Software & Systems

В настоящее время в горной промышленности (не только России) существует проблема оптимального использования отработанного горного пространства. При исчерпании ресурса полезного ископаемого в большинстве случаев шахты или рудники признаются нерентабельными, их горные выработки подлежат обрушению или затоплению. Однако мировой опыт многих стран показывает, что отработанные горные выработки целесообразнее использовать вторично. Использование подземных горных выработок, не участвующих в добыче полезного ископаемого, может стать существенным доходом для горнодобывающего предприятия, в котором ресурс полезных ископаемых практически исчерпан.

Эффективность эксплуатации подземного пространства заключается в следующем: относительно стабильные климатические характеристики (температурно-влажностный режим); изолированность от разного рода поверхностных воздействий (шум, вибрация, радиоактивность и т.д.); относительная герметичность, а также способность удерживать тепловую и другие виды энергии; влияние объекта, расположенного под землей, на окружающую среду значительно ниже и в лучшей степени может контролироваться; подземные здания практически не требуют затрат на внешнюю отделку, служат на порядок дольше по времени и требуют гораздо более низких эксплуатационных затрат, чем поверхностные; подземное пространство в ряде случаев легче осваивать, чем поверхностное, так как оно не зависит от топографии и дробления на частные участки.

В то же время подземные сооружения в процессе использования имеют следующие недостатки: высокая естественная влажность; отсутствие дневного света; невозможность свободного доступа с поверхности земли, так как спуск и подъем здесь осуществляются через определенные выработки (в некоторых случаях это является достоинством); наличие горного давления и возможность сдвижения горных пород вследствие создания или использования подземных пустот; более высокие капитальные затраты при строительстве сооружений под землей, чем на поверхности.

В России главная идея вторичного использования отработанного горного пространства состоит в использовании подземных горных выработок, не участвующих в добыче полезного ископаемого, в работающих или готовящихся к закрытию угольных шахтах для захоронения в них нетоксичных отходов или размещения предприятий (цехов) длительного пользования (механические мастерские, пункты питания, выращивание сельхозпродукции и др.). Один из главных вопросов вторичного использования отработанного подземного пространства – выбор варианта его использования с целью получения наибольшей прибыли. Но не стоит забывать и о ключевом моменте, без которого использование выработки для повторной эксплуатации вообще невозможно, – это оценка пригодности или непригодности выработки для вторичной эксплуатации. Оценка пригодности той или иной выработки для вторичного использования определяется на основании маркшейдерского обследования выработок, результаты которого обрабатываются при помощи разработанного ППП «Пантера» (структура пакета изображена на рисунке 1).

Исследования по оценке имеющихся параметров показали, что процессы, происходящие в шахтном пространстве, являются стохастическими. Поэтому некоторые из параметров оценки постоянны. Например, существуют и такие параметры, по которым горнодобывающее предприятие располагает статистическими данными, но не имеет надежного способа их оценки и прогнозирования.

Одними из наиболее значимых характеристик шахтного поля и выработок, влияющих на выбор подземного пространства для его вторичного использования, являются:

-     физико-механические свойства вмещающих пород и полезного ископаемого;

-     гидрогеологические условия;

-     изменение несущей способности крепи во времени;

-     категория по газу и пыли;

-     размеры, форма, протяженность, площадь и объем выработок;

-     геологическая характеристика месторождения.

Анализ маркшейдерского обследования угольной шахты дает возможность определить варианты многоцелевого использования подземного пространства. При выборе вариантов вторичного использования отработанного горного пространства характеристики шахтного поля и выработок учитываются в комплексе. На основании их комплексной оценки мы получаем несколько возможных направлений использования отработанного горного пространства.

Варианты вторичного использования подземных горных выработок делятся на два вида – долговременная эксплуатация и захоронение отхо- дов [2]. Если выработка не подходит для вторичной эксплуатации, она подлежит погашению. Рассмотрим подробнее, какие выработки лучше всего использовать для данных направлений.

Капитальные горные выработки, то есть околоствольные дворы; откаточные штреки; квершлаги, закрепленные монолитной бетонной, железобетонной, сборной железобетонной, бетонной, металлической арочной крепью с железобетонной затяжкой, шириной 4 метра и более, высотой не менее 2,4 метра и суммарной площадью не менее 500 м2, целесообразно использовать при долговременной эксплуатации.

Горизонтальные (подготовительные, очистные), наклонные (уклоны, ходки) и на заключительной стадии вертикальные (стволы, шурфы) выработки целесообразно использовать для размещения (захоронения) отходов.

Нарушение несущей способности крепи, изменение параметров выработок, геомеханической или функциональной устойчивости, а также отсутствие экономической целесообразности в их восстановлении будут являться основанием для изменения назначения ее эксплуатации. То есть выработка, предназначенная для долговременной эксплуатации, может перейти в данной ситуации в категорию назначения выработки для размещения нетоксичных отходов с последующим ее погашением.

Выработки, предназначенные для погашения, целесообразно заполнять нетоксичными отходами, что позволит снизить проявление сдвижения горных пород в массиве на земную поверхность.

Для моделирования вариантов использования подземных горных выработок была разработана математическая модель задачи, для решения которой использован метод «дерево решения» (рис. 2). В нашем случае задача относится к категории регрессии. Дерево решения показывает, какие сочетания параметров допустимы для данного направления использования. Использование дерева решения заранее ограничивает сочетания параметров, при которых определенные направления вторичного использования подземных горных выработок просто невозможны, что приводит, в свою очередь, к упрощению расчетов.

Процессы, происходящие внутри шахтного пространства, являются стохастическими. Поэтому наиболее подходящим методом для решения задачи «Оптимальное использование отработанных подземных горных выработок» является антагонистическая игра с природой.

Принятие природы за противника равносильно выбору направления использования отработанного шахтного пространства с учетом наиболее неблагоприятных условий, а если они окажутся благоприятными, то полученный выбор даст возможность увеличить доход. Выбор оптимальной стратегии (оптимального метода использования подземных горных выработок, не участвующих в добыче полезного ископаемого) осуществляется с помощью критериев оптимальности Ходжа–Лемана, Гермейера, Вальда и Гурвица.

Инструментальные средства реализации данного подхода были выполнены на платформе Borland C++ объектно-ориентированного языка С++ в виде ППП «Пантера».

ППП «Пантера» реализует выбор варианта использования отработанного горного пространства. Основываясь на данных, полученных в результате маркшейдерского обследования, и используя базу данных, пакет производит построение дерева решения и матрицы возможной прибыли. Используя данные матрицы и дерева решения, мы можем определить подходящие варианты решения для конкретной выработки. На выходе получаем несколько вариантов, наиболее подходящих для внедрения на этой выработке. А какой именно из них выбрать, решает уже ЛПР.