Маркшейдерия и недропользование

Идет время, мы – ученики Акжана Жаксыбековича, работающие в Казахском национальном техническом университете имени К.И. Сатпаева, уже сами успели обзавестись званиями и должностями, издать множество научных и учебно-методических работ, подготовить большое количество молодых специалистов для производства и научной деятельности. И чем старше мы становимся, тем больше понимаем, что результаты, полученные нами, во многом достигнуты благодаря мудрой, целенаправленной «научной школе» нашего Учителя.

К важнейшей геомеханической характеристике скальных массивов относится степень их трещиноватости. Трещиноватость горного массива, как ослабевающий фактор оказывает решающее влияние на процесс сдвижения, а физико-механические свойства пород во взаимосвязи с трещиноватостью определяют напряженное состояние породного массива и условия их деформирования. Поэтому особое внимание при проведении геомеханического мониторинга, нами уделяется изучению и учету влияния структурных особенностей массива.

Проведение маркшейдерского геомониторинга позволяет дать количественную оценку деформаций откоса и в комплексе с инженерно-геологическими и гидрогеологическими исследованиями помогает выявить характер начавшейся деформации, что дает возможность сделать прогнозы относительно ее развития во времени и пространстве, наметить мероприятия по устранению причин, вызывающих развитие опасных деформаций.

Нами предложена комплексная методика исследований (рис. 1).

Рис. 1.
Методика оценки геомеханического состояния массива

Реализация данной методики позволяет обеспечить безопасные условия труда и бесперебойный режим работы горнодобывающего предприятия.

Анализ накопленных материалов по изучению форм и характера тектонических нарушений породного массива на ряде рудных месторождений Казахстана позволили нам выделить основные типы нарушений и сделать предварительные выводы о роли влияния каждого из них на устойчивость откосов. Результаты обследования фактического состояния устойчивости карьерных откосов, выявленных основных видов деформаций прибортовых массивов и причин, вызывающих эти деформации позволил получить графо-аналитические зависимости между параметрами откосов и свойствами пород.

На рисунке 2 показаны обобщающие результаты экспериментальных работ по определению изменения линейных размеров структурных блоков от глубины их залегания в недрах по карьерам, аналитическая зависимость которых приведены в таблице 1.

Рис. 2.
Изменение средних размеров структурных блоков пород с глубиной их залегания по карьерам:1 - Акжал; 2 - Саяк; 3 - Жерек; 4 - Родниковое.

Для отыскания общих закономерностей изменчивости прочностных свойств пород, обобщены данные ряда месторождений и установлены также графоаналитические зависимости между средней плотностью, сцеплением, крепостью пород и глубиной их залегания (рис. 3 и табл. 2).

Кривые изменения свойств пород проведены по усредненным показателям по глубине через 50 м. Оценка и надежность определения зависимостей произведены по формулам математической статистики.

Таблица 1.
Зависимость изменения размеров структурных блоков пород с глубиной их залегания

Анализ полученных результатов, особенно пространственная изменчивость свойств и структурных особенностей, а также различная степень трещиноватости в пределах одних и тех же пород на разных участках показал, что для успешного решения проблемы устойчивости карьерных откосов и подземных выработок необходимо разработка таких способов и средств, обеспечивающих получение оперативной и достоверной информации о напряженном состоянии прибортового массива. Так, разработаны и реализованы инновационные способы автоматизированного определения нарушенности массива [3,4].

Рис. 3.
Зависимость прочностных свойств массивных известняков с глубиной их залегания на Акжалском карьере: 1 - сцепление - k; 2 - угол внутреннего трения ρ; 3 - крепость - f; 4 - средняя плотность γ.

Новизна разработанных способов и устройств заключается в выявлении потенциально неустойчивых участков уступов и бортов карьера для рациональной закладки профильных линий наблюдательной станции и оперативного контроля за состоянием массива горных пород.

Надежную информацию о деформациях массива пород можно получить прямыми геодезическими наблюдениями, в частности при нивелировании на геодинамических полигонах.

Принцип нивелирования основан на обработке закодированного сигнала (полученного с рейки), с последующей передачей данных в компьютер и обработкой их по специальной программе (рис. 4).

Таблица 2.
Уравнения связей свойств пород с глубиной их залегания

Повторные наблюдения электронным тахеометром производились в два цикла (осенний и весенний периоды). На рисунке 4а показан результат мониторинговых определений, которые свидетельствуют о:

1) непрерывности процессов деформирования земной поверхности, причем деформирование происходит весьма неравномерно во времени и пространстве (оседания имеют положительные и отрицательные знаки);

2) максимальных скоростях деформирования, отмечавшихся в 2008-2010 гг., приуроченных к зонам разлома;

3) тектонической природе оседаний земной поверхности (по положительным знакам смещения реперов по высоте).

В дальнейшем вся информация о закономерности процесса сдвижения системы и параметры её критического состояния поступает в экспертную систему, где на основе интегрирования баз данных и знаний делается оценка состояния горного предприятия, и обосновываются соответствующие управленческие решения. Конечная цель этих решений – обеспечить безопасное функционирование предприятия или контролируемый вывод ее критического состояния.

Рис. 4.
Графики смещений реперов полигона

Глобальные навигационные системы GPS, лазерные сканеры и роботизированные электронные тахеометры, предназначающиеся для получения оперативной информации объектов при минимальных затратах времени, находят все большее применение для решения ряда природоохранных задач. Появление лазерных сканеров в практике производства маркшейдерских съемок позволяет многие геолого- маркшейдерские задачи решать путем создания трехмерных моделей 3D горно-технических систем [5].

Таким образом, на основе проведения комплексных исследований за процессом деформирования массива горных пород на ряде рудных месторождений и анализа накопленных материалов по изучению форм и характера тектонических нарушений:

1) установлены параболические закономерности изменения структурных особенностей и прочностных свойств пород массива с глубиной их залегания, что позволяют прогнозировать напряженно-деформационное состояние прибортового массива и вносить изменения на погоризонтные расчеты устойчивости откосов уступов и бортов карьера;

2) разработаны способы автоматизированного определения нарушенности массива, техническая новизна которых подтверждены инновационными патентами РК, что позволяют достоверно выявлять потенциально неустойчивые участки карьерных откосов для рациональной закладки профильных линий наблюдательной станции;

3) разработаны инновационные методы ведения геомониторинга, на основе спутниковой и лазерной технологий, для создании базы геопространственных данных о напряженно-деформированном состоянии горного массива, позволяющие повысить точность и сократить время на производство измерительных работ;

4) разработана новая методология компьютерного моделирования НДС и разрушения массива горных пород, отличающаяся с использованием вероятностных методов в критерии прочности массива оценки риска негативных геомеханических явлений;

Только за последние пять лет профессорами Жаркимбаевым Б.М., Нурпеисовой М.Б., Калыбековым Т.К. и другими аспирантами Акжана Жаксыбековича опубликованы монографии, учебники: «Маркшейдерское дело», «Геомеханика», «Геомеханика рудных месторождений Казахстана», «Маркшейдерский мониторинг прибортовых массивов», «Устойчивость бортов рудных карьеров и отвалов», «Мониторинг и охрана земель», «Маркшейдерские работы при шахтном строительстве», «Маркшейдерско-геодезические приборы» и ряд научных статей.

Наследие, которое оставил нам учитель, знания и навыки, которые он передал, позволяют нам в течение длительного времени быть востребованными и достойно нести почетное звание ученика, последователя выдающегося ученого, настоящего человека Акжана Жаксыбековича Машанова.