В рамках развития одного из направлений механики зернистых сред, перспективного в отношении получения достоверных оценок деформаций массивов, сложенных крупнообломочными породами, проведены теоретические и натурные исследования, в ходе которых:

- опробован новый метод подсчета контактов между крупными обломками и измерения их площадей, предусматривающий последовательное извлечение обломков с последующей установкой их в первоначальное положение после окрашивания возможных зон их соприкосновения, окончательное удаление, измерение отпечатков контактов, маркировка установленных контактов на удаленных и оставшихся обломках;

- выбран способ измерения средних размеров обломков в трех взаимно перпендикулярных направлениях, обеспечивающий минимальное расхождение между фактическими объемами и рассчитанными по их линейным размерам;

- при обработке данных о длине обломков, площади и числу контактов статистическими тестами подтверждена неоднородность толщ крупнообломочных склоновых отложений по длине обломков, установлена их неоднородность по числу контактов у обломков и площади зон их соприкосновения;

- выявлена неоднородность распределений значений площадей контактов в пределах отдельных слоев, послужившая основанием для выделения трех типов контактов по условиям соприкосновения обломков (точечных, встречающихся с вероятностью 0,7; контактов по ребру и площадных, встречающихся с вероятностями 0,2 и 0,1 соответственно);

- усовершенствована обобщенная логическая схема структуры крупнообломочной породы путем замены наиболее вероятных значений ее характеристик параметрами их распределений, положенная в основу обобщенной структурной модели массива, сложенного крупнообломочными породами (МКП)



где О - обломки; К - контакты; П - пустоты; С - отношения между компонентами контактной системы; A - максимальный из трех размеров обломка; k_уд, k_уп и k_ут - коэффициенты удлинения, уплощения и утоньшения; б_А1, б_А2 и б_С2 - углы падения и простирания длинной оси и угол падения короткой оси обломка; K₁, K ₂ и K ₃ - сухие, обводненные и сцементированные контакты; с_s - плотность обломков; ц_к и с_к - характеристики сопротивления сдвигу по контактирующим поверхностям; F_к - площадь зоны соприкосновения обломков;

Q - воздух; W - вода; Л - лед; N - число контактов у обломка; с, g и w - плотность, льдистость и влажность крупнообломочной породы; I, II и III - типы контактов; n - количество квазиоднородных зон; _Л и _V - знаки логических операций «и» и «или» соответственно.

В целях повышения степени соответствия расчетных схем реальным массивам разработан и реализован в виде программы для ЭВМ метод воспроизведения вариантов упаковок моделей обломков, соответствующих заданным параметрам распределений характеристик структур крупнообломочных пород в выделенных зонах. Последовательность основных операций, выполняемых в ходе реализации этого метода, приведена на рис. 4.

Рис. 4. Модульная схема программы «PACKING»

Заданные и рассчитанные параметры распределений контролируемых показателей упаковок, полученных при запусках программы «PACKING», представлены в табл. 1.

В результате анализа входных и выходных параметров распределений установлено, что расхождения между средними значениями длин обломков, числа и площадей контактов не выходят за пределы 0,03… 3,22 %, а расхождения между их среднеквадратическими отклонениями - 10,51… 28,39 %.

Таблица 1 Параметры распределений характеристик структуры и вариантов ее модели

Запуск программы	Плотность породы (плотность упаковки), г/см3	Средние значения и среднеквадратические отклонения характеристик структуры (ее модели):
		длины обломков, м	Коэффициентов удлинения и уплощения	Числа контактов у обломка	площади контактовI, II и III типов, м2
		А	уA	k	уk	N	уN	lgF	уlgF
1	1,8 (1,8)	0,1128 (0,1126)	0,0447 (0,0396)	kуд - 0,6820 (0,7567) kуп - 0,6112 (0,5578)	0,1923 (0,1383) 0,1805 (0,1458)	6,3460 (5,8510)	2,1792 (2,7809)	I: -0,3208 (-0,3197) II: 0,1242 (0,1245) III: 0,7102 (0,7076)	0,2317 (0,2041) 0,1947 (0,1714) 0,4340 (0,3827)
2	1,8 (1,8)	(0,1123)	(0,0395)	kуд - (0,7527) kуп - (0,5568)	(0,1386) (0,1453)	(6,4394)	(2,7553)	I: -(0,3201) II: (0,1232) III: 0,7098)	(0,2038) (0,1704) (0,3830)
3	1,8 (1,8)	(0,1125)	(0,0397)	kуд - (0,7540) kуп - (0,5555)	(0,1384) (0,1451)	(6,3317)	(2,7914)	I: (-0,3213) II:(0,1234) III: (0,7138)	(0,2049) (0,1710) (0,3780)
4	1,8 (1,8)	(0,1122)	(0,0396)	kуд - (0,7546) kуп - (0,5555)	(0,1381) (0,1451)	(6,3601)	(2,7756)	I: (-0,3181) II: (0,1282) III: (0,7027)	(0,2052) (0,1704) (0,3838)

Математическая модель распределения крупных глинистых включений в песчано-глинистых отвалах

Изучение процесса распределения кусков глинистых пород в пределах экскаваторных отвалов, формируемых из рыхлых смесей песчаных и пылевато-глинистых пород, обусловлено отсутствием данных по этому вопросу, а также неэффективностью традиционных мероприятий по осушению отвальных площадок, направленных на предотвращение деформаций внутренних песчано-глинистых отвалов.

Процесс распределения крупных включений в пределах отвальных конусов изучен на физических моделях, формируемых из смесей разномасштабных компонентов, удовлетворяющих критериям подобия метода эквивалентных материалов.

В ходе экспериментов с различных отметок из смесей, содержащих 1… 32 % включений, отсыпались модели высотой 10…35 см. В качестве включений использовались кубики трех размеров, соответствующих минимальному, среднему и максимальному размерам кусков глинистых пород в их скоплениях у подножий отвалов.

После отсыпки и фиксации геометрических параметров модели разбирались по регулярной схеме, предусматривающей последовательное удаление объемов, представляющих собой тела вращения, сначала из отвального конуса, а затем из зоны разброса, примыкающей к его подножью. На заключительном этапе эксперимента происходило разделение компонентов смеси ситовым методом и их дифференцированное взвешивание.

Полученные данные обрабатывались с помощью программы «DISINTEGRATION», представляющей результаты расчетов в виде таблиц, картин изолиний содержаний включений в пределах отвалов - Z_d и диаграмм распределений содержаний включений от их общей массы - Z_k по зонам колец разброса.

В результате визуальных наблюдений, анализа фотографических материалов, картин изолиний и диаграмм распределений установлено следующее.

1. В отвальных конусах формируются зоны, существенно отличающиеся по процентному содержанию включений. Их положение, форма и количество зависят от процентного содержания включений в составе исходной смеси - р, высоты отвала - H, среднего размера включений - r и высоты разгрузки ковша - Нp.

2. В зависимости от среднего размера и высоты отсыпки в периферийной зоне нижнего яруса отвального конуса скапливается 50… 89 % содержащихся в нем включений, а у подножья 9… 32 % от их общей массы.

3. Из смесей, содержащих более 5 % крупных глинистых включений, на расстоянии 10… 12 м от вертикальной оси отвала на его контакте с основанием из кусков глинистых пород формируется упаковка с открытыми пустотами (не заполненными или частично заполненными рыхлым материалом). Мощность упаковки возрастает в радиальном направлении и достигает своего максимального значения на границе отвала с кольцом разброса.

В реальных условиях упаковки такого рода характеризуются высокой водопроницаемостью и низкой водопрочностью. При наличии инфильтрационных или подземных вод куски глинистых пород, из которых они состоят, со временем насыщаются водой и деформируются, при этом упаковки превращаются в слабые водонепроницаемые слои. Описанный механизм процесса образования слабого слоя объясняет как деформации внутренних отвалов, захватывающие значительные площади и сопровождающиеся выдавливанием пластичных глинистых масс из их оснований, так и снижение со временем эффективности дренажных систем в виде траншей, заполненных фильтрующим материалом.

При отсыпке на сухие площадки с организованным стоком дождевых и талых вод смесей, содержащих крупные глинистые включения, устойчивость песчано-глинистых отвалов, наоборот, повышается за счет призм упора, образующихся естественным образом у подножий откосов и повышенного содержания более прочных включений в зонах концентрации касательных напряжений.

При проверке статистических гипотез об аналогичности моделей отвалов, сформированных из смесей, содержащих только включения среднего размера и включения трех размеров при их различном соотношении, установлено, что суммарные содержания включений в зонах отличаются не существенно, если распределения значений r симметричны.

В результате обработки данных по 141 модели, установлено число зон, квазиоднородных по содержанию глинистых включений, и наиболее вероятное положение границ между ними. Определен вид уравнений, описывающих изменение содержаний включений в кольцах разброса Z_k и их содержаний в квазиоднородных зонах Z_d,i. Рассчитаны относительные объемы зон V, выделенных на схемах разграничения отвалов. Результаты исследований отражены в табл. 2.

Закономерности формообразования и деформирования экскаваторных отвалов

В результате анализа данных об изменении геометрических параметрах физических моделей отвалов в процессе их формирования из смесей, эквивалентных по составу и свойствам песчано-глинистым отвальным породам, выявлены три стадии формообразования (рис. 5), отличающиеся по степени, интенсивности и характеру изменения геометрических параметров откосов (высоты и трех углов: б_o - угла откоса, измеренного от основания отвала; б_g - результирующего угла откоса; б_с - угла, измеренного в пределах прямолинейного участка линии откоса).

Таблица 2 Модель распределения крупных глинистых включений в отвальных конусах



Рис. 5. Изменение параметров и формы моделей отвалов в процессе отсыпки в них материалов эквивалентных:

1 и 2 - суглинку тугопластичному, содержащему крупные куски глин и не содержащему такого рода включений соответственно (с = 1,1ч1,8 г/см³; с = 0ч22 кПа; ц = 12ч21?);

3 - супеси твердой (с = 1,2ч1,8 г/см³; с = 0ч25 кПа; ц = 27ч29?);

I - стадия увеличения угла откоса;

II - стадия поверхностных оползней;

III - стадия глубоких локальных циклических оползней;

III - стадия циклического оседания и расширения конусообразного массива; - зона с максимальным содержанием включений; - зона с минимальным содержанием включений; - область кольца разброса; - профиль отвала в начале цикла;- профиль в середине цикла;- профиль в конце цикла

На первой стадии быстро увеличиваются высота и контролируемые углы, порции смесей остаются на месте, а отвалы не деформируются; на второй стадии по мере увеличения высоты углы отвала изменяются несущественно, при этом порции смеси не остаются на месте, а скользят по склону. В конце этой стадии начинают формироваться глубокие трещины. На третьей стадии геометрические параметры откосов периодически достигают значений, при которых конусные отвалы начинают деформироваться. При этом высота отвала уменьшается, а линия откоса отклоняется от прямолинейного положения. В ходе дальнейшей отсыпки высота отвала увеличивается, а степень отклонения линии откоса от прямолинейного положения уменьшается. На следующей стадии отвал деформируется уже при меньшем результирующем угле откоса.

Установлено, что уменьшение сцепления в верхних слоях песчано-глинистого отвала приводит к увеличению высоты, при которой конусные отвалы начинают периодически деформироваться.

При более высоких значениях угла внутреннего трения и более низких значениях сцепления профили отвальных конусов приобретают выпуклую форму (рис. 6, а).

Рис. 6. Параметры моделей отвалов, сформированных из материалов эквивалентных:а - суглинку; б - супеси

При более низких значениях угла внутреннего трения и более высоких значениях сцепления линия откоса отвального конуса на последнем этапе его формирования приобретает вогнутую форму в результате того, что на наиболее крутых участках откоса развиваются локальные оползни, захватывающие все большие площади по мере увеличения высоты отвала. Деформации такого рода на последней стадии формирования отвала приводят к периодическому изменению параметров h, б_o и б_g, а также к плавному уменьшению угла б_с, измеренного в пределах прямолинейного (среднего) участка линии откоса (рис. 6, б).

Наличие крупных включений в составе смеси приводит к тому, что верхний и нижний участки линии откоса в процессе отсыпки постепенно искривляются. При этом верхняя часть откоса приобретает выпуклую форму, а нижняя - вогнутую. Степень отклонения линии откоса от прямолинейного положения возрастает по мере увеличения содержания включений в исходной смеси, их среднего размера и высоты разгрузки ковша. Переход в третью стадию имеет место при содержании включений в смеси, превышающем 5 %.

Методом физического моделирования установлено (рис. 7), а методом математического моделирования и данными о причинах простоев шагающих экскаваторов подтверждено то, что сначала угол наклона базы достигает предельного при работе экскаватора значения. Затем своего критического уровня достигает ее осадка.

В результате анализа данных, полученных при равномерной подрезке по периметру откосов физических моделей песчано-глинистых конусообразных отвалов, используемых в качестве рабочих площадок драглайнов, с заданным шагом изменения угла откоса, установлено следующее.

Опасный, с точки зрения потери экскаватором устойчивости, крен I_k2 развивается в основании базы либо при потере устойчивости подрезанным откосом, либо несущей способности основанием.

По мере увеличения высоты отвала, сужается сектор, в пределах которого подрезка откоса приводит к развитию оползня. Пока размер такого сектора превышает 180?, разрушение откоса не сопровождается развитием заметного крена в основании базы экскаватора, т.е. не представляет для него опасности. При высоте отвала - 15… 18 м размер сектора оползня сокращается в 3… 4 раза, а крен увеличивается до критического значения, т.е. возникает угроза потери экскаватором устойчивости. В связи с этим подрезка откосов песчано-глинистых отвалов высотой более 15 м, при работе на них драглайнов даже в пределах небольших секторов признана опасной (см. рис. 7).

На рис. 2 и 8 нашла отражение достаточно высокая степень сходимости между расчетными и фактическими параметрами отвалов и их моделей, подтверждающая высокую степень надежности оценок их состояния, получаемых с помощью предложенной методики.

Методика оценки условий функционирования экскаваторно-отвальных систем по вероятностям отказов и степени использования ресурсов их элементов

Разработанная методология основана на использовании методов системного анализа, теории надежности и теории рисков (рис. 9).

Рис. 9. Алгоритм анализа условий функционирования экскаваторно-отвальных систем

В ходе реализации этой методики выделены основные технические характеристики шагающих экскаваторов, влияющие на условия их эксплуатации, а именно: среднее давление на основание при работе; тип механизма передвижения, от которого зависят траектория движения базы и предельный уровень ее осадки; допустимые уклоны при работе и передвижении.

По величине среднего давления Р_б, драглайны разделены на четыре класса: 1) легкие (Р_б не более 0,06 МПа); 2) экскаваторы среднего класса (Р_б - 0,08…0,10 МПа); 3) тяжелые (Р_б - 0,11…0,14 МПа); 4) сверхтяжелые (Р_б не менее 0,18 МПа).

По уровню допустимой осадки базы - на три подкласса: с механическим приводом (S_k^min); с гидравлическим приводом и неполным отрывом базы от основания при ее перемещении (S_k^cp); с полным отрывом базы от основания (S_k^maх).

По сочетаниям уровней количественных показателей эксплуатационной безопасности (допустимых значений осадки базы - S_k, углов наклона экскаватора при работе - I_k1 и передвижении - I_k2) драглайны разделены на пять групп: легкие (I_k1^min, I_k2^cp, S_k^min); среднего класса (I_k1 ^min, I_k2^maх, S_k^cp); последние модификации экскаваторов среднего класса (I_k1^maх, I_k2^maх, S_k^cp); тяжелые (I_k1^maх, I_k2^cp, S_k^cp) и сверхтяжелые (I_k1^cp, I_k2^min, S_k^maх).

Допустимые осадки нормированы с учетом конструктивных особенностей механизмов передвижения драглайнов и циклического изменения положения точки приложения вертикальной нагрузки в процессе поворота экскаватора относительно центральной оси базы.

Проанализированы случаи отказов рассматриваемой геотехнической системы. Вероятными признаны следующие аварийные ситуации: 1) разрушение роликов опорного круга вследствие их перегрузки при превышении углом наклона базы допустимого при работе драглайна значения; 2) потеря экскаватором способности самостоятельно передвигаться вследствие развития недопустимой осадки в основании его базы; 3) потеря экскаватором устойчивости вследствие превышения углом наклона базы критического значения при стабильном состоянии остальных элементов рассматриваемой геотехнической системы - отвала и его основания; 4) разрушение экскаватора вследствие потери откосом устойчивости или основанием несущей способности.

С учетом объемов потерь первые две ситуации отнесены к низшему уровню опасности, последние две - к высшему.

Выделены и представлены в виде логических схем (17) и (18) два уровня безотказности системы: 1) не допускающего ни одной из возможных аварийных ситуаций; 2) не допускающего только те ситуации, при которых система реанимирована быть не может.

I > I_k1 S > S_k I > I_k2 U_k ; (17)

I > I_k2 U_k , (18)

где I и S - расчетные значения крена базы и ее осадки; U_k - качественный показатель, свидетельствующий о потере основанием несущей способность или откосом устойчивости.

На обоих уровнях вероятность отказа рассматриваемой системы в целом Р принята равной максимальной из вероятностей отказов системы в проверяемых ситуациях, т.е.

P = P_max,i . (19)

Среди способов формирования рабочих площадок для экскаваторов на отвалах выделены два способа: 1) способ формирования временного отвала, предусматривающий срезку верхней части отвального конуса до уровня, обеспечивающего размещение базы экскаватора в границах ядра отвала; 2) способ формирования подсыпки, предусматривающий отсыпку экскаватором массива с горизонтальной площадкой.

Расчетные крены и осадки баз экскаваторов предложено определять с помощью системы соотношений (20), а входящие в нее значения средней осадки , несущую способность основания и устойчивость откоса нагруженного драглайном отвала оценивать по решениям упругопластических задач, полученным МКЭ при их пространственной осесимметричной постановке, отвечающей условиям взаимодействия элементов рассматриваемой геотехнической системы.

S = + i D /2; i = i_s + i_p; i_s = (S₁ - S₂) D; ; M = R Р, (20)

где D - диаметр базы экскаватора; i - максимальное значение ее крена (S₁ - S₂) - максимальная разница между краевыми осадками, по результатам пенетрационных испытаний принятая равной 0,8·; R - максимальный радиус разгрузки ковша Р - допустимое усилие на конце стрелы; н и Е - деформационные характеристики сжимаемой толщи;

k_e и k_m - коэффициенты, учитывающие условия передачи нагрузки на основание.

При математическом моделировании напряженно-деформированного состояния экскаваторно-отвальных систем использовались расчетные схемы, отличающиеся по техническим характеристикам экскаватора, геометрическим параметрам отвала, числу и положению границ между квазиоднородными зонами. При этом дополнительные усилия от экскаваторов различных марок передавались на временные отвалы и подсыпки с естественными и подрезанными откосами. Квазиоднородным по плотности зонам, выделенным с учетом способов формирования рабочих площадок, присваивались средние оценки показателей механических свойств. Установленные методом математического моделирования изменения напряженно-деформированного состояния нагруженных отвалов критические высоты Н и углы откоса б временных отвалов и подсыпок приведены на рис. 10.

На предположении о нормальном распределении расчетных значений контролируемого параметра геотехнической системы, полученных при использовании кортежей входных данных, составленных из показателей физико-механических свойств пород, разыгранных с помощью генератора случайных чисел, основан предложенный порядок построения функций рисков, позволивший сократить объем расчетов до нескольких десятков вариантов. В ходе его реализации предельным значениям контролируемого параметра, полученным при использовании верхних, средних и нижних оценок показателей свойств пород в выделенных зонах, ставились в соответствие нулевой, пятидесяти- и стопроцентный уровни рисков. В случаях недостижения пятидесяти процентного уровня в расчетах использовались промежуточные оценки свойств пород. В рамках предложенного подхода высоты временных отвалов и подсыпок, удовлетворяющие условию Р < 50 %, рассматриваются как допустимые ( рис. 11).

Первому уровню безотказности рассматриваемой геотехнической системы в соответствии с условиями (17 и 19) отвечают обобщенные функции рисков, представленные на рис. 11 I и II, в, а второму уровню в соответствии с условиями (18 и 19) - приведенные на рис. 11 I и II, а.

На основании результатов, полученных при физическом и математическом моделировании состояния отвалов, использующихся в качестве рабочих площадок драглайнов, из первоначального перечня показателей эксплуатационной безопасности исключено значение I_k2. Это позволило разделить шагающие экскаваторы на три группы (табл. 3).

Таблица 3 Группы шагающих экскаваторов, отличающиеся по степени использования ресурса технических характеристик при работе на песчано-глинистых отвалах

Максимальная степеньп	Средняя степеньп	Минимальная степеньп
Тяжелые экскаваторы и последние модификации экскаваторов среднего класса с гидравлическим приводом	Сверхтяжелые экскаваторы	Легкие экскаваторы и экскаваторы среднего класса с механическим приводом

Усовершенствованные способы управления устойчивостью отвалов

Натурные наблюдения за деформациями внутренних отвалов, результаты физического и математического моделирования распределения глинистых включений в отвальных конусах, а также установленные при их анализе закономерности, положены в основу следующих технологических решений.

Нижние ярусы внутренних отвалов на пологих площадках рекомендуется формировать из смесей с достаточно низким содержанием кусков глинистых пород (до 5 %).

Смеси с их повышенным содержанием следует перемещать во внешние отвалы или в верхние ярусы внутренних экскаваторных отвалов.

При необходимости перемещения таких смесей в нижний ярус внутреннего отвала его устойчивого состояния следует добиваться способом «очищения» отвальных пород от крупных глинистых включений на стадии их перевалки, или способом удаления крупных кусков глинистых пород из их скоплений, локализованных в зоне контакта отвала с основанием, с помощью взрывов на выброс.

Рациональные параметры технологических схем, реализующих первый из предложенных способов (рис. 12), были определены с помощью аналитической модели распределения глинистых включений в экскаваторных песчано-глинистых отвалах (см. табл. 2).

Методом математического моделирования процесса удаления крупных глинистых включений только из колец разброса или колец разброса и периферийных зон нижних ярусов отвальных конусов определено необходимое количество перевалок, обеспечивающее снижение содержания включений в смеси, поступающей во внутренний отвал до уровня, при котором становится невозможным образование слабого слоя на контакте внутреннего отвала с основанием.

В результате анализа полученных данных установлена зависимость необходимого количества промежуточных перевалок от содержания включений в исходной смеси, их среднего размера r, высоты отвала H и высоты разгрузки ковша H_р (рис. 13).



Область применения технологических схем с удалением включений только из колец разброса, обеспечивающих перемещение максимальных объемов вскрышных пород в нижние ярусы внутренних отвалов после 1… 5 промежуточных перевалок, ограничена сравнительно невысоким содержанием включений в исходной смеси (10… 20 %).

Область эффективного применения способа очистки песчано-глинистых отвалов от глинистых включений в процессе их переэкскавации расширяет как извлечение дополнительных объемов из периферийных зон нижних ярусов отвалов, так и использование драглайнов с максимальной высотой разгрузки ковша. Наиболее высоким потенциалом в этом отношении обладают тяжелые и сверхтяжелые экскаваторы. При их использовании отвальные породы, содержащие 25… 50 % глинистых включений, «очищаются» после 1… 4 промежуточных перевалок.

Фрагмент массива данных в виде, удобном для решения задачи оптимизации, представлен в виде табл. 4.

Таблица 4 Комбинированная форма представления данных о необходимом количестве перевалок и объеме вскрышных пород, перемещаемом в нижний ярус внутреннего отвала

В качестве альтернативного способу селективной выемки и дифференцированного размещения пород с различным содержанием крупных глинистых включений, предложен способ удаления кусков глинистых пород с помощью взрывов из зон их скоплений. Суть альтернативного способа заключается в следующем

На начальном этапе разработки мощного пологого пласта, когда рост объемов вскрыши опережает рост приемной способности карьера на его отвальной стороне, из смесей с повышенным содержанием крупных глинистых включений экскаваторами формируются отвалы с перекрытием, обеспечивающим минимальную площадь скоплений кусков на их контакте с основанием. При отсыпке таких смесей на плохо фильтрующие основания вершины отвалов располагаются над траншеями, заполненными хорошо фильтрующим материалом и ориентированными по направлению падения подошвы пласта. На заключительном этапе формирования нижнего яруса внутреннего отвала с помощью взрывов на выброс породы с высоким содержанием крупных глинистых включений (породы периферийных объемов нижних ярусов отвалов) перемешиваются с породами, содержащими их в небольшом количестве (породами периферийных объемов верхних ярусов отвалов). Заряды ВВ размещаются в скважинах и производятся взрывы сразу после удаления экскаватора и оборудования для проходки скважин на безопасное расстояние. Схема расположения зарядов, обеспечивающая достаточную степень очистки зоны контакта отвала с основанием от скоплений крупных кусков глинистых пород, представлена на рис. 14.

Рис. 14. Схема размещения зарядов в основании нижнего яруса внутреннего отвала:1 - дно карьера; 2 и 3 - скопления кусков глинистых пород в уровне дна карьера и выше соответственно; 4 и 5 - контуры отвалов до и после взрыва; 6 - заряды ВВ; 7 - траншеи, заполненные фильтрующим материалом

Этот способ формирования внутреннего отвала, не только повышает его устойчивость, но и обеспечивает снижение объемов земляных работ на стадии перепланировки экскаваторных отвалов за счет выполаживания их откосов при взрывах.

При изучении условий использования бестранспортной системы разработки на сложноструктурных угольных месторождениях и глубоких валунистых россыпях установлено, что по мере увеличения влажности смеси, поступающей из ковша экскаватора, углы откосов экскаваторных отвалов уменьшаются с 45 до 15?.

В условиях подводного черпания порции «жидких» пород, пролетевшие несколько десятков метров, растекаются в момент удара о поверхность, занимая большие площади. Из пролетевших несколько метров порций в пространстве, ограниченном призмами упора, формируется откос с углом откоса до 10?.

В результате сопоставления геометрических параметров отвалов и драглайнов установлено, что в лучших условиях не полностью используется ресурс последних по длине стрелы, в худших по высоте разгрузки ковша, в обоих случаях при существенном отличии угла наклона стрелы от угла откоса отвала его емкость снижается.

Повышение емкости отвалов и снижение коэффициента переэкскавации при разработке таких месторождений возможно обеспечить использованием новых моделей драглайнов с углами наклона стрел, выходящими за рамки диапазонов их изменения, а именно:

- легких экскаваторов и экскаваторов среднего класса с углом наклона стрелы, увеличенным до 38°, при перемещении в отвалы рыхлых супесчаных смесей;

- экскаваторов среднего класса и более тяжелых экскаваторов с углом наклона стрелы уменьшенным до 30… 25°.

Увеличение емкости экскаваторных отвалов слабых пород, возможно при использовании следующих технологических схем, адаптированных к условиям разработки глубоких россыпей.

При разработке глубоких валунистых россыпей на свободных от отвалов участках предлагается формировать первичные отвалы из пород надводной части забоя при первой проходке экскаватора (рис. 15). При второй проходке с опережением извлекать со дна забоя «жидкие» породы, содержащие крупные валуны, и отсыпать их поверх полотнища из геосетки. Стягивать края полотнища с помощью бульдозера и при максимальном натяжении троса соединять с помощью специальных устройств (замков).

Динамические нагрузки, передающиеся при этом на переувлажненные породы, будут способствовать ускоренному оттоку воды и выдавливанию мелкодисперсной компоненты смеси, обладающей повышенной подвижностью. Армированная замкнутым контуром призма упора в дальнейшем будет ограничивать подвижность «жидких» пород, извлекаемых со дна забоя при третьей проходке экскаватора. После заполнения ограниченного пространства вторичный отвал с пологими откосами рекомендуется формировать при минимальной высоте разгрузке ковша экскаватора.

На участках со старыми отвалами, породы из подводной и надводной части забоя следует размещать между первичным отвалом и призмой упора меньшего размера, сформированной аналогичным способом, способной обеспечить устойчивость отвала вскрышных пород.

При отсутствии или недостаточном количестве валунов на дне забоя для отсыпки мощной призмы упора рекомендуется из порций крупных обломков, доставленных с других участков, и кусков более прочной сетки формировать замкнутые объемы, а из них сектора как постоянных, так и временных призм упора.

При транспортировке на соседние участки порции крупнообломочных пород, заключенные в сетки, способны самостоятельно очищаться от глинистых пород, находящихся в пустотах между обломками.

Бульдозерные отвалы увеличенной емкости из слабых пород в стесненных условиях предлагается формировать способом, предусматривающим армирование откосов замкнутыми контурами (пат. № 2233947). Реализующая этот способ технологическая схема изображена на рис. 16.

Предложенные способы армирования пород характеризуются низкой материалоемкостью, многократным использованием вспомогательных элементов и приспособлений для укладки армирующего материала.

Заключение

В результате выполненных исследований, научных обоснований, методических и технологических разработок внесен заметный вклад в решение крупной и актуальной научно-технической проблемы надежного прогнозирования напряженно-деформированного состояния и эффективного управления устойчивостью геотехнических систем, формирующихся при открытой разработке месторождений.

Основные научно-практические результаты выполненных исследований и разработок заключаются в следующем:

1. На основании анализа и обобщения опыта ведения открытых горных работ в сложных горно-геологических условиях и ранее выполненных исследований дана оценка состоянию разработки проблемы прогнозирования и обеспечения устойчивости геотехнических систем, формирующихся при открытой разработке месторождений, установлена необходимость и предложены пути повышения достоверности оценок напряженно-деформированного состояния геотехнических сооружений месторождений.

2. Разработаны методики исследований основных элементов геотехнических систем - породных массивов, подготовки данных для геомеханических расчетов и математического моделирования условий функционирования данных систем, позволяющие повысить надежность оценок их напряженно-деформированного состояния за счет использования: оптимальных схем отбора образцов; усовершенствованных методов их разграничения на квазиоднородные зоны; методик испытаний разрыхленных пород, обработки результатов и представления их в виде зависимостей, описывающих изменение характеристик прочности в пределах исследуемых массивов; решений упругопластических задач, полученных методом конечных элементов в постановке, максимально отвечающей условиям взаимодействия элементов рассматриваемых систем.

3. Разработаны, апробированы и использованы на стадии инженерно-геологических изысканий новые приборы. Создано их методическое обеспечение.

4. Выделены стадии формообразования отвальных конусов в процессе отсыпки смесей песчаных и пылевато-глинистых пород различного состава, отличающиеся по степени и характеру изменения углов откоса. Выявлены закономерности формирования и деформирования экскаваторных отвалов, отражающие цикличность изменения геометрических параметров и уменьшение углов откоса на последней стадии их формирования. Установлено, что характер искривления линии откоса на последней стадии формирования отвального конуса зависит от характера изменения в пределах его верхних слоев показателей прочности, высоты разгрузки ковша, содержания и среднего размера крупных включений в поступающей из него смеси.

5. Изучен характер развития осадок и кренов в основании баз драглайнов, работающих на свежеотсыпанных песчано-глинистых отвалах. Установлен порядок достижения углами наклона баз и их краевыми осадками значений, превышающих допустимые по условиям эксплуатации шагающих экскаваторов.

6. Создана математическая модель распределения в песчано-глинистых отвальных конусах крупных глинистых включений, описывающая изменение положения, формы и числа квазиоднородных зон, а также среднего процентного содержания в них кусков по мере увеличения высоты отвала и содержания включений в исходной смеси.

7. Разработана методика оценки условий функционирования экскаваторно-отвальных систем. В результате ее реализации шагающие экскаваторы разделены на группы, отличающиеся по степени использования ресурса своих технических характеристик в условиях использования свежеотсыпанных песчано-глинистых отвалов в качестве рабочих площадок; обоснована необходимость изменения технических характеристик драглайнов при создании новых моделей, более адаптированных к условиям открытой разработки сложноструктурных угольных месторождений и глубоко залегающих россыпей.

8. Установлены причины неэффективности традиционных способов управления устойчивостью песчано-глинистых внутренних отвалов. Определены рациональные параметры технологических схем переэкскавации отвалов, позволяющие достичь необходимой степени очистки от крупных глинистых включений смесей, поступающих в нижние ярусы внутренних отвалов.

9. предложены технологические схемы, обеспечивающие устойчивость песчано-глинистых внутренних отвалов, формируемых на наклонных площадках и увеличение емкости внешних отвалов слабых пород.

10. Обоснована необходимость оценки состояния массивов крупнообломочных пород методами дискретных сред. В рамках развития этого перспективного направления разработана обобщенная модель строения неоднородного массива крупнообломочных пород и численный метод воспроизведения их структур в виде упаковок моделей обломков и систем связей между ними по параметрам распределений значений длин обломков и коэффициентов формы, числа контактов и площадей зон их соприкосновения. Разработан полевой метод определения числа контактов у обломков и измерения площадей зон их соприкосновения. При исследовании крупнообломочных отложений выявлена неоднородность распределения значений площадей контактов, послужившая основанием для классификации контактов по условиям соприкосновения обломков. Определены вероятности, соответствующие каждому из трех выделенных типов контактов.

Основные положения диссертации изложены в работах

Монографии и учебные пособия

1. Фёдорова Е.А. Теоретические основы вероятностного метода оценки состояния контактных систем / Е.А. Фёдорова. - Чита: ЧитГУ, 2005. - 181 с.

2. Фёдорова Е.А. Статистический анализ инженерно-геологических данных: учебное пособие / Е.А. Фёдорова. - Чита: ЧитГТУ, 2003. - 93 с.

Статьи и доклады

3. Фёдорова Е.А. Напряженно-деформированное состояние нагруженных отвальных массивов / Е.А. Фёдорова // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2001. - № 10. - С. 98 - 101.

4. Фёдорова Е.А. Программный комплекс для разграничения отвальных массивов на квазиоднородные зоны / Е.А. Фёдорова, Д.А. Шайдуров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2002. - № 11. - С. 130 - 132.

5. Фёдорова Е.А. Оптимизация технологических схем отвалообразования в условиях Уртуйского месторождения флюоритов / Е.А. Фёдорова // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2002. - № 9. - С. 77 - 80.

6. Фёдорова Е.А. Методы защиты от разрушения массива, пораженного карстом при эксплуатационных взрывах / Е.А. Фёдорова // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2006. - № 5. - С. 50 - 53.

7. Фёдорова Е.А. Параметризация технологических схем селективного отвалообразования бестранспортной системы разработки / Е.А. Фёдорова // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - № 10. - C. 239 - 248.

8. Рашкин А.В. Обоснование параметров устойчивых бортов карьера Жирекенского ГОКа / А.В. Рашкин, Е.А. Федорова, П.Б. Авдеев // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск: Забайкалье. - 2007. - № ОВ 4. - C. 111 - 118.

9. Федорова Е.А. Механический стабилометр / Е.А. Федорова// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2008. - № 4. - С. 142 -150.

10. Железняк И. И. Новые методы и техника / И.И. Железняк, А.В. Никифоров, А.В. Перминов, Е.А. Фёдорова // Инженерно-строительные изыскания в Якутской АССР. Материалы III республиканской научно-практической конференции «Повышение технического уровня и качества инженерно-строительных изысканий». - Якутск, 1989. - С. 53.

11. Прегер А.Л. Оценка осадки шагающего экскаватора при работе на предотвале / А.Л. Прегер, Е.А. Фёдорова, А.М. Рыжих // Проблемы горного производства Восточной Сибири. - Новосибирск: Наука, 1991. - C. 21 - 24.

12. Никифоров А.В. Устойчивость технологических элементов при разработке россыпных месторождений/ А.В. Никифоров, Е.А. Фёдорова, Ф.В. Дудинский // Проблемы горного производства Восточной Сибири. - Новосибирск: Наука, 1991. - С. 71 - 77.

13. Фёдорова Е.А. Результаты исследования пещеры Хээтэй / Е.А. Фёдорова // География и экология Забайкалья. Записки Забайкальского филиала географического общества России. - Чита, 1994. - С. 52 - 54.

14. Фёдорова Е.А. Имитационно-вероятностная модель структуры курума/ Е.А. Фёдорова. - М.: ВИНИТИ № 2042-В96, 1996. - 10 с.

15. Ушаков В.В. Оценка напряженно-деформированного состояния карьерных автомобильных дорог / В.В. Ушаков, Е.А. Фёдорова // Вестник НТО строителей. Чита: ЧитГТУ, 1997. - С. 127 - 133.

16. Ушаков В.В. Выбор оптимального варианта усиления жестких дорожных одежд / В.В. Ушаков, Е.А. Фёдорова // Вестник НТО строителей. Сборник научных статей. - Чита: ЧитГТУ, 1998 . - С. 214 - 220.

17. Фёдорова Е.А. Особенности выбора отдельных элементов имитационно-вероятностной модели структуры крупнообломочного грунта на примере курума/ Е.А. Фёдорова // Вестник ЧитГТУ. - Чита: ЧитГТУ, 2000. - Вып. 16. - С. 86 - 95.

18. Рашкин А.В. Повышение безопасности драглайнов на Харанорском угольном разрезе/ А.В. Рашкин, Е.А. Федорова // Вестник МАНЭБ. - Санкт-Петербург - Чита, 2001. - № 10. - С. 112 - 117.

19. Фёдорова Е.А. Определение деформационных характеристик грунтов нарушенного строения/ Е.А. Фёдорова // Материалы XV научной конференции молодых ученых и аспирантов МГУ. - М. - Деп. в ВИНИТИ, 1989. - С. 23 - 28.

20. Фёдорова Е.А. Устойчивость осесимметричных отвалов / Е.А. Фёдорова, А.Б. Фадеев // Прогнозная оценка инженерно-геологических условий при открытой разработке месторождений Урала. - Свердловск, 1989. - С. 28.

21. Фёдорова Е.А. Методика стабилометрического определения механических свойств пучинистых грунтов/ Е.А. Фёдорова, И.И. Железняк // Докл. международного научно-технического и коммерческого семинара «Защита инженерных сооружений от морозного пучения». - Якутск: Институт мерзлотоведения, 1993. - С. 23.

22. Шестернев Д.М. Криогипергенез горных пород и вычисление угла наклона борта карьера / Д.М. Шестернев, Г.Е. Ядрищенский, Е.А. Фёдорова // Материалы международного симпозиума «Геокриологические проблемы строительства в восточных районах России и Северного Китая». - Якутск, 1998. - С. 216 - 218.

23. Фёдорова Е.А. Имитационно-вероятностная модель структуры крупнообломочного грунта / Е.А. Фёдорова // Материалы международной конференции «Проблемы прогнозирования в современном мире. - Чита: ЧитГТУ, 1999. - С. 197 - 198.

24. Фёдорова Е.А. К вопросу оптимизации технологических схем отвалообразования на горных предприятиях / Е.А. Фёдорова // Материалы межрегиональной конференции «Проблемы экологической безопасности Восточных рубежей России на рубеже тысячелетий». - Чита: ЧитГТУ, 2000. - С. 94 - 95.

25. Фёдорова Е.А. Разграничение отвальных массивов на квазиоднородные зоны / Е.А. Фёдорова // Материалы региональной конференции «Проблемы освоения и рационального использования природных ресурсов Забайкалья. - Чита: ЧитГТУ, 2000. - С. 65 - 66.

26. Фёдорова Е.А. Оценка степени риска при работе шагающих экскаваторов с временных отвалов / Е.А. Федорова // Материалы международной конференции «Новый век - новые открытия» - Чита: Экспресс-типография ЧП Г.Г. Богданова, 2001. - C. 258 - 261.

27. Фёдорова Е.А. Программный комплекс GRUNT для разграничения техногенных массивов на квазиоднородные зоны / Е.А. Фёдорова, Е.В. Стрельникова // Материалы международной научно-технической конференции «Технические науки, технологии и экономика». - Чита: ЧитГТУ, 2001. - С. 51 - 58.

28. Фёдорова Е.А. Методические аспекты инженерно-геологических изысканий на площадках отвалов Чинейского ГОКа / Е.А. Фёдорова // Материалы II международной конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление». - Чита: ЧитГТУ, 2001. - C. 82 - 85.

29. А.В. Рашкин. Сохранение пещеры Хээтэй в условиях разработки карьера Усть-Борзинского месторождения известняков / А.В. Рашкин, Е.А. Фёдорова // Материалы II Международной научно-практической конференции «Человек-среда-вселенная». - Иркутск: ИрГТУ, 2001. - С. 76 - 77.

30. А.В. Рашкин. Оценка воздействия разработки Усть-Борзинского месторождения известняков на карстовый комплекс пещеры Хээтэй / А.В. Рашкин, Е.А. Фёдорова // Экологические проблемы и новые технологии переработки минерального сырья. Труды международного совещания. - Чита: ЧитГТУ, 2002. - С. 98 - 104.

31. Фёдорова Е.А. Численная реализация вероятностного подхода к построению случайной структуры дискретной среды и оценке ее поведения / Е.А. Фёдорова, О.А. Белицкая // Материалы III межрегиональной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика». - Чита: ЧитГТУ, 2003 - С. 102 - 106.

32. Фёдорова Е.А. Программный комплекс для обработки данных по процентному содержанию крупных включений в рыхлой массе и разграничения отвальных массивов по этому признаку / Е.А. Фёдорова, С.И. Заборовская // Материалы II межрегиональной конференции «Энергетика в современном мире». Чита: ЧитГТУ, 2003. - С. 63 - 65.

Изобретения и программы для ЭВМ

33. Авторское свидетельство № 1675730 (СССР). Стабилометр / Е. А. Фёдорова. - 1991. - Бюл. № 33.

34. Авторское свидетельство № 1759131 (СССР). Стабилометр / Е. А. Фёдорова, И. И. Железняк, М. Б. Лисюк. - 2008. - Бюл. № 19.

35. Патент № 1827138 (СССР). Стабилометр / Е.А. Фёдорова, И.И. Железняк. - 2008. - Бюл. № 19.

36. Патент № 2233947 (РФ). Способ укрепления откосов насыпей / Е.А. Фёдорова, А.В. Рашкин, А. В. Никифоров, 2004. - Бюл. № 22.

37. Фёдорова Е. А. Программный комплекс «Grunt» / Е.А. Фёдорова, Е.В. Стрельникова. - М.: ВНТИЦ, 2001. - № 50200200035. - 2 с.

38. Фёдорова Е. А. Программа «Sortproject» / Е.А. Фёдорова, О.А. Белицкая. - М.: ВНТИЦ, 2004. - № 50200400901. - 2 с.

39. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007612850 (РФ). Построение случайной структуры обломочного материала (Packing) / Е.А. Фёдорова, О.А. Белицкая. - 2007. - 70 с.

Размещено на Allbest.ru

...