CC BY
13
УДК 622.502 DOI 10.46689/2218-5194-2021-4-1-295-304
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ «КАРКАСНОЙ» ГЕОТЕХНОЛОГИИ ПОДЗЕМНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР
Ю.П. Галченко, В.А. Еременко
Обоснована физическая модель процесса подземной разработки руд и показано, что обеспечение геомеханической безопасности освоения недр связано с технологическими возможностями природоподобных горных технологий по воспроизводству устойчивых динамических структур в отрабатываемых литосферных объектах. Выполнен когнитивный анализ типовых геотехнологий и показано, что современная геотехнологическая парадигма построена на принципах совмещения во времени процессов, порождающих геомеханическое возмущение участках литосферы и процессов по преодолению последствий этого возмущения. Выявлено внутренне неразрешимое противоречие такого подхода и показано, что преодоление этого противоречия открывает вполне реальную перспективу создания принципиально новой концепции развития подземных горных технологий на основе реализации глобальной идеи природоподобных технологий в виде концепции создания конвергентных горных технологий. С использованием предложенной и разработанной проф. В.Н. Родионовым модели литосферы как твердого тела с разномасштабными неоднородностями выполнено теоретическое исследование особенностей развития поля напряжений при формировании неоднородностей с переменным объемом и нулевой плотностью и установлено, что в этом случае условия воспроизводства устойчивых динамических структур будут определяться процессами на внешнем контуре неоднородностей. Это позволило обосновать геофизическую и геотехнологическую идеи новой технологической парадигмы подземного освоения недр.
Ключевые слова: литосфера, биота Земли, природоподобные технологии, геофизический экотон, геофизическая и геотехническая идеи, конвергентная горная технология, «каркасная» структура, система разработки, неоднородность, напряжение, деформация.
Современная технократическая цивилизация развивается за счет сырья и энергоресурсов, извлекаемых из недр нашей планеты. Неизбежной платой за это становятся масштабное и необратимое разрушение и загрязнение огромных территорий первичной биоты Земли.
По мере отработки запасов, наиболее богатых по качеству сырья, простых по строению и доступных по расположению и экономике месторождений, предметом освоения будут становиться все более сложные геологические объекты с невысоким качеством извлекаемого сырья и труднодоступные по расположению на поверхности Земли. В то же время потребности в минеральных и энергетических ресурсах литосферы будут возрастать все более быстрыми темпами. В такой ситуации можно говорить о сложном комплексном противоречии уменьшающихся ресурсов литосферы с нарастающим в количественном и качественном отношении давлением потребностей антропосферы.
Наиболее реальные возможности преодоления или разрешения этого системного противоречия связаны с развитием геотехнологий, применяе-
мых для освоения ресурсов недр. Причем глобальный масштаб обозначенного противоречия требует, чтобы это развитие шло не по пути совершенствования и повышения эффективности отдельных технологических процессов, как это происходит в настоящее время, а затрагивало бы сами принципы построения горных технологий. В самом общем виде эти принципы были сформулированы в работе [1] как гомеостатическая трансформация в техносферу принципов функционирования биологических систем и обоснование функциональной структуры кластера конвергентной горной технологии.
В результате техногенного вторжения в литосферу Земли с целью извлечения полезных ископаемых кардинально изменяется состояние огромных ее участков. Возникает новый литосферный объект - техногенно измененные недра, который может быть представлен как некий объем, нарушенный при проведении добычных работ, окруженный нетронутой литосферой. В этом объеме находятся зона полного техногенного разрушения и зона изменения геомеханического состояния пород литосферы (геофизический экотон), спровоцированного этим разрушением [2].
Процессы, связанные с формированием этого объекта, не только определяют количественные, качественные и экономические показатели добычных работ, но и порождают детерминированный ряд геоэкологических последствий, изменяющих состояние основных геосфер нашей планеты.
Геомеханическая безопасность при освоении недр всегда связана с решением фундаментальной проблемы по преодолению последствий антропогенного разрушения литосферы на устойчивость ее динамических структур. Это делает необходимым, с одной стороны, исследование закономерностей изменения свойств природных литосферных объектов при техногенном вторжении в них, а с другой - определение условий постоянного воспроизводства устойчивых динамических структур, не порождающих критических изменений состояния структурных элементов литосферы, включая флюидо-несущие горизонты.
Рассмотрение геотехнологий, применяемых для подземной добычи минерального сырья (то есть формирования зоны техногенного разрушения), 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 геомеханического возмущения прилегающих участков литосферы всегда совмещены по времени [3 - 6]. В связи с этим добычные работы неизбежно включают в себя необходимость выполнения дополнительных процессов, обеспечивающих поддержание динамического равновесия всей геотехнической системы. С изменением геомеханических условий разработки и возникновения опасных проявлений горного давления маневр в применяемых геотехнологиях существенно ограничен. Кроме того, при наличии во вмещающих породах флюидонесущих коллекторов (с водой,
нефтью, рассолами или газами) горные работы всегда оказываются не защищенными от их проявлений со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Таким образом, при развитии геотехнологий всегда имеет место локальное противоречие между необходимостью и возможностью изменения геотехнологий с изменением условий разработки, преодоление которого совершенно необходимо для дальнейшего развития подземной геотехнологии.
Согласно современным представлениям о литосфере [7] ее можно представить в виде твердого тела, в котором по объему равномерно рассеяны разномасштабные неоднородности и расстояния между неоднородно-стями каждого размера много больше их собственного размера. Эти неоднородности ответственны за необратимые деформации: на них концентрируются напряжения и релаксируют со временем.
При высокой скорости деформации дополнительные неупругие напряжения, складываясь с упругими, приводят к увеличению жесткости твердого тела, а в некоторых случаях и к увеличению эффективной прочности материала, которую обычно истолковывают как динамическую прочность (прочность при динамических испытаниях). Наиболее существенную роль параметр 10 играет в процессе разрушения, когда твердое тело распадается на отдельности и размеры отдельностей, естественно, связаны с величиной 10.
В случае использования модели твердого тела с неоднородностями напряжения складываются из средних напряжений ау, которые однозначно связаны с деформациями (в частности, как в упругом теле Гука), и неупругих напряжений а'к которые получаются осреднением избыточных напряжений на неоднородностях:
= ак ) + а'& .
В рассматриваемом случае плоской поперечной волны имеет место чистый сдвиг, поэтому неупругое напряжение а' выражается следующим образом:
1 2 1 а = МЛаД1п/ =-\ЛаД 1п/ .
о о
Интегрирование ведется по всем неоднородностям в объеме тела.
Избыточное напряжение на неоднородностях определяется уравнением
¿/Аа, Да, 2- / ч
-'--V—1- = ос2Ш) .
Л I У }
Его решение может быть представлено следующим образом:
/
Ла7 = рс^е'*"1 ^ё"'1 • ,
о
где максимальная скорость изменения сдвиговых деформаций ¿(/) есть е
Итак, для случая чистого сдвига, передающегося вдоль оси х, когда смещение центра тяжести элементарных объемов происходит в направлении оси у, уравнение движения
р- у - ^
д? дх
где уу=диу/дд - скорость смещения в направлении оси у преобразуется к виду
ди дау 2 д Г ,,, г ,,, ди
р—у = + рс2— — Г Г ё*/1 1п I .
д? дх пЯ дх * * й
Отсюда можно получить уравнение для поперечной волны с затуханием. По определению, V = ди^ / д?; рс2 = ц; ау = 2ци^ = цдиу / дх (с -
скорость распределения поперечной волны). Подставив вместо уу и ау их выражения через производные от смещений, получим
д2и ц д2и ц 2 д г „Л д2и
—ц-у ( дг е~ */1Г е«п —1п I
•I ЯгЯ/
д? р дх 2р пЯ дх^ * дхд?
Наличие в правой части последнего уравнения дополнительного слагаемого отражает процесс затухания волн и диссипации механической энергии. Непосредственно это уравнение анализировать трудно, оно представляет собой скорее символическую запись процедур, которые необходимо выполнить для определения сил, обусловленных неупругими напряжениями. Однако в работе [8] была выполнена попытка построения приближенных решений для диапазона точности горнотехнических задач и в предположении, что избыточные напряжения А а всегда ниже упругой составляющей оу. В результате было установлено, что наличие концентрации напряжений на неоднородностях почти не искажает поля напряжений (а значит, и деформаций) в породном массиве.
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 внешнем контуре неоднородности. Поэтому опережающее формирование этого контура открывает реальную возможность преодоления обозначенного выше локального противоречия за счет того, что при формировании и развитии зоны техногенного разрушения процессы до-
бычи 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 адоп, определенную по условиям устойчивости обнажения Ь, считаются разгруженными (или защищенными). Зону защиты в каждых конкретных горно-геологических условиях отстраивают по углам защиты (1 и (2. В надработанной части массива в этом случае наблюдаются деформации растяжения, а напряжения становятся намного меньше первоначальных уИ. Подработанную часть массива можно считать частично защищенной, так как в ней за счет формирования свода естественного равновесия возникают напряжения, пропорциональные параметрам этого свода [9]. Нетрудно видеть, что углы защиты ( и (2 соответствуют положению касательных, проведенных через точку пяты свода. Установлено, что по мере удаления от передовой выработки защитного слоя размеры защищенной зоны уменьшаются пропорционально величине угла защиты (2 вследствие нарастающего влияния горизонтальной составляющей главных напряжений [10]. 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.
Геофизическая идея предлагаемого подхода заключается в выделении зоны техногенного разрушения литосферы из общего поля геофизических изменений состояния массива за счет разделения во времени процессов добычи полезного ископаемого и процессов преодоления последствий геомеханического возмущения прилегающих участков литосферы [10, 11].
При реализации этой идеи по превентивному преодолению будущих геомеханических последствий месторождение (или его часть) сначала разделяется на отрабатываемые участки путем отработки приконтурных запасов этих участков и возведения оконтуривающих искусственных массивов -верхнего и боковых. Ширина боковых оконтуривающих массивов может быть постоянной (при простом контакте рудного тела с вмещающими 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 верхнего оконтуривающего искусственного массива на последующих стадиях отработки участка недр обеспечивается путем опережающего разделения общего пролета подработки на локальные пролеты посредством возведения системы разделительных искусственных масси-
вов. 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 возможно применение системы с магазинированием руды и последующей закладкой выработанного пространства по окончании генерального выпуска руды. Если руды и породы недостаточно устойчивы, то возведение оконту-ривающих 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 заключаются в том, что новые возможности повышения безопасности и производительности труда достигаются путем целенаправленной компоновки во времени и пространстве известных и проверенных горных технологий [12, 13].
Общая экономическая эффективность предлагаемых решений обеспечивается за счет 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 создает условия для размещения в них любых видов промышленных отходов.
Заключение
В целом, развитие идей природоподобных технологий в виде принципов создания конвергентных горных технологий открывает реальную перспективу повышения экономической эффективности, промышленной и экологической безопасности подземной разработки месторождений за счет освобождения геотехнологии отработки большей (основной) части запасов от необходимости выполнения непроизводительных работ по преодолению последствий развития геофизических возмущений в зоне перехода свойств техногенно измененных недр путем превентивного создания системы искусственных горнотехнических конструкций, свойства и параметры которых определяются в каждом случае реальными особенностями развития геомеханических процессов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 19-17-00034).
Список литературы
1. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Бурцев Л.И. Экологические проблемы освоения недр при устойчивом развитии природы и общества. М.: Научтехлитиздат, 2003. 260 с.
2. Структура техногенно измененных недр / К.Н. Трубецкой [и др.] // Вестник РАН. 2002. Т. 72. № 11. С. 969-975.
3. Агошков М.И. Конструирование и расчеты систем и технологии разработки рудных месторождений. М.: Наука, 1965. 220 с.
4. Kurlenya M.V., Mirenkov V.E., Krasnovsky A.A. Stress state of rocks surrounding excavations under variable Young's modulus //J. of Min. Sci., 2015. Vol. 51. No. 5. С. 937-943.
5. Зубов В.П. Применяемые технологии и актуальные проблемы ресурсосбережения при подземной разработке пластовых месторождений полезных ископаемых // Горный журнал. 2018. № 6. С. 77-83.
6. Принципы организации комплексной системы мониторинга устойчивости объектов горнодобывающего предприятия / В.В. Рыбин, К.Н. Константинов, М.М. Каган, И.Г. Панасенко // Горный журнал. 2020. № 1. С. 5357.
7. Родионов В.Н., Сизов И.А., Цветков В.М. Основы геомеханики. М.: Недра, 1986. 286 с.
8. Родионов В.Н. Геомеханика (кинематика воспроизводимых структур). М.: ИНЭК, 2004. 80 с.
9. Викторов С.Д., Иофис М.А., Гончаров С.А. Сдвижение и разрушение горных пород. М.: Наука, 2005. 277 с.
10. Способ подземной разработки месторождений полезных ископаемых: пат. 2306417 РФ. № 2005121278/03; приоритет 08.07.2005; опубл. 20.09.2007. Бюл. № 26.
11. Features of secondary stress field formation under anthropogenic change in subsoil during underground mineral mining / Yu.P. Galchenko, V.A. Eremenko, M.A. Kosyreva, N.G. Vysotin // Eurasian Mining. 2020. №1. P. 9 -13.
12. Обоснование и создание конвергентных горных технологий подземной разработки мощных месторождений твердых полезных ископаемых / К.Н. Трубецкой, А.В. Мясков, Ю.П. Галченко, В.А. Еременко // Горный журнал. 2019. № 5. С. 6-13.
13. Проектирование каркасной системы разработки месторождений твердого минерального сырья на основе конвергентных технологий / В.А. Еременко, Ю.П. Галченко, В.Ю Экс, А.Р. Умаров // Горный журнал. 2021. № 9.
Галченко Юрий Павлович, д-р техн. наук, проф., вед. научн. сотр. schtrek33@,mail.ru, Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук,
Еременко Виталий Андреевич, д-р техн. наук, проф. РАН, директор Научно-исследовательского центра «Прикладная геомеханика и конвергентные горные технологии», prof.eremenko@,gmail. com, Россия, Москва, Горный институт НИТУ «МИСиС».
THEORETICAL FOUNDATIONS FOR THE CREATION OF A «FRAME» GEOTECHNOLO-GYFOR UNDERGROUND DEVELOPMENT OF SUBSURFACE RESOURCES
Yu.P. Galchenko, V.A. Eremenko
A physical model of the process of underground ore mining is substantiated and it is shown that ensuring the geomechanical safety of subsurface development is associated with the technological capabilities of nature-like mining technologies for the reproduction of stable dynamic structures in the lithospheric objects being worked out. A cognitive analysis of typical geotechnologies is carried out and it is shown that the modern geo-technological paradigm is based on the principles of combining in time the processes that generate a geomechanical disturbance in the lithosphere and the processes to overcome the consequences of this disturbance. The internally insoluble contradiction of this approach is revealed and it is shown that overcoming this contradiction opens up a very real prospect of creating a fundamentally new concept for the development of underground mining technologies based on the implementation of the global idea of nature-like technologies in the form of the concept of creating convergent mining technologies. With the use of the proposed and developed by prof. The Rodionov model of the lithosphere as a solid body with different-scale inhomogeneities performed a theoretical study of the features of the stress field development during the formation of inhomogeneities
with variable volume and zero density and found that in this case, the conditions for the reproduction of stable dynamic structures will be determined by processes on the external contour of inhomogeneities. This made it possible to substantiate the geophysical and geotechnological ideas of a new technological paradigm of subsurface exploration.
Key words: lithosphere, Earth biota, nature-like technologies, geo-physical ecotone, geophysical and geotechnical ideas, convergent mining technology, «frame» structure, development system, heterogeneity, stress, deformation.
Galchenko Yuri Pavlovich, doctor of technical sciences, professor, leading researcher, schtrek33@,mail. ru, Russia, Moscow, Academician N. V. Melnikov Institute of Problems of Integrated Development of Mineral Resources of the Russian Academy of Sciences,
Eremenko Vitaly Andreevich, doctor of technical sciences, professor of the Russian Academy of Sciences, director of the Research Center «Applied Geomechanics and Conve rgent Mining Technologies», prof. eremenko@,gmail. com, Russia, Moscow, Mining Institute of NUST (MISIS).
Reference
1. Trubetskoy K.N., Galchenko Yu.P., Burtsev L.I. Ecological problems of subsurface development in the sustainable development of nature and society. M.: Nauchtekhlitizdat, 2003. 260 p.
2. The structure of technogenically altered subsoil / K.N. Trubetskoy [et al.] // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. 2002. Vol. 72. No. 11. pp. 969-975.
3. Agoshkov M.I. Design and calculations of systems and technologies for the development of ore deposits. M.: Nauka, 1965. 220 p.
4. Kurlenya M.V., Mirenkov V.E., Krasnovsky A.A. Stress state of rocks surrounding excavations under variable Young's modulus, J. of Min. Sci., 2015. Vol. 51. No. 5. pp. 937943.
5. Zubov V.P. Applied technologies and actual problems of resource saving in the underground development of stratified mineral deposits // Mining Journal. 2018. No. 6. pp. 77-83.
6. Principles of the organization of an integrated system for monitoring the stability of mining enterprise facilities / V.V. Rybin, K.N. Konstantinov, M.M. Kagan, I.G. Panasenko // Mining Journal. 2020. No. 1. pp. 53-57.
7. Rodionov V.N., Sizov I.A., Tsvetkov V.M. Fundamentals of geomechanics. M.: Nedra, 1986. 286 p.
8. Rodionov V.N. Geomechanics (kinematics of reproducible structures). Moscow: INEK, 2004. 80 p.
9. Viktorov S.D., Iofis M.A., Goncharov S.A. Displacement and destruction of rocks. M.: Nauka, 2005. 277 p.
10. Method of underground mining of mineral deposits: pat. 2306417 RF. No. 2005121278/03; priority 08.07.2005; publ. 20.09.2007. Bull. No. 26.
11. Features of secondary stress field formation under anthropogenic change in subsoil during underground mineral mining / Yu.P. Galchenko, V. A. Eremenko, Kosyreva M. A., N. G. Vysotin // Eurasian Mining. 2020. No. 1. Pp.9-13.
12. Substantiation and creation of convergent mining technologies for underground mining of powerful deposits of solid minerals / K.N. Trubetskoy, A.V. Myaskov, Yu.P. Galchenko, V.A. Eremenko // Mining Journal. 2019. No. 5. pp. 6-13.
13. Designing a frame system for developing deposits of solid mineral raw materials based on convergent technologies / V.A. Eremenko, Yu.P. Galchenko, V.Yu. Ex, A.R. Umarov // Mining Journal. 2021. № 9.
УДK 504.55.054:622(470.6) DOI 10.46689/2218-5194-2021-4-1-304-312
ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ МАЛОЗАТРАТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОГАШЕНИЯ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА
ПРИ ДОБЫЧЕ РУД
И.Ю. Гарифулина, И.А. Зассеев, Н.Т. Дедегкаева, Г.О. Габараев
Рассмотрены примеры погашения выработанного пространства изоляцией очистных выработок и твердеющими смесями малой прочности при разработке рудных месторождений малой мощности. При обосновании возможности применения экономичных способов погашения в основу положен феномен целенаправленного создания такой геомеханической ситуации в массиве, когда он сохраняет свою устойчивость при техногенном воздействии за счет создания несущей конструкции из заклинившихся пород.
Ключевые слова: рудное месторождение, погашение, выработанное пространство, изоляция, твердеющая смесь, прочность, геомеханика, конструкция, заклинивание пород.
Месторождения малой мощности - исторически первый объект удовлетворения потребностей человека в минеральном сырье. Их эксплуатация отличается сложностью залегания в недрах и невозможностью интенсификации добычных работ за счет механизации процессов. Актуальность проблемы увеличивается в связи с возрастающей потребностью промышленности в металлах [1 - 4].
Углубление представлений о физике горных процессов позволяет модернизировать концепцию управления горным давлением путем учета геодинамических факторов в рамках природно-техногенной системы [5 - 8].
Добычные работы изменяют взаимодействие рудовмещающих массивов с крепью выработок: целики начинают работать в условиях сжатия со сдвигом, а кровля - в состоянии растяжения со сдвигом [9 - 12].
Конечной целью управления состоянием рудовмещающего массива является создание ситуации, когда земная поверхность не испытывает влияния горных работ.
Наиболее эффективными считаются технологии с заполнением образующихся пустот твердеющими закладочными смесями, но их применение ограничено высокой стоимостью вяжущих компонент.
Нормативную прочность твердеющих закладочных смесей нередко увязывают с глубиной работ, но практика свидетельствует о недостаточной
