Совершенствование методологии прогноза состояния геотехнических систем и управления их устойчивостью на открытых горных работах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совершенствование методологии прогноза состояния геотехнических систем и управления их устойчивостью на открытых горных работах

Актуальность проблемы

угольный месторождение геотехнический

При добыче угля, золота и др. видов твердых полезных ископаемых открытый способ разработки месторождений обладает рядом преимуществ над подземным, в частности, более низкой себестоимостью и высокой производительностью труда. Экономически обосновано применение бестранспортной системы разработки с внутренним отвалообразованием на угольных месторождениях Канско-Ачинского, Иркутского и др. бассейнов Восточного региона. Высокая эффективность комплекса «экскаватор-драга» позволила большинству крупных производственных объединений почти полностью отказаться от подземной разработки глубоких россыпей и перейти к широкому использованию при вскрышных работах бестранспортной системы разработки с внешним отвалообразованием.

Выборочная отработка легкодоступных пластов и россыпей в прошлом привела к освоению сложноструктурных угольных месторождений и глубоких россыпей на настоящем этапе, а вследствие этого - к увеличению землеёмкости открытых горных работ. Повышения эффективности вскрышных работ и снижения экологической нагрузки на окружающую среду в изменившихся условиях добиваются за счет применения шагающих экскаваторов (драглайнов) большой единичной мощности и усложненных технологических схем, предусматривающих использование свежеотсыпанных отвалов в качестве рабочих площадок и подрезку их откосов при подготовке запасов к выемке. В результате внедрения таких схем увеличивается емкость внешних отвалов и сокращаются площади земель, в дальнейшем требующих рекультивации. Однако условия эксплуатации горных машин при этом ухудшаются, а риски развития недопустимых кренов и осадок в основании их опорных элементов возрастают.

Несмотря на накопленный опыт ведения открытых горных работ, периодически регистрируются деформации откосов, нарушения условий эксплуатации горных машин, обрушения сводов подземных полостей. Деформации внутренних платообразных отвалов на действующих угольных карьерах приводят к значительным потерям готового к выемке полезного ископаемого. На стадии рекультивации возможность перепланировки поверхностей внутренних песчано-глинистых отвалов в форме конусов и гребней появляется только на заключительной стадии их самоуплотнения. При разработке глубоких россыпей глинистые породы, извлекаемые экскаватором со дна забоя, растекаются, занимая большие площади. Нередко теряют устойчивость отвалы, сформированные из пород подводной части забоя.

Повышением уровней потерь и непроизводительных затрат на ликвидацию последствий деформаций уступов, бортов карьеров и отвалов в условиях увеличения глубины первых и высоты вторых, а так же мощности и габаритов эксплуатируемого на них горного оборудования обусловлено повышение требований к достоверности прогнозных оценок напряженно-деформированного состояния перечисленных геотехнических сооружений. Эффективность и безопасность взрывной отбойки пород на карьерах в непосредственной близости от подземных выработок и гротов крупных пещер, используемых в производственных, хозяйственных и др. целях, обеспечивают оптимальные размеры целиков и высокая надежность оценок сейсмической устойчивости несплошных массивов.

Необходимого уровня достоверности обоснования параметров геотехнических сооружений месторождений в современных условиях позволяет достичь переход от частных оценок устойчивости откосов и сводов, деформируемости и несущей способности оснований к оценкам состояния геотехнических систем, объединяющих геотехнические сооружения, технические средства и массивы горных пород, находящиеся с ними во взаимодействии. От аналитических методов решения геомеханических задач с их упрощенными расчетными схемами - к современным численным методам, учитывающим условия взаимодействия элементов геотехнических систем, неоднородность породных массивов и упругопластический характер деформаций горных пород при высоких уровнях напряжений.

С существенным изменением состава и физико-механических свойств пород при экскавации неоднородных толщ связана необходимость разработки новых приборов, предназначенных для испытаний разрыхленных смесей на прочность и сжимаемость, методик получения и обработки исходных данных о составе и свойствах пород, методов определения наиболее вероятного положения границ между квазиоднородными зонами.

Перечисленными обстоятельствами обусловлена необходимость совершенствования методик исследований геотехнических сооружений месторождений, обработки полученных данных и прогнозирования их напряженно-деформированного состояния, а также выяснения причин неэффективности традиционных способов управления устойчивостью отвалов, и дальнейшего их совершенствования.

В связи с этим проблема совершенствования методологии прогноза состояния геотехнических систем и управления их устойчивостью на открытых горных работах является весьма актуальной.

Работа выполнена в рамках государственной целевой комплексной программы «Геомеханические процессы в геологических формациях и геотехнических сооружениях месторождений полезных ископаемых» (№ 01920009628) и договорных научно-исследовательских работ с ПО «Лензолото», ОАО «ЗабайкалцветметНИИпроект» и ООО «Забайкалзолотопроект».

Идея работы заключается в научно-техническом обеспечении рационального формирования и безопасного функционирования геотехнических систем путем повышения достоверности прогнозных оценок их состояния и эффективности способов управления их устойчивостью.

Цель работы - развитие методических основ оценки напряженно-деформированного состояния геотехнических систем и совершенствование способов эффективного управления их устойчивостью.

Объект исследований - геотехнические системы, основными элементами которых являются уступы, борта и отвалы.

Предмет исследований - напряженно-деформированное состояние и способы управления устойчивостью геотехнических систем, формирующихся при проведении открытых горных работ.

Основные задачи исследований:

- оценить современное состояние разработки проблемы прогнозирования и обеспечения устойчивости бортов, уступов и отвалов при разработке сложноструктурных угольных месторождений и глубокозалегающих россыпей Восточного региона;

- разработать методики получения достоверных оценок напряженно-деформированного состояния геотехнических систем;

- выявить факторы, влияющие на морфологию песчано-глинистых экскаваторных отвалов и распределение в их пределах крупных глинистых включений;

- установить закономерности, отражающие особенности формообразования и деформирования песчано-глинистых отвалов, отличающихся по составу в процессе их отсыпки, а также развития кренов и осадок в основаниях баз шагающих экскаваторов, работающих на таких отвалах;

- разработать математическую модель распределения крупных глинистых включений в песчано-глинистых отвалах;

- разработать обобщенные структурные модели крупнообломочных пород и массивов и математический метод их воспроизведения в виде упаковок обломков и систем связей между ними;

- усовершенствовать способы управления устойчивостью внутренних песчано-глинистых отвалов и разработать новые технологические решения, обеспечивающие повышение емкости внешних отвалов слабых пород;

- разработать рекомендации по выбору моделей шагающих экскаваторов и созданию их новых модификаций лучшим образом приспособленных к условиям сложноструктурных угольных месторождений и глубоких россыпей.

Методы исследований. При выполнении исследований проводились натурные наблюдения за процессами горных работ с инструментальными измерениями параметров отвалов, формируемых в различных условиях. При оценке состояния экскаваторно-отвальных систем использованы метод системного анализа, позволивший установить взаимосвязи между отдельными элементами систем и выявить факторы, влияющие на условия их функционирования, методы анализа надежности систем и рисков их отказов. Физико-механические свойства пород изучены лабораторными и полевыми методами, в том числе пенетрационным, сейсмическим и акустическим. Процессы формообразования, деформирования экскаваторных отвалов и распределения в их пределах крупных глинистых включений изучены на физических моделях, отвечающих критериям подобия метода эквивалентных материалов. Напряженно-деформированное состояние породных массивов оценивалось по решениям упругопластических задач, полученным методом конечных элементов. При воспроизведении структур крупнообломочных пород и массивов использован метод статистических испытаний. Результаты исследований обрабатывались методами теории вероятностей и математической статистики.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Методики оценки состояния геотехнических систем, в основу которых положены расчетные схемы, отражающие условия взаимодействия отдельных элементов, эмпирические уравнения, описывающие изменение свойств пород в массивах, усовершенствованные методы их разграничения на квазиоднородные зоны, решения упругопластических задач методом конечных элементов.

2. Математическая модель распределения крупных глинистых включений в песчано-глинистых отвалах, отражающая зависимость числа и положения квазиоднородных зон, а также средних содержаний кусков в них от высоты отвального конуса, среднего размера и содержания включений в исходной смеси.

3. Закономерности формообразования ненагруженных и деформирования нагруженных песчано-глинистых экскаваторных отвалов, отражающие цикличность изменения и тенденцию к уменьшению углов откоса конусных отвалов на последней стадии их отсыпки, а также развития осадок и кренов в основании баз шагающих экскаваторов, использующих отвалы в качестве рабочих площадок.

4. Методика оценки условий функционирования экскаваторно-отвальных систем по вероятностям отказов и степени использования ресурсов их элементов, позволяющая при выборе параметров технологических схем вскрышных работ, предусматривающих использование свежеотсыпанных отвалов в качестве рабочих площадок драглайнов, принимать решения, исходя из допустимого уровня риска.

5. Усовершенствованные способы управления устойчивостью отвалов, позволяющие избежать образования слабого слоя на контакте внутреннего экскаваторного отвала с основанием, и увеличить емкости внешних отвалов слабых пород за счет армирования их откосов или призм упора замкнутыми контурами.

Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что получены новые знания о природе и закономерностях физико-механических процессов, влияющих на устойчивость геотехнических сооружений месторождений, на основании которых:

- повышена достоверность оценок напряженно-деформированного состояния геотехнических систем за счет использования: нового оборудования для изучения механических свойств разрыхленных пород и методического обеспечения; эмпирических уравнений, описывающих изменение физико-механических характеристик пород в пределах массивов; расчетных схем, отражающих структурные особенности массивов; решений упруго-пластических задач, полученных методом конечных элементов;

- впервые установлено наиболее вероятное положение границ между слоями, существенно отличающимися по плотности, в свежеотсыпанных песчано-глинистых отвалах с помощью статистических тестов методом, основанным на (доказанном в ходе его реализации) предположении о равенстве расхождений между средними оценками в соседних зонах при закономерном изменении контролируемого показателя по глубине;

- выделены три стадии формообразования песчано-глинистых конусных отвалов, отличающиеся по степени и характеру изменения углов откоса;

- установлены закономерности, отражающие цикличность изменения и тенденцию к уменьшению углов откоса на третьей стадии формообразования;

- выявлена зависимость высоты, достигнув которой конусные отвалы начинают периодически деформироваться, от сцепления, характера искривления линии откоса от угла внутреннего трения4 степени ее искривления от среднего размера включений; их содержания в исходной смеси и высоты отсыпки;

- разработана математическая модель распределения крупных глинистых включений в песчано-глинистых отвалах, отражающая зависимость числа и положения квазиоднородных зон, а также средних содержаний кусков в них, от высоты конусного отвала, среднего размера и содержания крупных включений в исходной смеси;

- определен вид зависимостей, связывающих высоту нагруженных шагающими экскаваторами отвалов с осадками и кренами их базы, установлена последовательность отказов экскаваторно-отвальных систем вследствие достижения перечисленными показателями эксплуатационной безопасности критических значений;

- разработана методика сравнения параметров экскаваторно-отвальных систем по вероятностям отказов, в результате ее реализации шагающие экскаваторы разделены на три группы, отличающиеся по степени использования ресурса технических характеристик при работе на свежеотсыпанных песчано-глинистых отвалах;

- обоснована необходимость разработки новых моделей драглайнов, лучше приспособленных к условиям разработки сложноструктурных угольных месторождений и глубокозалегающих россыпей;

- усовершенствованы способы управления устойчивостью внутренних песчано-глинистых отвалов с учетом установленных причин неэффективности мероприятий, направленных на улучшение свойств отвальных пород;

- установлена неоднородность природных массивов крупнообломочных пород по числу контактов у обломков и площадям зон их соприкосновений;

- разработаны обобщенные структурные модели крупнообломочных пород и массивов, а также теоретические основы метода воспроизведения их структур в виде математических моделей упаковок обломков и систем связей между ними.

Достоверность научных положений и выводов обеспечивается представительным объемом полевых и лабораторных исследований, подтверждается высокой степенью сходимости между сравниваемыми параметрами и положительными результатами внедрения проектных решений по параметрам бортов карьеров и отвалов, обоснованных прогнозными оценками напряженно-деформированного состояния геотехнических систем.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработаны способы формирования устойчивых отвалов из слабых пород за счет армирования замкнутыми контурами откосов бульдозерных отвалов или призм упора экскаваторных отвалов (пат. РФ № 2233947);

- определены оптимальные по числу перевалок и перемещаемому во внутренний отвал объему вскрышных пород параметры технологических схем дифференцированного размещения в промежуточных отвалах песчано-глинистых смесей, обеспечивающие устойчивость внутренних отвалов за счет очистки отвальных пород от крупных глинистых включений на стадии их переэкскавации, ограничена область применения таких схем;

- разработана оптимальная система опробования конусных отвалов, позволяющая автоматизировать процесс пространственной привязки образцов и значительно сократить число образцов, необходимое для разграничения отвалов на квазиоднородные зоны.

- повышена эффективность мероприятий, направленных на предотвращение деформаций внутренних песчано-глинистых экскаваторных отвалов за счет удаления с помощью взрывов глинистых включений из скоплений, локализованных в зоне контакта отвала с основанием, на начальной стадии самоуплотнения отвальных пород;

- предложен порядок отстройки оптимальных профилей многоярусных отвалов и бортов карьеров, учитывающий структурные особенности породных массивов, изменение свойств пород, способы очистки берм и разработки вскрышных пород, взаимное влияния на напряженно-деформированное состояние элементов геотехнических систем;

- обоснованы главные направления модернизации шагающих экскаваторов с целью создания горных машин специального назначения, сориентированных на горно-геологические условия глубоких россыпей и сложноструктурных угольных месторождений;

- предложены оптимальные по характеристикам эксплуатационного качества и стоимости варианты усиления конструкций жестких и нежестких покрытий карьерных дорог;

- установлены рациональные размеры охранного целика и параметры технологических схем буровзрывных работ, обеспечивающие сохранность уникальных подземных объектов, расположенных в непосредственной близости от карьера, разрабатываемого способом взрывной отбойки пород;

- автоматизированы процедуры статистической обработки данных о составе и свойствах отвальных пород, разграничения отвалов на квазиоднородные зоны, воспроизведения структур крупнообломочных пород и массивов в виде математических моделей упаковок обломков и систем связей между ними по параметрам распределений длин и коэффициентов формы обломков, числа и площадей контактов;

- разработан механический стабилометр, позволяющий испытывать образцы разрыхленных пород в условиях трехосного осесимметричного сжатия, и методическое обеспечение проведения испытаний на новом приборе и обработки их результатов (авторские свидетельства СССР № 1675730 и № 1759131, патент СССР № 188227138).

Личный вклад автора:

- постановка задач, выбор методов, проведение как теоретических, так и экспериментальных исследований;

- разработка и реализация методик получения и обработки исходных данных для геомеханических расчетов, а также методов разграничения отвалов на квазиоднородные по плотности зоны и процедур их разграничения на квазиоднородные по составу зоны;

- оценка состояния геотехнических систем и рисков их отказов;

- разработка технологических способов целенаправленного изменения состава песчано-глинистых отвальных пород в процессе их перевалки и повышения емкости внешних отвалов слабых пород;

- конструирование устройств для изучения физико-механических свойств отвальных пород и эквивалентных им материалов;

- разработка структурных моделей и основных процедур метода воспроизведения структур крупнообломочных пород и массивов в виде математических моделей упаковок обломков и систем связей между ними;

- обработка, анализ и обобщение полученных результатов;

- формулировка выводов и рекомендаций.

Реализация результатов работы:

- результаты выполненных исследований использованы при обосновании параметров технологических схем ведения вскрышных работ на угольном разрезе «Харанорский», при разработке Красноармейского и Балахнинского месторождений россыпного золота, Уртуйского флюоритового и Жирекенского молибденового месторождений, Чинейского месторождения медно-сульфидных руд, Талатуйского, Тарданского, Андрюшкинского, Богомоловского, Савкинского и Итакинского рудных месторождений;

- опытная партия механических стабилометров прошла апробацию в отделе изысканий Забайкалжелдорпроекта, в лаборатории геомеханики Читинского института природных ресурсов СО РАН и учебной лаборатории Читинского государственного университета;

- результаты исследований внедрены в учебный процесс в виде методических рекомендации по определению и статистическому анализу физико-механических характеристик нарушенных пород;

- на основе предложенных моделей, методов и методик разработаны четыре программы для ПЭВМ.

Апробация работы

Диссертация обсуждалась на расширенном семинаре кафедр открытых горных работ, подземной разработки МПИ и безопасности жизнедеятельности ЧитГУ (Чита, 2007), на научных семинарах Института горного дела СО РАН (Новосибирск, 2007) и Института горного дела ДВО РАН (Хабаровск, 2007).

Основные положения диссертационной работы доложены на: научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2002 и 2008), международной конференции по геотехнике «Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчета и инженерная практика» (Санкт-Петербург, 2005), научной конференции ЛИСИ (Ленинград, 1991), региональной конференции «Локальный прогноз и разработка месторождений золота» (Чита, 1992), международном научно-техническом семинаре «Защита инженерных сооружений от морозного пучения» (Якутск, 1993), международном симпозиуме «Геокриологические проблемы строительства в восточных районах России и Северного Китая» (Якутск, 1998), международной конференции «Проблемы прогнозирования в современном мире» (Чита, 1999), региональной конференции «Проблемы освоения и рационального использования природных ресурсов Забайкалья» (Чита, 2000), межрегиональной конференции «Проблемы экологической безопасности Восточных границ России на рубеже тысячелетий» (Чита, 2000), межрегиональной научно-технической конференции «Новый век - новые открытия» (Чита, 2001), 2-й международной конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию» (Чита, 2001), международной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика» (Чита, 2001), 2-й международной научно-практической конференции «Человек - среда - вселенная» (Иркутск, 2001), международном совещании «Экологические проблемы и новые технологии переработки минерального сырья» (Чита, 2002), 3-й межрегиональной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика» (Чита, 2003),

Основное содержание диссертации изложено в 39 работах, включая монографию и учебное пособие, из них в рекомендованных ВАК изданиях опубликовано 7 работ. Авторскими свидетельствами и патентами защищено 4 изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографического списка из 246 наименований, содержит 345 страниц текста, в том числе 21 таблица, 110 рисунков и приложений на 113 страницах.

Автор весьма признательна доктору технических наук А.В. Рашкину - научному консультанту на первых этапах работы над диссертацией и благодарит доктора технических наук Г.В. Секисова - научного консультанта на заключительном этапе за ценные советы и замечания, выражает благодарность за полезные советы ведущим ученым в области геомеханики - докторам технических наук А.Б. Фадееву, А.К. Бугрову и Э.Л. Галустьяну, кандидатам технических наук Т.К. Пустовойтовой и И.И. Ермакову, а также сотрудникам лаборатории геомеханики ЧИПР СО РАН (ИПРЭК СО РАН) и Кафедры открытых горных работ ЧитГУ и их руководителям докторам технических наук И.И. Железняку и Ю.М. Овешникову за оказанную помощь при проведении исследований.

Основное содержание работы

Состояние разработки проблемы устойчивости геотехнических сооружений месторождений, разрабатываемых открытым способом

Значительный вклад в развитие теории открытой разработки внесли академики М.И. Агошков, Н.Н. Мельников, В.В. Ржевский, К.Н. Трубецкой, чл.-корр. Е.И. Богданов и А.А. Пешков.

Виды и причины деформаций, факторы, влияющие на устойчивость откосов, закономерности проявления геомеханических процессов, методы прогнозирования и оценки состояния выработок и отвалов, способы управления их устойчивостью описаны и систематизированы в работах А.И. Арсентьева, Э.Л. Галустьяна, А.М. Демина, О. Ю. Крячко, Р.П. Окатова, М.Е. Певзнера, И.И. Попова, С.И. Попова, Г.Л. Фисенко, П.Н. Панюкова, М.А. Ревазова и др.

Состав и физико-механические свойства пород нарушенного и ненарушенного сложения изучали С.А. Батугин, А.В. Бирюков, Г.К. Бондарик, О.А. Борсук, М.Н. Гольдштейн, И.И. Ермаков, Ю.И. Зернов, А.О. Крыжановский, И.В. Куницын, Д. В. Лемос, М.П. Лысенко, М.Н. Маслов, Ю.Ф. Морозов, Т.В. Нефедова, Р.П. Окатов, В.И. Осипов, П.Н. Панюков, И.И. Попов, Д.М. Шестернев и др.

Несмотря на большой объем выполненных исследований, раскрыты далеко не все аспекты проблемы устойчивости геотехнических сооружений месторождений и, прежде всего, отвалов. Методы разграничения породных массивов на квазиоднородные зоны не адаптированы к отвалам. Нет определенности в отношении причин отклонения линий их откосов от прямолинейного положения. Сложившиеся представления об изменении фракционного состава вдоль линии откоса не позволяют судить о характере распределения разномасштабных компонент смесей в телах конусных отвалов.

Расхождения во мнениях относительно изменения показателей плотности и характеристик прочности в песчано-глинистых отвалах, а также проблемы, связанные с испытанием образцов разрыхленных пород в условиях, максимально приближенных к условиям их работы в массивах, явились причиной для разработки новых приборов и совершенствования методик получения и обработки исходных данных.

При анализе ранее проведенных исследований установлены: влияние на характеристики состава и свойств пород размеров образцов; зависимость механических характеристик от уровня и условий передачи на них нагрузок, состава и физического состояния пород; стохастическая природа показателей состава и свойств пород. Выявлены проблемы, связанные с испытанием образцов разрыхленных пород в гидравлических стабилометрах. Перечисленными факторами обусловлена необходимость проведения испытаний образцов в лабораторных условиях при реальных уровнях напряжений и условиях передачи нагрузок на породы в массивах, совершенствования приборов, методик проведения и обработки результатов испытаний, преимущественного использования полевых методов при изучении механических свойств пород.

Несоответствием расчетных схем аналитических методов условиям взаимодействия элементов геотехнических систем, а результатов расчетов - реальному их напряженно-деформированному состоянию, обоснована необходимость использования численных методов, не накладывающих ограничений на граничные условия, и упругопластической деформационной модели среды, позволяющей анализировать деформации породных массивов во всем диапазоне напряжений, вплоть до их разрушения. Целесообразность этого предложения подтверждена положительным опытом решения широкого круга геомеханических задач методом конечных элементов (МКЭ) с использованием программных комплексов, разработанных под руководством А.Б. Фадеева, Ш.М. Айталиева и др.

Развитию перспективных направлений механики зернистых сред способствовала невысокая надежностью данных о физико-механических свойствах крупнообломочных пород, обусловленная масштабным эффектом, а также существенное отличие фактических напряжений от их теоретических значений в средах, где нагрузки передаются через контакты.

Изучением закономерностей деформирования и передачи нагрузок через контакты в сыпучих средах занимались Р. Бартон, А.П. Бобряков, Л. Бьеррум, Г. Дересевич, Б.И. Дидух, И.И. Кандауров, Г.К. Клейн, К.О. Курезов, Ю.Ф. Морозов, Д. Тейлор и др.

В разработку современных методов моделирования состояния контактных систем значительный вклад внесли П. Кюндалл, Д. Лемос, Р. Харт и др.

В результате анализа их работ, наиболее надежным, с точки зрения оценки состояния массивов крупнообломочных пород, признан метод дискретных элементов, опробованный на регулярных упаковках и типовых структурах сыпучих пород при различных условиях нагружения. В перспективе этот метод может быть использован при оценке деформаций подвижных многоярусных отвалов, формируемых из обломков скальных пород на горных слонах (проектная высота которых достигла 1400 м, а высота яруса 600 м). Однако возможным это станет только при условии разработки: методических основ описания структур реальных крупнообломочных пород и массивов; способов определения их основных характеристик в полевых условиях, учитывающих их естественную изменчивость; метода воспроизведения в виде математических моделей упаковок обломков и систем связей между ними.

Использованные А.И. Арсентьевым, В.И. Зобниным, Ю.В. Лесовым, А.М. Лепехиным, Л.Н. Хрусталёвым и др. учеными вероятностно-статистические методы оценки надежности принятых решений рассмотрены с точки зрения возможности их использования при анализе рисков отказов экскаваторно-отвальных систем в условиях неопределенности исходных данных о свойствах пород.

Повышению эффективности вскрышных работ и снижению экологической нагрузки на окружающую среду способствовали технологические решения, предложенные В.А. Галкиным, Ф.В. Дудинским, Л.В. Жуковым, В.С. Коваленко, Н.В. Мельниковым, В.И. Первых, В.В. Ржевским, В.К. Репетух, П.И. Томаковым, С.А. Шемякиным, И.М. Щадовым и др. Их внедрение способствовало реализации на практике основных принципов рационального природопользования: более полного извлечения полезных ископаемых из недр, минимизации изъятия ценных земель и сокращения сроков их использования.

Выявленные недостатки способов повышения устойчивости и емкости отвалов учтены при разработке более эффективных технологических решений.

Методики оценки состояния геотехнических систем

В целях повышения надежности оценок напряженно-деформированного состояния экскаваторно-отвальных систем разработаны комплексные методики, в основу которых положены усовершенствованные методы разграничения их основных элементов - отвалов на квазиоднородные зоны, эмпирические уравнения, описывающие изменение свойств пород, анализ решений упругопластических задач, полученных МКЭ при различных параметрах откосов и технических характеристиках экскаваторов.

В результате обобщения опыта исследований песчано-глинистых отвалов разработаны системы опробования отвалов, позволяющие автоматизировать процесс пространственной привязки проб, а также значительно уменьшить количество проб из шурфов и скважин за счет увеличения с глубиной шага Дz отбора образцов из шурфов и скважин в порядке, заданном уравнениями (1) и (2).



где h - высота отвала; i - номер зоны от его поверхности; п - число зон.

В ходе обработки больших объемов данных рассчитаны характеристики изменчивости показателей состава и физического состояния пород в песчано-глинистых отвалах. Полученные значения рекомендованы для использования при определении количества проб, необходимого для их разграничения на квазиоднородные зоны.

В результате анализа данных о составе проб, взятых из отвалов, установлено следующее.

При разработке глубоких валунистых россыпей из крупнообломочных, песчаных и глинистых пород надводной и подводной частей забоя формируются отвалы, в пределах которых распределение разномасштабных компонент не имеет закономерного характера из-за того, что при разгрузке ковша смеси таких пород поступают в отвалы в виде компактных порций.

При открытой разработке угольных и россыпных месторождений из смесей необводненных песчаных, супесчаных, суглинистых и глинистых пород формируются неоднородные по фракционному составу отвалы. Вследствие разделения разномасштабных компонент в гравитационном поле куски глинистых пород закономерно распределяются в пределах конусных отвалов и у их подножий.

В процессе экскавации и отсыпки необводненные песчаные, супесчаные и суглинистые породы разрушаются до мелких агрегатов и смешиваются. При этом в отвалах не формируются зоны, отличающиеся по фракционному составу и влажности. Статистическими тестами на стандартном уровне доверительной вероятности (б = 0,95) существенными признаны только различия между значениями плотности на разных глубинах.

Характер изменения плотности по глубине однородных по фракционному составу супесчаных и суглинистых отвалов описывают зависимости:

с = 1,19146 + 0,33914 z^0,2; z, м; 0 < z ? 30 м; r_с = 0,9290;(3)

с = 1,14889 + 0,38828 z^0,2; z, м; 0 < z ? 20 м; r_с = 0,9583.(4)

При разделении таких отвалов на квазиоднородные по плотности зоны впервые использованы следующие новые методы, учитывающие закономерное изменение контролируемого показателя по глубине.

1. Усовершенствованный вариационный метод объединения соседних областей в квазиоднородные зоны по результатам проверки гипотез о равенстве средних значений и дисперсий по представленной на рис. 1 схеме последовательного приближения расхождений между средними оценками в соседних зонах к средней величине шага.

Рис. 1. Алгоритм усовершенствованного вариационного метода

В результате реализации этого метода определено оптимальное (соответствующее условию выхода из цикла) расхождение между средними значениями плотности в соседних зонах ( = 0,06 г/см³), подтверждена однородность по плотности нижней зоны (ядра) отвала.

2. Метод пошаговой разбивки, основанный на использовании уравнения регрессии вида y = f(z) и принципа равенства оптимальной величине шага - расхождений между средневзвешенными оценками в соседних слоях, рассчитанными с помощью выражения

.

В отличие от первого метода второй реализуется при значительно меньшем объеме исходных данных, поскольку для уточнения значений коэффициентов уравнения регрессии их требуется гораздо меньше, чем для проверки статистических гипотез о равенстве средних значений и дисперсий в соседних зонах. Кроме этого, установленное вторым методом положение границ точнее отражает характер изменения плотности в верхних слоях песчано-глинистых отвалов.

Трудоемкие процедуры: пространственной привязки проб; проверки статистических гипотез об изменении показателей состава и свойств пород в пределах отвальных площадок, центральных осей и поверхностей отвалов; разграничения отвалов в форме конусов и гребней на квазиоднородные зоны с учетом степени и характера изменения контролируемых показателей; расчета коэффициентов эмпирических уравнений, выбора и расчета наиболее эффективных оценок средних значений в выделенных зонах и др. - автоматизированы с помощью программного комплекса «GRUNT».

Результатами статистического тестирования обоснована возможность использования образцов, приготовленных из средней пробы, при исследовании механических свойств песчано-глинистых отвалов, не содержащих крупных включений.

В лабораторных условиях образцы, приготовленные из материала средней пробы, испытывались на сдвиг с контролем плотности и влажности перед разрушением. Методикой обработки результатов таких испытаний было предусмотрено: получение семейства уравнений вида ф_пр = f(с), отражающих зависимость сопротивления сдвигу от плотности при давлениях 0,02; 0,04; 0,06; 0,1; 0,2 и 0,3 МПа; использование полученных уравнений при расчете сопротивлений сдвигу ф_пр,i, соответствующих заданным значениям плотности; использование полученных значений при определении сцеплений с_i и углов внутреннего трения ц_i, а уравнения (3) - при определении глубин z соответствующих заданным значениям плотности.

В результате реализации предложенной методики установлен характер изменения показателей прочности по глубине отвалов, рассчитаны погрешности их определения s и коэффициент корреляции r:

c = 0,000124 + 0,015631 z ^0,2 ; z, м; r_c = 0,9835; s_c = ± 0,001118 МПа; (5)

ц = 28,3163 ± 0,6048 град. (6)

Комплексная методика, предусматривающая получение в необходимом виде и количестве исходных данных, подготовку расчетных схем и выполнение геомеханических расчетов, позволила достичь достаточно высокой степени сходимости между расчетными и реальными параметрами супесчаных отвалов при разработке Красноармейского месторождения россыпного золота. В ходе ее реализации на расчетных схемах конусных отвалов и их оснований, выделялись границы зон, существенно отличающихся по плотности. Выделенным в пределах слоям и ядру отвала присваивались средневзвешенные значения плотности и сцепления, средние значения угла внутреннего трения и коэффициента поперечной деформации, модули деформации, рассчитанные по результатам компрессионных испытаний имеющих насыпную плотность образцов с учетом давлений на границах выделенных зон. Основанию отвала присваивались характеристики пород ненарушенного сложения, определенные по стандартным методикам.

Предельные параметры сохраняющих устойчивость отвальных конусов определялись по результатам решений МКЭ упругопластической задачи, полученным с использованием расчетных схем, отличающихся по высоте и углу откоса, при запусках программы «Геомеханика», разработанной под руководством А.Б. Фадеева. В основу ее алгоритма положено предположение о том, что до определенного уровня напряжений деформации развиваются по закону Гука. В качестве критерия текучести в области сжатия принят критерий Кулона. В области растяжения напряжения ограничены прочностью породы на растяжение. При превышении фактическими напряжениями своих теоретических значений решение нелинейной задачи в плоской или пространственной осесимметричной постановке получают методом «начальных напряжений», в ходе реализации которого на каждом шаге расчета матрица жесткости системы остается постоянной, а вектор сил системы изменяется. Выбранный метод позволяет судить о деформациях породных массивов по перемещениям узлов расчетных областей, а об их устойчивости и несущей способности - по скорости сходимости итерационного процесса, стабильному увеличению деформаций от цикла к циклу, размерам и положению зон, в пределах которых напряжения достигли предельных значений.

Описанным методом математического моделирования изменения напряженно-деформированного состояния отвальных конусов и групповых отвалов в процессе последовательного увеличения их геометрических параметров были определены и предельные параметры суглинистых отвалов Харанорского угольного разреза. Однако при подготовке расчетных схем в этом случае был использован меньший объем данных о составе и физических свойствах отвальных пород. Положение границ между неоднородными по плотности слоями установлено методом пошаговой разбивки. Секущие модули деформации определены по результатам компрессионных испытаний образцов, отобранных с поверхностей отвалов и из их ядер. Средневзвешенные значения показателей прочности рассчитаны с помощью эмпирических уравнений (7) и (8), полученных при обработке данных пенетрационного зондирования отвалов.

c = 0,00330024 + 0,01320793 z^0,15; z, м; r_с = 0,7959; s_с = ± 0,001527 МПа; (7)

ц = 17,606963 + 1,406983 z^0,5; z, м; r_ц = 0,8279; s_ц = ± 0,6131 град. (8)

При сравнении результатов, полученных при исследованиях супесчаных и суглинистых отвалов, установлено следующее.

По мере увеличения содержания глинистых частиц в составе смеси, поступающей из ковша экскаватора, степень изменения сцепления в верхних слоях песчано-глинистых отвалов уменьшается, а степень изменения угла внутреннего трения, наоборот, увеличивается. При увеличении влажности исходной смеси сужаются диапазоны изменения по глубине обеих характеристик.

При сравнении трех способов подготовки исходных данных для геомеханических расчетов, предусматривающих: I - присвоение всем выделенным зонам средних выборочных значений прочностных характеристик и плотности; II - средневзвешенных значений;

III - средневзвешенных значений в слоях и средних выборочных значений в ядре, установлено, что последний способ подготовки данных наилучшим образом соответствует параметрам реальных отвалов (рис. 2).

При анализе результатов математического моделирования напряженно-деформированного состояния отвалов установлено следующее.

Не совпадают границы зон, в которых напряжения достигают предельных значений, соответствующие решениям упруго-пластических задач в плоской и пространственной осесимметричной постановке, при этом расхождения между значениями напряжений у_х, у_у, ф в элементах расчетных областей и перемещений их узлов и_х и и_у достигают 12,0; 8,2; 26,1; 50,9 и 17,7 % соответственно. Предельные углы откосов отвалов отличаются на 1… 4°, притом, что средние значения углов откосов реальных суглинистых отвалов в виде конусов и гребней отличаются на 2°.

Полученными результатами подтверждена необходимость учета геоморфологии отвалов при определении их геометрических параметров по предложенной методике.

Образцы песчано-глинистых отвальных пород угольных месторождений и глубоких россыпей испытывались на стандартных и крупногабаритных, обычных и модифицированных компрессионных и сдвиговых приборах, а также на механическом стабилометре, сконструированном для испытания разрыхленных пород (рис. 3).

Конусообразная форма основных элементов его конструкции обеспечивает условия бокового обжатия образца при вертикальном перемещении плунжера вниз в результате передачи на него усилия Q₁. Вертикальное сжатие образца происходит в результате передачи на него через поршень усилия Q₂. Изменение ширины поперечного сечения образца Дb контролируется вертикальным перемещением плунжера Дh₁, а изменение высоты образца Дh₂ - вертикальным перемещением поршня.

При обработке результатов испытаний деформационные и прочностные характеристики рассчитываются по ГОСТ 26518-85 с учетом соотношений:

Дb = Дh₁ ctgб; е_z = Дh₂/h; у_x= Q₂/F₂ Cosб и у_z= Q₁/F₁ ctgб , (9)

где h и b - высота и ширина образца до приложения первой ступени нагружения;

F₁ - площадь боковой поверхности конической части плунжера;

F₂ - площадь верхнего поперечного сечения образца; б - угол конусности прибора.

С учетом того, что величина напряжения у_z в направлении вертикальной оси одновременно увеличивается (за счет конусности образца) и уменьшается (за счет сил трения на его боковых поверхностях), при конструировании механического стабилометра геометрические параметры плунжера и поршня определены из условия равенства значений у_z в уровне верхнего и нижнего поперечных сечений образца при его гидростатическом сжатии.

При отклонении величины от единицы добиться равенства у_z в уровне верхнего и нижнего поперечных сечений образца позволяют поправки ДQ₁ и ДQ₂.

; (10)

; (11)

; (12)

, (13)

где F₂ ' - площадь нижнего поперечного сечения образца; R и r - наружный и внутренний радиусы его верхнего поперечного сечения соответственно; f ' - коэффициент трения на контакте образца с поверхностью прибора; T ' и T '' - силы трения, рассчитанные по формуле (13) при = 1 и ? 1 соответственно.

Усовершенствованный механический стабилометр в ходе испытаний позволяет замораживать, оттаивать или насыщать образцы водой и измерять в них поровое давление. Разработан комплекс методик проведения таких испытаний.

При исследовании неоднородных по составу пород отвалов, формирующихся при разработке глубоких россыпей, использовался крупногабаритный модифицированный одометр. В ходе испытаний, наряду с деформациями образцов измерялись и усилия, передающиеся на них через верхний и нижний диски.

Полученные данные использовались при расчете коэффициента бокового давления в порядке, заданном системой уравнений (14):

ф_k = (P_1i - P_2i)/F_b; у_x= ф_k/f'; у_z=(P_1i+P_2i)/2F; о = у_x /у_z, (14)

где P_1i - усилие, передающееся через верхний диск на образец; P_2i - усилие, воспринимаемое нижним диском; F_b и F - площади поперечного сечения образца и его боковой поверхности соответственно.

Метод математического моделирования напряженно-деформированного состояния геотехнических систем нашел применение на стадии проектирования как при обосновании возможности разгрузки под откос БелАЗов, так и при отстройке оптимальных профилей многоярусных отвалов и бортов Уртуйского флюоритового, Тарданского, Талатуйского, Андрюшкинского, Богомоловского, Савкинского и Итакинского золоторудных месторождений, Чинейского месторождения медно-сульфидных руд, а также профилей бортов карьера глубокой Балахнинской россыпи. При обосновании возможности использования отвалов в качестве рабочих площадок на Харанорском угольном разрезе и Красноармейском месторождении россыпного золота, строенных уступов на стадии разработки карьера Жирекенского ГОКа. При определении предельных параметров отвалов, формируемых из слабых пород на наиболее глубоком участке Мараканской россыпи.

Возможности используемого метода позволили учесть при подготовке расчетных схем рельеф участков, структурные особенности массивов, изменение свойств пород в их пределах, взаимное влияние на напряженно-деформированное состояние отдельных элементов геотехнических систем, способы очистки берм и разработки вскрышных пород.

Метод математического моделирования нашел применение и при выборе оптимальных по стоимости и показателям эксплуатационного качества вариантов усиления жестких и нежестких покрытий карьерных дорог, типовые конструкции которых не выдерживают нагрузок от БелАЗов грузоподъемностью свыше 40 т.

При решении упругопластической задачи в пространственной осесимметричной и плоской постановке, соответственно использовались расчетные схемы следующих типов:

1) многослойная дорожная одежда, воспринимающая равномерно распределенную нагрузку в пределах зоны контакта заднего колеса самосвала с покрытием;

2) насыпь, состоящая из нескольких подобранных по составу слоев щебня, воспринимающая погонную нагрузку от БелАЗа, и ее основание.

Варианты жестких покрытий сравнивались по прогибу их поверхностей под колесом БелАЗа грузоподъемность 75 и 100 т, степени снижения осевых напряжений и глубине распространения зоны пластических деформаций, а нежесткие - по прогибу поверхности покрытия и суммарной осадке основания и многослойной насыпи от погонной нагрузки.

При обработке полученных данных установлено, что весовым, габаритным и скоростным характеристикам современных карьерных дорог отвечают прочные и долговечные дорожные одежды, представляющие собой комбинации жестких слоев с нежесткими дренирующими прослойками. Область применения нежестких покрытий при суммарной толщине слоев щебня 0,8... 1,6 м в условиях открытой разработки угольных пластов и россыпей ограничена свойствами оснований.

Необходимость в разработке надежной методики оценки сейсмостойкости несплошных породных массивов в условиях рыхления пород взрывами возникла в связи со следующими обстоятельствами: 1) использованием старых выработок и пещер в хозяйственных и других целях; 2) перспективами развития комбинированного способа отработки складчатых структур, предусматривающего сочетание забоев и участков открытых горных работ; 3) присвоением уникальным пещерам статуса памятников природы государственно значения.

Только на территории Забайкалья выявлено и исследовано более 50 пещер. Широкую известность получил карстовый комплекс, расположенный в границах горного отвода Усть-Борзинского месторождения известняков, являющийся памятником природы государственного значения. Высокий статус охраняемого объекта с одной стороны и стремление горного предприятия сократить потери полезного ископаемого до минимума, с другой, способствовали принятию решения об определении оптимальных размеров охранного целика, обоснованных надежными прогнозными оценками сейсмостойкости пораженного карстом трещиноватого массива.

При решении поставленной задачи впервые была использована методика оценки условий функционирования геотехнической системы «несплошной массив - борт карьера, разрабатываемый способом взрывной отбойки пород». На первом этапе ее реализации составлена карта, построены разрезы, определены физико-механические характеристики известняков и льда, установлено положение ослабленных трещинами зон, изучен температурно-влажностный режим карстового комплекса, получены записи велосиграмм и акселерограмм массовых взрывов на карьере, построены искусственные акселерограммы.

На втором этапе по результатам математического моделирования МКЭ напряженно-деформированного состояния рассматриваемой геотехнической системы определен предельный уровень сейсмовзрывного воздействия на несплошной массив, соответствующий взрыву 1 т ВВ в 200 м от пещеры. При этом развитие пластических деформаций в пределах анализируемых расчетных областей, соответствующих характерным сечения массива, учтено путем последовательного решения следующих задач: динамической упругой - способом разложения вынужденных перемещений по формам собственных колебаний с использованием искусственных акселерограмм сейсмовзрывных воздействий различной интенсивности; статической упругопластической; квазистатической упругопластической задачи с использованием в качестве исходных данных максимальных векторов перемещений узлов расчетной области {Ux_i,у_i}_max, выделенных в пределах всего временного ряда из массива данных {Ux_i,у_i}_k, сформированного следующим образом:

{Ux_i,у_i}_k = {U^dx_i,у_i}_k - {U^cx_i,у_i},(15)

где U^cx_i,у_i - вектор перемещения i-го узла по результатам решения статической упругопластической задачи; U^dx_ik,у_ik - вектор перемещения i-го узла на k-м шаге табулирования выходных данных по времени при решении упругой динамической задачи.

На следующем этапе с учетом векторной скорости, соответствующей допустимому уровню воздействия на пораженный карстом трещиноватый массив, и экспериментально определенных коэффициентов по формуле М.А. Садовского рассчитаны максимальные массы зарядов в группах и общие массы зарядов для двух направлений продвижения фронта работ.

В результате сопоставления сейсмических эффектов записанных взрывов, отличающихся по ориентации рядов скважин, числу замедлений и массе зарядов, выбран наиболее щадящий режим проведения буровзрывных работ на карьере.

На заключительном этапе моделировалось изменение условий функционирования рассматриваемой геотехнической системы, а именно: разрушения плоского покровного массива многолетнего пещерного льда общей площадью 2400 м², служащего полом грота пещеры, раскрытия крупных тещин, рассекающих свод, вследствие разрушения его ледяной корки, перехода известняков из мерзлого состояния в талое.

Установлено, что опасность вывалов отдельных блоков из стен и потолка грота повышается. При приближении границы карьера к подземному комплексу в одних зонах напряжения уменьшаются, в других возрастают, но не более чем на 4,6…9,8 %. По мере углубления карьера с 15 до 75 м на одних участках свода перемещения уменьшаются в 1,2… 2 раза, на других увеличиваются не более чем в 2,5 раза. Однако даже при прохождении взрывной волны свод не теряет устойчивости. Однако на сейсмостойкость рассматриваемой системы в целом эти факторы заметного влияния не оказывает.

Высокая надежность рекомендованных параметров рассматриваемой геотехнической системы обусловлена использованием экспериментальных данных и учетом развития пластических деформаций в массивах, испытывающих сильные колебания, и подтверждена устойчивым состоянием всех элементов уникального подземного памятника природы.

...