МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАЛЬКО АНДРІЙ ДМИТРОВИЧ

УДК 622.277:622.232.5

ОБҐРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРИНЦИПІВ

КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЄННЯ

АЛМАЗОНОСНИХ РОДОВИЩ УКРАЇНИ

Спеціальність: 05. 15. 11 – Фізичні процеси гірничого виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі розробки торфових родовищ в Українському державному університеті водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України (м. Рівне).

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор,

професор кафедри економіки ЧЕРНЕЙ

відокремленого підрозділу Європейського університету Едуард

Міністерства освіти і науки України (м. Рівне) Іванович

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор,

професор кафедри підземної розробки родовищ КУЗЬМЕНКО

Національного гірничого університету Олександр

Міністерства освіти і науки України Михайлович

(м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник, РУДАКОВ

доцент кафедри аерогідродинаміки Дмитро

Дніпропетровського національного університету Вікторович

Міністерства освіти і науки України

(м. Дніпропетровськ)

Провідна установа: Інститут геотехнічної механіки

Національної Академії Наук України,

відділ механіки гірських порід (м. Дніпропетровськ).

Захист відбудеться “ 15 ” __січня__ 2004 р. о __12_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, т. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий “ 14 ” _грудня_ 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент В.І. Тимощук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Надра України є перспективними для пошуку корінних родовищ алмазів. На даний час достовірно встановлені три райони проявів кімберлітового та лампроїтового магматизму: північ Волино-Поділля (Кухотсько-Більська площа), центральна частина Українського щита, Приазовський масив, включаючи зону зчленування його з Донбасом. Кухотсько-Більська площа найперспективніша з точки зору відкриття високоалмазоносних кімберлітових тіл – виявлені кімберліти за складом типоморфних мінералів подібні до кімберлітів Західної Якутії (Саха).

Крім цих районів, за комплексом геологічних і геофізичних критеріїв та пошукових ознак в західній частині Українського щита та його схилу виділена низка перспективних за корінною алмазоносністю площ – Новоград-Волинська, Шепетівська, Бердичівсько-Вінницька та Сквирська площі.

Існуючі на даному етапі розвитку науки і техніки механічні способи розробки алмазоносних родовищ екологічно недосконалі, вимагають значних капіталовкладень, трудових затрат з врахуванням фактора часу, та не можуть застосовуватись на території України через її регіональні, природні та демографічні особливості. Актуальною є проблема застосування принципово нових техніки та технологій розробки алмазоносних родовищ.

В той же час, після систематичних протиріч з Росією, актуальною для України є проблема захоронення відпрацьованого ядерного палива (ВЯП), високоактивних відходів атомної промисловості та трансуранових відходів, які містять альфа-випромінюючі елементи з винятково тривалим періодом напіврозпаду. Існуючі системи зберігання та переробки відходів недостатні, корисна ємність сховищ для ВЯП розрахована на шість років.

Питанням, пов’язаним із захороненням та переробкою радіоактивних відходів (РАВ) приділена достатньо велика увага. Розглянуті також і питання захоронення в могильниках, розміщених в геологічних формаціях. Однак комплексні дослідження, пов’язані із захороненням РАВ в породах древніх кристалічних формацій, які вміщують родовища корисних копалин, в необхідному обсязі не виконані.

Технології захоронення, які застосовуються на даному етапі, недостатньо оцінюють перспективи використання алмазоносних родовищ в якості могильників РАВ, а також власне РАВ в якості джерел енергії.

Тому питання поєднання будівництва інженерних систем могильника з проходженням шахтних стволів, призначених для розробки глибокозалягаючих алмазоносних родовищ підземним способом, та можливість використання теплової енергії гірських порід, які вміщують могильники, шляхом її перетворення в інші види енергії під час радіоактивного розпаду продуктів поділу ВЯП, що супроводжується виділенням тепла, є актуальними для України та займають важливе місце в забезпеченні екологічної та економічної безпеки країни.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана згідно з планом найважливіших держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України на період 1999-2002 рр., з програмою “Пошуки корінних родовищ алмазів в межах Кухотсько-Більської площі” (державний реєстраційний номер НРУ-98-83/24). Вона відповідає координаційному плану Міністерства освіти і науки України №39 з фундаментального напрямку “Гірничі науки” в 1998-2000 рр.

Мета досліджень – обґрунтування раціональних технологічних принципів розробки ділянок надр, які вміщують алмазоносні родовища, з врахуванням їх використання в якості могильників РАВ.

Для досягнення зазначеної мети в дисертації сформульовані та вирішені такі завдання:

1. Визначити вертикальний розмір керівного кількісного параметру з умови збереження постійності температури гірських порід геологічних формацій на горизонті випуску до та після захоронення РАВ.

2. Встановити просторове розташування і геометричні розміри області стабільно високих температур, яка оточує могильник РАВ.

3. Встановити потужність гірських порід, які складають саркофаг, виконаний у найбільш прийнятній геометричній формі, що підсилює захисний бар’єр радіонуклідів, утворених під час розпаду продуктів поділу ВЯП, розміщеного в могильнику.

4. Розробити рекомендації щодо використання технічних засобів для цілеспрямованого використання тепла гірських порід при радіоактивному розпаді продуктів поділу ВЯП, що супроводжується виділенням тепла.

5. Обгрунтувати застосування технологічних рішень для безпечної та економічної розробки алмазоносних родовищ з наступним використанням підземних порожнин для захоронення РАВ.

Ідея роботи полягає в поєднанні технологічних принципів розробки алмазоносних родовищ із використанням вміщуючих порід древніх геологічних формацій для захоронення РАВ.

Об'єктом дослідження є масив гірських порід, які вміщують алмазоносні родовища.

Предметом дослідження є технологія захоронення радіоактивних відходів в породах геологічних формацій, які вміщують алмазоносні родовища.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань використано комплексний метод дослідження, який включає в себе системний аналіз, обробку та узагальнення літературних та патентних джерел, математичну статистику, математичне та ідеальне моделювання, техніко-економічний аналіз і прогнозування.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Керівний кількісний параметр (Х) із умови збереження постійності температури гірських порід геологічних формацій на горизонті випуску, з умови стабілізації геотермічного градієнта, до та після захоронення РАВ, по вертикалі дорівнює 200 м, що дозволяє вибрати заглиблення шахтних стволів, які є виробками вскриття алмазоносних трубок, в породи древніх геологічних формацій для створення інженерних систем могильника РАВ.

2. Геометричні розміри інженерної системи для захоронення РАВ співпадають з геометричними розмірами області становлення високих температур, що дозволяє використовувати теплову енергію гірських порід в якості інших видів енергії, а також встановити раціональні розміри інженерних систем могильника в плані: ширина – 300 м, довжина – 600 м.

3. Параметри суміщеної технології розробки алмазоносних трубок із технологією захоронення РАВ та системою розробки профільованими днищами для випуску гірської маси визначаються балансом робочого агента на розмив та самотічний транспорт, а також відповідають раціональним показникам вилучення та якості корисної копалини.

Наукова новизна отриманих результатів.

- обгрунтоване використання вироблених підземним способом просторів алмазоносних трубок в якості могильника радіоактивних відходів;

- вперше визначений розмір керівного кількісного параметра з умови збереження постійності температури гірських порід геологічних формацій на горизонті випуску, яка регламентується геотермічним градієнтом, до та після захоронення РАВ;

- обгрунтовані просторове росташування та геометричні розміри області стабільно високих температур, яка оточує могильник РАВ;

- вперше обгрунтоване цілеспрямоване перетворення термічної активності, яка проявляється гірськими породами під час радіоактивного розпаду продуктів поділу ВЯП, що супроводжується виділенням тепла, в електричну енергію;

- для цілеспрямованого перетворення термічної активності, яка проявляється гірськими породами під час радіоактивного розпаду продуктів поділу ВЯП, що супроводжується виділенням тепла, в електричну енергію, обгрунтоване використання термоелектричних генераторів (ТЕГ);

- обгрунтовані залежності для визначення кількості технологічних свердловин, які можуть бути пройдені на вказаній площі перетворення теплової енергії в електричну з використанням ТЕГ.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням фундаментальних положень ядерної фізики, теорії теплопровідності, апробованих методів математичної статистики та алгоритмів числового моделювання, результатами порівнянь розрахункових значень аналітичних залежностей зі встановлення технологічних параметрів комплексного використання алмазних трубок з окремими елементами цієї технології в світовій практиці.

Достовірність розробок підтверджується також експертними висновками Бюро Відділення наук про Землю НАН України, Національного гірничого університету, Українського державного університету водного господарства та природокористування, Європейського університету, Міжнародної академії авторів наукових відкриттів та винаходів.

Наукове значення роботи полягає у встановленні параметрів домінуючих технологічних принципів комплексного освоєння алмазоносних родовищ на основі суміщення процесів гірничих робіт, захоронення РАВ та використання термічної активності гірських порід.

Практичне значення роботи:

- отримана залежність для встановлення температури гірських порід, розташованих над верхньою межею могильника, залежно від поточного значення потужності гірських порід від земної поверхні та тимчасових дискретних інтервалів дії джерела високої температури;

- отримані залежності для визначення геометричних розмірів площі області стабільно високих температур;

- отримана залежність для визначення довжини каскадного модуля, розташованого на насосно-компресорній трубі (НКТ) в технологічних свердловинах в залежності від вертикальної потужності області стабільно високих температур і потужності саркофага;

- запропоновані до використання методи і технічні засоби для зниження втрат відбитої корисної копалини у виїмних камерах.

Реалізація результатів роботи. На підставі результатів досліджень Рівненською геологічною партією виконані передпроектні роботи геотехнологічного опробування та видобутку корисних копалин стратегічних видів сировини для Рівненсько-Волинського регіону в процесі проведення НДР Центру “Геополітика” згідно постанови Бюро відділення наук про Землю НАН України (ін. №7, §35 від 06.07.1999р., п.1) в науковому напрямку “Розробка техніки і технології розвідки, пробної експлуатації і комплексного промислового освоєння родовищ корисних копалин”. Результати роботи відображені в монографіях і навчальних посібниках, впроваджених у навчальний процес Українського державного університету водного господарства та природокористування, Європейського університету, Рівненського інституту слов’янознавства Київського славістичного університету.

Особистий внесок здобувача в розробку наукових результатів, які виносяться на захист, полягає: у формулюванні наукової мети, завдань досліджень та наукових положень; розробці методик досліджень; проведенні та аналізі результатів теоретичних досліджень; моделюванні та конструктивному оформленні обгрунтування розрахунку відстані інженерних систем могильника до підземних гірничих виробок і технічних параметрів використання теплової енергії гірських порід при радіоактивному розпаді продуктів поділу ВЯП; обгрунтуванні пропозицій про внесення змін у законодавчі акти України.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та одержали схвалення: на Бюро відділення наук про Землю НАН України в 1999р., на ІІ науково-практичній конференції “Нестеренківські читання” у 2001р. та на науковій конференції Українського державного університету водного господарства та природокористування в 2002 р.

Публікації. Основні результати досліджень і наукових положень відображених у дисертації опубліковані в 11 друкованих працях, у тому числі - 4 монографіях, 5 статтях у фахових виданнях, затверджених ВАК України та у 2 статтях за матеріалами наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації.

Робота складається з вступу, чотирьох розділів і висновку; містить 125 сторінок машинописного тексту, 55 рисунків на 40 сторінках, 7 таблиць на 4 сторінках, перелік використаних джерел із 148 найменувань на 11 сторінках та два додатки на 20 сторінках. Загальний обсяг роботи – 189 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації та необхідність проведення досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень, наукові положення, які захищаються, наукове та практичне значення роботи, наведені дані з апробації та за публікаціями результатів.

У першому розділі характеризуються стан та умови розробки алмазоносних родовищ на сучасному етапі, проаналізована структурна будова алмазоносних формацій та алмазоносних районів України, викладені передумови суміщення технології розробки алмазоносних трубок із захороненням радіоактивних відходів, описані існуючі схеми захоронення РАВ та виконується критичний аналіз щодо можливості використання традиційних технологічних схем в процесі опробування та відпрацювання алмазоносних трубок на території України.

Вивчення спеціальної науково-технічної літератури (роботи дослідників НГУ, ІГТМ НАН України, ДГТУ, ДОНІІ, УкрНІМІ, МГГУ та ін.) показало, що завдання успішного впровадження геотехнологічних комплексів для розробки алмазоносних родовищ є одним з найбільш складних в гірничій науці та практиці (обгрунтування наукових напрямків створення основ та підвищення повноти і якості вилучення корисної копалини - М.І. Агошков, Р.В. Іменітов, Г.Н. Попов, Н.В. Мельников; вдосконалення геотехнології та шахтної технології - В.В. Ржевський, Д.П. Лобанов, В.Ж. Аренс; проблеми оптимізації - А.І. Берг, А.С. Бурчаков, Б.А. Теодорович ). Аналіз виконаних робіт свідчить про те, що питанням захоронення РАВ займалося широке коло науковців (Е.В. Соботович, І.А. Андрюшин, Ю.А. Трутнєв, З.Т. Бенявськи). Однак комплексні дослідження, пов’язані із захороненням в породах древніх кристалічних формацій, які вміщують родовища корисних копалин, в необхідному обсязі не виконані.

На підставі цього обгрунтовується актуальна необхідність застосування принципово нових техніки та технологій комплексного промислового освоєння надр із створенням інженерних систем багатоцільового використання в метаморфічних породах та могильника для захоронення РАВ в породах древніх кристалічних формацій.

У другому розділі викладені принципи оптимізації глибини закладання інженерних систем могильника РАВ в породах древніх кристалічних формацій, які вміщують алмазоносні родовища. Глибина закладання характеризується керівним кількісним параметром Х. Математична модель процесу поширення тепла в масиві порід древніх кристалічних формацій при радіоактивному розпаді продуктів поділу ВЯП, де джерело високої температури (100-400°С) протягом 50 років буде підтримувати високу температуру, має вигляд:

с ·g · ut - div( k grad u) = 0, (1)

розподіл температури у момент часу Т0 (до захоронення) (рис. 1)

u(t0, m) = ц( m), (2)

крайові умови

u У1 = T1, u У2 = T2 , u У3 = T3 , (3)

де с – коефіцієнт теплоємності; g – щільність порід, які вміщують могильник; k – коефіцієнт теплопровідності; Т1 – температура гірських порід на верхній і бічній площинах У1 могильника; Т2 – температура гірських порід, що мають вихід на земну поверхню У2; Т3 – температура гірських порід, обмежених площиною У3, віддаленою від джерела високої температури до поверхні Мохоровичича.

Рис. 1. Початковий розподіл температури гірських порід,

регламентованої геотермічним градієнтом.

З врахуванням коефіцієнта температуропровідності (a) рівняння теплопровідності набуло вигляду:

ut – a2 ·div (grad u) = 0. (4)

Зв'язок температури масиву гірських порід над верхньою межею могильника, залежно від поточного значення потужності гірських порід m від земної поверхні на дискретних часових інтервалах 10, 20, 30, 40 і 50 років, апроксимується кубічним поліномом:

Т(m) = А · m3 + У · m2 + З · m + D . (5)

Узагальнені результати залежності температури масиву гірських порід від відстані (Х) до джерела високої температури і часу (t) дії джерела високої температури, виражаються формулою, яка відбиває температурний режим над джерелом високої температури в напрямку його геометричного центра в масиві гірських порід, потужністю Х = 200 м в інтервалі часу від 10 до 50 років (рис. 2)

T(Х, t) = (5,8833·10-10·t3 – 1,1153·10-7·t2 + 7,5499·10-6t–1,8781·10-4)·Х3– (2,24·10-7·t3 – 2,7914·10-5· t2 + 2,1881·10-3·t – 6,8145·10-2)·Х2 – (4,0833·10-7·t3 + 9,514·10-4·t2 – 1,3118·10-1+7,3463)·Х+(6,1833·10-4·t3–7,0507·10-2·t2+2,5481·t+2,757·102). (6)

Рис. 2. Зміна температури гірських порід від глибини закладання

та терміну дії джерела високої температури на гірський масив.

Аналіз результатів виконаних аналітичних досліджень, спрямованих на локальну оптимізацію кількісного параметра Х, показує, що збереження постійної температури масиву гірських порід, розташованих на горизонті випуску, можуть забезпечити породи древніх кристалічних формацій.

Розділ 3 присвячений обгрунтуванню параметрів перетворення енергії гірських порід, які вміщують алмазоносні родовища, в інші види енергії.

Актуальність досліджень полягає в тому, що щонайменше протягом 10 тис. років після захоронення РАВ є можливість використання теплової енергії гірських порід, які вміщують могильники, шляхом її перетворення в інші види енергії при радіоактивному розпаді продуктів розподілу ВЯП, що супроводжується тепловиділенням.

Найбільш доцільним і економічно виправданим технічним рішенням для перетворення теплової енергії гірських порід в інші види енергії, наприклад електричну, є промислове використання термоелектричних генераторів (ТЕГ) з газоподібним робочим агентом, які мають високу надійність. Використання теплової енергії гірських порід у ТЕГ запропоноване вперше у вітчизняній і світовій практиці. За своєю суттю - це принципово новий клас ТЕГ, джерелом тепла в яких є продукти поділу ВЯП, теплоносіями – гірські породи, робочим агентом - повітря.

Для конструктивного оформлення схеми відбору тепла гірських порід в околиці могильника із земної поверхні проходять вертикальні технологічні свердловини за певною схемою із суворо дискретними відстанями між рядами свердловин та між свердловинами в рядах. В технологічні свердловини опускаються термоелектричні батареї, які для підвищення техніко-економічних показників та збільшення ККД ТЕГ, доцільно встановлювати на НКТ у вигляді каскадного термомодуля.

Довжина каскадного модуля l м, розміщеного на НКТ у технологічних свердловинах, визначається:

l м = RB – M . (7)

де RB – вертикальна потужність частини області стабільно високих температур; М – потужність гірських порід, які складають саркофаг.

Довжиною каскадного модуля оперують при визначенні кількості ТЕГ, які можуть бути розміщені в технологічній свердловині із врахуванням їх конструктивних особливостей за параметрами довжини і відстаней між ними.

У четвертому розділі обгрунтовані параметри технологічних та конструктивних схем для підвищення ефективності комплексного освоєння алмазоносних родовищ.

Породи древніх формацій докембрія найбільш повно відповідають вимогам створення інженерних систем і умов експлуатації могильника із забезпеченням розумних гарантій захисту населення і навколишнього середовища. Однак необхідність комплексного використання надр вступає в протиріччя із законодавчими актами та існуючою системою надрокористування в Україні. Тому доцільно внести поправки до законів про використання надр, а на підставі систематизації історії формування і розвитку структур земної кори та обґрунтування необхідності захисту надр від гірничо-геологічної інтервенції, доцільно класифікувати ділянки надр, надані в користування для геологічного вивчення, видобутку корисних копалин та інших цілей. За єдину класифікаційну ознаку поділу ділянок надр пропонується просторове розташування меж ділянок надр щодо осадового, гранітного і базальтового шарів земної кори. Виділені три класи ділянок надр: перший – ділянки надр в осадовому шарі земної кори; другий – ділянки надр розташовані в осадовому, гранітному і базальтовому шарах; третій – ділянки надр в гранітному і базальтовому шарах.

На стадії створення техніко-економічного обгрунтування (ТЕО) розробки трубки, з врахуванням фізико-геологічних характеристик кімберлітів та гідрогеологічних умов залягання трубок встановлюються технічна і технологічна можливості захоронення РАВ. Для створення безпечних умов експлуатації у кратерній частині трубки доцільно залишити запобіжний цілик, потужність hц якого відповідає потужності верхньої пачки вміщуючих порід. На межі трубки з нижньою пачкою вміщуючих порід залишається охоронний цілик у формі зрізаного конуса потужністю (m). Встановлюються параметри залягання і розміри трубки, запаси корисної копалини, яка вилучається, і запаси, які втрачаються в надрах (рис. 3). Н – глибина відпрацювання трубки; НТ – відстань від контакту кратерної частини трубки до межі економічно доцільної глибини відпрацювання; h – потужність налягаючих порід; НЕ – відстань від нижньої основи запобіжного цілика до межі економічно доцільної глибини розробки.

НЕ = НТ – hц = Н – h – hц (8)

Відпрацювання трубки ведуть у три стадії. На першій і другій стадіях розробляють ділянки трубки, розташовані по обидва боки вертикальної площини, яка проходить через повздовжню вісь капітального штреку у напрямках від флангів до капітального штреку. Відпрацювання ділянок надр здійснюють панелями. Видобуток корисної копалини з кожної панелі ведуть шляхом проходження повсталих циліндричних виїмних камер середніх і великих діаметрів дотичних між собою, буровими установками, розміщеними на поверхні. На третій стадії погашають балансові запаси з технологічного цілика хрестоподібного січення. Перед створенням інженерних систем багатоцільового призначення з польових штреків здійснюють проходку розсічок і прийомних камер, з яких проходять повсталі циліндричні виїмні камери буровими установками, розміщеними на поверхні. Після чого на стінки виїмних камер наносять торкрет-бетон, а в нижній основі кожної з камер зводять неметалічний стакан, ізолюючи створені порожнини від підземних гірничих виробок і метаморфічних порід.

Залежно від призначення створюваних інженерних систем могильника, проводиться заповнення порожнин через пілот-свердловини: рідкими РАВ і дозованою піщано-цементною сумішшю зі створенням бетонних перетинок через визначені інтервали; рідкими РАВ, токсичними речовинами, що знаходяться в упаковках, з одночасною подачею в порожнини твердіючої закладки.

Такі системи розробки визначили вибір води в якості робочого агента. Дослідження самопливного гідротранспорту проводилися при сталості витрати робочої рідини, у той час як гідротранспорт у розглянутих умовах відбувається при перемінній витраті води, що змінюється за параболічним законом. Досвід самопливного гідротранспорту вугілля певною мірою напрацьовано. У той же час дослідження для часток з великою гідравлічною величиною (алмазів) у вітчизняній практиці відсутні. Розрахунок ведеться не з умови перебування транспортуючої здатності потоку, а виходячи з якісних і кількісних параметрів процесу розмиву: кількості робочого агента, необхідного для розмиву; продуктивності розмиву корисної копалини і підстилаючих порід; гранулометричного складу алмазів; коефіцієнта шорсткості днища; радіуса і кута сектора розмиву. Втрати корисної копалини на підстилаючих породах при поточному радіусі розмиву впливають на гідророзмив і на гідротранспорт в міру просування вибою. Для створення однакових умов транспортування по всій довжині переміщення матеріалу необхідно підтримувати постійну швидкість потоку, яка дорівнює швидкості надійного транспортування.

Виникає необхідність створення раціонального науково обґрунтованого профілю днища виїмної камери. Розрахунок профілю проводиться з врахуванням зміни глибини потоку, втрати і швидкості за довжиною транспортування. Розмив корисної копалини в камері здійснюється гідромонітором з визначеним кутом повороту ? і витратою робочого агента через насадку.

Рівняння витрати для потоку одиничної ширини (b=1)

q = VF = Vbh (9)

де h – глибина потоку;

, (10)

де c – коефіцієнт Шезі; n – коефіцієнт шорсткості; Rr- гідравлічний радіус; і – нахил вільної поверхні; y - показник ступеня за Форхгеймером (y = 0,2).

Кількість робочого агента на одиницю довжини дуги b сектора розмиву:

, (11)

де Rп – поточний радіус розмиву; ? – кут сектора розмиву; Q – витрата води по довжині транспортування.

Глибина потоку для елементарної цівки:

(12)

Розмив корисної копалини секторами при обов'язковій сталості робочого потоку в часі та змінній одиничній витраті за довжиною приводить до необхідності змінювати транспортуючий нахил, тобто створити профіль днища камери з таким перемінним нахилом, який у комплексі з витратою робочого потоку забезпечував би задану швидкість. Обгрунтовані такі кількісні параметри: кількість робочого агента, необхідного для розмиву; кількість корисної копалини, що транспортується; гранулометричний склад корисного компонента; коефіцієнт шорсткості; радіус розмиву сектора; кут сектора розмиву.

Залежно від гранулометричного складу корисної копалини, параметрів процесу розмиву визначається нахил днища виїмної камери, що забезпечує надійне транспортування

(13)

де QT – продуктивність розмиву корисної копалини.

Швидкість надійного транспортування:

(14)

де с – коефіцієнт Шезі з урахуванням коефіцієнта шорсткості.

Кількість добутої корисної копалини - це об’єм виїмної камери (VK) діаметром D, пройденої в запобіжному цілику потужністю (hц) за винятком потужності технологічного цілика (hТ). Кількість погашених при видобутку балансових запасів визначається як сума об’ємів: виїмної камери, виконаної в корисній копалині, і цілика, що приприпадає на виїмну камеру (Vц). Отже, для випадку виконання міжкамерних ціликів у корисній копалині, які за економічними критеріями не підлягають відпрацюванню, Ккіль виразиться

або . (15)

Об’єм втраченої корисної копалини для створення профільованого днища мізерний. Отже коефіцієнт якості: КЯ =1. Коефіцієнт вилучення з надр (КВ) згідно запропонованої технологічної схеми відпрацювання запобіжного цілика постійно буде в межах 79%. Втрати корисної копалини в блоці складуть 21%.

Запропоновані технологічні рішення порівняно з технологіями, які використовуються при традиційному підземному способі, мають істотні переваги. Це дозволяє виключити присутність персоналу в очисному просторі виїмної камери, робити селективний видобуток корисної копалини і скоротити строки окупності капітальних витрат, виключити використання буровибухових робіт, які ведуть до руйнування алмазів, при цьому вироблені простори виїмних камер використовувати для захоронення радіоактивних відходів.

ВИСНОВОК

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна наукова задача з обґрунтування технологічних принципів комплексного освоєння алмазоносних родовищ на основі суміщення процесів гірничих робіт, захоронення РАВ та використання термічної активності гірських порід, що дозволяє передбачити підвищення ефективності розробки алмазоносних родовищ в декілька разів.

У ході виконання роботи отримані наступні результати:

1. На підставі вивчення закономірностей поширення тепла в масиві гірських порід, які вміщують могильники радіоактивних відходів, встановлено, що:

- глибина закладання могильника характеризується керівним кількісним параметром Х – відстанню по вертикалі між горизонтом випуску і верхньою межею могильника;

- збереження постійної температури масиву гірських порід, розташованих на горизонті випуску можуть забезпечити породи древніх кристалічних формацій, у яких міститься джерело високої температури, потужністю 200 м;

- залежність температури масиву гірських порід, розташованих над верхньою межею могильника, від поточного значення потужності гірських порід m від земної поверхні (відстань по вертикалі від джерела високої температури) на розглянутих дискретних тимчасових інтервалах 10, 20, 30, 40 і 50 років апроксимується кубічним поліномом;

- геометричні розміри інженерної системи для захоронення РАВ будуть дорівнювати: ширина А = 300 м, довжина В = 600 м; вертикальний розмір інженерної системи регламентується висотою панельних штреків і дорівнює С = 2 м;

- на підставі аналізу досвіду будівництва та експлуатації АЕС встановлена потужність гірських порід М, які складають саркофаг, виконаний у найбільш прийнятній геометричній формі, що підсилює природний захисний бар'єр радіонуклідів, утворених під час розпаду продуктів розподілу ВЯП, розташованого в могильнику, М = 10 м;

- геометричні розміри саркофага в плані перевищують аналогічні геометричні розміри інженерної системи для захоронення РАВ на 20 м.

2. Вивченням перспектив перетворення теплової енергії гірських порід, які вміщують могильники РАВ, в інші види енергії, встановлено:

- практичне значення для перетворення теплової енергії гірських порід в електричну має область стабільно високих температур, яка включає саркофаг та інженерну систему для захоронення РАВ;

- для цілеспрямованого використання теплових властивостей гірських порід під час радіоактивного розпаду продуктів поділу ВЯП, який супроводжується тепловиділенням, найбільш раціональним є використання термоелектричних генераторів, встановлених у технологічних свердловинах на НКТ;

- заборонна площа перетину технологічних свердловин дорівнює площі квадрата, описаного навколо кола з радіусом r.

3. Обґрунтоване застосування технічних засобів і технологій спрямованих на досягнення безпечної та економічної розробки алмазоносних родовищ України, які у порівнянні з технологіями, що використовуються при традиційному підземному способі, мають істотні переваги:

- виїмні камери проходять на повну глибину відпрацювання алмазоносної трубки устаткуванням, встановленим на поверхні;

- закладку виробленого простору виїмних камер роблять з поверхні через пілот-свердловини, які використовуються для проходження виїмних камер;

- нарощування річної продуктивності рудника здійснюють за рахунок введення в експлуатацію додаткових добувних комплексів;

- проходження повсталих виїмних камер дозволяє магазинувати зруйновану корисну копалину у вироблених просторах;

- виключаються технологічні процеси з використанням буровибухових робіт для відбивання корисної копалини від масиву, що ведуть до втрат алмазів руйнуванням.

4. Обгрунтована методика розрахунку параметрів профільованих днищ, в умовах використання свердловинного гідровидобутку на другому етапі відпрацювання алмазоносної трубки. Для вибору систем з відкритим очисним простором і кріпленням визначені коефіцієнти Ккіль, КЯ , КВ щодо розробки алмазоносних трубок та крутопадаючих родовищ великої потужності, добувним устаткуванням, розміщеним на поверхні.

5. Економічна оцінка підтверджує ефективність запропонованих рішень.

Очікуваний обсяг прибутку за рахунок впровадження раціональних технологічних схем розробки алмазоносних родовищ складе 232 млн. дол. США тільки на стадії будівництва рудника. На стадії експлуатації прибуток збільшиться в 10 і більше разів за рахунок огранювання алмазів і виготовлення ювелірних виробів. Створення могильника в породах древніх кристалічних формацій дозволить заощадити бюджету України в еквіваленті до національної валюти 5 млрд. дол. США за рахунок відсутності необхідності в проходженні шахтних стволів і вибору ділянки для створення могильника.

Основні положення та результати дисертації опубліковані в роботах:

1. Постоловский Р.М., Черней Э.И., Калько А.Д. Алмаз. // Монография, Ровно: РИС КИСУ, 2001.- 103 с.

2. Постоловский Р.М., Черней Э.И., Калько А.Д. Уран // Монография, Ровно: РИС КИСУ, 2002.- 397 с.

3. Постоловский Р.М., Черней Э.И., Калько А.Д. Драгоценные минералы // Монография, Ровно: РИС КИСУ, 2002.- 464 с.

4. Постоловский Р.М., Черней Э.И., Калько А.Д. Техника и технологии комплексного освоения недр // Монография, Ровно: РИС КИСУ, 2002.- 251 с.

5. Калько А.Д. О захоронении радиоактивных отходов и уничтожении особо опасных токсичных материалов // Рівне: Вісник РДТУ.-2001.- №4(11).- С. 14-25.

6. Черней Э.И., Петривский Я.Б., Калько А.Д. Результаты моделирования распространения тепла горных пород, вмещающих могильники РАО // Рівне: Вісник РДТУ.–2002.-№3(16).-С.308-317.

7. Черней Э.И., Петривский Я.Б., Калько А.Д. Перспективы использования теплового ресурса горных пород, вмещающих могильники РАО // Рівне: Вісник РДТУ.-2002.- № 3(16).- С. 318-331.

8. Калько А.Д. Предложения по промышленному освоению алмазоносных месторождений // Науковий вісник НГУ.–2002.- №1.- С. 15-19.

9. Калько А.Д. Использование вмещающих пород алмазоносного месторождения для захоронения радиоактивных отходов // Збагачення корисних копалин.- 2002.- №15(56).- С. 134-142.

10. Калько А.Д. Предлагаемая классификация участков недр по глубине земной коры // Сб. науч. тр. НГА Украины по материалам ІІ международной конференции “Нестеренковские чтения”, Д.: РИК НГА Украины, 2001.-№4.- С. 25-27.

11. Калько А.Д. О государственной границе и недрах Украины (правовые аспекты суверенного государства) // Зб. наук. пр. РДТУ за матеріалами міжнародної наукової конференції “80 років РДТУ”, Рівне.-2002.- №5(18).- С.39-48.

Внесок автора в роботи, опубліковані в співаторстві:

[1],[2],[3],[4] – ідея, постановка задачі, виконання теоретичних досліджень, аналіз результатів; [6],[7] – постановка задачі, чисельне рішення та обробка результатів.

АНОТАЦІЯ

Калько А.Д. “Обгрунтування технологічних принципів комплексного освоєння алмазоносних родовищ України” . – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2003 р.

Дисертація присвячена питанням обгрунтування технологічних принципів комплексного освоєння алмазоносних родовищ України з метою захоронення радіоактивних відходів в породах древніх геологічних формацій. На базі теоретичних досліджень обгрунтовано використання бурових установок нового покоління, що дозволить рівень втрат корисної копалини в межах контурів добувного блока знизити до 8%. Встановлено, що геологічні формації, які вміщують могильники радіоактивних відходів, здатні знижувати масштаби радіаційного впливу на оточуюче середовище.

Виконаний аналіз різноманітних параметрів, які характеризують саркофаг у найбільш прийнятній геометричній формі. Встановлено, що гірські породи, розміщені за зовнішніми межами саркофагу, проявляють термічну активність при радіоактивному розпаді продуктів поділу відпрацьованого ядерного палива, який супроводжується тепловиділенням, з притаманними закономірностями перетворення теплової енергії в інші види в гірничих виробках, які відкривають геологічні формації.

Ключові слова: добувний блок, панель, профільоване днище, захоронення радіоактивних відходів, керівний параметр, саркофаг, термоелектричний генератор.

АННОТАЦИЯ

Калько А.Д. “Обоснование технологических принципов комплексного освоения алмазоносных месторождений Украины” . – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – “Физические процессы горного производства”. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2003 г.

Диссертация посвящена вопросам обоснования технологических принципов комплексного освоения алмазоносных месторождений Украины с целью захоронения радиоактивных отходов в породах древних геологических формаций. На базе теоретических исследований обосновано использование буровых установок нового поколения, что позволяет снизить уровень потерь полезного ископаемого в пределах контуров добычного блока до 8%.

Установлена способность геологических формаций, вмещающих могильники радиоактивных отходов, снижать масштабы радиационного воздействия на окружающую среду.

Выполнен анализ ряда различных параметров, характеризующих саркофаг в наиболее целесообразной геометрической форме. В результате теоретических исследований установлена способность горных пород, расположенных за внешними границами саркофага, проявлять термическую активность при радиоактивном распаде продуктов деления отработанного ядерного топлива, сопровождающегося тепловыделением, с присущими закономерностями преобразования тепловой энергии в другие виды в горных выработках, вскрывающих геологические формации.

Для целенаправленного преобразования тепловой энергии горных пород в электрическую обосновано применение радиальных термоэлектрических генераторов с газообразным рабочим агентом.

В качестве руководящего критерия для расчета параметров прифилированных днищ в условиях применения скважинной гидродобычи обосновано принятие постоянства скорости по длине транспортирования, что обеспечивает перемещение полезного компонента без потерь с учетом баланса воды на розмыв и самотечный гидротранспорт.

Установлен и обоснован ряд противоречий между законодательными актами Украины в сфере недропользования и современной практикой регулирования правовых и экономических отношений при использовании недр. Предложены пути устранения противоречий на основе технологических принципов освоения алмазоносных месторождений.

На основании систематизации истории формирования и развития основных структур земной коры в пределах государственной границы, обоснования необходимости защиты недр от горно-геологической интервенции в недра Украины со стороны сопредельных государств, даны определения, классифицированы участки недр, предоставляемые в пользование для геологического изучения, добычи полезных ископаемых и иных целей.

Разработаны основные принципы определения величины дифференциальной горной ренты для предприятий, разрабатывающих алмазоносные месторождения с последующим использованием отработанных пространств в качестве могильников радиоактивных отходов.

Ключевые слова: добычной блок, панель, профилированное днище, захоронение радиоактивных отходов, руководящий параметр, саркофаг, термоэлектрический генератор.

ANNOTATION

Kalko A. “Substantiation of technological principles of complex development of diamond deposits of Ukraine”. – Manuscript.

The dissertation on reception of the scientific degree of Candidate Technique Science on a speciality 05.15.11 – “Physical processes of mining”. National Mining University, Dnipropetrovsk, 2003.

The dissertation is devoted to questions of a substantiation of technological principles of complex development of diamond deposits of Ukraine with the purpose of a burial place of radioactive wastes in soils of ancient geologic formations. On the basis of theoretical researches use of drill rigs of new generation is proved, that allows to lower a level of losses useful mineral within the limits of contours of the block of a mining to 8 %. The ability of geologic formations containing burial place of radioactive wastes is established, to reduce scales of radiating influence on an environment.

The analysis of a number of various parameters describing a place of a burial place in the most expedient geometrical form is executed. As a result of theoretical researches the ability of rocks located behind external boundaries of storehouse is established to show thermal activity at radioactive disintegration of products of division of waste nuclear combustible accompanying with separation of heat, with inherent laws of transformation of a thermal energy in other kinds in mine workings uncovering geologic formations.

Key words: the block of a mining, panel, bottom as a structure, burial place of radioactive wastes, managing parameter, storehouse, generator thermal and electrical.