CC BY
76
© Б.Ю. Зуев, Л.А. Гладкова, Р. Истомин, 2012
УДК 622.83.551.252 РИСУНОК 2!!!!!!!
Б.Ю. Зуев, П.А. Гладкова, Р. Истомин
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ Н СРЕДСТВ МОНИТОРИНГА ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
По данным отечественных и зарубежных источников проведен анализ современных методов и средств мониторинга при подземной разработке полезных ископаемых и на конкретных примерах рассмотрены преимущества и недостатки составных элементов мониторинга: натурных датчиков напряжений и деформаций, систем сканирования, компьютерных моделей, используемых для контроля за состоянием массива в режиме реального времени и прогнозирования возникновения опасных динамических явлений.
Ключевые слова: методы и средства мониторинга, натурные датчики напряжений и деформаций, компьютерные модели, контроль состояния массива в режиме реального времени.
Обычно под геомеханическим мониторингом понимается комплексная система регламентированных наблюдений, оценки и прогноза изменений геомеханического состояния массива горных пород при разработке полезного ископаемого в целях выявления опасных проявлений и выработки рекомендаций по управлению горным давлением.
Еще на 15-ом Международном горном конгрессе (25—29 мая 1992 г. Мадрид, Испания) обсуждались вопросы экологии и выживания горной промышленности в условиях экономической конкуренции. Перспективы развития виделись только в развитии новых идей, концепций и методов и широком использовании средств автоматики, робототехники, информатики и других самых современных технологий, связанных с современным пониманием термина «монито-ринга».[1]
Необходимость создания мониторинговых систем для горной промышленности, проведения мониторинга на шахтах и рудниках в связи с про-16
блемами охраны окружающей среды, обеспечения безопасности и эффективности горных работ в настоящее время признается большинством исследователей, рассматривающих эти проблемы.
Современный комплексный мониторинг — надежный инструментарий для повышения эффективности и безопасности горных работ. Общая структура мониторинга на различных этапах разработки месторождений полезных ископаемых (МПИ) приведена на рис. 1.
В настоящей работе проведен анализ геомеханического мониторинга на этапе отработки МПИ. Мониторинг включает в себя комплексную систему периодических наблюдений за состоянием природной среды с целью выявления негативных изменений и выработки рекомендаций по их устранению. Диагностика массива горных пород основывается на всестороннем и систематическом изучении его состояния на всех стадиях ведения горных работ. Она включает анализ изменения геометрических размеров
Рис. 1. Структурная блок - схема геомеханического мониторинга
выработанного пространства по мощности и кратности подработки, различные инструментальные методы измерения физических параметров массива горных пород, включая сейсмику и сдвижение горных пород. В процессе диагностики выполняется анализ геологических и маркшейдерских документов; осуществляется регулярное обследование выработанного пространства на основе визуальных наблюдений за проявлениями горного давления; ведутся наблюдения за сдвижением земной поверхности и
сейсмической активностью массива. По результатам диагностики устанавливаются причины изменения состояния массива.
Основными задачами диагностики являются: получение исходной информации о массиве; оценка текущего состояния массива горных пород; профилактическое обследование массива и прогнозирование геомеханических процессов, происходящих в нем; проведение необходимых наблюдений (измерений) по предупреждению внезапных обрушений. Диаг-
ностика позволяет обосновать возможность выемки полезного ископаемого, способы и порядок погашения накопившихся потенциально опасных пустот, необходимость переноса поверхностных сооружений и др. Знание потенциально опасных по обрушениям зон позволяет еще на стадии планирования и проектирования горных работ установить места возможных обрушений и заранее принять меры по их предотвращению.
В общем виде в структуру мониторинга входят датчики напряжений, смещений, геофизические датчики, компьютерные системы для обработки их показаний, компьютерные модели исследуемой области массива.
Применяемые в отечественной и зарубежной практике методы оценки напряженно-деформационного состояния массива горных пород, подразделяются на две существенно отличающиеся группы. К первой группе относятся методы, основанные на измерениях параметров деформирования горных пород. Ко второй группе относятся геофизические методы, в которых используются вариации естественных или наведенных искусственно геофизических полей.
К недостаткам геофизических методов можно отнести сложность корреляции параметров искусственных геофизических полей с параметрами напряжений и деформации, что затрудняет их использование в решении практических горнотехнических задач, связанных, например, с расчетом параметров крепления выработок или разгрузки массива горных пород от высоких напряжений. Поэтому для решения поставленной цели рекомендуется применять системы мониторинга деформационного состояния массива горных пород, основанные на методе прямых измерений деформаций, которые надежно коррелиру-
ются с напряженным состоянием горных пород. Датчики, применяемые в таких системах мониторинга деформационного состояния массива горных пород, должны обеспечивать:
• однозначную зависимость выходной величины от входной величины;
• стабильность характеристик во времени;
• высокую чувствительность, малые размеры и массу;
• отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс или на контролируемый параметр;
• работу при различных условиях эксплуатации и различные варианты монтажа.
Построение системы мониторинга целесообразно рассмотреть на конкретных примерах. В работах [2, 3, 4] применительно к разработке системы мониторинга для глубоких рудников Талнаха, характеризующегося сложными горно-геологическими и горнотехническими условиями, рекомендуется в зависимости от назначения и размещения в горном отводе выработок следующая система деформационного контроля приконтурного массива выработок:
1) деформационный мониторинг на основе прямых измерений деформационного состояния приконтурного массива выработок с записью показаний в полевом журнале рекомендуется применять для выработок, не попадающих в зону влияния очистных работ и для оценки изменения напряженно-деформированного состояния отдельных участков массива горных пород, вмещающих горные объекты, после проведения профилактических мероприятий:
2) деформационный мониторинг на основе косвенных измерений с бинарной оценкой состояния прикон-турного массива выработок рекомендуется применять для околоствольных и вскрывающих выработок, которые
не попадают в зону влияния очистных работ.
3) деформационный мониторинг на основе косвенных измерений деформационного состояния приконтурного массива выработок в режиме накопления информации в стационарных или переносных накопителях рекомендуется применять в подготавливающих и подготовительных выработках, которые попадают в зону влияния очистных работ и пройдены в трещиноватых и слоистых горных породах.
4) деформационный мониторинг на основе косвенных измерений деформационного состояния приконтурного массива выработок в режиме непрерывной записи информации и передачи ее от объекта контроля на поверхность рекомендуется применять для выработок, попадающих в зону влияния опорного давления, не исключающего динамические формы разрушения горных пород.
Установленная в настоящее время на руднике «Скалистый» система ISS позволяет использовать новые, более надежные методики обработки получаемых данных. Система включает в себя ряд подсистем:
1. Подсистема контроля напряженно-деформированного состояния с использованием импульсных искусственных сейсмических источников
При проведении сейсмических наблюдений на рудниках ГМК для определения скоростной модели массива горных пород проводятся специальные тарировочные взрывы. Альтернативой взрывам могут служить невзрывные сейсмические источники, применяемые при сейсморазведывательных работах.
Невзрывные способы возбуждения сейсмических колебаний имеют определённые преимущества по сравнению с взрывами в скважинах. Проведение работ по определению скоростей сейсмических волн в массиве горных
пород с использованием невзрывных источников позволяет упростить работы, снизить их стоимость и повысить безопасность за счет отказа от использования взрывчатых веществ, исключить или свести к минимуму ущерб, наносимый горным выработкам.
Кроме использования источника вместо таррировочных взрывов используется источник активного сейсмического мониторинга. Расположив источник в определенной точки, периодически прозвучивая горный массив, можно контролировать изменение напряженно-деформированного состояния в процессе отработке по параметрам сейсмических волн, определяя скорости продольных и поперечных волн практически по всему шахтному полю. Рассчитав при этом модули упругости можно перейти к напряженно деформированному состоянию массива.
Проведенные исследования позволяют рекомендовать в качестве импульсного источника для рудников Норильска два типа источников импульсный электромагнитный источник ударного типа «Геотон» и импульсный сква-жинный пневмо-источник «Пульс-6».
2. Подсистема деформационного контроля
Для создания систем мониторинга деформационного состояния прикон-турного массива горных выработок рекомендуется использовать индуктивные датчики типа ДИ8, конструкции ВНИМИ, которые прошли опытно-промышленную проверку на рудных месторождения Российской Федерации и рудниках НГМК.
Для деформометра, исполнение которого базируется на применении индуктивного датчика ДИ8, разработан и применяется в промышленных условиях критерий оценки опасного состояния подрабатываемых очистными работами блоковых структур Октябрьского и Талнахского месторождений.
3. Подсистема «Геомеханический модуль»
Геомеханический модуля, предназначен для расчета напряженно-деформированного состояния массива горных пород при проектировании и ведении горных работ с визуализацией полученных результатов. В настоящее время многие фирмы занимаются исключительно разработкой пре- и постпроцессорных блоков, совместимых с программными комплексами ANSYS, COSMOS, NASTRAN и др. [5]. Однако громоздкость и сложность программных комплексов влечет за собой трудности и временные затраты на их освоение и эффективное использование. Но основным отрицательным факто-
ром является невозможность пользователю «достраивать» или «перестраивать» под себя эти программные комплексы. Отмеченные отрицательные моменты находят свое отражение в том, что специалистами института СПГГИ разработан специализированный программный комплекс для оценки напряженно-деформированного состояния и удароопасности с учетом горно-геологических и горнотехнических особенностей их разработки.
На рис. 2 представлена схема разработанного геомеханического модуля. На рис. 3 представлен пример результатов расчета напряженно деформированного состояния для рудника «Скалистый».
Рис. 2. Схема разработанного геомеханического модуля
Рис. 3. Результаты моделирования НДС рудника «Скалистый». Шкала представлена в МПа. * сейсмическое явление
В структуре модуля учтены, как стационарные базы данных, так текущие данные мониторинговых наблюдений.
Предлагаемый геомеханический модуль позволяет строить прогнозные модели с учетом данных разгрузочного бурения и взрывных работ. Использование данных сейсмического и деформационного мониторинга, по-
1. Перспективы развития горной промышленности. XV Международный горный конгресс. 25-29 мая 1992 г. - Мадрид, Испания. - 561 с. (Доклады на англ.яз.: THE MINING OUTLOOK/ — Volume I, II/ — 1529 p.).
2. Разработка рекомендаций по развитию систем непрерывного контроля деформационного состояния массива Отчет о научно-исследовательской работе. С. — Пб, 2009.
зволяет с заданной периодичностью оценивать текущую обстановку, параллельно корректируя прогнозную модель.
Перспективы развития рассмотренной мониторинговой системы связаны с улучшением ее оперативных параметров и возможностью получения результатов измерений в режиме реального времени.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Методика по контролю участков массива микросейсмическим методом на основе системы сейсм.
4. Разработка методики и научное сопровождение внедрения системы сейсмического контроля фирмы ISS на руднике «Скалистый». Отчет о научно-исследовательской работе. С.-Пб, 2009.
5. Разработка структуры геомеханического модуля к программному обеспечению Mincom MineScap» Отчет о выполнении научно-технической работы. С. — Пб, 2008. иша
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Зуев Б.Ю. — кандидат технических наук, Гладкова Л.А., Р. Истомин —
Санкт-Петербургский государственный институт (технический университет), e-mail:rectorat@spmi.ru
А
ГИАБ-ДАЙДЖЕСТ -
Подразделение Merrill Lynch прогнозирует, что цены на золото в мире в ближайшие двенадцать месяцев достигнут 2000 долларов за унцию.
Рост цен на золото на мировых рынках стал причиной усиления поисков месторождений золота в западной Кении, так как инвесторы ищут свежие источники инвестиций. Исследования, выполненные частными компаниями и правительством Кении, выявили достаточно крупные золоторудные месторождения возле городов Мигори и Какамега. Крупномасштабные горные работы дают возможность Кении диверсифицировать источники дохода в государственный бюджет (http://news-mining.ru/news/rost_tsen_na_zoloto/).
