"Инновационный способ предотвращения геомеханических катастроф в шахтах"

«Инновационный способ предотвращения геомеханических катастроф в шахтах и прорывов их на дневную поверхность»

 

 

Авторы: к.т.н., доцент К.Б. Игизбаев,  горные инженера:М.К. Игизбаев, Р.К.Игизбаев

 

ТОО «РПИ ВИЭ Проект»

 г. Алматы, Республика Казахстан

 

 

Цель проекта. Разработка мер (научно-технических решений), реализацией которых будут достигнуты возможности: прогнозирования и предотвращения геомеханических катастроф в открытых выработанных пространствах шахт.

Научно-техническая актуальность Проекта, состоит в достижении при его реализации возможности построений:

- Математических моделей конфигураций, объемов и пространственных дислокаций опасных очагов, подлежащих эксплуатации шахтного поля, в которых будут происходить геомеханические катастрофы  (саморазрушения руд и пород) их массивов, при очистной выемке запасов руд проектными вариантами систем с открытым выработанным пространством, то есть, будет достигнута возможность прогнозирования геомеханических катастроф в открытых выработанных пространствах шахт и их превенции.

- Математических моделей основных и вспомогательных производственных процессов при очистной выемке запасов выемочных единиц – панелей и/или блоков камерно-целиковыми системами, при  реализации которых исключается саморазрушение целиков и пород кровли.

Целесообразность Проекта  однозначно следует из практической ценности выполняемых по нему работ, которая состоит в том, что внедрением в производство  результатов эксплуатаций указанных математических моделей будет достигнуто решение одной из наиболее актуальных эколого-экономических и социальных проблем современной горнодобывающей отрасли промышленности – превенция геомеханических катастроф в шахтах и обусловленных ими сверхнормативных, безвозвратных потерь полезных ископаемых при разработке их месторождений системами с открытым выработанным пространством и достижение на этой основе повышения безопасности и рентабельности горнодобывающих предприятий.

Научная новизна предлагаемых в проекте решений.  Развиваемая нетрадиционная геомеханическая концепция, на которой основаны теории приуроченных к месторождениям полезных ископаемых геоструктурных полей и геомеханических катастроф в шахтах, а также способы их прогнозирования и предотвращения характеризуются их нетривиальностью и многоаспектностью,  что объясняется:    

-  исключительной сложностью законов изменений множеств имеющих между собой причинно-следственные связи форм и свойств  подлежащих эксплуатации областей пространств недр Земли, которыми определяются исследуемые геоструктурные поля и проявления геомеханических процессов в шахтах. Эти обстоятельства требуют для решения предусмотренных проектом задач привлечения теории и методов различных наук:   

- различных ветвей математики, математической (аналитической) геологии и геотектоники, геометрии недр и механики твердых деформируемых тел, а также технологии горных работ.                                 Основанные на синтезе теорий и методов перечисленных выше наук разработаны фундаментально-прикладные разработки, которые характеризуются их безальтернативностью и обеспечивают:                                                                                                 

- высокую эффективность исследований с их приложениями предусмотренных тематикой Проекта задач и плодотворность результатов их решений.

Через РГП «НИИС» Комитета по правам интеллектуальной собственности МЮ РК по странам Мира с наиболее развитыми горнодобывающими отраслями промышленности установлена безальтернативность выполненных авторами настоящей научно-технической разработки. Это свидетельствует о том, что указанная научно-техническая разработка не имеет аналогов в Мире.

.                                                 

Изложенное выше характеризует новизну и перспективность предусмотренных  данным проектом исследований.     

Научный задел. Теоретической базой для выполнения НИР по проекту служат результаты многолетних,            инициативных, основанных на экспериментально-аналитических методах и     фундаментально-прикладных исследований К.Б.Игизбаева, Р.К.ИМгизбаева, М.К.Игизбаева проблем прогнозирования,  нарушений устойчивости выработанных пространств шахт и безопасности управления геомеханическими процессами при ведении очистных работ. Этим исследованиям предшествовало обоснование системы аргументации актуальных проблем геофизики,  завершившийся разработкой новых ветвей наук о подлежащих эксплуатации пространств недр Земли:

- Топологии и механики месторождений полезных ископаемых, предусматривающие  физический и структурно-геометрический аспекты теории приуроченных к ним геоструктурных полей.

Особые интересы представляют следующие полученные авторами математические модели:

- функциональных пространств значений полей временных сопротивлений деформированию и разрушению массивов скальных руд и пород месторождений, а также теорий приуроченных к ним гравитационных и тектонических полей напряжений, кусочно-непрерывных и трещинных деформаций, позволяющих произвести с единых общетеоретических позиций их предрасчет, что представляет особую актуальность для горной практики и в части разработки и реализации эффективных проектов добычи полезных ископаемых.

Также особый интерес представляет полученная  специальная форма уравнений  Коши, выражающих напряжения на контуре тела, обеспечивающая аппроксимацию статических граничных условий, соответствующих объёмному напряженному состоянию горного массива, для двумерных областей. Данной формой статических граничных условий эффективно описываются поля напряжений, приуроченные к огромному классу месторождений.                                                                                                                                            

Отмеченные выше научная состоятельность фундаментальных разработок и плодотворность результатов их практического приложения свидетельствуют об:                                                                                                                    - оправданности и эффективности их эксплуатации для решения предусмотренных проектом актуальных проблем прикладной геомеханики и горного производства, следовательно и технической выполнимости проекта НИР. Поэтому предусматриваемые в числе задач исследований по Проекту разработка: теории приуроченных к месторождениям геоструктурных полей и  теории – обусловленных их совокупными влияниями геомеханических катастроф, а также способов прогнозирования и предотвращения будет сводиться к:                                                                                                                      - завершениям имеющихся фундаментально-прикладных разработок, обеспечивающим проектирование несаморазрушающихся конструкций камерно-целиковых систем эксплуатации ярусно-залегающих рудных тел.

Исполнителями данного проекта  к настоящему времени завершаются фундаментальные исследования результатами, которых служат разрабатываемые ими, не имеющие Мировых аналогов теории:

- приуроченных к месторождениям геоструктурных полей и геомеханических катастроф в открытых выработанных пространствах шахт, на которых основана разработка пакетов прикладных программ по:

- прогнозированию конфигураций, объемов и пространственных дислокаций в шахтном поле очагов геомеханических катастроф (опасных очагов), проявляемых при эксплуатациях запасов выемочных единиц – панелей и блоков с применением проектных вариантов камерно-целиковых систем, применительно к эксплуатациям ярусно-залегающих рудных тел;

- построению несаморазрушающихся конструкций системы разработки с открытым выработанным пространством, как одиночных, так и ярусно-залегающих рудных тел.

Реализация данного Проекта позволит решить социально-экономические и экологические проблемы регионов, в которых проводятся  и ранее проводились разработка месторождений полезных ископаемых, которые позволят:

- решить  проблему безопасности труда горнорабочих, с указанием опасных очагов обрушений;

- более полную отработку месторождений, без оставления в недрах Земли, подготовленных к выемке, так называемых временно неактивных запасов полезных ископаемых, которые в настоящее время не поддаются извлечениям по причине происходящих в районе добычи геомеханических катастроф;

- предотвратить экспоненциальные проявления геомеханических катастроф  в шахтах с выходом обрушений на дневную поверхность, с разрушениями наземных зданий, сооружений и инженерных коммуникаций;

- решить экономические проблемы, о которых было сказано выше.

Конкретное применение результатов проекта, перспективы использования. Результаты проекта будут использованы при проектировании системы эксплуатации, месторождений полезных ископаемых, с открытым выработанным пространством,  использованием которой обеспечивается практическая реализация технических решений, исключающих геомеханические катастрофы в шахтах. В экологическом аспекте, результаты проекта позволят районировать не только шахтные поля с указанием опасных очагов обрушений, но и районировать дневную поверхность по степени ее устойчивости. На основании этого достигается возможность предварительного прогнозного определения опасных очагов обрушений  дневной поверхности и обеспечение ее устойчивости, путем разработки и реализации специальных мер.

Конкретное применение результатов проекта изложено на рисунках  (1-3), где  приведены часть планов горных работ блока №563 Миргалимсайского месторождения,  с указанием  прогнозных и фактических контуров разрушений целиков и кровли камер. Результаты прогнозных контуров разрушений целиков и кровли камер  в сравнении с фактическим контурами разрушений целиков и кровли камер обладают высокой достоверностью, и они были высоко оценены Заказчиками.

Потенциальный потребитель и краткий анализ рынка.  При разработке Жезказганского месторождения камерно-целиковыми системами с несаморазрушающимися конструкциями будет достигнуто снижение потерь руды на 14,26%, что обеспечит прибыль 1,12 долл./тн или 1,0 млн. 120,0тыс. долл на 1,0млн. тн. добываемой в год руды. Полученный результат наглядно свидетельствует об экономической актуальности Проекта.  Фактические ущербы от геомеханических катастроф на шахтах на порядки больше. Наиболее крупные в истории горной промышленности геомеханические катастрофы:

1.При обрушении на шахте Винтерсхаль, 13 марта 1989г. ущерб от разрушения только на поверхности составил 25,0млн. марок, не считая того, что в самой шахте разрушилось свыше 1000 целиков.

2.Шахта «Распадская» - погибло 67 человек.

3.Катастрофа  на шахте Ульяновская, компании «Южкусбассуголь» - ущерб от разрушения составил – 200,0 млн. долларов, погибло 107 человек.

4. АО «Миттал Стил Темиртау» - погибло 194 человека.

5. Обрушение дневной поверхности в  районе г. Сатпаев с провалом промышленного здания и гибелью 11 человек.

6. Провал дневной поверхности в г. Шмалькадене в 2011г. В Саксонии-Ангальт в  2003г. произошло свыше 360 обрушений дневной поверхности, а в среднем два раза в неделю происходят обрушения дневной поверхности, из-за старых заброшенных шахт.

Камерно-целиковые системы разработки месторождений полезных ископаемых в Мировой добыче подземным способом составляет 25%, поэтому результаты проекта будут востребованы не только горнорудными предприятиями Казахстана, но и наиболее развитыми горнодобывающими странами Мира, таким как: Австралия, Канада, ЮАР, США и т.д.

Также потенциальными потребителями  созданной технологии планируется любая страна Мира, где имеются проблемы обрушения дневной поверхности, с наземными зданиями и сооружениями из-за старых горных выработок и нефтяных пустот.