Разработка методологии систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения в угледобывающих регионах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.16, доктор технических наук Левкин, Юрий Михайлович

• Левкин, Юрий Михайлович
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Левкин, Юрий Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НАПРАВЛЕНИЙ ВТОРИЧНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА.

§ 1.1. Анализ состояния и перспективы вторичного многоцелевого освоения подземного пространства угольных шахт.

§ 1.2. Основные геологические и технологические характеристики некоторых угледобывающих районов России.

§ 1.3. Экологические последствия использования подземного пространства угольных шахт.

§ 1.4. Технологические схемы многоцелевого использования подземного пространства.

§ 1.5. Требования, предъявляемые к расположению участков недр, способам и технологиям захоронения. fc

§ 1.6. Понятие о мониторинге.

§ 1.7. Цели и задачи исследований.

ГЛАВА 2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ВТОРИЧНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫРАБОТОК.

§2.1. Анализ состояния подземных горных выработок угольных шахт.

§2.1.1 .Подмосковный угольный бассейн.

§ 2.1.2. Донецкий угольный бассейн Ростовской области.

§ 2.1.3.Печорский угольный бассейн.

§ 2.1.4.Челябинский буроугольный бассейн.

§ 2.2. Факторы, определяющие возможность вторичного использования подземных выработок.

§ 2.2.1 .Требования, предъявляемые к горным выработкам многоцелевого использования.

§ 2.2.2.Направления многоцелевого использования подземных горных выработок.

§ 2.2.3.Геологическое строение вмещающих пород, их мощность и прочностные характеристики.

Щ § 2.2.4.Тип крепи, состояние, прогнозные изменения её несущей способности во времени.

§ 2.2.5.Характеристики гидрогеологических условий и их прогнозные изменения.

§ 2.2.6.Геомеханическое состояние породного массива и прогнозные его изменения.

§ 2.2.7.Влияние вторичной эксплуатации выработок на окружающую среду.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗУЧЕНИЯ И ОЦЕНКИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНЫХ РАБОТ.

§3.1. Теоретические методы расчета напряженнодеформированного состояния массива пород.

§ 3.2. Методы оценки и прогноза геомеханического состояния слоистого породного массива.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА * ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДРАБОТАННОГО СЛОИСТОГО МАССИВА.

§4.1. Схема и механизм деформирования слоистого массива горных пород.

§ 4.2. Установление механизма разрушения слоя пород.

§ 4.3. Оценка расслаиваемости подработанной толщи пород.

§ 4.4. Определение предельного состояния слоя пород.

§ 4.5. Взаимодействие крепи выработки с подработанным породным массивом.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

ГЛАВА 5. МАРКШЕЙДЕРСКИЙ МОНИТОРИНГ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК МНОГОЦЕЛЕВОГО ОСВОЕНИЯ.

§5.1. Маркшейдерское обследование угольной шахты для обеспечения мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения.

§ 5.1.1.Перечень основных исходных данных, учитывающихся при обследовании подземного пространства угольной шахты.

§ 5.1.2.Оценка и прогноз недропользования для многоцелевого освоения подземного пространства.

§ 5.2. Определение направления многоцелевого использования подземного пространства.

§ 5.3. Мониторинг и управление подземным технологическим пространством.

§ 5.3.1.Маркшейдерское обеспечение подземного пространства вторичной эксплуатации.

§ 5.3.1.1. Оценка напряжений и деформаций крепи выработок.

§ 5.3.1.2. Контроль за изменением контура выработки.

§ 5.3.2.Маркшейдерский контроль за сдвижением земной поверхности и толщи горных пород.

§ 5.3.2.1. Измерение величины смещения горных пород в скважине глубинными реперами.

§ 5.3.2.2. Определение физико-механических свойств породного массива.

§ 5.3.2.3. Измерение напряженно-деформированного состояния в породном массиве и приконтурной части выработки.

§ 5.3.2.4. Определение величины динамического проявления горного давления.

§ 5.3.2.5. Наблюдения за сдвижением горных пород.

§ 5.3.2.6. Геоэкологический контроль.

§ 5.3.2.7. Обеспечение функционирования подземного технологического пространства многоцелевого использования.

§ 5.3.2.8. Автоматизированная информационная система.

§5.3.2.8.1.Разработка автоматизированной информационной системы маркшейдерского мониторинга.

§5.3.2.8.2.Математическое обеспечение автоматизированной информационной системы.

§ 5.4. Экономическая оценка использования систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методологии систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения в угледобывающих регионах»

Ежегодно на планете добывается подземным способом более миллиарда тонн угля. В результате этой деятельности человека остаются сотни километров подземных горных выработок, не участвующих в добыче угля. Средняя глубина разрабатываемых горизонтов на угольных шахтах России колеблется от 80 до 600 метров. Протяжённость капитальных горных выработок Российских угольных шахт превышает 1,5 миллиона километров. Они закреплены в Восточном Донбассе, Кузбассе, Печорском и Подмосковном бассейнах: рамной металлической крепью - 68 - 21%, монолитным бетоном и железобетоном - 16 - 71%.

Реформирование угольной отрасли в России, как правило, приводит к закрытию нерентабельных угольных шахт. Их ускоренное закрытие нередко приводит к затоплению многих километров подземных горных выработок. Затопление выработок нарушает гидрогеологическую обстановку шахтного поля, в результате чего выработки обрушаются, на земной поверхности образуются провалы.

В настоящее время в европейской части России миллионы кубометров экологически небезопасных для окружающей среды нетоксичных отходов занимают большие площади землеотводов городских территорий и горных предприятий, на аренду и содержание которых расходуется немало средств. Химический состав сухой массы компонентов твёрдых бытовых отходов в зависимости от климатических зон составляет: органические вещества - 56 -80%; зола - 20 - 45%; углерод - 28 - 39%. Одной из реально существующих в настоящее время проблем является захоронение отходов электростанций, работающих на сжигании мусора или угля. Решение этой проблемы требует больших затрат, так как отходы содержат вредные вещества в виде тяжёлых металлов, ароматических углеводородов и других веществ в концентрациях, превышающих их предельно допустимые значения. Способность отдельных составляющих отходов энергетического и других производств к естественному распаду (разложению) в течение долгих лет ставит вопрос о целесообразности размещения отходов в хранилищах подземного типа.

Обследования угольных шахт в ряде регионов России показали, что в среднем 30% подземных горных выработок, закреплённых монолитной и сборной бетонной, железобетонной крепью, могут быть использованы для долговременной многоцелевой вторичной эксплуатации в качестве складов, механических мастерских, выращивания сельхозпродукции, организации шахтного туризма, экскурсий, оздоровления и прочие цели, 70% выработок, закреплённых деревянной, анкерной, металлической крепью, могут быть использованы для складирования или захоронения нетоксичных отходов.

На территории России и стран СНГ горные выработки угольных шахт в основном используются лишь в технологических циклах по добыче минеральных ресурсов. Вторичная эксплуатация горных выработок, не участвующих в производственном процессе, осуществляемая параллельно с • добычными работами на горном предприятии, даст возможность снижения себестоимости добычи угля.

Так, на шахте им. Губкина Лебединского ГОКа в ходе эксперимента при заполнении отработанных камер в подземное пространство было подано из хвостохранилища 375 тысяч кубометров пульпы, уложено и осушено 117 тысяч тонн хвостов, отведено в оборотное водоснабжение 337 тысяч кубометров осветлённой воды.

Горнодобывающие предприятия в странах мира используют подземные пространства, не участвующие в добыче полезного ископаемого для размещения своих вспомогательных производств, складов. В США из 20 млн. кв. м горных выработок известняковых шахт г. Канзас-Сити используются около 2 млн. кв. м. Из них 85% подземного пространства находится в эксплуатации в качестве складов и холодильников. Вторичная эксплуатация горных выработок снижает расходы на тепло 60 - 120 тыс. долл. США в год со 100 квадратных футов. Экономический анализ показал, что целесообразно б использовать подземные пространства, расположенные на расстоянии до 200 миль от крупных городов.

Проблему вторичной эксплуатации подземных горных выработок изучали зарубежные учёные: Duffaut P., Marin G. Srauffer Т.Р. Woodard D., Hughes D.S., Ryan V.J. Runovc F., Kortnik J,. Христов E., Aughenbaugh N.B., Хамм Э. и другие; российские учёные: Ярунин С.А., Малкин А.С., Иофис М.А., Попов В.Н., Орлов Г.В., Коколов О.В., Умнов В.А., Папернов М.М., Зильберборд А.Ф., Швецов П.Ф. и другие. Обеспечение надежности несущих и ограждающих конструкций, технологической и эксплуатационной безопасности отражено в трудах И.В. Баклашова, П.П. Бессолова, Б.В. Бокия, В.Н. Борисова, Н.С. Булычева, 3. Вайды, Д.Р. Каплунова, Б.А. Картозия, Н.Н. Мельникова, И.Д. Насонова, Н.М. Покровского, К.В. Руппенейта, К.Н. Трубецкого, Б.И. Федунца, П.М. Цимбаревича, В. А. Чантурия, Н.Н. Чаплыгина, Е.И. Шемякина, А.А. Шилина, М.Н. Шуплика.

• Вторичное использование горных выработок постоянно требует информационного обеспечения в режиме непрерывного или дискретно непрерывного мониторинга, о состоянии массива горных пород, несущих конструкций крепи, изменения их геометрических и прочностных характеристик, объектов, попавших в мульду сдвижения на земной поверхности.

Многоцелевое вторичное использование подземных горных выработок закрывающихся, а также работающих угольных шахт для захоронения нетоксичных отходов или длительной эксплуатации позволит сэкономить средства предприятий, расходуемые на оплату аренды земли, занятой породными терриконами, хвостохранилищами горных предприятий, свалками мусора, обеспечить рациональное использование природных ресурсов, экологическую безопасность угледобывающего региона, дать дополнительные рабочие места местному населению, что в свою очередь снизит в них социальную напряжённость.

Разработкой мониторинга в России занимались Израэль Ю.А., Королёв В.А., Бондарик Г.К., Ярг JI.A. и другие.

Существующие мониторинги не рассматривают маркшейдерский мониторинг горных выработок вторичного многоцелевого использования в угледобывающих регионах. Наблюдения маркшейдерскими, геофизическими приборами и инструментами за массивом пород, подземными горными выработками и земной поверхностью необходимы, так как объект эксплуатации является бинарной природно-технической системой, постоянно меняющей свои свойства в динамике. В период многоцелевой вторичной эксплуатации подземного пространства продолжают изменяться гидрогеология, свойства пород, экологическая обстановка, снижаются технические характеристики крепи и крепёжного материала. Существующая в настоящее время система маркшейдерских наблюдений не учитывает специфику подземных объектов данного назначения, у которых отсутствует прямой доступ к наблюдаемому экологически небезопасному объекту.

Системы маркшейдерского мониторинга подземного пространства для его многоцелевого освоения в угледобывающих регионах позволяют обеспечить оценку и прогноз состояния объектов маркшейдерских наблюдений для принятия управленческих решений, обеспечивающих технологически и экологически безопасную эксплуатацию предприятия. Они являются составной частью экологического мониторинга, который создаётся в нашей стране в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации «О создании Единой государственной системы экологического мониторинга России» от 24 ноября 1993 г. № 1229.

Поэтому актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение, является обоснование разработки методологии создания систем маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок угольных шахт, не участвующих в технологическом процессе добычи угля для их многоцелевого вторичного использования, учитывающей нарушенность толщи пород деформационными процессами, вызванными подработкой массива в результате добычи полезного ископаемого, геологическое строение и наличие тектонических нарушений вмещающего породного массива, гидрогеологические условия, геометрические и прочностные характеристики крепи, состояние её несущих конструкций в зависимости от длительности эксплуатации, технологию строительства и характер использования выработок.

В практике горного дела, однако, маркшейдерские работы, экологические, технические и технологические аспекты обеспечения подземных горных выработок угольных шахт, предназначенных для вторичного многоцелевого освоения, а также социальное значение новой эксплуатации горных предприятий, рассматриваются в недостаточной увязке друг с другом.

Не изучены вопросы воздействия отходов, находящихся в подземном пространстве, на окружающую среду мест размещения, включая изменения прочностных характеристик крепи, её несущих конструкций, физико-механических свойств горных пород, экологических последствий данной эксплуатации горных выработок, т.е. те вопросы, без изучения которых невозможна выработка стратегии минимизации экологической опасности при размещении под землёй объектов, не связанных с добычей полезного ископаемого и осуществление мероприятий инженерной защиты окружающей среды от их вредного влияния.

Настоящая работа выполнена в рамках хоздоговорной темы с компанией «Росуголь» «Маркшейдерское обеспечение эксплуатации объектов в подземном технологическом пространстве при отработке угольных месторождений европейской части России», а также фундаментальных исследований Министерства образования РФ в области горных наук по проблеме «Создание теоретических основ экзодинамических природно-антропогенных и техногенных процессов при добыче полезных ископаемых».

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ ЯВЛЯЕТСЯ научное обоснование разработки методологии систем маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок, высвободившихся в результате завершения технологического цикла добычи угля и предназначенных для вторичного многоцелевого экологически безопасного освоения на закрывающихся и работающих угольных шахтах, на основе предложенных новых методов оценки и прогноза состояния подработанного слоистого массива горных пород, с учётом его геологического строения, гидрогеологических условий, геометрических и прочностных характеристик несущих конструкций крепи.

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в использовании маркшейдерского мониторинга для получения информации о состоянии и динамике изменения геометрических параметров подземных горных выработок вторичного многоцелевого освоения, подработанного слоистого массива горных пород с целью обеспечения экологически чистой и безопасной эксплуатации подземных технологических объектов на угольных шахтах.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В работе использованы: системный анализ и теоретическое обобщение результатов исследований в области создания систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства вторичного многоцелевого освоения угледобывающих регионов, теоретические исследования сдвижения пород, маркшейдерские наблюдения за изменениями состояния подработанного слоистого массива пород, маркшейдерские натурные обследования состояния крепи подземных горных выработок угольных шахт с целью определения номенклатуры выработок для многоцелевой эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ, РАЗРАБОТАННЫЕ ЛИЧНО АВТОРОМ: 1. Режимы и схемы реализации маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок, предназначенных для вторичного многоцелевого освоения, должны осуществляться с учётом горногеологической информации о свойствах, строении и состоянии горных пород вмещающего массива, динамики их изменения во времени и пространстве, а также изменчивости дестабилизирующих факторов различной физической природы, которые могут привести к потере устойчивости геологической среды и находящихся в ней подземных природно - технических объектов.

Принципы подбора и определения направления подземного пространства вторичного многоцелевого освоения основываются на анализе многолетних маркшейдерских наблюдений за массивом горных пород и комплексом горных выработок угольной шахты и учитывают посредством использования вычислительной базы маркшейдерского мониторинга технологию строительства, длительность и цели эксплуатации выработок, изменения геометрических, прочностных характеристик крепи и состояние её несущих конструкций на момент обследования, геологическое строение, гидрогеологические факторы среды, состояние слоистого массива подработанного в результате добычи полезного ископаемого.

Маркшейдерский мониторинг состояния подземных объектов природно-промышленных комплексов вторичного многоцелевого освоения должен осуществляться на разномасштабных уровнях. Надёжность и достоверность получаемой информации обеспечивается за счёт проведения его в сочетании с геологическим, гидрогеологическим, геофизическим, газодинамическим и другими видами мониторинга, а получаемая при этом информация должна анализироваться и интерпретироваться в комплексе, дополняя друг друга, и учитываться при принятии решений по управлению устойчивостью объекта и установлению момента перехода его в критическое состояние. Выбор места размещения измерительных устройств в комплексе подземных горных выработок вторичного многоцелевого освоения и массиве горных пород в каждом конкретном случае должен осуществляться с учётом геологических, технологических и других п факторов, определяющих эффективность контроля, так как подземное эксплуатируемое пространство и окружающие выработки породы находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и оказывают взаимное влияние на параметры измерений в процессе маркшейдерского мониторинга. В зависимости от динамики изменения контролируемых параметров объектов наблюдения, маркшейдерский мониторинг должен осуществляться в непрерывном или дискретно непрерывном режимах, в том числе с использованием различных типов сигнализаторов критического состояния. 5. Эффективность решения задач маркшейдерского мониторинга достигается использованием интеллектуальной автоматизированной системы, имеющей иерархическую трёхуровневую структуру построения и обеспечивающей оперативный контроль и прогнозирование изменений состояния массива горных пород и геометрических параметров подземного пространства многоцелевого освоения.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ ПОДТВЕРЖДАЮТСЯ: о представительным объёмом статистических данных, полученных при обработке 246 км подземных горных выработок угольных шахт по 4 угольным регионам России; о сходимостью результатов теоретических исследований с натурными маркшейдерскими наблюдениями при установлении механизма деформирования, образования и развития трещин в подработанном слоистом массиве горных пород. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В СЛЕДУЮЩЕМ: — обоснованы необходимость и перспективность маркшейдерского обеспечения вторичного многоцелевого использования комплекса подземных горных выработок, высвободившихся в результате прекращения добычи полезного ископаемого на работающих и закрывающихся угольных шахтах, для размещения в подземном пространстве хранилищ, производств длительной эксплуатации, а также складирования (захоронения) нетоксичных отходов предприятий различного профиля (хвостохранилищ горных предприятий, породных терриконов и т.п.); разработана методология построения систем маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок многоцелевого использования в угледобывающих регионах, направленная на обеспечение промышленной и экологической безопасности; разработаны системы маркшейдерского мониторинга с использованием различных типов сигнализаторов критического уровня в режиме непрерывного или дискретно непрерывного наблюдения за динамикой геометрических параметров комплекса подземных горных выработок и геологической среды; разработаны маркшейдерские методы оценки комплекса подземных горных выработок угольных шахт, предназначенных для вторичной эксплуатации, и обоснован методический подход к выбору направления их использования в зависимости от состояния геометрических и прочностных характеристик несущих конструкций крепи; маркшейдерскими наблюдениями установлен механизм деформирования слоистого породного массива, основанный на определении несущей способности каждого слоя пород с учетом их прочностных характеристик и динамики развития секущих трещин при знакопеременных деформациях слоя, что позволяет существенно уточнить условия образования сквозных водо-, газопроводящих трещин и потери устойчивого состояния подработанной толщи пород.

НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ СОСТОИТ В РАЗВИТИИ ТЕОРИИ МАРКШЕЙДЕРИИ И ЗАКЛЮЧАЕТСЯ: в обосновании концептуальных положений систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения угледобывающих регионов на основе новых маркшейдерских методов оценки и прогноза состояния горных пород, вмещающих подземную горную выработку; разработке моделей идентификации источников потери устойчивости вмещающего массива горных пород с учётом их динамики во времени и пространстве; разработке методического подхода к использованию различных типов сигнализаторов критического уровня состояния среды объекта наблюдения, которые совокупно обеспечивают экологическую и промышленную безопасность.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ: в установлении перспективности вторичной многоцелевой эксплуатации подземного пространства, высвободившегося в результате прекращения добычи полезного ископаемого на угольных шахтах, что позволит сократить площади земельных отводов, занятых нетоксичными отходами, предприятий, населённых пунктов и сэкономить средства, расходуемые на оплату аренды земли, занятой отходами жизнедеятельности человека, ликвидацию загрязнения окружающей среды, а также создать рабочие места; разработке методологии, позволяющей принимать научно обоснованные решения при разработке технических заданий на создание и проектирование автоматизированных систем маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок вторичного многоцелевого освоения в угледобывающих регионах, а также при выборе технических средств измерения и способов маркшейдерских съёмок; разработке методики подбора номенклатуры подземных горных выработок угольных шахт, предназначенных для их вторичного многоцелевого использования; «Методическое руководство по маркшейдерскому обеспечению эксплуатации объектов в подземном технологическом пространстве при отработке угольных месторождений европейской части России» принято к использованию: «Управлением Маркшейдерского обеспечения Ликвидации шахт и разрезов ГУРШ»; «Институтом горючих ископаемых». АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты работы доложены на: международном симпозиуме EUROCK в г. Лиссабоне (Португалия) в 1993 г.; II Международной конференции по механизму сдвижения пород в г. Вене (Австрия) в 1995 г.; X Международном конгрессе международного маркшейдерского общества «Горное дело в III тысячелетии» в г. Фримантле (Австралия) в 1997 г.; на экологических конференциях в г. Москве (МГГУ) (2000 - 2002гг.), заседаниях круглого стола в рамках «Недели горняка» в г. Москве (МГГУ) (1990 - 2004гг.), на семинарах кафедры «Маркшейдерского дела и геодезии» г. Москвы (МГГУ) (1999 - 2004гг.).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликованы 23 научные работы, в том числе 1 монография.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 145 наименований, содержит 40 рисунков, 31 таблицу, 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр», Левкин, Юрий Михайлович

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5

1. Маркшейдерские наблюдения за массивом пород, подземными горными выработками и земной поверхностью при создании маркшейдерского мониторинга являются необходимым элементом промышленной безопасности, так как объект эксплуатации является бинарной природно-технической системой, постоянно меняющей свои свойства в динамике. В период многоцелевой вторичной эксплуатации подземного пространства снижаются технические характеристики крепи и крепёжного материала, продолжают изменяться гидрогеология, свойства пород, экологическая обстановка.

2. Промышленная и экологическая безопасность комплекса горных выработок угольных шахт при их вторичном многоцелевом использовании может быть обеспечена только при условии проведения маркшейдерских наблюдений за их состоянием в режиме непрерывного или дискретно непрерывного мониторинга.

Реализация маркшейдерского мониторинга состояния подземных природно-технических объектов, предназначенных для вторичного многоцелевого использования, должна осуществляться на разномасштабных уровнях, при этом полученная информация должна анализироваться и интерпретироваться в комплексе, взаимно дополнять друг друга.

Для получения надёжной и достоверной информации о состоянии вторично используемых подземных горных выработок маркшейдерский мониторинг необходимо проводить в сочетании с геологическим, гидрогеологическим, геофизическим, газодинамическим и другими видами мониторинга, информация, получаемая с помощью которого, должна взаимно дополнять друг друга и учитываться при принятии решений по управлению устойчивостью объекта и установлению момента перехода его в опасное критическое состояние. Горные выработки вторичного многоцелевого освоения и вмещающая массив горных пород геологическая среда находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и оказывают взаимное влияние на параметры измерений в процессе маркшейдерского мониторинга. Маркшейдерские наблюдения могут осуществляться как в выработках, так и во вмещающем породном массиве, при этом выбор в каждом конкретном случае места размещения измерительных устройств должен осуществляться с учётом экономических, технологических и других факторов, определяющих эффективность контроля.

При решении большинства задач маркшейдерского мониторинга комплекса подземных горных выработок, вторично используемых, нет необходимости в непрерывном слежении за динамикой контроля параметров, а достаточно ограничиться получением информации о достижении ими одного или несколько критических уровней. Соответствующая система геомониторинга должна базироваться на использовании различных типов сигнализаторов критического уровня состояния среды объекта наблюдения.

Эффективное решение задачи маркшейдерского мониторинга предприятия многоцелевого использования достигается исключительно в рамках интеллектуальной автоматизированной системы, имеющей иерархическую трёхуровневую структуру построения, которая обеспечивает не только оперативный контроль, но и оперативное прогнозирование параметров подземного пространства при его многоцелевом использовании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании анализа и обобщения опыта разработки угольных месторождений подземным способом, учёта природных и техногенных особенностей массива горных пород, теоретических исследований и натурных измерений в диссертации решена важная для народного хозяйства научно-техническая проблема разработки методологии построения систем маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения в угледобывающих регионах, обеспечивающая промышленную и экологическую безопасность объектов различного назначения, размещаемых в горных выработках угольных шахт, высвободившихся в результате завершения добычи полезного ископаемого.

Основные научные результаты, полученные при выполнении исследований, заключаются в следующем:

1. Обоснованы целесообразность и возможность разработки систем маркшейдерского мониторинга при вторичном многоцелевом освоении комплекса подземных горных выработок высвободившихся в результате завершения технологического цикла добычи угля на работающих или подлежащих закрытию угольных шахтах России.

2. Обоснована методика маркшейдерского обследования комплекса подземных горных выработок угольных шахт, позволяющая определять направления эксплуатации подземного пространства вторичного многоцелевого использования и учитывающая положения «Основ законодательства о недрах» в части размещения объектов, не связанных с добычей полезных ископаемых.

3. Маркшейдерскими исследованиями установлено, что на выбор направления многоцелевого вторичного использования горных выработок оказывают существенное влияние: горно-геологические факторы массива пород, время предыдущей эксплуатации подземного пространства, изменения геометрических, прочностных характеристик крепи, состояние её несущих конструкций на момент обследования, несущая способность и конструктивная податливость крепи.

4. Маркшейдерскими обследованиями комплекса подземных горных выработок угольных шахт установлено: а) для долговременной вторичной многоцелевой эксплуатации могут быть использованы подземные пространства в качестве производственных цехов, складских помещений, холодильников, хранилищ, механических мастерских, теплиц, оранжерей, выращивания сельхозпродукции, организации шахтного туризма, оздоровления и прочих целей, требующих сохранности крепи выработок, дополнительной гидроизоляции. Для размещения таких объектов целесообразно использовать капитальные горные выработки: околоствольные дворы; откаточные штреки; квершлаги, обладающие геомеханической и функциональной устойчивостью, закрепленные монолитной бетонной, железобетонной, метало-бетонной, сборной железобетонной, бетонной, металлической арочной крепью с железобетонной затяжкой. Экономически целесообразно использовать горные выработки шириной 4 м и более, высотой не менее 2,4 м и суммарной площадью не менее 500 кв. м. Горные выработки, пройденные в слабых и неустойчивых породах, закарстованных, с интенсивными оползневыми явлениями, первичному учету для долговременной эксплуатации не подлежат. Прогнозирование поведения крепи выработок, рассчитанных на длительную эксплуатацию, необходимо осуществлять на основе изучения изменения её несущей способности во времени; б) для кратковременной эксплуатации в качестве размещения нетоксичных промышленных и бытовых отходов (продуктов их переработки) в процессе погашения горных выработок или частичного извлечения угля из предохранительных целиков могут быть использованы горизонтальные (подготовительные, очистные), наклонные (уклоны, ходки) и на заключительной стадии вертикальные (стволы, шурфы) выработки. В этом случае ширина и высота выработок должны обеспечивать безопасность при производстве работ по размещению отходов и погашению выработок, а длина и площадь - экономическую целесообразность их вторичного использования. Размещение отходов необходимо проводить с учётом

271 химического состава окружающего их породного массива, так как их контакт с подземными водами и шахтной атмосферой может спровоцировать дополнительные химические превращения, что в свою очередь ухудшит экологическую обстановку. Горные выработки, восстановление которых экономически нецелесообразно, подлежат погашению. Погашение этих выработок проводится за счет размещения в этих выработках нетоксичных отходов, горных пород, получаемых в результате добычи полезного ископаемого, породной массы из хвостохранилищ.

5. Разработаны системы маркшейдерского мониторинга при вторичном многоцелевом освоении подземного пространства угольных шахт, обеспечивающие устойчивую, экологически безопасную работу предприятия, сохранение наземных объектов. Системы маркшейдерских наблюдений за массивом пород, подземными горными выработками и земной поверхностью являются необходимым элементом промышленной безопасности, так как объект эксплуатации является бинарной природно-технической, динамической системой, постоянно меняющей свои свойства. Системы позволяют осуществлять оценку и прогноз состояния подработанного массива от кровли выработки до земной поверхности; образования и развития водо- и газопроводящих трещин и состояния комплекса подземных горных выработок в зависимости от прочностных характеристик крепи и ее несущих конструкций.

6. Разработана методика выбора приборов и инструментов, необходимых для маркшейдерского контроля за горными выработками, при их вторичной (параллельной с добычей) долговременной и кратковременной эксплуатации, массивом горных пород, мульдой сдвижения земной поверхности и наземными объектами.

7. На основе современных представлений о сдвижении подработанного массива пород и данных маркшейдерских наблюдений предложены схема образования, развития секущих трещин в прогибающемся породном слое и механизм деформирования слоистого породного массива, основанный на определении несущей способности каждого слоя пород с учетом их прочностных характеристик, трещиноватости, геологических нарушений и механизма образования поперечных трещин при знакопеременных деформациях слоя, что позволяет существенно уточнить условия появления сквозных водо- и газопроводящих трещин, разрушения пород и деформации крепи выработок.

8. Маркшейдерские наблюдения позволили разработать метод оценки геомеханического состояния подработанного слоистого массива пород, который заключается в том, что суммарная глубина распространения трещин, находящихся рядом, будет рассекать его снизу и сверху более чем на половину толщины слоя. При этом сжатие трещин в толще слоя, происходящее в результате деформационных процессов пород в массиве, не восстанавливает его прочностные характеристики. Максимальное развитие трещин в слоях осадочных пород происходит при достижении размера выработанного пространства 1,2 АН. В слоях осадочных пород соединение секущих трещин происходит при D нт = 1,6 АН. Расстояние между горизонтальными проекциями точек с максимальным растяжением на верхней и нижней поверхностях слоя равно 0,4 АН. В методе оценки учтены формирование знакопеременных горизонтальных деформаций на верхней и нижней поверхностях слоя, а также глубина развития трещин, определяющая его устойчивость в зависимости от мощности прогибающегося слоя (пачек слоев) и суммарной глубины трещин в различных его сечениях.

9. Использование интеллектуальной автоматизированной информационной системы, имеющей иерархическую трёхуровневую структуру построения для решения задачи маркшейдерского мониторинга на основании данных слежения за динамикой изменения параметров состояния объекта маркшейдерских наблюдений, обеспечивает оперативный контроль и прогнозирование изменений параметров подземного пространства многоцелевого освоения, и массива горных пород.

Таким образом, впервые разработаны системы маркшейдерского мониторинга подземного пространства, высвободившегося в результате завершения угледобычи на конкретном горизонте, используемого для многоцелевого вторичного освоения в угледобывающих регионах. Надёжность и достоверность получаемой информации обеспечивается

273 использованием вычислительной базы маркшейдерского мониторинга, в сочетании с геологическим, гидрогеологическим, геофизическим, газодинамическим и другими видами мониторинга, с использованием приборов и инструментов непрерывного или дискретно непрерывного действия, что позволяет сохранить экологическую безопасность природно-промышленного объекта.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Левкин Ю.М. Выявление влияния горно-геологических факторов на процессы подземной газификации углей с помощью геометризации. - В сб.: Применение математических методов и ЭВМ в геологии. -Новочеркасск, 1983, с. 106-107.

2. Левкин Ю.М. Исследование влияния сдвижения горных пород на устойчивость технологических скважин при геотехнологических способах добычи.- В сб.: Совершенствование технологии и техники подземной разработки рудных месторождений. - М.: МГИ, 1983, с.27-29.

3. Левкин Ю.М. Влияние сдвижения горных пород при скважинной добычи полезных ископаемых на обсадные колонны. - В сб.: Научно-технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны. - Свердловск, СГИ, 1984, с. 127-128.

4. М.А. Iofis, Y.M. Levkin. Ways to mitigate harmful environmental of mining operations. 'Methodes de diminution de l'effet nuisible des operations minieres sur l'environnement Mittel zur Senkung der schadlichen Bergbauwirkung auf die Umwelt'. EUROCK '93/LISBOA/ PORTUGAL PROCEEDINGS / COMPTES - RENDUS / SITZUNGS-BERICHTE ISRM INTERNATIONAL SYMPOSIUM / 1993, 06. 21 - 24. s. 317 -322.

5. Yu.M. Levkin, I.M. Iofis. Interaction between the exavatoin support and joined rock mass. Proceedings of the second international conference on the mechanics of joined and faulted rock - MJFR-2. Vienna/Austria/10-14 april

1995. MECHANICS OF JOINTED AND FAULTED ROCK. Edited by HANS-PETER ROSSMANITH Institute of Mechanics, Technical University of Vienna, Austria, s. 817 - 822.

6. Попов B.H., Иофис M.A., Орлов Г.В., Левкин Ю.М. Оценка и прогноз геомеханического состояния подработанного слоистого массива горных пород. Симпозиум "Современное горное дело: Образование, Наука, Промышленность" Посвящается памяти академика Владимира Васильевича Ржевского 29.01.96 - 2.02.96г. - М.: ГИАБ, 1996. - № 4. - С. 57-62.

7. Yu.M. Levkin, G.V. Orlov Prevention of surface subsidence caused by underground mining and coal gasification - MINING IN THE 3rd MILLENNIUM. The Social and Environmental Impact. Xth INTERNATIONAL CONGRESS of the INTERNATIONAL SOCIETY FOR MINE SURVEYING in conjunction with the 23rd IEMSA NATIONAL SURVEYING CONFERENCE, Fremantle, Western Australia/2-6 November 1997, Congress Proceeding, Hosted by The Institution of engineering and mining surveyors Australia, s. 399 -400.

8. Попов B.H., Иофис M.A., Орлов Г.В., Левкин Ю.М. Оценка и прогноз геомеханического состояния подработанного слоистого массива горных пород. International Society for Mine Surveying 4-th Commission ( Rockmass movements and mining damage ). Proceedings of the Scientific Sessions in Ustron - Poland ( No.XVIII, 1995 ) and Balatongyorok - Hungary ( No.XIX, 1996). Gliwice, Poland, 1997, c. 155 - 160.

9. Левкин Ю.М. Мониторинг подземных горных выработок повторной эксплуатации. - М.: ГИАБ, 2000. - № 6. - С. 127.

10.Левкин Ю.М. Геоэкологический контроль окружающей среды при повторной эксплуатации подземных горных выработок. Роль науки и образования в третьем тысячелетии. / Четвёртая международная экологическая конференция студентов и молодых учёных. Москва, МГГУ. 16-18 апреля, 2000г. Том 1- Смоленск,: Ойкумена, 2000, с. 158 -160.

11. Левкин Ю.М. Использование геодинамического районирования в условиях вторичной эксплуатации подземного пространства угольных шахт. Тезисы научных докладов. - Y1 Международная конференция "Экология и развитие Северо - Запада России", 11-16 июля, 2001г. -СПб: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ), 2001, с. 164.

12.Левкин Ю.М., Левкин В.В. Факторы, определяющие целесообразность закрытия подземных угольных шахт. «Экологическая безопасность и устойчивое развитие»./ Пятая международная экологическая конференция студентов и молодых ученых. Москва, МГГУ. 18-19 апреля 2001 г. Том 1. - Смоленск, Ойкумена, 2001, с. 224 - 227.

13.Левкин Ю.М. Геодинамический контроль подземных горных выработок угольных шахт при вторичной эксплуатации. Тезисы научных докладов 7 Международной конференции «Экология и развитие Северо - Запада России». 2-7 августа 2002 г. - СПб: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ). 2002, с. 4.

14.Левкин Ю.М. Горнотехнические и геологические факторы, определяющие возможность повторного использования выработок. Экологическая безопасность как ключевой фактор устойчивого развития. -Сб. докладов / Шестая международная экологическая конференция студентов и молодых учёных. Москва, МГГУ. 1-3 апреля 2002 г. Том 1. -Смоленск, Ойкумена, 2002. - С. 96 - 99.

15. Левкин Ю.М. Горнотехнические и геологические факторы, определяющие возможность повторного использования выработок. - М.: ГИАБ, 2002. - № 12. - С. 25 - 26.

16.Левкин Ю.М. Вторичная эксплуатация подземных горных выработок угольных шахт. - М.: ГИАБ, 2003. - № 2. - С. 13 - 16.

17.Левкин Ю.М., Иофис И.М. Взаимодействие крепи выработки с подработанным породным массивом. - М.: ГИАБ, 2003. - № 4. - С. 20 - 24.

18.Левкин Ю.М. Маркшейдерское обеспечение подземного технологического пространства многоцелевого использования. - М.: МГГУ, 2003, 215 с.: ил. - ISBN 5 - 7418-0274-5 (в пер.).

19.Левкин Ю.М. Мониторинг предприятия многоцелевого использования. -М.: ГИАБ, 2003. - № 12. - С. 8 - 10.

20.Левкин Ю.М. Маркшейдерское обследование угольной шахты для обеспечения мониторинга предприятия многоцелевого использования. — М.: ГИАБ, 2004. - № 1. - С. 26 - 30.

21.Левкин Ю.М. Факторы определяющие целесообразность многоцелевого использования подземного пространства угольных шахт. - М.: ГИАБ, 2004.-№2.-С. 15-18.

22.Левкин Ю.М. Разработка автоматизированной информационной системы маркшейдерского мониторинга. - М.: ГИАБ, 2004. - № 5. - С. 139 - 144.

23.Левкин Ю.М. Математическая обработка автоматизированной информационной системы маркшейдерского мониторинга. - М.: ГИАБ, 2004.-№ 6.-С. 62-68.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Левкин, Юрий Михайлович, 2004 год

1. Айруни А.Т., Иофис М.А., Мхатвари Т.Я. Закономерности дегазации выбросоопасных пологих угольных пластов при их подработке // Уголь. 1979. - № 9. - С. 14 - 16.

2. Акимов А.Г., Земисев В.Н. и др. Сдвижение горных пород при подземной разработке угольных и сланцевых месторождений. М.: Недра, 1970.

3. Ардашев К.А., Ахматов В.И., Катков Г.А. Методы и приборы для исследований проявления горного давления. М.: Недра, 1981. - 128 с.

4. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов.-М.: Недра, 1988.-271 с.

5. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных пород. М.: Недра, 1975.

6. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. М.: Недра, 1992.

7. Баклашов И.В., Наумов И.Г,, Акульшин В.Г., Потапов М.А.

8. Прогнозирование долговечности капитальных выработок угольных шахт при их многоцелевом использовании. Вторая научн.-техн. конф. "Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов" (тексты докладов, т.1). — 1995. С. 572-575.

9. Бекман Д., И. Кляйн, А. Вайзе. Нелинейная модель МКЭ-расчета применяемой в каменноугольной промышленности податливой арочной крепи. Глюкауф, 1992. - № 2. - С. 59-63.

10. Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл. ред. А.М.Прохоров Изд.З-е. М., Советская энциклопедия, 1974, т. 20, 640 е., ил.: С. 120 -121.

11. Бондарик Г.К., Ярг Л.А. Природно-технические системы и их мониторинг. Инж.геол. 1990. — № 5. С. 3 - 9.

12. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1980. -360 с.12,13.14,15,16