Добыча полезных ископаемых подземным способом

В работе систематизированы результаты исследований по геомеханическому обоснованию возможности создания и применения конвергентной горнойтехнологии. На основе концепции коэволюции антагонистов и методов гомеостатической трансформации предложены биотехнологические принципы формирования этой технологии как сложного полиобъектного кластера в составе управляющего биологического и исполнительного технологического монокластеров.

Исследована модель техногенно измененных недр как нового литосферного и экологического объекта. Разработана гипотеза о структуре вторичного поля напряжений и рассмотрены технологические возможности активного управления напряженным состоянием природных и искусственных массивов. Выдвинута гипотеза о локализации релаксационных процессов на внешнем контуре единичной неоднородности, разработка которой позволила определить и исследовать совокупность ограничений, обеспечивающих безопасность, эффективность и экологичность конвергентных технологий при подземной разработке рудных месторождений.

Представлены результаты лабораторного исследования параметров трещины гидроразрыва и их особенностей в зависимости от вязкости закачиваемой жидкости. Покостовский гранит был выбран ввиду однородности и низкой проницаемости, что исключит влияние природных неоднородностей и утечек жидкости на поведение трещины гидроразрыва. Для изучения особенностей трещины гидроразрыва сотрудниками лаборатории центра добычи углеводородов Сколковского института науки и технологий была разработана специальная экспериментальная методика. Параметры трещины гидроразрыва регистрировались тремя независимыми системами мониторинга. Сочетание нескольких независимых лабораторных методов позволяет надежно определить параметры, которые могут быть использованы для валидации моделей ГРП. Существующие теоретические модели распространения гидравлического разрыва пласта (ГРП) имеют ряд ограничений при прогнозировании влияния жидкостей ГРП на свойства пласта.

Установлено, что вязкость жидкости ГРП влияет на такие параметры, как раскрытие трещины, скорость распространения и извилистость трещины ГРП. Полученные зависимости могут быть учтены при моделировании распространения трещины гидроразрыва, что может повысить эффективность полевых операций ГРП. Таким образом, лабораторные эксперименты можно рассматривать как разумную альтернативу испытаниям новых жидкостей, поскольку они позволяют получить исчерпывающую информацию о свойствах создаваемых трещин до применения новой технологии ГРП в полевых условиях.

Необходимость анализа и оценки технического уровня (ТУ) создаваемой новой и модернизации выпускаемой машиностроительной продукции является важным этапом формирования технических и организационных решений, обеспечивающих повышение конкурентоспособности изделий. 

В работах представлен технологический процесс изготовления материала рабочей камеры-канала магнитного перистальтического насосного агрегата - магнитоактивного эластомера, а также результаты исследований влияния совокупности различных параметров, варьируемых на стадии изготовления, на свойства конечного материала. Приведены рекомендации по выбору состава и параметров материала для применения в насосном оборудовании. Проведение комплексного исследования прочностных свойств магнитоактивных эластомеров на основе магнитомягких наполнителей позволило выявить зависимости основных динамически-механических характеристик материалов в зависимости от их состава и структуры. Также был обоснован состав и способ полимеризации эластомера, пригодного для использования в качестве материала рабочего канала магнитного насосного агрегата.

Представлен анализ весового уровня технических характеристик создаваемого насосного оборудования, для решения которой предлагается использовать метод оценки технического уровня существующей техники. На основании проведенного анализа и сравнительной оценки насосного оборудования ведущих производителей подобраны необходимые характеристики оборудования под конкретные цели применения. Разработана модель, раскрывающая механизм функционирования мобильной закладочной установки и позволяющая выполнять численный эксперимент с целью определения закономерностей влияния факторов на основные показатели процесса и выявления их рациональных значений.

Предложена классификация средств и рабочего оборудования для экскавации полезных ископаемых. По принципу выполняемых работ средства разделены на две группы: циклического и непрерывного действия. Затем выделены три типа трансмиссии: гидравлическая, механическая и комбинированная. В зависимости от типа перемещения выделено восемь видов: колесный, гусеничный, шнековый, рельсовый ход, шагания, понтон и мост, канатный и комбинированный. Выявлено шесть типов средств экскавации: прямая (обратная) лопата, роторный, цепной, драглайн, скрейпер и комбинированный. Также расписаны соответствующие типам средств экскавации типы рабочего органа, которые, в свою очередь, глобально разделяются на пассивные и активные группы по видам активности рабочего органа. 

Также в данной работе рассмотрены виды ковшей и рукоятей. Приведены примеры модернизированных или специальных средств экскавации, описаны специальные случаи применения. Описана проблема экскавации влажных грунтов, торфов и полезных ископаемых из затопленных забоев. Даны требования к ковшам. Описаны сложности позиционирования рабочего оборудования.

При моделировании рассмотрен участок ствола в однородном породном массиве. Проанализировано несколько основных фаз проходки: в фазе 1 производится распор комплекса в стволе с передачей на породный массив соответствующего горизонтального давления; в фазе 2 ведется разработка пород на величину заходки; в фазе 3 домкратная система комплекса разгружается, стрела рабочего органа задвигается, комплекс спускается на новую заходку; в фазе 4 производится возведение очередной заходки крепи. 

Установлено, что после снятия давления домкратной системы механизированного комплекса происходит прирост напряжений в крепи, не характерный для обычного взаимодействия с массивом. Влияние проходческого комплекса также сдерживает разгрузку массива и увеличивает значения радиальных напряжений на его контуре. Также исследовано влияние конфигурации забоя на напряженное состояние породного массива на контуре ствола. Установлено, что максимальные концентрации напряжений наблюдаются в угловых участках забоя плоской формы. При механизированной разработке с формированием в процессе проходки забоя конусной или уступной формы концентрации напряжений меньше на 10—15%.

В настоящей публикации рассмотрено аналитическое решение задачи взаимодействия системы «механизированный комплекс — ствол — породный массив» при параллельной технологической схеме, которая обеспечивает максимальные скорости проходки и характеризуется отставанием возведения постоянной крепи от забоя ствола до 25—30 м. 

На основании рассмотрения отдельных фаз взаимодействия системы в призабойной зоне установлено, что скоростная технология проходки по параллельной схеме позволяет обеспечить более благоприятный эксплуатационный режим работы основной крепи только при условии обеспечения устойчивости массива до ее возведения. Анализ полученных в статье зависимостей показал, что увеличение реактивного сопротивления временной крепи может отрицательно сказаться на величине напряжений в основной крепи при длительной эксплуатации ствола. В то же время ее снижение приводит к более интенсивному деформированию пород в призабойной зоне и опасности потери устойчивости участка. В этой связи применение временной крепи регулируемого сопротивления будет эффективным только в случае обеспечения срока служба временной крепи, равного сроку службы основной крепи. Это возможно при применении анкеров нового поколения из композитных материалов и долговечных вяжущих, обеспечивающих надежное закрепление стрежня в скважине. 

На единой теоретической и методической основе изложены вопросы вскрытия, подготовки шахтных полей и системы разработки угольных месторождений, что исключает дублирование материалов и способствует его лучшему усвоению. Обобщен передовой опыт вскрытия и подготовки шахтных полей угольных месторождений в России и за рубежом. Даны основные понятия и объяснение специальных терминов. Приведены методики оптимизации горно-технических параметров, выбора схем вскрытия и подготовки шахтных полей угольных месторождений, принципы конструирования вариантов систем разработки и определения основных параметров. Отдельный раздел посвящен разработке рудных месторождений.

Лев Александрович Пучков — чл.-корр. РАН, президент Московского государственного горного университета, Юрий Александрович Жежелевский — профессор Московского государственного горного университета.

Основной целью исследований является оценка влияния длины лавы на высоту зоны полного дренирования воды в подработанных зонах массива горных пород и величину водопритока в выработки выемочных участков. Анализ литературных источников позволил обобщить результаты исследований по рассматриваемой теме. Расчет параметров зоны полного дренирования с использованием существующих методических подходов и действующих нормативных документов показал наличие существенных недостатков, не позволяющих осуществлять надежный прогноз параметров зоны дренирования. В качестве рекомендуемого подхода предложено использование метода численных исследований, позволяющего учитывать как геометрические параметры зон подработки, так и свойства горных пород в зоне подработки. Представлены результаты численных исследований для условий шахты им.В.Д. Ялевского и сделан вывод о нецелесообразности увеличения длины лавы.

Рассмотрены наиболее опасные аварийные ситуации на угольных шахтах, связанные со взрывом метана и угольной пыли, газодинамическими явлениями (ГДЯ) и рудничными пожарами. Предложены направления по предупреждению аварий, связанных со взрывом метановоздушных смесей в сети горных выработок шахт. Предложенные решения могут быть применимы на угольных шахтах, опасных по взрыву метана и угольной пыли.

Рассмотрены вопросы, связанные с определением параметров гидрорыхления выбросоопасных угольных пластов при проведении горных выработок, а также, методические рекомендации по использованию динамики концентрации метана для прогноза газодинамических явлений. Рассмотрен способ повышения эффективности процесса гидровоздействия на угольные пласты. Предложенные решения могут быть применены при подготовке выемочных участков отработки выбросоопасных угольных пластов.

Предложена математическая модель, позволяющая определить перемещения частиц сыпучего материала в пространстве в пределах зоны влияния пунктов выпуска в зависимости от пространственного расположения любой частицы и выпущенного объема сыпучего материала.

Рассмотрены разные методики индивидуального подхода к разработке кимберлитовых месторождений при условиях крайнего севера, ценность алмазного сырья, гидробразивная резка слоями для каратосбережения в разработке кимберлитовых месторождениях.

Применение комбинированной схемы в условиях Обособленного предприятия «Шахтоуправление «Трудовское» позволило увеличить скорость крепления в очистном забое до трех раз. При этом были сняты ограничения на скорость выемки по фактору крепления и повышена устойчивость непосредственной кровли пласта. Возникающие при задержке передвижки секций обнажения находились в допустимых пределах для неустойчивых кровель. Применение комбинированной схемы передвижки секций механизированной крепи позволило снизить конвергенцию вмещающих пород на 25-30% и вывалообразования в призабойном пространстве. Таким образом, комбинированная схема передвижки секций крепи является более безопасной и эффективной.    

В  современных условиях недропользования основная технологическая задача деятельности любого горнодобывающего предприятия, связанного с добычей различного типа руд – выемка, погрузка и вывоз горной массы – выполняется погрузочно-доставочными машинами (ПДМ и ШАС), представляющими собой единую логистическую систему с выполнением определенных производственных и логистических процессов. 

Эффективность работы горнодобывающего предприятия во многом определяется эффективностью взаимодействия отдельных элементов этой производственной системы (погрузочно-доставочных машин и шахтных автосамосвалов), характеризуемой величиной простоев оборудования в течение смены в ожидании работы, которые иногда достигают до 30% рабочего времени. 

Предложены основные элементы процедуры оптимизации логистической системы подземных рудников посредством совершенствования системы распределения шахтных автосамосвалов по пунктам погрузки и трассам доставки руды.  

На норильских медно-никелевых месторождениях наблюдается тенденция интенсивного снижения содержания металлов в промышленных запасах, что сопровождается повышением в них показателей изменчивости качества руд. Работа выполнялась на о сновании актуальной для горных предприятий ПАО «ГМК «Норильский никель» тематики исследований, с учётом ухудшения в перспективе минерально-сырьевой базы. 

В результате выполненных исследований было установлено, что в Талнахско-Октябрьском месторождении имеют место существенно высокие значения геологической изменчивости показателей качества руд, что является первопричиной дестабилизации состава добычи. С целью выявления стабилизирующей способности отдельных звеньев технологической цепочки на руднике были проведены аналитические исследования и наблюдения. Результаты промышленной оценки стабилизирующей способности схемы рудника «Комсомольский», показывают на возможное наличие в ней явления гранулометрической сегрегации качества рудной массы. В этой связи, были выполнены маркшейдерские съемки участкового рудоспуска с применением лазерной сканирующей системы Optech, применяемой для выявления отклонения от проектных параметров. Назначение маркшейдерской съемки рудоспусков заключается в контроле за состоянием выработки, мест повреждений и определении объема рудоспуска, а также профиля, размеров и формы поперечного сечения рудоспуска. В результате выполнения маркшейдерской съемки установлено, что участковый рудоспуск не соответствует проектным параметрам. Таким образом, возникнет необходимость в разработки специальных технологических и организационно-технических мероприятий для проектирования, реконструкции и эксплуатации подземных рудников, позволяющих существенно повысить стабильность состава добываемых руд на базе стохастического моделирования выпуска руды из рудоспуска.

В сборнике размещены статьи, содержащие концепцию управления производственным риском на угледобывающих предприятиях. Формализованы и охарактеризованы модели обеспечения безопасности, применяемые на отечественных предприятиях угольной отрасли. Дано описание конечно-элементной модели, разработанной для проведения исследований влияния параметров гидравлических стоек двойной гидравлической раздвижности механизированных крепей, рассмотрены основные факторы определяющие работу манжет гидростоек механизированных крепей с точки зрения их герметичности и сохранения работоспособности. Дана оценка рисков нарушения технологических процессов в очистном забое по фактору проветривания.

Сборник статей представляет интерес для научных и инженерно-технических работников научных институтов, проектных организаций и угольных шахт, а также для аспирантов, магистров и студентов.

Представлены результаты аналитических исследований в области развития научно-методической базы обоснования основных проектных решений технологических систем угольных шахт и направлений их развития с учетом ресурсного потенциала и особенностей функциональных сред.

Показано, что теоретической основой методологического и научно-методического обеспечения обоснования проектных решений и синтеза технологических систем угольных шахт в сложившихся экономических условиях должны составлять байесовский подход и методы теории нечетких множеств, предусматривающих наиболее полный учет характерных особенностей неопределенности и риска, сформировавшихся в настоящее время в угольной отрасли. При этом общая стратегия решения задачи обоснования проектных решений реализуется на базе интеграции методологических подходов, иерархической структуры декомпозиции технологической системы угольной шахты, принципов совместимости, диапазонов и условий вариабельности ее рациональных вариантов, являющихся топологической основой синтеза ее рациональных вариантов. 

Приведены результаты лабораторных исследований влияния физико-химических свойств сульфидной пыли на ее взрывчатость. Эксперименты проводились в пылевзрывной камере. Установлено, что основным фактором, предопределяющим взрывчатость колчеданной пыли Сибайского месторождения является содержание серы в руде. Взрывоопасной является пыль с содержанием серы более 32%. Наибольшей взрывоопасностью обладают руды с содержанием серы 40—50%. 

Результаты исследований представлены в виде диаграмм зависимости интенсивности взрыва от содержания серы в руде, ее влажности, дисперсности, инертных добавок, концентрации.

Рассмотрено образование ударно-воздушных волн (УВВ) в подземных выработках при ведении взрывных работ по колчеданным рудам.

Показано, что при детонации зарядов ВВ в горной выработке происходит формирование двух УВВ. Первая основная образуется от взрыва зарядов ВВ, вторая от взрыва облака сульфидной пыли.

На основе соотношений нелинейной акустики теоретическим решением установлена формула для определения избыточного давления на фронте результирующей УВВ с учетом взрыва сульфидной пыли, местных сопротивлений и потерь на трение воздушного потока.

Приведен пример расчета безопасных расстояний по фактору УВВ при  возможном взрыве сульфидной пыли в подземных выработках с одним разветвлением  и двумя поворотами.

В этом сборнике размещены статьи, содержащие научные результаты, технические решения и опыт их использования, направленные на подготовку выемочного столбы к эффективной угледобычи, путем проведения дегазационных работ. Рассмотрены вопросы выделение метана, проницаемости и сорбции угля, фильтрационных свойств углепородного массива, эволюции геодинамических полей выемочного столба, изменение состояния призабойной зоны. Представлены решения, направленные на интенсификацию извлечения метана с помощью гидроразрыва, обеспечению контроля текущей газоностности угольного пласта. Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов массопереноса и осаждения угольной пыли на выемочных участках. В области промышленной безопасности затронуты направления, связанные с определением аномальных тектонических зон, устойчивости и управляемости кровли, с разработкой технических средств контроля деформационных процессов, взрывозащиты горных выработок, позиционирование персонала под землей. Описаны подходы к управлению производственным риском, рискам травматизма комплексному обеспечению безопасности труда на угольных шахтах. Большое внимание уделено направлениям экологической безопасности, мониторингу окружающей среды, очистке шахтных вод, переработка отходов обогатительных фабрик в энергетическое сырье.

Сборник включает в себя, статьи с результатами исследования перспективных направлений развития технологий так или иначе используемых при подземной угледобычи с конкретными решениями.

Статьи сборника представляют интерес для научных и инженерно-технических работников научных институтов, проектных организаций и угольных шахт, а также для аспирантов, магистров и студентов.

В сборник вошли статьи по проблемам, связанными с функционированием объектов и технологических процессов угледобывающего предприятия, разрабатывающего месторождения подземным способом. Большое внимание уделено вопросам стратегического развития технологий ведения подземных горных работ, подготовительным и добычным, создания и разработки новых инновационных технологий, промышленной безопасности, нормативной базе, подготовке кадров и эффективному управлению производством. Представлено развитие решений задач оперативного управления комплексно механизированным забоем, контроля и учета динамического влияния массива горных пород на техногенное преобразования массива, наблюдений за деформационными процессами под землей и на поверхности, планирования, подготовки и проведения монтажно-демонтажных работ. Значительный интерес вызвала тематика рационального использования горного оборудования, машин и механизмов, их подготовки и обслуживание. Затронуто направление, связанное с внедрением в экономику и в управление предприятием цифры: организация и обеспечение работы информационных систем контроля и управления технологическими процессами в шахте, многофункциональных систем безопасности. Уделено достаточно внимание эффективному использованию электроэнергии для обеспечения основных и вспомогательных технологических процессов угледобывающего предприятия. 

Сборник включает в себя, статьи с результатами исследования стратегического развития технологий и вопросов управления горнодобывающим предприятием при подземной угледобычи и статьи с конкретными решениями по вопросам технологий подземной разработки месторождений, горных машин и энергетики.

Статьи сборника представляют интерес для научных и инженерно-технических работников научных институтов, проектных организаций и угольных шахт, а также для аспирантов, магистров и студентов.

Рассмотрена проблема обеспечения эффективной и безопасной отработки запасов газоносных угольных пластов в сложных горно-геологических условиях. Представлены данные о горно-геологических условиях залегания пласта «Мощный» Воркутского месторождения Печорского угольного бассейна и применяемых технологических схемах его отработки. Выполнена оценка эффективности применения возвратноточной схемы проветривания. Представлены фрагменты результатов численных исследований аэрогазодинамических процессов на выемочном участке, полученные с использованием трехмерных моделей. Установлены предельные значения расхода воздуха и газовыделения, при которых концентрация метана не превышает предельно допустимую. В результате выполненных численных исследований установлено существенное влияние повышения расхода воздуха, подаваемого для проветривания очистного забоя, на метановыделение в горные выработки. Показана повышенная опасность местных скоплений метана на сопряжении с конвейерной выработкой при возвратноточной схеме проветривания. 

Рассмотрены способы и средства электрического освещения в подземных горных выработках. Приведены осветительные устройства для освещения горных выработок в условиях промышленных предприятий с подземной разработкой полезных ископаемых. Описаны источники питания осветительной сети, изготавливаемые различными производителями. Рассмотрены осветительные аппараты малой мощности, выпускаемые ООО «ПП ШЭЛА», для которых определены расчетные параметры осветительных сетей. Получены зависимости параметров электрических сетей от параметров осветительных трансформаторов при различных значениях напряжения осветительной сети.