CC BY
0
15. Rasskazov I.Yu., Cheban A.Yu., Litvintsev V.S. Analysis of the technical equipment of mining enterprises in Khabarovsk the region and the Jewish Autonomous Region // Mining magazine. 2013. No.2. pp. 30-34.
16. Sekisov A.G., Zykov N.V., Korolev V.S. Dispersed gold: geological and technological aspects. Moscow: Gornaya kniga, 2012. 224 p.
17. Instructions for rationing technological losses of gold during washing of gold-containing sands on washing devices / East. Research Institute of Gold and Rare Metals; comp. N.P. Lavrov, V.V. Milentev, F.F. Umrikhin. Magadan: Kordis, 2004. 19 p.
18. Kulikov V.I., Baiborodin B.A., Yastrebov K.L. Experience in the implementation of modern technologies for the enrichment of gold-bearing sands at enterprises of the Irkutsk region // Bulletin of the IrSTU. 2003. No.2. pp. 63-67.
19. Kavchik B.K., Pyatakov V.G. On improving the efficiency of alluvial gold mining // Mineral resources of Russia. Economics and management. 2005. No.3. pp. 34-44.
20. Method of combined development of gold deposits from placers and man-made mineral formations: pat. 2678344 of the Russian Federation; Publ. 28.01.2019. Byul. No. 4.
21. Experience in the development of buried permafrost placers of gold by borehole hydraulic mining / V.J. Arens, M.I. Fazlulin, A.S. Khrulev, G.H. Hcheyan // GIAB. 2019. No.1. pp. 26-35.
22. Ermakov S.A., Burakov A.M., Kasanov I.S. Minimization of processing volumes of gold-bearing sands of alluvial deposits of Yakutia according to the criterion of the maximum size of substandard raw materials // GIAB. 2014. No.4. pp. 138-149.
УДК 622.062
ОЦЕНКА ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ РИСКОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СТВОЛОВ СПОСОБОМ БУРЕНИЯ
О.Д. Голембо
Для широкого внедрения эффективной технологии строительства вертикальных выработок бурением необходимо решить ряд проблемных вопросов, связанных как с проектным обоснованием технологии, так и с ее практической реализацией. В частности, весьма актуальным является комплексная оценка возникающих при бурении стволов геотехнических рисков. В настоящей публикации выполнен анализ двух основных опасностей аварий, связанных с возможным обрушением горных пород в незакреплённой вертикальной выработке во время или после ее разбуривания на полный диаметр, а также с возникновением технологических отклонений вертикальной оси от проектного положения. Оценка рисков выполнена методами экспертных оценок и математического моделирования.
Ключевые слова: вертикальная выработка, бурение, устойчивость, крепление, геотехнические риски, технологические отклонения.
Введение
Вертикальные стволы сооружаются в первом основном периоде строительства горного предприятия с подземным способом добычи полезного ископаемого. Средние скорости строительства шахтных стволов в Рос-
сии сегодня не превышают 30... 40 м/мес., что значительно ниже темпов проходки горизонтальных и наклонных горных выработок. Только на проходку ствола глубиной 1,0 км затрачивается не менее 30 мес., и это без учета подготовительного и заключительного периодов, достигающих до 60 % от общего времени строительства стволовых комплексов. Производительность труда и уровень механизации основных и вспомогательных процессов также остаются весьма низкими. Достаточно упомянуть, что основной погрузочной машиной при проходке стволов остается комплекс КС-2у/40, широко применявшийся еще в 60-х годах прошлого века [1 - 3].
Проходка при этом ведется преимущественно буровзрывным способом, который не позволяет обеспечить параллельность выполнения двух основных проходческих процессов в забое ствола - собственно буровзрывных работ и уборки породы [4].
Вице-премьером Российской Федерации М.Ш. Хуснуллиным поставлена задача достижения к 2027 г. значительного сокращения инвестиционно-строительного цикла. Как показывает передовой отечественный и зарубежный опыт, это может быть обеспечено за счет широкого внедрения в практику шахтного строительства аддитивных технологий [5 - 6].
Применительно к строительству вертикальных стволов критериям безлюдности наиболее полно отвечает технология сооружения стволов бурением, незаслуженно забытая у нас в стране. Вместе с тем в бывшем СССР только машинами типа РТБ до 1990 г. были пройдены свыше 160 стволов и скважин большого диаметра суммарной глубиной более 100 км [7 - 8].
В настоящее время существуют разработки, обеспечивающие проходку стволов бурением средних и больших диаметров глубиной до 2 км. Масса установок также растет с глубиной стволов, а эффективность их применения во многом определяется диаметром ствола и прочностью вмещающих пород. Отличительной особенностью современных технологических схем бурения стволов является бурение «сухим» (без применения бурового раствора) способом и возведение крепи после достаточно длительного нахождения околоствольных пород в незакрепленном состоянии [9 - 11].
Для возведения крепи успешно применяются роботизированные установки с дистанционным управлением [12]. Технология может применяться как для создания толстостенных, в том числе армированных конструкций, так и для послойного нанесения слоев торкрет-бетона в формате 3Б-печати [13 - 15].
Для широкого внедрения описанных подходов в России необходимо решить ряд проблемных вопросов, связанных, как с проектным обоснованием технологии, так и с ее практической реализацией. В частности весьма актуальным является комплексная оценка возникающих при бурении стволов геотехнических рисков. Рассмотрению решения такой задачи и посвящена основная часть публикации.
Основная часть
Аддитивная технология сооружения вертикальных горных выработок способом бурения включает в себя следующие основные этапы работ.
1. После подготовительных работ производится бурение передовой скважины диаметром 250-350 мм с поверхности до нижнего горизонта.
2. Осуществляется расширение передовой скважины на проектный диаметр в направлении снизу вверх.
3. Производится 3Б-сканирование поверхности ствола и построение информационной модели объекта.
4. Выполняется нанесение торкрет-бетонной крепи в направлении сверху вниз роботизированной установкой по аддитивной технологии, учитывающей фактический профиль породных стенок и устойчивость массива.
5. Осуществляется контрольное лазерное сканирование закрепленной выработки.
С учетом описанной технологической последовательности производства работ наибольшую опасность представляют два вида аварии:
1) обрушение горных пород в незакреплённой вертикальной выработке во время или после ее разбуривания на полный диаметр.
2) влияние человеческого фактора (уровня классификации бурильщиков), обуславливающее развитие фактических отклонений оси выработки от проекта при бурении, делающей непригодной ее к эксплуатации, а также способствующей развитию рисковой ситуации, связанной с обрушением пород. В качестве исследуемого технологического параметра по данным практики принято отклонение вертикальной оси пробуренной выработки от проектного положения на угол до 10о.
Для оценки данных опасностей использована типовая методика с определением итогового показателя с учетом весовой доли каждого фактора
[16 - 17].
На первом этапе вычленяются ключевые факторы, влияющие на вероятность реализации опасностей. По каждому блоку факторов рассчитывается итоговый балл как среднее число по баллам факторов с учетом их весов.
Итоговое значение уровня риска сравнивается с пороговыми значениями, устанавливаемыми перед началом оценки: ОН - очень низкий риск -0,1; Н - низкий риск - 0,3; Ср - средний риск - 0,5; В - высокий риск - 0,7; ОВ - очень высокий риск - 0,9.
Результаты проведенной оценки рисков по двум выделенным опасностям для предложенной аддитивной технологии (вариант 1-АБ) приведены в табл. 1. Для сравнения аналогичная оценка также произведена для традиционной технологии проходки вертикальной выработки буровзрывным способом с возведением крепи в забое ствола при проходке (вариант 2-БВР).
На сновании расчетов установлено:
- по А фактору: обрушение горных пород в незакреплённой выработке вовремя или после ее бурения на полный диаметр - уровень риска для аддитивной технологии проходки выработки бурением оценивается как средний.
- по Б фактору: опасность аварии из-за развития технологических отклонений оси выработки от проектного положения - уровень риска для аддитивной технологии также оценивается как средний.
Таким образом, выделенные геотехнические риски требуют более комплексного изучения, в частности с привлечением аппарата математического моделирования.
В этой связи далее выполнена оценка негативного влияния технологических отклонений на параметры напряженно-деформированного состояния приконтурных пород при сооружении вертикальной горной выработки бурением применительно к участку вертикального ствола между двумя горизонтами, расположенными на относительных отметках «минус» 500,0 м и «минус» 800 м.
Таблица 1
Результаты оценки геотехнических рисков_
Итоговый балл
№ п/п Факторы, влияющие на опасность Критерий установления индекса опасности аварии по варианту
1-АБ 2-БВР
1) А-фактор: обрушение/вывал горных пород в незакреплённой выработке во время или после ее бурения на полный диаметр.
А1 Наличие неустойчивых слоев пород ограниченной мощности Да/нет 0,3 0,3
А2 Динамическое воздействие на околоствольный массив БВР / Механическое воздействие 0,3 0,5
А3 Время нахождения пород в обнаженном состоянии Значительное / незначительное 0,6 0,1
А4 Возможность доразведки свойств околоствольных пород Да/нет 0,1 0,5
А5 Отклонения/нарушения при проходке и креплении Многоэтапная/одноэтапная технология 0,5 0,1
А6 Влияние водопритоков Трубопроводная/не трубопроводная система 0,2 0,3
А7 Выход из строя оборудования Полностью / частично / не влияет 0,2 0,1
Итого по блоку фактора А 0,31 0,27
Окончание табл. 1
2) Б-фактор: опасность аварии из-за развития технологических отклонений оси выработки от проектного положения
Б1 Наличие переслаивания разно-прочных пород Да / Нет 0,3 0,3
Б2 Уровень требований к классификации проходчиков Высокий/Средний 0,3 0,1
Б3 Возможность маркшейдерского контроля после каждого цикла работ Непосредственно человеком/Дистанционно 0,3 0,1
Б4 Выход из строя оборудования Полностью / частично / не влияет 0,5 0,1
Итого по блоку фактора Б 0,35 0,15
Диаметр вертикальной выработки в свету принят равным 6,0 м. Характеристика свойств пород геологического разреза рассматриваемого участка приведена в табл. 2.
Таблица 2
Физико-механические характеристики пород на участке проходки __ выработки __
№ п/п Интервал глубин, м Тип пород Плотность пород, г/см3 Пределы прочности, МПа Коэффициент трещиноватости Удельное сцепление, МПа Угол внутреннего трения, град Модуль деформации с учетом нарушенности массива, ГПа Коэффициент Пуассона, д. ед.
при сжатии при растяжении
1 500...550 Песчаники 2,74 73,6 10,5 0,4 18 45 16,3 0,24
2 550...560 Аргиллит 2,71 34 7,3 0,2 22,3 41 7,8 0,34
3 560.650 Туф базальтового состава 2,97 149, 0 13,2 0,4 28,3 56 46,3 0,24
4 650.770 Базальтовая толща 2,96 199, 5 24,6 0,8 40,5 58 77,6 0,25
5 770.800 Долерит 2,84 187, 5 22,6 0,6 58,1 52 67,4 0,24
Математическое моделирование выполнено методом конечных элементов в специализированном программном комплексе Midas FEA NX. Разрезы построенных пространственных конечно-элементных моделей представлены на рис. 1. Для проведения качественного и количественного сравнения вариантов разработаны модели участка выработки с проектными параметрами (рис. 1, а) и выработки с отклонением вертикальной оси на угол 10о (рис. 1, б).
аб Рис. 1. Разрезы пространственных конечно-элементных моделей: 1 - сопряжение с верхним горизонтом; 2 - «слабый» слой пород; 3 - пробуренный участок выработки; 4 - сопряжение с нижним
горизонтом
На рис. 2 представлены изополя главных напряжений в приконтур-ных породах, полученные в результате расчета пространственной модели участка вертикальной выработки с проектными параметрам. Задача решалась в гравитационном поле напряжений.
а б в
Рис. 2. Изополя главных напряжений в приконтурных породах на участке вертикальной выработки с проектными параметрами: а - главные напряжения ы, МПа; б - главные напряжения <Г2, МПа;
в - главные напряжения стз, МПа
Аналогичные результаты для участка с отклонением вертикальной оси выработки приведены на рис. 3.
Сравнительный анализ полученных расчетных значений показывает, что наличие отклонения вертикальной оси выработки на угол до 10о не приводит к заметному росту напряжений в приконтурных породах.
а б в
Рис. 3. Изополя главных напряжений в приконтурных породах на участке выработки с отклонением проектной оси: а - главные напряжения cri, МПа; б - главные напряжения СГ2, МПа;
в - главные напряжения сгз, МПа
Далее определены значения коэффициентов устойчивости пород, определенных в соответствии с критерием прочности Кулона - Мора для наиболее сложных участков выработки:
1) в зоне залегания «слабого» породного слоя аргиллитов;
2) в районе сопряжения вертикальной выработки с нижним горизонтом.
Расчеты выполнены для различных глубин заложения выработки и представлены в виде графиков на рис. 4.
1,9 1,6 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1Л 1,1 1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4
500 750 1000 1250 1500 1750 2000
Н, м
Рис. 4. Графики изменения коэффициентов устойчивости пород в зависимости от глубины залегания расчетного участка выработки: Ki - в районе нижнего сопряжения; K2 - на участке залегания «слабого» слоя в выработке с проектными параметрами; К2от - то же на участке с отклонениями вертикальной оси выработки
Результаты расчета также подтверждают, что наличие технологического отклонения не приводит к снижению устойчивости вертикальной выработки.
Заключение
Таким образом, результаты моделирования показали, что для рассмотренного расчетного случая наличие технологического отклонения не привело к росту геомеханических рисков, при этом общая геомеханическая ситуация на участке пробуренной выработки, несмотря на пересечение неустойчивого породного слоя значительно лучше, чем в районе нижнего сопряжения. К наиболее негативному сценарию в этой связи можно отнести возникновение значительных технологических отклонений при бурении выработки непосредственно в районе сопряжения с нижним горизонтом.
Список литературы
1. Geomechanical monitoring and stress-strain analysis of lining in ultra deep mine shafts / M.S. Pleshko, A.N. Pankratenko, A.A. Nasonov, A.S. Isaev // Eurasian Mining. 2023. 39(1). P. 13 - 19.
2. Experimental study on the dynamic mechanical properties of highperformance hybrid fiber-reinforced concrete of mine shaft lining / W. Cheng [and others] // Journal of Materials Research and Technology. 2021. 14(05).
3. Pankratenko, A.N., Pleshko, M.V., Nasonov, A.A. Assessment of stress-strain behavior of shaft lining in bottomhole area during sinking by realtime monitoring and computer modeling data / M.S. Pleshko [and others] // Eurasian Mining. 2021. 35(1). P. 25-30.
4. Эффективные решения по креплению сверхглубокого ствола СКС-1 рудника «Скалистый» в сложных геомеханических условиях / М.С. Плешко [и др.] // Горный журнал. 2020. № 6. С. 57-62.
5. Дребезгова М.Ю. Современные аддитивные технологии в малоэтажном строительстве // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. № 6. С. 6669.
6. Коротеев Д.Д., Макаров А.Н., Болотова А.С. Аддитивные технологии в строительстве. М.: Изд-во МИСИ-МГСУ, 2023. 67 с.
7. Паланкоев И.М. Обзор отечественного и зарубежного опыта проходки вертикальных стволов методом бурения и способов возведения крепи // ГИАБ (научно-технический журнал). 2010. № 12. С. 20-27.
8. Сильченко Ю.А. Совершенствование конструкции крепи скважин большого диаметра и технологии ее возведения. Новочеркасск: Изд-во «На-бла», 2003. 74 с.
9. Левит В.В., Борщевский С.В., Прокопов А.Ю. Основные направления совершенствования бурения шахтных стволов большого диаметра // ГИАБ (научно-технический журнал). 2012. № 6. С. 39-46.
10. Ultrasonic logging instrument for shaft sinking by drilling / M. Cao [and others] // Measurement. 132 (2019). P. 344 - 349.
11. Using an integrated model for shaft sinking method selection / A. Ali Lashgari [and others] // Journal of civil engineering and management. 2011. Volume 17(4). P. 569-580.
12. Development of a Robot-Based Multi-Directional Dynamic Fiber Winding Process for Additive Manufacturing Using Shotcrete 3D Printing / N. Hack [and others] // Fibers. 2021. 9(6). P. 39.
13. Копылов И.А. Применение торкрет-бетона в современном строительстве // Технологии бетонов. 2017. № 1-2. С. 13-15.
14. Мелкозернистые торкрет-бетоны с комплексными модификаторами / И.Г. Енджиевская [и др.] // Системы. Методы. Технологии. 2018. 2(38). С. 164-169.
15. Yao Z., Xue W., Wang X., Kong W., Wu T. Preparation, performance test and microanalysis of hybrid fibers and microexpansive high-performance shaft lining concrete / L. Yang [and others] // Constr. Build. Mater. 2019. 223. P. 431-440.
16. Кириченко С.В. Оценка геомеханического риска при строительстве подземных хранилищ газа // ГИАБ (научно-технический журнал). 2013. № 9. С. 172-177.
17. Пелипенко М.В., Айнбиндер И.И., Рыльникова М.В.. Принципы оценки риска аварии при эксплуатации подземных рудников // Известия
Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2021. Вып. 4. С. 178 - 192.
Голембо Олег Дмитриевич, аспирант, [email protected], Россия, Москва, НИТУ «МИСИС»
ASSESSMENT OF GEOTECHNICAL RISKS ARISING IN CONSTRUCTION OF SHAFT
BY DRILLING
O.D. Golembo
For the widespread introduction of an effective technology for the construction of vertical workings by drilling, it is necessary to solve a number of problematic issues related to both the design justification of the technology and its practical implementation. In particular, a comprehensive assessment of geotechnical risks arising during shaft drilling is very relevant. This publication analyzes two main hazards of accidents associated with a possible collapse of rocks in an unsupported vertical working during or after its drilling to its full diameter, as well as the occurrence of technological deviations of the vertical axis from the design position. The risk assessment is carried out using expert assessment methods and mathematical modeling. It has been established that the deviation of the vertical axis of the workings by an angle of up to 10°, allowed during the drilling process, does not lead to significant
Key words: vertical workings, drilling, stability, fastening, geotechnical risks, technological deviations.
Golembo Oleg Dmitrievich, postgraduate, [email protected], Russia, Moscow, NUST
«MISIS»
Reference
1. Geomechanical monitoring and stress-strain analysis of support in mine shafts of ultra-deep mines / M.S. Pleshko, A.N. Pankratenko, A. A. Nasonov, A.S. Isaev // Eurasian Mining. 2023. 39(1). pp. 13-19.
2. Experimental study of dynamic mechanical properties of highly efficient hybrid fiber concrete for supports of mine shafts / W. Cheng [et al.] // Journal of Materials Research and Technology. 2021. 14(05).
3. Pankratenko A.N., Pleshko M.V., Nasonov A. A. Assessment of the stress-strain state of the trunk support in the bottom-hole zone during sinking according to real-time monitoring and computer modeling / M.S. Pleshko [et al.] // Eurasian Mining. 2021. 35(1). Pp. 2530.
4. Effective solutions for fixing the ultra-deep shaft of the SCS-1 "Rocky" mine in difficult geomechanical conditions / M.S. Pleshko [et al.] // Mining Journal. 2020. No. 6. pp. 5762.
5. Drebezgova M.Yu. Modern additive technologies in low-rise construction // Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2017. No. 6. pp. 66-69.
6. Koroteev D.D., Makarov A.N., Bolotova A.S. Additive technologies in construction. Moscow: Publishing house of MISI-MGSU, 2023. 67 p.
7. Palankoev I.M. Review of domestic and foreign experience in drilling vertical shafts by drilling and support construction methods // GIAB (scientific and technical journal). 2010. No. 12. pp. 20-27.
8. Silchenko Yu.A. Improvement of the design of large-diameter square brackets and their manufacturing technology. Novocherkassk: Nabla Publishing House, 2003. -74 p.
9. Levit V.V., Borshchevsky S.V., Prokopov A.Yu. The main directions of improving the drilling of large-diameter mine shafts // GIAB (scientific and technical journal). 2012. No. 6. pp. 39-46.
10. Ultrasonic logging device for immersion of the borehole during drilling / M. Sao [et al.] // Measurement. No. 132 (2019). pp. 344-349.
11. The use of an integrated model for choosing the method of shaft sinking / A. Ali Lashgari [et al.] // Journal of Civil Engineering and Management. 2011. Volume 17(4). pp. 569-580.
12. Development of a robotic process of multidirectional dynamic winding of fibers for additive manufacturing using 3D printing with shotcrete / N. Khak [et al.] // Fibers. 2021. 9(6). P. 39.
13. Kopylov I.A. Application of shotcrete in modern construction // Technologies of concrete. 2017. No. 1-2. pp. 13-15.
14. Fine-grained shotcrete concretes with complex modifiers / I.G. Engievskaya [et al.] // Systems. Methods. Technologies. 2018. 2(38). pp. 164-169.
15. Yao Z., Xue U., Wang H., Kong U., Wu T. Preparation, operational tests and microanalysis of hybrid fibers and micro-expanding high-performance concrete for lining mines / L. Yang [et al.] // Build. Mater. 2019. 223. pp. 431-440.
16. Kirichenko S.V. Assessment of geomechanical risk in the construction of underground gas storage facilities // GIAB (scientific and technical journal). 2013. No. 9. pp. 172177.
17. Pelipenko M.V., Einbinder I.I., Rylnikova M.V. Principles of accident risk assessment during the operation of underground mines // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2021. Issue 4. pp. 178 - 192.
УДК 622.062
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КРЕПЛЕНИЯ СТВОЛОВ В ТЕКТОНИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННОМ МАССИВЕ ПОРОД
А.Н. Панкратенко, И.В. Маркин
Отличительной чертой современной горнодобывающей отрасли является значительное усложнение горно-геологических условий. Ситуация осложняется тем, что большинство глубоких рудных месторождений в России отнесено к склонным и опасным по горным ударам. При этом в массиве действуют неравномерные горизонтальные напряжения, имеющие тектоническую природу, а основные вскрывающие выработки рудников - главные и вспомогательные стволы - имеют по своей протяженности большое количество сопряжений и приствольных выработок. В связи с этим предложен новый подход к строительству стволов, который заключается в применении параллельной технологической схемы с возведением в призабойной зоне ствола передовой крепи с переменным по сечению ствола сопротивлением.
Ключевые слова: ствол, сопряжение, тектоника, напряжения, крепление, несущая способность, технология проходки.
