Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
Фёдорова Елена Алексеевна
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ КАРЬЕРНЫХ ОТКОСОВ ПРИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Новосибирск 2012
Работа выполнена в ГОУ ВПО Читинский государственный университет на кафедре Открытые горные работы Научный консультант доктор технических наук, профессор Секисов Геннадий Валентинович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Трофимов Виталий Александрович доктор технических наук Бабелло Виктор Анатольевич доктор физико-математических наук Чанышев Анвар Исмагилович Ведущая организация Иркутский государственный технический университет
Защита диссертации состоится 2 марта 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 003.019.01 в Институте горного дела Сибирского отделения РАН по адресу 630091, г. Новосибирск, Красный проспект,
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГД СО РАН Автореферат разослан л___ __________ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Попов Н.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Широкое вовлечение в разработку открытым способом сложных и глубоких залежей привело к значительному увеличению глубины карьеров и площадей, занятых отвалами. Повышения эффективности вскрышных работ и снижения экологической нагрузки на окружающую среду в этих условиях добиваются за счет увеличения угла наклона бортов и отвалов, применения горных машин большой единичной мощности, использования свежеотсыпанных отвалов в качестве их рабочих площадок. При этом ухудшаются условия эксплуатации горных машин. Нередко возникает необходимость в направленном изменении свойств горной массы или ограничении ее подвижности с помощью инженерных мероприятий.
Использование стандартных методик получения и обработки исходных данных для геомеханических расчетов не позволяет выявлять закономерности изменения состава и свойств пород в свежеотсыпанных песчано-глинистых отвалах. Сдвиговые и компрессионные приборы не обеспечивают подобия по напряженно-деформированному состоянию, а не обладающие этим недостатком гидравлические стабилометры не предназначены для испытаний образцов рыхлых пород при низких уровнях напряжений. Характеристики состава и свойств, определенные при исследовании небольших образцов, не соответствуют характеристикам породы в массиве, а фактические напряжения в зернистых средах - теоретическим значениям. Расчетные схемы аналитических методов не воспроизводят строение природно-техногенных и техногенных массивов, формирующихся при ведении открытых горных работ, а также условия их взаимодействия друг с другом и горными машинами. Поэтому при геомеханическом обосновании параметров бортов глубоких карьеров, сложенных несогласно залегающими и отличающимися по прочности породами, а также многоярусных отвалов, сформированных на неровных склонах поверх слабых отложений, и свежеотсыпанных песчано-глинистых экскаваторных отвалов, в том числе используемых в качестве рабочих площадок шагающих экскаваторов (драглайнов), серьезные ошибки неизбежны.
Размещение вскрышных пород в карьерах при разработке сложноструктурных угольных месторождений нередко приводит к потере части запасов из-за деформаций внутренних песчано-глинистых отвалов. При разработке глубоких россыпей в узких долинах с использованием комплекса лэкскаватор-драга возникают трудности с размещением во внешних отвалах слабых пород, извлекаемых из подводной части забоя.
Накопленный горными предприятиями опыт свидетельствует о том, что способы осушения вскрышных пород и оснований внутренних отвалов, использующиеся в Сибирском регионе, малоэффективны, а затраты на восстановление нарушенной работоспособности карьеров значительно превышают затраты на придание откосам устойчивых углов.
В связи с этим актуальным является решение совокупности научнотехнических задач, обеспечивающих повышение достоверности исходных данных и надежности геомеханических оценок состояния природно-техногенных и техногенных массивов, а также эффективности управления устойчивостью внешних отвалов слабых глинистых пород и внутренних песчано-глинистых отвалов.
Работа выполнена в рамках государственной целевой комплексной программы Геомеханические процессы в геологических формациях и горнотехнических сооружениях месторождений полезных ископаемых (№ 01920009628) и договорных научно-исследовательских работ с ПО Лензолото, ОАО ЗабайкалцветметНИИпроект, ООО Забайкалзолотопроект, ООО Газимур и ОАО Разрез Харанорский.
Объект исследований - техногенные и природно-техногенные массивы, формирующиеся и испытывающие дополнительные воздействия при открытой разработке месторождений Сибирского региона.
Предмет исследований - строение, свойства пород, напряженнодеформированное состояние откосов, оснований и сводов.
Цель работы. Разработка геомеханических основ устойчивости карьерных откосов при открытой разработке месторождений в сложных горногеологических условиях.
Идея работы. Учет неоднородности и условий передачи дополнительных нагрузок на техногенные и природно-техногенные массивы при обосновании геомеханическими расчетами их параметров.
Основные задачи исследований:
- разработка методик изучения состава и свойств пород техногенных массивов, создание приборов для определения их механических характеристик и автоматизированных систем обработки результатов исследований, подготовки расчетных схем и данных для геомеханических расчетов;
- разработка методик обоснования рациональных параметров бортов глубоких карьеров, многоярусных отвалов и целиков, учитывающих строение породных массивов и условия их нагружения, а также надежных критериев неустойчивого состояния откосов, оснований и сводов;
- геомеханическое обеспечение использования в качестве рабочих площадок шагающих экскаваторов песчано-глинистых отвалов на начальной стадии их самоуплотнения;
- исследование процессов формирования и деформирования песчаноглинистых экскаваторных отвалов и распределения в них кусков глинистых пород с выявлением факторов, влияющих на форму профиля отвала в виде конуса;
- разработка рекомендаций по управлению составом внутренних песчаноглинистых отвалов и напряженным состоянием внешних отвалов слабых пород с целью обеспечения их устойчивости.
Методы исследований. При выполнении работы использовался комплекс современных методов исследований, включающий лабораторные и полевые методы изучения свойств, состава, строения пород и массивов (в том числе пенетрационный, акустический и сейсмический); методы физического и численного моделирования; системного анализа, теории надежности и теории рисков.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Повышение достоверности исходных данных для геомеханических расчетов достигается использованием новых приборов для испытаний образцов пород нарушенного сложения в условиях трехосного осесимметричного сжатия, установленных закономерностей изменения характеристик состава и физических свойств пород в экскаваторных отвалах при разграничении их на квазиоднородные зоны, механических характеристик пород, соответствующих их физическому состоянию.
2. Повышение надежности геомеханических оценок достигается использованием разработанного обобщенного критерия неустойчивого состояния откосов, оснований и сводов при корректировке параметров бортов карьеров и нагорных отвалов с учетом неоднородности породных массивов и условий передачи на них дополнительных нагрузок.
3. Оценка риска отказов экскаваторно-отвальных систем и степени использования их ресурсов определяется по результатам математического и физического моделирования условий эксплуатации драглайнов на ранее ими сформированных отвалах с помощью разработанной методики определения вероятностей недопустимых осадок и кренов, развивающихся в основании баз шагающих экскаваторов.
4. Оптимальный режим селективной выемки и раздельного размещения смесей дисперсных пород с повышенным и пониженным содержанием крупных глинистых включений в процессе перевалки вскрышных пород в выработанное пространство обеспечивается полученными закономерностями распределения кусков глинистых пород в экскаваторных отвалах. А углы их откосов определяются с учетом установленных закономерностей формирования, отличающихся по составу отвалов в виде конусов.
5. Эффективное управление устойчивостью внутренних песчано-глинистых отвалов обеспечивается удалением крупных глинистых включений из зоны контакта отвала с пластом с помощью взрывов, или их удалением бульдозером из зон скоплений в экскаваторных отвалах при перевалке вскрышных пород, а увеличение емкости внешних отвалов слабых глинистых пород - армированием геосетками их откосов или призм упора.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом полевых и лабораторных исследований, удовлетворительной сходимостью результатов расчетов с данными экспериментов и натурных наблюдений, положительными итогами внедрения научно-исследовательских разработок и рекомендаций в производственную деятельность.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Создан механический стабилометр, позволяющий испытывать образцы пород при низких уровнях напряжений, изменении температуры и влажности.
Разработаны методики получения и обработки данных о составе и свойствах отвальных пород, позволяющие описать изменение характеристик пород в техно- генных массивах и разбить их на квазиоднородные зоны с использованием минимального числа проб. Разработан метод воспроизведения структур массивов крупнообломочных пород в виде упаковок обломков и систем связей между ними.
2. Предложен обобщенный критерий оценки устойчивости откосов, сводов и несущей способности оснований по решениям упругопластической задачи методом конечных элементов.
3. По результатам математического и физического моделирования условий работы шагающих экскаваторов на ранее сформированных ими песчаноглинистых отвалах установлены закономерности изменения предельного угла подрезанного откоса, максимальных осадок и кренов баз драглайнов при увеличении высоты отвалов. С учетом разброса данных о свойствах отвальных пород впервые определены вероятности отказов экскаваторно-отвальных систем и степень использования их ресурсов. При этом осадки и крены рассчитаны с учетом внецентренного приложения нагрузки и неоднородности основания по сжимаемости, а их критические значения нормированы с учетом типа и технических характеристик ходового оборудования драглайнов.
4. Разработана статистическая модель распределения кусков глинистых пород в конусных отвалах, позволяющая определить число, положение, объем квазиоднородных зон и содержание в них кусков глинистых пород с учетом среднего размера таких включений, состава смеси, поступающей в отвал, его высоты и высоты разгрузки ковша экскаватора. Установлено влияние состава горной массы и степени изменения сцепления в верхних слоях конусных отвалов на форму профиля и высоту, достигнув которой отвалы начинают периодически деформироваться в процессе отсыпки. Эмпирическими уравнениями описаны закономерности изменения углов откосов песчано-глинистых отвалов при увеличении их высоты.
5. Разработаны способы формирования устойчивых внутренних песчаноглинистых отвалов, исключающие образование слабого слоя на контакте отвала с основанием, а также способы армирования откосов или призм упора внешних отвалов слабых глинистых пород с целью повышения их емкости.
Практическое значение работы заключается в следующем.
1. Разработаны оптимальные системы опробования отвалов, позволяющие автоматизировать процедуру пространственной привязки точек отбора проб и значительно сократить число проб, необходимое для разграничения отвалов в виде конусов и гребней на квазиоднородные зоны; программное обеспечение для обработки данных о составе и свойствах отвальных пород, разграничения песчано-глинистых отвалов на зоны квазиоднородные по составу и физическим свойствам пород, воспроизведения строения массивов крупнообломочных пород в виде математических моделей упаковок обломков и систем связей между ними по параметрам распределений значений структурных характеристик.
2. Обоснованы рациональные параметры бортов глубоких карьеров и многоярусных отвалов, обеспечившие их устойчивость при разработке ряда месторождений в сложных горно-геологических условиях.
3. Разработаны рекомендации по использованию свежеотсыпанных песчано-глинистых отвалов в качестве рабочих площадок драглайнов.
4. Получены закономерности, позволяющие принимать углы откосов экскаваторных отвалов с учетом их высоты, состава и формы.
5. Определено необходимое количество перевалок, в различных условиях обеспечивающее снижение содержания кусков глинистых пород в горной массе до уровня, при котором становится невозможным образование слабого слоя на контакте внутреннего экскаваторного отвала с пластом. Адаптированы к условиям внешнего отвалообразования системы армирования откосов и методы расчета их параметров.
ичный вклад автора заключается в организации, проведении и обобщении результатов наблюдений и экспериментов; создании и использовании новых приборов; установлении закономерностей формирования и деформирования отвалов в виде конусов; разработке методик получения и подготовки данных для геомеханических расчетов, а также критериев неустойчивого состояния откосов, оснований и сводов; разработке метода воспроизведения структур крупнообломочных массивов в виде математических моделей упаковок обломков и систем связей между ними; выявлении причин низкой эффективности способов управления устойчивостью внутренних песчано-глинистых экскаваторных отвалов;
разработке практических рекомендаций по использованию отвалов в качестве рабочих площадок драглайнов, повышению устойчивости внутренних и емкости внешних экскаваторных отвалов.
Реализация результатов работы. Основные результаты выполненных исследований использованы при разработке угольного разреза Харанорский, Красноармейского и Балахнинского месторождений россыпного золота, Чинейского месторождения медно-сульфидных руд и Жирекенского молибденового месторождения, Талатуйского, Тарданского, Андрюшкинского, Богомоловского, Савкинского, Итакинского и других золоторудных месторождений. Опытная партия механических стабилометров прошла апробацию в лабораториях ЧИПР СО РАН, ЧНИЦ НИИОСП им. Н.М. Герсеванова и ЧитГУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждены и получили одобрение на семинарах ИГД СО РАН и ИГД ДВО РАН, на расширенных заседаниях кафедр ИркГТУ и ЧитГУ. Основные положения диссертационной работы доложены на 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 конферен- ции 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); научном симпозиуме Неделя горняка (Москва, 2002 и 2008); международной конференции по геотехнике Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчета и инженерная практика (Санкт-Петербург, 2005); IX Всероссийской научнопрактической конференции Кулагинские чтения (Чита, 2009); Всероссийской конференции Геодинамика и напряженное состояние недр земли (Новосибирск, 2010).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 38 научных работ, из них 10 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 авторских свидетельства, 2 патента и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографического списка из 243 наименований, изложена на 317 страницах текста, содержит 17 таблиц, 102 рисунка и приложений на 1страницах (отдельным томом).
Автор выражает благодарность научному консультанту - заслуженному деятелю науки РФ Г.В. Секисову, весьма признательна А.В. Рашкину - научному консультанту на первых этапах работы. Выражает благодарность за полезные советы А.Б. Фадееву, А.К. Бугрову, Э.Л. Галустьяну, В.Н. Одинцову, Т.К. Пустовойтовой и И.И. Ермакову. За оказанную помощь при проведении исследований благодарит руководителей лаборатории Геомеханики ЧИПР СО РАН Д.П.
Сенук и И.И. Железняка, а также заведующего кафедрой открытых горных работ ЧитГУ Ю.М. Овешникова.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Состояние разработки проблемы геомеханического обеспечения устойчивости карьерных откосов Значительный вклад в развитие горных наук, с которыми связано решение поставленных в диссертации задач, внесли академики М.И. Агошков, В.В. Адушкин, М.В. Курленя, Н.В. Мельников, Н.Н. Мельников, В.В. Ржевский, К.Н. Трубецкой, Н.В. Черский, Е.И. Шемякин; члены-корреспонденты Е.И. Богданов, Д.Р. Каплунов, Ю.Н. Малышев, В.Н. Опарин, А.А. Пешков, Л.А. Пучков, В.Л. Яковлев, доктора наук А.И. Арсентьев, И.В. Баклашов, А.М. Гальперин, Ю.П. Галченко, А.М. Демин, Кузнецов, Б.А. Падуков, М.Е.
Певзнер, В.Н. Попов, М.А. Ревазов, А.Ф. Ревуженко, Г.В. Секисов, И.А. Турчанинов, В.П. Федорко, Г.Л. Фисенко, С.И. Фомин, А.И. Чанышев и ряд других ученых.
Несмотря на большой объем выполненных ими исследований, решены далеко не все задачи, связанные с прогнозом и обеспечением устойчивости бортов и отвалов. Так, методы разграничения природных массивов на квазиоднородные зоны не адаптированы к свежеотсыпанным отвалам. Нет определенности в понимании причин отклонения линий их откосов от прямолинейного положения.
Сложившиеся представления об изменении фракционного состава по поверхности откоса не позволяют судить о характере распределения разномасштабных компонент в телах конусных отвалов. В связи с противоречивостью мнений о степени и характере изменения показателей состава и свойств пород в экскаваторных отвалах возникла необходимость в проведении дополнительных исследований с использованием более совершенных схем опробования, средств получения и методик обработки данных. Ранее установленной зависимостью механических характеристик от состава и физического состояния пород, размеров образцов, уровня и условий передачи на них нагрузок обусловлена необходимость проведения испытаний образцов в условиях, максимально приближенных к условиям работы породы в массиве. Расчетные схемы аналитических методов решения геомеханических задач не учитывают особенности строения неоднородных бортов, отвалов и оснований, а также их взаимодействие друг с другом и горными машинами. В условиях разброса исходных данных возникают трудности интерпретации результатов геомеханических расчетов.
С учетом обозначенных задач дальнейших исследований повышения надежности геомеханического прогноза предложено добиваться путем перехода от частных оценок устойчивости откосов, осадок и несущей способности оснований к оценкам напряженно-деформированного состояния неоднородных техногенных и природно-техногенных массивов, формирующихся и испытывающих нагрузки при ведении открытых горных работ; от аналитических методов решения геомеханических задач с их упрощенными расчетными схемами - к современным численным методам, позволяющим анализировать поля напряжений и деформаций взаимодействующих массивов произвольного очертания; от коэффициентов запаса устойчивости карьерных откосов - к вероятностям отказов экскаваторно-отвальных систем.
Существенное отличие фактических напряжений от их теоретических значений в средах, где нагрузки передаются через контакты, и трудности определения характеристик крупнообломочных пород, связанные с масштабным эффектом, способствовали развитию методов механики зернистых сред. Разработанные П. Кюндаллом, Д. Лемосом и Р. Хартом методы дискретных элементов успешно опробованы на регулярных упаковках и типовых структурах зернистых сред в различных условиях нагружения небольших объемов. Очевидны перспек- тивы использования этих методов при моделировании состояния нагорных отвалов, возможность развития сдвиговых деформаций на которых оценивается по скорости смещения рабочих реперов. Современные ПЭВМ способны обрабатывать значительные объемы данных. Однако для того, чтобы реализовать их возможности, необходимо генерировать расчетные схемы отвалов в виде математических моделей упаковок обломков и систем связей между ними, соответствующих параметрам распределений структурных характеристик крупнообломочных пород, полученных при обработке данных полевых исследований.
Использованные А.И. Арсентьевым, Ю.В. Лесовым, Л.Н. Хрусталёвым и другими исследователями вероятностно-статистические методы оценки достоверности решений геомеханических задач в условиях неопределенности исходных данных рассмотрены с позиции их применения при анализе рисков развития опасных осадок и кренов в основании баз драглайнов, эксплуатирующихся на свежеотсыпанных отвалах.
Рациональному использованию земельных ресурсов способствовало внедрение способов улучшения свойств пород и укрепления откосов, предложенных В.А. Галкиным, Э.Л. Галустьяном, Ф.В. Дудинским, М.А. Ревазовым, П.И.
Томаковым, Г.Л. Фисенко и другими учеными. Однако использующиеся способы формирования внутренних и внешних отвалов не всегда обеспечивают их устойчивость на стадии разработки наклонных угольных залежей и глубоких россыпей в сложных горно-геологических условиях.
Методики и средства получения данных для геомеханических расчетов С целью подготовки данных о структурных характеристиках крупнообломочных пород и строении сложенных ими массивов, необходимых для математического моделирования их состояния методами дискретных сред, выполнены следующие экспериментальные и теоретические исследования.
В полевых условиях опробован метод подсчета зон соприкосновений обломков и измерения их площадей, предусматривающий последовательное извлечение обломков, окрашивание возможных контактов с изменением цвета при переходе от одного ряда к другому, установку обломков в первоначальное положение, окончательное их удаление, измерение отпечатков контактов и маркировку установленных контактов на удаленных и оставшихся обломках. Из известных способов измерения размеров обломков в трех взаимно перпендикулярных направлениях выбран способ, обеспечивающий минимальное расхождение между фактическими объемами и рассчитанными по линейным размерам.
Статистическими тестами подтверждена однородность толщ крупнообломочных отложений по коэффициентам формы обломков, т.е. по коэффициентам удлинения kуд и уплощения kуп, а также их неоднородность по числу контактов N и длине обломков A. Установлена неоднородность распределений значений площадей контактов F как в пределах толщ, так и в пределах рядов обломков, послужившая я основанием для выделения трех типов контактов, отличающихся по условиям соприкосновения обломков. Возможность ориентации обломка в пространстве обеспечивается углами падения и простирания его длинной оси А1 и А2, а также углом падения короткой оси С2. При формировании хаотичной упаковки все направления ориентации обломков равновероятны.
Разработан метод численного воспроизведения строения массива и структуры крупнообломочной породы в каждой из его квазиоднородных зон в виде упаковок моделей обломков с систем связей между ними по параметрам распределений структурных характеристик. На первом этапе реализации этого метода модели обломков размещаются в пределах выделенных областей. При этом размеры каждого обломка и ориентация коридора, по которому он будет перемещаться, пока не достигнет нижней границы области или верхней грани обломка ранее сформированного ряда, определяются с помощью процедуры розыгрыша, при реализации которой используются средние выборочные оценки и среднеквадратические отклонения характеристик А, kуд, kуп, А1, А2 и С2. После заполнения заданного континуума пространства определяется плотность упаковки, а при существенном ее отличии от заданного значения упаковка оптимизируется по плотности. На втором этапе формируются связи между обломками, рассчитываются параметры распределения значений числа контактов у обломков, а при существенном их отличии от заданных значений упаковка оптимизируется по числу контактов. На третьем этапе разыгрываются значения площадей трех типов контактов FI, FII и FIII с учетом вероятностей, с которыми они встречаются. При пересечении границ квазиоднородных зон параметры распределений значений А, kуд, kуп, А1, А2, С2, N, FI, FII и FIII изменяются автоматически.
Параметры нормальных и логнормальных распределений структурных характеристик массива крупнообломочных пород и двух из десяти его математических моделей, полученных с помощью разработанной программы PACKING, представлены в табл. 1.
Таблица Параметры распределений структурных характеристик Средние оценки и (среднеквадратические отклонения) структурных характеристик Плотдлина коэффициенты число логарифмы Объект ность, обломков, м удлинения и уплощения контактов площадей контактов г/смI, II и III типов, мА ( ) k ( ) N ( ) lgF ( ) A k N lgF 0,1128 0,0447 k = 0,6820 = 0,1923 6,3460 2,1792 I -0,3208 0,23Массив 1,8 уд Куд k = 0,6112 = 0,1805 II 0,1242 0,19 уп Куп III 0,7102 0,43Первая 0,1126 0,0396 k = 0,7567 = 0,1383 5,8510 2,7809 I -0,3197 0,201,8 уд Куд модель k = 0,5578 = 0,1458 II 0,1242 0,17уп Куп III 0,7076 0,38Вторая 0,1123 0,0395 k = 0,7527 = 0,1386 6,4394 2,7553 I -0,3201 0,201,8 уд Куд модель k = 0,5568 = 0,1453 II 0,1232 0,17 уп Куп III 0,7098 0,38При сравнении параметров распределений структурных характеристик массива и десяти его математических моделей установлена высокая степень соответствия по средним оценкам (0,1 - 3,2 %) и удовлетворительная по их среднеквадратическим отклонениям (10 - 28 %).
Решение задачи повышения достоверности исходных данных о свойствах смесей песчаных и пылевато-глинистых пород нарушенного сложения в экскаваторных отвалах потребовало разработки:
- рациональных схем отбора проб из отвалов в виде конусов и гребней;
- способов их разграничения на квазиоднородные зоны с учетом закономерного изменения показателей физического состояния пород;
- новых приборов для изучения механических свойств пород нарушенного сложения;
- расчетных схем, отражающих особенности строения породных массивов и передачи на них дополнительных нагрузок.
Разработанные рациональные схемы опробования экскаваторных отвалов позволили автоматизировать процедуру пространственной привязки точек отбора проб с поверхностей отвалов и значительно сократить количество проб, отбираемых из шурфов и скважин. Эффект достигнут за счет увеличения расстояния между соседними точками опробования - zi в порядке, заданном уравнениями:
z1 = h (1 ( n 1) / n );
отвал в виде конуса - i ; (1) 3 ( ) z = h z n i ( h ( h z1 ) ) i k k = отвал в виде гребня - z1 = h (1 ( n 1) / n );
i, (2) 2 ( ) z = h z n i ( h ( h z1 ) ) i k k = где h - высота отвала; п - число точек опробования; i - номер точки.
При определении числа проб, необходимого для разграничения таких массивов на квазиоднородные зоны, использовались параметры изменчивости характеристик состава и физического состояния пород в свежеотсыпанных песчано-глинистых отвалах, полученные в ходе обработки больших объемов данных.
При анализе характеристик состава и физического состояния проб, взятых из экскаваторных отвалов, установлено следующее:
- не имеет закономерного характера распределение разномасштабных компонент в отвалах, формируемых при разработке глубоких обводненных валунистых россыпей из пород подводной и надводной части забоя, поскольку смесь, состоящая из воды, крупнообломочных, песчаных и пылевато-глинистых пород, поступает в отвалы из ковша экскаватора в виде компактных порций;
- существенно изменяется состав пород в отвалах, формирующихся из смесей необводненных песчаных, супесчаных, суглинистых и глинистых пород, вследствие разделения разномасштабных компонентов смесей в гравитационном поле и закономерного распределения кусков глинистых пород в пределах отвалов и у их подножий;
- закономерно изменяется плотность в однородных по составу и влажности отвалах, формирующихся из необводненных песчаных, супесчаных и суглинистых пород, которые в процессе экскавации и отсыпки разрушаются до мелких агрегатов и смешиваются.
Изменение плотности в направлении вертикальных осей однородных по фракционному составу супесчаных отвалов Красноармейского месторождения россыпного золота и суглинистых отвалов Харанорского угольного разреза соответственно описывают зависимости (3) и (4).
= 1,192 + 0,339 z 0,2; z, м; 0 < z 30 м; (3) = 1,149 + 0,388 z 0,2; z, м; 0 < z 20 м. (4) Для разграничения такого рода отвалов на квазиоднородные зоны разработаны усовершенствованные вариационные методы, учитывающие закономерное изменение плотности.
1. Метод разграничения массива на квазиоднородные зоны по результатам проверки гипотез о равенстве средних значений и дисперсий по схеме последовательного приближения расхождений между средними оценками в соседних зонах к их средней величине (рис. 1). В результате его реализации определено оптимальное (соответствующее условию выхода из цикла) расхождение между средними значениями плотности в соседних зонах (y = 0,06 г/см3) и подтверждена однородность нижней зоны отвала - его ядра.
Расчет средней оценки шага Проверка гипотез Nj- Расчет средних Предварительное о равенстве оценок yi и | уi+1 - уi | разграничение сосредних оценок i= дисперсий в вокупности значеуm = и дисперсий в, m = 1, 2, 3...
зонах, i = 1... N j ний на выборки Nj -соседних зонах Разделение исходной Определение частных совокупности значений оценок сходимости Выход на большее число выборок Если k = | уm - | yi+1 - yi ||, Если или уточнение положения k = 1... N - kmax kmin j kmax kmin границ между зонами Рис. 1. Алгоритм метода разграничения массива на квазиоднородные зоны по результатам проверки статистических гипотез 2. Метод, основанный на использовании уравнения регрессии y= f(z), заданной толщины верхнего слоя и принципа равенства оптимальной величине шага y расхождений между средневзвешенными оценками в соседних слоях, рассчитанными по формуле (5).
z y = f ( z ) dz i, (5) z - z 2 zгде z1 и z2 - расстояния от поверхности отвала до верхней и нижней границы i-й зоны соответственно.
При сравнении полученных при реализации обоих методов результатов установлено, что положение границ, определенных вторым методом, точнее отражает характер изменения плотности в верхних слоях свежеотсыпанных отвалов.
При этом для уточнения коэффициентов уравнения y= f(z) требуется меньше данных, чем для проверки статистических гипотез о равенстве средних значений и дисперсий в соседних зонах.
С помощью разработанных программных комплексов GRUNT и DISINTEGRATION автоматизированы трудоемкие процедуры проверки статистических тестов, разграничения экскаваторных отвалов на квазиоднородные зоны, определения вида функций, описывающих изменение характеристик пород и некоторые другие.
В лабораторных условиях образцы, приготовленные из материала средней пробы (взятой из отвалов Красноармейского месторождения), испытывались на сдвиг с контролем плотности и влажности. Методикой обработки результатов испытаний предусмотрено получение семейства уравнений, отражающих зависимость сопротивления сдвигу пр от плотности при давлениях 0,02 - 0,30 МПа;
определение с помощью уравнений вида пр = f() сопротивлений сдвигу пр,i, соответствующих заданным значениям плотности и давления; использование значений пр,i при расчете сцеплений сi и углов внутреннего трения i, а уравнения = f(z) при определении значений плотности, соответствующих заданным значениям zi.
В результате регрессионного анализа полученных данных установлена зависимость между с и z в супесчаных отвалах, рассчитан коэффициент корреляции r и погрешности s определения значений с и :
c = 0,124 + 15,631 z 0,2; z, м; rc = 0,98; sc = 1,118 кПа; (6) = 28,32; s = 0,61 град. (7) При подготовке расчетных схем отвалов Красноармейского месторождения использовался усовершенствованный вариационный метод. Выделенным с его помощью квазиоднородным зонам присваивались средневзвешенные значения плотности и сцепления; средние значения угла внутреннего трения и коэффициента поперечной деформации; секущие модули деформации, определенные по результатам компрессионных испытаний образцов с насыпной плотностью. При обработке результатов компрессионных испытаний использовались интервалы давлений, ограниченные значениями, рассчитанными с использованием выражений (3) и (8) при значениях zi, соответствующих границам квазиоднородных зон.
zi = ( z ) dz, (8) zi где zi - расстояние от поверхности до i-й границы расчетной области.
При подготовке расчетных схем отвалов Харанорского разреза границы квазиоднородных зон устанавливались методом пошаговой разбивки, а секущие модули деформации определялись по результатам компрессионных испытаний образцов, отобранных с поверхностей и из ядер отвалов, в интервалах давлений, рассчитанных с помощью выражений (4) и (8). Средневзвешенные оценки характеристик прочности на сдвиг определялись с помощью зависимостей (9) и (10), полученных при обработке данных пенетрационного зондирования отвалов.
c = 3,300 + 13,208 z 0,15; z, м; rс = 0,80; sс = 1,527 кПа; (9) = 17,61 + 1,41 z 0,50; z, м; r = 0,83; s = 0,61 град. (10) При сравнении результатов исследований супесчаных и суглинистых отвалов установлено, что по мере увеличения содержания глинистых частиц в составе горной массы степень изменения сцепления в верхних слоях песчаноглинистых отвалов уменьшается, а степень изменения угла внутреннего трения, наоборот, увеличивается. При увеличении влажности исходной смеси сужаются диапазоны изменения по глубине обеих характеристик.
Образцы пород угольных и россыпных месторождений испытывались на стандартных и крупногабаритных, обычных и модифицированных компрессионных и сдвиговых приборах, а также на механическом стабилометре (рис. 2).
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 b контролируется вертикальным перемещением плунжера h1, а изменение высоты образца h2 - вертикальным перемещением поршня.
При обработке результатов испытаний деформационные и прочностные характеристики определялись по стандартной методике с учетом соотношений:
b = h1 ctg; x = b /bо; z = h2 /hо; x = Q2 /F2 Cos; z = Q1/F1 ctg, (11) где hо и bo - высота и ширина образца до приложения нагрузки; - угол конусности прибора; F1 - площадь боковой поверхности конической части плунжера;
F2 - площадь верхнего поперечного сечения образца.
С учетом того, что нормальное напряжение вдоль вертикальной оси z одновременно увеличивается за счет конусности образца и уменьшается за счет сил трения, при конструировании прибора геометрические параметры плунжера и поршня были определены из условия равенства значений z в уровне верхнего и нижнего поперечных сечений образца при гидростатическом сжатии (x/z =1).
Q4 1 2 Q1 6 h1 h b hо bo 14 13 12 11 Рис. 2. Схема механического стабилометра:
1 - корпус; 2 - плунжер; 3 - поршень; 4 - индикаторы часового типа; 5 и 6 - нагрузочные устройства; 7 - рама; 8 - полость; 9 - отверстия для датчиков порового давления;
10 - устройство для подачи воды; 11 - перфорированное днище; 12 - герметизирующая прокладка; 13 - винт-фиксатор; 14 - устройства, регулирующие температуру и обеспечивающие циркуляцию жидкости в системе При отклонении отношения x/z от единицы добиться равенства значений z в уровне верхнего и нижнего поперечных сечений образца позволяют поправки Q1 и Q2.
Q1= F1 fТ Sin (x Sin2 + z Cos2); (12) Q2= T F2/( F2 - F2Т); (13) T = TТЦ TФ; (14) T = 2hf(R + r - h ctg )(x Sin2 + z Cos2), (15) где f ' - коэффициент трения на контакте образца с боковой поверхностью прибора; F2' - площадь нижнего сечения образца; R и r - наружный и внутренний радиусы его верхнего сечения; T ' и T '' - силы трения, рассчитанные по формуле (15) при x/z = 1 и x/z 1 соответственно.
Усовершенствованная конструкция этого прибора позволяет замораживать, оттаивать, насыщать образцы водой и измерять в них поровое давление. Разработан комплекс методик проведения таких испытаний.
При исследовании глинистых пород, содержащих до 16 % обломков, поступавших в отвалы Мараканского месторождения россыпного золота, использовался крупногабаритный модифицированный одометр. В ходе испытаний на этом приборе образцов, отличающихся по влажности, измерялись усилия, передающиеся через верхний и нижний диски.
При расчете коэффициентов бокового давления в порядке, заданном системой уравнений (16), использовалась установленная зависимость величины fТ от влажности мелкодисперсной компоненты смеси.
k = (P1i - P2i)/Fb; x = k/fТ; z=(P1i+P2i)/2F; = x /z, (16) где P1i и P2i - усилия, передающиеся на образец через верхний и нижний диск соответственно; Fb - площадь поперечного сечения образца; F - площадь его боковой поверхности.
Результаты, полученные при исследовании свежеотсыпанных отвалов, позволили обосновать использование расчетных схем, разбитых на квазиоднородные по плотности зоны, при определении предельных параметров их откосов.
В результате анализа горно-геологических условий ряда россыпных, угольных и рудных месторождений Сибирского региона установлено, что борта карьеров и основания нагорных отвалов не однородны по составу и свойствам пород. Сложное строение и значительная степень изменчивости характеристик пород обусловили выделение на расчетных схемах бортов карьеров от 2 до 9 квазиоднородных зон, а на расчетных схемах нагорных отвалов и их оснований до таких зон.
Методики геомеханического обоснования параметров техногенных и природно-техногенных массивов Решение задачи повышения надежности геомеханических оценок в условиях взаимодействия техногенных массивов с горными машинами потребовало разработки методик математического моделирования напряженно-деформированного состояния неоднородных породных массивов в условиях передачи на них дополнительных нагрузок, а также разработки надежных критериев его оценки.
При реализации предложенного подхода параметры породных массивов обосновывались решениями статической или квазистатической упругопластической задачи, полученными с помощью программ, разработанных под руководством А.Б. Фадеева и Ш.М. Айталиева.
При решении упругопластической задачи использовалась программа Геомеханика, реализующая методом конечных элементов (МКЭ) деформационную модель идеальной упругопластической среды с помощью обычного набора механических характеристик пород, получаемых при инженерно-геологических изысканиях. Выбранная модель реализуется следующим образом.
Если напряжения не превосходят предельного уровня, связь между ними и деформациями описывается законом Гука. Предельные напряжения в области сжатия ограничиваются критерием Кулона, а в области растяжения - прочностью породы на растяжение. При превышении фактическими напряжениями теоретических значений нелинейная задача решается методом начальных напряжений, при реализации которого на каждом шаге расчета матрица жесткости системы остается постоянной, а вектор сил системы изменяется.
При определении предельных параметров глинистых отвалов Мараканс- кого россыпного месторождения квазиоднородным по плотности зонам, выделенным на расчетных схемах, присваивались средние выборочные оценки характеристик физико-механических свойств пород, а при определении параметров супесчаных отвалов Красноармейского россыпного месторождения - средневзвешенные оценки. При определении предельных параметров суглинистых отвалов Харанорского угольного разреза (рис. 3) использовались данные, подготовленные тремя способами. Квазиоднородным зонам присваивались: 1) средние выборочные оценки; 2) средневзвешенные; 3) слоям присваивались средневзвешенные, а нижней зоне (ядру) отвала - средние выборочные.
- расчетные параметры отвалов в виде конусов;
- расчетные параметры отвалов в виде гребней;
- фактические параметры отвалов в виде конусов;
- фактические параметры отвалов в виде гребней;
1, 2 и 3 - линии, соответствующие первому, второму и третьему способам подготовки данных для расчетов h, м Рис. 3. Графики изменения параметров отвалов Во всех случаях предельный угол откоса фиксировался при выходе в пластику большинства элементов, примыкающих к контуру расчетной области, в условиях стабилизации пластических деформаций.
Комплекс методик получения и обработки данных, подготовки расчетных схем, выполнения геомеханических расчетов и оценки их результатов позволил получить достаточно высокую степень соответствия между расчетными и реальными параметрами отвалов Харанорского разреза, Мараканского и Красноармейского россыпных месторождений, а также обеспечил совпадение по форме очертаний профилей экскаваторных отвалов и их математических моделей.
В результате сравнения трех способов подготовки исходных данных установлено, что наиболее высокая степень соответствия между углами, измеренными в пределах прямолинейных участков суглинистых отвалов, и углами откосов их математических моделей достигнута при использовании наиболее эффективных оценок свойств пород, характеризующихся минимальными среднеквадра- тическими отклонениями, т.е. оценок, соответствующих третьему способу подготовки данных. При обработке результатов расчетов, соответствующих этому способу, получены уравнения, описывающие изменение параметров откосов отвалов в виде конусов (17) и отвалов в виде гребней (18):
с = 48,96 - 0,76 h 0,80; h, м; 20 h < 50; (17) с = 50,73 - 0,45 h 0,95; h, м; 20 h < 50. (18) На основании сравнения математических моделей суглинистых отвалов в виде конусов и в виде гребней установлено несовпадение границ зон, в которых напряжения достигают предельных значений. Выявлены расхождения между значениями осевых напряжений х, у, и перемещений их и иу, достигающие соответственно 12,0; 8,2; 26,1; 50,9 и 17,7 %, а также отличия в предельных углах откосов на 1 - 4.
Полученными результатами подтверждена необходимость учета формы отвала при определении угла его откоса.
На стадии проектирования рудных и россыпных месторождений исходные параметры профилей бортов глубоких карьеров, сложенных породами различного генезиса, и многоярусных отвалов, формируемых на неровных склонах, перекрытых слабыми отложениями, корректировались с учетом результатов численного моделирования напряженно-деформированного состояния неоднородных породных массивов.
При этом как в случаях выхода на поверхности обнажений массивов границ областей, в которых напряжения достигли предельных значений, так и в случаях недостижения напряжениями предельных значений в расчетные схемы вносились изменения, касающиеся параметров откосов, ширины берм, положения отвалов и т.п.
В связи с использованием выработок и пещер в промышленных, хозяйственных и др. целях возникла необходимость в надежной оценке сейсмостойкости систем крупных естественных или искусственных полостей в условиях приближения к ним границ карьеров, разрабатываемых способов взрывной отбойки пород.
Методика, учитывающая реакцию системы полостей на сейсмовзрывные воздействия различной интенсивности и нелинейный характер деформаций трещиноватых пород, разработана и опробована на примере уникального карстового комплекса, расположенного в границах горного отвода УстьБорзинского месторождения известняков.
Статус памятника природы государственного значения, с одной стороны, и стремление горного предприятия сократить потери полезного ископаемого, с другой стороны, способствовали принятию решения об определении оптимальных размеров целика и параметров буровзрывных работ. В ходе решения поставленной задачи составлена карта и построены разрезы карстового комплекса;
изучен его температурный режим; определены физико-механические характеристики пород, при этом деформационные свойства трещиноватых известняков изучены акустическим и сейсмическим методами; записаны велосиграммы и акселерограммы взрывов, послужившие основой для искусственных акселерограмм более мощных сейсмовзрывных воздействий.
При математическом моделировании сейсмовзрывных воздействий различной интенсивности на несплошной массив его состояние оценивалось путем последовательного решения: 1) динамической упругой задачи способом разложения вынужденных перемещений по формам собственных колебаний с использованием искусственных акселерограмм сейсмовзрывных воздействий различной интенсивности; 2) статической упругопластической задачи; 3) квазистатической упругопластической задачи с использованием в качестве исходных данных максимальных векторов перемещений узлов расчетной области {Uxi,уi}max, выделенных в пределах всего временного ряда из массива данных {Uxi,уi}k, сформированного следующим образом:
{Uxi,уi}k = {Udxi,уi}k - {Ucxi,уi}, (19) где Udxik,уik - вектор перемещения i-го узла на k-м шаге табулирования выходных данных по времени при решении упругой динамической задачи; Ucxi,уi - вектор перемещения i-го узла при решении статической упругопластической задачи.
По результатам решений квазистатической задачи состояние несплошного массива оценивалось как неустойчивое при выходе границ областей пластических деформаций на внутренние и внешние поверхности сводов сообщающихся полостей.
С учетом векторной скорости, соответствующей допустимому уровню сейсмовзрывного воздействия на несплошной массив, рассчитаны максимальные массы зарядов и определена оптимальная ширина целика.
В результате анализа напряженно-деформированного состояния несплошного массива установлено, что при приближении границы карьера в одних элементах карстового комплекса напряжения уменьшаются, а в других возрастают, но не более чем на 4,6 - 9,8 %. При этом на сейсмостойкость сводов эти изменения заметного влияния не оказывают.
Высокая надежность разработанных методик геомеханического обоснования параметров неоднородных техногенных и природно-техногенных массивов подтверждена устойчивым состоянием бортов, отвалов и всех элементов уникального карстового комплекса.
Геомеханическое обеспечение эксплуатации шагающих экскаваторов на свежеотсыпанных песчано-глинистых отвалах На основе положений системного анализа, теории надежности и теории рисков разработана методика оценки вероятностей развития недопустимых кренов и осадок в основании опорных плит (баз) шагающих экскаваторов в условиях использования песчано-глинистых свежеотсыпанных отвалов в качестве их рабочих площадок.
На первом этапе реализации этой методики выделены характеристики драглайнов, от которых зависят условия их эксплуатации на отвалах. В их перечень включены давление, передающееся на основание через базу драглайна; допустимая осадка базы; углы ее наклона, допустимые при работе и передвижении шагающего экскаватора.
По величине среднего давления Рб, передаваемого на основание через базу при работе экскаватора, драглайны разделены на четыре класса: I - легкие (Рб не более 0,06 МПа); II - средние (Рб - 0,08 - 0,10 МПа); III - тяжелые (Рб - 0,11 - 0,14 МПа) и IV - сверхтяжелые (Рб не менее 0,18 МПа).
По величине допустимой осадки базы, зависящей от типа и технических характеристик ходового оборудования, драглайны разделены на три подкласса: I - с механическим приводом и минимальной величиной допустимой осадки (Skmin); II - с гидравлическим приводом, неполным отрывом базы от основания при перемещении драглайна и средней величиной допустимой осадки (Skcp); III - с гидравлическим приводом, полным отрывом базы от основания и максимальной величиной допустимой осадки (Skmaх).
По сочетаниям уровней трех показателей эксплуатационной безопасности (осадки базы - Sk, угла ее наклона при работе драглайна - Ik1 и его передвижении - Ik2) драглайны разделены на пять групп: I - легкие (Ik1min, Ik2cp, Skmin); II - среднего класса с механическим приводом (Ik1min, Ik2maх, Skcp); III - среднего класса с гидравлическим приводом (Ik1maх, Ik2maх, Skcp); VI - тяжелые (Ik1maх, Ik2cp, Skcp) и V - сверхтяжелые (Ik1cp, Ik2min, Skmaх).
Допустимые углы наклона базы при работе и передвижении экскаватора в порядке убывания распределены следующим образом:
Ik1maх = 2 ; Ik1cp = 1,5 ; Ik1min = 1; Ik2maх = 10 ; Ik2 cp = 7; Ik2min = 5, град.
Допустимые осадки предложено определять с помощью соотношений (20), учитывающих конструктивные особенности механизмов перемещения экскаваторов и размеры их опорных элементов:
Skmaх = Hb; Skср = D Sin(Ik1); Skmin = 0,1+ Sin(Ik1)D/2, м, (20) где D - диаметр базы; Hb - высота, на которую поднимается база, прежде чем начинает скользить по опорным плитам.
По результатам анализа данных о причинах простоев и повреждений драглайнов вероятными признаны следующие аварийные ситуации:
1) отказ поворотного механизма вследствие превышения углом наклона базы величины Ik1; 2) потеря драглайном способности самостоятельно передвигаться при развитии в основании базы осадки, превышающей величину Sk; 3) потеря драглайном устойчивости и его повреждение при превышении углом наклона базы величины Ik2; 4) разрушение экскаватора при падении с откоса, потерявшего устойчивость.
С учетом дополнительных эксплуатационных затрат на ликвидацию последствий аварий первые две ситуации отнесены к низшему уровню опасности, а две последние - к высшему.
В виде логических схем (21) и (22) представлены два уровня безотказности экскаваторно-отвальных систем: 1) не допускающий развития ни одной из аварийных ситуаций; 2) не допускающий развития ситуаций, при которых производство работ становится нерентабельным.
I < Ik1 и S < Sk и I < Ik2 и отсутствие отказа по показателю Uk; (21) I < Ik2 и отсутствие отказа по показателю Uk (22) где I - расчетное значение угла наклона базы; S - расчетное значение осадки базы; Uk - качественный показатель потери откосом устойчивости при выходе области пластических деформаций к границам обнажений породного массива.
На обоих уровнях вероятность отказа системы Р принята равной максимальной из вероятностей отказов в проверяемых ситуациях Pi, P = Pmax,i. (23) Выделены два способа формирования рабочих площадок для драглайнов на ранее сформированных ими отвалах: 1) площадка сформирована в результате срезки верхней части экскаваторного отвала в виде конуса до уровня, обеспечивающего размещение базы драглайна в границах однородной и наиболее уплотненной нижней зоны экскаваторного отвала (его ядра); 2) площадка сформирована при отсыпке конусообразного массива с горизонтальной площадкой в уровне максимальной высоты разгрузки ковша экскаватора.
Максимальные значения краевой осадки S и крена базы i (соответствующего углу ее наклона I) предложено рассчитывать по формулам (24), а использующуюся при определении S осадку по центральной оси базы S и устойчивость откоса оценивать по результатам решений МКЭ упругопластической задачи в пространственной осесимметричной постановке.
S = S + i D/2; i = is + ip; is = (S1 - S2)D; ip = 0,75 М (1- 2) /E (D/2)3; М = R Pc, (24) где (S1 - S2) - максимальная разница между краевыми осадками (по результатам пенетрационных испытаний принята равной 0,8 S); R - максимальный радиус разгрузки ковша; Рс - допустимое усилие на конце стрелы; и Е - деформационные характеристики сжимаемой толщи.
При определении осадок и углов наклона баз использовались расчетные схемы, отражающие условия взаимодействия шагающих экскаваторов и отвалов различной высоты с естественными или подрезанными откосами при двух способах формирования рабочих площадок. При этом квазиоднородным по плотности зонам отвалов присваивались средние оценки свойств отвальных пород, а также их наименее и наиболее надежные оценки. Соответствующие средним оценкам значения S, i и предельные углы откосов отвалов - приведены на рис. 4.
Способы формирования рабочих площадок на отвалах:
первый второй , град Предельный угол откоса , град 90 1 1 80 2 70 60 3 60 50 4 50 40 5 40 3 30 30 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 35 H, м S, м S, м Осадка базы 0,9 0,0,8 I 0,0,7 0,0,6 5 0,6 5 4 0,5 II 0,0,4 0,4 0,3 0,3 0,2 III 0,2 0,1 1 2 0,0,0 5 10 15 20 25 30 0,0 5 10 15 20 25 30 35 Н, м I, град Угол наклона базы I, град 10 10 8 6 6 1 4 I 2 4 3 II 3 2 III 2 1 1 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 35 Н, м Рис. 4. Графики изменения предельного угла подрезанного откоса, осадки и крена базы при увеличении высоты отвалов, нагруженных экскаваторами:
1 - ЭШ 6/45; 2 - ЭШ 10/70; 3 - ЭШ 15/90; 4 - ЭШ 20/90 и 5 - ЭШ 100/100, предельные уровни установки экскаваторов по условиям формирования рабочих площадок: I - ЭШ 100/100; II - ЭШ 15/90 и ЭШ 20/90; III - ЭШ 6/45 и ЭШ 10/При построении функций рисков, приведенных на рис. 5, высотам подсыпок, соответствующим предельным уровням и полученным при использовании наиболее надежных, средних и наименее надежных оценок свойств пород, ставились в соответствие нулевой, пятидесяти- и стопроцентный уровни рисков, а предельным высотам временных отвалов - уровни рисков, не достигающие 50 %.
I PS kmax = 0; Рik1 = 0; Pik2 = 0; 1 и 2 - Рэ = 100 % 11 60 1 2 1 3 II а) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 H, м 1 80 1 - Рэ = 53 %; 2 - Рэ = 91 % 1 б) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 H, м 1 80 1 - Рэ = 45 %; 2 - Рэ = 68 % 1 20 в) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 H, м 1 80 1 - Рэ = 40 %; 2 - Рэ = 64 % 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 H, м Рис. 5. Функции рисков: а - потери откосом устойчивости; б - развития недопустимой осадки; в - развития недопустимого крена в основании базы драглайна, работающего на площадке, сформированной I или II способом;
1 и 2 - предельные уровни установки экскаваторов ЭШ 20/90 и ЭШ 100/100;
3, 4 и 5 - границы опасных зон при уровне риска - 20, 40 и 50 % соответственно;
области неиспользованных ресурсов систем с: ЭШ 20/90 - ; ЭШ 100/100 - Первому уровню безотказности экскаваторно-отвальных систем соответствуют функции рисков, приведенные на рис. 5 I, а второму уровню - на рис. 5 II б и в.
В рамках предложенного подхода опасную зону ограничивают высота Нi, соответствующая условию Р = 50 %, и высота Hmax, соответствующая максимальному уровню установки экскаватора на отвале, а степень использования тех- k U k U k S kI Вероятности отказов экскаваторно-отвальных систем по критериям, % :
нического ресурса экскаваторно-отвальной системы РЭ рассчитывается по формуле (25).
РЭ = 100 Hi /Hmax. (25) Полученные результаты позволили отдать предпочтение первому способу формирования рабочих площадок на отвалах и сгруппировать драглайны по степени использования технического ресурса (табл. 2).
Таблица Классификация драглайнов по степени использования ресурса технических характеристик при работе на песчано-глинистых отвалах Степень использования технического ресурса максимальная средняя минимальная Тяжелые драглайны и последние Сверхтяжелые Легкие драглайны и драглайны модификации драглайнов среднего класса драглайны среднего класса с гидравлическим приводом с механическим приводом Физическое моделирование и аналитическое описание процессов формирования и деформирования экскаваторных отвалов Процессы формирования и деформирования песчано-глинистых экскаваторных отвалов изучены на физических моделях из однородных смесей и смесей разномасштабных компонентов, удовлетворяющих следующим критериям подобия метода эквивалентных материалов:
--cm = cn 1,т / 1,п; tgm = tgn; 1,п / 1,т = / ;, (26) Pm = Pn 1,т / 1,п 2,п 2,т где -1 - линейный масштаб моделирования; 2,т и 2,п - удельный вес глинистой породы и эквивалентного ей материала; 1,т, cm, m и 1,п, cn, n - соответственно удельный вес, сцепление, угол внутреннего трения мелкодисперсной компоненты смеси и эквивалентного ей материала.
Данными о причинах аварийных ситуаций и результатами геомеханических расчетов установлено, а результатами физического моделирования подтверждено, что при увеличении высоты отвала, использующегося в качестве рабочей площадки драглайна, сначала максимальный угол наклона базы экскаватора достигает величины Ik1, а затем ее максимальная краевая осадка достигает величины Sk. При устойчивом состоянии откоса отвала и его основания угол наклона базы не достигает величины Ik2.
При физическом моделировании процесса равномерной подрезки откоса отвала работающим на нем экскаватором установлено, что очертания верхних и нижних бровок откосов после их обрушения сохраняют форму окружностей. Сдвиг отдельных блоков происходит после подрезки откоса до определенного угла в пределах сектора определенного размера. Пока размер такого сектора превышает 185 град, разрушение откоса не сопровождается развитием заметного крена в основании базы экскаватора. По мере увеличения высоты нагруженного отвала сектор, в пределах которого подрезка откоса приводит к развитию оползня, сужается, а крен в основании базы экскаватора увеличивается до значения, при котором становится возможным падение экскаватора (рис. 6). В связи с этим не рекомендуется подрезать откосы отвалов высотой 15 м и более в пределах даже небольших секторов.
Im, град Sm, см 25 20 1 15 10 Ik2 = 7 град 5 Ik1 = 2 град 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Hm, м 0 6,5 13,0 19,5 26,0 Hn, м Рис. 6. Графики изменения осадки базы ЭШ 20/90 - 1 и ее крена - при увеличении высоты супесчаного отвала В результате анализа параметров моделей конусных отвалов различного состава выделены три стадии их формирования, отличающиеся по степени и характеру изменения трех углов: o - измеренного от основания отвала; с - измеренного в пределах прямолинейного участка линии откоса; g - угла наклона линии, соединяющей верхнюю и нижнюю точки откоса. Установлено, что на первой стадии формирования быстро увеличиваются высота hm и контролируемые углы. При этом порции смесей остаются на месте, а отвалы не деформируются. На второй стадии контролируемые углы изменяются несущественно, а порции смесей смещаются по склону. В конце этой стадии начинают формироваться глубокие трещины. На третьей стадии геометрические параметры откосов периодически увеличиваются до значений, при которых конусные отвалы деформируются. При деформации 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. От цикла к циклу отвал деформируется при меньшем значении угла, измеренного в пределах прямолинейного участка линии откоса.
При этом откосы суглинистых по составу отвалов периодически приобретают вогнутую форму в результате развития глубоких оползней, а откосы супесчаных по составу отвалов - выпуклую в результате оседания и расширения. Характерные для выделенных стадий профили отвалов представлены на рис. 7.
1 2 III III* p 5 % II I p >5 % Диапазоны изменения углов откоса физических моделей отвалов 1 2 m,g = 7,4 m,g = 6,7Е 7,4 m,g = 8,9Е 11 m,с = 15 m,о = 14,0Е 15,5 m,о = 9,0Е 11 - m,с = 6,5Е 8,5 m,o m,c Рис. 7. Порядок изменения формы профилей конусных отвалов в процессе отсыпки в них материалов эквивалентных:
1 - смесям суглинистого состава, содержащим куски глинистых пород;
2 - смесям суглинистого состава; 3 - смесям супесчаного состава;
I - стадия увеличения угла откоса; II - стадия поверхностных оползней;
III - стадия глубоких локальных оползней; III * - стадия циклического оседания и расширения конусообразного отвала; профили отвалов: - в начале цикла;
- в середине цикла; - в конце цикла;
Ц область кольца разброса; - зона минимального содержания включений;
Ц зона максимального содержания включений Изменение параметров o и g на третьей стадии формирования суглинистых отвалов, а также угла g супесчаных отвалов описано гармоническими функциями. Кроме этого системой линейных уравнений (27) описано изменение контролируемых углов откосов суглинистых отвалов, а системой уравнений (28) - углов откосов супесчаных отвалов.
о = 44,48- 0,189 hm; g = 38,29 - 0,039 hm; c = 43,119 - 0,169 hm; (27) о c = 58,079 - 0,22 hm; g = 54,48 - 0,21 hm, 20 hm < 60 см. (28) Установленные закономерности указывают на необходимость корректировки углов откосов таких отвалов с учетом их высоты и состава на расчетных и технологических схемах.
При наличии крупных включений в составе смеси с увеличением высоты отвала верхний участок его откоса приобретает выпуклую форму, а нижний - вогнутую. Степень отклонения линии откоса от прямолинейного положения возрастает с увеличением высоты разгрузки ковша, содержания включений в исходной смеси и их среднего размера. При этом переход в третью стадию происходит только при содержании крупных включений в смеси, не превышающем 5 %.
На рис. 3 и 8 показана достаточно высокая степень сходимости между расчетными и фактическими параметрами отвалов и их моделей, подтверждающая достоверность оценок их состояния, полученных с помощью разработанных методик.
п, т, град 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Hm, м 0 5 10 15 20 25 30 Hп, м Рис. 8. Зависимость предельного угла откоса от его высоты при использовании супесчаного отвала в качестве рабочей площадки ЭШ-20/90 по результатам:
- физического моделирования;
- математического моделирования состояния физических моделей;
- математического моделирования состояния отвалов;
- измерений параметров подрезанных откосов При изучении на физических моделях закономерностей формирования конусных песчано-глинистых отвалов и распределения в их пределах кусков глинистых пород 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 дифференциро- ванное взвешивание. Полученные данные обрабатывались с помощью разработанной программы DISINTEGRATION, представляющей результаты расчетов в табличном и графическом виде.
В результате анализа фотографических материалов, картин изолиний и диаграмм распределений содержаний включений, а также визуальных наблюдений установлено следующее.
В конусных отвалах формируются зоны, существенно отличающиеся по содержанию включений. Их положение, форма и количество зависят от процентного содержания включений в исходной смеси - р, среднего размера включений - r, высоты разгрузки ковша - Нp и высоты отвала - h.
В зависимости от среднего размера включений, высоты разгрузки ковша и отвала в периферийной зоне его нижнего яруса скапливается 50 - 89 % включений, содержащихся в отвале, а у подножья отвала 9 - 32 % включений, содержащихся в отвале и кольце разброса. Из смесей, содержащих более 5 % крупных включений, на расстоянии 10 - 12 м от вертикальной оси отвала в зоне контакта 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 максимального значения на границе отвала с кольцом разброса.
В природных 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, так и снижение со временем эффективности дренажных систем в виде траншей, заполненных фильтрующим материалом.
При формировании внешних песчано-глинистых отвалов на площадках с организованным стоком дождевых и талых вод из смесей, содержащих крупные глинистые включения, их устойчивость повышается за счет призм упора, образующихся естественным образом.
В результате обработки данных по 141 модели установлено число зон, квазиоднородных по содержанию глинистых включений, и наиболее вероятное положение границ между ними. Эмпирическими уравнениями описано изменение содержаний включений в кольцах разброса Zk и в квазиоднородных по составу зонах отвалов Zd,i. Рассчитаны относительные объемы таких зон V. Результаты исследований представлены в табл. 3.
Таблица Статистическая модель распределения крупных глинистых включений в конусных отвалах Относительные объемы зон V, м, Содержание Схемы разграничения отвалов Высота формулы для расчета содержаний вклювключений в на квазиоднородные зоны отвала чений в зонах Z и кольце разброса Z,% d k смеси p, % h, м V = 1;
h до 10 Z = p(33,374 r 0,7 + 0,053 H )/1k p b 1: V = 0,75; при r = 0,672 - Z = 0,552 p;
d,2 2: h/3; b/ при r = 0,168 - Z = 0,751 p;
d, 2: V = 0,25; Z = 1,291 p d,15 до 1: V = 0,82; при r = 0,672 - Z = 0,601 p;Х d, 2 2: h/4; b/ при r = 0,168 - Z = 0,757 p;
d, 2: V = 0,18; Z = 1,2917p d,20 до 1 1: h - h/ 1: V = 0,28; Z =0,553 p;
d, 2 2: b/ 2: V = 0,54; при r = 0,672 - Z = 0,654p;
d, 3 3: h/4; b/5 при r = 0,168 - Z = 0,889 p;
d,20 от 10 до 3: V = 0,18; Z = 1,291p d, 1: V = 0,75; при r = 0,672 - Z = 0,543p;
d, 2 2: h/5; b/ при r = 0,168 - Z = 0,746 p;
d, 2: V = 0,25; Z = 1,156 p d,25 до 1: V = 0,37; при r = 0,672 - Z = 0,380 p;
d, 2 2: h; b/ при r = 0,168 - Z = 0,624 p;
d, 3 3: h/5; b/2 2: V = 0,23; Z = 0,605 p;
d,25 от 10 до 3: V = 0,27; Z = 0,8934 p;
d, 4 4: h/5; b/ 4: V = 0,13; Z = 1,634 p d, 1: V = 0,50; при r = 0,672 - Z = 0,402 p;
d, 2 2: h - h/6; b/6-b/ при r = 0,168 - Z = 0,576 p;
d, 3 3: h/6; b/2 2: V = 0,19; при r = 0,672 - Z = 0,626 p;
d,30 до при r = 0,168 - Z = 0,776 p;
d, 3: V = 0,31; Z = 1,306 p d, 1: V = 0,51; при r = 0,672 - Z = 0,402 p;Х d, 2 2: h - h/6; b/6 - b/ при r = 0,168 - Z = 0,575 p;
d, 3 3: h/6; b/2 2: V = 0,13; при r = 0,672 - Z = 0,615 p;
при r = 0,168 - Z = 0,770 p;
d, 4 4: h/6; b/30 от 10 до 3: V = 0,24; Z = 1,006 p;
d, 4: V = 0,12; Z = 1,734 p d, 1: V = 0,57; при r = 0,672 - Z = 0,344 p;
d, 2 2: h - h/7; b/7-4b/ при r = 0,168 - Z = 0,419 p;
d, 3: h/7; 3b/7 2: V = 0,20; Z = 0,717 p;
d,35 до 3: V = 0,23; Z = 1,510 p d, 1: V = 0,39; при r = 0,672 - Z = 0,325 p;Х d,2 2: h - h/7; b/7-2b/ при r = 0,168 - Z = 0,510 p;
d, 3 4 3: h/7; 4b/ 2: V = 0,10; Z = 0,672 p;
d,4 4: 2h/7- 3: V = 0,18; Z = 1,124 p;
6h/7; b/d,35 от 10 до 5: h/7; b/7 4: V = 0,09; Z = 0,301 p;
d, 5: V = 0,24; Z = 2,216 p 5 d,Управление устойчивостью внутренних и внешних отвалов угольных и россыпных месторождений Натурные наблюдения за деформациями песчано-глинистых отвалов, результаты физического моделирования, а также установленные при их анализе закономерности явились основой для разработки следующих рекомендаций по формированию отвалов и изменению углов наклона стрел шагающих экскаваторов.
В результате сопоставления параметров стрел драглайнов и экскаваторных отвалов установлено, что при разработке угольных и россыпных месторождений в различных горно-геологических условиях экскаваторы с углом наклона стрелы от 25 до 35 формируют отвалы с углом откоса от 15 до 41, т.е. в лучших горногеологических условиях не полностью используется ресурс шагающих экскаваторов по длине стрелы, а в худших - по высоте разгрузки ковша. При этом в обоих случаях при существенном отличии угла наклона стрелы от угла откоса отвала емкость последнего снижается. В таких условиях увеличение емкости отвалов возможно обеспечить при использовании легких экскаваторов и экскаваторов среднего класса с углом наклона стрелы, увеличенным до 38, при размещении в отвалах рыхлых смесей песчаных и пылевато-глинистых пород; экскаваторов среднего класса с углом наклона стрелы, уменьшенным до 30, при перемещении в отвалы порций слабых глинистых пород.
Нижние ярусы внутренних песчано-глинистых отвалов на наклонных площадках следует формировать из смесей, содержащих до 5 % кусков глинистых пород, а смеси с повышенным содержанием таких включений - перемещать во внешние отвалы. При необходимости их размещения в выработанном пространстве устойчивого состояния внутренних отвалов на наклонных площадках следует добиваться способом лочищения горной массы от крупных глинистых включений на стадии ее перевалки или способом удаления кусков глинистых пород с помощью взрывов из зоны контакта внутреннего отвала с основанием.
С помощью статистической модели распределения крупных глинистых включений в экскаваторных отвалах определено необходимое количество перевалок - N, в различных условиях обеспечивающее снижение содержания включений в смеси до уровня, при котором становится невозможным образование слабого слоя на контакте внутреннего отвала с основанием. В результате обработки данных получены зависимости, связывающие параметр N со средним размером r и содержанием включений р с высотой экскаваторного отвала h и высотой разгрузки ковша драглайна Hp в условиях удаления крупных глинистых включений из периферийных зон нижних ярусов промежуточных отвалов и колец разброса или только из колец разброса (рис. 9 и 10).
а) б) N N Hp = 25 м h = 10 м 16 r = 0,2 м r = 0,2 м 14 0, 0, 0, 10 0,10 0, 0, 8 0, 0, 6 0, 4 0, h = 35 м 4 0, Hp = 85 м 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 р, % 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 р, % Рис. 9. Зависимость количества перевалок с удалением включений из колец разброса экскаваторных отвалов при переэкскавации вскрышных пород:
а - от высоты отвала и среднего размера включений при Hp = 38 м;
б - от высоты разгрузки ковша и среднего размера включений при h = 20 м h =25 м N r = 0,2 м h = 35 м 0, 0, 0, 0, 0, 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 р, % Рис. 10. Зависимость количества перевалок с удалением включений из колец разброса и периферийных объемов нижних ярусов экскаваторных отвалов от высоты отвала и среднего размера включений при Hp = 38 м В результате анализа полученных зависимостей установлено, что область эффективного применения схем переэкскавации с удалением кусков глинистых пород только из колец разброса, обеспечивающих перемещение максимального объема вскрышных пород во внутренний отвал или его нижний ярус после 1-перевалок, ограничена.
Так, при минимальном размере включений использование легких экскаваторов и экскаваторов среднего класса неэффективно, а при их среднем и максимальном размере такие схемы эффективны только при содержании включений в смеси до 20 %.
Тяжелые и сверхтяжелые экскаваторы способны лочищать смеси, содержащие от 25 до 50 % крупных глинистых включений, за то же количество пере- валок при использовании схем переэкскавации с удалением кусков глинистых пород из зон разброса и периферийных зон нижних ярусов экскаваторных отвалов бульдозером.
Фрагмент массива данных, необходимых для решения задачи оптимизации, представлен в виде табл. 4.
Таблица Комбинированная форма представления данных о количестве перевалок и объёме вскрышных пород, перемещаемом в нижний ярус внутреннего отвала Объем перемещаемой драглайном части отвала, % 64 75 88 1Средний размер включений r, м 0,2 0,4 0,6 0,2 0,4 0,6 0,2 0,4 0,6 0,2 0,4 0,38 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 35 10 0 0 0 0 0 0 1 1 1 2 2 15 1 1 1 1 1 1 2 2 2 4 3 20 1 1 1 2 2 1 3 2 2 5 4 25 2 1 1 2 2 2 3 3 2 6 5 30 2 2 1 2 2 2 4 3 3 7 6 35 2 2 2 3 2 2 4 3 3 8 6 40 2 2 2 3 3 2 4 4 3 8 7 45 2 2 2 3 3 2 4 4 4 9 7 50 3 2 2 4 3 3 5 4 4 9 8 - перемещение во внутренний отвал не менее 75 % вскрышных пород;
- от 75 до 50 %; - от 50 до 25 %; - менее 25 % За границами области эффективного применения способа очистки горной массы от глинистых включений на стадии переэкскавации вскрышных пород предлагается из смесей с повышенным содержанием крупных глинистых включений в выработанном пространстве формировать отвальный массив с поверхностью в виде конусов, на контакте которого с основанием из кусков глинистых пород будут формироваться локальные скопления. При этом вершины отвалов следует располагать над дренажными траншеями, а куски глинистых пород из периферийных объемов нижних ярусов конусных отвалов (зон их скоплений) удалять с помощью взрывов сразу после перемещения экскаватора и оборудования для проходки скважин на безопасное расстояние. Этот способ не только позволит сформировать устойчивый внутренний отвал на наклонной площадке, но и обеспечит снижение объемов земляных работ на стадии рекультивации за счет деформаций откосов экскаваторных отвалов при взрывах.
p Высота разгрузки ковша H, м высота отвала h,м Содержание включений в смеси p, % Уменьшения заложений откосов бульдозерных отвалов в стесненных условиях предлагается добиваться армированием их откосов замкнутыми контурами из геосинтетических материалов (пат. № 2233947). При этом ширину и материал армирующего полотнища предлагается подбирать исходя из условия превышения его прочностью на разрыв тягового усилия бульдозера, а число контуров определять по предложенной методике с учетом высоты откоса, требуемого коэффициента запаса его устойчивости, прочности армирующего материала на разрыв, моментов сил, сдвигающих и удерживающих призму обрушения.
В результате измерения параметров отвалов установлено, что при разработке глубоких валунистых россыпей с использованием комплекса лэкскаватор - драга из пород надводной и подводной частей забоя формируются отвалы с углом откоса от 37 до 15 в зависимости от влажности горной массы. Нередко, простояв несколько дней, такие отвалы оседают и растекаются. При подводном черпании порции слабых пород растекаются в момент удара о поверхность, занимая большие площади. В стесненных условиях повышения устойчивости и емкости отвалов слабых глинистых пород предлагается добиваться с помощью компактных призм упора, формирующихся следующим образом.
Слабые глинистые породы и валуны экскаватор извлекает со дна забоя и перемещает на полотнище из геосетки. Идущий за экскаватором бульдозер формирует замкнутый контур, периодически подтягивая один край сетки к другому при их соединении. Поскольку армирующий контур работает на растяжение только в направлении, перпендикулярном бровке откоса, при его устройстве следует использовать либо наиболее прочные одноосноориентированные геосетки, либо двухосные сетки, усиленные бывшими в употреблении тросами. За компактной призмой упора экскаватор при второй проходке размещает породы, извлеченные из подводной части забоя. При отсутствии или недостаточном объеме валунов на дне забоя сектора как постоянных, так и временных призм упора рекомендуется формировать из порций обломков, доставленных с других участков, и кусков более прочной сетки с несущими продольными и поперечными элементами или сборных габионов. Предложенные способы армирования откосов и призм упора характеризуются низкой материалоемкостью, многократным использованием вспомогательных элементов и приспособлений для укладки армирующего материала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, изложены научно обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие страны, заключающиеся в разработке геомеханических основ повышения устойчивости карьерных откосов при открытой разработке месторождений в сложных горно-геологических условиях.
Основные научные и практические результаты выполненных исследований и разработок заключаются в следующем.
1 Разработаны методы разграничения на квазиоднородные зоны техногенных массивов, в пределах которых свойства пород изменяются закономерно; методики получения, обработки и представления данных о составе и физикомеханических свойствах пород в виде эмпирических уравнений, описывающих закономерности их изменения в экскаваторных песчано-глинистых отвалах; модификации механического стабилометра, позволяющие испытывать образцы разрыхленных пород при низких уровнях напряжений с изменением их температуры или влажности; программное обеспечение для обработки исходных данных, а также воспроизведения структур крупнообломочных пород в виде упаковок моделей обломков и систем связей между ними.
2. Разработаны: методики моделирования методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния техногенных и породно-техногенных массивов, формирующихся и воспринимающих дополнительные нагрузки при проведении открытых горных работ. Предложен надежный критерий неустойчивого состояния откосов, оснований и сводов.
3. Разработана методика определения вероятностей развития в основании баз шагающих экскаваторов недопустимых по условиям эксплуатации кренов и осадок. Впервые осадки баз драглайнов, работающих на ранее сформированных ими отвалах, рассчитаны с учетом неоднородности оснований по сжимаемости и внецентренного приложения нагрузки, а их критические значения нормированы для шагающих экскаваторов с учетом типа и технических характеристик ходового устройства.
4. Обоснованы стадии формирования песчано-глинистых конусных отвалов, отличающиеся по степени и характеру изменения углов откоса. Установлено влияние состава горной массы, поступающей в отвал, на форму его профиля.
Эмпирическими уравнениями описано изменение углов откосов экскаваторных отвалов при увеличении их высоты. Разработана статистическая модель распределения в конусных отвалах крупных глинистых включений, учитывающая их экскаваторных отвалах размер и содержание в смеси, поступающей в отвал, а также его высоту и высоту разгрузки ковша экскаватора.
5. Установлено, что при формировании внутреннего экскаваторного отвала из смесей пылевато-глинистых и песчаных пород, содержащих крупные глинистые включения, на его контакте с пластом со временем формируется слабый слой, являющийся причиной деформаций таких отвалов. Предложено добиваться устойчивого состояния внутренних отвалов удалением кусков глинистых пород бульдозером из зон их скоплений в экскаваторных отвалах на стадии перевалки вскрышных пород в выработанное пространство, либо удалением их из зоны контакта основания с внутренним отвалом с помощью взрывов. К условиям отвалообразования адаптированы системы армирования откосов и методика расчета их параметров. Повышать емкость внешних отвалов слабых глинистых пород рекомендуется с помощью компактных призм упора, сформированных с использованием геосеток, а емкость бульдозерных отвалов в стесненных условиях увеличивать армированием их откосов замкнутыми контурами из геосинтетических материалов.
6. Разработаны и внедрены рекомендации по использованию отвалов в качестве рабочих площадок драглайнов на Харанорском угольном разрезе, а также по формированию бортов и отвалов на Андрюшкинском, Богомоловском, Балахнинском, Жирекенском, Итакинском, Савкинском, Талатуйском, Тарданском, Уртуйском, Чинейском и других месторождениях. Опытная партия механических стабилометров прошла апробацию в лабораториях ЧИПР СО РАН, ЧитГУ, ЧНИЦ НИИОСП им. Н.М. Герсеванова.
Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:
1. Фёдорова Е.А. Теоретические основы вероятностного метода оценки состояния контактных систем / Е.А. Федорова. - Чита: ЧитГУ, 2005. - 181 с.
2. Фёдорова Е.А. Статистический анализ инженерно-геологических данных: учебное пособие / Е.А. Федорова. - Чита: ЧитГТУ, 2003. - 93 с.
3. Вишневский А.В. Усиление земляных сооружений с использованием геосинтетических материалов: учебное пособие / А.В. Вишневский, Е.А. Федорова. - Чита: ЧитГУ, 2011. - 135 с.
4. Фёдорова Е.А. Напряженно-деформированное состояние нагруженных отвальных массивов / Е.А. Федорова // Горный информационноаналитический бюллетень. - 2001. - № 10. - С. 98 - 101.
5. 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.
6. Фёдорова Е.А. Оптимизация технологических схем отвалообразования в условиях Уртуйского месторождения флюоритов / Е.А. Федорова // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2002. - № 9. - С. 77 - 80.
7. Фёдорова Е.А. Параметризация технологических схем селективного отвалообразования бестранспортной системы разработки / Е.А. Федорова // 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. - 2007. - № ОВ 4. - C. 111 - 118.
9. Федорова Е.А. Механический стабилометр / Е.А. Федорова // Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2008. - № 4. - С.
142 - 150.
10. Федорова Е.А. Оценка приспособленности шагающих экскаваторов к работе на свежеотсыпанных песчано-глинистых отвалах / Е.А. Федорова // Горный информационно-аналитический бюллетень. - № ОВ 3. - 2009. - C.
270 - 278.
11. Фёдорова Е.А. Методы защиты от разрушения массива, пораженного карстом при эксплуатационных взрывах / Е.А. Федорова // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2006. - № 5. - С. 50 - 53.
12. Федорова Е.А. Моделирование деформаций отвалов, нагруженных шагающим экскаватором при подрезке откосов / Е.А. Федорова // Вестник ЧитГУ.
Ц Чита: Изд-во ЧитГУ. - № 2. - 2011. - C. 111 - 116.
13. Федорова Е.А. Закономерности формирования экскаваторных отвалов / Е.А. Федорова // Вестник ЧитГУ. - Чита: Изд-во ЧитГУ. - № 3. - 2011. - C.
110 - 118.
14. 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.
15. 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.
16. Фёдорова Е.А. Методика стабилометрического определения механических свойств пучинистых грунтов/ Е.А. Фёдорова, И.И. Железняк // Доклады международного научно-технического и коммерческого семинара Защита инженерных сооружений от морозного пучения. - Якутск: Институт мерзлотоведения, 1993. - С. 23.
17. Фёдорова Е.А. Имитационно-вероятностная модель структуры курума / Е.А.Федорова. - М.: ВИНИТИ № 2042-В96, 1996. - 10 с.
18. 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.
19. Фёдорова Е.А. Имитационно-вероятностная модель структуры крупнообломочного грунта / Е.А.Федорова // Материалы международной конференции Проблемы прогнозирования в современном мире. - Чита: ЧитГТУ, 1999. - С.
197 - 198.
20. Фёдорова Е.А. Особенности выбора отдельных элементов имитационно-вероятностной модели структуры крупнообломочного грунта на примере курума/ Е.А. Федорова // Вестник ЧитГТУ. - Чита: ЧитГТУ, 2000. - Вып. 16. - С.
86 - 95.
21. Фёдорова Е.А. К вопросу оптимизации технологических схем отвалообразования на горных предприятиях / Е.А.Федорова // Материалы межрегиональной конференции Проблемы экологической безопасности Восточных рубежей России на рубеже тысячелетий.Ц Чита: ЧитГТУ, 2000. - С. 94 - 95.
22. Фёдорова Е.А. Разграничение отвальных массивов на квазиоднородные зоны / Е.А.Федорова // Материалы региональной конференции Проблемы освоения и рационального использования природных ресурсов Забайкалья. - Чита: Чит ГТУ, 2000. - С. 65 - 66.
23. Фёдорова Е.А. Оценка степени риска при работе шагающих экскаваторов с временных отвалов / Е.А. Федорова // Материалы международной конференции Новый век - новые открытия - Чита, 2001. - C. 258 - 261.
24. Рашкин А.В. Повышение безопасности драглайнов на Харанорском угольном разрезе / А.В. Рашкин, Е.А. Федорова // Вестник МАНЭБ. - СанктПетербург - Чита, 2001. - № 10. - С. 112 - 117.
25. 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.
26. Фёдорова Е.А. Методические аспекты инженерно-геологических изысканий на площадках отвалов Чинейского ГОКа / Е.А. Федорова // Материалы II международной конференции Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление. - Чита: ЧитГТУ, 2001. - C. 82 - 85.
27. 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.
28. 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.
29. Фёдорова Е.А. Алгоритм и основные результаты анализа условий функционирования экскаваторно-отвальных систем / Е.А. Федорова // Материалы IХ Всероссийской научно-практической конференции Кулагинские чтения. - Чита: ЧитГТУ, 2009. - Ч.1. - С. 89 - 94.
30. Фёдорова Е.А. Имитационно-вероятностные модели массивов крупнообломочных пород и метод их воспроизведения в виде упаковок обломков и систем связей между ними / Е.А. Федорова // Материалы международной конференции Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. - Новосибирск:
ИГД СО РАН, 2010. - С. 316 - 323.
31. Фёдорова Е.А. Прогнозирование сейсмостойкости сводов подземных полостей при взрывном рыхлении пород на карьерах / Е.А. Федорова // Материалы международной конференции Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2010. - С. 452 - 458.
32. А.с. № 1675730, МКИ G 01 N 3/08. Стабилометр / Е.А.Фёдорова (СССР). - № 1220061; заявл. 22.06.87; опубл. 07.09.91. Бюл. № 33. - 3 с.
33. Пат. 2233947 Рос. Федерация. Способ укрепления откосов насыпей/ Е.А.Фёдорова, А.В. Рашкин, А.В. Никифоров; патентообладатель Чит. гос. ун-т.
Ц № 2002131333; заявл. 21.11.02; опубл. 10.08.04. Бюл. № 22. - 5 с.
34. А.с. № 1759131, МКИ G 01 N 3/08, 33/24. Стабилометр / Е.А. Фёдорова, И.И. Железняк, М.Б. Лисюк (СССР). - № 4383346; заявл. 23.02.1988., опубл.
10.07.2008. Бюл. № 19. - 3 с.
35. Пат. 1827138 СССР. Стабилометр / Е.А. Фёдорова, И.И. Железняк; патентообладатель ИПРЭК СО РАН. - № 4864269; заявл. 10.09.1990., опубл.
10.07.2008. Бюл. № 19. - 3 с.
36. Программный комплекс Grunt / Е.А. Фёдорова, Е.В. Стрельникова.
Ц М.: ВНТИЦ, 2001. - № 50200200035. - 2 с.
37. Программа Sortproject / Е.А. Фёдорова, О.А. Белицкая. - М.: ВНТИЦ, 2004. - № 50200400901. - 2 с.
38. Построение случайной структуры обломочного материала (Packing):
Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2007612850 Рос. Федерации / Е.А. Фёдорова, О.А. Белицкая; правообладатель ЧитГУ. - № 2007611911; заявл. 14.05.2007. - 70 с.
ицензия ЛР № 020525 от 02.06.Подписано в печать 16.11.2011 г. Формат 60х84 1/Усл. печ. л. 2 Тираж 100 экз. Заказ N 1Читинский государственный университет ул. Александро-Заводская, 30, г. Чита, 6720РИК ЧитГУ
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле