На мастер-классе, организованном компаниями DMT и IMC Montan в рамках форума МАЙНЕКС Россия-2016, его участники обсуждали возможные риски, возникающие на подземных рудниках и шахтах, и способы их оценки.

 

В настоящее время регулятор намерен повысить контроль за  эксплуатацией шахт с особо опасными горно-геологическими условиями Технический директор IMC Montan Андрей Твердов. Причинами стали резонансные аварии с массовыми смертельными случаями и большим ущербом имуществу, спадом производительности (шахта Ульяновская-110 человек, Распадская–91 человек, Северная–36 человек), ухудшение горно-геологических условий, угроза для бизнеса и повышение ответственности собственников.

«Одним из факторов, способствующих повышенному травматизму, является естественное желание собственника экономить средства, очень часто необъективное, и идущее и ему в ущерб. Оно имеет место быть, когда не самые лучшие технологии применяются, и не в полной мере дается оценка всем опасным факторам, в том числе потому, что «у меня нет желания тратить дополнительные деньги». Все это оборачивается куда большими затратами», – посетовал господин Твердов. По его словам, гораздо меньшие деньги могли бы сделать шахту более безопасной и, тем самым, владельцы смогли бы избежать огромных затрат на ликвидации, компенсации, пересмотр стратегий и репутационных издержек.

Из-за высокого общественного и профессионального резонанса при Минэнерго была образована комиссия по выявлению шахт с особо опасными горно-геологическими условиями, к работе были привлечены все ведущие специализированные организации в области ПБиОТ, а также сами недропользователи.

Участники комиссии оценили уровень опасности шахт по горно-геологическим условиям, проанализировали перспективные планы горных работ с учетом минимизации рисков жизни и здоровью персонала, разработали рекомендации по повышению безопасности шахт и по актуализации действующих норм и правил проектирования шахт. Прежде всего, речь шла об ужесточении требований к обеспечению промышленной безопасности на шахтах.

Среди предложений – повышение требований по дегазации угольных пластов, что должно снизить риски взрыва метана и угольной пыли; стимулирование компаний увеличивать затрат на ПБиОТ; усиление контроля при рассмотрении и согласовании планов развития горных работ в шахтах, контроль за деятельностью шахт, в том числе по фактической реализации заявленных планов по улучшению ПБиОТ. Также комиссия предложила повысить персональную юридическую и финансовую ответственность собственников и руководства.

Кроме того, комиссия предложила запрещать эксплуатацию шахт с особо опасными горно-геологическими условиями без реализации мер, снижающих уровень рисков до приемлемого уровня, перераспределять объемы добычи в пользу открытых горных работ, лицензировать и устанавливать границы отработки при постановке запасов на госбаланс в первую очередь для тех участков, которые пригодны для карьерной отработки.

Также члены комиссии предложили контролировать остаточную газоносность пластов и требовать проведения дегазации, повысить требования к необходимой степени изученности инженерно-геологических данных, характеризующих уровень опасности шахт.

Среди стимулирующих мер – внедрение практики полноценного использования программ трехмерного геомеханического и гидрогеологического моделирования, полноценное использование сейсморазведки при прогнозах опасных горно-геологических условий. Кроме того, предполагается стимулировать импортозамещение оборудования, критичного для ПБиОТ, создание новых видов горного оборудования по обеспечению безопасности горных работ, а также налоговые стимулы тратить деньги на повышение ПБиОТ при подземной отработке месторождений с особо опасными горно-геологическими условиями.

Горный инженер ООО IMC Montan Алексей Дворников напомнил, что ресурсная база месторождений ухудшается, компании отрабатывают все более глубокие горизонты, глубина шахт достигает и превышает 1 км. Следовательно, надо задумываться о том, как вести горные работы безопасно, если повышается давление, температура, газоносность, растет высота главного водоотлива и главного подъемника, удлиняются коммуникации, сокращается проветриваемость, а главное – растут затраты.

При проектировании систем проветривания следует учитывать, что эффективность работы вентиляторов главного проветривания падает, растут утечки воздуха в вентиляционных каналах, копрах, надшахтных зданиях стволов. Для проветривания большего объема горно-капитальных выработок требуется большое количество воздуха, который необходимо дополнительно кондиционировать, так как температура в шахтах растет каждые 100 м примерно на 1 градус. А универсальных методик проектирования вентиляции нет.

Наконец, необходимо учитывать, что люди испытывают большие перепады давления при быстром подъеме и спуске на/с большую глубину.

При проектировании вентиляции горных предприятий с глубины 1000м и более, необходимо стремиться к компактности вентиляционной сети, уходить от традиционных разветвленных схем вентиляционно-закладочных и откаточных горизонтов, так как расчетное количество воздуха, необходимое для их проветривания, с учетом теплового фактора, увеличивается в четыре раза и более. Встает вопрос об отказе от транспортировки горной массы электровозами и перехода к конвейерному транспорту. Сечения горных выработок должны проектироваться с учетом их способности пропускать расчетное количество воздуха без превышения максимальной скорости.

Для проектирования проветривания рудника необходимы современные программные продукты для моделирования воздухораспределения, утечек, режимов работы главных вентустановок в нормальном и реверсивном режимах. Использование моделей позволяет получить более реалистичную схему проветривания в перспективе.

В ПО должен учитываться температурный режим. Пока же этот фактор не учитывается ни в ПО, ни в «Методике организации проветривания и расчета количества воздуха, необходимого для проветривания всех горных выработок…». Дело в том, что с учетом температуры, параметры, используемые для организации вентиляции, меняются в 5-8 раз. Для примера Алексей Дворников привел таблицу, которая показала зависимость скорости воздушной струи от температуры.

Излишнее тепло, которое надо отводить с нижних горизонтов, может использоваться, по мнению Алексея Дворникова, для отопления надшахтных зданий, особенно в условиях крайнего севера. Для большей эффективности системы охлаждения следует устанавливать не на поверхности, а прямо на воздухоподающих выработках глубоких горизонтов. Система вентиляции должна быть обеспечена средствами дистанционного контроля газов и скорости движения воздушной струи и дистанционного управления воздухораспределением в шахте.

Наконец, господин Дворников дал несколько советов. Так, он сообщил, что центробежные вентиляторы дешевле, проще по устройству, имеют бóльшую прочность и создают гораздо меньше шума, но занимают больше места и неэкономичны при небольшой депрессии (менее 2500 Па). Для угольных сверхкатегорийных по газу шахт максимально допустимая депрессия (напор) равна 4500 Па. Для рудников максимально допустимая депрессия составляет 3000 Па. Надшахтные здания стволов, оборудованных нагнетающим или всасывающим вентилятором главного проветривания должны быть максимально герметичными, чтобы уменьшить утечки воздуха, а надшахтное здание на стволе, через который отработанный воздух выходит из шахты, наоборот, должно быть негерметичным.

Координатор международных продаж DMT Алексей Шалашинский рассказал о том, как работает метод числового геомеханического моделирования.

Свой рассказ он начал с истории. В 1960-х годах главным инструментом было наблюдение. В 1970-х годах начали создавать реальные модели 1 к 10, их использовали для различных исследований, моделирования поведения выработок в различных условиях и проецирование этих данных на реальные проекты. Некоторые «реальные» лаборатории по испытанию крепей (анкерных, арочных, гидравлических) действуют до сих пор. Потом накопленные данные были использованы в процессе моделирования.

Числовое моделирование зависит от качества входных данных. Господин Шалашинский отметил, что в некоторых случаях модели приходится строить лишь на основании реальных данных по литологии, а другие параметры подключать с помощью существующих программных продуктов.

Программа Gedru используется для расчетов напряженного состояния массива и оседания пород на площади порядка 10 кв. км. Программа рассчитывает перераспределение давления для 10 пластов, но две программы могут посчитать его и для 20 пластов (20 пластов – практика Германии).

Программа FLAC позволят рассматривать изменения параметров всего породного массива, включая плоскости разделения, во времени (до 20 лет). Она позволяет объединять механические расчеты с процессами, зависимыми от времени (ползучесть, приток жидкостей, динамические нагрузки, термальные процессы), воспроизводить взаимодействие креплений и горной массы и определять крупные и мелкие деформации и зоны трещинообразования в породном массиве.

Дисконтинуум – модель механики горной массы (отдельные компоненты, частицы), которая воспроизводит механизмы разрушения в сильно трещиноватой горной массе или кладке путем детального моделирования сочленений (UDEC, 3DEC), может рассчитывать статические и динамические нагрузки.

Программа может использоваться для моделирования конструкций крепления выработки, анализа подземных пустот на деформацию и трещинообразование (выработки, камеры или специальных сооружений), для конструирования целиков, моделирования влияния поведения горного массива и выработок в зависимости от времени на деформацию подземной полости в материале, склонном к сползанию. Также программа позволяет исследовать подземные перемычки и процессы движения флюидов в породном массиве в зависимости от характера трещинообразования, проводить анализ на устойчивость (пустоты, откосы, специальные сооружения), анализировать крупномасштабные деформации и напряжённое состояние вокруг подземных полостей (например, для защиты от горного удара).

Затем господин Шалашинский показал, как система геотехнического планирования с применением числовых моделей работает при моделировании геологического строения, состояния напряженности, типов и форм подземной выработки. Числовое моделирование также позволяет подобрать оптимальные крепи для подземных выработок и рассчитать нагрузки, которые они могут выдержать. С помощью этого метода можно также создавать общие модели и калибровать их.

Господин Шалашинский привел несколько решений проблем заказчика, у которого в горной выработке начала разрушаться крепь, процесс сопровождался движением породы. Если собственное решение заказчика (анкерное крепление) приводило к складчатому повреждению кровли, то решение DMT – податливая металлоарка с закладкой, – напротив, стабилизировало кровлю и уменьшило деформацию крепи.

Консультант DMT Томас Имгрунд описал программный пакет Geohazmap Coal, который должен оценивать вероятность опасных геологических рисков, например, горного удара, внезапных выбросов газа и угля, обрушений кровли. Программа генерирует комплексную четырехмерную модель инфраструктуры шахты, геологического строения и тектонических структур и геотехнических данных породного массива. Она учитывает статические (геологическое строение, качество породы, структура массива) и динамические данные (геометрию горных выработок, деформирующие силы, сейсмичность, газоносность пластов и т.д.). «ПО Geohazmap обеспечивает выполнение оценки риска в режиме реального времени с прослеживаемой связью»», – заверил Томас Имгрунд.

Он показал, как рассчитывается модель, на примере прогноза внезапного выброса газа в зоне одновременной отработки нескольких пластов: задается структура оценки, затем каждый из параметров получает количественное значение и пороговые показатели. Затем задаются параметры, которые могут влиять на возникновение исследуемого риска (глубина залегания и мощность пласта, положение пластовых выработок и квершлагов, контуры выемочных столбов, данные газоносности и т.д.). Кроме того, Томас Имгрунд показал, как моделируется риск возникновения опасных геологических процессов, который затем трансформируется в прогноз опасности, и обратный анализ.

Господин Имгрунд отметил, что модель актуализируется в режиме реального времени на основе новой информации и данных, изменяющихся во времени (например, разработка горных выработок или изменение газоносности за счет отработки защитного пласта и выполнения предварительной дегазации).

Доступ к модели возможен в трех вариантах. Первый – специалисты DMT и Mira Geoscience сами моделируют и оценивают риски. Второй – специалисты DMT и Mira Geoscience создают начальную модель, а специалисты заказчика обучаются и получают возможность актуализировать модель. Третий – программный комплекс GOCAD Geohazmap и система управления данными Geoscience INTEGRATOR просто продается заказчику.