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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Сучасний розвиток відкритих гірничих робіт характеризується передусім зростанням їх глибини, що приводить до істотного погіршення техніко-економічних показників роботи гірничих підприємств, у зв'язку зі зростанням собівартості товарної продукції, в основному по статті погашення гірничо-капітальних робіт. Так, у калькуляції собівартості 1 тонни сирої руди витрати на покриття гірничо-капітальних робіт складають від 50 до 66% всіх інших витрат. У зв'язку з цим на всіх кар'єрах Кривбасу спостерігається значне відставання розкривних робіт від проектних обсягів, внаслідок концентрації гірничих робіт на видобування корисної копалини, що приводить до істотного збільшення кутів схилу тимчасово неробочих бортів кар'єрів.

За цих умов виникає проблема оперативного прогнозу ступеня стійкості крутих бортів кар'єрів, як для відповідної зміни технології та режиму гірничих робіт, так і для забезпечення безпеки їх ведення. Оперативне та достовірне прогнозування стійкого стану відкритих гірничих виробок може бути здійснено на основі дослідження їх деформованого стану, оскільки деформаційні параметри це ті параметри, які досить легко визначаються інструментальними методами у порідному масиві з одного боку, та об'єктивно відображають відгук порідного масиву на природні та техногенні впливи - з другого.

Проте підвищення кутів схилу бортів кар'єру приводить не тільки до істотного зниження фізичних обсягів розкривних робіт, але й до значного зниження ступеня їх стійкості, що зумовлює зріст експлуатаційних витрат на підтримання відкритих гірничих виробок у стійкому стані. Практика ведення відкритих гірничих робіт неодноразово доводила, що навіть часткове руйнування бортів кар'єру може привести до таких збитків, розмір яких багаторазово перевищує прибуток отриманий за рахунок збільшення їх кутів схилу. Очевидно, що існують такі кути схилу відкритих гірничих виробок, при яких сумарні витрати на їх будівництво та експлуатацію будуть мінімальні.

Визначення таких параметрів це одна з головних проблем, які виникають при розробці родовищ корисних копалин відкритим способом, рішення якої можливо на базі створення взаємопов'язаних моделей для розрахунку ступеня стійкості порідних схилів на основі спостереженої картини їх деформованого стану та моделей для одночасного визначення закономірностей зміни розміру очікуваного прибутку та прогнозованого значення економічного збитку при збільшенні кутів схилу відкритих гірничих виробок.

Таким чином, розробка методів прогнозу стійкості та оптимізації параметрів відкритих гірничих виробок з урахуванням їх деформованого стану представляє собою значну наукову проблему, що має важливе народногосподарське значення у підвищенні економічної та екологічної ефективності видобування корисних копалин відкритим способом.

Ці дослідження виконувались у межах державного плану наукових досліджень Міністерства освіти України «Розробка наукових основ автоматизованого планування та управління гірничими роботами у кар'єрі» (№ держ. рег. 01860071242), «Прогнозна оцінка та перспективи розвитку гірничодобувної та металургійної промисловості України в умовах ринкових стосунків з урахуванням екологічної ситуації» (№ держ. рег. UA01015085Р) та госпдоговірної тематики Криворізького технічного університету.

Мета роботи полягає у подальшому розвитку методології прогнозу стійкості та обґрунтування оптимальних параметрів відкритих гірничих виробок з урахуванням їх деформованого стану, для підвищення економічної та екологічної ефективності видобування корисних копалин відкритим способом.

Для досягнення поставленої у дисертації мети, були сформульовані наступні задачі досліджень:

- визначити прогнозований вигляд аналітичних та встановити спостережений вигляд експериментальних закономірностей зміни міцності порідного масиву згідно з зміною його деформаційного відгуку на природні та техногенні впливи;

- розробити методи розрахунку ступеня стійкості порідних схилів на основі встановлених закономірностей зміни міцності порідного масиву при зміні спостереженої картини його деформованого стану;

- розробити фізично обґрунтовану модель руйнування порідного схилу, необхідну для теоретичного визначення надійності стійкого стану відкритих гірничих виробок;

- розробити методику визначення експлуатаційних значень надійності стійкого стану відкритих гірничих виробок та визначити основні закономірності їх зміни;

- розробити економіко-математичну модель для обґрунтування оптимальних параметрів відкритих гірничих виробок та визначити основні закономірності їх зміни згідно з функціональним призначенням, структурою комплексної механізації гірничих робіт, часом експлуатації.

Основна ідея роботи полягає у тому, що прогноз стійкості порідних схилів здійснюється на основі встановлених аналітичних та емпіричних закономірностей між міцнісними та деформаційними властивостями порідних масивів, а оптимізація параметрів відкритих гірничих виробок здійснюється на основі мінімізації сумарних витрат на їх будівництво та експлуатацію протягом всього строку функціонування.

Об'єктом дослідження є відкриті гірничі виробки різноманітного технологічного призначення та практика управління їх стійкістю, а також міцнісні та деформаційні параметри гірських порід та масивів.

Наукові положення, висунені автором на захист

1. Методологія, що заснована на визначенні розрахункових та емпіричних закономірностей зміни міцнісних параметрів гірських порід згідно з зміною їх деформованого стану, як у дограничний, так і у позаграничної області деформування, для подальшого використовування при визначенні оптимальних параметрів відкритих гірничих виробок.

2. Визначення надійності стійкого стану порідних схилів на основі статистичної теорії міцності, що зумовлено просторовою неоднорідністю фізико-механічних і структурно-геологічних властивостей гірських порід та імовірним характером геомеханічних процесів, що відбуваються у порідних масивах.

3. Експлуатаційна надійність стійкого стану відкритих гірничих виробок знижується з часом за експонентним законом, для визначення якої розроблена методика та встановлені, на основі аналізу практики управління стійкістю відкритих гірничих виробок, емпіричні закономірності такого зниження.

4. Економіко-математична модель для обґрунтування оптимальних параметрів відкритих гірничих виробок яка відрізняється тим, що дозволяє одночасно визначати як розмір очікуваного економічного ефекту, так і розмір прогнозованого збитку при збільшенні їх кутів схилу, а розрахунок ступеня стійкості порідного схилу здійснюється з урахуванням його деформованого стану.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному

1. Для опису повної діаграми деформування гірських порід вперше обґрунтовано застосування аналітичної залежності 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. Одержано аналітичне рішення та вперше визначено, що ступінь стійкості порідного схилу нелінійно знижується згідно зі зростанням кількісних показників його деформованого стану.

Розроблена методика визначення та вперше встановлено, що експлуатаційна надійність стійкого стану обстежених бортів кар'єрів змінюється у межах від 93,5% до 97%, а обстежених внутрішніх передвідвалів у межах від 46% до 72%.

4. Доведено, що експлуатаційна надійність стійкого стану відкритих гірничих виробок зменшується з часом за експонентним законом та вперше ці закономірності використані для визначення обсягів гірничої маси, яка підлягає переекскавації при розкритті рудних шарів за безтранспортною технологією.

5. 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.

Наукове значення роботи полягає у подальшому розвитку теорії та методів визначення оптимальних параметрів відкритих гірничих виробок на ґрунті прикладної теорії надійності, які розвивають сучасні уявлення про проектування та реконструкцію кар'єрів.

Практичне значення роботи полягає:

- у розробці методичних вказівок по визначенню оптимальних, по критерію економічної ефективності, геометричних параметрів відкритих гірничих виробок, які прийняті до практичного використання головною організацією України по геомеханічному забезпеченню відкритих гірничих робіт,

- у розробці засобу визначення нормативів надійності стійкого стану відкритих гірничих виробок у відповідності з їхніми технологічними функціями та часом експлуатації;

- у розробці методичних вказівок по прогнозу стійкості порідних схилів на основі аналізу їх деформованого стану.

Результати досліджень знайшли практичне застосування при:

- розробці паспортів розкриття рудних шарів за безтранспортною технологією на кар'єрах Орджонікідзевського ГЗК, що дозволило за рахунок достовірного та оперативного визначення об'ємів гірничої маси, яка підлягає переекскавації, зменшити її обсяги у 1997 році на 2663 тис. м³ та одержати економічний ефект у розмірі 1151 тис. гривень за рік (Акт впровадження від 12 лютого 1998 року).

- розробці проекту та постановці у тимчасово-постійне положення північно-східного борту Першотравневого кар'єру ПівнГЗК, що дозволило, за рахунок більш раціональної його конструкції, зменшити на 498,64 тис. м³ річні обсяги розкривних робіт та одержати у 1994 році економічний ефект у розмірі 2,215 млрд. крб. (Акт впровадження від 18 лютого 1998 року).

Окремі положення дисертаційної роботи включені в учбово-методичні посібники по курсах «Процеси відкритих гірничих робіт» та «Проектування, будівництво та реконструкція кар'єрів», які використовуються при навчанні студентів Криворізького технічного університету.

Особистий внесок автора у одержанні наукових результатів, які виносяться на захист, полягає: у формулюванні мети, наукових положень та задач дослідження; одержанні аналітичного виразу для опису повної діаграми деформування гірських порід у вигляді експонентної функції; рішенні задачі про розрахунок ступеня стійкості порідного схилу з урахуванням його деформованого стану як для скельових, так і для піщано-глинистих масивів; розробці методики та визначенні значень і закономірностей зміни експлуатаційної надійності стійкого стану відкритих гірничих виробок; розробці економіко-математичної моделі для абсолютної оптимізації геометричних параметрів відкритих гірничих виробок на основі мінімізації сумарних витрат на їх будівництво та експлуатацію; а також у впровадженні результатів досліджень у виробництво.

Апробація роботи. Результати проведених досліджень доповідались на Всесоюзній науковій конференції по актуальним питанням охорони оточуючого середовища від антропогенного впливу (Севастополь, 1990 р.); на 1Х Всесоюзній науковій конференції по комплексному дослідженню фізичних властивостей гірських порід та процесів (Москва, 1987 р.); на Х Всесоюзній науковій конференції по фізичним процесам гірничого виробництва (Москва, 1991 р.); засіданнях технічних рад концерну «Укррудпром» та гірничо-збагачувальних комбінатів ОГЗК, ПівнГЗК, ПівдГЗК (1991-1998 р.р.), науково-технічних конференціях Криворізького технічного університету, Національної гірничої академії України та Московського державного гірничого університету (1984-1999 р.р.).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи опублікований в одній одноосібній монографії; 19 статтях у збірниках наукових праць та гірничотехнічних журналах; що віднесені ВАК України до фахових; 2 статях у наукових виданнях, 4 депонованих наукових роботах; 6 тезах доповідей на наукових конференціях та школах передового досвіду.

Всього по темі дисертації опубліковано 32 наукові роботи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з введення, шести розділів, висновку, списку використаної літератури з 177 найменувань на 17 сторінках. Дисертація викладена на 243 сторінках машинописного тексту, містить 22 таблиці на 12 сторінках та 63 рисунка на 41 сторінці, 4 додатка на 9 сторінках, загальним обсягом 305 сторінок.

Основний зміст роботи

виробка деформований порідний

Розділ 1. Стан проблеми та задачі дослідження.

Завершення розробки родовищ корисних копалин на малих глибинах з одного боку, досягнення гірничої науки та техніки з другого, зумовили практичну необхідність та економічну доцільність ведення відкритих гірничих робіт на глибині 500 - 1000 метрів.

За цих умов задача визначення геометричних параметрів відкритих гірничих виробок стає особливо актуальною, тому що розмір розкриття, що скорочується при збільшенні кутів схилу бортів кар'єру, прямо пропорційний квадрату глибини виробки.

Разом з тим, практика ведення відкритих гірничих робіт показує, що практично на жодному кар'єрі не вдалось уникнути зсувних процесів. Руйнування уступів та бортів кар'єрів наносить значний матеріальний збиток. Так руйнування відвальних уступів у листопаді 1993 року на кар'єрі Інгулецького ГЗК та переміщення зсуву у робочу зону, порушили роботу кар'єру на декілька місяців.

У зв'язку з особливою важливістю вірного розрахунку стійкості бортів кар'єрів та відвалів з надійним, але не перебільшеним запасом стійкості, в останні десятиріччя в нашій країні та за кордоном виконані фундаментальні дослідження, що опубліковані у роботах М.І. Агошкова, А.І. Арсентьева, Ю.П. Астаф'єва, В.Ф. Бизова, В.Г. Близнюкова, Ю.Г.Вілкула, А.М. Гальперіна, Е.Л. Галустьяна, І.Л. Гуменіка, А.Ю. Дриженка, В.Г. Зотеєва, Є.І. Ефремова, М.В. Ефремова, В.В.Істоміна, О.І.Ільїна, С.О.Ільїна, Н.В. Мельнікова, О.М. Михайлова, Ю.С. Меца, B.Н. Попова, А.К. Поліщука, М.Є. Певзнера, В.О. Падукова, М.Г. Новожилова, С.З. Поліщука, В.В. Ржевського, М.О. Ревазова, К.Н. Ткачука, Б.М. Тартаковського, Є.І. Шемякіна, А.Г. Шапаря, В.Т. Сапожникова, В.О. Щелканова, Г.Л.Фісенко, П.Й. Федоренко, М.С. Четверика та інших.

Результати цих досліджень дозволили закласти теоретичні основи та широко впровадити на практиці інженерні методи розрахунку стійкості уступів, бортів кар'єрів та відвалів.

Разом з тим, слід відзначити, що проблема, яка розглядається, є надзвичайно складною та багатогранною. Визначення науково обгрунтованих геометричних параметрів відкритих гірничих виробок вимагає достовірного визначення будови та властивостей гірських порід у масиві, що саме по собі є вельми складною задачею. Міцнісні властивості гірських порід, які визначені на зразках, не можуть досить повно характеризувати опір масиву гірничих порід впливу зовнішніх та внутрішніх сил. Тому оцінка ступеня стійкості порідних масивів повинна здійснюватись з урахуванням їх деформованого стану, оскільки деформаційні параметри це ті параметри, які легко визначаються інструментальними методами у природних умовах.

Підвищення кутів схилу бортів кар'єру приводить до істотного зниження фізичних обсягів розкривних робіт і, отже, до зниження експлуатаційних витрат на розкривні роботи. Проте при цьому відбувається і зниження ступеня стійкості порідного схилу, а відтак будуть збільшуватись експлуатаційні витрати на підтримання відкритих гірничих виробок у стійкому стані для забезпечення їх безпечної експлуатації. Напевно, що при визначених значеннях кутів схилу, сумарні витрати на споруду та експлуатацію відкритої гірничої виробки будуть мінімальними.

Нині діючими нормативними документами рекомендується ступінь стійкості відкритих гірничих виробок оцінювати значенням коефіцієнта запасу стійкості, значення якого встановлені на ґрунті експертних оцінок та здорового глузду провідних фахівців у даній області і їх розмір є суворо нормованим параметром.

Проте, у теперішній час, такий підхід не може вважатись достатньо обґрунтованим з ряду причин, та раніш за все, з-за неможливості економічного обґрунтування значень коефіцієнта запасу стійкості.

Визначення оптимальних, з точки зору економічної ефективності, геометричних параметрів відкритих гірничих виробок можливо тільки у тому випадку, якщо їх ступінь стійкості буде визначатись не значенням коефіцієнта запасу стійкості, а розміром надійності їх стійкого стану. Проте до цього часу не опубліковано робіт, у яких визначені значення нормативів надійності уступів, бортів кар'єрів та відвалів в залежності від їх технологічних функцій, застосованого горно-транспортного обладнання та часу експлуатації.

На основі аналізу опублікованих матеріалів науково-дослідних робіт у галузі прогнозу стійкості відкритих гірничих виробок та визначення їх геометричних параметрів, сформульована сутність наукової проблеми, яка вирішується, мета та задачі дослідження.

Розділ 2. Прогноз стійкості піщано-глинистих схилів з урахуванням їх деформованого стану.

Відомо, що міцність локально зруйнованих порідних масивів виявляється цілком достатньою для нормального, безпечного функціонування виробок, що споруджуються у таких масивах. Урахування залишкової міцності гірських порід при визначенні параметрів гірничих виробок можливе тільки при використанні у геомеханічних розрахунках повної діаграми деформування гірських порід. З метою істотного поліпшення статистичних характеристик апроксимації повної діаграми деформування гірських порід.

Використання кривої виду (1) для аналітичного опису повної діаграми деформування гірських порід 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.

Чисельний аналіз виразу (1) показав, що зі зростанням як молекулярного зчеплення, так і кута внутрішнього тертя (див. рис. 1-а), характер деформування гірських порід змінюється у сторону більш різкого проявлення пружних властивостей. Зі зростанням коефіцієнта залишкового тертя, спостерігається прямо пропорційний зріст залишкової міцності породи. При зменшенні нормальної напруги характер зміни повної діаграми деформування вказує на зріст пластичних властивостей гірської пород.

На основі цієї експонентної залежності для повної діаграми деформування гірських порід, одержано рішення задачі про розрахунок ступеня стійкості піщано-глинистих схилів з урахуванням їх деформованого стану. При цьому, по найбільш небезпечній поверхні зсуву, визначалось не тільки співвідношення зсувних та стримуючих сил, але й враховувалось, що розмір цих сил не залишається постійним, а змінюється згідно з зміною деформованого стану порідного схилу при переході його від дограничного до граничного, а потім і у область позаграничного деформування.

Для визначення коефіцієнта запасу стійкості піщано-глинистих схилів у стані дограничного деформування одержано аналітичний вираз (2), а для позаграничного деформування - вираз (3).

Чисельний аналіз аналітичних виразів (2) та (3) дозволив одержати теоретичні криві та вперше встановити, що коефіцієнт запасу стійкості порідного схилу нелінійно знижується згідно зі зростанням кількісних показників його деформованого стану при різних значеннях коефіцієнта молекулярного зчеплення С (див. рис. 2-а) та різних значеннях коефіцієнта залишкової міцності f_тр (див. рис. 2-б). Аналізуючи отримані криві, необхідно відзначити, що класичне рішення даної задачі є приватним випадком отриманого рішення при деформаціях, що дорівнюють граничним.

З метою реалізації на практиці розробленої методики прогнозу стійкості порідних схилів з урахуванням їх деформованого стану, була закладена спостережлива станція та проведений цикл маркшейдерсько-геодезичних спостережень за деформованим станом відвалу №1 ІнГЗК. Станція спостереження включала у собі сім реперів, розташованих по осі поздовжнього перетину відвалу та системи їх прив'язки до геодезичної мережі.

Спостереження проводились на цій станції з березня 1990 по червень 1992 року. Було виконано 8 циклів спостережень. Результати виконаних, по вищенаведеній методиці, розрахунків приведені на рис. 3. Таким чином встановлено, що відвал №1 ІнГЗК знаходиться у стійкому стані, а ступінь його стійкості у різні періоди часу перевищує проектне значення на 8 - 62%, не зменшуючись нижче значення 1,32.

Розділ 3. Прогноз стійкості скельових схилів з урахуванням їх деформованого стану.

Будь-який скельовий масив являє собою конгломерат відособлених структурних елементів поділених системами тріщин. Міцність по тріщинах у скельових масивах забезпечується сумісною дією сил фізичного тертя, молекулярного зчеплення та механічного зачеплення. Існування сил механічного зачеплення зумовлено перерозподілом зовнішніх сил, яке відбувається у окремих зачепленнях, створених грубо шорсткими поверхнями частин гірничої породи. З фізичної точки зору і фізичне тертя, і механічне зачеплення є слідством існування на поверхні тріщини різних нерівностей. Проте розмір цих нерівностей різний. При механічному зачепленні їх розмірі порівнянні по величині з розміром взаємодіючих тіл, а при фізичному терті розмірами нерівностей на поверхні тріщини можна зневажити.

Для моделі тріщини з трикутною формою поверхні виступів, одержані аналітичні вирази, що визначають межу міцності на зсув та межу міцності на скол виступів на поверхні тріщини з урахуванням ступеня її розкриття (ділатансії). Чисельний аналіз отриманих виразів показав, що міцність тріщини як на зсув, так і на скол знижується з ростом рахованого значення ділатансії у зворотно пропорційній залежності (див. рис. 4). Визначені граничні значення нормальної напруги, при якій процес зсуву по поверхні виступів тріщини переходить у процес їх сколу.

Для експериментальної перевірки отриманих вище теоретичних результатів був проведений цикл лабораторних досліджень, що полягав у визнанні межі міцності на зсув по тріщинах та поверхнях ослаблення як гірських порід, так і штучно створених моделей тріщин.

В першому циклі експериментів випробовувались штучно створені моделі тріщин, які виготовлялись з піщано-цементної суміші та після 20 добової витримки піддавались випробуванню на зсувному приладі конструкції ВНИМИ. При цьому моделювалась зміна нормальної напруги, кута зачеплення, форми поверхні тріщини, коефіцієнта тертя та молекулярного зчеплення по її поверхні. Аналіз отриманих результатів дав високі коефіцієнти кореляції (не нижче 0,913) між аналітичними та експериментальними значеннями межі міцності на зсув.

У другому циклі експериментів визначалась межа міцності на зсув по тріщинах у гірських породах. Для цього була відібрана колекція зразків гірських порід з схилів експлуатаційних обріїв Першотравневого кар'єру ПівГЗК. До проведення випробувань візуально визначалась площа зсуву, висота виступів на поверхні тріщини, їх кількість на одиницю довжини. Визначено, що кут зачеплення, для відібраної колекції зразків гірничих порід, змінюється у межах від 3⁰ до 20⁰, а висота виступів на поверхні тріщин - від 1 до 12 мм. Зіставлення отриманих експериментальних даних про межу міцності на зсув по тріщинам та поверхням ослаблення з розрахунковими показало, що відносна помилка між ними не пеpевищує 11%.

З урахуванням допущення про те, що деформування скельового масиву відбувається або шляхом його зсуву по тріщині з виступами трикутної форми, або їх часткового сколу, одержані аналітичні вирази, що визначають значення коефіцієнта запасу стійкості порідного схилу з урахуванням його деформованого стану:

- при розрахунку на зсув по поверхні виступів тріщини:

На основі розробленої методології прогнозу стійкості порідних схилів з урахуванням їх деформованого стану, розроблені пакети прикладних програм «NeUSTUP. SKALA» та «NeUSTUP.GLINA» для персональної ЕОМ типу PC IBM.

Розділ 4. Теоретичний розрахунок та експериментальне визначення надійності стійкого стану відкритих гірничих виробок.

При веденні відкритих гірничих робіт завжди приходиться мати справу з порідним масивом про властивості та стан якого відомо істотно менше, ніж необхідно для практичного проектування. Це зумовлено як його природною неоднорідністю, так і практичними труднощами при визначенні фізичних властивостей гірничих порід у природних умовах. Урахування цієї неоднорідності можливе тільки у випадку використання у геомеханічних розрахунках основних принципів прикладної теорії надійності.

Згідно з найбільш розповсюдженою та обгрунтованою фізичною моделлю руйнування порідних схилів, їх стійкий або нестійкий стан визначається співвідношенням зсувних та стримуючих сил по найбільш небезпечній поверхні зсуву. Враховуючи, що дане співвідношення на інших поверхнях зсуву на стійкість порідного схилу істотного впливу не надає, запропоновано імовірність руйнування порідного схилу визначати на основі концепції найслабшої ланки. Іншими словами процес руйнування порідного схилу ототожнюється з руйнуванням ланцюга, ланки якої створюють поверхні сковзання у порідному масиві. Як міцність ланцюга на розрив визначається міцністю на розрив її найслабшої ланки, саме так і стійкість порідного схилу визначається стійкістю гірських порід по найбільш небезпечній поверхні зсуву.

На основі даної концепції одержаний аналітичний вираз для визначення теоретичної надійності стійкого стану порідного схилу у вигляді (6). Істотною відзнакою цого виразу від відомих рішень є те, що він може використовуватись при будь-якому спостереженому законі розподілу випадкових величин міцності та напруги у порідному масиві.

Проведений аналіз виразу (6) дозволив встановити, що підвищення надійності стійкого стану відкритих гірничих виробок може бути досягнуто не тільки за рахунок збільшення коефіцієнта запасу стійкості, але й за рахунок зниження змінності як стримуючих сил, так і зсувних напруг. Показано, що зі зростанням змінності міцності, надійність стійкого стану порідних схилів знижується на 8-10% інтенсивніше, ніж при аналогічному рості змінності зсувних напруг. Встановлено, що надійність стійкого стану порідного схилу нелінійно знижується з ростом коефіцієнта варіації як коефіцієнта тертя, так і коефіцієнта молекулярного зчеплення (див. рис. 5). Інтенсивність такого зниження визначається співвідношенням величин сил тертя та зчеплення у загальній міцності породи.

При цьому зріст коефіцієнта варіації як зчеплення, так і тертя від нуля до 40% зумовлює зниження надійності вдвічі, а при подальшому зростанні коефіцієнта варіації від 40% до 100% значення надійності знижується тільки на 25-30%.

Використання прикладної теорії надійності для прогнозу стійкості відкритих гірничих виробок дозволяє розраховувати не тільки теоретичні значення надійності, але й визначати, на основі аналізу практики управління їх стійкістю, значення надійності, досягненні у процесі експлуатації виробки, які надалі іменуються експлуатаційною надійністю.

У випадку, якщо зсувний процес захопив поверхню всього порідного схилу (див. рис. 6-а), то для визначення експлуатаційної надійності його стійкого стану одержано вираз (7). А якщо деформується тільки один або група уступів на поверхні відвалу або борту кар'єру (див. рис. 6-б), то для визначення експлуатаційної надійності його стійкого стану одержано вираз (8).

З метою визначення значень та закономірностей зміни експлуатаційної надійності стійкого стану відкритих гірничих виробок, за вищенаведеною методикою, з 1984 року нами проводились інструментальні спостереження за станом внутрішніх відвалів, робочих та неробочих уступів і бортів на Запорізькому та Шевченківських кар'єрах Орджонікідзевського ГЗК.

У якості початкових даних використовувались відповідні матеріали маркшейдерських служб та проектні рішення по геометричним параметрам гірничих виробок, виконані у різні роки інститутом «Южгипропроект» та Криворізьким відділенням інституту «ВИОГЕМ». В підсумку виконаних досліджень встановлено, що експлуатаційна надійність стійкого стану внутрішнього передвідвалу Запорізького кар'єру ОГЗК змінюється у межах від 46% до 72%; а верхнього робочого уступу того ж кар'єру у межах від 93,5% до 97%.

Зіставлення експлуатаційної та теоретичної надійності стійкого стану відкритих гірничих виробок дозволяє робити висновок про обґрунтованість вибору розрахункової схеми для визначення стійкості порідного схилу та достовірності визначення міцнісних властивостей порідного масиву.

Використання вищенаведеної методики експериментального визначення експлуатаційної надійності стійкого стану порідних схилів дозволяє не тільки чисельно визначити ступень їх стійкості, але й прогнозувати закономірність її зміни з часом. Для цього експлуатаційна надійність визначалась протягом певного часу, починаючи з початку і до завершення експлуатації гірничої виробки.

Використання отриманих емпіричних закономірностей зміни з часом експлуатаційної надійності стійкого стану внутрішніх передвідвалів при розробці паспортів розкриття рудних шарів за безтранспортною технологією, дозволили, за рахунок достовірного прогнозування обсягів гірничої маси, яка підлягає переекскавації, зменшити її обсяги на восьми кар'єрах Орджонікідзевського ГЗК у 1997 році на 2663 тис. м³. Це дозволило одержати економічний ефект у розмірі 1151 тисяч гривень на рік.

Розділ 5. Розрахунок та обгрунтування оптимальних параметрів відкритих гірничих виробок.

З точки зору безпеки ведення відкритих гірничих робіт кут схилу виробки має бути мінімальний, оскільки у цьому випадку надійність її стійкого стану буде максимальна. Підвищення кута схилу виробки надзвичайно вигідно з економічної точки зору, оскільки при цьому істотно скорочується обсяг розкриття. Проте підвищення кута схилу приводить до зниження надійності стійкого стану виробки, аж до того моменту, коли збиток від зсувних явищ може багаторазово перевищити економічний ефект від скорочення обсягу розкриття, викликаного таким підвищенням. При визначених кутах схилу, сумарні витрати на будівництво та експлуатацію відкритих гірничих виробок будуть мінімальні. Саме такі параметри уступів, бортів кар'єрів та відвалів можливо вважати оптимальними. Значення надійності стійкого стану відкритих гірничих виробок, при яких досягаються їх оптимальні геометричні параметри, можливо надалі йменувати нормативами надійності.

Виходячи з мінімізації сумарних витрат на будівництво та експлуатацію відкритих гірничих виробок, їх оптимальні геометричні параметри можуть бути визначені з наступного співвідношення:

Вартість будівництва будь-якої відкритої гірничої виробки складається з цілого переліку витрат найважливішими з яких є витрати на БВР, транспортування гірничої маси, паливо, матеріали, заробітну плату та таке інше. Облік цих витрат при визначенні оптимальних параметрів відкритих гірничих виробок не обов'язковий, оскільки при геомеханічних розрахунках всі ці витрати залишаються незмінними, тобто А = const.

Разом з тим практика ведення відкритих гірничих робіт однозначно вказує на те, що величина економічного збитку від зсувних процесів залежить не тільки від їх обсягу, але й від конкретних гірничо-геологічних та техніко-економічних умов на гірничому підприємстві, схеми викриття родовища, технології та структури комплексної механізації гірничих робіт, своєчасності застосування та обґрунтованості вибору інженерно-технічних заходів щодо ліквідації наслідків зсуву, нарешті, кваліфікації робітників та головних фахівців гірничого підприємства. У зв'язку з цим нами був проведений аналіз більше як двохсот випадків руйнування відкритих гірничих виробок на кар'єрах України та країн СНД. В якості початкових даних використовувались відомості про зсуви, які маються у бібліотеках ЛГИ, ВНИМИ, (м. Санкт-Петербург), МГГУ (м. Москва), КТУ, МЕГГД (м. Кривий Ріг), а також безпосередні спостереження автора за деформуванням відкритих гірничих виробок на Орджонікідзевському, Прикаспійському, Криворізьких гірничо-збагачувальних комбінатах.

Вищенаведену методику визначення оптимальних параметрів відкритих гірничих виробок рекомендується використовувати при реконструкції гірничих підприємств, а при проектуванні геометричних параметрів кар'єру, що будується, необхідна наявність нормативних показників, що характеризують ступінь стійкості уступів, бортів кар'єрів та відвалів.

Значення надійності, при якій досягається максимальне значення цільової функції доходу, є економічно обгрунтованим нормативом надійності (ризику), а кут схилу відкритої гірничої виробки, при якому надійність його стійкого стану відповідає економічно обгрунтованому нормативу надійності, є оптимальним.

На основі розрахункових технологічних схем, приведених на рис. 8, та з урахуванням осередненних даних про техніко-економічні показники, які досягненні у теперішній час на гірничорудних підприємствах України, з виразу (22), визначені та приведені у таблиці 2 значення нормативів надійності стійкого стану уступів, бортів кар'єрів та відвалів згідно з часом їх експлуатації, технологічними функціями та типом гірничо-транспортного обладнання, що при цьому застосовується.

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 грунтовно 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).

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.

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 обгрунтування 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 обґрунтування 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 положення дисертації викладені у таких роботах

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 1Х 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.

...