Эксπир
Регистрация / Вход

Разработка системы технологических решений для обеспечения экологической и геодинамической безопасности эффективного освоения недр и земной поверхности

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.515.11.5027
Организация
ОАО «ВНИМИ»
Руководитель работ
Яковлев Дмитрий Владимирович
Продолжительность работ
2007 - 2008, 18 мес.
Бюджетные средства
16 млн
Внебюджетные средства
1,8 млн

Обеспечение эффективного недропользования и экологической безопасности освоения месторождений полезных ископаемых с учетом геодинамических и природно-техногенных процессов в горном массиве и земной поверхности

Соисполнители

Организация
ИГЭ РАН

Этапы проекта

1
26.04.2007 - 30.06.2007
Данный отчет является первым из промежуточных отчетов по государственному контракту 02.515.11.5027 от 26 апреля 2007 года. В соответствии с Календарным планом и Техническим заданием в нем в качестве первой стадии работы проводится системный, аналитический и статистический анализ процессов, происходящих в горном массиве; разрабатываются методы выделения геодинамически и экологически опасных зон; исследуются процессы эволюции состояния массива в этих зонах при техногенном вмешательстве, создаются аппаратно-программные средства мониторинга этих процессов и методы их физического и компьютерного моделирования, производится выбор месторождений для проведения моделирования.
Отчет состоит из 10 разделов и содержит 4 приложения. В первом разделе рассматривается общая экологическая обстановка в России и роль горной промышленной промышленности в загрязнении окружающей среды, в качестве примера рассмотрен главный угольный регион России – Кузнецкий бассейн. Во втором разделе излагается разработанная концепция обеспечения экологической безопасности, ее физические основания, также приведены результаты, подтверждающие принципиальные положения выдвигаемой концепции. Третий раздел посвящен экономическим и организационным аспекты обеспечения экологической опасности при освоения недр, выдвигаются конкретные предложения по организация снижения экологического ущерба в Кузнецком угольном бассейне.
В четвертом разделе проводится системный анализ влияния природных и техногенных факторов на эволюцию геодинамических и гидрогеологических процессов в горных массивах. При этом данный раздел охватывает целый ряд вопросов – поведение горных пород различной нарушенности в лабораторных испытаниях, методы аналитического описания этих процессов, подробно анализируются методы перехода от образца к массиву и выдвигается два новых физически и экспериментально обоснованных метода. В следующих подразделах рассматриваются наиболее опасные участки горного массива – тектонически напряженные зоны (ТНЗ), при этом анализируется как напряженность блоков горного массива, так и пограничных участков – приразломных зон, теоретически рассчитаются зоны влияния разломов. Исследования проводятся как в нетронутых, так и в техногенно нарушенных массивах, рассматривается процесс превращения тектонически напряженных зон в геодинамически опасные зоны (ГОЗ), проводится классификация создающихся ГОЗ в зависимости от напряженности блоков, типа контактных зон и характера техногенного вмешательства. Вместе с геодинамическими процессами рассматривается развитие техногенного режима движения подземных вод, эволюция геофильтрационных процессов и полей напряжений в зонах экологического и геодинамического риска на шахтных полях. Особое внимание уделяется процессам затопления шахт, проводится типизация природно-техногенных гидрогеологических структур и условий формирования водопритоков в затапливаемые шахты.
Пятый раздел посвящен временному ходу геодинамических процессов. Для анализа точечных событий предложены две новые статистики, обладающие высокой чувствительностью к сгущениям событий. Особое внимание уделяется вкладу техногенных, а также общепланетарных и космических факторов на временной ход процессов. Выдвигается гипотеза о существенном влиянии процессов в Солнечной системе на геодинамические явления в горном массиве, на основании этой гипотезы сделаны некоторые прогнозы хода геодинамической активности, частично подтвердившиеся за время выполнения договора.
Шестой раздел посвящен физическому моделированию, главное внимание уделяется методике моделирования, выполнению условий подобия, подбору составов эквивалентных материалов, схемам проведения измерений различных параметров. Возможности созданного во ВНИМИ комплекса продемонстрированы на примерах задач, связанных с сохранением геодинамического равновесия в горном массиве.
В седьмом разделе рассматриваются принципы и пути компьютерного моделирования геодинамической структуры месторождений полезных ископаемых и процессов, происходящих при выемке полезного ископаемого. Подробно рассматриваются дистанционного методы выделения разломов, блочной структур месторождений и их напряженного состояния, проводится сопоставление различных методик и рассматриваются методы комплексного анализа результатов. В заключительном подразделе проводится физическое обоснование аналитических методов расчета напряженного состояния блочного массива горных пород и прогноза ТНЗ, устанавливаются рациональные области применения различных методик численного анализа напряженно-деформированного состояния массива.
Восьмой раздел посвящен самому процессу моделирования и выбору месторождений для составления моделей. Подробно описываются методики математического моделирования методами граничных интегральных уравнений и конечных элементов. Приводятся многочисленные примеры применения обоих методов. Для составления комплексных моделей выбраны давно разрабатываемое Воркутское угольное месторождение, а также планируемое к разработке Бованенковское нефтегазоконденсатное месторождение. Даны описание этих месторождений и геодинамический анализ их структурного строения (для Бованенковского месторождения это первичный геодинамический анализ). Также рассматривается математическое моделирование гидрогеомеханических процессов, на основании разработанных методов создана объединенная численная геофильтрационная модель комплекса Северо-Уральских бокситовых месторождений, рассчитываются геофильтрационные процессы на рудниках СУБРа, отрабатывающего эти месторождения.
Девятый раздел посвящен сейсмическому мониторингу процессов, происходящих на шахтах и рудниках. Составлены требования к системам проведения мониторинга, даны описания аппаратной части и программного обеспечения разработанного во ВНИМИ комплекса GITS. Описана проведенная в рамках данной работы апробация комплекса на шахтах Воркутского месторождения. Предложена методика оценки опасности геодинамической обстановки и выделения геодинамически опасных зон на основе сейсмического мониторинга.
Десятый раздел посвящен мониторингу геофильтрационных процессов и загрязнения подземных вод. Разработан действующий макет энергоавтономного программируемого устройства САП-1М/GSM с радиоканалом для автоматизированного измерения давления воды и газа в порах горных пород. В рамках данной работы проведена его апробация и на ее основе составлено ТЗ на многоцелевую перенастраиваемую систему геофильтрационного мониторинга для контроля полей загрязнений. Также в данном разделе проведены оценка и прогноз последствий затопления шахт «Анжерская» и «Судженская» в Кузбассе на основе мониторинга и гидрогеомеханических моделей массивов, установлены основные деформационные и геофильтрационные явления при затоплении шахт. Составлен прогноз деформаций земной поверхности по результатам численного моделирования гидрогеомеханических процессов.
Приложения А и Б - это акты апробации аппаратно-программного комплекса GITS и энергоавтономного программирумого устройства САП-1М/GSM с радиоканалом для автоматизированного измерения давления воды и газов в горных породах. В приложении В приведено техническое задание на разработку опытного образца «Многоцелевой перенастраиваемой системы геофильтрационного мониторинга» (МПСГМ-1М/ GSM). Приложение Г представляет собой промежуточный отчет о патентном поиске, показывающий новизну разрабатываемого подходе к обеспечению экологической безопасности.
В целом, представленные ниже исследования посвящены:
- системному и статистическому анализу влияния различных факторов на эволюцию процессов в горном массиве;
- созданию и апробации аппаратно-программных средств проведения геодинамического и гидрогеоэкологического мониторинга;
- совершенствованию методов математического моделирования разрабатываемых месторождений полезных ископаемых;
- разработке частных решений отдельных задач обеспечения геодинамической и экологической безопасности при недропользовании;
- разработке теоретической основы для создания технологических схем обеспечения экологической и геодинамической безопасности эффективного освоения недр;
В следующем полугодии эти исследования будут продолжены, а также будут проведены работы по оценке и выделению зон экологического и геодинамического риска при эксплуатации и строительстве наземных инженерных сооружений.
Развернуть
2
01.07.2007 - 31.12.2007
В процессе проведения работ были получены следующие основные результаты.
1. Исследован механизм памяти горных пород, показано, что эффект «забывания» в первую очередь связан не с восстановлением структуры, а со сбросом микронапряжений, возникающих на границах между структурными элементами.
2. Составлена новая схема перехода от данных лабораторных опытов к показателям, характеризующим массив, уточнена роль трещиноватости. Разработанная методика реализована в виде простой расчетной схемы.
3. Установлена существенная роль вязкоупругости в формировании бокового распора в массиве горных пород.
4. Выполнена новая типизация свойств пород техногенных горных массивах по деформационному поведению в условиях развития гидрогеомеханических процессов.
5. Проведено комплексное физическое моделирование геомеханических процессов вблизи разрывных нарушений. Выявлены основные линейные и нелинейные осробенности поведения приразрывных зон на моделях из эквивалентных и оптически чувствительных материалов.
6. Проведение физическое моделирование извлечения метана из угольного пласта.
7. Проведено физическое моделирование эволюции геодинамической обстановки на руднике «Октябрьской» Норильского месторождения.
8. Проведено математическое моделирование эволюции геодинамической обстановки около подготовительной выработки при приближении очистных работ.
9. Создана трехмерная геодинамической модели тектонического разрыва Е2 на участке расщепления пласта “Мощного” шахты “Комсомольская” Воркутского месторождения, прогноз геодинамической обстановки и выбор наиболее безопасного способа отработки. С помощью созданной модели рассчитана эволюция геомеханического состояния при разных вариантах отработки.
10. Исследован процесс развития техногенной сейсмичности.
11. На примере Кузбасса исследован обратный процесс – рост техногенной сейсмичности и увеличение ее вклада в сейсмическую активность региона.
12. Исследован процесс изменения сейсмического процесса в Кузнецкой области, сделан вывод о вероятности активизации разломов различных направлений.
13. Создание трехмерная модель Елшано-Курдюмского подземного хранилища газа (Саратовская область) и проведено моделирование геодинамических процессов в массиве горных пород при его эксплуатации.
14. Разработаны требования к проектам горных предприятий, задачам и видам гидрогеологических работ по оценке загрязнения подземных вод.
15. Выполнена типизация условий проведения и видов специализированных опытных опробований при разведке месторождений.
16. Выполнено инженерно-геологическое обоснование прогноза деформаций земной поверхности при затоплении подземных горных выработок. Предложены формулы для проведения расчетов, учитывающие нарушения структуры и фазово-физического состояния пород.
17. Разработана методика прогноза гидрогеомеханических процессов в техногенно нарушенных структурированных породных массивах при ведении горных работ и затоплении шахт.
18. Разработана детальная численная геофильтрационная модель Ново-Кальинского бокситового месторождения (СУБР).
19. На основании разработанной геофильтрационная модель Ново-Кальинского бокситового месторождения сделаны оценки эволюции геофильтрационнных процессов и даны рекомендации по проведению дренажных мероприятий при затоплении шахты «Ново-Кальинская».
20. Проведен теоретический анализ условий и факторов геодинамической опасности и составлена общая классификация условий геодинамического риска.
21. Выявлены основные факторы, которые необходимо учитывать в первую очередь при разработке методики экспертной оценки геодинамической опасности для рудников ГМК «Норильский никель»: сейсмическая активность в пределах рудного тела, кровли и почвы; величины опорного давления и их изменения по мере сокращения ширины разделительного массива и особенности тектонических нарушений III и IV рангов в пределах зоны ведения горных работ и блоков, на которые они делят массив.
22. Разработана теоретическая основа для районирования территорий средствами ГИС по комплексу признаков (факторов геодинамического и экологического риска) на основании обобщения подхода Д.А. Родионова.
23. Установлен основной механизм влияния активных разломов на аварийность газопроводов.
24. Разработана методика выделения зон риска при строительстве магистральных трубопроводов
Развернуть
3
01.01.2008 - 30.06.2008
- разработка рекомендаций по выбору технических средств и организации геоэкологического мониторинга;
- проведение мониторинга экологических и геодинамических процессов на полигонах ВНИМИ;
- анализ проведенных ранее и текущих наблюдений на полигонах ВНИМИ;
- разработка методического и программного обеспечения для построения карт комплексного учета факторов экологического и геодинамического риска;
- разработка технических решений по управлению состоянием массива, способных обеспечить эффективную защиту сооружений и природных объектов на основе использования разработанных аппаратно-программных средств мониторинга и методик выделения зон геодинамического и экологического риска.
Развернуть
4
01.07.2008 - 31.10.2008
Создан Технологический регламент эффективной и экологически безопасной отработки месторождений полезных ископаемых. Разработанный технологический регламент определяет порядок выполнения, объем и содержание работ по проектированию эффективной и экологически безопасной отработки месторождений полезных ископаемых, которые отражаются в разделе «Промышленная безопасность» проекта на строительство и эксплуатацию объекта недропользования с учетом геодинамических особенностей недр.
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.5 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области рационального природопользования
Тема
Разработка технологических решений по эффективному и экологически безопасному освоению месторождений полезных ископаемых с учетом геодинамических и техногенных процессов в горном массиве
Продолжительность работ
2007 - 2008, 18 мес.
Бюджетные средства
32 млн
Количество заявок
18
Тема
Исследование и разработка технологических решений обеспечения геодинамической безопасности добычи твердых полезных ископаемых.
Продолжительность работ
2013, 6 мес.
Бюджетные средства
30 млн
Количество заявок
14
Тема
Технология снижения риска и уменьшения последствий техногенных катастроф с обеспечением эффективного недропользования и безопасности освоения месторождений с повышением извлечения богатой руды в условиях больших глубин и аномально высокого напряженного состояния горного массива.
Продолжительность работ
2011 - 2012, 14 мес.
Бюджетные средства
10 млн
Количество заявок
2
Тема
Создание технологии прогноза, оценки риска опасных природных и техногенных явлений при подземной разработке твердых полезных ископаемых и выработки технологических решений по их предотвращению на базе интеллектуальной системы поддержки принятия решений и комплексного синтезирующего мониторинга.
Продолжительность работ
2011 - 2013, 26 мес.
Бюджетные средства
140 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка методов мониторинга природного и техногенного риска для оценки и прогнозирования экологической безопасности окружающей среды
Продолжительность работ
2013, 8 мес.
Бюджетные средства
30 млн
Количество заявок
71