CC BY
89
УДК 622.28 А.К. Порцевский
ПОВТОРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Семинар № 13
1ГТез подземного строительства нельзя
лУ представить себе нашу сегодняшнюю жизнь. Виды практического использования подземных горных выработок для размещения объектов весьма разнообразны1. Ученые и экономисты считают, что многие объекты можно и нужно размещать под землей, используя для этого естественные и специальные камеры. Считается, что число объектов, расположенных под землей, удваивается каждые 10 лет. Большинство объектов промышленного и складского назначения на шахтах и рудниках размещаются в карбонатно-сульфатных (гипс, известняки, ангидрид) и галогенных (калийные и каменные соли) породах после полной или частичной выемки полезного ископаемого.
Повторному использованию подземного пространства посвящены исследования ученых
- Шемякина Е.И., Трубецкого К.Н., Мельникова Н.Н., Картозия Б.А., Петренко Е.В., Скубы В.Н., Садординова И.В., Смирнова В.И., Булычева Н.С., Дядькина Ю.Д., Гущина В.В., Мер-кина В.Е., Малкина А.С., Саламатина А.Г., Маркова Г.А., Кельми У., Бенявского З., Фриша С., Дзюбека Т., Тарасова В.Ф., Третьякова И.О., Шелоумова А.А., Ярунина С.А., Яруни-ной И.С., Корчака А.В., Умнова В.А. и др.
Но до сих пор в проектах подземной разработки месторождений не предусматривается дальнейшее использование искусственных пустот в качестве подземных сооружений -объектов промышленного, оборонного, сельскохозяйственного, культурологического, медицинского назначения и в качестве хранилищ и могильников. В проектах же открытой разработки месторождений такой раздел обязательно присутствует и называется - рекультивация карьера. Активно развиваемое перспективное научное направление - освоение подземного пространства - понимается сегодня узкотрадиционно: лишь как использование природных и техногенных полостей. В более широком смысле сохранение недр подразумевает процесс управления состоянием недр, подготовки массива с целью изменения функционального назначения пустот. Новая методология освоения месторождений2, включающая технологии
не только разработки, но и последующего использования подземного пространства - требует дополнительных знаний о горном массиве, при этом особое значение приобретает обоснование выбора технологии освоения недр, гео-механический, технологический и социальноэкономический прогноз последствий извлечения полезных ископаемых и дальнейшего использования пустот.
Объем свободного подземного пространства всех шахт и рудников страны уже составляет более 1 млрд. м3 капитальных и подготовительных выработок и прирастает очистными работами еще на 500 млн. м3/год. Технологическое подземное пространство (термин А.С.Малкина) включает в себя подготовительные, капитальные и очистные горные выработки, образовавшиеся при подземной разработки МПИ. Выданный из недр, например, уголь во всем мире формирует объем отходов примерно 120 млт.т/год. Вместе с тем, огромные объемы подземного пространства в виде горных выработок различного срока существования остаются без пользы, погашаясь, как правило, естественным образом. Зная же дальнейшую судьбу конкретной выработки, можно заранее отыскать более щадящий вариант ее проведения, крепления (так же можно оценить варианты технологии очистных работ).
Особое значение приобретает подземное строительство промышленных объектов для регионов с наличием ценных сельскохозяйственных земель, лесных угодий, а также в северных районах, где нежелательно наземное строительство. Такое освоение подземного пространства по сравнению с обычным строительством позволяет снизить капитальные вложения в 1,2-1,5 раза, а эксплуатационные затраты - в 1,5-1,8 раза.
Выбор способа строительства (вид, конструкция, параметры крепей, гидроизоляция, системы кондиционирования воздуха и т. п.) определяется в основном назначением и требуемой степенью надежности подземных сооружений, принятой технологией производства объекта, размещаемого в подземных горных
1. По назначению
а) промышленные: заводы и лаборатории, энергетические установки, обогатительные фабрики, емкости-перколяторы...
б) сельскохозяйственные: хранилища пищевых запасов, силосные ямы, выращивание грибов (вешенка, шампиньоны), разведение форели .
в) оборонные: заводы, укрытия для людей и техники, пусковые ракетные установки, аэродромы.
г) хранилища и могильники:
- хранилища нефти, газа и других стратегических запасов, резервуары для забалансовой руды и хвостов обогащения;
- могильники бытовых, токсичных, химических и радиоактивных отходов;
д) культурологические: подземные торговые и бизнес центры, гаражи, убежища, музеи, транспортные магистрали, инженерные коммуникации.
е) медицинские: гала-спелео-терапия в солях, радоновые ванны.
2. По продолжительности использования пустот
а) долговременные, более 50 лет;
б) средней продолжительности, 20-50 лет;
в) малой продолжительности, менее 20 лет.
3. По значимости
(по аналогии с категориями охраны горных выработок и поверхностных сооружений)
а) высшая категория охраны, не допускает никаких деформаций полости;
б) средняя, допускает малые деформации стенок, кровли и почвы полости;
в) малая, допускает деформации.
4. По местоположению
а) в городских условиях, например, катакомбы;
б) в сельской местности, например, естественные пещеры;
в) на заброшенных шахтах и рудниках;
г) на действующих шахтах и рудниках.
5. По технологии поддержания устойчивости пустот
а) естественное поддержание;
б) полости, постоянно заполненные материалом (хранилища, могильники, перколяторы);
в) крепление кровли, стенок и почвы полости;
г) управление несущей способностью горного массива:
разгрузка напряженных зон массива, инъектирование вяжущими растворами слабых зон, сооружение пространственно-ориентированных опорных конструкций, заполнение неиспользуемых пустот обрушением пород или искусственными материалами (сухая, гидравлическая или твердеющая закладка, породы из отвалов, хвосты.).
6. По масштабности, разветвленности и глубине расположения
а) малые пустоты с широкой разветвленностью на небольшой глубине;
б) средних и больших размеров пустоты, изолированные друг от друга, на средней глубине;
в) средних и больших размеров пустоты, никак не связанные друг с другом, на большой глубине.
выработках, и, конечно, свойствами массива вмещающих горных пород.
Насколько широка перспектива использования недр только на рудниках и шахтах страны можно оценить по нижеприведенной карте размещения основных месторождений негорючих полезных ископаемых и плотности сельского населения (чем гуще цвет, тем выше плотность). Известно, что в настоящее время
80 % зерновых хранится там, где производится. В этих условиях на них воздействуют дождь, избыточная влажность, тепло, холод, насекомые, плесень, бактерии, грибки, птицы; они подвержены прорастанию, прогорклости, перезреванию и проч.
Одним из наиболее перспективных направлений использования подземного пространства является применение сухих и
проветриваемых помещений под хранилища пищевых запасов, ведь известно, что огромная часть выращенного урожая ежегодно теряется из-за недостаточности объемов зерно- и овощехранилищ.
Известны классификации повторно используемых подземных сооружений Международ-
ной Тоннельной Ассоциации, Корчака А.В., Умнова В.А. и других авторов - по новому функциональному назначению.
Авторская классификация осваиваемых пустот включает в себя несколько классификационных признаков. Как видно из нижеприведенной классификации, главное значение в вы-
боре способа использования пустот имеет гео-механический аспект их обоснования.
Рассмотрим возможные инженерные методы подготовки массива к повторному использованию недр:
1. Длительное или временное изменение физико-механических свойств породного массива:
а) замораживание;
б) кессон;
в) водопонижение;
г) тампонирование;
д) инъектирование.
2. Возведение временных или постоянных строительных конструкций:
а) шпунтовые сооружения;
б) опускные сооружения;
в)«стена в грунте»
г) авторские опорные конструкции типа «этажерка» и «шатер».
3. Изменение НДС массива.
а) активная разгрузка с последующим упрочнением;
б) разгрузка скважинами, щелями, камуф-летным взрыванием;
в) уплотнение пород взрывом;
г) жесткие и податливые естественные и искусственные целики;
д) анкерное крепление;
е) крепь регулируемого сопротивления (податливая);
ж) инъекционная крепь.
При этом алгоритм проектирования повторного использования пустот может основываться на следующих методиках:
1) методика оценки фактического состояния массива горных пород, его свойств;
2) методика определения геометрических параметров горных выработок и прогноза НДС горного массива;
1. Котенко Е.А., Порцевский А.К. Технологии освоения месторождений и использования подземного пространства. - Рук. деп. в «Горный журнал» в июне 2003 г.
3) методика прогноза сдвижений в массиве;
4) методика определения тепловых, влажностных, вентиляционных, световых, фильтрационных характеристик массива;
5) методика экономической оценки эффективности повторного использования;
6) методики экологической и социальной оценки целесообразности.
Для оценки состояния и поддержания устойчивости геосистемы (массив-полость) и подземных технологических горных сооружений может быть использована структурная схема Корчака А.В.:
1. Первичный контур
- исходная инженерно-геологическая информация;
- проектные решения;
- целевая функция;
- предварительный прогноз состояния;
- корректировка проектных решений;
- проектное управляющее воздействие.
2. Вторичный контур
- наблюдения за состоянием массива;
- прогноз состояния;
- оценка прогнозируемого состояния;
- оценка фактического состояния;
- корректирующее управляющее воздействие.
В монографии автора приведена универсальная методология выбора параметров технологии освоения месторождений, комплекс инженерных методов расчета параметров устойчивости обнажений искусственного и породного массивов, искусственных полостей в целом, напряжений, деформаций и сдвижений во вмещающем массиве пород, разработаны конструкции опорных сооружений с расчетом типовых элементов. Все эти наработки могут быть использованы для оценки размеров подземных сооружений и продолжительности устойчивого их состояния.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Порцевский А.К. Выбор рациональной технологии добычи руды. Геомеханическая оценка состояния недр. Использование подземного пространства. Геоэкология.-Монография. - М.: Изд. МГГУ, 2003, 767 с.
— Коротко об авторах ---------------------------------------
Порцевский А.К. - Московский государственный открытый университет.
