Отдел №8. Проблем управления освоением и сохранением недр Земли

trubeckoy

 

Научный руководитель отдела
Климент Николаевич Трубецкой
Академик, профессор, доктор технических наук

 

Заведующий отделом
Федоров Евгений Вячеславович
Кандидат технических наук

Область научной деятельности

Отдел №8. Проблем управления освоением и сохранением недр Земли Института проблем комплексного освоения недр РАН образован в соответствии с приказом Директора ИПКОН РАН и является структурным подразделением Института.

Научная деятельность отдела основана, главным образом, на базовых положениях горных наук «Геомеханика» и «Горная информатика», используются также принципы, отдельные положения теории и методы горных наук «Горное недроведение» и «Геотехнология».

Объектом исследования отдела являются недра Земли, техногенно изменяемые при разработке полезных ископаемых, а также  при других крупномасштабных геомеханических воздействиях.

Предметами исследования отдела являются:

а) техногенные геомеханические и гидрогеологические процессы, происходящие при освоении недр Земли, их возможные негативные последствия и методы управления этими процессами;

б) системы геомониторинга, системы сбора и обработки информации, уменьшающие неопределенность в управлении освоением недр (выборе решений по их освоению);

в) обоснование и разработка соответствующих нормативно-правовых, методических и нормативно-технических документов, регламентация освоения недр.

Научные направления отдела

Научные направления отдела соответствуют основным направлениям фундаментальных исследований, утвержденным Президиумом Российской академии наук.

Приоритетные направления научных исследований отдела:

  • организация и проведение экспериментальных исследований геомеханических процессов, протекающих в недрах Земли при их освоении;
  • создание научных основ теории управления геомеханическими процессами и предотвращения их опасного взаимодействия с гидрогеологическими процессами при разработке месторождений твердых полезных ископаемых и освоении подземного пространства городов;
  • научное обоснование нормативно-правового, методического и нормативно-технического обеспечения освоения недр;
  • развитие методологии геомониторинга, учитывающего особенности технологии разработки полезных ископаемых и взаимодействие геопроцессов, возникающее при техногенном воздействии на недра;
  • развитие методов информации, как проблемно ориентированных систем знаний для решения проблем освоения недр.

Для решения фундаментальных научных проблем, в указанных направлениях используются лабораторные и натурные экспериментальные методы, а также теоретические методы, в том числе методы математического моделирования. Натурные экспериментальные исследования связаны с организацией и проведением геомеханического мониторинга на горных предприятиях с целью выявления закономерностей развития геомеханических процессов в зависимости от основных влияющих факторов. Лабораторные исследования на макетах и моделях с эквивалентными материалами направлены на получение предварительной информации о критериях и характере развития геомеханических процессов при функционировании горного предприятия.

Теоретические исследования и математическое моделирование направлены на углубленное изучение опасного взаимовлияния  геомеханических и гидрогеологических процессов при их взаимодействии с другими природными и техногенными процессами при комплексном освоении недр.

Необходимость создания  систем научной информации  для управления освоением недр обосновывается тем, что горные предприятия представляют собой многопараметрические и многофакторные природно-технологические объекты, развивающиеся в пространстве в течение длительного времени и характеризующиеся значительными объемами различного вида информации. В этой связи информация должна в каждом конкретном случае особым образом собираться, накапливаться, обновляться, интерпретироваться, структурироваться, приобретать вид, наиболее доступный для усвоения, использования и передачи в требуемом объеме и качестве.

Основные научные и научно-практические результаты

Наиболее значимые научные разработки по тематике отдела связаны с прогнозом и предотвращением аварийных ситуаций при техногенном преобразовании недр. Для снижения риска этих опасных ситуаций целесообразно осуществлять геомониторинг деформационного состояния массива при ведении горных работ.

otdel8_ris1

Система геомониторинга включает в себя эффективные методы прогноза и контроля развития геомеханических процессов.

Методы прогноза базируются на установленных зависимостях параметров деформационных процессов от основных влияющих факторов с учетом строения массива горных пород.

Методы контроля базируются на автоматизированных инструментальных наблюдениях за развитием деформационных процессов в толще горных пород и на земной поверхности, обеспечивающих своевременное обнаружение признаков, предшествующих возникновению аварийных или катастрофических геомеханических явлений с таким расчетом, чтобы вовремя можно было принять необходимые профилактические или защитные меры.

Разработаны основы классификации негативного влияния, причиняемого недрам Земли при освоении минеральных ресурсов. Классификация выделяет виды негативного влияния, источники и причины негативного влияния, а также мероприятия по предотвращению и снижению негативных последствий.

По результатам проведенных исследований установлено, что одним из наиболее важных и значимых факторов негативного техногенного воздействия на недра в отношении экологии и безопасности людей является гидро-геомеханический фактор. Этот фактор может проявляться многообразно, в частности, как прорыв вод в горные выработки с возможным затоплением месторождения, так и в отношении изменения режима снабжения крупного региона питьевой водой. Определены методы управления геомеханическими процессами в целях снижения негативных последствий техногенного влияния на недра. Разработан метод управления геомеханическими процессами при разработке месторождений под водными объектами.

Разработана методика определения критериев и величин допустимых потерь полезных ископаемых при их добыче под охраняемыми объектами. В качестве критериев принимаются ожидаемые деформации земной поверхности, которые подразделяются на допустимые, критические и предельные.

Разработаны научные основы методики моделирования опасного взаимодействия гидрогеологических и геомеханических процессов при  разработке полезных ископаемых. Новизна методики связана с рассмотрением действия природной воды на породу в качестве активного фактора разрушения и прогнозом образования в массиве пород магистральных открытых трещин, которые могут служить главными каналами для проникновения шахтных вод на горизонты питьевой воды и поверхностных вод в горные выработки. Данная методика прогнозирования разрушения налегающей толщи пород может быть использована при подземной разработке твердых полезных ископаемых скважинной гидродобычи.

Установлено, что при скважинной гидродобыче, осуществляемой в сильно обводненных массивах, наибольшее опасение вызывает изменение гидрогеологической обстановки в перспективе, а именно после прекращения добычи. При восстановлении напора рудной воды в техногенно измененном массиве пород возможен процесс смешения рудной и питьевой вод, что приведет к потере соответствующих источников питьевой воды.

otdel8_ris2 1 – водоносные песчаные слои,
2 — мел,
3 – мергель,
4 – глина (водоупор),
5 – известняк,
6 – крепкая руда,
7 – железистый кварцит,
8 – рыхлая руда,
9 – добычные скважины,
10 – скважинные гидромониторы,
11 – скважины для закачивания воды,
12 – направления потоков воды,
13 – пульпонасосная станция,
14 – карта намыва,
15 – насосная станция,
16 – компрессорная станция

СКВАЖИННАЯ ГИДРОДОБЫЧА (СГД) — способ подземной гидравлической разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых, при котором полезное ископаемое переводится на месте залегания в гидросмесь. Основные технологические процессы при скважинной гидродобыче:вскрытие месторождения с помощью скважин; гидравлическое разрушение (размыв) напорной струёйводы (в осушенном или затопленном очистном пространстве), дезинтеграция и перевод в забоеразрушенной массы в гидросмесь; транспортирование (самотёчное или напорное) гидросмеси от забоядо пульпоприемной скважины (выработки); подъём гидросмеси на поверхность; обогащение; складирование хвостов обогащения; осветление оборотной воды и водоснабжение; управление горным давлением.

НЕКОТОРЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДИКИ ─ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗВИТИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ВОДОПРОВОДЯЩИХ ТРЕЩИН

В ГЛИНИСТОМ ВОДОУПОРЕ НЕСУЩЕМ СЛОЕ ИЗВЕСТНЯКА ПРИ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧЕ ( ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ТРЕЩИН)

  otdel8_ris6otdel8_ris4otdel8_ris8   otdel8_ris3otdel8_ris7otdel8_ris5

ОСНОВНЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ И КОНТРОЛЮ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ ПРИ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧЕ 

  • С целью сохранения источников питьевой воды пролет выработки не должен превышать половину высоты налегающей толщи пород.
  • Для предотвращения аварийных ситуаций необходимо проведение геомеханического мониторинга, включающего регистрацию
    вертикальных деформаций налегающей толщи.
  • Резкий рост деформаций (на порядок и более) свидетельствует о начале процесса образования водопроводящих магистральных трещин.

Установлены закономерности развития геомеханических процессов при освоении подземного пространства городов в условиях взаимного влияния подземных и наземных сооружений и разработаны методы прогноза и контроля этих процессов на плотно застроенных территориях мегаполисов. В разработанных методах впервые учтено влияние пригрузки на массив горных пород, вызванной зданиями и сооружениями, расположенными на земной поверхности, что позволит существенно повысить безопасность и эффективность освоения подземного пространства крупных городов.

Инновационные технологии

Разработан способ комбинированной разработки месторождений полезных ископаемых в гористой и холмистой местности, позволяющий значительно снизить объемы и стоимость вскрышных работ и их вредное влияние на экологическую среду, повысить устойчивость уступов и бортов карьера, сократить сроки освоения месторождений и уменьшить потери полезных ископаемых (Патент РФ № 2569122).

Разработан способ определения деформаций земной поверхности при отсутствии взаимной видимости между наблюдаемыми пунктами (Патент РФ № 2569076), позволяющий избежать вырубки просек в лесных массивах, применения сложных геодезических работ в обход зданий и сооружений, расположен-ных между наблюдаемыми пунктами, и обеспечить безопасность работ в гористой местности.

Разработан способ предотвращения затопления прибрежной зоны, позволяющий сохранить естественную поверхность площадей, примыкающих к водному объекту, посредством частичной выемки барьерного целика. При этом происходит опускание водного объекта, а над барьерным целиком появляются валы, образующие водозащитные дамбы. Проведение данного мероприятия позволяет сохранить плодородные сельскохозяйственные земли и другие территории, а также снизить потери полезных ископаемых в целиках (патент РФ №2206749).

Разработан новый способ скважинной гидродобычи месторождений твердых полезных ископаемых. Особенностями способа является исключение экологических последствий за счет подготовки гидросмеси в месте залегания полезного ископаемого. При разработке месторождения полезного ископаемого, например, угольного, сланцевого и т.п. производят мощное физическое воздействие на пласт, включая взрывное, гидравлическое, электрогидравлическое, добиваясь дезинтеграции и перевода в забое разрушенной горной массы в гидросмесь.

Полученную гидросмесь интенсивно перемешивают, а затем отстаивают, при этом осаждение тяжелой ее части происходит под собственным весом пустой породы на дно вымытой полости. После осаждения тяжелой части пульпу полезного ископаемого транспортируют по трубам на поверхность к потребителю и на обогатительную фабрику для брикетирования Способ позволяет осуществлять непрерывный процесс добычи полезного ископаемого, обогащения и доставки его к потребителю в автоматическом режиме без выдачи отходов обогащения на поверхность и обеспечить повышение безопасности ведения горных работ, снижение экологической нагрузки на недра, быструю окупаемость капитальных затрат по сравнению с традиционными способами разработки месторождений полезных ископаемых (патент РФ №.2363849).

Разработан способ гидродобычи месторождений полезных ископаемых, склонных к газо- и геодинамическим явлениям. В этом способе вскрытие месторождений осуществляется с помощью скважин. Затем создается полость с применением физического воздействия (взрывного, электрогидравлического разрушения и т.п.). Для дальнейшего разрушения полезного ископаемого в качестве мощного физического воздействия используется соб-ственная природная энергия, например высокая метаноносность угольных пластов играет положительную роль для разрушения угольного пласта, которая является отрицательным фактором при традиционных способах добычи. Далее подъем угля на поверхность осуществляют путем перевода разрушенного угля в гидросмесь и дальнейшей подачи водоугольной суспензии на поверхность с помощью эрлифта или гидроэлеватора. Данный способ позволяет вести безопасную и эффективную отработку месторождений, склонных к газо- и гео-динамическим явлениям, за счет использования внутренней энергии массива горных пород для разрушения полезного ископаемого при скважинной добыче и его транспортировке к потребителю (патент РФ № 2474691).

Разработан способ извлечения запасов полезного ископаемого из целиков при подземной разработке месторождений полезных ископаемых (Патент РФ № 2610456), предусматривающий создание в целиках в нисходящем порядке камеры цилиндрической формы, параметры которых определяют с учетом действующих напряжений вблизи горной выработки. Способ позволяет повысить эффективность горных работ при извлечении запасов из оставленных при подземной добыче междукамерных и барьерных целиков, а также снизить потери полезного ископаемого.

Разработан способ комбинированной разработки месторождений полезных ископаемых крутого падения вблизи водных объектов (Патент РФ № 2565310). Данный способ позволяет предотвратить прорывы воды в горные выработки при отработке подкарьерных запасов, исключить потери полезного ископаемого в разделительном целике и уменьшить разрыв во времени между добычей полезного ископаемого открытым и подземным способами за счет создания искусственного целика из закладки до окончания добычных работ в карьере.

По кластеру «Информационные технологии» фонда Сколково в июле 2013 года получен грант на выполнение проекта «Интеллектуальный карьер» (Научный руководитель проекта — академик К.Н.Трубецкой)

Реализация научных разработок

Разработаны и согласованы с Ростехнадзором и утверждены руководителями предприятий Методические указания по определению опасных зон на горных предприятиях АК «АЛРОСА».

Изложены методы определения параметров опасных зон на горных предприятиях АК «АЛРОСА» и требования к проведению горных работ в этих зонах. Приведены схемы деформирования породного массива под влиянием горных работ, определены понятия опасных зон и дана классификация видов опасности на рудниках АК «АЛРОСА».

Разработано и издано «Методическое руководство по комплексному горно-экологическому мониторингу при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей», согласованное с Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору РФ и утвержденное Первым заместителем председателя правления тоннельной ассоциации России.

Изложены основные положения Руководства, применяемые при проектировании, строительстве, вводе в эксплуатацию, эксплуатации, реконструкции, восстановлении, консервации и ликвидации транспортных тоннелей в рамках мероприятий по обеспечению их безопасности. Приведена система геотехнического мониторинга по осуществлению контроля за опасными геодинамическими процессами и явлениями природного и техногенного характера, предусматривающая разработку сценариев развития возможной аварии при проявлении каждого из опасных для тоннеля критериальных показателей.

Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 25 марта 2010 г. № 37-ст.

За 2012 — 2018 г.г. сотрудниками отдела
ОПУБЛИКОВАНО:  Монографии и учебники – 10;       Статьи – 165, в том числе в реферируемых изданиях – 83.
Получено 9 патентов.
Участие в конференциях –  69, в международных выставках –  1

Кадровый состав отдела:

Научные сотрудники — 17, из них:

  • доктора технических наук                               – 6
  • кандидаты технических наук                          – 9
  • молодые научные сотрудники (до 35 лет)     – 2

Инженеры   – 2

К.Н. Трубецкой – лауреат Демидовской премии, лауреат Премии «Легенда горной промышленности» форума Майнекс, награжден знаком отличия «За безупречную службу городу Москве», медалями «За доблестный труд», присвоено почетное звание «Почетный работник науки и техники Российской Федерации», присуждена Премия Правительства Российской Федерации в области науки и техники, руководитель научной школы «Создание методологии обоснования масштабов техногенного преобразования недр Земли для устойчивого функционирования горнотехнических систем» (НШ-2918.2014.5).

М.А. Иофис награжден медалью «За вклад в подготовку празднования 70-летия Победы в Великой Отечественной войне», знаком отличия «За безупречную службу городу Москве», Серебряным знаком «Горняк России», отмечен Благодарностью Президента Российской академии наук.

Е.И. Панфилов награжден почетной грамотой Президиума РАН и Совета Профсоюза работников РАН, отмечен Благодарностью Некоммерческого партнерства «Содействие развитию горной промышленности «Горное дело» за большой вклад в рациональное и безопасное недропользование, объявлена благодарность Президента Российской Федерации.

В.Н. Одинцев награжден Почетной грамотой Министерства энергетики РФ.

А.Г. Красавин награжден знаком «Горняцкая слава» III степени.

Н.А. Милетенко отмечена Благодарностью Союза маркшейдеров России и Благодарностью Фонда Первого Президента Республики Казахстан, награждена Почетной грамотой Министерства энергетики РФ, знаком отличия «Адъюнкт Академии горных наук».

Е.Н. Есина награждена Почетной грамотой Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору РФ, знаком отличия «Адъюнкт Академии горных наук».

И.Л. Никифорова отмечена Благодарностью Союза маркшейдеров России.

НАЗАД
ВВЕРХ
Яндекс.Метрика