АНАЛИТИКА

Елена Шадрина, начальник межрегионального отдела по надзору за маркшейдерским обеспечением промышленной безопасности

Наталья Кольцова, главный специалист-эксперт отдела по надзору за маркшейдерским обеспечением промышленной безопасности

Термин «маркшейдерское дело» произошел от немецкого слова Markscheidenkunst (Mark – линия, граница; scheiden – отмечать, устанавливать; Kunst – искусство), что переводится на русский язык как искусство межевания. Этот термин и рассматриваемая дисциплина возникли несколько веков назад в Германии, когда перед бурно развивающимся горным делом встали задачи по размежеванию подземных участков, принадлежащих различным хозяевам.

Содержание маркшейдерского дела в начальный период его существования можно охарактеризовать как подземную геодезию. В ряде стран, например во Франции, эта дисциплина до сих пор так и называется – «подземная геодезия».

Однако в процессе своего развития маркшейдерское дело как отрасль горной науки превратилось в комплексную науку, включающую в себя помимо методики и техники съемочных работ (называемой собственно маркшейдерским делом) также оценку точности измерений и вычислений, выполняемую на базе применения способа наименьших квадратов и теории вероятностей; маркшейдерско-геодезическое приборостроение; геометрию недр; сдвижение и давление горных пород (геомеханику горных пород) и пр. Общим объединяющим фактором названных разделов являются цели, стоящие перед маркшейдерской наукой, – обеспечение безопасной и эффективной эксплуатации месторождений на базе инструментальных измерений, выполняемых в конкретных горно-геологических условиях горного предприятия.

Законодательством о недрах установлено требование по проведению комплекса маркшейдерских наблюдений, достаточных для нормального технологического производства горных работ и прогнозирования опасных ситуаций.

Производство маркшейдерских работ – лицензируемый вид деятельности в соответствии с законодательством о лицензировании отдельных видов деятельности.

В последние годы происходит расширение и усложнение задач маркшейдерской службы, появляется необходимость резкого повышения качества и производительности работ путем внедрения последних достижений науки и техники. Создаются специализированные организации, выполняющие работы на договорной основе.

По-прежнему первоочередной задачей маркшейдерского дела является составление планов горного предприятия, обеспечивающих нормальное функционирование производства и отображающих как состояние недр совместно с проведенными в них выработками, так и сооружения на земной поверхности.

В области методики и техники маркшейдерских работ в последние годы получены определенные достижения, выразившиеся в обновлении инструкции по производству маркшейдерских работ, других нормативных документов, во внедрении новых, решении задач ориентирования и построения подземных опорных маркшейдерских сетей; в применении при развитии опорных сетей высокоточных теодолитов и светодальномеров, новых приборов и методик съемки открытых горных работ.

Проведены серьезные исследования в области маркшейдерских работ при строительстве и реконструкции шахт, в том числе создана методика выполнения маркшейдерских работ при монтаже подъемных машин на башенных копрах и при сооружении шахтных стволов специальными методами. Стали широко использоваться лазеры для задания и контроля направлений при проведении вертикальных и горизонтальных горных выработок, при армировании вертикальных стволов, настилке путей в горизонтальных выработках, установке и контроле прямолинейности конвейеров, навеске трубопроводов и проч.

Значительное развитие получили методы и приборы для выполнения горной графической документации, а также материалы, используемые для изготовления маркшейдерских планов и разрезов.

В маркшейдерском деле для полевых измерений и камеральной обработки используются разнообразные и весьма сложные приборы и инструменты, часто представляющие собой высокоточные оптико-механические системы и электронные устройства, эксплуатируемые в трудных условиях горнорудных предприятий. Это накладывает дополнительную специфику к их конструкциям.

Бурный рост механизации горнодобывающей промышленности, интенсификация добычи полезных ископаемых, увеличение размеров шахтных и карьерных полей потребовали конструирования приборов, позволяющих в значительной степени повысить производительность маркшейдерских работ.

К достижениям в этой области следует отнести создание шахтных малогабаритных гирокомпасов, светодальномеров, устройств для замеров искривления скважин, электронных нивелиров, комплектов аппаратуры для фотограмметрической съемки и ее камеральной обработки не только открытых горных работ, но и подземных выработок, разработку кодовых теодолитов, позволяющих непосредственно без ручной обработки вводить измеренные параметры в программы ГИС.

Важными задачами, решаемыми маркшейдерской наукой, являются изучение пространственных форм месторождений, залегающих в недрах, и изображение их на специальных горно-геометрических графиках; определение оптимальных режимов добычи полезного ископаемого для получения конечного продукта с необходимым наперед заданным содержанием полезных и вредных компонентов. Эта область маркшейдерской науки («геометризация недр», или «горная геометрия») помогает успешно выполнять функции маркшейдерской службы по контролю соблюдения мероприятий по охране недр и полному извлечению полезного ископаемого.

Фундаментальное направление в маркшейдерской науке связано с изучением особенностей протекания механических процессов в массивах горных пород и в элементах систем разработки при извлечении полезного ископаемого (горная геомеханика).

Исследования по сдвижению и геомеханике позволили разработать правила охраны поверхностных сооружений практически всех угольных и рудных месторождений; созданы методы предрасчета деформаций земной поверхности при подземной разработке угольных месторождений, что позволило внедрить ряд кардинальных методов охраны сооружений от вредного влияния подземных разработок; установлены условия безопасной выемки полезных ископаемых под водными объектами.

Согласно «Акту технического расследования причин аварии, происшедшей 28 октября 2006 г.» от 01.11.2006, в числе комплекса мероприятий по устранению причин повторения подобного рода аварий в будущем, органами Ростехнадзора предписано: определить потенциально опасные участки на отработанных площадях рудников Верхнекамского месторождения, провести в их пределах детальные геолого-геофизические и гидрогеологические исследования особенностей строения массива, оценить условия безопасной подработки водозащитной толщи и разработать необходимые меры охраны рудников от затопления.

Специалистами ГИ УроРАН выполнен комплексный анализ горнотехнических условий разработки, параметров очистных работ и принятых мер охраны, состояния конструктивных элементов системы разработки, пространственной динамики их разрушения и характера развития процессов сдвижения, а также других влияющих факторов, и в результате выделены потенциально опасные по возможному нарушению сплошности ВЗТ участки на отработанных площадях рудников ВКМКС.

На основе выполненных исследований даны рекомендации по ведению мониторинга на потенциально опасных участках.

Маркшейдер участвует во всех этапах работы горного предприятия, начиная с разведки месторождений и кончая ликвидацией предприятия. Причем каждый этап требует своей специфики производства маркшейдерских работ.

Разведка месторождений полезных ископаемых. При разведке месторождений полезных ископаемых маркшейдер участвует в съемке земной поверхности; согласно проекту геологоразведочных работ определяет и задает в натуре положение разведочных выработок (шурфов, канав, штолен и т. п.); производит съемку разведочных выработок, мест взятия проб, обнажений горных выработок, элементов залегания пластов полезного ископаемого и вмещающих пород; совместно с геологом составляет на основе съемок графическую документацию, отражающую форму и условия залегания месторождения. Существенное значение для оценки месторождений имеют работы маркшейдеров по составлению различных горногеометрических графиков, отражающих качественные свойства полезного ископаемого.

Маркшейдерские планы и разрезы, построенные по данным геологической разведки, используются для подсчета запасов и проектирования горного предприятия.

Проектирование и строительство горного предприятия. При проектировании горных предприятий маркшейдер участвует в проектно-изыскательских работах: в оформлении границ шахтных полей в соответствии с действующими положениями о горных и земельных отводах; в проектировании системы разработки и сооружений на поверхности; в разработке мер охраны сооружений (поверхностных и под земных) от вредного влияния подземных разработок; в составлении графиков организации и планов горных работ в процессе строительства и эксплуатации месторождения; в подсчете потерь и промышленных запасов полезных ископаемых.

При строительстве горных предприятий маркшейдер выполняет широкий круг задач, связанных с перенесением проекта в натуру (планировка промышленной площадки, разбивка центра и осей ствола, разбивка осей шахтного комплекса, трассировка подъездных путей и т.д.). Он осуществляет контроль строительства подъемного комплекса, проходки и армирования ствола и проведения капитальных выработок, выполнения проекта специальных методов строительства стволов шахт.

Эксплуатация месторождений. Роль маркшейдера при разработке месторождений полезных ископаемых исключительно велика: он производит съемки выработок; задает направления горным выработкам; по результатам съемок составляет планы; осуществляет контроль ведения горных работ в соответствии с проектами и правилами безопасности; выполняет соединительные съемки, обеспечивающие связь поверхностных и подземных маркшейдерских опорных сетей; производит постоянный контроль полноты извлечения полезного ископаемого; осуществляет наблюдения за сдвижением и давлением горных пород; участвует в составлении мер охраны сооружений, природных объектов, горных выработок от вредного влияния подземных разработок и реализует направления рекультивации нарушенных горными работами земель, принимает участие в планировании как очистных, так и подготовительных работ, составляет квартальные, годовые и перспективные планы развития горных работ; предоставляет данные объемов добычи и потерь для учета движения балансовых запасов.

При ликвидации и консервации горного предприятия маркшейдер определяет полноту выемки полезного ископаемого, а также наряду со съемкой горных выработок и пополнением планов горных работ готовит журналы вычислений подземных съемок и ориентировок шахт для передачи на хранение в архивы.

Краткие сведения о развитии маркшейдерского дела

Маркшейдерское дело зародилось практически вместе с умением человека вести подземные горные работы. Сохранившиеся исторические рукописи, археологические раскопки и другие материалы показывают, что люди уже с древнейших времен умели сооружать довольно сложные подземные рудники и другие объекты. Например, сошлемся на найденный в Италии египетский пергамент, на котором изображен рудник, существовавший около 3500 лет назад. Известно также, что древними римлянами для спуска воды из озера была пройдена встречными забоями штольня длиной около 6 км. Для ее проведения было заложено более 100 вертикальных и наклонных стволов. Некоторые из них были глубиной более 100 м. Этот факт говорит о существовании в те времена довольно солидного опыта выполнения маркшейдерских работ.

Первое описание способов съемки подземных горных выработок, дошедшее до нас (I век до н. э.), принадлежит Герону Александрийскому. Применявшиеся в то время способы съемок горных выработок заключались в различных промерах, провешиваниях, построении цепи геометрически правильных фигур (например, тождественных треугольников) на поверхности и под землей, при помощи которых осуществлялась ориентировка подземных выработок.

В XVI веке, когда в горном деле стали использовать приборы с магнитной стрелкой, вращающейся на острие иголки, произошло улучшение маркшейдерских работ и повышение их точности. В этот период известным немецким ученым Агриколой (1494-1555) был издан капитальный по тем временам труд «О горном деле и металлургии», в котором пятая глава посвящена описанию съемок горных выработок как с помощью компаса с кругом, разделенным на 12 частей, так и другими методами. В частности, им описан способ определения глубины шахты и длины штольни при помощи наклонного шнура и отвесов.

В то время маркшейдеры еще не производили вычислений координат угловых точек съемки. Первоначально даже не составлялся план съемки, а маркшейдер ограничивался лишь тем, что строил на поверхности съемку, подобную рудничной, и по положению точек на поверхности судил о развитии горных работ относительно границ отводов. Главной задачей при этом было определить, не заходят ли разработки данного рудника за границы отводов – имен но эта задача способствовала появлению термина Магkscheidenkunst. Значительно позже, в XV столетии, в Германии входит во всеобщее употребление составление планов разработки, причем в конце XVII века отличают планы, составленные в плоскости пласта или жилы, от планов, составленных в проекции на вертикальную плоскость.

Однако планы горных работ этого периода ориентировались по магнитному меридиану. Только с середины XVIII века открытие склонения магнитной стрелки (August Beyer. «Bergbau Grundlicher Unterricht», 1749) заставило маркшейдеров отказаться от использования магнитного меридиана и перейти к ориентированию рудничных cъемок по постоянному направлению астрономического меридиана.

В XVI-XVII веках в Германии создают вначале компас с визирным приспособлением, затем подвесную буссоль, которая, совместно с подвесным полукругом, в течение многих веков была одним из наиболее распространенных маркшейдерских инструментов. Ими иногда пользуются и нынче.