Маркшейдерский мониторинг при разработке Коробковского месторождения железистых кварцитов шахтой им. Губкина

УДК 622.1

МАРКШЕЙДЕРСКИЙ МОНИТОРИНГ ПРИ РАЗРАБОТКЕ КОРОБКОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ ШАХТОЙ ИМ. ГУБКИНА

Б.А. Храмцов, А.А. Ростовцева, О.А. Лубенская, М.А. Корнейчук

Представлена структура маркшейдерского мониторинга природно-технических объектов и геологической среды на АО «Комбинат «КМАруда» при разработке богатых железистых кварцитов Коробковского месторождения (шахта им. Губкина). Приведено взаимодействие природно-технической системы с окружающей средой, состоящей из двух подсистем природной и техногенных объектов. Рассмотрены основные задачи маркшейдерского мониторинга и с использованием технической и информационной баз, обеспеченных современными электронно-оптическими приборами и программными комплексами, позволяющими управлять горно-технологическими процессами для обеспечения безопасного и рационального ведения горных работ.

Ключевые слова: маркшейдерский мониторинг, месторождение богатых железистых кварцитов, ЗБ-моделирование, природно-технические объекты, геологическая среда, осадочные марки, вертикальные деформации.

В настоящее время на шахте им. Губкина АО «Комбинат «КМАруда» завершается отработка первого эксплуатационного этажа Коробковского месторождения богатых железистых кварцитов на глубине 270 м в абс. отметках -55 и -121 м при сложных инженерно-геологических условиях. Сложность инженерно-геологических условий обусловлена наличием мощной осадочной толщи и нескольких напорных водоносных горизонтов [1 - 3].

Для разработки первого эксплуатационного этажа применялась этажно-камерная система прямоугольными камерами длиной 30, 55, 75, 250 м. Максимальная высота очистного пространства камеры составляет 70 м при ее ширине в 55 м. Между очистными камерами в соседних блоках оставлялись межпанельные по длинной стороне блока и междукамерные по ширине блока целики шириной соответственно 25 и 20 м. Над очистным пространством камер оставлен потолочный предохранительный целик под обводненными и плывунными породами, мощность которого достигает 70 м.

В результате ведения горных работ на шахте им. Губкина образовалось подземное выработанное пространство из 579 отработанных камер, общий объем которых в настоящее время достиг 61 млн м3, из них 21,7 млн м3 заложено гидравлической закладкой из текущих хвостов обогащения.

В настоящее время приступили к нарезке второго эксплуатационного этажа в абс. отметках -160 и -250 м.

Наличие значительного объема подземного выработанного пространства может оказывать негативное влияние на устойчивость земной поверхности, зданий, сооружений и подземных горных выработок.

Согласно исследованиям С.Н. Устинова, В.К. Кострова скорости техногенных движений при разработке месторождений полезных ископаемых сопоставимы со скоростями движений, обусловленных естественными тектоническими причинами, а в ряде случаев могут превосходить их, а исследования, проведенные В.А. Сидоровым и Ю.О. Кузьминым, позволили установить, что деформации земной поверхности в равнинных платформенных районах, к которым можно отнести регион КМА, имеют скорости, вполне соизмеримые со скоростями, определенными для тектонически опасных районов [4, 5].

В связи с этим роль и место обеспечения устойчивости природно-технических объектов (ПТО) и геологической среды (ГС) при разработке железистых кварцитов шахтой им. Губкина АО «Комбината «КМАруда» при решении горно-технических задач трудно переоценить.

Для контроля за устойчивостью ПТО и ГС маркшейдерская служба АО «Комбинат «КМАруда» осуществляет постоянный маркшейдерский мониторинг за ПТО и ГС с учетом требований Федерального закона ФЗ-116 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», Федерального закона ФЗ-84 «О техническом регулировании», Федерального закона ФЗ-7 «Об охране окружающей среды» и Федерального закона ФЗ-117 «О безопасности гидротехнических сооружений».

При разработке Коробковского месторождения железистых кварцитов шахтой им. Губкина на окружающую среду (ОС) оказывает влияние природно-техническая система (ПТС), которая состоит из двух подсистем природной и техногенных объектов. Взаимодействие этих подсистем представлено на рис. 1.

Природная подсистема состоит из геологической среды, земной поверхности, почвы, водных объектов, подземных вод (водоносных горизонтов) и является составной частью ОС.

В подсистему техногенных объектов входят: здания и сооружения на земной поверхности (обогатительные фабрики, здания подъемных машин, копры, здания и сооружения закладочного комплекса, линия электропередач, железнодорожные пути и т. д.), подземные горные выработки (стволы, квершлаги, штреки, предохранительные и охранные целики, камеры и т. д.), а также гидротехнические сооружения.

Структура маркшейдерского мониторинга ПТО и ГС требует специальной разработки в каждом конкретном случае и в настоящий момент не поддается регламентации. В общем виде структура маркшейдерского мониторинга природно-технических объектов и геологической среды на АО «Комбинат «КМАруда» (рис. 2) повторяет по форме структуру мониторинга геологической среды, которую предложил В.А. Королев [6].

Основной целью проведения маркшейдерского мониторинга ПТО и ГС является управление горно-технологическими процессами для обеспечения безопасного и рационального ведения горных работ при максимальной технической и экологической эффективности.

Рис. 1. Взаимодействие ПТО и ОС при разработке Коробковского месторождения богатых железистых кварцитов шахтой им. Губкина: 1 - техногенная подсистема; 2 - здания и сооружения; 3 - подземные выработки; 4 - граница зоны влияния ПТО на ОС; 5 - геологическая

среда; 6 - окружающая среда

В связи с этим основными задачами, которые решает маркшейдерская служба АО «Комбинат «КМАруда», являются построение и развитие маркшейдерских опорных и съемочных сетей на поверхности и в шахте; контроль за соблюдением установленных проектами соотношений геометрических элементов зданий, сооружений, горных выработок во времени при их строительстве и эксплуатации; определение направлений проведения горных выработок в соответствии с проектами и планами развития горных работ; учет движения запасов (извлекаемых, складируемых, временно законсервированных и т. д.); выявление геометрии и пространственного положения рудных тел; анализа использования запасов с учетом их технологических особенностей и специфики разработки и обогащения; определение полноты отработки промышленных запасов; районирование месторождения по геолого -технологическим и структурным особенностям; наблюдения в пределах горного и земельного отводов за состоянием земельных угодий (почвенного слоя, рельефа); установление и контроль границ земельных отводов для промышленного назначения; определение площадей с измененным рельефом и нарушенным почвенным покровом; учет движения земельных ресурсов (по категориям их использования и рекультивации, по нахождению на балансе предприятия и т. д.).

Представленная структура мониторинга ПТО и ГС непростая, сложная и поэтому решать вопросы связанные с проектными и научно-исследовательскими работами, а также в части прогнозирования, управления и разработки мер защиты ПТО и ГС маркшейдерской службе АО «Комбинат КМАруда» в полном объеме самостоятельно довольно трудно.

Рис. 2. Структура маркшейдерского мониторинга природно-технических объектов и геологической среды АО «Комбинат «КМАруда»

Поэтому руководство комбината в своей работе уделяло и уделяет особое внимание сотрудничеству с ведущими научно-исследовательскими и проектными организациями, учебными ВУЗами РФ такими как «ВИОГЕМ», «НИИКМА», «Центрогипроруда», Санкт-Петербургский горный университет, БГТУ им. В.Г. Шухова, НИУ «БелГУ» и другие.

С начала 60-х годов прошлого века в решении вопросов маркшейдерского мониторинга ПТО и ГС самое активное участие при разработке Коробковского месторождения железистых кварцитов шахтой им. Губкина

258

принимали сотрудники института «ВИОГЕМ» под руководством доктора технических наук, профессора Д.М. Казикаева [2, 3] и кандидатов технических наук В.Я. Анцибора, Г.Г. Суржина, Б.А. Фомина [7], С.Н. Журина, А.М. Григорьева [8]. С 2003 года вопросами промышленной безопасности и маркшейдерского мониторинга ПТО и ГС на шахте им. Губкина занимались сотрудники БГТУ им. В.Г. Шухова под руководством Б.А. Храмцова

[9 - 11].

В настоящее время маркшейдерская служба комбината осуществляет решение задач маркшейдерского мониторинга природно - технических объектов и геологической среды с использованием современной технической базы, обеспеченной электронно-оптическими приборами (электронными тахеометрами, электронными нивелирами и т.д.), лазерной сканирующей системы ScanStation C10 и программного комплекса Cyclone v.7.1, а также спутниковых навигационных систем GPS.

В 2003 году при активном участии маркшейдерской службы комбината была внедрена автоматизированная система мониторинга промышленной безопасности (АСМПБ) с использованием современных электронных тахеометров [9 - 11], которая в 2013 году была модернизирована. Модернизация АСМПБ ведется постоянно с учетом научных достижений в области 3D-моделирования [12 - 14], что позволило ускорить процесс вычисления и улучшить качество отчетной маркшейдерской документации на шахте им. Губкина, осуществлять оперативный учет добычи железной руды и контроль за устойчивым состоянием отработанных камер.

В настоящее время сформирована база данных исходной маркшейдерской документации и нормативно-правовая база для ведения мониторинга природно-технических объектов и геологической среды, созданы функциональные модули автоматизированной системы мониторинга промышленной безопасности, разработана и внедрена компьютерная технология обеспечения мониторинга природно-технических объектов и геологической среды при добыче железистых кварцитов на шахте им. Губкина для оперативного и текущего контроля за устойчивостью выработанного пространства, междукамерных и межпанельных целиков и потолочного предохранительного целика.

Руководством АО «Комбинат «КМАруда» и маркшейдерской службой в связи с переходом от традиционных технологий производства маркшейдерских работ для использования вычислительной техники были разработаны автоматизированные рабочие места.

Автоматизированная система мониторинга промышленной безопасности (АСМПБ) входит в состав маркшейдерского мониторинга при-родно-технических объектов и геологической среды и регламентирует безопасное ведение подземных горных работ на шахте им. Губкина, осуществляет оценку безопасного состояния выработанного пространства отработанных камер, оценивает устойчивость междукамерных и межпанель-

ных целиков и потолочного предохранительного целика, позволяет производить прогнозную оценку возможного развития обрушения налегающей толщи и определять уровень риска безопасного ведения подземных горных работ.

Система позволяет осуществлять: автоматизированное решение маркшейдерских задач, подсчет площадей и объемов отработанных камер, построение продольных профилей, маркшейдерский контроль оперативного учета добычи железной руды.

Автоматизированная система мониторинга промышленной безопасности состоит из трех системных программных модулей: модуля обработки данных, модуля визуализации отработанных камер (построение SD-модели очистных камер) и СУБД Interbase и позволяет осуществлять пространственно-координатную привязку результатов маркшейдерских съемок отработанных камер, имеет единый формат данных, отображение и сохранение трехмерной, цифровой и текстовой отчетной маркшейдерской документации.

Автоматизированная система мониторинга промышленной безопасности успешно зарекомендовала себя в течение 14 лет использования при решении задач маркшейдерского мониторинга и промышленной безопасности на шахте им. Губкина АО «Комбинат «КМАруда».

С июня 2017 года маркшейдерская служба АО «Комбинат «КМАруда» по договору с НИУ «БелГУ» использует лазерную сканирующую систему ScanStation C10 и программный комплекс Cyclone v.7.1 при проведении ежемесячных маркшейдерских замеров остатка концентрата на складе.

Применение данной системы и программного обеспечения позволило уменьшить расхождение в определении объемов остатка концентрата на складе по сравнению с нормативом, установленным инструкцией по производству маркшейдерских работ, который составляет 12 %, а построение SD-моделей позволило получить допустимую относительную разность определений объема остатков концентрата на складе 3 %. Результаты маркшейдерского замера объемов остатка концентрата на складе с использованием лазерной сканирующей системы ScanStation C10 приведены на рис. 3.

Повышение точности маркшейдерских замеров способствует оперативному учету и контролю за движением запасов железной руды от добычных работ до получения конечного продукта - концентрата.

С 1958 года маркшейдерская служба осуществляет наблюдения за оседаниями и вертикальными деформациями земной поверхности, зданий и сооружений, обогатительных фабрик и закладочного комплекса по методике нивелирования II класса точности с использованием высокоточных нивелиров в соответствии с требованиями нормативных документов.

а

Рис. 3. Маркшейдерский замер остатков концентрата на складе a - облако точек по результатам сканирования; б - ЗО-модель

для подсчета объема

Маркшейдерские наблюдения за оседаниями и вертикальными деформациями 128 осадочных марок, заложенных в колоннах обогатительной фабрики № 2, а также использование методики парного регрессионного анализа позволили установить, что осадки фундаментов происходят в виде экспоненциальной зависимости

« = «max t1 - eXP

где nt - оседание репера, мм; t - время, лет; nmax - величина максимального оседания репера, мм; а - эмпирический коэффициент, совокупно оценивающий взаимодействие фундамента колонн обогатительной фабрики № 2 с геологической средой.

Полученные экспоненциальные зависимости для осадочных марок позволяют осуществлять прогноз оседаний и вертикальных деформаций фундаментов колонн обогатительной фабрики № 2 с учетом временного фактора и разрабатывать мероприятия по управлению их устойчивостью.

Одной из главных задач маркшейдерской службы комбината является постоянный контроль за устойчивым состоянием плановой и высотной основы опорных маркшейдерских и геодезических пунктов ГГС, расположенных в пределах земельного отвода АО «Комбинат «КМАруда». Маркшейдерскими наблюдениями установлено, что за 60 лет произошли изменения высотных отметок пунктов и реперов в пределах от 1 мм до 8 мм. Скорость оседания составила в среднем 1 мм в год. Это свидетельствует о том, что происходит незначительное оседание земной поверхности при разработке Коробковского месторождения богатых железистых кварцитов шахтой им. Губкина. Наблюдения за оседаниями опорных пунктов и реперов маркшейдерской сети выполнялись по методике 4го класса нивелирования, а планового положения измерением угловых и линейных величин электронными тахеометрами.

261

б

Из всего вышеизложенного следует, что маркшейдерский мониторинг ПТО и ГС на АО «Комбинат «КМАруда» требует дальнейшего совершенствования, а также внедрения новых программных комплексов для успешного решения горно - технических задач, связанных с безопасным ведением горных работ на шахте им. Губкина, а также повышения точности производства маркшейдерских работ при успешном и плодотворном сотрудничестве с научно-исследовательскими, проектными организациями и вузами РФ.

Список литературы

1. Бабаянц Г.М., Вертлейб Л.К., Журин Н.Я. Подземная разработка железистых кварцитов. М.: Недра, 1988. 168 с.

2. Казикаев Д.М. Геомеханические процессы при совместной повторной разработке руд. М.: Недра, 1981. 288 с.

3. Казикаев Д.М. Геомеханика подземной разработки руд. М.: Изд-во МГГУ, 2005. 542 с.

4. Устинов С.Н. Геодинамика природно-технических процессов как научное направление // Геомеханика в горном деле: сб. науч. трудов. ИГД УрО РАН. Екатеринбург, 1999. С. 43-53.

5. Сидоров В.А., Кузьмин Ю.О. Современные движения земной коры осадочных бассейнов. Результаты исследований по международным проектам. М.: Наука, 1989. 180 с.

6. Королев В.А. Мониторинг геологической среды. М.: Изд-во МГУ, 1995. 272 с.

7. Распределение напряжений в целиках при отработке мощных месторождений этажно-камерной системой / Б.А. Фомин, С.Н. Журин, В.А. Калькутина, В.Н. Токтарев // Упр. геомех. процессами на горнодобывающих предприятиях Минчермета СССР. Белгород, 1986. С. 32-35.

8. Григорьев А.М. Геомеханический анализ целиков и потолочины при этажно-камерной системе разработки Коробковского месторождения // ГИАБ. 2008. № 7. С. 205-211.

9. Храмцов Б.А., Дивиченко И.В. Мониторинг промышленной безопасности природно-технических систем при подземной разработке железорудных месторождений // ГИАБ. 2007. № 12. Т. 2. С. 70-79

10. Храмцов Б.А., Ростовцева А.А., Коротков А.Е. Автоматизированная система мониторинга промышленной безопасности на шахте им. Губкина комбината «КМАруда» // Горный журнал. 2014. № 8. С. 62-64.

11. Khramtsov B.A., Kravchenko A.S. The usage of the modern surveying equipment to provide the industrial safety in the mine after Gubkin of the joint stock company «KMAruda». Scientific Reports on Resource Issues 2015, vol. 1, innovations in Mineral Resource Value Chain. 2015, supported by the IUR Partner Universities. P. 134-136.

12. Mathieu Aubry, Bryan C. Russell, Josef Sivic Painting-to-3D model alignment via discriminative visual elements Journal ACM Transactions on Graphics (TOG) TOG Homepage archive. 2014. Vol. 33. Issue 2. Article No. 14. P. 14-27

13. CrossLink: joint understanding of image and 3D model collections through shape and camera pose variations // ACM Transactions on Graphics (TOG): Proceedings of ACM SIGGRAPH Asia 2015 TOG Homepage. 2015. Vol. 34. Issue 6. Article No. 233.

14. Liyan Ren1, Huayang Dai, Yingcheng Li1, Enquan Wang Application of Three Dimensional Geological Modelling in Coal Mining // Proceedings of the 8th International Conference on Sustainable Development in the Minerals Industry. 2017. Vol. 2.

Храмцов Борис Александрович, канд. техн. наук, доц., khramtsov@bsu.edu. ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,

Ростовцева Анна Александровна, канд. техн. наук, доц., rostovtsevaa bsu.edu.ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,

Лубенская Оксана Александровна, ст. преподаватель, lubenskayaabsu.edu.ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,

Корнейчук Мария Александровна, асп., korneychukabsu.edu.ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет

THE SURVEYING MONITORING AT WORK OF FIELD OF ITABIRITS OF THE KOROBCOVO FIELD

Khramtsov B.A., Rostovtseva A.A., Lubenskaya O.A., KorneychukM.A.

There is the structure of the surveying monitoring of natural and technical formations (NTF) and of geological terrain (GT) at Joint Stock Company "KMAruda Plant" at work of field of banded iron formation of the Korobkovo field (in the mine after Gubkin). The interaction of natural and technical formations (NTF) with the environment (E) consisted of two subsystems of natural and technical formations are given. The main tasks of surveying monitoring NTF and GT are studied with the use of technical and information base which is supplied with a modern electronic optic devices and software packages which allow to control mining - technological processes to provide safety and rational carrying out of mining.

Key words: surveying monitoring, field of banded iron formation, 3-D modeling, natural and technical formations, geological terrain, settlement points, vertical strain.

Khramtsov Boris Aleksandrovich, Candidate of Technical Science, Docent, khramtsov@bsu.edu.ru, Russia, Belgorod, Belgorod National Research University,

Rostovtseva Anna Alexandrovna, Candidate of Technical Science, Docent rostovtse-va@bsu.edu.ru, Russia, Belgorod, Belgorod National Research University,

263

Lubenskaya Oksana Aleksandrovna, Senior Lecturer, lubenskaya@bsu.edu.ru, Russia, Belgorod, Belgorod National Research University,

Korneychuk Maria Aleksandrovna, Postgraduate Student, korneychuk@bbsu.edu.ru, Russia, Belgorod, Belgorod National Research University

Reference

1. Babayants G. M., Wertlieb L. K., Zhurin N. I. Underground mining of ferruginous quartzite. M.: Nedra, 1988. 168 PP.

2. Kazikaev D. M. Geomechanical processes in the joint re-development of ores. M.: Nedra, 1981. 288 p.

3. Kazikaev D. M. Geomechanics of underground ore mining. M.: publishing house of Moscow state mining University 2005,. 542 p.

4. Ustinov S. N. Geodynamics of natural and technical processes as a scientific discipline // Geomechanics in mining: collection of scientific works. labours'. IGD Uro ran. Yekaterinburg, 1999. P. 43-53.

5. In Sidorov.A., Kuzmin Yu. O. Modern movements of the earth's crust of sedimentary basins. Results of research on international projects. M.: Science, 1989. 180 PP.

6. In Queens.A. monitoring of the geological environment. Moscow: Moscow state University Publ., 1995. 272 p.

7. The distribution of stresses in the pillars during the mining of powerful deposits storey-chamber system / B. A. Fomin, S. N. Zhurin, V. A. Kalkutina, V. N. Toktarev // UPR. geomech. mining processes at the enterprises of the USSR minchermet. Belgorod, 1986. Pp. 32-35.

8. Grigoriev A. M. Geomechanical analysis of the pillars and PetroChina storey-chamber system with the development of korobkovskoe Deposit, GORN. 2008. No. 7. P. 205-211.

9. Khramtsov B. A., And Divichenko.Monitoring of industrial safety of natural and technical systems in the underground development of iron ore deposits / / GIAB. 2007. No. 12. Vol.2. P. 70-79

10. Khramtsov B. A., And Rostovtseva.A., Korotkov A. E. Automated monitoring system of industrial safety at the mine. Gubkin combine "KMAruda" / / Mining magazine.

2014. No. 8. Pp. 62-64.

11. Khramtsov B. A., Kravchenko A. S. the Use of modern geodetic equipment to ensure industrial safety in the mine. Gubkin joint-stock company "KMAruda". Scientific reports on resource issues, 2015, vol. 1, innovation in the value chain of mineral resources.

2015, with the support of Moore partner universities. P. 134-136.

12. Mathieu Aubry, Bryan C. Russell, Josef Sivic painting-to-3D model alignment via discriminative visual elements journal ACM transactions on graphics (TOG) TOG homepage archive, volume 33 issue 2 article 14 March 2014. P. 14-27

13. Cross reference: the joint understanding of collections of images and 3D models using the shape and variation of the posture of the camera journal ACM Transactions on Graphics (TOG) - proceedings of ACM SIGGRAPH Asia 2015 TOG Homepage volume 34 issue 6, Nov 2015 article No. 233.

14. Liyan Ren1, Huayang Dai, Yingcheng Li1, Enquan Wang application of three-dimensional geological modeling in coal mining proceedings of the 8th international conference on sustainable development in mining, 2017, vol. 2.