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 крупномасштабныхгеомеханических 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 проведениемгеомеханического 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 развитиягеомеханических 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 ПРЕДУПЕРЖДЕНИЮ 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.

                                     Рис 1     Рис  2

 

Инновационные технологии

Разработан способ предотвращения затопления прибрежной зоны, позволяющий сохранить естественную поверхность площадей, примыкающих к водному объекту, посредством частичной выемки барьерного целика. При этом происходит опуска-ние 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, электрогидравли-ческого 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 положи-тельную 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 по-дачи 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 раз-рушения полезного ископаемого при скважинной добыче и его транспортировке к потребителю (патент РФ № 2474691).

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.

НАЗАД
ВВЕРХ
Яндекс.Метрика