КУТЕПОВА Надежда Андреевна

инженерно-геологическое обоснование

прогноза гидрогеомеханических

процессов при ведении горных работ

Специальность 25.00.16 – Горнопромышленная

и нефтегазопромысловая геология, геофизика,

маркшейдерское дело и геометрия недр

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете).

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Гальперин Анатолий Моисеевич

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Круподеров Владимир Степанович

доктор технических наук, профессор Такранов Роберт Андреевич

Ведущая организация – Федеральное государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, защите инженерных сооружений от обводнения, специальным горным работам, геомеханике, геофизике, гидротехнике и маркшейдерскому делу ФГУП ВИОГЕМ

Защита диссертации состоится 28 октября 2010 г. в 14 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.08 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 1160

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 20 сентября 2010 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Ю.Н. КОРНИЛОВ

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Разработка месторождений полезных ископаемых оказывает мощное преобразующее воздействие на геологическую среду, изменяя рельеф, структуру, состояние и свойства породных массивов, гидрогеологический режим подземных вод и другие ее компоненты. Масштабы данных изменений зависят от глубины отработки месторождений, объемов извлекаемого полезного ископаемого и вскрышных пород, площадей занятых отвальными сооружениями, их высоты и интенсивности формирования, технологии горного производства и пр.

В настоящее время на предприятиях угольной отрасли Российской Федерации глубины открытых горных выработок превысили 500-метровую отметку, на шахтах отрабатывают уголь под километровой толщей пород, годовые объемы извлекаемой горной массы измеряются миллиардами кубометров, отвалы достигают высоты 150 м, а занимаемые ими площади - тысяч гектаров. Например, за столетний период эксплуатации Анжеро-Судженского месторождения извлечено более 150 млн. тонн угля с нарушением 800 - метровой толщи пород на площади 3500 га и оставлением в недрах земли 60 млн. м3 пустот. В результате дренирования подработанного массива напоры подземных вод были снижены более чем на 500 м.

Реструктуризация угольной отрасли России, интенсивно проводимая с 1994 по 2002 гг., привела к закрытию 175 шахт и 12 разрезов. Прекращение горных работ сократило техногенные нагрузки на геологическую среду в угледобывающих районах, но не исключило возникновение новых экологических последствий - активизацию оползней, неравномерные движения земной поверхности, подтопление территорий, загрязнение поверхностных вод и почв. Все эти опасные явления обусловлены изменением гидрогеологических условий шахтных и карьерных полей в результате возвращения подземных вод на свой естественноисторический уровень.

Активное внедрение в верхние слои земной коры нарушает сложившееся здесь за миллионы лет равновесие, вызывая развитие гидрогеомеханических процессов – деформирование и движение геологической среды вследствие трансформации геофильтрационных и геостатических полей напряжений. Гидрогеомеханические процессы осложняют технологию горного производства, вызывая разрушение крепи шахтных стволов, развитие оползней на бортах карьеров, откосах отвалов и гидроотвалов, а иногда приводят к катастрофическим последствиям - прорывам воды в очистные выработки, гидродинамическим авариям на объектах промышленной гидротехники.

Обеспечение промышленной и экологической безопасности при ведении горных работ - проблема многоплановая, отдельные аспекты которой решались выдающимися учеными, исследователями, специалистами различных направлений естественных наук.

Результаты изучения экзогенных процессов в районах интенсивного техногенеза обобщены в монографиях и публикациях Ф.И. Котлова, Ф.П. Саваренского, В.Д. Ломтадзе, П.Н. Панюкова, Е.М. Сергеева, И.В. Попова, Г.С. Золотарева, Н.Н. Маслова, Г.К. Бондарика, И.П. Иванова, Н.В. Родионова, А.П. Нифантова, Г.И. Тер-Степаняна, Г.М. Шахунянца, А.И. Шеко, В.С. Круподерова, В.В. Кюнтцель, И.О. Тихвинского, А.Л. Рагозина, Г.П. Постоева.

Решение геомеханических проблем при открытой и подземной разработке МПИ нашло отражение в трудах Г.Л. Фисенко, В.Т. Сапожникова, А.М. Гальперина, В.Н. Стрельцова, В.Н. Попова, М.Е. Певзнера, Ю.И. Кутепова, А.Б. Фадеева, Б.Г. Афанасьева, М.И. Иофиса, И.В. Баклашова, В.Г. Зотеева, П.С. Шпакова, В.Н. Гусева, В.Н. Земисева, А.Г. Акимова, Ф.П. Стрельского и др. Гидрогеологическое обеспечение разработано усилиями В.А.Мироненко, В.Д. Бабушкина, И.И. Плотникова, Г.Н. Каменского, П.П. Сыроватко, Ю.А. Норватова, В.Г. Румынина, И.Б. Петровой и др.

Прогноз опасных горно-геологических явлений невозможен без понимания природы прочности и деформируемости водонасыщенных пород, которое раскрывается благодаря работам выдающихся ученых Е.М. Сергеева, В.И. Осипова, В.Т. Трофимова, Р.С. Зиангирова, Р.Э. Дашко, В.А. Королева, И.М. Горьковой, М.Ю. Абелева, Р.И. Злочевской, С.Р. Месчана, Н.Я. Денисова, Б.В. Дерягина, С.В. Нерпина. Изучению механических свойств скальных и полускальных посвящены работы М.Н. Гольдштейна, Ю.М. Карташева, С.А. Роза, Д.Д. Сапегина, П.Д. Евдокимова, М.В. Раца, К.В. Руппенейта, С.Е. Могилевской и многих других.

Таким образом, прогноз гидрогеомеханических при ведении горных работ в водонасыщенных породных массивах, является серьезной научной проблемой, которая решается с привлечением теоретических знаний и методов исследований различных направлений естественных наук. Впервые вопрос о необходимости объединения теоретических основ геомеханики и геофильтрации для прогноза гидрогеомеханических процессов и вызванных ими опасных горно-геологических явлений был поставлен В.А. Мироненко и В.М. Шестаковым. Настоящая диссертационная работа объединяет разнопрофильные методы изучения и прогноза поведения геологической среды в единую научно-методическую систему на базе инженерно-геологических знаний. Это расширяет возможности гидрогеомеханического подхода к решению проблемы обеспечения безопасности горного производства и определяет актуальность выполненных исследований.

Диссертационная работа выполнена в рамках научно-технических программ Министерства угольной промышленности СССР, Минестерства топлива и энергетики РФ, Федерального агентства по науке и инновациям (№№ Г.Р. 01830071738, 018670076225, 01880087, 0189045131, 01200706005), хоздоговорных работ по оказанию научно-технической помощи горнодобывающим и обогатительным предприятиям Кузбасса, Урала и Якутии.

Цель работы – разработка научно-методического обоснования прогноза гидрогеомеханических процессов для обеспечения безопасности горных работ в водонасыщенных породных массивах.

Основные задачи исследований.

Разработка критериев идентификации типа деформационного поведения водонасыщенных горных пород в рамках решения гидрогеомеханических задач.

Установление закономерностей развития гидрогеомеханических процессов на базе экспериментального изучения деформационного поведения водонасыщенных породных массивов в различных инженерно-геологических, гидрогеологических и горно-технических условиях.