Мониторинг промышленной безопасности природно-технических систем при подземной разработке железорудных месторождений Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Б.А. Храмцов, И.В. Дивиченко, 2007

УДК 622.8

Б.А. Храмцов, И.В. Дивиченко

МОНИТОРИНГ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

В Российской Федерации более 57 % от общероссийских разведанных запасов железных руд сосредоточено в регионе КМА. Бурное развитие различных отраслей промышленности привело к увеличению производства товарных железных руд, а следовательно и к увеличению объемов добычи железистых кварцитов.

В связи с этим в регионе КМА активно разрабатываются месторождения железных руд Стойленское, Лебединское, Яковлевское, Коробковское, Гостищевское. Разработка железорудных месторождений осуществляется как открытым, так и подземным способом. В настоящее время перспективным тех-нологическим решением при разработке месторождений, залегающих на больших глубинах (600-900 м) является способ скважинной гидравлической добычи.

Разработка железорудных месторождений приводит к изменениям и нарушениям в геологической среде, которая является составной частью окружающей среды.

Одним из ярких примеров воздействия человека на окружающую среду региона КМА является шахта им. Губкина ОАО «Комбинат КМАруда». В результате производственной деятель-ности при отработке Коробковского месторождения желези-стых кварцитов подземным способом на шахте им. Губкина ОАО «Комбинат КМАруда» сформировались выработанные камеры-пустоты объемом более 43 млн. м3. Разработка место-рождения оказывает прямое воздействие на геологическую среду, земную поверхность и расположенные на ней здания и сооружения. Это обусловлено понижением

уровня грунтовых вод и перераспределением напряженно-деформированного состояния в массиве горных пород.

Рис. 1. Схема взаимодействия технической системы с окружающей средой при подземной разработке железорудных месторождений:

1 - техническая система; 2 - здания и сооружения; 3 - подземные выработки; 4 - граница зоны влияния ПТС на окружающую среду; 5 - геологическая среда; 6 - окружающая среда

Совокупность технической системы (ТС) (подземные горные выработки, здания и сооружения) и зоны ее влияния на окружающую среду, имеющую операциально фиксированные границы называется природно-технической системой (ПТС). Взаимодействие технической системы с окружающей средой при подземной разработке железорудных месторождений представлено в виде схемы на рис. 1.

Граница ПТС выбирается в проектах на разработку месторождений полезных ископаемых так, чтобы ограничить изменение окружающей среды под воздействием технической системы в некотором оптимальном диапазоне по заранее выбранным критериям оптимальности, которые регламентируются нормативно-технической документацией (правила, СНиПы, СанПины, методические указания, рекомендации). Эти границы называют «гомеостатическими». Наруше-

ние гомеостатических границ может привести к: прорыву воды в горные выработки и затоплению шахты; выходу обрушения на земную поверхность в виде воронок и провалов; разрушению промышленных и природных объектов, нарушению их нормальной эксплуатации; оседанию земной поверхности, загрязнению атмосферного воздуха и т. д.

В связи с расширением масштабов разработки железо-руд-ных месторождений в регионе КМА и водопонижением уровня подземных водоносных горизонтов особое значение приобретает проблема сдвижения горных пород, а следовательно и мониторинг промышленной безопасности ПТС при подземной разработке железорудных месторождений.

Точная характеристика роли и места сдвижения горных пород в развитии подземной разработки полезных ископаемых дана И.М. Бахуриным: «Сдвижение пород в руднике является одним из основных затруднений при добыче полезного иско-паемого. Оно же является одной из основных угроз безопасному ведению горных разработок: оно ломает крепление, уменьшает полезное сечение выработок, а иногда и совершенно заваливает их. Мы не ошибемся, если скажем, что вся история горного дела, вся история изыскания наилучших систем разработок есть история борьбы со сдвижением горных пород» [1].

В соответствии с Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», производ-ственные объекты на которых ведутся горные работы относят-ся к категории опасных. Организация, эксплуатирующая опасный производственный объект, обязана обеспечивать проведе-ние экспертизы промышленной безопасности зданий, а также проводить диагностику, испытания, освидетельствование со-оружений, изучение особенностей эксплуатационного, климатического и горно-гидрогеологического состояния ПТС.

Все это говорит о необходимости осуществлять непрерывный контроль за функционированием ПТС при подземной разработке железорудных месторождений. Такой контроль обеспечивается системой мониторинга промышленной безопасности ПТС.

Общая структурная схема мониторинга промышленной безопасности природно-технической системы при подземной разработке железорудных месторождений, представлена на рис. 2.

Главной целью мониторинга промышленной безопасности ПТС является установление тенденций безопасного существования ПТС или ее части и на основе этого принятия управляющих решений по оптимизации функционирования ПТС.

Мониторинг промышленной безопасности ПТС конкретизируется в его целевой программе, в которую включаются наблюдения за состоянием зданий, сооружений и промышленных объектов; наблюдения за техногенными и природными измене-ниями геологической среды, прежде всего за изменениями, происходящими в результате тех экзогеодинамиче-ских про-цессов, характеристическое время которых сопоставимо с периодом жизни ПТС.

Суть и содержание мониторинга ПТС составляет система целенаправленной инженерной деятельности, состоящей из упорядоченного набора процедур, организованного в циклы: наблюдений, оценки состояния окружающей среды по ре-зуль-татам наблюдений, прогноза развития ПТС и управления. На новом цикле наблюдения дополняются новыми данными и далее циклы повторяются на новом временном отрезке.

Таким образом, мониторинг ПТС представляет собой сложно построенную, циклически функционирующую и развивающуюся во времени по спирали постоянно действующую систему.

Для примера рассмотрим мониторинг промышленной безопасности геологических и инженерно-геологических процессов при подземной разработке Коробковского месторождения железистых кварцитов шахтой им. Губкина ОАО «Комбинат КМА-руда», который является одним из объектов мониторинга ПТС при подземной разработке железорудных месторождений. Подземным горным работам всегда сопутствуют техногенные геологические процессы четырех типов: геоморфологические, гидрогеологические, литогенетические и экзогеодинамические.

Наиболее важными по своему влиянию на геологическую среду являются гидрогеологические и экзогеодинамические процессы, что нашло отражение в утвержденной Министерством природных ресурсов «Концепции государственного мониторинга геологической среды» (ГМГС).

В соответствии с этой концепцией мониторинг представляет собой систему регулярных наблюдений, оценки состояния геологической среды под воздействием природных и техногенных факторов. ГМГС - информационная система, обеспечивающая получение, сбор, хранение, поиск, передачу, обработку больших объемов разнообразной информации о геологической

Мониторинг промышленной безопасности ПТС

Функциональная система

Сбор информации

Оценка информации

Прогнозирова-

ние

г

Рекомендации по управлению

Объекты мониторинга

т

1 ІЗ § I

св м

2 « р О

^ я

■2 ^ Я Ю

О я

*

Производственная база

Наблю- дения Съемочные работы Лабораторные работы Моделиро- вание

і к к

Система научно-методических разработок

Норматив- Методики и Методики Методики

но-техни- программы оценки прогнозов

ческая до- наблюдений

кумента-

Рис. 2. Общая структурная схема мониторинга промышленной безопасности природно-технической системы при подземной разработке железорудных месторождений

среде, содержащей количественные и качественные данные, картографический материал. Это должна быть информационно-компьютерная система со специализированным программно-математическим обеспечением. Организация мониторинга должна соответствовать целевой установке и вытекающей из нее задачи. Вид, интенсивность и масштаб-проявление экзогеодинамических процессов в массиве горных пород при подземной разработке железорудных месторождений региона КМА, определяется целым рядом факторов:

- напряженно-деформированным состоянием горного массива;

- структурой массива горных породы;

- физико-механическими свойствами горных пород;

- системой подземной разработки;

- конструктивными элементами системы разработки;

- площадью подработанного массива и обнажениями пород в выработках;

- технологией ведения взрывных работ.

Схема мониторинга экзогеодинамических процессов и влияющих на них факторов при подземной разработке Ко-робковского месторождения железистых кварцитов шахтой им. Губкина ОАО «Комбинат КМАруда» представлена на рис. 3.

В рамках мониторинга экзогеодинамических процессов рекомендуется создание и ведение трех постоянно дейст-вую-щих информационно-динамических (компьютерных) моделей - геодинамической, прогнозно-деформационной и геомеханической.

Геодинамическая модель горного массива отражает его напряженно-деформированное состояние. Она является аналитической, информационную основу которой составляет план и разрезы инженерно-геологического районирования массива и база данных физико-механических характеристик горных пород. Напряженно-деформированное состояние массива отображается в изолиниях смещений и напряжений в заданных вертикальных и горизонтальных сечениях.

Геодинамическая модель показывает объемную картину напряженно-деформированного состояния массива на любую

дату (ретроспективную, например, до начала разработки, актуальную и прогнозную).

Степень реалистичности модели определяется тем, насколько адекватны природным особенностям массива применяемые в модели схема инженерно-геологической блокировки, результаты физико-механических испытаний пород, а также схема нагрузки модели.

Прогнозно-деформационная модель призвана дать интегральную картину устойчивости подземных горных выработок и сдвижений земной поверхности.

Геомеханические модели являются локальными для от-дель-ных отработанных камер, целиков, потолочин. Они строятся на основе материалов инженерно-геологической съемки этих участков и результатов режимных визуальных геодезических и магнитометрических наблюдений

На основе упомянутых моделей с учетом сейсмического воздействия технологических взрывов на массив разрабатываются расчетные схемы для оценки устойчивости подземных горных выработок, даются рекомендации и уточняется технология дальнейшей разработки месторождения.

Данная схема мониторинга внедрена и функционирует на шахте им. Губкина ОАО «Комбинат КМАруда». Также для маркшейдерской служб была разработана «Автоматизированная система экзогеодинамического мониторинга» (АСЭМ) для наблюдения за деформациями целиков и потолочин отработанных камер с использованием электронного тахеометра Trimble 5600SDR200+ снабженного импульсным светодаль-номером.

Данная АСЭМ позволяет автоматизировать вычисления и оформление отчетной маркшейдерской документации по наблюдению за деформациями целиков и потолочин отработанных камер. В ней предусмотрено:

- удобный интерфейс пользователя;

- возможность ввода первичных данных;

- удобный способ редактирования;

- введение измеренных данных из полевых журналов в память ЭВМ при помощи клавиатуры;

- автоматическое считывание данных непосредственно с электронного тахеометра Trimble 5600SDR200+, либо из памяти ЭВМ;

- возможность просмотра результатов решения задачи;

- возможность просмотра трехмерной модели и разрезов отработанной камеры;

- распечатка результатов маркшейдерских замеров на листах формата А3;

- комплектование отчетной маркшейдерской документации по результатам замеров;

- ведение базы данных результатов маркшейдерских съемок;

- ведение базы данных нормативно-правовой документации;

- поиск в базе данных результатов маркшейдерской съемки;

- прогнозирование и оценка деформации.

АСЭМ прошла опытную проверку в условиях производства на ОАО «Комбинат КМАруда» и была протестирована на данных, полученных при съемке камеры № 18/6-ю с помощью электронного тахеометра Trimble 5600SDR200+.

АСЭМ состоит из четырех блоков:

• информационной базы данных;

• блока обработки инструментальных данных маркшейдерской съемки отработанных камер;

• блока визуализации отработанных камер;

• блока оценки безопасного состояния отработанных камер.

Структура АСЭМ экзогеодинамического мониторинга на

шахте им. Губкина представлена на рис. 4.

В информационной базе данных (АСЭМ) содержатся законы и нормативно правовые документы, регламентирующие безопасное ведение подземных горных работ, а также проектные координаты отработанных камер и результаты ранее выполненных маркшейдерских съемок.

В блоке обработки инструментальных данных маркшейдерской съемки отработанных камер, выполненной с использованием электронного тахеометра Trimble 5600SDR200+, снабженного импульсным светодальномером для безотражательно-го метода измерения до 400 м, производится обработка резуль-

татов съемки и определяются отклонения фактических данных от проектных.

В блоке визуализации отработанных камер осуществляется построение 3D моделей камер, что позволяет наглядно отобразить зоны разрушения междупанельных, меж-дукамерных и предохранительных потолочных целиков.

По результатам предыдущей и текущей маркшейдерской съемок в блоке оценки безопасного состояния отработанных камер определяется уровень деформаций стенок и потолочин отработанных камер, производится прогноз ожидаемого развития об-

Рис. 4. Структура автоматизированной системы экзогеодинами-ческого мониторинга на шахте им. Губкина

рушения, что позволяет определить уровень безопасного ведения подземных горных работ.

Аналогичным образом необходимо разрабатывать систему мониторинга промышленной безопасности для остальных объектов ПТС при подземной разработке железорудных месторождений. В БГТУ им. В.Г. Шухова разработана система мониторинга промышленной безопасности зданий и сооружений находящихся на подработанной территории шахтой им. Губкина ОАО «Комбинат КМАруда».

1. Бахурин И.М. Сдвижение горных пород под влиянием горных разработок. - М. - Л.: Гостопиздат, 1946. - 229 с.

і— Коротко об авторах-----------------------------------------

Храмцов Б.А. - кандидат технических наук, доцент кафедры БЖД, БГТУ им. В.Г. Шухова,

Дивиченко И.В. - ст. преподаватель кафедры БЖД, БГТУ им. В.Г. Шухова.