Геоенергетичні основи розробки рудних родовищ

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню наукової проблеми з відкриття, описання та використання феномену зонального капсулювання гірничих виробок у геоенергетичних підходах до технології розробки рудних родовищ. На основі проведення промислових, лабораторних та теоретичних досліджень формування зональних капсул навколо гірничих виробок удосконалена існуюча класифікація методів дослідження напружено-деформованого стану гірських порід за рахунок доопрацювання ентропійного методу та розробки енергетичного. За допомогою нових методів було реалізоване системне урахування градієнтів напружень, щільності, температури та інших чинників енергетичного стану масиву з утворенням кільцевих енергетичних зон, їх кількісті, розмірів і форми, синусоїдно-згасаючих напружень і кільцевих підзон деформації, на базі яких були описані механізми формування запобіжних капсул навколо виробок. Виявлено, що енергія капсули, сформованої навколо гірничої виробки, витрачається згідно з параболо-гіперболічною залежністю, значення якої відповідають обґрунтованим методологічним принципам: протидії, урівноваження, сприяння, усунення та перенесення сконцентрованої енергії масиву, на яких базуються запропоновані технологічні рішення. Це дозволило створити технології підготовчих та очисних робіт, що використовують до 86% енергії гірського тиску, з підвищенням ефективності й обсягів видобутку рудної, супутньої та каменесамоцвітної сировини в Україні та за кордоном. Встановлено, що кількість використовуваної енергії масиву призводить до зростання економічної ефективності підготовчих робіт за степеневою залежністю, а очисних – за лінійною.

Диссертация посвящена решению научной проблемы по открытию, описанию и использованию феномена зонального капсулирования горных выработок в геоэнергетических принципах технологии разработки рудных месторождений. На основе проведения промышленных, лабораторных и теоретических исследований формирования зональных капсул вокруг горных выработок усовершенствована существующая классификация методов исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород за счет усовершенствования энтропийного метода и разработки энергетического. Выделение в отдельный метод исследования – энтропийный – выполнено благодаря усовершенствованию части термодинамической теории, путем учета процессов перераспределения энергетических потоков и обмена энтропии в элементарной системе минерального вещества. Создание энергетического метода реализовано по средствам разработки энергетической теории, которая описала процессы, закономерности и параметры зонального капсулирования горных выработок. С помощью новых методов исследования был выполнен системный учет градиентов напряжений, плотности, температуры и других факторов энергетического состояния массива с образованием кольцевых энергетических зон, их количества, размеров и формы, синусоидально-затухающих напряжений и кольцевых областей деформации, на основе которых были описаны механизмы формирования вокруг выработок предохранительных капсул. Форму энергетических зон предложено определять по коэффициенту формы, который при снижении прочности горных пород и увеличении глубины разработки изменялся от 1 до 0 и описывается системой степенных зависимостей. Моделирование различных физических состояний горных пород и глубин заложения, формы и сечения, габаритных размеров и видов крепления горных выработок позволило установить степенные зависимости, описывающие размеры энергетических зон, в которых соотношение размеров смежных зон является константой. Установлено, что количество энергетических зон, входящих в предупредительную капсулу выработки, описывается системой полиномиальных зависимостей четвертого порядка. Выявлено, что энергия капсулы, сформированной вокруг горной выработки, расходуется согласно параболо-гиперболической зависимости, значения которой соответствуют обоснованным принципам: противодействия, уравновешивания, содействие, устранения и перенесения сконцентрированной энергии массива, на которых базируются предложенные технологические решения. Эффективный выбор и использование разработанных геоэнергетических технологий обеспечивается их систематизацией по принципу управления энергией предохранительной капсулы (противодействие, уравновешивание, содействие, устранение и перенесение), количеству используемой энергии в технологиях (0 – 86%), виду горных работ (подготовительные, очистные), глубине горных работ (100 – 3000 м) на горнодобывающих предприятиях (ПАО «Криворожский ЖРК», ЧАО «Запорожский ЖРК», ГП «Восточный ГОК» и ПАО «Марганецкий ГОК»). Предложенные пути усовершенствования подготовительных работ включали разработку временного крепления забоя подготовительных выработок, что реализуется со 100% противодействием энергии капсулы. Использование до 10% энергии массива в соответствии с принципом устранения возможно за счет заложения трасс выработок по эллипсоидным границам приконтурных энергетических зон вокруг очистных камер. Использования до 35% энергии массива в соответствии с принципом устранения возможно добиться при заложении подэтажных буровых штреков за областью интенсивного разрушения пород. Придание эллипсоидных контуров плоскости забоя и сечению подготовительных выработок позволяет повысить устойчивость обнажений, а дополнительное использование саморегулируемого крепления – использовать до 86% энергии, генерируемой в предохранительной капсуле выработки. Разработанные технологические решений по усовершенствованию очистных работ включали определение устойчивой формы выработок подсечки и отрезки. Максимально устойчивая форма конструктивных элементов блоков на глубоких горизонтах рудных шахт достигается путем придания контурам эллипсоидных форм по принципу уравновешивания, что реализуется без дополнительных затрат энергии. Рациональное направление бурения эксплуатационных скважин в приконтурной к очистной камере зоне содействует первичному дроблению руды, за счет увеличения расстояния между концами скважинами, что позволяющее использовать до 10% энергии массива. Выполненная систематизация технологических решений по управлению выработанным пространством шахт при отработке залежей Кривбасса позволяет учитывать техногенные факторы, влияющие на энергетическое состояние массива, и показывает пути его минимизации. Помимо основных технологических решений, позволяющих снизить или видоизменить техногенную нагрузку возможен более точный учет техногенеза в массиве, на базе которого обоснована возможность добычи сопутствующих джеспилитов в условиях Кривбасса. Для условий затухания горных работ в отводах шахтных полей Никополь-Марганецкого бассейна разработан способ отработки сопутствующих гранитов. Также разработаны технологии добычи камнесамоцветного сырья в условиях техногенеза недр. Установлено, что количество используемой энергии массива приводит к росту экономической эффективности подготовительных работ по степенной зависимости, а очистных – по линейной. Это позволило заложить геоэнергетические принципы в технологии горных работ, использующие до 86% энергии горного давления, с повышением эффективности и объемов добычи рудного, сопутствующего и камнесамоцветного сырья в Украине и за рубежом.

The thesis deals with solving of the scientific problem of discovery, description and use of the phenomenon of zonal encapsulation of underground excavations in a geo-energy technology of mining ore deposits. The available classification of research methods for stress-strain state of the rocks has been upgraded on the basis of industrial, laboratory and theoretical studies of the phenomenon of zonal encapsulation underground excavations using improving the existing entropy method and development of the energy method. Using new techniques was made possible a systematic account for stress gradients, density, temperature and other factors of the energy of rocks with the formation of a ring-like energy zones, their number, size and shape, sinusoidal damped stresses and ring deformation areas. It allows to describe the mechanisms of preventive capsule formation around underground excavations. The energy of a capsule formed around the excavation is governed by the parabolic-hyperbolic law that corresponds with the proposed methodological principles of counterstand, equilibration, promotion, transfer and removal of concentrated energy of rocks, which are the base of the proposed engineering solutions. It allows to create the technologies of preparatory and clearing works that use up to 86% of the energy of rock pressure, and increasing the efficiency and volumes of mined ores, gems and by-pass raw materials in Ukraine and abroad. It has been established that the amount of used rock energy leads to the growth of economic efficiency of the preparatory works by the parabolic law and that of cleaning works by the linear correlation.