CC BY
43
----------------------------------------- © Ю.П. Галченко, Г.В. Сабянин,
2011
УДК 622.502
Ю.П. Галченко, Г.В. Сабянин
МЕТОДОЛОГИЯ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ТЕХНОГЕННОМ ИЗМЕНЕНИИ НЕДР В ПРОЦЕССЕ ПОДЗЕМНОГО ОСВОЕНИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
В статье дано теоретическое обоснование нового подхода к построению подземных природоохранных геотехнологий, позволяющих осуществлять инженерную защиту окружающей среды при техногенном изменении недр и частично ликвидирующих последствия экологических воздействий. Описан порядок ведения горных работ и обозначены конкретные способы выемки запасов на каждой стадии отработки месторождения.
Ключевые слова: окружающая среда, месторождение, природоохранные технологии, геотехнология, литосфера.
Систематизация и анализ возможностей реально существующих технологических решений показывает, что управление воздействием подземных горных работ на окружающую среду с целью сохранения естественной биоты Земли, является по своему внутреннему содержанию системой действий по ликвидации последствий применения геотехнологий, выбранных только по техникоэкономическим признакам [1]. Вместе с тем, становится очевидным, что методом введения в геотехнологию новых технологических процессов, в рамках принятых сегодня принципов построения геотехнологий, можно решить каждую отдельную экологическую задачу, но всегда — ценой усложнения других. Это свидетельствует о том, что идею экологической безопасности горного производства необходимо реализовать не в требованиях к технологическим процессам, а заложить в сами принципы построения геотехнологий. Причем эти принципы не должны вступать в антагонистические противоречия с объективными законами функциони-
рования природных биологических систем, являющихся объектами экологической защиты [2].
Все экологические воздействия рождаются в процессе применения тех или иных геотехнологий на различных этапах процесса освоения недр. Это означает, что преодоление этих воздействий и составит сущность инженерной защиты окружающей среды, в состав которой входят технологии и регламенты. По своему содержанию можно выделить два типа (класса) природоохранных технологий: устраняющие причины экологических воздействий и ликвидирующие частично или полностью последствия этих воздействий.
Антропогенное вторжение в литосферу Земли, с целью извлечения полезных ископаемых, кардинально изменяет состояние огромных её участков. Образуется новый литосферный объект — техногенно изменённые недра — окружённый нетронутой литосферой. Внутри этого объёма находится зона техногенного разрушения и зона изменения геомеханического состояния пород ли-
тосферы (геофизический экотон), спровоцированного этим разрушением [3]. Способы и закономерности формирования этого объекта не только определяют количественные, качественные и экономические показатели освоения недр, но и порождают детерминированный ряд геоэкологических последствий, затрагивающих состояние всех геосфер нашей планеты.
Состояние породного массива в структурной основе техногенно измененных недр — зоне техногенного разрушения — определяется особенностями процессов извлечения полезных ископаемых, то есть набором необходимых для этого действий. Для включения части ресурсов литосферы в хозяйственный оборот необходимо обеспечить доступ с земной поверхности к месту залегания полезного участка литосферы, придать его веществу подвижность и доставить это вещество на поверхность Земли. Новое для вещества литосферы свойство — подвижность — может быть обеспечено в рамках применяемых геотехнологий либо дезинтеграцией вещества в заданном объёме (твердые полезные ископаемые), либо изменением его агрегатного состояния (например, выплавка серы), либо созданием условий для миграции полезного компонента — физических (нефть, газ, вода, тепло) или химических (выщелачивание металлов на месте залегания).
Во всех перечисленных случаях обеспечение геомеханической безопасности при освоении недр связано с решением фундаментальной проблемы по преодолению влияния антропогенного разрушения литосферы на процессы, протекающие в её динамических структурах. Это предполагает, с одной стороны, раскрытие закономерностей изменения свойств природных литосферных объектов при техногенном вторжении в них, а с другой — опре-
деление условий, при которых постоянно воспроизводятся устойчивые динамические структуры, не порождающие кардинальных изменений состояния структурных элементов литосферы, включая флюидонесущие горизонты.
Рассмотрение геотехнологий, применяемых для подземной добычи полезных ископаемых, позволяет выделить одну общую для всех случаев особенность развития геотехнологических и геомеханических процессов — добыча полезного ископаемого в зоне техногенного разрушения литосферы и защита этой зоны от последствий геомеханиче-ского возмущения прилегающих участков литосферы всегда совмещены по времени. В связи с этим, очистная выемка неизбежно включает в себя необходимость выполнения дополнительных процессов, обеспечивающих поддержание динамического равновесия всей геотехнической системы. Изменение применяемой геотехнологии или её параметров при изменении геомеханических условий разработки и возникновении опасных проявлений горного давления значительно ограничено. Кроме того, при наличии во вмещающих породах флюидонесущих коллекторов (с водой, нефтью, рассолами или газами), горные работы всегда оказываются незащищенными от их проявлений со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Таким образом, при развитии геотехнологий всегда имеет место локальное противоречие между необходимостью и возможностью изменения геотехнологий при изменении условий разработки, преодоление которого является условием для дальнейшего развития подземной геотехнологии.
Согласно современным представлениям о литосфере, как сплошной среде с разномасштабными неоднородностями, избыточные напряжения (или их эквивалент — неупругие напряжения) на этих неодно-
родностях возникают лишь при конечной скорости деформирования твердого тела и со временем самопроизвольно релаксиру-ют [4]. Скорость релаксации напряжений на неоднородности прямо пропорциональна величине напряжений и обратно пропорциональна размеру неоднородности.
При изменении во времени избыточного напряжения при деформировании какого-то объёма литосферы в начальные моменты времени напряжения на неоднородностях нарастают со временем по линейному закону, в дальнейшем рост напряжений замедляется и на неоднородности каждого размера устанавливается свое напряжение. Чем больше размер неоднородности, тем выше напряжение на ней при заданной скорости деформации, и тем меньше скорость релаксационных процессов. Если тело бесконечно велико (в нашем случае — это участок литосферы, вмещающий месторождение), то размер неоднородности, на которой концентрируется напряжение, равное предельному для данного типа пород напряжению. То есть для тел, размеры которых достаточно велики, деформация с постоянной скоростью будет происходить без разрушения материала, а все возникающие при деформировании напряжения из-за релаксации не смогут вырасти до предельной величины.
Применительно к проблемам подземной разработки месторождений, которая по сути своей есть не что иное, как формирование в литосфере антропогенных неоднородностей с уменьшенной средней плотностью и с возрастающими во времени размерами, все приведенные выше рассуждения означают, что при формировании достаточно крупной неоднородности (отрабатываемого участка) условия воспроизводства устойчивых динамических структур в литосфере будут определяться релаксационными процессами на внеш-
нем контуре неоднородности [4]. Поэтому опережающее формирование этого контура открывает реальную возможность преодоления обозначенного выше локального противоречия за счёт того, что при формировании и развитии зоны техногенного разрушения процессы добычи полезного ископаемого и защиты от последствий геомеханических возмущений литосферы разделяются во времени.
Известно, что опережающая надработка или подработка разрабатываемого массива снижает вертикальную (а точнее нормальную к плоскости обнажения) составляющую напряжений в над- и подработанной частях массива. При этом участки, в которых уровень нормальных напряжений не превышает величину напряжений допустимых, определенную по условиям устойчивости обнажения, считаются разгруженными (или защищенными). Зону защиты в каждых конкретных горно-геологических условиях отстраивают по углам защиты. В надработанной части массива в этом случае наблюдаются деформации растяжения, а напряжения становятся намного меньше первоначальных. Подработанную часть массива можно считать частично защищенной, так как в ней за счет формирования свода естественного равновесия возникают напряжения, пропорциональные параметрам этого свода. При этом углы защиты соответствуют положению касательных, проведенных через точку пяты свода. При выемке рудного тела с закладкой с предварительной надработкой массива по кровле, где защитный слой образуется последовательным проведением выработок с закладкой, картина напряженно-деформированного состояния массива приобретает вид, показанный на рис. 1. Установлено также, что по мере удаления от передовой выработки защитного слоя размеры защищённой зоны уменьшаются пропорционально величине угла защиты р2, вследствие нарастающего влияния го-
Рис. 1. Формирование защищённой зоны при возведении оконтуривающих целиков
ризонтальной составляющей главных напряжений [5]. Поэтому опережающее возведение вертикального оконтуривающего целика по внешнему контуру защищаемой зоны адекватно перемещению границы этой зоны во внешнюю часть массива, что существенно упрощает геомеханические условия разработки основных запасов выемочного участка.
Таким образом, геофизическая идея предлагаемого подхода заключается в выделении зоны техногенного разрушения литосферы из общего поля геофизических изменений состояния массива, за счёт разделения во времени процессов добычи полезного ископаемого и процессов преодоления последствий геоме-ханического возмущения прилежащих участков литосферы.
При реализации этой идеи месторождение (или его часть) сначала разделяются на отрабатываемые участки путём отработки приконтурных запасов этих участков и возведения оконтури-вающих искусственных массивов — верхнего и боковых (рис. 2).
Рис. 2. Схема отрабатываемого участка после возведения оконтуривающих искусственных массивов: 1 — отрабатываемый участок; 2; 3 — соответственно, горизонтальный и вертикальный оконтуривающие искусственные массивы
4
Рис. 3. Последовательность отработки выемочных блоков в пределах отрабатываемого участка: 1 — оконтуривающий искусственный массив; 2 — разделительные искусственные массивы; 3 — фронт перемещения очистных работ в выемочном участке; 4 — выемочные блоки на различных стадиях отработки
Ширина боковых оконтуривающих массивов может быть постоянной (при простом контакте рудного тела с вме-
щающими породами или при возведении массива в руде) или изменяющейся в сторону внешнего контура рудного тела (при сложной форме этого контура). Форма отрабатываемого участка в горизонтальном сечении может быть произвольной, в зависимости от реальной морфологии отрабатываемого рудного тела.
Устойчивость оконтуривающих искусственных массивов на последующих стадиях отработки участка недр обеспечивается путём опережающего разделения общего пролёта подработки на локальные пролёты посредством возведения системы разделительных искусственных массивов (рис. 3). В результате в отрабатываемом участке литосферы возникает пространственная искусственная «каркасная» конструкция, несущая способность которой позволит компенсировать будущие проявления горного давления при отработке основных запасов полезного ископаемого.
С геотехнологической точки зрения такая последовательность работ означает необходимость обязательного применения на разных этапах систем разработки различных классов. Выемка запасов для формирования «каркасной» конструкции возможна только с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями. Так как оконтуривающие и разделительные искусственные массивы можно считать двухмерными телами, у которых два измерения (длина и высота) намного больше третьего (ширины), то технология их возведения, очевидно, должна базироваться на богатом опыте разработки крутопадающих жильных месторождений. При рудах и породах средней, выше средней устойчивости и устойчивых целесообразно ориентироваться на системы разработки с отбойкой руды из подэтажных штреков или восстающих с последующей закладкой твердеющими смесями. Вполне 178
возможно применение системы с магази-нированием руды и последующей закладкой выработанного пространства по окончании генерального выпуска руды. Если руды и породы недостаточно устойчивы, то возведение оконтуривающих и разделительных массивов производят путем выемки руды горизонтальными слоями (восходящими или нисходящими) с твердеющей закладкой.
Отработка основных запасов месторождения начинается после возведения системы оконтуривающих и разделительных массивов и набора закладкой заданной прочности. Образованные выемочные блоки могут быть отработаны с применением известных геотехнологий, выбор и параметры которых в каждом случае будут определяться горно-геологическими и горнотехническими условиями разработки.
Геотехнологическая идея и очевидное преимущество предлагаемой концепции заключается в том, что новые возможности повышения безопасности и производительности труда достигаются путём целенаправленной компоновки во времени и пространстве известных и проверенных горных технологий [6—8].
Вполне очевидно, что общая экономическая эффективность предлагаемых решений обеспечивается за счёт функционально обоснованного сочетания дорогих и малозатратных геотехнологий, когда соотношение между ними определяется геомеханическими условиями.
Применение принципов построения «каркасной» геотехнологии открывает реальные перспективы для решения экологических проблем освоения месторождений:
• опережающее возведение несущей «каркасной» конструкции обеспечивает сохранность налегающей толщи пород и земной поверхности при последующей выемке основных запасов;
• ограждение зоны ведения добычных работ до их начала позволит максимально сохранить водоносные горизонты и защитить горные работы от их влияния;
• формирование выработанного пространства в виде системы искусственно оконтуренных полостей создаёт условия для размещения в них любых видов промышленных или бытовых отходов.
В целом, развитие идей и принципов настоящей концепции открывает реальную перспективу повышения экономической эффективности, промышленной и экологической безопасно-
1. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Сабянин Г.В. Систематизация экологических последствий техногенного изменения недр в процессе их освоения // Геоэкология. — 2008. — № 4 .
— С. 291—300.
2. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Бурцев Л.И. Экологические проблемы освоения недр при устойчивом развитии природы и общества.
— М.: Научтехлитиздат, 2003. — 260 с.
3. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Замесов Н.Ф., Куликов В.И., Родионов В.Н. Структура техногенно-измененных недр // Вестник РАН.
— 2002. — Т. 72. — № 11. — С. 969—975.
4. Родионов В.Н., Сизов И.А., Цветков В.М. Основы геомеханики. — М.: Недра, 1986. — 286 с.
сти подземной разработки месторождений за счёт освобождения геотехнологии отработки большей (основной) части запасов от необходимости выполнения непроизводительных работ по преодолению последствий развития геофизических возмущений в зоне перехода свойств техногенно изменённых недр, путём превентивного создания системы искусственных горнотехнических конструкций, свойства и параметры которых определяются, в каждом случае, реальными особенностями развития гео-механических процессов.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Викторов С.Д., Иофис М.А., Гончаров С.А. Сдвижение и разрушение горных пород.
— М.: Наука, 2005. — 277 с.
6. Trubetskoy К. N.,Galchenko Yu. P., Sabja-nin G. V. Concept of Subsurface Development of Bowels of the Earth on the Basis of «Framework» Geotechnology // 21st World Mining Con gress, session 15. — Poland, Krakow, 2008. — Р. 309317.
7. Галченко Ю.П., Айнбиндер И.И., Сабянин Г.В. и др. О новой концепции развития подземной геотехнологии // Горный журнал. — 2007.
— № 1. — С. 7-10.
8. Галченко Ю.П., Айнбиндер И.И., Сабянин Г.В. и др. Способ подземной разработки месторождений полезных ископаемых. Патент РФ № 2306417; Приоритет 08.07.2005; Опубл. 20.09.2007; Бюл. № 26. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------
Галченко Ю.П. — доктор технических наук, чл.-корр. РЭА ведущий научный сотрудник Учреждения Российской академии наук Института проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (УРАН ИПКОН РАН), e-mail: [email protected];
Сабянин Г.В. — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Учреждения Российской академии наук Института проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (УРАН ИПКОН РАН), e-mail: [email protected].
