автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Научное обоснование схем вскрытия глубоких горизонтов рудников и способов сооружения выработок и обводненности



* О 1 N ' ! I

I '-» На правах рукописи

МАТВЕЕВ Петр Федотович

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СХЕМ ВСКРЫТИЯ ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ РУДНИКОВ И СПОСОБОВ СООРУЖЕНИЯ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ УДАРООПАСНОСТИ И ОБВОДНЕННОСТИ

Специальность 05.15.04 - "Строительство шахт и подземных сооружений ", 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в ОАО "Севуралбокситруда".

Научные руководители: доктор технических нау профессор Половое Борис Дмитриевич, доктор технически наук, профессор Трушко Владимир Леонидович

Официальные оппоненты: доктор технических нау] профессор Ардашев Константин Аркадьевич, кандида технических наук, доцент Минаев Юрий Леонидович

Ведущие предприятия: АО "Норильский никель институт АО "Гипроникель"

Защита диссертации состоится 19971

в 13 ч 15 мин. на заседании диссертационного Совет Д.063.15.03 при Санкт-Петербургском государственно! горном институте им.Г.В.Плеханова (техническом универ ситете) по адресу: 199026 Санкт-Петербург, 21 линия, д.1 зал заседаний № 2 (портретная галерея).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотек института.

Автореферат разослан ^ ^ января 1997 г.

Ученый секретарь .

диссертационного Совета, б&уи^/С/

доцент / ' В.И.Очкуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Многократное увеличение-за последние 15-20 лет потребления алюминия на мировом рынке I! в отечественной промышленности потребовало интенсивного развития горнодобывающих предприятий алюминиевой отрасли. Основным источником сырья для алюминиевой промышленности страны являются месторождения Североуральского бокситового бассейна, где добывается около 80 % бокситов России.

В силу огромной стратегической ценности алюминиевого сырья требовалось постоянное наращивание объемов добычи боксита на Севгроуральских месторождениям, разрабатываемых ОАО "Севуралбокситруда" (СУБР), что вызвало вовлечение р. эксплуатацию участков месторождений с весьма сложными природными условиями.

Интенсификация добычи боксита привела к быстрому понижению горных работ , которое составляет 20-25 м ежегодно в условиях высокой обводненности участков месторождений, неравномерной закарстованности и ударо-опасности вмещающих пород.

Сегодня на шахтах СУБРа добыча боксита ведется с глубины 8001000 м, вскрываются и готовятся новые горизонты на глубинах до 1500 м.

С увеличением глубины горных работ обострились проблемы их эффективного и безопасного производства, резко увеличились издержки на вскрытие и подготовку новых горизонтов, снизилась продуктизность уникального гидротехнического комплекса для защиты северного крыла бассейна от обводнения, возросли требования к качеству противоударных мероприятий. Для решения вышеперечисленных проблем требовалось принципиально изменить подходы к строительству и отработке глубоких горизонтов рудников СУБРа.

Поэтому задача обоснования способов сооружения новых горизонтов па глубинах превышающих 1000-1200 м, в условиях удароопасности и высокой обводненности является весьма актуальной.

В соответствии с изложенным целью днсеерт«ш:оиной работы 'шляется разработка рациональных схем вскрытия глубоких горизонтов рудных месторождений и способов сооружения вскрывающих выработок в условиях удароопасности н высокой обводненности вмещающих пород.

Основная плен работы заключается в повышении эффективности горных работ при вскрытии глубоких горизонтов обводненных удароопасиых месторождений путем оптимизации параметров многоступенчатых схем вскрытия и мер безопасного сооружения вскрывающих выработок на основе новой стратегии их защиты от затопления. -

В соответствии с поставленной целью основными чадачамн исследования являлись:

1) обосновать техническую возможность эффективности безопасного ведения горных работ при сооружении горизонтов без наличия двух псиосрсд-

ственных выходов на поверхность и оценить се экономическую целесообразность;

2) разработать методику и установить параметры оптимизации многоступенчатых схем вскрытия глубоких горизонтов в условиях удароопасностн а высокой обводненности массива пород на основс теории графов;

3) оценить уровни риска регионального и локального прогнозов ударо-• опасности на основе количественных показателей и критериев, отражающих

нестабильность получаемой информации и разработать методику выбора мер по снижению удароопасностн массива пород в вскрывающих выработках.;

4) разработать новую стратегию и критерии выбора региональных мер защиты вскрывающих выработок от обводнения, учитывающие значимость защищаемых объектов и надежность проектируемых мероприятий при планировании горностронтельных работ.

Методы исследован»». При выполнении исследований использовался комплекс методов, включающий обобщение результатов ранее выполненных исследований, шахтные и аналитические исследования, построение математических моделей и математическое моделирование на ЭВМ, методы теории гра-

■ фов и математической статистики.

Защищаемые положения:

1. Расположение и число базовых горизонтов и вскрывающих выработок следует определять по совокупности экономических и технических критериев на основе теории графов с оценкой интервала оптимальности альтернатив.

2. Выбор способов снижения удароопасностн массива пород в вскрывающих выработках и обеспечения их устойчивости производится по вероятностным критериям, с учетом затрат на обнаружение опасной ситуации, дополнительных издержек на ее локализацию и ущерб от последствий аварий.

3. Строительство глубоких горизонтов на участках месторождений с во-доупором, отделяющим, верхние горизонты от околорудного при отсутствии

■ между ними прямой гидравлической связи можно осуществлять без осушеиня надрудной толщи.

Достоверность защищаемых положений, выводов и рекомендаций" подтверждается системным характером исследований, адекватностью предложенных моделей, сходимостью аналитических результатов с данными производственных испытаний, результатами технико-экономического анализа с использованием статических методов, масштабностью и эффективностью внедрения рекомендаций диссертации в производство.

•Научная новизна результатов исследований заключается в следующем: '

- Предложен и обоснован набор критериев д ля оптимизации многоступенчатых схем вскрытия глубоких горизонтов рудных шахт: минимальная сумма объемов вскрывающих выработок, минимальное время вскрытия глубоких горизонтов, минимум капитальных затрат, минимум приведенных капитальных и эксплуатационных затрат, максимум чистого приведенного дохода.

- Получены нозые критерии эффективности мероприятий по борьбе с горными ударами и защите выработок от затопления, увязывающие издержки на мероприятия и потенциальный ущерб от последствии аварий.

- Разработана новая концепция защиты вскрывающих выработок от затопления с учетом ожидаемой результативности действующих и вновь проектируемых дренажных узлов и гидротехнических сооружений, особенностей строения вмещающих пород - расположения, распределения и мощности водо-упора в надрудиой толще,

- Определены условия применения методов прогнозирования водопри-токов во вскрывающие выработки в зависимости от степени закарстованности массивов горных пород и высотных отметок вскрываемых выработок.

П(,п;;гпчес:.'п!1 значимость работы заключается в:

- разработке многоступенчатых схем вскрытия глубоких горизонтов шахт Севсроуральского бокситового бассейна н определении их оптимальных параметров (числа ступеней и расположения базовых горизонтов);

- разработке оптимального взаиморасположения вскрывающих горных выработок и расположения их относительно залежи полезного ископаемого;

- установлении количественных критериев оценки достоверности прогноза удароспасностп массива пород и разработке мер по повышению качества прогноза и снижению удароопасности горных выработок;

- определении условии применения методов прогнозирования водопри-токов во вскрывающие выработки и разработке мер их защиты от затопления;

- разработке алгоритмов и программ минимизации материальных и временных затрат на вскрытие глубоких горизонтов и повышение безопасности сооружения вскрывающих выработок;

Реализация результатов работы проводится по программе развития ¡пахт Североуральского бокситового бассейна, утвержденной советом директоров ОАО "Севуралбокситруда" и комитетом по металлургии Российской Федерации. На основании результатов исследований разработан технический проект на вскрытие глубоких горизонтов шахт СУБРа и начата его практическая реализация.

Переход па ступенчатые схемы вскрытия только одной шахты "Красная шапочка" позволяет уменьшить капитальные затраты на 24,2 миллиарда рублей (в ценах второго квартала 1993 г.) сократить сроки строительства на 5-6 лет и обеспечить предприятие запасами не менее чем на 12-13 лет. Целесообразность перехода на ступенчатые схемы вскрытия с оптимальными параметрами (число ступеней, расположение базовых горизонтов) для условий СУБРа подтверждена решением Госгортехнадзора Российской Федерации.

Личный вклад автора диссертационной работы заключается в постановке задач и разработке методики исследований, сборе и обобщении материалов, научном обосновании схем вскрытия глубоких горизонтов, построении моделей и разработке новой стратегии защиты выработок от затопления, организации практической реализации результатов исследований.

Апробпник. Содержанке и основные положения работы обсуждались на III Международном симпозиуме "Горное дело в Арктике" (С,- Петербург, 1994), семинаре Госстроя России "Проблемы инженерно-геологических и ин-женерно-экслогических изысканий и инвентаризации земель и инженерных •коммуникаций в Уральском регионе'' (Екатеринбург, 1995), 1 Международном симпозиуме "Экология и раззитие Севсро -Запада" (С.- Петербург, 1995), IV Международном форуме "Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология" (С.-Петербург, 1996), научно-технических советах и совещаниях Госгортехнадзора России, Уральской Государственно? горно-геологичсской академии, ПО "Севуралбокситруда", АО СУБР (19921996).

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 9 печатных работах..

Автор выражает глубокую благодарность научным руководителя* д. т. и., проф. Б.Д. Половову, д. т. п., проф. B.JI. Трушко,.к. т. н., доц. H.H. Ле-щукову; а также многим другим научным работникам и специалистам ОЛС "Севурабокеитруда", оказавшим помощь в постановке задач исследований сборе материалов и обсуждении результатов экспериментальных исследова ний.

Структуря п объем работы. Диссертация включает введение, четыре главы, общие выводы и рекомендации, библиографический указатель из \Т. наименований. Объем диссертации - 191 страница машинописного текста, К таблиц, 40 рисунков.

В первой главе сделан анализ схем вскрытия и строительства глубок«: горизонтов рудных месторождений в сложных горно-геологических условиях Выполнена оценка методов прогноза удароопасности и обводненности глубо кнх горизонтов и мероприятий по снижению удароопасности и борьбе с затон леннем горных выработок. Сформулированы цель и задачи исследовании.

Во второй главе сформулированы основные принципы п критерии вы бора схем вскрытия глубоких горизонтов в условиях удароопасности н высо кой обводненности л разработана рабочая модель. На основе математическое моделирования установлены оптимальные схемы вскрытия глубоких горизои тов и расположения вскрывающих выработок.

В третьей главе разработана методика выбора и предложены меропрня тия по снижению удароопасности во вскрывающих выработках с использовс нием систем управления базами данных для оценки и регистрации удароогш поста.

В четвертой главе предложена новая концепция защиты рудников а верного крыла Сезероуральского бокситового бассейна ог'затопления и разр; ботешы конкретные мероприятия по борьбе с Еодопрнтоками во вскрывающн выработки.

СОДЕРПСЛК11E РАБОТЫ.

Основные результаты исследовании отражены в следующих защищаемых положениях:

/. Раа'.о.чаз'сатсг и "Ус.т> атпянх готпптиос, и вскрывающих ra-ipti-Somnn i-.jrdyrn; onpedriP:::'- п<> согп.-унапаи:! экономических и технических ИЛШ1Ш1 ,!!! ¿crone nh'op'ii!pa-'wti с оценкой тиигува.чя иптимсльпусти алынернатип.

В результате работ, выполненных школами акад. Агошкова М.И., Ше-вякова Л.Д., проф. Бокия Fi.И. по проблемам вскрытия месторождений полезных ископаемых, ic началу 50-х годов были сформулированы основные теоретические положения и установлены главные направления дальнейших исследовании. Исследования и проектные работы 50-х, 80-х г.г., проведенные Бурчако-вым A.C., Городецким П.И., Имешгговым В.Р., Инфантьсвым А.И., Квоиом С., Кузнецовым H.A., Куриосовым A.M., Малаховым Г.М.. Нандышем A.M., Поповым В.А. и др., позволяли установить детальное содержание задач вскрытия месторождений и рациональную последовательность их решения, разработать единую терминологическую основу (в частности, понятия "глубокий горизонт", "строительное и эксплуатационное вскрытие"), определить условия и выявить набор критериев для оценки параметров вскрытия.

Современные исследования в области вскрытия (Данилина Г.П., Зобнин Б.Б., Лещукоа H.H., Некрасов В.П., Митей ко А.И., Мочкоз B.C., Цой С. и др.) связаны в теоретической части с развитием информатики и внедрением новых компьютерных технологий, в практической - с интенсивным понижением горных работ и их переходом па значительные глубины.

Приведенные материалы в целом составляют весьма солидную опорную базу для решения конкретных проблем вскрытия глубоких горизонтов. На имеющейся основе в пераую очередь можно доказать экономическую целесообразность и обеспеченность безопасного ведения горных работ при строительстве и эксплуатации глубоких горизонтов без наличия двух неносредст» венных выходов на поверхность. Возможно оптимизировать схему вскрытия, определить рациональное число ступеней и отметки расположения базовых го. ризонтов, для чего следует выявить набор объективных критериев, составил, адекватную модель оптимизации параметров многоступенчатого вскрытия, определить диапазон оптимальности решения, посте чего следует разработан, комплекс мероприятий по обеспечению безопасных условии ¡руда и интенсификации строительства.

Б настоящее время основным средством выбора схем вскрытия является метод вариантов, однако этот метод не исключает ошибок и не является эффективным вследствие тою, что пользователь вынужден оперировать сравните.'»»-, но небольшим набором альтернатив. Между тем число возможных вариантов для вскрытия месторождения на фиксированную глубину для 7 горизонтов со-

ставит 70 млн., что делает невозможным выбор оптимальной схемы вскрыт методом полного перебора. Как правиле, в практике проектирования чцсл< Сравниваемых вариантов не превышает 2-3, таким образом, метоц варианта: позволяет отыскать частное, но не оптимальное решение, причем уровень ег< эффективности в значительной мере обусловливается квалификацией и опыто? конкретных лиц.

Системный подход к решению задачи выбора оптимальной схе\и вскрытия известен: в качестве математического аппарата используется теорк. графов, с помощью которой строится математическая модель; оптимальна схема вскрытия определяется графом с минимальным суммарным весом ребер Однако применение таких -математических моделей для вскрытия глубоких го рнзонтов строящихся и реконструируемых шахт, когда условие адекватности трудно или невозможно выдержать, сопровождается ошибками и стаиозитьс. неэффективным.

Предлагаемый принцип решения проблем оптимального вскрытия глу боких горизонтов состоит в создании специальных математических моделеГ позволяющих выбрать решение независимо от полного набора качественных ; количественных характеристик вскрываемого месторождения.

Второй важный элемент нового подхода заключается в корректоров:: модели вскрытия, исключении факторов, не оказывающих существениог влияния на конечные результаты.

Третий принцип реализует последовательный поэтапный анализ, вы полияемый по схеме "от простого - к сложному": если выбрана одноступепчя тая (традиционная) схема, то решение будет единственным; если преимущест •во получила ступенчата! схема - следует установить число ступеней вскрыта и отметки заложения базовых горизонтов (специальная математическая мс дель, строится в виде взвешенного графа, реализуемого в декартовых коордг натах ХОУ, рис. 1).

Большая трудоемкость вычислительных работ при расчетах варианта требует разработки автоматизированной системы оценки технических решс ний, причем эта система должна оперировать с метрическими, временными стоимостными критериями. Идея выбора параметров вскрытия глубоких гор): зонтов в рамках интервала оптимальности позволяет в качестве корректируй щих использовать упрощенные показатели: годовые приведенные затрат/ (капитальные затраты должны учитывать расходы на противоударные мерс приятия и борьбу с обводненностью горных выработок); метрический критс рий - суммарное сокращение длины или объема вскрывающих выработок; врб менной критерий - минимум времени на сооружение горизонтов, обеспечг вающий бесперебойную работу рудников с заданной производственной мои ностыо; дисконтированные капитальные и дополнительные-экегшуатационны расходы с учетом заданной процентной ставки! Результаты моделирования обобщенных условиях, показаны на рис. 2 (аналогичные взаимосвязи получен: с учетом

'ис. I Схема вскрыши месторождения с наклонной залежыо полочного ископаемого пер мне,гш,ними стволами и юрикнмалг.ныим кнершлаглми: (г - ую.ч почиипя чплежн; ! ¡¡, - /лупнн.ч распространения ъъчсхн; и | - м\ рипа зуинфа:

1ц - ширина предочрч!пнельиого псяпка;

1т - ланча кг.ершяага перчисго горизонта;

||ц - р.чссточние от .чсрхпего горизонта до номермюсти;

Ь )¡ - пмсота нам.

Количество ступеней вскрытия, N

!'ис. 2 Динамика распределения затрат на сооружение вскрывающих выработок: /у, - смешан стоимость горизонтальных выработок; Zц - сметая стоимость вертикальных выработок; N - количество ступеней пскрытня.

эксплуатационных расходов и фактора времени); в табл. 1 приведены данные расчетов, выполненных для месторождения "Красная Шапочка" СУКРц.

Таблица 1

Шахта "Краем;; Шапочка" (глубина г.скрзлтпя 1840 м)

Критерии Суммарная Капитальные Э.чеплуатцн Приведенные

Схемы длина вскры- затраты, млн. -онные рас- затраты, млч.

вающих вы- руб. ходы. млн. руб.

работок, км руб.

Традиционная 70,6 110! 65,5 33936,0 50460,8

(100%) (100%) (100%) (100%)

Двухступен- 30,3 55293,5 14764,4 2305S,4

чатая (42,9 %) (50,2 %) (43,5 %) (45,7 %)

Трехступенчата 22,2 45329,6 11460,3 18259,8

я (31,4%) (41,1 %) (33,8 %) (36,2 %)

Четырехступен- 20,2 43647,7 11082,6 17629,7

чатая (28,3 %) (39,6 %) (32.6 %) (34,9 %)

2. Выбор способов снижен иг. удщюпнааюсу.ги массива пород по ескрыпаюших шуаботках и обеспечен иго их устойчивости нроннюдннгся по вероятностным критериям с учетам атнрат на обнаружение опасной ситуан'ни дополнительные издержки на ее лонн.ипшшт и уте по от го-следствии аварий.

Активное изучение горных ударов и настоящее время (Абрамов H.H., А вершин С.С., Ватутина U.M., Винокур Б.Ш., Влох Н.П., Егоров П.В., Ильин A.M., Микулнн Е.И., Одинцов В.Н., Петухов И.М., Проскуряков В.М., Рехвна-швшш !О.С., Скляр H.H., Трушко В.Л., Туруптаев С.Б. и др.), централизованны/! сбор и обобщение информации о динамических проявлениях шрного дав-лепил привели к созданию общей теории горных ударов, установлению условий возникновения удароопасности п разработке нормативных документов но прогнозу (когтролю) ш. региональном и локальном уровнях, а также но предупреждению возникновения и снижению удароопасности. Таким образом состояние изученности проблемы горных ударов может оцениваться достаточно высоко, вместе с тем отдельные частные вопросы нуждаются в дополнительных исследованиях.

ß первую очередь целесообразно проанализировать,опыт вскрытия горизонтов на глубинах, превышающих 800-1000 м. Следует оценить уровни риска регионального и локального прогнозов удароопасности на основе количественных показателей и критериев, отражающих нестабильность получаемой информации. Для оперативной обработки, упорядоченного хранения и поиска информации о состоянии удароопаспых объектов необходимо использовать

современную технологию систем управления базами данных. Выбо;. противоударных мероприятий должен осуществляться по критериям н моделя.м, учитывающим совокупность природных, технических, экономических и социальных условий рассматриваемого объекта.

Одной из причин недостаточной достоверности как регионального, так и, в большей степени, локального прогноза состояния массива горных пород является нестабильность результатов инструментальных измерений. Поэтому для повышения качества прогноза удароопасности вскрываемых массивов горных пород была разработана специальная методика оценки достоверности, со-стспнымн элементами которой являются:

- определение уровня риска регионального прогноза, исходя из вероятности пропуска события, устанавливаемого статистическими методами,

- количественные взаимосвязи: между числом дисков керна и отношением глубины отбора керна к высоте выработки, представляющие критерии удароопасности; между достоверностью прогноза и процентом выхода керна;

- количественные критерии удароопасности "по вдавливанию пуансона" и зависимости для расчета достоверности прогноза, полученные методами теории функций случайных аргументов;

- формализация критериев удароопасности в зависимости от параметров трещиноватое™ и достоверности прогноза "по трещниоватостн", равной произведению показателей надежности - функций риска по факторам "общая надежность метода", "погрешность угловых измерений", "погрешность линейных измерений";

- зависимости для вычисления достоверности прогноза "по акустической эмиссии", установленные методами теории вероятностей.

Для реализации методики разработан программный комплекс, включающий пять программ: прогноз удароопасности и оценка достоверности прогноза но данным кериового бурения; прогноз удароопасности н оценка достоверности прогноза по результатам испытаний вдавливания пуансона; прогноз удароопасности и оценка достоверности прогноза по параметрам трещиновато-сти; прогноз удароопасности и оценка достоверности по параметрам акустической эмиссии; вероятность обнаружения удароопасной ситуации.

Для оперативной обработки, упорядоченного хранения и поиска информации о состоянии удароопасных объектов разработана реляционная база данных (БД) "УДАР". Помимо перечисленных функций, разработанная БД позволяет накапливать дополнительную статистическую информацию, на основе которой могут разрабатываться новые методики прогноза удароопасности (вероятностное распознавание образов, самообучагощне экспертные системы).« экспресс-методы оценки удароопасности,

БД "УДАР" отвечает четырем требованиям: 1 - удобный ввод данных о состоянии изучаемого объекта; 2 - возможность преобразования информации, под которым понимается ее дополнение, удаление, коррекция и математике-

екая обработай; 3 - организация запросов по совокупности признаков; 4 -оформление обобщенных отчетов.

Вся информация БД "УДАР" хранится дисковых файлах. Головной файл базы данных представляет собой картотеку, включающую карточки горного удара, составленные на оснор.с форлгы документирования горного удара, разработанной ВНИМИ. Каждая карточка картотеки, именуемая "записью" состоит из набора 31 "нолей", содержащих конкретную информацию.

БД "УДАР" оперирует -в среде FoxP¡'0-2.6 for Windows. Развитый программный режим, простой и удобный пользовательский интерфейс позволяет работать любому оператору с данными базы, не вникая в структуру базы и имея минимальные знания но технологии спстсм управления базами банных.

Наиболее эффективными и экономически целесообразными мерами борьбы с горными ударами при вскрытии глубоких горизонтов являются технологические операции и средства, в основу ко торых заложены принципы, направленные на снижение и выравнивание концентрации напряжений в краевой части массива или с отдельных элементах горных выработок. Выбор тиагх мер защиты от горных ударов, обеспечивающих безопасность строительства глубоких горизонтов при минимуме затрат, может быть выполнен с использованием следующих процедур:

1) составляется набор альтернатив, в состав которого могут входить как отдельные дорогостоящие, но высоконадежные мероприятия, так и различные компл екс ны е решеш иг;

2) для каждой альтернативы определяется сумма возможного ущерба от последствий горного удара и затрат на проведение противоударных мероприятий из выражения:

где: Д', - сумма ущерба и затрат в /-м альтернативном варианте; Ру - достоверность прогноза удароопасности; ХГ/у - среднестатистический потенциальный ущерб от последствии горных ударов; Рц - надежность мер защиты от горных ударов (в ;'-м альтернативном варианте).

Р} - надежность/-го мероприятия в /-м варианте, устанавливаемая стати-стн'кским путем по данным практики; ¿Згу - затраты па противоударные мероприятия но/-му варианту;

3) по найденным значениям заданной пороговой надежности выбирается вариант с минимальным:: затратами;

4} для ныирашюй альтернативы приближенно по критерию:

¿>(1-Рг) ' I У„ + P,[P„ ■ I Ъг, + (1 •- Рн) ■ I}».]

AKrv-O-Pvld^-K^P,

проверяется вероятный уровень травматизма после завершения противоударных мероприятий (А - сСпелг горнопроходческих работ; K¡y- сп.'ошегше числа горных удароз к годовому объему горнопроходческих работ; Р, - зероят-ность горного удара, относимого но мощности к классу t 1, m; К, - коэффициент тяжести травматизма; Ра - бааозый годовой показатель травматизма.

Л- Qttpoutve-i'-.cu'.ito глубоких гоутатпеп на участках месторождений с p.oùoynopfv,:, ы;и)с.;!7.тя!>.:у.1! черхлиг горшпш-.ул от сиолпяудиого при omeywattmu мжду памп прямой гидуамичсской силу.и можно осуществил im, óci ûcyniqii'x, riadnj±!ini¡ толщи.

Повышенная обводненность является одной из главных причин осложнения горных работ. В плане борьбы с этим негативным явлением следует отметить научные труды Абрамова С.К., БабушккнаВ.Д., Бочевера Ф.М., Бредихина А.Н., Вахрамесва И.И., ДружшшиаН.И., Кялмыкова Е.П., Лушннковой О.Ю., Миронецко ВЛ., Момчилова B.C., Норватова Ю.А., Плотникова H.A., Плотникова H.H., Самеопова Б.Г., Скиргелло О.Б., Троянского C.B., Шевякова Л.Д., Шродке К. и др., позволившие обоснованно прогнозировать водопритоки в горные выработки, пройденные в различных горно-геологических условиях, оценивать уровни прорывоопасиости подземных вод, решать стратегические и локальные задачи защиты глубоких горизонтов шахт от затопления. Однако при наличии важных научных и практических результатов проблемы борьбы с водопритоками не решены в полной мере: отсутствуют объективные критерии, позволяющие учитызать значимость защищаемых объектов с учетом возможного риска затопления; не отражена специфика условий вскрытия на глубинах свыше 800-1000 м; не использован инструмент системного анализа и системного подхода; следует учитывать надежность проектируемых мероприятий при планировании горнопроходческих работ. Существующая стратегия защиты шахт от затопления з обводненных массивах горных пород, предусматривающая применение мощных дренажных систем и гидротехнических сооружений, подлежит корректировке: в действующих рыночных условиях необходим поиск новых решений, позволяющих отказаться от дорогостоящих и не всегда эффективных громоздких дренажных систем.

В целях осушения месторождений СУБРа к настоящему времени выполнен крупный комплекс работ по экранированию рек, строительству водохранилищ, сооружению мощных дренажных узлов. Выполненные мероприятия обеспечили безопасную отработку южного фланга бассейна; на северном фланге, характеризующемся более сложной гидрологической обстановкой, еушест-

венного улучшения ситуации не произошло. Более того, строительство новых дренажных комплексов вовлечет в водоотлив подземные воды, находящиеся в настоящее время в статическом состоянии, приведет к развитию воронки депрессии, расширению площади водосбора и потребует огромных материальных затрат. Между тем приобретенный опыт защиты шахт СУБРа от затопления, тщательный анализ геологического строения северного фланга бассейна и технологических особенностей отработки бокситовых залежей показывает, что безопасное вскрытие глубоких горизонтов и их последующую эксплуатацию можно обеспечить действующими дренажными системами. Вскрытие на участках распространения водоупорных пород» где отсутствует прямая гидравлическая связь околорудного горизонта с верхними горизонтами можно осуществить вне зависимости от того, осушена или не осушена закарстованпая зона верхнего водоносного горизонта. Вместе с тем на таких участках необходимо предусматривать специальные мероприятия, исключающие возможность поступления подземных вод из верхнего горизонта в околорудный через область сдзижения массива горных пород а также по тектоническим нарушениям, разрывающим водоупорные отложения, и в обход водоупорных пород на границе их выклинивания.

Для защиты от возможных аварийных прорывов воды через тектонический нарушения, прорезающие водоупор, следует оставлять постоянные охранные целики, а вокруг нарушений, выявленных дополнительной разведкой или при проходке горнокапитальных и подготовительных выработок, - временные предохранительные целики. Для защиты горных работ от прорывов воды в обход водоупорных пород следует соорудить охранные целики мощностью от 150 до 200 м. Помимо перечисленных мер необходимо повысить качество изучения инженерно-геологической и гидрогеологической обстановки, в частности, следует организовать непрерывные гидрологические исследования через наблюдательные скважины и в подземных выработках, целесообразно разработать комплекс специальных мероприятий по повышению эффективности подземного водоотлива и снижению водопритоков.

Прогноз водопритоков во вскрывающие выработки, пройденные в за-карстовашшх породах, характеризуется специфическими особенностями. Очевидным главным природным фактором, помимо значительной глубины, обусловливающим правильность выбора методики прогнозирования является степень закарстованноста массива горных пород. Прогноз водопритокоз в горные выработки, проходимые в зоне локального и выклинивающегося карста ведется по специальной методике, которая прошла широкую апробацию и характеризуются весьма хорошей сходимостью: расхождения между прогнозными и фактическими водопритоками не превышают 15 - 20 %. Расчет потенциальной обводненности горизонтов, вскрываемых глубже 1000-1200 м в зоне трещиноватого массива горных пород, может выполняться аналитическими методами по формулам динамики подземных вод в сочетании с экспериментальными методами. Однако такие расчеты выполняются по стабильным средним «сходным

данным, не отражающим изменчивость гидрогеологических параметров массива горных пород, что может служить одной из причин затопления вскрывающих выработок. Поэтому в диссертации разработана методика оценки надежности прогноза водопригоков, базирующаяся на положениях теории функций нескольких аргументов и имитационном моделировании.

Объективная текущая гидрогеологическая пнтерпрнтания ситуации и надежное разведочное бурение при сооружении вскрывающих выработок чрезвычайно важны в тех случаях, когда ожидается пересечение тектонических нарушений и зон, либо проходка ведется по зонам замещенных карстовых известняков и участков с выклинивающимся водоупором. В таких случаях для надлежащей организации работ целесообразно их параметры выбирать по вероятностному критерию, минимизирующему сумму, включающую затраты на гидрогеологическое обслуживание, бурение разведочных скважин, вероятный ущерб от затопления объекта в случае не обнаружения опасности, ущерб от мероприятий, проводимых при заблаговременном определении угрозы прорыва подземных вод. На стадии принятия решений о использовании предварительного или последующего тампонажа необходимо оценить уровень вероятного успеха и предусмотреть проведение "резервных" мероприятий по критерию, учитывающему составляющие затрат на тампонаж, вероятность затопления выработки, уровень эффективности тампонажа, определяемый экспертизой с учетом предшествующего опыта.

Целесообразно также оценить надежность планирования сооружения вскрывающих выработок, под которой понимается вероятность строительства объекта в запланированные сроки. Неопределенность в системе сетевого планирования проходки вскрывающих выработок учитывается предположением, что продолжительность каждой работы является случайной величиной и все работы являются независимыми случайными величинами. Сетевой график проходки вертикальных стволов в условиях повышенной обводненности, реализующий изложенный подход, подтверждает эффект вероятностного подхода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В представляемой диссертации содержится решение задачи эффективного и безопасного вскрытия глубоких горизонтов рудных месторождений в условиях удароопасности н высокой обводненности, имеющей существенное значение для шахтного строительства. »

Наиболее важные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем.

1. Разработана новая стратегия повышения эффективности и безопасности горных работ при вскрытии глубоких горизонтов: вскрчтие наклонных залежей полезного ископаемого при проектных глубинах разработки 1200 - 1500 м н более следует выполнять по многоступенчатой схеме с использованием вертикальных и наклонных (для последней ступени) стволов. Число ступеней и

отметки расположения базовых горизонтов устанавливаются па основе мател, тического аппарата теории графов с оценкой интервала оптимальности ады\ натпв по комплекс)' экономических и технических критериев.

2. Установлен набор критериев для оптимизации многоступенчат; схем вскрытия глубоких горизонтов рудных шахт: минимальная сумма oGi мог> вскрывающих выработок, минимальное время вскрытия глубоких гор.чзг тов, минимум капитальных затрат, минимум приведенных капитальных и э: плуатационных затрат, максимум чистого приведенного дохода.

3. Сформулированы принципы оценки достоверности прогноза уда] опасности вскрываемых массивов горных пород на основе теории функций i скольких случайных аргументов, методов математической статистики и раз; ботана методика прогноза.

4. Разработана новая концепция защиты вскрывающих выработок от топления с учетом ожидаемой результативности действующих и вновь про тируемых дренажных узлов и гидротехнических сооружений, особенное-строения вмещающих пород - расположения, распределения и мощности во, упора в надрудиои толще: на участках с водоунором, отделяющим верхние ризонты от околорудного, при отсутствии между ними прямой гидравличес.' связи вскрытие можно осуществить без осушения иадрудной толщи: для sai. Ti вскрывающих выработок от возможных аварийных прорывов воды че тектонические нарушения и трещины, прорезающие водоупор, следует устр вать постоянные или временные предохранительные целики; для защиты прорывов воды в обход водоулора должны быть оставлены охранные цот мощностью от 150 до 200 м.

5. Определены условия применения методов прогнозирования водоп токов во вскрывающие выработки в зависимости от степени закарстованно массивов горных пород и высотных отметок вскрываемых выработок. Во притоки во вскрывающие выработки в зонах локального и выклинивающег карста следует прогнозировать, вероятностно-статистическими взаимосвязь-коэффициентов водоносности (функция от закарстованности) с притоками ды на объект и действующими гидростатическими напорами; в зоне трещи вагых пород, залегающих на глубинах более 1000-1200 м потенциальную водненностг. следует оценивать аналитическими методами динамики, пода ных вод с учетом нестабильности гидрогеологических параметров масс горных пород.

6. Установлены новые вероятностные критерии эффективности mi приянт по борьбе с горными ударами и защите выработок от затопления,; зывающие издержки (затраты на собственно мероприятия, затраты на свое; мениое обнаружение опасной ситуации - функция от вероятности обнаруже опасной ситуации, дополнительные расходы на локализацию ситуации своевременном обнаружении опасности) с потенциальным (вероятным) yi: бо.м от последствий аварий.

7. Разработаны конкретные мероприятия, методики, алгоритмы, про-зммы, обеспечивающих минимизацию материальных и временных затрат на <рытне глубоких горизонтов, повышение безопасности сооружения вскрывших выработок. Результаты выполненных исследований позволили сформировать ряд общих требований для месторождений с наклонным раснояо-ашем залежей полезного ископаемого, направленных на реализацию много-упенчатыхсхсм вскрытия.

S. Переход на ступенчатые схемы вскрытия * только одной шахты раеггая Шапочка" позволяет уменьшить капитальные вложения на 24,2 млрд. ¡в цепах второго квартала 1993 г.), сократить сроки строительства на 5-6 лет обесшчить предприятие запасами не менее чем на 12-13 лет. Цеяесообраз-1сгь перехода im ступенчатые схемы вскрытия с оптимальными параметрами исло ступеней, расположение базовых горизонтов) для условий СУБРа нод-ерждена решением Госгортекнадзорз Российской Федерации.

Основные положения диссертации опубликованы г работах:

1. Зобшш Б.Б., Полозов Б. Д., Лешу ко в H.H., Матвеев П.Ф., Ожегов В.П. сновцые принципы формирования системы управления вскрытием глубоких >piпостов шахтных полей // Изв. вузов. Горный журнал. - '991.- N. 5.- С. 152. 'Грушко B.JL, Тимофеев О.В., Матвеев П.Ф., Мнкуяин Е.И. Проблемы Зеспеченн;! устойчивости горных выработок в условиях глубоких горизонтов Горный журнал. - 1994. - № б, с. ! 4-17.

3. Матвее» П.Ф. Инженсрно-геологнческая оценка удароопасности и об-одненноета при вскрытии глубоких го pi попгс в шахт // Семинар "Проблемы нженерно-геологичеекпч пинженерно-экологических изысканий и инвента-нзацни земель и инженерных коммуникаций в Уральском регионе" 18-19 мая 995.-Екатеринбург: Госстрой России, АОЗТ "Уралтиснз", 1S95.-C. 10-12.

4. Матвеев П.Ф: Проблемы вскрытия глубоких горизонтов шахт СУБРа 1 Изв. вузов. Горний журнал. - ¡995.- Ks 9,- С. 37-4 ! .

5. Некрасов В.П.. Лсщуков H.H., Матвеев П.Ф. Математический аппарат ыбора схем вскрытия глубоких горизонтов шахт /7 Екатеринбург: УГГГД, 995. - 93 с. , ■

6. Грушко 13.Л., Матвеев П.Ф. Повышение безопасности горных работ » 'словиях динамических проявлениях горного давления // Экология и развитие Северо-Запада. - СПб: институт экологии РАН, 1995.-с. 173-174. .

; 7. Матвеев П.Ф. Проходка горно-капитальных выработок на глубинах :выше 1000 м в условиях обводненности и удароопасности // Актуальные ло-фосьг подземного и надземного строительства.-. Кемерово: Кузбасский Г<ку-шретвешшш технический университет.-1996,-С. 43-50.

8. Матвеев П.Ф. Использование технологии систем управления далами ханных для оценки и регистрации удароопасности h Международная конфе-

ренция "Геомсханнка в горном деле - 96".- Екатеринбург: РАН, ИГД УРО РАН, 1996.-С. 188-190.

9. Инструкция по креплению нолевых горизонтальных и наклонных выработок шахт Североуральского бокситового бассейна. - СПб, СПГГИ (ТУ), 1996.-56 с.