Геомеханические и гидрогеологические модели и выводы из практического опыта

Разработка и внедрение новых технологий в горном деле ведёт к увеличению глубины разработки и масштабов подземной и открытой добычи.

Специалисты компании Itasca обладают большим опытом работы на крупнейших объектах горной добычи. В их числе железорудный карьер Сайшен (Южная Африка), медный рудник Чукикамата (Чили), алмазный рудник Венеция (Южная Африка), медный рудник Резолюшн (США), алмазный рудник Виктор (Канада) и алмазный карьер Джваненг (Ботсвана).

Огромные масштабы горных работ на подобных объектах требуют высочайшей точности оценки как производительности систем водоотведения с учётом горных работ и геомеханических критериев с целью нейтрализации притоков и предупреждения затопления выработок, так и режимов осушения и поддержания устойчивости бортов карьера.

В статье рассматриваются современные подходы к числовому моделированию геомеханических процессов, движения подземных вод в контексте открытой и подземной добычи. Анализ практического опыта Itasca позволяет продемонстрировать важность следующих аспектов геомеханического и гидрогеологического моделирования.

1. Взаимодействие профильных специалистов в области гидрогеологии, геомеханики и планирования горных работ.
2. Разработка концептуальных геомеханической и гидрогеологической моделей.
3. Подбор программ, алгоритмов и подходов к моделированию.
4. Моделирование ведения подземных и открытых горных работ.
5. Моделирование системы разработки (очистных работ).
6. Калибровка моделей стационарных и переходных процессов.
7. Моделирование динамики образования карьерных озер.
8. Прогнозное моделирование геомеханических процессов с учётом движения подземных вод и планов ведения горных работ, а также их прекращения.

Также затрагиваются такие актуальные темы, как требования к ожидаемой достоверности моделирования, практическое применение его результатов для планирования горных работ в целом, и системы водоотведения и осушения с учётом влияния геомеханического и гидрогеологического моделирования в процессе расчёта устойчивости бортов карьера и моделирования изменения состояния горных пород в условиях подземной очистной выемки.

И наконец, рассматриваются проблемы изменения распределения напряжений в прибортовых/приконтурных массивах в процессе водоотведения (осушения), требующие параллельного моделирования изменения НДС (деформации пород) и движения подземных вод.

Трёхмерные числовые модели

Трёхмерные числовые геомеханические модели фирмы Itasca и модели движения подземных вод известны как эффективный инструмент выбора решений по оценке стабильной, устойчивой добыче и защите от затопления, водопонижению. Геомеханическое моделирования систем разработки/очистной выемки, проходческих работ используется для определения ряда важных влияющих факторов.

1. Анализ напряжённо-деформационного состояния горного массива (закладочные работы, изменение уровня грунтовых вод, сейсмическая активность).
2. Влияния горных работ на ВЗТ, индуцированное трещинообразование, оседание дневной поверхности, разработка критериев оценки.
3. Определение устойчивых параметров выработок, каверн, камер, целиков, стволов и других элементов систем разработки.
4. Анализ перераспределения давления в горном массиве.
5. Возможность внедрения систем с самообрушением.
6. Расчёт прочностных характеристик закладочного массива.
7. Определение параметров БВР.
8. Анализ фрагментации в горном массиве.
9. Оценка зон напряжений и возможного размещения критической инфраструктуры с учётом результирующих показателей устойчивости.
10. Моделирование зон напряжений (изучение последовательности добычи полезных ископаемых для улучшения планирования горных работ с целью снижения рисков при переходе на новые этажи и участки месторождения).
11. Предварительная оценка потенциального воздействия на дневную поверхность для детального прогноза площади обрушения и деформации горного массива.
12. Моделирование и оптимизация специальных способов проходки шахтных стволов и других выработок методом искусственного замораживания горных пород, а также методом химического предварительного закрепления (цементация, тампонаж и т. д.).
    Как правило, числовые модели движения подземных вод (гидрогеологические модели) используются для решения перечисленных ниже задач.
13. Прогноз требований к системе водопонижения с целью поддержания подземных выработок и карьеров в работоспособном состоянии. Результаты моделирования имеют большое значение для принятия технических и организаций решений по водопонижению и предупреждению притоков в выработки.
14. Прогнозирование режимов осушения с учётом требований к коэффициентам запаса устойчивости бортов карьеров.
15. Анализ распределения поровых давлений для дальнейшего применения в геомеханических расчетах устойчивости бортов карьера.
16. Прогнозирование влияния горных работ на подземные воды и поверхностные стоки.
17. Прогнозирование динамики восстановления состояния подземных вод после завершения горных работ.

Актуальность для горной промышленности

Наличие водоносных горизонтов оказывают огромное влияние на горные работы, как и геология, прочностные характеристики горных пород и т. д.

Многие горнодобывающие предприятия сталкиваются с проблемами, вызванными как дефицитом водных ресурсов, так и чрезмерными притоками. В связи с этим гидрогеология имеет огромное значение на всех этапах горных работ.

Для успеха необходимо междисциплинарное сотрудничество профильных специалистов в таких сферах, как планирование горных работ, геомеханика и гидрогеология.

Его суть заключается в том, что специалисты по горному делу и геомеханике оценивают взаимное соответствие показателей плана горных работ, требований к устойчивости и расчётного уровня подземных вод исходя из данных о распределении порового давления, поступающих от гидрогеологов.

С другой стороны, гидрогеологи рассчитывают режимы водопонижения и осушения, руководствуясь планами горных работ и расчётными значениями уровня подземных вод для каждого момента времени с учётом безопасной и стабильной добычи, которые относятся к сфере ответственности специалистов горного и геотехнического профиля.

Данный процесс оптимизации работы горного предприятия возможен только с применением прогрессивных (мультидисциплинарных) технологий числового многокомпонентного моделирования, представленного фирмой Itasca.

Выводы

Улучшение и правильность организации горных работ позволит увеличить полноту выемки, снизить себестоимость добычи полезного ископаемого и одновременно снизит негативное влияние геотехнологии на окружающую среду.

Единственным возможным способом оценки и улучшения показателей и стабильности добычных работ является междисциплинарный подход, а именно числовое многокомпонентное моделирование с учётом многих факторов, предлагаемый фирмой Itasca.

Текст:
Dr. Lothar te Kamp, генеральный менеджер Itasca Consultants GmbH (Германия), доцент Технического Университета им. Georg Agricola. ltekamp@itasca.de
Dr. Houmao Liu, генеральный менеджер Itasca Denver, Inc. (США), аттестованный инженер высшей квалификации. hliu@itascadenver.com
M. Eng. Ivan Akinshin, проект-инженер (горный инженер), Itasca Consultants GmbH (Германия). i.akinshin@itasca.de

Itasca Consultants GmbH Leithestr. 111a
45886 Gelsenkirchen, Germany
тел.: +49 209 14756 30
факс: +49 209 14756 32
е-мail: info@itasca.de
www.itasca.de