Геомеханическое обеспечение горных и горно-строительных работ. Ч.1. Геомеханическое обеспечение подземных горных работ. Учебное пособие

Камерностолбовая система разработки с закладкой При этой системе месторождение делят на выемочные блоки, которые разрабатывают в определенной последовательности. Подготовку первичных и вторичных блоков с одинаковыми или разными размерами осуществляют способом геомеханической оптимизации. Вначале отрабатывают первичные блоки, а в образующиеся полости закачивают твердеющую закладку, формирующую столбы, между которыми впоследствии извлекают оставшиеся целики, то есть вторичные блоки. Появляющиеся

вследствие этого новые камеры, в свою очередь, заполняют твердеющей закладкой. Применяемые на зарубежных рудниках поршневые шламовые насосы гарантируют заполнение камер твердеющей пастой до самой кровли для эффективного восприятия нагрузки от вышележащих пород. В отечественной практике систему применяют при отработке Яковлевского месторождения железных руд (общее содержание железа более 62%) и Березниковского карналлитового месторождения под водоносными горизонтами. Для защиты от воды в первом случае создают плиту в кровле отрабатываемого блока.

Отработка пластовых медноникелевоплатиновых залежей (ИПКОН)

Технология предназначена для отработки вкрапленных руд мощных залежей Талнахского месторождения с применением VCR (Vertical Crater Retreat). Отработку ведут вертикальными камерами. Причём направление движения очистных забоев и развитие фронта очистных работ ортогонально. Отработку руды осуществляют с послойной отбойкой зарядов ВВ

вскважинах снизу вверх с образованием откольной воронки (кратера) взрыва, выпуском руды и последующей закладкой из отходов камеры. Применение малого количества ВВ практически не влияет на устойчивость выработок, обеспечивает селективность выемки. Извлечение руды с поте-

91

рями – 5% и разубоживанием – 12% привело к широкому привлечению VCR во всем мире.

Геомеханические расчёты предназначены для обеспечения устойчивости камер и безопасности горных работ при отработке удароопасных залежей в зонах ПГД.

Управление геомеханическими процессами возведением высокоплотного закладочного массива на рудниках [16]

В основе технологии лежит подэтажнокамерная система разработки со сплошной выемкой восходящим порядком отработки запасов и породной закладкой с применением технологии динамического механизированного уплотнения.

Уплотненный закладочный массив быстрее воспринимает горное давление, становясь активным несущим элементом. Роль искусственного массива сведена не к пассивному ожиданию нагружения от конвергенции вмещающих пород с увеличением размеров подработки, а к упреждающему воздействию на неблагоприятное развитие геомеханическои ситуации в процессе отработки в силу того, что породно-твердеющую закладочную смесь буквально «забивают» в выработанное пространство под значительными динамическими нагрузками (до 0,5 МН) Высокоплотный закладочный материал сразу подпирает подработанное висячее крыло.

Технология предусматривает применение самоходного оборудования по доставке в выработанное пространство компонентов пород- но-твердеющей смеси на основе цемента, что повышает гибкость технологического процесса. Усилие вибрации создают тяжелым вибрирующим катком.

Технология погашения выработанного пространства с уплотнением закладочной смесью, создающей активный распор вмещающих пород, предотвращает развитие разупрочнения массива и формирование очагов

92

опасности, уменьшает концентрацию напряжений в опорной зоне с 2 γН до 1,2 γH, снижает интенсивность динамических форм проявлений горного давления в зоне влияния очистных работ. Несущая способность высокоплотных породно-твердеющих искусственных массивов, возведенных методом механизированного динамического уплотнения, превышает реакцию опоры массивов, возведенного из монолитного материала. Высокоплотные искусственные массивы воспринимают до 80% веса налегающей толщи пород при незначительных (до 70 м) параметрах подработки. Монолитные искусственные массивы, воспринимают не более 10% нагрузки.

Поэтому инновационная технология в наибольшей мере обеспечивает полноту извлечения запасов и сохранность подрабатываемых объектов.

6.3. Горнодобывающие предприятия 2016 года – высокие технологии будущего

Для сохранения удельных издержек производства требуются значительные усилия и постоянное повышение динамики развития, связанное с оптимизацией производства на существующем уровне техники и снижением затрат. Процесс постоянного улучшения связан с непрерывным совершенствованием и стандартизацией техники в отношении повышения надежности, более простым обслуживанием и профилактикой с реализацией резервов производительности. Тем не менее дальнейшее увеличение глубины разработки, напрямую связанное с решением вопросов геомеханического обеспечения по сведению к минимому риска неопределенности геологических нарушений и ростом постоянных затрат, требуют дополнительного труда. Ключом к решению проблемы является целенаправленное развитие новой техники – высокотехнологичного оборудования будущего (Hi Tech).

93

Рассмотрим два направления, где технические инновации способствуют снижению затрат.

Повышение непосредственной производительности труда при поддержании кровли связано с отказом от ручных операций, частичной и полной автоматизацией, прогрессивными технологиями монтажа и демонтажа с применением самоходного оборудования, монорельсовых подвесных и напольных дорог. Инновации при очистных работахсвязанысприменениеммощныхприводовдлякомбайнов, стругов, при конвейеризации – с частотным регулированием вращения. Внедрение высокоинтегрированных устройств управления позволяет сократить объем монтажных работ на две трети по сравнению с прежней техникой, а применение электрогидравлического управления очистным комплексом – повысить нагрузку на угольный забой до 10 000 т/сутки товарного угля и безопасность работ с учетом улучшения основных фондов шахт.

Опосредственное повышение производительности труда в инфраструктуре осуществляют путем концентрации на небольшом числе высокопроизводительных участков «переднего края». Инфраструктурашахты илирудникаобеспечиваетснабжение материалами и энергией большого числа «заказчиков» (очистные и проходческие забои, демонтажные камеры погашаемых и новых лав, транспорт материалов, угля и руды, энергоснабжение, связь, обеспечение безопасности горных работ). Этими работами занята почти половина подземного персонала.

Поэтому первостепенной целью является концентрация работ с увеличением нагрузки на забой, опосредственного повышения производительности труда на подготовительных работах, при монтаже-демонтаже (скорость проходки следует повысить, время подготовки лав и блоков резко сократить).

94

6.4. Геомеханическое сопровождение систем разработки рудных месторождений

Послекризисный период в России будет сопровождаться высоким и интенсивным подъемом подземной разработки твердых полезных ископаемых в Сибири и на Дальнем Востоке. Приведем геомеханический анализ наиболее прогрессивных систем разработки по данным зарубежной теории и практики (H. Hamrin).

R o o m a n d P i l l a r M e t h o d s – камерно-целиковая система – КЦС. Современная КЦС направлена на более полное и безопасное извлечение запасов с применением закладки и отработки в восходящем порядке. При этом подлежат расчётам размеры панельных и междукамерных целиков.

V e i n M i n i n g – система отработки крутопадающих жил и даек. Особенностью системы является разнесение в пространстве и времени работ подготовительных, буровых, заряжающе-взрывных и доставочных. При отработке удароопасных залежей необходимы расчёты по их заблаговременной разгрузке.

C e m e n t C o n s o l i d a t e d F i l l – C H F – система отбойки и за-

кладки камер. Расчёты связаны с размерами камер и порядком безопасной отработки первичных и вторичных камер.

S u b l e v e l O p e n S t o p i n g – система подэтажных штреков с послойной отбойкой вееров глубоких скважин. Технология предназначена для отработки средней мощности крутопадающих залежей с выпуском руды на траншею. Предусматривают расчёты толщины отбиваемых слоёв на смежных подэтажах.

B i g h o l e S t o p i n g – система аналогична предыдущей, но предназначена для мощных залежей. Необходимо обоснование слоевой отбойки вееров падающих скважин для разгрузки залежи от тектонической составляющей горного давления.

95

C u t a n d F i l l S t o p i n g – система отбойки сзакладкой и отработкой крутопадающей тонкой ударноопасной залежи способом снизу вверх. Расчеты должны обосновывать размеры подэтажей.

L o n g w a l l M i n i n g – система длинных забоев при отработке пологих и слабонаклонных залежей с взрывной отбойкой, скреперной доставкой и поддержанием кровли на железобетонных тумбах. Геомеханическим расчетам подлежат вопросы управления кровлей.

S u b l e v e l C a v i n g – система подэтажного обрушения на 4-х уровнях отработки мощных крутопадающих удароопасных залежей. Геомеханический анализ необходим для решения задач по разгрузке залежи на всех уровнях отработки.

B l o c k C a v i n g – система блочного самообрушения с подсечкой и выпуском на траншею, транспортом ПДМ, перепуском на горизонт грохочения. Система представляет интерес для отработки мощных крутопадающих залежей.

Геомеханическому анализу подлежат вопросы:

-критические размеры поверхности обнажения для начала самообрушения;

-обоснование мощности целика.

96

7. Геомеханическое обеспечение интеллектуальных добычных технологий

Страны с развитой горной промышленностью – США, Канада, Австралия, ЮАР, Финляндия, Англия, Германия, Швеция взяли курс на технологическое перевооружение добывающих отраслей путём перехода на сплошную информатизацию, компьютеризацию, роботизацию шахт и рудников. Это позволило компаниям существенно повысить эффективность производства, снизить издержки, решить вопросы безопасности и экологии при наличии геомеханических рисков.

7.1. Коммуникационные системы и передача информации геомеханического обеспечения

В отношении передачи геомеханической информации не имеется каких-либо отличий от процессов в других областях промышленности. Управление шахтой и рудником может быть оптимальным, если всю производственную информацию своевременно регистрировать, передавать и анализировать. Для передачи большого количества данных геомеханической и другой природы, быстрой реакции техники управления сегодня на зарубежных шахтах и рудниках применяют основанные на световодных кабелях системы передачи информации от подземных производственных участков до диспетчерской на поверхности. В качестве центрального информационного пункта туда вызывают данные с обратной связью, контролируют наряду с работой транспортных средств, к примеру, показатели горного давления и смещений. Спектр использования расширяют всеми функциями «стандартного ПК». Неизбежным дальнейшим шагом является разработка компактных переносных (карманных, наладонных) ПК, которые наряду со сканерами и видеокамерами через подземные пункты дос-

97

тупа к беспроводной локальной сети (WLAN) синхронизированы с информационной сетью.

Возможности применения мобильной системы оперативного приема

ипередачи геомеханических данных по основным опасностям весьма многообразны. Распространение действия IT-инфраструктуры на подземные выработки заметно улучшает управление производственной системой

иобеспечивает прозрачность процессов вплоть до рабочих забоев.

Переход к отработке рудных месторождений на больших глубинах сопровождается увеличением литостатического давления, зачастую превышающего предел прочности массива на сжатие. В этих условиях усложняются горно-геологические характеристики продуктивных массивов. Структурно-блочный фактор при высоком давлении становится более выраженным с позиций его влияния на интенсивность и скорость развития геомеханических процессов, особенно при нарушении регламентов отработки залежей.

Отработка угольных месторождений, как показывает зарубежная практика, экологически ограничивается малыми глубинами ввиду наличия газа, уменьшающего сопротивление угля большим нагрузкам. Поэтому, например, глубокие шахты Англии и Германии будут в недалеком будущем закрыты. Угольный бизнес ориентируется на экспансию в страны с малыми глубинами, оставляя большие для будущих поколений, которые решат проблему геодинамической опасности.

Длительным переходным этапом к безлюдным технологиям станут методы подземной добычи угля и руды, основанные на применении робототехники с дистанционным управлением, в том числе с поверхности. Опыт работы 400 шахт и рудников мирового класса WC показывает, что проекты перехода весьма затратны и связаны с реализацией соответствующих национальных программ, о чем свидетельствуют демонстрации

98

зарубежной техники и высоких технологий (Hi Tech) на лучших горных выставках Лас-Вегаса (США) и Bauma (Германия).

В практике подземной добычи руд в Швеции, США, Канаде, Австралии, Финляндии имеются впечатляющие примеры по разработке и реализации программы « Интеллектуальная шахта» (стоимостью 12 млн. евро), предусматривающей в неустойчивых массивах с повышенным риском анализ новых технологических идей, направленных на создание «разумных» машин за счёт усиленного использования автоматизации и новых технологий; оперативный геофизический анализ массивов; локацию машин и рабочих в руднике; создание двунаправленной высокоскоростной подземной информационной сети; разработку компьютерной системы управления производством в режиме реального времени CALS; автоматизацию машин для заряжания скважин и высокоэффективные взрывные работы с применением электронного 0,1 мс инициирования; создание по- грузочно-транспортных машин без персонала; создание систем навигации мобильного оборудования; новые методы автоматизированного бурения на «автопилоте», крепления выработок, подъема, контроля устойчивости массива, оценки эффективности новой техники и технологии.

Идея программы состоит в оснащении системы выработок распределенной коммуникационной сетью с «сочащимися» Leaky-Feeder и волоконнооптическими каналами связи Fibra Optic. С одной строны к сети подключен пульт подземного диспетчера, с другой – размещенные в выработках антенны с приёмо-передающими аналогово-цифровыми преобразователями, через которые происходит обмен информацией с мобильным оборудованием и персоналом. Компьютерная организация добычи в геомеханически опасных зонах включает стратегическое и оперативное планирование, организацию, управление и оптимизацию процессов добычи. Автоматизацию машин осуществляют путем поэтапного высвобождения операторов действующих буровых, зарядных, набрызгбетони-

99

рующих, доставочных и погрузочно-транспортных машин. На создание новейшихтехническихсредствнаправляютдо70% финансовыхпотоковот доходов компаний. Реальность проекта обеспечивают малооперационностью процессов и мобильностью оборудования рудников.

Проект « Рудник будущего» (Швеция) реализуют на базе крупнейшей в мире шахты «Кируна». Погрузку-выгрузку горной массы осуществляют дистанционным управлением из диспетчерской, причем один человек с помощью бортовых видеокамер, системы радиопередачи данных и мониторов обслуживает одновременно до шести машин. 80% парка самоходного оборудования работает без персонала. Аналогичные системы созданы и применяются на практике в Канадском центре автоматизации и роботизации.

В ведущем проекте, финансируемом Федеральным министерством исследований Германии, разработана технология усиленной реальности в угольной шахте « A u g m e u t e d R e a l i t y » для поддержки рабочих процессов на стадиях проектирования, производства и технологического обслуживания. Под этимпонимаютновуюформувзаимодействиячеловека и машины, при которой информацию пользователь наблюдает на дисплее. Реальное поле зрения наладчика-оператора дополняют введенными рекомендациями по монтажу в электронном текстовом или графическом виде непосредственно под землей. Это своего рода замена руководства по монтажу в реальном времени. При анализе геофизических результатов поиска нарушений угольного пласта для правильной оценки информации технические руководители шахты и операторы непосредственно из забоя по системе RRA имеют возможность через Internet консультироваться с авторами техники и методов, например, с коллегами в США и в Австралии.

Цельюпрограммы « Интеллигентная автоматизация» вФРГ является контроль участков, опасных по газу, выбросам, горным ударам,

100