CC BY
10
11. Antsiferov S.V. Method of calculation of multilayer linings of parallel tunnels of circular cross-section of shallow laying: monograph. Tula: TulSU, 2014. 298s.
12. Muskhelishvili N.I. Some basic problems of the mathematical theory of elasticity. M.: Nauka, 1966. 707 p.
13. Bulychev N.S. Mechanics of underground structures in examples and problems. M.: Nedra, 1989. 270 p.
14. Bulychev N.S., Fotieva N.N., Streltsov E.V. Design and calculation of the support of capital workings. M.: Nedra, 1986. 288 p.
УДК 622.83
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ПОРОДНОГО МАССИВА В ПОДЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ
М.Д. Шевченко, В. В. Мельник
Представлены результаты исследований геомеханического состояния массива горных пород для проектирования подземных горных работ. Методом исследования является метод спектрального сейсмопрофилирования, который основан на акустических свойствах массива горных пород. Цель исследований заключается в прогнозе степени структурной нарушенности скального массива горных пород и его геомеханического состояния для выбора мест расположения горных выработок и способа их проходки. Результатом исследований являются спектральные сейсморазрезы, позволяющие оценить степень нарушенности породного массива и спрогнозировать его поведение при различных вариантах ведения проходческих работ.
Ключевые слова: геофизические исследования, геомеханическое состояние, массив горных пород, спектральное сейсмопрофилирование, трещиноватость.
Введение
Разработка месторождений полезных ископаемых подземным способом вызывает изменения геомеханического состояния массива горных пород и развитие в нем геомеханических процессов, что приводит к деформации и разрушению горных пород. Поэтому, при строительстве подземных горных выработок, а также их проектировании возникает потребность в определении геомеханического состояния массива горных пород. Информация, полученная в результате бурения опережающих скважин, в большинстве случаев недостаточна, поскольку не дает полной картины структурного строения массива горных пород.
Исследования геомеханического состояния породного массива в условиях подземных выработок традиционными геофизическими методами в большинстве случаев были невозможны, т.к. присутствовали помехи различного характера (бетон, ограниченное пространство, металлические конструкции). Поэтому, при решении поставленной задачи, для определения степени трещиноватости массива горных пород, было предложено
провести исследования методом спектрального сейсмопрофилирования (ССП), который был разработан НПФ «Геофизпрогноз» в г. Санкт-Петербурге. Метод ССП успешно использовался при решении таких задач, как определение структурных особенностей массива горных пород [1], решение проблем обводненности и осушения месторождений полезных ископаемых [2,3], исследование карстовых и других инженерно-геологических процессов [4,5]. Применение метода спектрального сейсмопрофилирования в данном исследовании, показало свою эффективность, поскольку получаемые результаты позволяют оценить риск возникновения процесса выволообразования и, как следствие, снизить риск аварийных ситуаций.
Цель исследования заключается в прогнозе степени структурной нарушенности скального массива горных пород и его геомеханического состояния в районе проектирования подземных горных выработок с помощью метода спектрального сейсмопрофилирования
Объект исследования - массив горных пород, вмещающий подземные горные выработки.
Предмет исследования - структурное строение породного массива.
Основной вклад в проведении геофизических исследований методом спектрального сейсмопрофилирования был внесен Адамом Григорьевичем Гликманом изобретателем метода ССП, который использовал его при решении различных инженерно-геологических и гидрогеологических задач. Многие годы метод активно используется сотрудниками ИГД УрО РАН и другими организациями [6 - 9]. Метод по своей сути обеспечивает просвечивание массива горных пород, что позволяет получить информацию о его геомеханическом состоянии. Метод ССП в основном использовался на земной поверхности, а с 2005 года коллективом ИГД УрО РАН, отдела геомехники, метод начал использоваться в подземных условиях [10].
Предпосылки проведения исследования
При выполнении горнопроходческих работ в горизонтальных выработках на шахте Десятилетия независимости Казахстана (Республика Казахстан) развиваются процессы вывалообразования, в результате чего крепление горных выработок частично разрушается (рис. 1). Следовательно, возникает вопрос о структурном состоянии массива горных пород и дальнейшем развитии геомеханических процессов. Рекогносцировочное обследование массива показало, что массив горных пород сложен ультраосновными породами - дунитами, в котором наблюдается сеть трещин и развитие серпентинизации по ним. Совокупность факторов дает возможность что в результате нарушенности монолитности пород сетью трещин, велика вероятность развитие процесса выволообразования, поэтому, даль-
нейшее ведение горнопроходческих работ без информации о структурном строении массива может приводить к аварийным ситуациям [11 - 13].
Рис. 1. Частичное разрушение крепи горной выработки Методика исследования
Упругие колебания массива горных пород возбуждаются вручную, путем нанесения короткого удара по изучаемой поверхности в непосредственной близости от самого сейсмоприемника (рис. 2).
Рис. 2. Схема проведения спектрального сейсмозондирования
По оси ординат откладываются два значения: во-первых, величина плотности спектра Аф, которая соответствует добротности Р, во-вторых, откладывается количество метров от начала измерения по профилю. Ось абсцисс соответствует значениям f - собственная частота, которая характеризуется гармонически затухающими колебаниями, которые возникают в результате ударного воздействия на пласт-резонатор мощностью И, и глубиной исследования (рис. 3,а). Разрез ССП (рис. 3,б) является разрезом земной толщи на основании спектра сейсмосигналов. Повышенная добротность Р отражается на рис. 3.
Рис. 3. Схема разреза ССП: а - система координат величин метода ССП; б - пример разреза ССП
Съёмка одного из участков производилась по трем профилям в стенки выработок. Размеры профилей с посадкой спектральных сейсмо-разрезов приведены на рис. 4. Там же выделены выявленные в процессе обработки структурные нарушения (красные пунктирные линии).
Результаты исследования
По профилю № 1 сильная трещиноватость массива наблюдается на расстоянии 35 - 70 м от стенки выработки. На профиле № 2 зона трещино-ватости имеет распространение от 30 до 75 м, от стены выработки, по всей длине профиля. На профиле № 3 трещиноватость наблюдается на интервале от 0 до 10 м на расстоянии от стенки выработки от 15 до 35 м. На расстоянии 55...80 м по всей длине профиля также наблюдается трещиноватость, о чем указывают ареолы, выделенные красным цветом.
Рис. 4. Результаты геофизических исследований ССП
Из результатов съёмки видно, что профильные линии захватывают зоны повышенной трещиноватости массива (ПТМ) - повышенная трещи-новатость наблюдается по всем профилям, интервалы глубин показаны на рис. 4. При проходке выработок в районе отмеченных красной пунктирной линией зонах и трещинах требуется соблюдать максимальную осторожность в связи с высокой вероятностью вывалообразования.
Заключение
Представленный в статье пример использования метода спектрального сейсмопрофилирования при диагностике состояния вмещающего горные выработки массива горных пород показал высокую эффективность, исследования можно проводить как в почве выработок, так и в стенах, что дает возможность изучения массива горных пород в необходимой плоскости.
Результаты исследований на участке изысканий показали следующее.
1. На профильных линиях 1 - 3 участки с высокой добротностью (красные пунктирные линии) указывают на то, что массив горных пород имеет высокую степень трещиноватости и неоднородности.
2. Спектральное сейсмопрофилирование является наиболее эффективным методом в подземных условиях при исследовании геомеханического состояния породного массива. Метод позволяет выявлять неоднородности и структурные нарушения с высокой степенью достоверности, при этом метод является более мобильным относительно других геофизических методов.
Список литературы
1. Мельник В. В. Геомеханический мониторинг геофизическими методами при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом // Проблемы недропользования. 2021. № 4(31). С. 36-43. DOI 10.25635/2313-1586.2021.04.036. EDN NWOOQF.
2. Мельник В. В. Решение проблемы, повышенной обводненности руды при ведении очистных работ на шахте "десятилетие независимости Казахстана" (ДНК) // Проблемы недропользования. 2021. № 2(29). С. 1726. DOI 10.25635/2313-1586.2021.02.017. EDN XDCQWH.
3. Мельник В. В., Харисов Т. Ф., Замятин А. Л. Методические основы комплексных геомеханических исследований для выбора оптимальных параметров осушения обводненных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2020. № 3-1. С. 127-137. DOI 10.25018/0236-1493-2020-31-0-127-137. EDN TFMPKG.
4. Мельник В. В. Диагностика карстоопасности методом спектрального сейсмопрофилирования // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. № 7. С. 153-156. EDN HZUYDF.
5. Шевченко М. Д. Изучение изменений массива горных пород в области влияния подземных горных выработок // Проблемы недропользования. 2021. № 4(31). С. 55-60. DOI 10.25635/2313-1586.2021.04.055. EDN DOQHKM.
6. Сашурин А. Д. Диагностика геодинамической активности на участке недропользования // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2004. № 6. С. 185-187. EDN IIYVIF.
7. Левин Е. Л., Сердюков А. Л. Вероятностные модели предельного равновесия, деформации борта проектируемого карьера с динамическим прогнозированием параметров поверхностей скольжения при использовании метода спектрального сейсмопрофилирования // Проблемы недропользования. 2017. № 4(15). С. 43-51. EDN ZXKYFH.
8. Семенов С. Н. Опыт прогнозирования зон тектонических нарушений и повышенной трещиноватости в массиве горных пород на шахтах Донского горно-обогатительного комбината // Проблемы горного давления. 2018. № 1-2(34-35). С. 81-86. EDN XYFFFI.
9. Опыт применения геофизических методов в комплексе геодинамической диагностики горного массива / Т. Ш. Далатказин [и др.] // Горная промышленность. 2022. № S1. С. 105-110. DOI 10.30686/1609-9192-2022-1S-105-110. EDN HODQHC.
10. Мельник В. В. Применение метода спектрального сейсмопро-филирования для оценки геомеханического состояния массива горных пород вокруг шахтных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2005. № 10. С. 69-74. EDN IFAQTV.
11. Junjie Cai, Xijian Li, Longxing Guo, Haiteng Xue, Bize Xu, " Fracture Development and Multifield Coupling Evolution Law of Soft Overburden Rock in a Medium-Thick Coal Seam Mine " Geofluids. Vol. 2022, Article ID 6371887 ,14 pages, 2022. DOI 10.1155/2022/6371887.
12. Shichuan Zhang, Baotang Shen, Yangyang Li, Shengfan Zhou, " Modeling Rock Fracture Propagation and Water Inrush Mechanisms in Underground Coal Mine ", Geofluids. Vol. 2019. Article ID 1796965. 15pages, 2019. DOI 10.1155/2019/1796965.
13. Халимендик Ю. М., Бруй А. В., Чемакина М. В. Исследование закономерностей вывалообразований в очистных забоях угольных шахт // Записки Горного института. 2010. Т. 188. С. 70-73. EDN RENUCX.
Шевченко Максим Дмитриевич, мл. науч. сотр. лаборатории, shevchenko-maksim625@,gmail. com, Россия, Екатеринбург, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН),
Мельник Виталий Вячеславович, канд. техн. наук, зав. отделом, melnikvv74@,mail.ru, Россия, Екатеринбург, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН)
STUDY OF THE GEOMECHANICAL STATE OF THE ROCK MASS IN UNDERGROUND
CONDITIONS
M.D. Shevchenko, V.V. Melnik
The article presents the results of studies of the geomechanical state of the rock mass for the design of underground mining operations. The method of investigation is the method of spectral seismic profiling (SSP), which is based on the acoustic properties of an array of rocks. The purpose of the research is to predict the degree of structural disturbance of the rock mass of rocks and its geomechanical condition for choosing the locations of mine workings and the method of their penetration. The result of the research are spectral seismic sections that allow us to assess the degree of disturbance of the rock mass and predict its behavior in various types of tunneling operations.
Key words: geophysical research, geomechanical state, rock mass, spectral seismic profiling, fracturing.
Shevchenko Maxim Dmitrievich, laboratories Jr. scientific. officer, [email protected] , Russia, Ekaterinburg, Institute of Mining of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (IGD UrO RAS),
Melnik Vitaly Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, head of department, [email protected], Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (IGD UrO RAS)
Reference
1. Melnik V. V. Geomechanical monitoring by geophysical methods in the development of mineral deposits by an open method // Problems of subsoil use. 2021. No. 4(31). pp. 36-43. DOI 10.25635/2313-1586.2021.04.036. EDN NWOOQF.
2. Melnik V. V. The solution of the problem of increased water content of ore during the conduct of treatment works at the mine "Decade of independence of Kazakhstan" (DNA) // Problems of subsoil use. 2021. No. 2(29). pp. 17-26. DOI 10.25635/23131586.2021.02.017. EDN XDCQWH.
3. Melnik V. V., Kharisov T. F., Zamyatin A. L. Methodological bases of complex geomechanical studies for the selection of optimal parameters of drainage of flooded deposits // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2020. No. 3-1. PP. 127-137. DOI 10.25018/0236-1493-2020-31-0-127-137. EDN TFMPKG.
4. Melnik V. V. Diagnostics of karst hazard by the method of spectral seismic profiling // Mining information and analytical bulletin. 2006. No. 7. pp. 153-156. EDN HZUYDF.
5. Shevchenko M. D. The study of changes in the rock mass in the field of the influence of underground mining // Problems of subsoil use. 2021. No. 4(31). pp. 55-60. DOI 10.25635/2313-1586.2021.04.055. EDN DOQHKM.
6. Sashurin A.D. Diagnostics of geodynamic activity at the subsoil use site // Mining information and analytical bulletin. 2004. No. 6. pp. 185-187. EDN IIYVIF.
7. Levin E. L., Serdyukov A. L. Probabilistic models of ultimate equilibrium, deformation of the side of the projected quarry with dynamic prediction of sliding surface parameters using the spectral seismic profiling method // Problems of subsurface use. 2017. No. 4(15). pp. 43-51. EDN ZXKYFH.
8. Semenov S. N. Experience of forecasting zones of tectonic disturbances and increased fracturing in the rock mass at the mines of the Don mining and Processing plant // Problems of mountain pressure. 2018. No. 1-2(34-35). pp. 81-86. EDN XYFFFI.
9. Experience of application of geophysical methods in the complex of geodynamic diagnostics of a mountain massif / T. S. Dalatkazin [et al.] // Mining industry. 2022. No. S1. PP. 105-110. DOI 10.30686/1609-9192-2022-1S-105-110. EDN HODQHC.
10. Melnik V. V. Application of the spectral seismic milling method to assess the geomechanical state of the rock mass around mine workings // Mining information and Analytical Bulletin. 2005. No. 10. pp. 69-74. EDN IFAQTV.
11. Junjie Cai, Xijian Li, Longxing Guo, Haiteng Xue, Bize Xu, " Fracture Development and Multifield Coupling Evolution Law of Soft Overburden Rock in a Medium-Thick Coal Seam Mine " Geofluids. Vol. 2022, Article ID 6371887 ,14 pages, 2022. DOI 10.1155/2022/6371887.
12. Shichuan Zhang, Baotang Shen, Yangyang Li, Shengfan Zhou, " Modeling Rock Fracture Propagation and Water Inrush Mechanisms in Underground Coal Mine ", Geofluids. Vol. 2019. Article ID 1796965. 15pages, 2019. DOI 10.1155/2019/1796965.
13. Halimendik Yu. M., Bruy A.V., Chemakina M. V. Investigation of the regularities of fallout formation in the treatment faces of coal mines // Notes of the Mining Institute. 2010. Vol. 188. pp. 70-73. EDN RENUCX.
УДК 622.4
ВЛИЯНИЕ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ НА СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ КАЛИЙНОГО РУДНИКА
С. В. Мальцев, М. А. Александрова, А. М. Громова
Рассмотрено рециркуляционное проветривание как мероприятие по повышению энергоэффективности и снижению выбросов парниковых газов за счет уменьшения энергопотребления главной вентиляторной установки. Приведены результаты на основе вычислений требуемого количества воздуха и моделирования воздухораспреде-ления в вентиляционной сети рудника в программном комплексе «АэроСеть». Изучена методика и определен количественный объем выбросов парниковых газов предприятия. Проведен анализ влияния рециркуляционного проветривания на снижение выбросов парниковых газов.
Ключевые слова: рудник, рециркуляционное проветривание, вентиляция по требованию, энергоэффективность, парниковые газы.
Введение
Активное развитие горнодобывающей отрасли влечет за собой увеличение суммарных энергозатрат на добычу полезного ископаемого. Одним из основных технологических процессов при добыче является проветривание горных выработок, расходующее до половины всей потребляемой предприятием электроэнергии. [1]. Рост энергопотребления приводит к необходимости выработки этой энергии в больших объемах, что в свою очередь приводит к увеличению объемов выбросов парниковых газов в атмосферу. Известно, что на планете порядка 25 % выбросов парниковых газов приходится на производство и потребление электроэнергии, 21 % вы-
