CC BY
16
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2020;(9):5-24 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 622.831 DOI: 10.25018/0236-1493-2020-9-0-5-24
ИЗМЕНЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
В.Н. Захаров1, А.В. Шляпин1, В.А. Трофимов1, Ю.А. Филиппов1
1 Институт проблем комплексного освоения недр РАН, Москва, Россия, e-mail: Shlyapin@mail.ru
Аннотация: Построен и описан алгоритм оценки изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород при развитии горных работ по отработке угольного пласта на шахте им. С.М. Кирова. В рамках проведенных исследований разработан алгоритм построения, который позволил предложить вариант пространственной модели, включающей угольные пласты Болдыревский и Поленовский и породы кровли и почвы от дневной поверхности до глубины в 1500 м с учетом взаимного расположения геологических тел, в том числе разломных зон. При этом использовалась сплайновая аппроксимация криволинейных границ и поверхностей. Построенная модель была адаптирована к конкретным условиям шахты им. С.М. Кирова посредством ее калибровки с использованием натурных замеров оседания поверхностных реперов при отработке лав 2458 и 2459. В результате итерационной процедуры были получены «эффективные» значения деформационных параметров, которые обеспечили приемлемое совпадение измеренных и расчетных оседаний дневной поверхности.
Ключевые слова: углепородный массив, состояние массива, напряженно-деформированное состояние, геомеханическая модель, моделирование, геомеханическое исследование. Благодарность: Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования, Соглашение № 075-15-2019-1903 (05.616.21.0122), Номер государственного учета НИОКТР АААА-А19-119123090079-2, Уникальный идентификатор проекта RFMEFI61619X0122.
Для цитирования: Захаров В.Н., Шляпин А.В., Трофимов В. А., Филиппов Ю. А. Изменение напряженно-деформированного состояния углепородного массива при отработке угольного пласта // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2020. - № 9. -С. 5-24. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-9-0-5-24.
Change in stress-strain behavior of coal-rock mass during coal mining
V.N. Zakharov1, A.V. Shlyapin1, V.A. Trofimov1, Yu.A. Filippov1
1 Institute of Problems of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia, e-mail: Shlyapin@mail.ru
Abstract: The research focuses on the construction and description of an assessment algorithm of change in the stress-strain behavior of rock mass during mining of coal seam in Kirov mine. Within the research, the algorithm was constructed and implemented in the form of a 3D model of coal seams Boldyrev and Polenov, roof and floor rocks from ground surface down to a depth of 1500 m, positional relationship of geological bodies and fault zones. To this effect, the spline approximation of the curved boundaries and surfaces was used. The model was adapted to the
© В.Н. Захаров, А.В. Шляпин, В.А. Трофимов, Ю.А. Филиппов. 2020.
specific conditions of Kirov mine by calibration using the field measurements of subsidence of the check points on ground surface during mining in longwalls 2458 and 2459. The stepwise approximation produced the 'effective' values of deformation characteristics which ensured an admissible agreement between the measured and calculated subsidence of ground surface.
Key words: carboniferous array, state of the array, stress-strain state, geomechanical model, modeling, geomechanical research.
Acknowledgements: The study was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, Agreement No. 075-15-2019-1903 (05.616.21.0122), State Registration No. AAAA-A19-119123090079-2, Unique Project ID RFMEFI61619X0122. For citation: Zakharov V. N., Shlyapin A. V., Trofimov V. A., Filippov Yu. A. Change in stressstrain behavior of coal-rock mass during coal mining. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020;(9):5-24. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-9-0-5-24.
Введение. Построение геомеханических моделей сложно-структурированных массивов горных пород
Для современного этапа развития горнодобывающей промышленности характерно ведение горных работ в сложных горно-геологических условиях. Эффективное и безопасное извлечение полезных ископаемых в этих условиях возможно только при условии детального анализа вариантов развития техногенных геомеханических процессов на этапах вскрытия, подготовки и отработки месторождений полезных ископаемых.
Такой анализ может быть выполнен с использованием методов объемного математического моделирования состояния и поведения массива горных пород и рудных залежей как при планировании горных работ, так и в процессе их ведения. При развитии горных работ образуется и увеличивается выработанное пространство, в связи с чем происходит непрерывное изменение напряженно-деформированного состояния массива. Анализ вариантов развития горных работ может выявить возникновение негативных геомеханических процессов и возможность формирования катастрофических геодинамических явлений. Анализу такого рода проявлений и раз-
личным подходам к их адекватному описанию посвящены многочисленные работы исследователей во всем мире, включая Россию [1 — 8 и др.].
Массив горных пород, в котором ведутся горные работы, представляет собой весьма сложную деформационную среду, сложенную различными породами, разбитую многочисленными трещинами и разломами, которые могут проявляться тем или иным образом по мере формирования выработанного пространства.
Это означает, что основой адекватной геомеханической модели должна служить как можно более точная 3D геологическая модель массива горных пород, в котором планируются или развиваются горные работы. Это исходная точка в проведении геомеханического исследования. В настоящее время в области горного дела, геологоразведки и добычи полезных ископаемых на месторождениях различного типа активно используются комплексы специализированных программных средств рудной геологии (DANAVINE, MICROMINE, VOXLER, Rock Works и др.). Они, как правило, состоят из различных программных модулей, решающих широкий комплекс задач, характерных для подземного или открытого способа добы-
чи, однако они не содержат приемлемых средств геомеханического моделирования.
Такое моделирование может быть выполнено с использованием конечно-элементных расчетных комплексов. Нами использовался программный комплекс ANSYS, обладающий широким спектром возможностей задания граничных условий, нагрузок, свойств материалов и т.д. Однако при этом возникает проблема совместимости выходных параметров упомянутых выше систем, с помощью которых задается геометрия расчетной области, и входных параметров ANSYS, используемых для формирования в этой системе геометрических объектов. Промежуточным звеном такой трансформации может служить AUTOCAD.
Созданная геопространственная модель позволяет определить реакцию массива на техногенное воздействие: показать изменения напряженно-деформированного состояния, возможные смещения возле мест ведения горных работ в массиве и на поверхности земли вокруг карьера, очаги зарождающейся неустойчивости горных пород.
Для создания модели сложного и масштабного объекта помимо уже упоминавшейся геометрии необходимо знать деформационные свойства пород массива в условиях их естественного залегания, свойства разломных зон и т.п. Причем некоторые геологические объекты могут быть обнаружены, а их свойства определены только непосредственно в ходе горных работ по мере развития выработанного пространства.
Поэтому неотъемлемой частью геомеханического обеспечения отработки месторождения является непрерывный мониторинг проводимых работ, в результате которого в различных точках контролируемой области определяются параметры состояния массива (напря-
жения, деформации, смещения). Сопоставление их с результатами моделирования позволяет корректировать свойства горных пород, закладываемых в расчет, или даже менять деформационную модель, используемую для анализа состояния и поведения массива. Процесс корректировки в общем случае носит итерационный характер, постепенно приводящий к приемлемому результату.
Решение 3D задачи о перераспределении напряжений и смещений в массиве горных пород при отработке угольного пласта
Отметим, что на подземную отработку угольных пластов приходится значительная доля всех геомеханических проблем, возникающих в горнодобывающей отрасли. Малая доля этих проблем отражена в работах [2, 9 — 19 и др.]. Ситуация усложняется тем, что помимо чисто механических проблем при извлечении угля зачастую определяющую роль играет содержащийся в угле метан. Для обеспечения безопасной и продуктивной работы в угольной шахте необходимо с помощью мероприятий по дегазации угольного пласта заблаговременно извлечь из него как можно больше метана и отправить его на утилизацию.
Отметим, что заметная доля метана находится в породах междупластья и сопутствующих пластах и пропластках. По мере развития очистных работ этот метан может перетекать в выработанное пространство отрабатываемого пласта, повышая его загазованность. В связи с этим породы кровли также подлежат дегазации, или хотя бы оценке возможных притоков газа из них. Определяющую роль при этом играет формирование проницаемости пород крови, которая в первую очередь зависит от напряжен-
но-деформированного состояния этих пород.
В исходном состоянии породы меж-дупластья можно считать малопроницаемыми либо совсем непроницаемыми в силу того, что всевозможные трещины в них закрыты горным давлением. Из-за этого не может сформироваться единое фильтрационное пространство, по которому осуществляется массопе-ренос флюидов. При техногенном воздействии на массив он деформируется, что приводит к раскрытию существующих трещин и формированию множества новых. Как правило, это связано с деформациями растяжения, хотя при этом действующие напряжения могут оставаться сжимающими. Такие процессы приводят к разуплотнению массива и, как следствие, к увеличению или возникновению его проницаемости. Характеризуя состояние массива коэффициентом концентрации напряжений как отношения действующих в точке напряжений к исходным напряжениям в той же точке, можно выявить в нем зоны разгрузки и пригрузки. В первых этот коэффициент меньше единицы, а во вторых — больше. В первых массив разуплотняется, а во вторых уплотняется с полным закрытием всех трещин. Таким образом, в зонах разгрузки возможно возникновение проницаемости, однако для этого необходимо достижение определенного уровня разгрузки. Иными словами, не вся область разгрузки становится проницаемой. Уровень начала возникновения проницаемости и ее величина в зависимости от величины коэффициента концентрации, как правило, определяются в лабораторных экспериментах и являются характеристиками породы.
В связи с этим, первым шагом при оценке массопереноса в углепородном массиве является изучение распределения в нем напряжений на том или ином
этапе развития горных работ, выявление зон разгрузки и закономерностей их развития во времени.
Объект исследований данной работы — разрабатываемые угольные пласты Болдыревский и Поленовский шахты им. Кирова, Кузбасс. Основной целью данной работы является создание 3-х мерной численной модели шахтного поля для расчета методом конечных элементов (МКЭ) напряжений и деформаций в массиве вокруг горных выработок при его отработке.
Для численного моделирования в работе были использованы программные среды AutoCAD и ANSYS, которые позволили разработать геомеханическую модель для анализа состояния и поведения исследуемого массива горных пород.
Геомеханическая модель массива горных пород включает в себя пласты Болдыревский и Поленовский, боковые породы, а также основные тектонические нарушения, расположенные вблизи мест ведения горных работ и секущие рассматриваемую область.
Сложность модели, в которую включены не только разнообразные горные породы с разломными структурами, но и изменяющаяся во времени конфигурация выработанного пространства, в соответствии с уже выполненными и запланированными на будущее подземными горными работами, с учетом стволов, подготовительных выработок и др., требует достаточно детального разбиения модели на конечные элементы, количество которых может не позволить провести детальный расчет напряженно-деформированного состояния всей модели с необходимой точностью. Поэтому была реализована возможность построения иерархической последовательности моделей,отражающих соответствующим образом усеченные области в массиве горных пород в
зависимости от поставленной задачи. Именно для них может генерироваться достаточно подробная конечноэлемент-ная сетка, а граничные условия получаются из решения задачи во всем объеме на грубой сетке.
Исходя из планов, разрезов и сечений массива для условий шахты им. С.М. Кирова разработан алгоритм построения и построен вариант пространственной модели, включающей угольные пласты Болдыревский и Поленовский и породы кровли и почвы от дневной поверхности до глубины в 1500 м с учетом взаимного расположения геологических тел, в том числе разломных зон. При этом использовалась сплайновая аппроксимация криволинейных границ и поверхностей.
В рамках проведенных исследований рассматривалась отработка пласта Болдыревский. На рис. 1 показан вид снизу на непосредственную кровлю пласта Болдыревский и все вышележащие слои пород. Т.е. все породы, лежащие ниже его, и сам пласт удалены, в связи с чем видны уже отработанные лавы, находящиеся в работе и планируемые к отработке. На рассматриваемый момент времени все (кроме 2460) лавы уже отработаны и выработанное пространство заполнено обрушенными породами. Вопрос о полной посадке кровли для них остается открытым, хотя
Рис. 1. Расположение выработок в расчетной области
Fig. 1. Mine layout in computational domain
для лавы 2459 можно утверждать, что посадки нет, и основная кровля упруго зависает над выработанным пространством этой лавы (с частичной посадкой на обрушенные породы).
В пределах лавы 2459 показаны положения фронта очистных работ на моменты времени, когда с помощью линии реперов, пересекающей обе лавы примерно в ее средней части, проводились съемки оседаний дневной поверхности. Они приведены на рис. 2.
Кроме того, расчетную область пересекает разлом, моделируемый материалом с достаточно низкими деформационно-прочностными свойствами (этот материал на рисунке также удален). Вид-
Рис. 2. Оседания реперов на различные моменты времени при отработке лавы 2459 Fig. 2. Subsidence of surface check points at different time of mining operations in longwall 2459
Рис. 3. Оседания пород непосредственной кровли пласта Болдыревский (вид сверху) Fig. 3. Subsidence of immediate roof of seam Boldyrev (top view)
но, что рассматриваемые лавы (2459 и особенно 2460) несколько удалены от разлома, в связи с чем его влияние может оказаться незначительным.
Поскольку замеры оседания дневной поверхности проводились только при отработке лав 2458 и 2459, имеет смысл рассмотреть деформирование массива, вызванное отработкой только этих лав. При этом граничные условия при решении численной задачи формулировались следующим образом: внешние границы расчетной области закреплены по нормали к соответствующей плоскости, а нагрузка задается приложением исходных напряжений на поверхностях выработок, с обратным знаком (постановка задачи в дополнительных напряжениях). При расчетах на первом этапе моделирования были приняты допущения, связанные с упрощением строения модели. Считалось, что она состоит всего из трех слоев (кровля, пласт, почва), имеющих следующие значения деформационно-прочностных параметров: уголь - Е = 2*108 Па, V = 0,35; кровля - Е = 2*1010 Па, V = 0,28; почва - Е = 3*1010 Па, V = 0,26.
Для иллюстрации на рис. 3 показаны оседания массива на уровне кровли пласта Болдыревский. При этом макси-
мальные значения вертикальных сдвижений составляют ~3 м. Отметим, что выемочная мощность для этого пласта ~2 м. Тем самым построенная модель не в полной мере количественно отражает реальную картину деформирования, хотя общий характер оседания отражен правильно. Это свидетельствует о необходимости корректировки деформационных параметров модели, с тем чтобы получить правильные по величине значения смещений на кровле выработок и на дневной поверхности, на которой имеются точные значения оседаний (рис. 2).
Образование мульды оседания
при отработке лав 2458, 2459
При отработке двух лав на пласте Болдыревский (шахта им. Кирова, Кузбасс) оседания дневной поверхности контролировалось реперной станцией, состоящей из 60 реперов. Схематически горнотехническая ситуация показана на рис. 4.
Рассматриваемая конфигурация выработок дает основание считать применимой плоскую деформационную модель в перпендикулярной к столбам плоскости в средней их части. В этом случае для описания оседания поверхности п(х)
Рис. 4. Схема последовательной отработки трех столбов Fig. 4. Process flow of sequential mining in three longwalls
справедлива эмпирическая модель, задаваемая соотношением [20 — 26]
Ц( x) =
Ф
rD + x^ р
V CH .
V p J
+ Ф
rD - x^ p
V CpH ,
V p J
(1)
где п0, В , С — постоянные; Н — глубина; х — координата; Ф — интеграл Гаусса.
Отметим, что линия реперов в рассматриваемом случае не перпендикулярна направлению продвижения лавы, что необходимо для применимости выписанного соотношения. В связи с этим должна быть корректировка величин координат расположения реперов и приведение их к прямой а-а, перпендикулярной оси. Это достигается умножением
Рис. 5. Форма мульды оседания дневной поверхности после полной отработки столба № 1 в средней его части
Fig. 5. Subsidence trough on ground surface after complete extraction of longwall
n„ D p C p
x < -200 м 911 170 0,23
-200 < x < 0 1622 85 0,1
0 < x < 200 2956 52 0,267
x > 200 м 1067 144 0,156
величин координат x,, которые отсчиты-ваются вдоль реперной линии, на cosa, т.е. cos570 = 0,54. Такая подправленная кривая приведена на рис. 5.
Отметим, что она несимметрична относительно оси вынимаемого столба. Это обусловлено тем, что свойства пород слева и справа от столба различны. Слева — массив обрушенных пород в результате того, что там уже ранее был вынут уголь, а справа — еще нетронутый уголь, который будет выниматься последующей лавой (№ 2). По этой причине аппроксимирующие функции справа и слева должны различаться.
Изломы на экспериментальной кривой, как на правой, так и на левой ее части, делят мульду на верхнюю с более пологими и на нижнюю части с более крутыми берегами. С помощью интерактивного алгоритма были построены 4 кривые, которые наилучшим образом приближают экспериментальные данные на соответствующих участках.
Для них может быть использовано общее аналитической выражение (1), хотя входящие в него параметры различны для разных частей мульды. Они приведены в таблице.
Отметим следующее обстоятельство. На рис. 5 показаны границы выработанного пространства (длина лавы). Видно, что изломы кривых оседания расположены примерно над этими границами. В связи с этим можно предположить, что деформационные свойства пород над выработанным пространством и вне его заметно различаются.
Известно [23, 26, 27], что над выработанным пространством формируется
значительная зона разгрузки массива, распространяющаяся вплоть до дневной поверхности. Разгрузка приводит к разрыхлению пород, возможно, к раскрытию в той или иной мере трещин и, как следствие, к уменьшению их деформационно-прочностных свойств.
Полученные результаты, в частности соотношение (1) с соответствующей таблицей, могут быть использованы для прогноза оседания дневной поверхности при отработке последующих лав в связи с тем, что горнотехническая ситуация для них полностью повторяет ту же для уже рассмотренной лавы.
Отметим, однако, что построенные решения справедливы в центральной части столба и не могут описать состояние массива на начальной или на конечной стадии его отработки. Это можно сделать лишь в рамках 3D модели, однако для нее необходимо подобрать соответствующие деформационные параметры и их значения. Это можно попытаться сделать в рамках решения 2D задачи, поскольку она имеет меньшую размерность и требует меньших вычислительных ресурсов. Хотя и сама по себе представляет интерес.
Важный вывод по анализу формы мульды оседания заключается в том, что адекватная геомеханическая модель деформирования пород кровли должна быть неоднородной по деформационным свойствам.
Калибровка расчетной модели
Рассматриваемое угольное месторождение имеет весьма сложную геологическую структуру, характеризующу-
Рис. 6. Расчетная область при решении задачи в плоской постановке Fig. 6. Computational domain of plane problem
юся наличием разнообразных пород, достаточно сложно перемежающихся в массиве. Это привело к тому, что и построенная геометрическая модель имеет сложную структуру, которая создавалась средствами AUTOCAD и ANSYS. Во многом она достаточно произвольна, хотя бы в силу неопределенности в исходной геологической информации. В результате применения разработанной методики весь массив был разбит на множество объемов, взаимодействие которых сводится к непрерывности параметров напряженно-деформированного состояния на их границах, т.е. отсутствию проскальзывания. Тем не менее, можно задать более сложный характер взаимодействия, что опять же ограничивается отсутствием сколько-нибудь приемлемой информации.
Отметим, что деформационные свойства различных видов пород, которые используются в модели, получены в результате лабораторных экспериментов. Применение их может вызвать определенные сомнения в окончательных результатах. Расчетная модель пространственно охватывает объемы, измеряемые сотнями и тысячами метров, и соответствующие деформационно-прочностные параметры могут быть значительно меньше лабораторных значений.
Что следует ожидать от геомеханической модели в такой ситуации? Во-первых, имеется существенная неопределенность относительно геометрии самой модели, во-вторых, неопределенность деформационных свойств, в-третьих, погрешности, вносимые собственно методом конечных элементов, в-четвертых, неопределенность в характере взаимодействия геологических массивов, особенно в зоне разломов. С другой стороны, деформационные свойства всех пород массива весьма близки, структура массива весьма неоднородна, что приближает его к возможности использования кусочно-однородной модели для описания его состояния в целом.
В связи со всем сказанным в первую очередь для приемлемой геометрической модели следует попытаться подобрать деформационные свойства пород массива, с тем чтобы расчетные параметры были по возможности близки к замеренным in situ по оседаниям реперов. Варьируя их в соответствии с тем или иным оптимизационным алгоритмом, можно добиться приемлемой сходимости для всех или большинства реперов. Это связано с большим объемом вычислений, когда задачу определения напряжений и смещений в массиве необходимо решать десятки раз, добиваясь сходимости.
Калибровку задачи, т.е. подбор деформационных параметров и их значений, проведем в рамках решения задачи в плоской постановке. На рис. 6 представлена расчетная область, с помощью которой можно моделировать отработку как одной лавы, так и двух. Область состоит из ряда подобластей, показанных разными цветами, в каждой из которых можно задавать различные деформационно-прочностные свойства. Строение области значительно упрощено в сравнении с натурой, и в налегающих породах оставлено всего три слоя.
Как было упомянуто выше, над выработкой формируется зона разгрузки вплоть до земной поверхности. Разгрузка сопровождается активизацией трещиноватости и, как следствие, уменьшением деформационно-прочностных параметров. В зоне разгрузки следует уменьшить значения деформационно-прочностных параметров, и их величина определяется в процессе калибровки. При отработке одной лавы модули следует уменьшать либо в зоне 1, либо 2 (отмечены голубым цветом). При отработке двух лав — в зонах 1 и 2.
Отметим, что подвергнуться модификации свойства породы и угля могут и в других частях расчетной схемы, например, в узких вертикальных переходных зонах, также показанных на рис. 6.
При моделировании задача решалась в полных напряжениях, т.е. нагружение расчетной области осуществлялось силой тяжести при заданных ограничениях на внешних границах этой области. Как известно, в этой постановке получаются вполне корректные напряжения во всех точках области, однако смещения должны быть скорректированы на величину «green field» смещений. В выделенных на рис. 6 зонах модуль упругости породы был 7108 Па в сравнении с модулем для остальной части кровли — 21 010 Па, т.е. практически в 30 раз меньше.
На рис. 7 приведено сопоставление расчетных вертикальных смещений, полученных в результате численного моделирования с соответствующей калибровкой по свойствам пород массива и оседаний реперов (+). Можно констатировать достаточно хорошее совпадение, особенно в области больших
Рис. 7. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по смещениям Fig. 7. Comparison of calculation and experimental subsidence data
Рис. 8. Геометрия расчетной области в 3D постановке с указанием зон корректировки деформационных параметров
Fig. 8. Geometry of computational domain of three-dimensional problem with identified zones of deformation data adjustment
оседании, тогда как на крыльях мульды имеет место расхождение. Оно может быть ликвидировано более тщательным подбором деформационных параметров горных пород в этих областях и более детальноИ разбивкой переходных зон.
3D расчеты
Полученные по результатам калибровки в рамках 2D модели значения деформационных параметров и схема расположения в массиве зон пониженных значений этих параметров были использованы при решении задачи в Ю постановке. На рис. 8 показана конфигурация расчетной области, ее сечение по направлению реперной линии, а также зоны корректировки деформацион-
ных показателей в виде системы параллелепипедов, подобных показанным на рис. 6, но в объемном виде. Над выработанным пространством показано распределение смещений, которое в большем масштабе приведено на рис. 9.
Отметим, что оседание массива в зонах, отмеченных красным цветом, составляет ~1,6 м в соответствии с данными, полученными с реперной станции.
На рис. 10 приведено распределение дополнительных вертикальных напряжений вдоль горизонтальной прямой, расположенной в плоскости, показанной на рис. 8 на расстоянии в несколько метров (1 — 10 м ввиду кривизны пласта) от кровли пласта. На рис. 11 приведен график распределения этих напряжений в
Рис. 9. Распределение вертикальных смещений в плоскости реперной линии над отработанными
лавами
Fig. 9. Vertical displacements in the plane of line of check points above the mined-out longwalls
Рис. 10. Взаимное расположение горизонтальной прямой в кровле пласта, угольного пласта и отработанных столбов, а также распределение по этой прямой дополнительных вертикальных напряжений Fig. 10. Positional relationship of horizontal line in the seam roof, coal seam and mined-out longwalls, as well as distribution of extra vertical stresses along this line
зоне над выработанным пространством. Рассматриваемая прямая расположена на глубине ~300 м от поверхности, т.е., фактически, как и пласт, в связи с чем
исходные вертикальные напряжения на ее уровне составляют 9 МПа. Исходя из этого, для получения полных напряжений кривую на рис. 11 необходимо сдви-
0 1000 2000 3000 [т] 4000
Рис. 11. Дополнительные вертикальные напряжения вдоль прямой (рис. 10) Fig. 11. Extra vertical stresses along the straight line (Fig. 10)
Рис. 12. Схематическое изображение постановки задачи в 3D (план) Fig. 12. Schematic representation of 3D problem
нуть вниз на эту величину. Шкала для полных напряжений приведена справа. Очевидно, что над выработанным пространством массив практически полностью разгружен и вертикальные напряжения близки к нулю, а оставленный между двумя отработанными столбами целик имеет концентрацию в сравнении с исходными напряжениями примерно 2,4 раза. Это приводит к его разрушению, хотя в расчетах это не учитывалось ввиду использования упругой деформационной модели.
Результатом проведенных исследований была разработка алгоритма построения адекватной расчетной схемы и определения эффективных деформационных параметров, которые были получены из анализа в рамках 2D моделирования и проверены в расчетах на 3D модели с учетом реальных замеров оседаний дневной поверхности in situ.
Закоромерности деформирования
углепородного массива
в кровле угольного пласта
Отметим, что проведенный анализ рассмотренной выше ситуации свидетельствует о том, что даже при окончании отработки столба (одного или двух) не произошло полной посадки кровли. Об этом свидетельствует отсутствие горизонтального участка, на кривой оседания, показанной на рис. 5. При этом на форму кривой оседания и посадку кровли в первую очередь оказывает влияние длина лавы, которая в рассмотренном случае составляла 200 м. Такой пролет при мощности пласта в 2 м при зависающей кровле не может обеспечить ее полную посадку [27]. В тоже время длина столба не имеет принципиального значения, поскольку в его центральной части при достаточной протяженности реализуется плоское деформационное состояние, уже не зависящее от этой протяженности.
В связи с этим рассмотрим отработку пласта с использованием длинной лавы (500 м), что лежит в рамках современных тенденций развития подземной добычи угля.
Рассмотрим отработку угольного пласта с использованием полученных ранее значений деформационных параметров.
На рис. 12 показана в плане расчетная область, и в ней выделен отработанный столб размерами 500х1000 м. При этом мощность пласта составляет ~1,5 м. Как было сказано, при расчетах длина столба не играет существенной роли в перераспределении напряжений и деформаций в углепородном массиве. Рассмотрим состояние на конечный момент отработки. Более детальный анализ предполагает учет постепенного продвижения забоя лавы.
Рассмотрим распределение деформационных параметров вдоль прямых, расположенных в кровле пласта на различных расстояниях от него (Ь = 1, 5, 10 м) и на различных расстояниях от начального положения забоя (а = 100 — 500 м). На рисунке показана одна из таких прямых при значениях параметров а = 200 м и Ь = 5 м.
Для примера на рис. 13 приведено распределение вертикальных смещений по этой линии. Вертикальные отрезки при х = 500 м и х = 1000 м показывают границы отработанной области. Отметим, что при 650 м < х < 850 м имеет место «плоское дно» кривой смещения на уровне ~1,5 м, что свидетельствует о полной посадке кровли на этом участке. При этом на участках 500 м < х < 650 м и 850 м < х < 1000 м наблюдается зависание кровли.
Заранее длина этих участков неизвестна, она находится в процессе решения задачи автоматически в рамках следующего алгоритма. Изначально выработанное пространство в массиве мо-
Рис. 13. Распределение вертикальных смещений по выделенной прямой Fig. 13. Distribution of vertical displacements along the specified straight line
делируется узкой выработкой размерами 500*1000*1,5 м, т.е. по размерам полного выработанного пространства. На следующем этапе ко всем границам этого объема прикладываются исходные напряжения, действующие по этим границам, но с противоположным знаком. С использованием пакета ANSYS выполняется расчет, и получаются дополнительные напряжения во всем расчетном объеме, а также и соответствующие смещения. Однако их величины такие, что происходит наложение и взаимное проникновение друг в друга пород кровли и почвы, т.е. взаимное перемещение кровли и почвы превышает мощность пласта, 1,5 м. Для предотвращения этого на поверхностях кровли и почвы следует воспользоваться инструментом CONTACTS, входящим в пакет, и расположить на них контакты типа bonded. Это позволит избежать взаимного проникновения различных частей расчетной области друг в друга в тех местах, где они контактируют из-за деформации области в целом. Тем самым выделится область контакта кровли и почвы вы-
работки и области зависания кровли, которые в рассматриваемом случае имеют протяженность ~150 м. Отметим, что эта схема деформирования может реализоваться при наличии упругой и прочной кровли и отсутствии мероприятий по принудительной посадке кровли. В этом случае должна быть использована другая геомеханическая модель.
Рис. 14 иллюстрирует распределение вертикальных дополнительных напряжений по этой же прямой. Отметим важность этого параметра, так как он определяет в конечном итоге распределение проницаемости в породах кровли, тем самым и массоперенос метана в углепородном массиве и приток его в выработанное пространство.
При этом определяющее значение имеет участок в пределах 500 — 1000 м, т.е. над выработанным пространством, где полные напряжения понижены в сравнении с исходными и могут быть близки к нулю. Горизонтальная линия на рисунке определяет уровень исходных вертикальных напряжений, и полные напряжения равны разности между
[Ра] 0
1,455е-7
8е_6 4е_6 О
-4е_6 -1 0953е~7
О 250 500 750 1000 1250 [т] 1500
Рис. 14. Распределение дополнительных и полных вертикальных напряжений по выделенной прямой Fig. 14. Distribution of extra and total vertical stresses along the specified straight line
этой прямой и графиком. Эта величина определяет уровень посадки кровли на почву и обрушенные породы. При полной посадке эта разность должна быть равна нулю. В данном случае здесь действуют сжимающие напряжения, связанные с отпором со стороны почвы, но примерно в 4 раза меньше исходных, что приводит к существенному увеличению проницаемости [28]. За пределами рассмотренного участка сохраняется исходное напряженное состояние и практическое отсутствие проницаемости.
Расчет проницаемости
Рассмотрим некоторые соотношения, позволяющие оценить проницаемость пород массива, возникающую в результате техногенного вмешательства в виде подземной отработки участка угольного пласта. При этом будем исходить из результатов [28], полученных обобщением экспериментальных данных многочисленных исследователей.
Можно полагать, что относительная проницаемость породы описывается соотношением
кг- -I
1 -а[1 - ехр (-Ра)] (2)
к0
где к, к0 — проницаемость породы и ее же проницаемость в разгруженном состоянии; а, в —экспериментальные постоянные; а — напряжение.
Из (2) следует, что при величине напряжения
1
ас =— 1л I 1--
Р
1
а
(3)
значение проницаемости становится равным нулю. Будем считать, что она также равна нулю и при больших напряжениях.
Заметим, что для формирования проницаемости в первую очередь важны трещины растяжения, при котором происходит расхождение берегов. В связи с
этим в качестве параметра, характеризующего напряженное состояние в (2), следует выбрать первый инвариант напряжений как параметр, отвечающий за объемное деформирование.
Изоповерхности (или изолинии в плоском случае) а = ас, будут оконту-ривать в массиве области с ненулевой проницаемостью, величина которой будет определяться в соответствии с (2).
Выводы
Проведенные исследования посвящены описанию основных принципов построения алгоритма, который оценивает изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород в результате развития горных работ при отработке угольного пласта на шахте им. С.М. Кирова. Целью работ было нахождение напряженно-деформированного состояния углепородного массива в кровле отрабатываемого угольного пласта. Исходя из имеющихся планов, разрезов и сечений массива, был разработан алгоритм построения геомеханической модели и построены варианты пространственной модели, включающей угольные пласты Болдыревский и Поленовский, породы кровли и почвы от дневной поверхности до глубины в 1500 м с учетом взаимного расположения геологических тел, в том числе раз-ломных зон. При этом использовалась сплайновая аппроксимация криволинейных границ и поверхностей.
Для различных вариантов построенной модели были заданы нагрузки, граничные условия и проведен предварительный расчет параметров напряженно-деформированного состояния. Анализ результатов показал работоспособность модели и адекватность полученных результатов.
Построенная геомеханическая модель была в конечном итоге использована для расчета напряженно-дефор-
мированного состояния углепородного массива и угольного пласта как вблизи зоны ведения очистных работ, так и в кровле выработанного пространства. Последнее может являться источником метана, поступающего из пород меж-дупластья и сопутствующих угольных пластов. В связи с этим оценка их напряженно-деформированного состояния, а также оценка формирующейся в них проницаемости является важной частью обеспечения безопасности горных работ.
Любая геомеханическая модель включает в себя физико-механические характеристики слагающих массив пород. Использование их табличных значений приводит, как правило, к неверным результатам расчета, т.е. значения этих параметров должны быть каким-либо образом скорректированы. Это осуществляется в процессе калибровки модели по имеющимся натурным наблюдениям. В качестве таковых были использованы данные по оседанию дневной поверхности, замеренные при отработке лав 2458 и 2459.
Построение аналитических зависимостей для оседаний дало возможность выявить природу деформирования налегающего массива. Это, в свою оче-
редь, позволило сделать предположение об индуцированной горными работами деформационной неоднородности налегающего массива. В итоге итерационной процедуры последовательных решений задачи найдены некие «эффективные» значения деформационных параметров, при использовании которых в расчетах получено приемлемое совпадение расчетных и замеренных смещений дневной поверхности. Такая неоднородность, видимо, отражает различие свойств пород над выработанным пространством и вне его, что обусловлено техногенным воздействием. Породы над выработками частично разгружены от горного давления, что приводит к раскрытию трещин и расслоению, и, как следствие, к потере упругих и прочностных свойств.
Использование полученных параметров в разработанной Ю модели массива позволяет считать, что эта модель адекватно описывает напряженно-деформированное состояния массива в любой его части, затронутой горными работами.
Полученные результаты исследования являются базовыми для разработки перспективных направлений методологических и научных исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ремезов А. В., Костинец И. К., Харитонов В. Г., Рябков Н. В., Жаров А. И., Климов В. В., Харитонов И.Л., Новоселов С. В. Горное давление. Его проявления при ведении горных работ в массиве горных пород: монография. - Кемерово, 2013. - 682 с.
2. Кузнецов С. В., Трофимов В. А. Метод оценки расслоения пород кровли протяженной очистной выработки / Труды конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2009.
3. Макаров П. В., Евтушенко Е. П., Еремин М. О. Эволюция напряженно-деформированного состояния горного массива с выработками. Математическое моделирование: монография. - Томск: Издательский Дом ТГУ, 2016. - 184 с.
4. Makarov P. V., Eremin M. O. Rock mass as a nonlinear dynamic system. Mathematical modeling of stress-strain state evolution in the rock mass around a mine opening // Physical Mesomechanics. 2018. Vol. 21. No 4. Pp. 293-296.
5. Jia-wen Zhou, Xing-guo Yang, Zhaohui Yang, Hongtao Li, Hong-wei Zhou Micromechan-ics damage modeling of brittle rock failure processes under compression // International Journal of Computational Methods. 2013. Vol. 10. No 6. Pp. 1-18.
6. Wilkins M. L, Hillebrandt W, Orszag S.A., Hussaini Y, Meiron D. I., Norman M. L, Glowinski R, HoltM, Rusanov V. V., Roesner K. G, KilleenJ, Keller H. B, Chattot J. J, HutP. Computer simulation of dynamic phenomena, Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 1999, 246 р.
7. Randles P. W, Libersky L. D. Smootred particle hydrodynamics: some recent implements and applications // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 1996. Vol. 139. No 1-4. Pp. 375-408.
8. Gray J. P, Monaghan J. J. Numerical modelling of stress fields and fracture around magma chambers // Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2004. Vol. 135. No 3. Pp. 259-283.
9. Харитонов И.Л., Ремезов А. В. Исследование опорного давления при подвигании очистного забоя пологих угольных пластов на ранее пройденные выработки // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2016. - № 4. - С. 292-299.
10. Харитонов И.Л., Ремезов А. В. Разработка алгоритмов расчета параметров опорного давления при пересечении передовых горных выработок и въезде очистного забоя в демонтажные камеры // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2016. - № 2. - С. 47-55.
11. Никольский А. М, Неверов А. А., Неверов С. А., Шинкевич М. В. Оценка напряженного состояния массива пород при подходе лавы к демонтажной камере // ФТПРПИ. -2008. - № 5(69). - С. 23-27.
12. Жданкин А. А., Жданкин Н. А. Пространственное напряженно-деформированное состояние массива в районе сопряжений выемочных штреков с лавой //ФТПРПИ. -1985. - № 4.
13. Катков Г. А., Журило А. А. О механизме формирования горного давления и взаимодействия механизированных крепей с труднообрушаемой кровлей // Вопросы горного давления. - 1979. - № 37.
14. Ремезов Ф. В., Новоселов С. В. Теоретические и методические вопросы определения параметров опорного давления в горных выработках и практика их применения // Уголь. - 2018. - № 6. - С. 21-25.
15. Торро В. О., Ремезов А. В., Климов В. В., Дедиков Е. А. Факторы оценки устойчивости демонтажных камер при формировании их очистным забоем // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2017. - № 6. - С. 47-53.
16. Кравченко К. В., Бабец Д. В. Геомеханические явления при отработке конечных участков лав струговыми комплексами. - Днепропетровск: НГУ, 2015. - 108 с.
17. Хозяйкина Н. В. Обрушение пород кровли в лавах пологопадающих угольных пластов: монография. - Днепропетровск: НГУ, 2012. - 127 с.
18. Цветков А. Б., Павлова Л. Д., Фрянов В. Н. Выявление закономерностей изменения геомеханического состояния массива горных пород при многоштрековой подготовке и отработке выемочного участка // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. -2017. - Т. 4. - № 2. - С. 182-186.
19. Трофимов В. А., Малинникова О. Н., Филиппов Ю. А. Оценка расслоения пород кровли при отработке угольного пласта // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2016. - № 2. - С. 119-126.
20. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений. - М.: Недра, 1978. - 494 с.
21. Муллер Р. А. Влияние горных выработок на деформацию земной поверхности. -М.: Углетехиздат, 1958.
22. Кузнецов С. В., Трофимов В. А. Экспериментально-аналитическое описание мульды сдвижения земной поверхности / Маркшейдерия Казахстана: состояние и перспективы. Труды Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения А.Ж. Машанова. - Алматы: КазНТУ им. К.И. Сатпаева, 2006. -С. 117-123.
23. Кузнецов С. В., Трофимов В. А. Приближенный метод оценки параметров мульды оседания земной поверхности // Горный журнал Казахстана. - 2006. - № 7.
24. Кузнецов С. В., Трофимов В. А. Деформирование массива горных пород при выемке пологопадающей пластообразной залежи твердых полезных ископаемых // ФТПРПИ. -2007. - № 4. - С. 1-22.
25. Makeeva T. G., Trofimov V.A. Forecasting parameters of earth surface subsidence to assess safe operation of engineering structures // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 117. Article 00107. DOI: 10.1051/matecconf/201711700170.
26. Makeeva T. G., Trofimov V.A. Earth surface subsidence caused by arbitrary underground mining // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 365, No 4. Article 042025. DOI: 10.1088/1757-899X/365/4/042025.
27. Trubetskoi K. N., lofis M.A., Kuznetsov S. V, Trofimov V.A. Basic regularities governing the subsidence of undermined rock strata and deflection of hanging roof at shallow and great depths // Journal of Mining Science. 1999. Vol. 35. No 3. Pp. 209-215.
28. Zakharov V. N., Malinnikova O. N., Trofimov V.A., Filippov Yu.A. Effect of gas content and actual stresses on coalbed permeability // Journal of Mining Science. 2016. Vol. 52. No 2. Pp. 218-225. ЕШ
REFERENCES
1. Remezov A. V., Kostinets I. K., Kharitonov V. G., Ryabkov N. V., Zharov A. I., Klimov V. V., Kharitonov I. L., Novoselov S. V. Gornoe davlenie. Ego proyavleniya pri vedenii gornykh rabot v massive gornykh porod: monografiya [Mining pressure. Its manifestations in the conduct of mining operations in the rock mass: monograph], Kemerovo, 2013, 682 p.
2. Kuznetsov S. V., Trofimov V. A. Method of assessing the stratification of the roof rocks of the extended cleaning development. Trudy konferentsii «Geodinamika i napryazhennoe sostoy-anie nedrZemli» [Proceedings of the conference «Geodynamics and the stress state of the earth's interior»], Novosibirsk, IGD SO RAN, 2009. [In Russ].
3. Makarov P. V., Evtushenko E. P., Eremin M. O. Evolyutsiya napryazhenno-deformirovan-nogo sostoyaniya gornogo massiva s vyrabotkami. Matematicheskoe modelirovanie: monografiya [Evolution of stresses and strains in rock mass with openings. Mathematical modeling: monograph], Tomsk, Izdatel'skiy Dom TGU, 2016, 184 p.
4. Makarov P. V., Eremin M. O. Rock mass as a nonlinear dynamic system. Mathematical modeling of stress-strain state evolution in the rock mass around a mine opening. Physical Meso-mechanics. 2018. Vol. 21. No 4. Pp. 293-296.
5. Jia-wen Zhou, Xing-guo Yang, Zhaohui Yang, Hongtao Li, Hong-wei Zhou Micromechan-ics damage modeling of brittle rock failure processes under compression. International Journal of Computational Methods. 2013. Vol. 10. No 6. Pp. 1-18.
6. Wilkins M. L., Hillebrandt W., Orszag S. A., Hussaini Y., Meiron D. I., Norman M. L., Glowinski R., Holt M., Rusanov V. V., Roesner K. G., Killeen J., Keller H. B., Chattot J. J., Hut P. Computer simulation of dynamic phenomena. Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 1999, 246 р.
7. Randles P. W., Libersky L. D. Smootred particle hydrodynamics: some recent implements and applications. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 1996. Vol. 139. No 1-4. Pp. 375-408.
8. Gray J. P., Monaghan J. J. Numerical modelling of stress fields and fracture around magma chambers. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2004. Vol. 135. No 3. Pp. 259-283.
9. Kharitonov I. L., Remezov A. V. Abutment pressure on earlier mined-out roadways during longwall advance in flat-pitching coal seams. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2016, no 4, pp. 292-299. [In Russ].
10. Kharitonov I. L., Remezov A. V. Investigation of the reference pressure when moving the stope of flat coal seams to the previously completed workings. Vestnik Kuzbasskogo gosudarst-vennogo tekhnicheskogo universiteta. 2016, no 2, pp. 47-55. [In Russ].
11. Nikol'skiy A.M., Neverov A. A., Neverov S. A., Shinkevich M. V. Assessment of the stress state of the rock mass at the approach of lava to the demolition chamber. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2008, no 5(69), pp. 23-27. [In Russ].
12. Zhdankin A. A., Zhdankin N. A. Spatial stress-strain state of the massif in the area of conjugation of excavation drifts with lava. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 1985, no 4. [In Russ].
13. Katkov G. A., Zhurilo A. A. On the mechanism of formation of rock pressure and the interaction of mechanized roof supports with a hard-to-damage roof. Voprosy gornogo davleniya. 1979, no 37. [In Russ].
14. Remezov F. V., Novoselov S. V. Theoretical and methodological issues of determining the parameters of the reference pressure in mine workings and the practice of their application. Ugol'. 2018, no 6, pp. 21-25. [In Russ].
15. Torro V. O., Remezov A. V., Klimov V. V., Dedikov E. A. Factors for assessing the stability of dismantling chambers during the formation of their clearing face. Vestnik Kuzbasskogo gosu-darstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2017, no 6, pp. 47-53. [In Russ].
16. Kravchenko K. V., Babets D. V. Geomekhanicheskie yavleniya pri otrabotke konechnykh uchastkov lav strugovymi kompleksami [Geomechanical phenomena during the development of the final sections of love bands by plow complexes], Dnepropetrovsk, NGU, 2015, 108 p.
17. Khozyaykina N. V. Obrushenie porod krovli v lavakh pologopadayushchikh ugolnykh plastov. monografiya [Roof falls in longwalls in flat-pitching coal seams: monograph], Dnepropetrovsk, NGU, 2012, 127 p.
18. Tsvetkov A. B., Pavlova L. D., Fryanov V. N. Detection of regularities in variation in geomechanical behavior of rock mass during multi-roadway preparation and mining of an extraction. Fundamental'nye i prikladnye voprosy gornykh nauk. 2017, vol. 4, no 2, pp. 182-186. [In Russ].
19. Trofimov V. A., Malinnikova O. N., Filippov Yu.A. Stratification assessment in roof rocks in coal seam mining. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2016, no 2, pp. 119-126. [In Russ].
20. Kratch G. Sdvizhenie gornykh porod i zashchita podrabatyvaemykh sooruzheniy [Movement of rocks and protection of underworked structures], Moscow, Nedra, 1978, 494 p.
21. Muller R. A. Vliyaniegornykh vyrabotokna deformatsiyuzemnoypoverkhnosti[Влияние горных выработок на деформацию земной поверхности], Moscow, Ugletekhizdat, 1958.
22. Kuznetsov S. V., Trofimov V. A. Experimental and analytical description of subsidence trough on ground surface. Marksheyderiya Kazakhstana: sostoyanie i perspektivy. Trudy Mezh-dunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, posvyashchennoy 100-letiyu so dnya rozh-deniya A.Zh. Mashanova [Surveying Of Kazakhstan: status and prospects. Proceedings of the International scientific and practical conference dedicated to the 100th anniversary of the birth of A.Zh. Mashanov], Almaty, KazNTU im. K.I. Satpaeva, 2006, pp. 117-123.
23. Kuznetsov S. V., Trofimov V. A. Method of approximate estimate of subsidence trough parameters on ground surface. Gornyizhurnal Kazakhstana. 2006, no 7. [In Russ].
24. Kuznetsov S. V., Trofimov V. A. Deformation of a rock mass during excavation of a flat sheet-like hard mineral deposit. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2007, no 4, pp. 1-22. [In Russ].
25. Makeeva T. G., Trofimov V.A. Forecasting parameters of earth surface subsidence to assess safe operation of engineering structures. MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 117. Article 00107. DOI: 10.1051/matecconf/201711700170.
26. Makeeva T. G., Trofimov V. A. Earth surface subsidence caused by arbitrary underground mining. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 365, No 4. Article 042025. DOI: 10.1088/1757-899X/365/4/042025.
27. Trubetskoi K. N., Iofis M. A., Kuznetsov S. V., Trofimov V. A. Basic regularities governing the subsidence of undermined rock strata and deflection of hanging roof at shallow and great depths. Journal of Mining Science. 1999. Vol. 35. No 3. Pp. 209-215.
28. Zakharov V. N., Malinnikova O. N., Trofimov V. A., Filippov Yu. A. Effect of gas content and actual stresses on coalbed permeability. Journal of Mining Science. 2016. Vol. 52. No 2. Pp. 218-225.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Захаров Валерий Николаевич1 — член-корр. РАН,
д-р техн. наук, профессор, директор института,
Шляпин Алексей Владимирович1 — канд. техн. наук,
зам. директора по научной работе, e-mail: Shlyapin@mail.ru,
Трофимов Виталий Александрович1 — д-р техн. наук, зав. лабораторией,
Филиппов Юрий Алексеевич1 — канд. техн. наук, старший научный сотрудник,
1 Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
Для контактов: Шляпин А.В., e-mail: Shlyapin@mail.ru.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
V.N. Zakharov1, Corresponding Member of Russian Academy of Sciences, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Director of Institute,
A.V. Shliypin1, Cand. Sci. (Eng.), Deputy Director for Research, e-mail: Shlyapin@mail.ru, V.A. Trofimov1, Dr. Sci. (Eng.), Head of Laboratory, Yu.A. Filippov1, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher,
1 Institute of Problems of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences, 111020, Moscow, Russia. Corresponding author: A.V. Shliypin, e-mail: Shlyapin@mail.ru.
Получена редакцией 03.07.2020; получена после рецензии 07.08.2020; принята к печати 20.08.2020. Received by the editors 03.07.2020; received after the review 07.08.2020; accepted for printing 20.08.2020.
A_
ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК)
РЕВИТАЛИЗАЦИИ ТЕХНОГЕННО-НАРУШЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ЮЖНОГО УРАЛА
(2020, № 1, СВ 6, 52 с.) Тимофеева С.С., Ульрих Д.В., Тимофеев С.С.
Выполнена паспортизация накопленного экологического ущерба в районах добычи и переработки медных руд на Южном Урале. Оценены перспективы использования фитотехнологий для экологической реабилитации загрязненных почв г. Карабаш. В качестве растений аккумуляторов металлов предложены травянистые и кустарниковые растения. Предложена технология ревитализации загрязненных почв на основе технологии фитомайнинга, включающая следующие основные операции: подготовительные, земляные и планировочные работы; укладка биополотна (биомата), полив, сжигание растительного сырья с получением биоруды, выплавка металла из руды. Применительно к условиям Южного Урала рекомендовано использование для целей ревитализации барбариса и бузины. Для очистки поверхностных сточных вод от тяжелых металлов с целью реабилитации водных объектов предложено использование биологических прудов и сорбционно-габионных модулей.
Ключевые слова: техногенно-нагруженные территории, добыча медных руд, прошлый экологический ущерб, ревитализация, фиторемедиация, фитомайнинг, тяжелые металлы, загрязненные почвы, биоматы, сорбционно-габионный модуль.
REVITALIZATION OF TECHNOGENIC-DISTURBED TERRITORIES OF SOUTHERN URALS
S.S. Timofeeva, D.V. Ul'rih, S.S. Timofeev
Certification of accumulated environmental damage in the areas of mining and processing of copper ores in the southern Urals was performed. The prospects of using phytotechnologies for ecological rehabilitation of contaminated soils in the city of Karabash are evaluated. Herbaceous and shrubby plants are suggested as metal accumulator plants. The proposed technology for the revitalisation of contaminated soils based on the technology of phytomining that includes the following basic operations: preparation, excavation and grading; laying biopolicy (biomat), watering, burning of plant material with obtaining borody, smelting metal from ore. In relation to the conditions of the southern Urals, the use of barberry and elderberry for the purposes of revitaliza-tion is recommended. The use of biological ponds and sorption-gabion modules is proposed for the treatment of surface wastewater from heavy metals in order to rehabilitate water bodies.
Key words: technogenic-loaded territories, copper ore mining, past environmental damage, revitalization, phytoremediation, phytomining, heavy metals, polluted soils, biomates, sorption-gabion module.
