Прогноз стійкості та оптимізація параметрів відкритих гірничих виробок з урахуванням їх деформованого стану

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8. Розрахункові технологічні схеми для визначення нормативів надійності стійкого стану: а) - зовнішніх траншей; б) - неробочих уступів при конвеєрному транспорті; в) - робочих бортів; г) - робочих уступів при залізничному транспорті.

Глава 6. Прогноз стійкості та оптимізація параметрів бортів глибоких кар'єрів у складних гірничо-геологічних умовах.

З метою визначення оптимальних параметрів північно-східного борту Першотравневого кар'єру ПівнГЗК, на основі аналізу його деформованого стану, на даному об'єкті була створена маркшейдерсько-геодезична сітка, яка включала в собі три деформаційні лінії, що проходили по північній стороні кар'єру: перша - на обрії де будується комплекс ЦПТ; друга - по рудному тракту; третя - по поверхні борту кар'єру. За період з грудня 1992 року по травень 1995 року було проведено сім циклів замірів деформаційного поля на борту кар'єру. Тривалий проміжок часу, більш трьох років, протягом якого здійснювались маркшейдерсько-геодезичні спостереження, дозволяє ґрунтовно вважати, що одержана достовірна інформація про реакцію порідного масиву на природні та техногенні впливи.

На основі аналізу деформаційного поля у районі північно-східного борту виділено чотири порідних блоків і показано, що з цих блоків основний вплив на стійкість борту кар'єру у цілому буде надавати деформування блоків "В" та "С".

На основі розроблених пакетів прикладних програм "NeUSTUP.SKALA", "NeUSTUP.ОРТ" та розрахункової схеми, приведеної на рис. 9 встановлено, що надійність стійкого стану змінюється у перерізі структурного блока "В" у межах від 99,95 % (для борту кар'єру) до 92,9 % (для спарених уступів нижче рудного тракту). А в перерізі структурного блока "С" у межах від 99,91 %, (для борту кар'єру), до 91,3 % (для спарених уступів нижче рудного тракту).

Таблиця 2. Рекомендовані значення нормативів надійності стійкого стану відкритих гірничих виробок

Одержана розрахункова закономірність зміни з часом надійності стійкого стану борту кар'єру по перетину структурного блока "С", яка апроксимується наступним рівнянням:

; = 0,69. (23)

Визначено значення нормативу надійності для північно-східного борту Першотравневого кар'єру по перетину структурного блока "С": Н_Н = 94, 2 %; для спарених уступів нижче рудного тракту Н_Н= 86, 1 %. З урахуванням цих даних визначено граничний час експлуатації: для борту кар'єру у цілому t_пр = 87 місяців; для спарених уступів нижче рудного тракту t_пр = 73 місяця.

Визначено значення оптимального кута схилу північно-східного борту Першотравневого кар'єру ПівнГЗК - 42,4⁰ (при його висоті не більш 400 м); для спарених уступів нижче рудного тракту - 46,7⁰ (при їх висоті не більш 120 м.). Отримані значення оптимального куту схилу спарених уступів нижче рудного тракту використанні при розробці проекту та постановці у тимчасово-постійне положення північно-східного борту Першотравневого кар'єру, що дозволило зменшити у 1994 році обсяги розкривних робіт на 498,64 тис. м³ (див. рис. 9). Річний економічний ефект від впровадження даних рекомендацій склав 2214,5 млн. крб., у цінах цього періоду.

Рис. 9. До визначення оптимальних параметрів північно-східного борту Першотравневого кар'єру ПівнГЗК

Висновок

Представлена дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій проведено теоретичне узагальнення та дано рішення значної наукової проблеми прогнозу стійкості та оптимізації параметрів відкритих гірничих виробок з урахуванням їх деформованого стану, що дозволяє скоротити сумарні витрати на їх будівництво та експлуатацію, забезпечує безпеку ведення гірничих робіт та підвищує економічну ефективність видобування корисних копалин відкритим способом.

Стан питання. Істотне збільшення глибини ведення відкритих гірничих робіт та значне відставання розкривних робіт зумовлюють підвищення кутів схилу неробочих бортів кар'єрів. За цих умов проблема прогнозу стійкості та оптимізації параметрів відкритих гірничих виробок є одним з основних факторів, що визначає перспективи розвитку у Криворізькому басейні видобування залізних руд відкритим способом. Проблема, що розглядається, є вельми складною та багатогранною, для рішення якої необхідно використовувати методи прикладної теорії надійності, що зумовлено стохастичним характером геомеханічних процесів які відбуваються у порідному масиві, а також їх деформаційні параметри, оскільки це ті параметри, які оперативно та достовірно визначаються інструментальними методами у натурних умовах.

Для рішення даної наукової проблеми використовувався комплексний метод досліджень, що включає: економічний та статистичний аналіз практики управління стійкістю відкритих гірничих виробок; аналітичні та експериментальні методи дослідження процесів деформування та руйнування гірських порід, у тому числі елементи статистичної теорії міцності; методи прикладної теорії надійності, зокрема метод абсолютної економіко-математичної оптимізації, для обґрунтування оптимальних геометричних параметрів відкритих гірничих виробок; інструментальні спостереження за деформованим станом порідних схилів; методи теорії імовірності, математичної статистики та кореляційного аналізу з обробкою експериментальних даних на ЕОМ за стандартними програмами.

Обґрунтованість та достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується застосуванням сучасних наукових методів збору та обробки інформації з використанням комп'ютерів;

аналізом та теоретичним узагальненням представницького обсягу інформації (за 1984-1998 роки) про практику управління стійкістю відкритих гірничих виробок у нашій країні та за її межами; високими значеннями коефіцієнтів кореляції між аналітичними результатами та даними лабораторних і промислових експериментів; позитивним ефектом від впровадження розроблених методів розрахунку стійкості та оптимізації параметрів відкритих гірничих виробок у гірниче виробництво.

Основні наукові та практичні результати роботи.

1. Вперше для опису повної діаграми деформування гірських порід запропоновано використовувати аналітичну залежність експонентного вигляду, що дозволяє поліпшити на 22-28 %, статистичні параметри аналітичного опису явища в порівнянні з кусково-лінійною апроксимацією та якісно поліпшити цей опис в порівнянні з апроксимацією поліномом третього ступеня.

2. Вперше одержано рішення задачі про розрахунок ступеня стійкості піщано-глинистого порідного схилу з урахуванням його деформованого стану. Отримане рішення дозволяє визначати ступінь стійкості відкритої гірничої виробки не тільки при проектуванні, але й контролювати ступінь її стійкості у процесі експлуатації. Встановлено, що у період спостереження за деформованим станом порідного відвалу № 1 ІнГЗК, коефіцієнт запасу його стійкості перевищував проектне значення на 8- 62 %, не зменшуючись нижче значення 1,32.

3. Показано, що міцність скельових гірських порід по тріщинах та поверхнях ослаблення визначається сумісною дією сил фізичного тертя, молекулярного зчеплення та механічного зачеплення. Одержано вираз для визначення межі міцності на зсув та скол по тріщині залежно від ступеня її розкриття, на основі якого одержано рішення задачі визначення коефіцієнта запасу стійкості скельового порідного схилу з урахуванням його деформованого стану.

4. Вперше, на основі статистичної теорії міцності, одержано аналітичний вираз для визначення теоретичної надійності стійкого стану відкритих гірничих виробок, який відрізняється тим, що може використовуватись незалежно від закону, що спостерігається, розподілу випадкових величин міцності та напруги у порідному масиві.

5. Встановлено, що зі зростанням коефіцієнта варіації міцності, надійність стійкого стану порідних схилів знижується на 8-10 % інтенсивніше, ніж при аналогічному зростанні коефіцієнта варіації зсувних напруг. Показано, що зріст коефіцієнта варіації як молекулярного зчеплення, так і фізичного тертя до 40 %, зумовлює зниження надійності стійкого стану виробки вдвічі, а подальший зріст їх коефіцієнта варіації до 100 %, приводить до зниження надійності тільки на 25-30 %.

6. Розроблена методика для визначення експлуатаційної надійності стійкого стану відкритих гірничих виробок на основі аналізу практики управління їх стійкістю, та вперше встановлено, що експлуатаційна надійність стійкого стану обстежених бортів кар'єрів України змінюється у межах від 93,5 % до 97,3 %, а внутрішніх передвідвалів у межах від 46,1 % до 72,4 %. Доведено, що експлуатаційна надійність стійкого стану відкритих гірничих виробок з часом знижується за експонентним законом та визначені емпіричні закономірності такого зниження.

7. Вперше для визначення обсягів гірничої маси, яка підлягає переекскавації при розкритті рудних шарів за безтранспортною технологією, використовувались емпіричні закономірності зміни у часі експлуатаційної надійності стійкого стану внутрішніх передвідвалів.

8. Розроблена економіко-математична модель для абсолютної оптимізації геометричних параметрів відкритих гірничих виробок, яка відрізняється тим, що дозволяє одночасно визначати функціональні залежності як зростання економічного ефекту, так і зростання збитків, що прогнозуються, при збільшенні їх кутів схилу, для різних гірничо-геологічних умов та технико-економічних показників гірничого підприємства і на цій основі визначати параметри при яких сумарні витрати на будівництво та експлуатацію відкритих гірничих виробок будуть мінімальні.

9. Доведено, що значення нормативів надійності стійкого стану відкритих гірничих виробок залежать від часу їх функціонування, та вперше встановлено, що ці нормативи змінюються у межах від 76,3% до 96,5 % при експлуатації відкритих виробок до 5 років та в межах від 89,6 % до 98,5 % при їх експлуатації понад 5 років.

10. Для північно-східного борту Першотравневого кар'єру вперше встановлено: норматив надійності -94,2 %, граничний час експлуатації - 87 місяців, оптимальний кут схилу 42,4⁰ (при його висоті не більш 400 метрів). Для групи спарених уступів цієї виробки, яка знаходиться нижче рудного тракту, вперше встановлено: норматив надійності -86,1 %; граничний час експлуатації - 73 місяця; оптимальний кут схилу 46,7⁰ (при їх висоті не більше 120 м.).

Рекомендації по використанню отриманих результатів.

Результати дисертаційної роботи пройшли апробацію та впроваджені у промисловість на ОГЗК та ПівнГЗК, а також прийняті до практичного використання державним проектно-конструкторским підприємством МЕГГД, що підтверджено відповідними актами впровадження. Розроблена методика обгрунтування параметрів відкритих гірничих виробок може бути використана на всіх кар'єрах України. З метою поліпшення техніко-економічних показників роботи Криворізьких кар'єрів доцільне підвищення кутів схилу неробочих бортів до значень 45⁰-55⁰, для чого існують усі передумови і яке повинно супроводжуватись створенням на кар'єрах постійно діючих маркшейдерсько-геодезичних мереж для визначення деформаційного відгуку порідних масивів на природні та техногенні впливи з метою оперативного контролю за їх стійкістю та забезпечення безпечного ведення гірничих робіт.

Основні роботи

1. Несмашный Е.А. Оптимизация геометрических параметров открытых горных выработок. -Кривой Рог: Изд-во “Минерал”, 1999. - 118 с.

2. Несмашный Е.А., Романенко А.В. Прогноз устойчивости бортов рудных карьеров // Россия, Горный журнал. -1999. № 2, С. 36-37.

3. Несмашный Е.А., Романенко А.В., Черный А.Г. Уточнение геоструктуры северо-восточного борта Первомайского карьера на основании исследования его деформированного состояния // Металлургическая и горнорудная промышленность. -1998. -№ 3, С. 80-82.

4. Nesmashnyi Y.A. Calculating and rationalizing the relativity norms for determining the slopes of quarry flanks // Soviet mining journal. -1987. -vol. 1, num. 3, - Oksonian Press, India. -р. 32-38.

5. Несмашный Е.А. Аналитическая зависимость для полной диаграммы деформирования песчано-глинистых массивов // Изв. ВУЗов. Горный журнал. - 1989.- № 10. -С. 32 - 33.

6. Ржевский В.В., Несмашный Е.А. О физической природе сил трения и механического зацепления // Изв. ВУЗов. Горный журнал. -1990. -№ 7, С.9-10.

7. Несмашный Е.А. Вскрытие карьеров крутыми бортами // Сб. Научные основы создания высокопроизводительных комплексно-механизированных и автоматизированных карьеров. Науч. тр. МГИ. -М.: Изд-во МГИ, -1984. -С. 135-138.

8. Несмашный Е.А. Определение уровня надежности вертикальных бортов карьера // Сб. Физические и химические процессы горного производства. Науч. тр. МГИ. -М.: Изд-во МГИ. -1987. -С. 32-35.

9. Несмашный Е.А. Расчет устойчивости открытых горных выработок на основании наблюдаемой картины их деформированного состояния // Сб. Разработка рудных месторождений. № 62. -Кривой Рог, Изд-во КТУ, -1998, -С. 44-49.

10. Несмашный Е.А. Определение прогнозируемого экономического ущерба от разрушения открытых горных выработок // Сб. Разработка рудных месторождений. № 63. -Кривой Рог, Изд-во КТУ. -1998. -С. 120-123.

11. Несмашный Е.А. Экспоненциальная зависимость для аналитического описания полной диаграммы деформирования горных пород // Сб. Разработка рудных месторождений. -№ 62.-Кривой Рог, Изд-во КТУ, -1998. -С. 49-51.

12. В.А. Ковальчук, Б.Е. Ященко, В.Г. Близнюков, Е.А. Несмашный. Особенности планирования горных работ в карьере в условиях задолженности по вскрыше // Сб. научных трудов НГА Украины. -№ 2, -Днепропетровск, 1998, -С. 170-173.

13. В.А. Завсегдашний, Е.А. Несмашный, И.Е. Сокол, Д.В. Марченко. Методика и результаты определения эксплуатационной надежности устойчивого состояния открытых горных выработок // Сб. научных трудов НГА Украины. -№ 2, -Днепропетровск,- 1998, -С. 235-238.

14. Несмашный Е.А., Романенко А.В., Черный А.Г. Определение геоструктуры северо-восточного борта Первомайского карьера на основании исследования его деформированного состояния // Сб. Разработка рудных месторождений. № 62 -Кривой Рог, Изд-во КТУ, -1998. -С. 51-54.

15. Несмашный Е.А. Анализ основных методов обоснования угла откоса открытых горных выработок // Сб. Разработка рудных месторождений. № 63. -Кривой Рог, Изд-во КТУ. -1998. -С. 123-128.

16. Несмашный Е.А. Об оценке фактического экономического ущерба от разрушения открытых горных выработок // Сб разработка рудных месторождений. № 63. -Кривой Рог: Изд-во КТУ -1998. -С. 128-130.

17. Несмашный Е.А., Черный А.Г. Прогноз устойчивости северо-восточного борта Первомайского карьера СевГОКа во времени // Разработка рудных месторождений. № 63. -Кривой Рог: Изд-во КТУ. -1998. -С. 130-134.

18. Несмашный Е.А., Череп Ю.А. Расчет прогнозируемых объемов переэкскавации горной массы драглайнами // Разработка рудных месторождений. № 63. -Кривой Рог: Изд-во КТУ -1998. -С. 134-136.

19. Завсегдашний В.А., Несмашный Е.А., Сидоренко В.Д., Перегудов В.В. Экономико-математическое моделирование параметров открытых горных выработок // Сб. научных трудов НГА Украины. № 7, Т. 2 - Днепропетровск, 1999. -С. 126-129.

20. Завсегдашний В.А., Несмашный Е.А., Сидоренко В.Д., Перегудов В.В. Объёмная дискретно-аналитическая модель месторождения // Сб. научных трудов НГА Украины. № 7, Т. 2 -Днепропетровск, 1999. -С. 34-39.

Несмашный Е.А. Методика определения коэффициента зацепления горных пород в массиве // Сб. Методические разработки по проблеме ТО. -М.: Изд-во МГИ. -1987. -С. 16-17.

22. Несмашный Е.А. Упругое взаимодействие горной выработки с трещинами в породном массиве // Комплексное исследование физических свойств горных пород и процессов. Труды ІХ Всесоюз. науч. конф. - М.: Изд-во МГИ. -1987. -С. 39.

23. Несмашный Е.А. Реологическая разгрузка горного давления и устойчивость уступов // Комплексное исследование физических свойств горных пород и процессов. Труды 1Х Всесоюз. науч. конф. -М.: Изд-во МГИ. -1987. -С. 47.

24. Несмашный Е.А. Экспериментальное определение закономерностей изменения надежности устойчивого состояния открытых горных выработок во времени // Физические процессы горного производства. Труды Х Всесоюз. науч. конф. -М.: Изд-во МГИ. -1991. -С 72.

25. Жовтуха Г.А., Мулявко В.И., Несмашный Е.А. Расчет эффективности инерционного пылеулавливания в карьерах // Сб. Актуальные вопросы охраны окружающей среды от антропогенного воздействия. Тез. док. Всесоюз. н-т. конф., Севастополь, -1990, - С. 106.

26. Несмашный Е.А., Репко А.А. К расчету крепи вертикальных стволов шахт // Проблемы механики подземных сооружений. Труды 11 Всесоюз. науч. конф. - Тула, Изд-во ТПИ. -1982. -С. 142-145.

27. Несмашный Е.А. Прогноз устойчивости и оптимизация параметров открытых горных выработок на основании наблюдаемой картины их деформированного состояния // Школа передового опыта концерна “Укррудпром”. Тез. док. - Кривой Рог.: -1997. - С. 12-13.

Размещено на Allbest.ru