды земли, занятой отходами жизнедеятельности человека, ликвидацию загрязнения окружающей среды, а также создать рабочие места; разработке методологии, позволяющей принимать научно обоснованные решения при разработке технических заданий на создание и проектирование автоматизированных систем маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок вторичного многоцелевого освоения в угледобывающих регионах, а также при выборе технических средств измерения и способов маркшейдерских съёмок; разработке методики подбора номенклатуры подземных горных выработок угольных шахт, предназначенных для их вторичного многоцелевого использования; «Методическое руководство по маркшейдерскому обеспечению эксплуатации объектов в подземном технологическом пространстве при отработке угольных месторождений европейской части России» принято к использованию: «Управлением Маркшейдерского обеспечения Ликвидации шахт и разрезов ГУРШ»; «Институтом горючих ископаемых». АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликованы 23 научные работы, в том числе 1 монография.

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Левкин, Юрий Михайлович

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5

1. Маркшейдерские наблюдения за массивом пород, подземными горными выработками и земной поверхностью при создании маркшейдерского мониторинга являются необходимым элементом промышленной безопасности, так как объект эксплуатации является бинарной природно-технической системой, постоянно меняющей свои свойства в динамике. В период многоцелевой вторичной эксплуатации подземного пространства снижаются технические характеристики крепи и крепёжного материала, продолжают изменяться гидрогеология, свойства пород, экологическая обстановка.

2. Промышленная и экологическая безопасность комплекса горных выработок угольных шахт при их вторичном многоцелевом использовании может быть обеспечена только при условии проведения маркшейдерских наблюдений за их состоянием в режиме непрерывного или дискретно непрерывного мониторинга.

Реализация маркшейдерского мониторинга состояния подземных природно-технических объектов, предназначенных для вторичного многоцелевого использования, должна осуществляться на разномасштабных уровнях, при этом полученная информация должна анализироваться и интерпретироваться в комплексе, взаимно дополнять друг друга.

Для получения надёжной и достоверной информации о состоянии вторично используемых подземных горных выработок маркшейдерский мониторинг необходимо проводить в сочетании с геологическим, гидрогеологическим, геофизическим, газодинамическим и другими видами мониторинга, информация, получаемая с помощью которого, должна взаимно дополнять друг друга и учитываться при принятии решений по управлению устойчивостью объекта и установлению момента перехода его в опасное критическое состояние. Горные выработки вторичного многоцелевого освоения и вмещающая массив горных пород геологическая среда находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и оказывают взаимное влияние на параметры измерений в процессе маркшейдерского мониторинга. Маркшейдерские наблюдения могут осуществляться как в выработках, так и во вмещающем породном массиве, при этом выбор в каждом конкретном случае места размещения измерительных устройств должен осуществляться с учётом экономических, технологических и других факторов, определяющих эффективность контроля.

При решении большинства задач маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок, вторично используемых, нет необходимости в непрерывном слежении за динамикой контроля параметров, а достаточно ограничиться получением информации о достижении ими одного или несколько критических уровней. Соответствующая система геомониторинга должна базироваться на использовании различных типов сигнализаторов критического уровня состояния среды объекта наблюдения.

Эффективное решение задачи маркшейдерского мониторинга предприятия многоцелевого использования достигается исключительно в рамках интеллектуальной автоматизированной системы, имеющей иерархическую трёхуровневую структуру построения, которая обеспечивает не только оперативный контроль, но и оперативное прогнозирование параметров подземного пространства при его многоцелевом использовании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные результаты, полученные при выполнении исследований, заключаются в следующем:

1. Обоснованы целесообразность и возможность разработки систем маркшейдерского мониторинга при вторичном многоцелевом освоении комплекса подземных горных выработок высвободившихся в результате завершения технологического цикла добычи угля на работающих или подлежащих закрытию угольных шахтах России.

3. Маркшейдерскими исследованиями установлено, что на выбор направления многоцелевого вторичного использования горных выработок оказывают существенное влияние: горно-геологические факторы массива пород, время предыдущей эксплуатации подземного пространства, изменения геометрических, прочностных характеристик крепи, состояние её несущих конструкций на момент обследования, несущая способность и конструктивная податливость крепи.

4. Маркшейдерскими обследованиями комплекса подземных горных выработок угольных шахт установлено: а) для долговременной вторичной многоцелевой эксплуатации могут быть использованы подземные пространства в качестве производственных цехов, складских помещений, холодильников, хранилищ, механических мастерских, теплиц, оранжерей, выращивания сельхозпродукции, организации шахтного туризма, оздоровления и прочих целей, требующих сохранности крепи выработок, дополнительной гидроизоляции. Для размещения таких объектов целесообразно использовать капитальные горные выработки: околоствольные дворы; откаточные штреки; квершлаги, обладающие геомеханической и функциональной устойчивостью, закрепленные монолитной бетонной, железобетонной, метало-бетонной, сборной железобетонной, бетонной, металлической арочной крепью с железобетонной затяжкой. Экономически целесообразно использовать горные выработки шириной 4 м и более, высотой не менее 2,4 м и суммарной площадью не менее 500 кв. м. Горные выработки, пройденные в слабых и неустойчивых породах, закарстованных, с интенсивными оползневыми явлениями, первичному учету для долговременной эксплуатации не подлежат. Прогнозирование поведения крепи выработок, рассчитанных на длительную эксплуатацию, необходимо осуществлять на основе изучения изменения её несущей способности во времени; б) для кратковременной эксплуатации в качестве размещения нетоксичных промышленных и бытовых отходов (продуктов их переработки) в процессе погашения горных выработок или частичного извлечения угля из предохранительных целиков могут быть использованы горизонтальные (подготовительные, очистные), наклонные (уклоны, ходки) и на заключительной стадии вертикальные (стволы, шурфы) выработки. В этом случае ширина и высота выработок должны обеспечивать безопасность при производстве работ по размещению отходов и погашению выработок, а длина и площадь - экономическую целесообразность их вторичного использования. Размещение отходов необходимо проводить с учётом

271 химического состава окружающего их породного массива, так как их контакт с подземными водами и шахтной атмосферой может спровоцировать дополнительные химические превращения, что в свою очередь ухудшит экологическую обстановку. Горные выработки, восстановление которых экономически нецелесообразно, подлежат погашению. Погашение этих выработок проводится за счет размещения в этих выработках нетоксичных отходов, горных пород, получаемых в результате добычи полезного ископаемого, породной массы из хвостохранилищ.

5. Разработаны системы маркшейдерского мониторинга при вторичном многоцелевом освоении подземного пространства угольных шахт, обеспечивающие устойчивую, экологически безопасную работу предприятия, сохранение наземных объектов. Системы маркшейдерских наблюдений за массивом пород, подземными горными выработками и земной поверхностью являются необходимым элементом промышленной безопасности, так как объект эксплуатации является бинарной природно-технической, динамической системой, постоянно меняющей свои свойства. Системы позволяют осуществлять оценку и прогноз состояния подработанного массива от кровли выработки до земной поверхности; образования и развития водо- и газопроводящих трещин и состояния комплекса подземных горных выработок в зависимости от прочностных характеристик крепи и ее несущих конструкций.

8. Маркшейдерские наблюдения позволили разработать метод оценки геомеханического состояния подработанного слоистого массива пород, который заключается в том, что суммарная глубина распространения трещин, находящихся рядом, будет рассекать его снизу и сверху более чем на половину толщины слоя. При этом сжатие трещин в толще слоя, происходящее в результате деформационных процессов пород в массиве, не восстанавливает его прочностные характеристики. Максимальное развитие трещин в слоях осадочных пород происходит при достижении размера выработанного пространства 1,2 АН. В слоях осадочных пород соединение секущих трещин происходит при D нт = 1,6 АН. Расстояние между горизонтальными проекциями точек с максимальным растяжением на верхней и нижней поверхностях слоя равно 0,4 АН. В методе оценки учтены формирование знакопеременных горизонтальных деформаций на верхней и нижней поверхностях слоя, а также глубина развития трещин, определяющая его устойчивость в зависимости от мощности прогибающегося слоя (пачек слоев) и суммарной глубины трещин в различных его сечениях.

9. Использование интеллектуальной автоматизированной информационной системы, имеющей иерархическую трёхуровневую структуру построения для решения задачи маркшейдерского мониторинга на основании данных слежения за динамикой изменения параметров состояния объекта маркшейдерских наблюдений, обеспечивает оперативный контроль и прогнозирование изменений параметров подземного пространства многоцелевого освоения, и массива горных пород.

273 использованием вычислительной базы маркшейдерского мониторинга, в сочетании с геологическим, гидрогеологическим, геофизическим, газодинамическим и другими видами мониторинга, с использованием приборов и инструментов непрерывного или дискретно непрерывного действия, что позволяет сохранить экологическую безопасность природно-промышленного объекта.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Левкин Ю.М. Выявление влияния горно-геологических факторов на процессы подземной газификации углей с помощью геометризации. - В сб.: Применение математических методов и ЭВМ в геологии. -Новочеркасск, 1983, с. 106-107.

4. М.А. Iofis, Y.M. Levkin. Ways to mitigate harmful environmental of mining operations. 'Methodes de diminution de l'effet nuisible des operations minieres sur l'environnement Mittel zur Senkung der schadlichen Bergbauwirkung auf die Umwelt'. EUROCK '93/LISBOA/ PORTUGAL PROCEEDINGS / COMPTES - RENDUS / SITZUNGS-BERICHTE ISRM INTERNATIONAL SYMPOSIUM / 1993, 06. 21 - 24. s. 317 -322.

1995. MECHANICS OF JOINTED AND FAULTED ROCK. Edited by HANS-PETER ROSSMANITH Institute of Mechanics, Technical University of Vienna, Austria, s. 817 - 822.

6. Попов B.H., Иофис M.A., Орлов Г.В., Левкин Ю.М. Оценка и прогноз геомеханического состояния подработанного слоистого массива горных пород. Симпозиум "Современное горное дело: Образование, Наука, Промышленность" Посвящается памяти академика Владимира Васильевича Ржевского 29.01.96 - 2.02.96г. - М.: ГИАБ, 1996. - № 4. - С. 57-62.

7. Yu.M. Levkin, G.V. Orlov Prevention of surface subsidence caused by underground mining and coal gasification - MINING IN THE 3rd MILLENNIUM. The Social and Environmental Impact. Xth INTERNATIONAL CONGRESS of the INTERNATIONAL SOCIETY FOR MINE SURVEYING in conjunction with the 23rd IEMSA NATIONAL SURVEYING CONFERENCE, Fremantle, Western Australia/2-6 November 1997, Congress Proceeding, Hosted by The Institution of engineering and mining surveyors Australia, s. 399 -400.

8. Попов B.H., Иофис M.A., Орлов Г.В., Левкин Ю.М. Оценка и прогноз геомеханического состояния подработанного слоистого массива горных пород. International Society for Mine Surveying 4-th Commission ( Rockmass movements and mining damage ). Proceedings of the Scientific Sessions in Ustron - Poland ( No.XVIII, 1995 ) and Balatongyorok - Hungary ( No.XIX, 1996). Gliwice, Poland, 1997, c. 155 - 160.

9. Левкин Ю.М. Мониторинг подземных горных выработок повторной эксплуатации. - М.: ГИАБ, 2000. - № 6. - С. 127.

10.Левкин Ю.М. Геоэкологический контроль окружающей среды при повторной эксплуатации подземных горных выработок. Роль науки и образования в третьем тысячелетии. / Четвёртая международная экологическая конференция студентов и молодых учёных. Москва, МГГУ. 16-18 апреля, 2000г. Том 1- Смоленск,: Ойкумена, 2000, с. 158 -160.

11. Левкин Ю.М. Использование геодинамического районирования в условиях вторичной эксплуатации подземного пространства угольных шахт. Тезисы научных докладов. - Y1 Международная конференция "Экология и развитие Северо - Запада России", 11-16 июля, 2001г. -СПб: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ), 2001, с. 164.

12.Левкин Ю.М., Левкин В.В. Факторы, определяющие целесообразность закрытия подземных угольных шахт. «Экологическая безопасность и устойчивое развитие»./ Пятая международная экологическая конференция студентов и молодых ученых. Москва, МГГУ. 18-19 апреля 2001 г. Том 1. - Смоленск, Ойкумена, 2001, с. 224 - 227.

13.Левкин Ю.М. Геодинамический контроль подземных горных выработок угольных шахт при вторичной эксплуатации. Тезисы научных докладов 7 Международной конференции «Экология и развитие Северо - Запада России». 2-7 августа 2002 г. - СПб: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ). 2002, с. 4.

14.Левкин Ю.М. Горнотехнические и геологические факторы, определяющие возможность повторного использования выработок. Экологическая безопасность как ключевой фактор устойчивого развития. -Сб. докладов / Шестая международная экологическая конференция студентов и молодых учёных. Москва, МГГУ. 1-3 апреля 2002 г. Том 1. -Смоленск, Ойкумена, 2002. - С. 96 - 99.

15. Левкин Ю.М. Горнотехнические и геологические факторы, определяющие возможность повторного использования выработок. - М.: ГИАБ, 2002. - № 12. - С. 25 - 26.

16.Левкин Ю.М. Вторичная эксплуатация подземных горных выработок угольных шахт. - М.: ГИАБ, 2003. - № 2. - С. 13 - 16.

17.Левкин Ю.М., Иофис И.М. Взаимодействие крепи выработки с подработанным породным массивом. - М.: ГИАБ, 2003. - № 4. - С. 20 - 24.

18.Левкин Ю.М. Маркшейдерское обеспечение подземного технологического пространства многоцелевого использования. - М.: МГГУ, 2003, 215 с.: ил. - ISBN 5 - 7418-0274-5 (в пер.).

19.Левкин Ю.М. Мониторинг предприятия многоцелевого использования. -М.: ГИАБ, 2003. - № 12. - С. 8 - 10.

20.Левкин Ю.М. Маркшейдерское обследование угольной шахты для обеспечения мониторинга предприятия многоцелевого использования. — М.: ГИАБ, 2004. - № 1. - С. 26 - 30.

21.Левкин Ю.М. Факторы определяющие целесообразность многоцелевого использования подземного пространства угольных шахт. - М.: ГИАБ, 2004.-№2.-С. 15-18.

22.Левкин Ю.М. Разработка автоматизированной информационной системы маркшейдерского мониторинга. - М.: ГИАБ, 2004. - № 5. - С. 139 - 144.

23.Левкин Ю.М. Математическая обработка автоматизированной информационной системы маркшейдерского мониторинга. - М.: ГИАБ, 2004.-№ 6.-С. 62-68.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Левкин, Юрий Михайлович, Москва

1. Айруни А.Т., Иофис М.А., Мхатвари Т.Я. Закономерности дегазации выбросоопасных пологих угольных пластов при их подработке // Уголь. 1979. - № 9. - С. 14 - 16.

2. Акимов А.Г., Земисев В.Н. и др. Сдвижение горных пород при подземной разработке угольных и сланцевых месторождений. М.: Недра, 1970.

3. Ардашев К.А., Ахматов В.И., Катков Г.А. Методы и приборы для исследований проявления горного давления. М.: Недра, 1981. - 128 с.

4. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов.-М.: Недра, 1988.-271 с.

5. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных пород. М.: Недра, 1975.

6. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. М.: Недра, 1992.

7. Баклашов И.В., Наумов И.Г,, Акульшин В.Г., Потапов М.А.

8. Прогнозирование долговечности капитальных выработок угольных шахт при их многоцелевом использовании. Вторая научн.-техн. конф. "Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов" (тексты докладов, т.1). — 1995. С. 572-575.

9. Бекман Д., И. Кляйн, А. Вайзе. Нелинейная модель МКЭ-расчета применяемой в каменноугольной промышленности податливой арочной крепи. Глюкауф, 1992. - № 2. - С. 59-63.

10. Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл. ред. А.М.Прохоров Изд.З-е. М., Советская энциклопедия, 1974, т. 20, 640 е., ил.: С. 120 -121.

11. Бондарик Г.К., Ярг Л.А. Природно-технические системы и их мониторинг. Инж.геол. 1990. — № 5. С. 3 - 9.

12. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1980. -360 с.12,13.14,15,16

Информация о работе

Левкин, Юрий Михайлович
доктора технических наук
Москва, 2004
ВАК 25.00.16

Диссертация

Разработка методологии систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения в угледобывающих регионах - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы