|
Актуальность.
До настоящего времени организация подземной разработки месторождений практически не предусматривает дальнейшее использование преобразованных недр, исключение составляют лишь месторождения природных каменных строительных материалов, гипса, известняка, каменной и калийной соли. Недра, после извлечения из них полезных ископаемых, нарушены пустотами, которые можно и нужно использовать в качестве подземных сооружений. Тем самым решаются две задачи – сохранения недр в новом функциональном качестве и ликвидация отвалов, хвостохранилищ и других экологически вредных, промышленных объектов на земной поверхности.
Всё это потребует дополнительных знаний о горном массиве, особое же значение приобретает научно-методологическое обоснование выбора технических, экономических и технологических решений повышения эффективности и безопасности освоения сложноструктурных месторождений – на основе геомеханического анализа и компьютерного моделирования предстоящей добычи руды и использования выработанного пространства для производственных целей, для выщелачивания металлов и захоронения отходов (снижая экологические последствия для окружающей среды).
Область рассмотрения.
Рассмотрены, с позиций геомеханики, технологии освоения самых сложных в отработке и многочисленных (составляющих по запасам 70-80%) сложноструктурных месторождений цветных, благородных, редких, радиоактивных и рассеянных металлов. Технологии рассмотрены на примере усовершенствования наиболее широко применяемых систем разработки – с открытым очистным пространством, с твердеющей закладкой и с обрушением руды и пород, которыми на рудниках отрабатываются не менее 65% запасов цветных, редких и радиоактивных металлов. Технологии, опробованные в таких сложных условиях, можно успешно применять и в более благоприятной геологической среде.
Концепцией, стержнем диссертации является мысль, что в основе безопасной и экономически эффективной организации подземной отработки месторождений, особенно сложноструктурных, и дальнейшего использования пустот - лежит выбор параметров выработок по геомеханическим и эколого-математическим моделям, с учётом напряжённо-деформированного состояния и сдвижений подработанного горного массива.
Целью работы является геомеханическое обоснование выбора технологии и организации добычных работ на сложноструктурных месторождениях с после-дующим использованием подземного пространства, на базе оценки экологических последствий, и согласно паспортам двух специальностей в следующих областях исследований:
- по паспорту специальности 25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» -
а) напряжённо-деформированное состояние массивов горных пород в естественных условиях и его изменение во времени в связи с проведением горных выработок и эксплуатацией месторождения; б) геомеханическое обеспечение подземной добычи полезных ископаемых, разработка методов управления горным давлением, удароопасностью и сдвижением горных пород.
- по паспорту специальности 25.00.22 – «Геотехнология (подземная, открытая, строительная)» -
а) создание и научное обоснование технологии разработки техногенных месторождений твёрдых полезных ископаемых; б) разработка теоретических положений и технических решений по использованию подземного пространства; в) научное обоснование параметров горнотехнических сооружений и разработка методов их расчёта.
Области исследований по смежным специальностям:
- по специальности 05.02.22 – «Организация производства»: а) разработка научных, методологических принципов повышения эффективности функционирования и качества организации производственных систем; б) разработка методов, средств планирования и управления производственными процессами и их результатами; в) разработка методов и средств информатизации и компьютеризации производственных процессов;
- по специальности 25.00.36 – «Геоэкология»: а) разработка технических средств, технологий и сооружений для прогноза изменений окружающей среды и её защиты, для локализации и ликвидации негативных природных и техногенных воздействий на окружающую среду; б) разработка технических методов и средств безопасной утилизации, хранения и захоронения промышленных, токсичных и радиоактивных отходов; в) анализ динамики, механизма, факторов и закономерностей развития опасных природных и техноприродных процессов, прогноз их развития, оценка опасности, превентивные мероприятия по снижению последствий катастрофических последствий.
Техническое решение.
Рациональное использование ресурсов недр немыслимо без взаимоувязки и выбора различных технологических мероприятий, но их обоснование возможно на основе использования современных компьютерных технологий по геомеханическим и эколого-математическим моделям. В этой связи, совершенствование методик обоснования выбора технологии подземной добычи руды с учётом экологических последствий, на базе геомеханической оценки горного давления и сдвижений пород, устойчивости горного и закладочного массивов, объёмов погашения пустот, и с учётом дальнейшего использования подземного пространства и природоохранных мер - является научно обоснованным техническим, экономическим и технологическим решением, внедрение которого вносит значительный вклад в развитие экономики страны и в развитие научно-технического прогресса (а возможно - является решением крупной научной проблемы).
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Научно-методологическое обоснование выбора технологии освоения месторождений заключается в оценке показателя сложности геолого-морфологического строения и горно-технологических условий добычи руды, в геомеханической оценке напряжённо-деформированного состояния горного массива, в анализе устойчивых параметров выработок и размеров зон опасных сдвижений – с целью последующего использования подземного пространства (как в устойчивых выработках, так и в зонах обрушения) для ликвидации на земной поверхности отвалов, хвостохранилищ, складов бедной руды и других экологически вредных объектов.
2. Для выбора технологии последующего выщелачивания металла из бедной и забалансовой руды, размещённой в зонах обрушения, образовавшихся в результате выпуска из камер отбитой рудной массы под обрушенными породами, - необходимо сначала выбрать рациональный режим выпуска и оптимальные параметры днища. А затем, после выпуска руды, произвести работы по гидроизоляции пространства, по улавливанию продуктивных растворов дренажными скважинами, по созданию заграждающего пневматического барьера - снижающих экологическую нагрузку на окружающую среду.
3. Для выбора технологии добычи руды с погашением выработанного пространства закладкой необходимо оценить устойчивые размеры потолочин выработок, созданных из разнопрочных пачек закладки, нижняя часть которой является прочной и несущей, а верхняя, основная часть – заполняется сухими или жидкими отходами, измельчённой породой с малым количеством вяжущих веществ. Для локализации, ликвидации негативных техногенных воздействий на окружающую среду и для последующего использования подземного пространства в сложных горно-геологических и геоэкологических условиях - необходимо заблаговременное сооружение пространственных опорных конструкций из твердеющей закладки.
4. Методологические принципы обоснования выбора оптимальных технологий освоения месторождений с последующим использованием подземного пространства должны базироваться на поэтапном геомеханическом анализе последствий извлечения руды и последующего использования подземного пространства, а также на эколого-экономическом анализе эффективности предлагаемых технологических мер - включающих оценку величин горного давления, сдвижений и деформаций объектов горной охраны, зон концентрации напряжений и разгрузки, обрушений пород, продолжительности устойчивого состояния полостей и необходимых для стабилизации качества объёмов добычи разносортной руды по блокам и забоям, а также экономическую оценку природоохранных мер.
Внутреннее единство и логическая завершённость квалификационной научно-исследовательской работы подтверждается следующим:
- в 1 научном положении заложена база для геомеханического прогноза состояния горного массива – оценка сложности массива, его НДС, зон опасных сдвижений, параметров устойчивых обнажений (для систем разработки с открытым очистным пространством); а также обосновываются варианты дальнейшего использования устойчивых горных выработок;
- во 2 научном положении рассматриваются, применительно к системам разработки с обрушением, геомеханические параметры днища камер и режима выпуска; также предлагаются варианты использования зон обрушения для выщелачивания металла из забалансовой руды;
- в 3 научном положении обосновываются геомеханические параметры выработок для систем разработки с твердеющей закладкой, предлагаются разнопрочные несущие конструкции, варианты утилизации отходов в закладке;
- в 4 научном положении аргументируется обобщающая методология выбора технологии на основе поэтапного геомеханического прогноза состояния массива, эколого-математического моделирования и оценки качества добываемых сортов руды.
Предложены новые знания:
1. Показатель сложности геолого-морфологического строения и горно-технологических условий добычи руды в эксплуатационном блоке - 1 научное положение.
2. Методика прогноза запредельной несущей способности слоистой и трещиноватой кровли выработок (мат/модель и компьютерная программа) - 1 научное положение.
3. Методика прогноза напряжённо-деформированного состояния с учётом местоположения выработок в вулканической кальдере (мат/модель и компьютерная программа) - 1 научное положение.
4. Методика оценки статической устойчивости выработки с вертикальными и с наклонными бортами по новому коэффициенту статической устойчивости - 1 научное положение.
5. Методика статической оценки высоты зоны обрушения пород в камеру, частично заполненной закладкой - 1 научное положение.
6. Методика динамической оценки сдвижения пород в подработанном массиве (мат/модель и компьютерная программа) - 1 научное положение.
7. Методика выбора оптимальных параметров днища камер и режима выпуска для систем разработки с обрушением руды и пород (мат/модель и компьютерная программа) - 2 научное положение.
8. Методика выбора оптимальных параметров разнопрочной твердеющей закладки выработок с учётом нового коэффициента влияния слоистости и пригрузки веса массива на упругое основание – для систем разработки с закладкой (мат/модель и компьютерная программа) - 3 научное положение.
9. Технологии возведения пространственных опорных конструкций в неоднородном массиве для повышения его устойчивости - 3 научное положение.
10. Варианты последующего использования подземного пространства (как в устойчивых выработках, так и в зонах обрушения) для ликвидации на земной поверхности отвалов, хвостохранилищ, складов бедной руды и других экологически вредных объектов, технология выщелачивания бедных руд в зонах обрушения с улавливанием продуктивного раствора – 1, 2 и 3 научное положение.
11. Методика выбора необходимой производительности забоев и блоков – для поддержания стабильного качества выдаваемых сортов руды - 4 научное положение.
12. Методология выбора оптимальных технологий освоения сложноструктурных месторождений с последующим использованием подземного пространства – на основе поэтапного геомеханического и эколого-экономического анализа последствий - 4 научное положение.
Область применения результатов – техногенное преобразование недр: добыча руды, подземное строительство, захоронение отходов.
Реализация результатов:
1) внедрены в практику проектирования институтом ВНИПИпромтехнологии и разработки уран-молибденовой группы месторождений «Стрельцовское» в Забайкалье, урановых месторождений «Камышовое», «Восточное» и «Грачёвское» в Северном Казахстане;
2) включены в отраслевую инструкцию по безопасному ведению горных работ и контролю за сдвижением породных массивов в предохранительных зонах шахт Приаргунского горно-химического комбината;
3) вошли в типовые технологические схемы подземной разработки урановых месторождений Минатома (три проекта: нисходящая слоевая система, подэтажно-камерная система – на мощных залежах и на маломощных, со щелевой отбойкой);
4) вошли в монографию, научные статьи и авторские учебные пособия, используемых в процессе обучения студентов в Российском государственном геологоразведочном университете (РГГРУ) и в Московском государственном открытом университете (МГОУ);
5) при опытно-промышленных испытаниях предложенных автором методик и технологий достигнут заметный экономический эффект.
Публикации.
По теме диссертации опубликованы: 28 печатных работ (из них более десяти – в рекомендованных ВАК изданиях), включая монографию и учебник, получены два авторских свидетельства на изобретения и четыре свидетельства о регистрации компьютерных программ во ВНТЦ; а также составлены 30 учебных пособий, на пять из которых получен гриф УМО МГГУ и десять из которых зарегистрированы в Федеральном агентстве по образованию.
Подробнее - см. полный текст автореферата на сайте www.porcevski.narod.ru или на сайте РГГРУ или на сайте ВАК
|
