Перспективы развития геомеханики в условиях нового технологического уклада

УДК 622.01

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГЕОМЕХАНИКИ В УСЛОВИЯХ НОВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УКЛАДА

В.ЛТРУШКО, А.Г.ПРОТОСЕНЯ

Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия

Показана роль геомеханики для прогнозирования развития геосистем и обеспечения безопасности эксплуатации горных предприятий в условиях перехода к новому технологическому укладу. Рассмотрено состояние и перспективы развития минерально-сырьевой базы, включая арктическую зону Российской Федерации. Представлены направления технологических прорывов и возможности трансформации промышленного производства на основе «сквозных» технологий и цифровой экономики. Выполнен анализ геомеханических проблем с учетом глубинных технологических изменений и стремительного роста требований к сохранению недр Земли и природных ландшафтов. Предложена концепция развития геомеханики и геодинамики для обеспечения рационального недропользования в условиях применения «прорывных» технологий и показана необходимость интеграции научного отраслевого взаимодействия в систему технического и профессионального образования.

Ключевые слова: минерально-сырьевой комплекс; геомеханика; концепция; приоритеты развития; новый технологический уклад

Как цитировать эту статью: Трушко В.Л. Перспективы развития геомеханики в условиях нового технологического уклада / В.Л.Трушко, А.Г.Протосеня // Записки Горного института. 2019. Т. 236. С. 162-166. DOI: 10.31897/РМ1.2019.2.162

Введение. Ежегодно из недр Земли извлекается более 200 млрд т горных пород и образуется более 17 млрд т техногенных отходов, что приводит к возрастанию геодинамической активности больших массивов горных пород и вызывает появление ранее неизвестных геомеханике процессов [1, 17, 19]. Масштабное техногенное воздействие на биосферу Земли с применением высокопроизводительных технологий в условиях ухудшения горно-геологических условий и роста глубины разработки месторождений приводит к ее негативному изменению и увеличивает риски возникновения глобальных катастрофических явлений.

Россия является одним из мировых лидеров по запасам и добыче многих видов полезных ископаемых (см. таблицу). Например, 32 % мировых запасов газа, 33 % никеля, 31 % калийных солей и 25 % железа сосредоточено в России [4, 7].

Состояние минерально-сырьевой базы Российской Федерации

Полезное ископаемое Запасы Добыча из недр

А+В+С1 С2

Нефть, млн т 18 435,4 11 221,8 501,6

Конденсат, млн т 2 314,2 1 270,1 26,6

Газ, трл м3 50,7 19,3 0,637

Уголь, млрд т 196,2 78,35 0,373

Железная руда, млрд т 58,4 51,6 0,334

Алюминиевое сырье, млн т

Бокситы 1 124,8 282,4 5,661

Нефелин 4 189,4 779,6 31,4

Медь, млн т 69,6 28,2 0,87

Титан, млн т ТЮ2 261,4 339 0,663

Золото, т 8 159,6 5 657,8 286,6

Серебро, тыс. т 65 53,8 2,3

Платина, т 9 782,4 5 288,1 143,2

Алмазы, млн кар. 982,8 204,3 42,1

Ряд перспективных месторождений расположен в арктической зоне и требует особого подхода к их освоению. Территория континентальной арктической зоны России составляет 4,9 млн км2, а шельфовые моря достигают площади в 4 млн км2, что соизмеримо с территорией Канады [9].

Общий потенциал ресурсов топливно-энергического сырья в недрах арктической зоны России превышает 1,3 трлн т условного топлива, в том числе 61 % составляет уголь [3].

162 -

Записки Горного института. 2019. Т. 236. С. 162-166 • Горное дело

ёВ.Л.Трушко, АГ.Протосеня

Перспективы развития геомеханики.

Согласно данным геологической службы США за 2014 г. неразведанные запасы традиционных углеводородов в Арктике составляют порядка 13 млрд т нефти, 47 трлн м3 газа и 6,5 млрд т газового конденсата. Это около 13 % общего объема неразведанных запасов нефти в мире, 30 % природного газа и 20 % газового конденсата [8, 20].

Исследования. В течение ближайших 10-20 лет «сквозными» технологиями для всех видов производств станут автоматизация и роботизация, а также интеллектуализация производственных процессов. Именно эти технологии должны обеспечить функциональную эффективность, экологичность и ресурсоэффективность производства [10, 11, 14].

Уже на рубеже 2025-2035 гг. ожидается ряд технологических прорывов, отражающих глубинные технологические изменения, которые приведут к трансформации традиционного промышленного производства, в том числе [6, 12, 18]:

• сенсорная революция (биосенсоры, цифровые сенсоры, квантовые компьютеры и коммуникации, фотоэлектроника);

• управление на базе математических моделей и цифровых данных всеми технологическими объектами и процессами;

• новые решения в области информационно-коммуникационных технологий (новые медиа, блокчейн, технологии искусственного интеллекта, машинное обучение, переход к новым поколениям мобильной связи и др.);

• распространение роботизированных и автоматизированных систем, нетрадиционных методов обработки материалов (аддитивное производство, атомарно-точное производство и пр.);

• применение для аналитики и управления технологическими процессами дополненной, виртуальной реальности, искусственного интеллекта;

• широкое использование природоподобных технологий (бионика, био-инжиниринг, синтетическая биология, биотехнологическое производство и т. д.).

С учетом формирования нового технологического уклада и стремительного роста требований к сохранению недр Земли и безопасности освоения месторождений, существует очевидная потребность в максимальной активизации научно-исследовательской деятельности и оказания инжиниринговых услуг в области геомеханики для прогнозирования развития геосистем и обеспечения безопасной эксплуатации горных предприятий. Необходимо развитие технологий и геомеханических методов, способных обеспечить сохранение природных ландшафтов и комплексное последующее использование подземного пространства с минимальными экологическими последствиями.

Сегодня невозможно представить проектирование и эксплуатацию подземного сооружения или горного предприятия без геодинамического районирования месторождения, детального анализа физико-механических свойств пород, геофизического анализа геологического строения массива и построения геологических и геомеханических моделей.

Возникает ряд сложных геомеханических проблем при переходе с открытого на подземный способ разработки месторождений для предприятий. С этими проблемами уже столкнулись горные предприятия в России: ОАО «Апатит», ОАО «Олкон», ОАО «Алроса» и ряд других [5, 16].

Огромная социальная ответственность ложится на геомехаников при эксплуатации гидротехнических сооружений, метрополитенов, отработке месторождений под городами и водными объектами [21, 22]. Так, в районе Соликамской впадины при отработке Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей на глубине 600 м открыто и разрабатывается на глубинах от 2000 до 3000 м более 30 нефтяных и газовых месторождений [15]. С увеличением глубины возрастает напряженность массивов пород и склонность их к динамическим проявлениям горного давления. Все рудные месторождения на больших глубинах отнесены к удароопасным. Поэтому одной из основных проблем геомеханики является прогноз напряженно-деформированного состояния массива и обоснование безопасных способов и технологий разработки месторождений в условиях активизации динамических явлений.

Новые комплексные геомеханические и технологические решения требуются при строительстве многоуровневых пространственных сооружений больших поперечных сечений в транспортном и гидротехническом строительстве. Значительно возросла роль геомеханики для повышения эффективности разработки нефтегазовых месторождений, особенно с трудноизвлекаемыми запасами (сланцевая нефть и газ), создании крупных подземных хранилищ углеводородов и гелия.

Например, такие проблемы решаются при строительстве нового газопровода «Сила Сибири», освоении месторождений Баженовской свиты [2, 13]. В перспективе рост требований к сохранению недр Земли и комплексное использование минеральных ресурсов предопределяет развитие геомеханических методов целенаправленного воздействия на физические свойства минеральных сред и напряженно-деформированное состояние породных массивов.

Развитие цифровых технологий проектирования «интеллектуальных месторождений» и применение безлюдных технологий добычи с использованием роботизированных комплексов и дистанционное управление технологическими процессами требует развития новой концепции геомеханики и геодинамики и приоритетов развития минерально-сырьевого комплекса по направлениям:

• Дистанционные, в том числе лазерно-космические методы поиска и разведки месторождений полезных ископаемых с выявлением новых генетических типов месторождений.

• Технологии газификации угля с получением синтетических топлив, продуктов химии и агрохимии.

• Системы комплексной глубокой переработки твердых природных и техногенных материалов, в том числе углеродсодержащие, для увеличения коэффициента извлечения полезных компонентов и производства топлив и продуктов широкого хозяйственного назначения.

• Технологии повышения нефтеотдачи пластов на месторождениях с трудноизвлекаемыми запасами, включая «тяжелые нефти», газогидраты, сланцевый газ и др.

• Биотехнологии подземного выщелачивания.

• Обеспечение комплексной безопасности освоения месторождений на континентальном арктическом шельфе.

• Цифровые технологии экологического мониторинга и управления экологическими рисками на объектах минерально-сырьевого комплекса.

• Цифровые системы моделирования и проектирования роботизированных комплексов освоения месторождений с использованием искусственного интеллекта («Умное месторождение» -«Smart fields»).

• Технологии получения электроэнергии из нетрадиционных источников: энергии ветра, солнца, моря, тепла Земли, биомассы и твердых бытовых отходов.

• Интеллектуальные системы энергосбережения и хранения энергии.

• Интеллектуальные активно-адаптивные системы гарантированного энергообеспечения технологических процессов.

• Системы и оборудование для предварительного обогащения руд в карьере или шахте, работающего на различных физических принципах (гравитационном, магнитном, электрическом, флотационном, импульсном, радиационном и радиационно-термическом).

Например, проект «умная шахта», финансируемый Евросоюзом, ставит целью разработку комплекса технологий и ноу-хау, позволяющих создавать автоматизированные подземные шахты с минимальным присутствием человека и нулевым воздействием на окружающую среду (см. рисунок).

Низкие удельные выбросы углекислого газа

Высочайшие стандарты безопасности персонала

Высокая степень извлечения полезного компонента из руды

Отсутствие разрушающего воздействия на ландшафты

Максимизация использования телемеханики

Высокая энергоэффективность

Складирование горной породы в шахте и производство строительных материалов и товарных продуктов

«Умная шахта»

164

ёВ.Л.Трушко, АГ.Протосеня

Перспективы развития геомеханики.

Сложные геомеханические проблемы, возникающие при разработке месторождений и освоении подземного пространства, невозможно решить без межотраслевой и междисциплинарной интеграции научных коллективов. Поэтому вызовом времени становится необходимость обеспечения постоянной кооперации специалистов разного профиля для решения комплексных задач. Укрепление международного научно-образовательного сотрудничества для разработки обоснованной политики в сфере высшего образования и научной деятельности поможет мировому сообществу успешно перейти к новому научно-технологическому укладу.

Важнейшей проблемой является подготовка специалистов в области геомеханики и геодинамики. Возможно формирование новой системы географических центров, в том числе вокруг ведущих университетов, объединяющих исследователей и разработчиков прорывных технологий, а также создателей и потребителей передовых продуктов и услуг; переход на экспериментально-ориентированное образование путем создания и распространения учебных фабрик и лабораторий (FABLAB).

В Санкт-Петербургском горном университете открыт Международный центр компетенций в горнотехническом образовании под эгидой ЮНЕСКО, на базе которого происходит объединение ведущих мировых ученых и специалистов для плодотворного обмена опытом и выработки обоснованной политики в сфере высшего образования и отраслевой науки.

В прогнозе научно-технологического развития мирового минерально-сырьевого комплекса учитывается необходимость создания условий для объединения усилий мирового сообщества для решения следующих проблем геомеханики и геодинамики:

• Развитие наукоемких технологий для дистанционного зондирования и геофизических исследований недр Земли.

• Развитие нелинейной геомеханики насыщенных неоднородных пористых трещиноватых массивов.

• Создание теории формирования естественного поля напряженного состояния массива и выявление механизмов тектонических процессов и циклических геодинамических движений верхней части литосферы.

• Выявление геомеханических закономерностей развития геосистем для безопасного освоения земных недр.

• Создание компьютерных геопространственных моделей массива, учитывающих временное изменение напряженно-деформированного состояния горных пород при освоении месторождений и подземного пространства.

• Развитие методов геодинамического районирования породных массивов.

• Развитие методов геомеханики при разработке нетрадиционных месторождений углеводородов (тяжелые нефти, сланцевый газ и др.) и повышении нефтегазоотдачи (методы ГРП).

• Создание новых технических средств и цифровых автоматизированных систем гидрогео-механического мониторинга состояния горного массива и прогнозирования динамических процессов и явлений

• Прогноз напряженно-деформированного состояния и динамических явлений на основе учета свойств реального горного массива, имеющего блочное, слоистое и сложное строение, тектонические разломы и нарушения сплошности в условиях действия тектонических сил и подвижек.

• Исследование геомеханических, геодинамических и гидродинамических процессов в тех-ногенно-изменяемых массивах горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и освоении подземных пространств городов и промышленных агломераций.

• Развитие комплексного геомеханического инжиниринга при освоении месторождений полезных ископаемых и подземного пространства.

• Создание экспресс-методов определения физико-механических свойств и оценки напряженного состояния массива с использованием эффекта «памяти» горных пород.

• Развитие методов обеспечения устойчивости и управления напряженно-деформируемым состоянием породного массива.

• Создание новых материалов и технологий крепления подземных сооружений.

Заключение. Рост требований к сохранению недр Земли и безопасности освоения месторождений полезных ископаемых и подземного пространства значительно повышает роль геомеханики для прогнозирования развития геосистем и обеспечения рационального недропользования.

Интеграция научного отраслевого взаимодействия в систему технического и профессионального образования, подготовки специалистов-геомехаников будет способствовать формированию оптимальных систем управления процессами поиска, разведки, добычи, транспортировки и переработки полезных ископаемых.

ЛИТЕРАТУРА

1. Адушкин В.В. Техногенные процессы в земной коре (опасности и катастрофы) / В.В.Адушкин, С.Б.Турунтаев. М.: ИНЭК, 2005. 252 с.

2. Белозеров В.Б. Открытая трещиноватость Баженовской свиты и перспективы ее разработки // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329. № 1. С. 150-158.

3. Богоявленский В.И. Нефтегазодобыча в Мировом океане и потенциал российского шельфа. ТЭК стратегии развития // Морской сборник. 2012. № 6. С. 44-52.

4. Государственный доклад «О состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2016-2017 годах». М.: Минприроды России. 2018. 370 с.

5. Демидов Ю.В. Комбинированная открыто-подземная отработка прибортовых запасов апатит-нефелиновых руд / Ю.В.Демидов, А.Ю.Звонарев, А.А.Леонтьев // Горный журнал. 2009. № 9. С. 39-42.

6. Иванов В.В. Цифровая экономика: мифы, реальность, перспективы / В.В.Иванов, Г.Г.Малинецкий. М.: РАН, 2017. 63 с.

7. Козловский Е.А. Минерально-сырьевые ресурсы в экономике мира и России // Горный журнал. 2015. № 7. С. 47-54.

8. Ларичкин Ф.Д. Проблемы изучения и освоения минерально-сырьевых ресурсов Арктического региона / Ф.Д.Ларичкин, А.М.Фадеев, А.Е.Череповицын // Арктика: экология и экономика. 2012. № 1(5). С. 8-16.

9. Мельников Н.Н. Роль Арктики в инновационном развитии экономики России // Горный журнал. 2015. № 7. С. 23-28.

10. Национальная программа «Цифровая экономика Российской Федерации»: Распоряжение Правительства Российской Федерации от 28.07.2017. № 1632-р.

11. Новая технологическая революция: вызовы и возможности для России: Экпертно-аналитический доклад. М.: Центр стратегических разработок, 2017. 136 с.

12. О стратегии научно-технологического развития Российской Федерации: Указ Президента Российской Федерации от 01.12.2016. № 642.

13. Подземное хранение гелия / С.А.Хан, А.И.Игошин, В.А.Казарян, А.С.Скрябина, В.Б.Сохранский. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2015. 272 с.

14. Садовая Е.А. Цифровая экономика и новая парадигма рынка труда // Мировая экономика и международные отношения. 2018. Т. 62. № 12. С. 35-46.

15. Сейсмографическое обоснование возможности совместной разработки месторождений минеральных солей и углеводородного сырья / И.А.Санфиров, А.И.Никифорова, М.В.Калашникова, А.А.Жикин // Вестник Пермского научного центра. 2017. № 1. C. 76-79.

16. Технология отработки подкарьерных запасов полезных ископаемых в сложных горно-геологических условиях /

A.А.Коваленко, М.В.Тишков, С.А.Неверов, А.А.Неверов, А.М.Никольский // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2016. Т.1. № 3. С. 305-311.

17. Трубецкой К.Н. Перспективы инновационного развития горной промышленности // Горный журнал. 2015. № 7. С. 19-22.

18. Цифровая экономика - различные пути к эффективному применению технологий / А.П.Добрынин, К.Ю.Черных,

B.П.Куприяновский и др. // Intemetional Journal of Open Information Technologies. 2016. № 1 (4). С. 4-10.

19. Чантурия В.А. Перспективы устойчивого развития горно-перерабатывающей индустрии России // Горный журнал. 2007. № 2. С. 30-33.

20. ШафраникЮ.К. Нефтегазовый комплекс России: проблемы и задачи развития // Горный журнал. 2015. № 7. С. 55-58.

21. Protosenya A.G. Procedure of geomechanically safe development of megalopolis underground space / A.G.Protosenya, M.A.Karasev, N.A.Belyakov // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Vol. 11. Iss. 22. P. 10857-10866.

22. Trushko V.L. Geomechanical Models and Prognosis of Stress-strain Behavior of Rock Ore in Development of Unique Deposits of Rich Iron Ores Under Water-bearing Formations / V.L.Trushko, A.G.Protosenya // Biosciences Biotechnology Research Asia. 2015. Vol. 12. Iss. 3. P. 2879-2888.

Авторы: В.Л.Трушко, д-р техн. наук, профессор, trushko@spmi.ru (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия), А.Г.Протосеня, д-р техн. наук, профессор, kaf-sgp@spmi.ru (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия).

Статья поступила в редакцию 27.01.2019. Статья принята к публикации 13.03.2019.

166 -

Записки Горного института. 2019. Т. 236. С. 162-166 • Горное дело