Представлены основные результаты автоматизации процесса подбора типа и параметров крепления подземных горных выработок в рамках автоматического расчета интервалов крепления на основании каркасных моделей и показателей состояния горного массива с использованием классификации Бартона. Определены подходы к формированию цифрового паспорта крепления (перекрепления) интервалов горной выработки и модели расположения элементов крепи в горной выработке. Описаны результаты апробирования механизма подбора крепи, отмечены основные преимущества разработанной автоматизированной системы и рассмотрены перспективы ее дальнейшего развития.
Крепление горных выработок является одной из неотъемлемых частей производственных процессов при проведении горных работ. Оно необходимо для обеспечения устойчивости выработок при их возведении и эксплуатации. Основным направлением теоретических и прикладных исследований по данной тематике является построение подробных геологических и горнотехнических моделей месторождений, оценка влияния проходческих работ на напряженно-деформированное состояние горного массива, а также расчет параметров и моделирование крепления подземных горных выработок.
Методологические изыскания в данной области приобретают все большее распространение в производстве. Так, на замену аналитическим и эмпирико-аналитическим способам расчета крепления приходят методы численного моделирования [1–3]. Это вызвано потребностью обеспечения подбора оптимального способа крепления с учетом геологической неоднородности горного массива, условий расположения и взаимного влияния горных выработок [4–6]. Результаты подобных изысканий активно применяют на производстве как за рубежом, так и в России [7–10], в частности, на горнодобывающих предприятиях ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель», где были приняты обновленные регламенты по проходке горных выработок, оценке нарушенности горного массива и подбору крепи [11–13].
В последние десятилетия прослеживается явная тенденция к автоматизации производственных процессов для их оптимизации, повышения безопасности производства и минимизации рисков. Такая необходимость, а также зрелость научно-методологической базы позволили реализовать инструмент по автоматизированному определению вида крепи и подбору ее параметров.
Крепление горных выработок является одной из неотъемлемых частей производственных процессов при проведении горных работ. Оно необходимо для обеспечения устойчивости выработок при их возведении и эксплуатации. Основным направлением теоретических и прикладных исследований по данной тематике является построение подробных геологических и горнотехнических моделей месторождений, оценка влияния проходческих работ на напряженно-деформированное состояние горного массива, а также расчет параметров и моделирование крепления подземных горных выработок.
Методологические изыскания в данной области приобретают все большее распространение в производстве. Так, на замену аналитическим и эмпирико-аналитическим способам расчета крепления приходят методы численного моделирования [1–3]. Это вызвано потребностью обеспечения подбора оптимального способа крепления с учетом геологической неоднородности горного массива, условий расположения и взаимного влияния горных выработок [4–6]. Результаты подобных изысканий активно применяют на производстве как за рубежом, так и в России [7–10], в частности, на горнодобывающих предприятиях ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель», где были приняты обновленные регламенты по проходке горных выработок, оценке нарушенности горного массива и подбору крепи [11–13].
В последние десятилетия прослеживается явная тенденция к автоматизации производственных процессов для их оптимизации, повышения безопасности производства и минимизации рисков. Такая необходимость, а также зрелость научно-методологической базы позволили реализовать инструмент по автоматизированному определению вида крепи и подбору ее параметров.
Основной задачей являлось создание инструментария, который позволит на этапе проектирования крепления горной выработки обеспечить подбор наиболее оптимальных параметров крепи. В основе работы реализованной системы заложена методология, принятая на горнодобывающих предприятиях Заполярного филиала ПАО «ГМК «Норильский никель». Одной из составных частей данной методологии является оценка состояния устойчивости массива по рейтинговой классификации Бартона (Q-система) [14]. Реализованный механизм при подборе типов и параметров крепления использует следующий набор данных:
Принцип работы механизма можно разделить на несколько логических шагов. На первом этапе осуществляют расчет осевой линии: строят проекции каркаса на две плоскости; на основе проекций отстраивают диаграммы Вороного; точку оси выработки определяют как кратчайшее расстояние между сегментами диаграммы [3, 15]. Следующим шагом будет являться расчет интервалов крепления. Их формируют путем разбиения осевой линии, где каждый интервальный объект обладает рядом уникальных характеристик, к которым относятся: технологическая привязка (относительная или абсолютная); форма сечения; геологическая характеристика и категория нарушенности массива горных пород. Таким образом, граница каждого следующего выделяемого интервала в пределах выработки будет всегда являться границей смежного интервала.
Далее для каждого рассчитанного интервала формируют перечень допустимых видов крепления выработки. Основным параметром для их определения будет являться категория нарушенности массива (или его прочностные свойства – для закладочного массива), вскрытого выработкой в интервале крепления. Система подбирает для него оптимальные варианты крепления в соответствии с заложенными в алгоритм регламентами. В частном случае подбор крепи может быть осуществлен по отдельности для каждого элемента выработки – кровли и боков.
Для каждого сформированного варианта крепления механизм осуществляет расчет параметров крепления. В зависимости от вида крепления, установленного для варианта, а также характеристик, присвоенных интервалу, математическая модель расчета может отличаться. Так, для анкерной крепи основными расчетными параметрами будут длина анкера и величина сетки штангования, а для монолитной крепи – ее толщина. Также параметры крепи могут быть автоматически подобраны в соответствии с заложенными в систему нормами.
На основании заданных параметров крепления для каждого интервала осуществляют численное моделирование пространственного положения анкеров и построение двухмерных схем. Результаты моделирования отражают оптимальное расположение анкеров в элементах выработки с соблюдением заданных параметров. Дополнительно может быть осуществлен подсчет предполагаемого расхода материалов на один погонный метр и суммарного расхода с использованием параметров сечения выработки и площади закрепляемой поверхности.
Апробация автоматизированного расчета была проведена на горнодобывающих предприятиях ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель». Горные работы на данных предприятиях осуществляют в пределах Талнахского рудного узла, включающего в себя Талнахское и Октябрьское сульфидные медно-никелевые месторождения. Данные месторождения локализуются в специфической по своему строению зоне Норильско-Хараелахского разлома. Для данных месторождений характерна сложная геологическая и геодинамическая обстановка, что напрямую учитывают при подготовке паспортов крепления и управления кровлей. Типичным примером в данных условиях является проходка горной выработки переменного сечения в массиве горных пород с различными геологическими и горнотехническими условиями, вскрытием на одном из интервалов закладочного массива.
В ходе апробации при помощи реализованной информационной системы был воспроизведен пересчет вариантов крепления для нескольких действующих паспортов с целью сравнения полученных результатов и подтверждения корректности работы заложенных алгоритмов. В процессе испытаний в систему были заведены исходные данные. На их основании система произвела расчет интервалов крепления и сформировала варианты крепления.
В результате сравнения с ранее подготовленными паспортами крепления было отмечено, что на производстве при формировании интервалов крепи происходит обобщение геологической и горнотехнической ситуации – принимается, что вся выработка проходит по самому нарушенному массиву, вскрытому выработкой. Также отмечается, что при подготовке паспортов крепления зачастую не рассматривают все допустимые варианты крепи, а используют один или два варианта. Система, в свою очередь, автоматически может формировать все возможные варианты крепи, которые могут быть реализованы при заданных условиях. Пример результатов подбора видов и параметров крепи системой для одного из рассчитанных интервалов крепления представлен в таблице.
Пространственное моделирование крепи в текущих производственных процессах не осуществляют. Однако было отмечено, что данные, полученные в результате численного моделирования, могут позволить более гибко осуществлять подбор типа и параметров крепления, визуально оценивая схему будущего положения шпуров. Пример моделирования представлен на рис. 1. Также система формирует схематичное изображение проектного крепления (рис. 2) для каждого варианта крепления. Данная особенность призвана сократить время на составление паспорта крепления специалистами, так как значительную часть этого процесса составляет графическое оформление паспорта.
Рисунок 1. Модель анкерного крепления в интервале ПК 25+2,00 м -:- ПК 24 +2,00 м
Рисунок 2. Схема крепления в интервале ПК 25+2,00 м -:- ПК 24 +2,00 м. Единицы измерения на размерных выносках приведены в миллиметрах. Нумерация на поперечном сечении от 1 до 8 – номера анкеров (шпуров).
Отдельно было отмечено, что наличие смоделированной крепи позволяет осуществлять бесшовный обмен данными со станками (анкероустановщиками). Подобный обмен данными далее позволяет выполнять более оперативный контроль качества крепления. Например, выявлять расхождение проектных и фактических параметров крепи. Информация о фактическом положении элементов крепи может быть использована при оперативной оценке напряженно-деформированного состояния пород, что позволит повысить безопасность горных работ.
Немаловажным преимуществом функционирования системы является систематизированное ведение и хранение данных о креплении. Это позволяет осуществлять мониторинг процессов подготовки паспортов крепления, частью которых является описываемый механизм, и контролировать сам процесс крепления, агрегируя в себе фактические (получаемые со станков-анкероустановщиков) или занесенные в систему вручную данные. Например, планировать перекрепление горных выработок, для которых истекает срок эксплуатации крепи.
Заключение
Процессы проектирования крепления выработок на производстве являются методологически обоснованными и строго регламентированными, однако чаще всего находятся на достаточно низком уровне автоматизации. Повышение уровня автоматизации позволит обеспечить выбор наиболее оптимального способа крепления с учетом критериев устойчивости горного массива на всех этапах эксплуатации горной выработки, минимизировать временные затраты на подготовку проектной и сопровождающей документации, оптимизирует материальные затраты на монтаж и обслуживание крепи. Немаловажным преимуществом является осуществление первичного контроля данных с применением алгоритмически выверенных методов, направленных на снижение ошибок при подборе крепи, связанных с человеческим фактором.
В ходе апробации инструментария были намечены основные направления его потенциального развития:
реализация иных методов подбора крепи, а также методов расчета параметров проектируемых горных выработок на основе данных напряженного состояния пород и их инженерно-геологических характеристик;
применение в расчетах постоянно пополняемых геологических и геолого-технических 3D-моделей, что позволит автоматически определять характеристики и категорию нарушенности пород; актуализация модели даст возможность автоматически определять необходимость перекрепления того или иного интервала горной выработки;
интеграция с системами сбора оперативных данных о состоянии устойчивости горного массива и проводимых горнотехнических мероприятиях, что позволит оперативно отслеживать изменение категории нарушенности массива и, как следствие, превентивно определять необходимость перекрепления;
интеграция с системами учета оборудования и материалов, а также с системами оперативного планирования, что позволит оптимизировать число допустимых видов крепи и более качественно определить ее параметры;
расширение перечня видов крепи согласно современным тенденциям с целью их предварительной апробации в ходе моделирования для последующего внедрения в производство;
реализация автоматизированного расчета взаимного влияния крепи и горного массива для оценки устойчивости элементов горных выработок.
Библиографический список
Авторы:
Горный журнал, 2024, № 1
