Введение к работе
Актуальность темы. Современное горное производство характеризуется неуклонным ростом глубины горных выработок при постоянно ухудшающихся горно-геологических условиях. В отой овязи особо важное значение приобретают вопросы управления длительной устойчивостью конструктивных элементов горных выработок, которые должны обеспечивать высокую надежность эксплуатации месторождений,с одной стороны,и высокую эффективность производства - с другой. Поэтому главная цель горной геомеханики на современном этапе заключается в разработке таких способов л средств управления устойчивостью породного массива, которые могут обеспечить высокую достоверность определения геометрических параметров конструктивных -элементов горных выработок при заданных условиях их эксплуатации.
В последние годы сделан зиач-тельный шаг в решении проблемы обеспечения требуемой устойчивости карьерных откосов, особенно з области совершенствовался расчетных методов и схем. Однако результаты использования этих методик не в состоянии гарантировать достаточную надежность прогноза устойчивости, что прежде всего связано с низкой достоверности) исходных данных о свойствах массива, а в отдельных случаях - с несоответствием физических свойств, используемых з расчетах, реальному мзханизму сдвижения породных массивов. Особенно это касается прочностных свойств прибортового пассива, сложенного крепкими трещиноватыми и слоистыми породами.
До настоящего времени для определения прочностных свойств используется лабораторный метод '(по образцам горных пород) с последующим переходом к прочности горного массива посредством так называемого коэффициента структурного ослабления, численные значения которого вычисляют по различным методикам и эмпирически зависимостп. При этом результаты расчетов, выполненных по разным методикам, отличаются друг от друга в некоторых случаях более чем в три раза.
Следует отметить, что в этих методиках и зависимостях используется в основном интенсивность трещиноватости, в отдельных случаях и пространственная ориентации трещин, однако вопрос за-
- Г -
висимости между орие"тацией трещины и прочностью по ней до настоящего времени остался недостаточно полно изученным. Такое положение іе nc-зволяет приймать однозначных решений о прочностных свойствах массива.
Принимая положение, что контакты скальных пород в большинстве своем по условиям механизма сдвижения сласее самих контактирующих пород, можно сделать вывод о том, что устойчивость трещиноватых и слоистых массивов, а также характер и объем деформаций буду* определяться пространственной ориентацией поверхностей ослабления и прочностными характеристиками по ним. Поэтому выявление закономерностей изменения прочности пород по поверхностям ослабления, разработка методов и средств ее определения являются одним из основных путей повышения надежности оценки устойчивости горных выработок.
Исследования, представленные в диссертации, выполнены по плану ЛИР института "Гипроцветыет" в соответствии с отраслевой научно-технической программой Ш-20Г "Создаиь расчетные методы, инженерные решения и технические средства, обеспечивающие надежное управление устойчгвостыо бортов карьеров'.'
Цель работы заключается в разработке методов и средств определения прочности пород по поверхностям ослабления в реальных условиях их пространственного размещения в массиве, обеспечивающих гэвышение надежности оценки развития геомехг-шческих процессов в прибортовом массиве.
Идея работы состоит в обеспечении подобия механизма разрушения образцов с поверхностью ослабления в лабораторных условиях механизму сдвижения структурных блоков в массиве путем учета ориентации поверхностей ослабления, качества и состояния контактирующих поверхностей.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизні
- устаноішено, что в слоистых и трещиноватых массивах к основным параметрам, характеризующим устойчивость карьерных откосоа, относится комплексный показатель прочности пород по поверхностям ослабления ( R«(), новизна которого заключается в учете пространственной ориентации этих поверхностей, и который определяется уровнем максимальных напряжений на плоскости поверхностей ослабления, действующих в направлении тикледываемой нагрузки;
для определения Кимплексного показателя прочности пород по поверхностям ослабления ( R<<) разработаны методы и испытательно-измерительная аппаратура, новизна которых заключается в возможности создавать на плоскости поверхности ослабления напряженные состояния, характеризуемые сжатием, сдвигом со сжатием, чистым сдвигом и отрывом в идентичных условиях нагружения;
установлено, что при создании на плоскостях ослабления напряженных состолний, характеризуемых сдвигом со сжатием, существует два "критических" угла наклона поверхности ослабления (близких к 25 и 60) к направлению нагрузки, при которых происходит резксо изменение механизма разрушения образцов. При этом в диапазоне углов от 0 до 25 происходит разрушение монолитных компонент образца, в диапазоне углов 2о4б0 - одновременно частично сдвиг по поверхности ослабления и разрушение монолитных частей, г в диапазоне углов 604-90 - только сдвиг вдоль поверхности ослабления;
выявлено, что значения "критических" углов ориентации поверхностей ослабления к направлению нагрузки, при которых происходит резкое изменение механизма разрушения образцов, определяется сцеплением, углом трекля и геометрическими параметрами шероховатостей контактирующих поверхностей.
Обоснове..шость и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтвервдается:
системным характером теоретических исследований и проведением экспериментальных работ на основе теории планирования экспе- римента;
полученными положительными результатами внедрения разработанных способов и устройств в специализированных лабораториях институтов горного дела;
- промышленной апробацией предлагаемых рекомендаций по определению прочности слоистых и трещиноватых горных пород и достигнутой технико-экономической эффективностью.
Методы исследований. Для достижения поставленной цели использован комплекс современных методов исследований, включающий:
анализ и обобщение современных достижений в областях исследований прочностных свойств горных массивов и управления устойчивостью карьерных откосов;
экспериментальные исследования прочности слоистых и трещиноватых пород и параметров шероховатости поверхностей ослабления;
теоретические исследования с использованием чныеннчх методов расчета напряженно-деформированного состояния исследуемого объекта горных пород и устойчивости карьерных откосов, примене-гше теория планирования эксперимента при проведении исследовательских работ и математической статистики при обработке экспериментальных данных;
математическое моделирование и реализация расчетных моделей на ЭВМ;
технико-экономический расчет и опытно-промышленная проверка результатов исследований.
Научное значение работы заключается в том, что впервые установлена закономерность изменения.прочности слоистых и трещиноватых пород от угла наклона поверхностей ослабления в полном диапазон^' одноосных напряженных состояний, создаваемых в идентичных условиях нагружения.
ГЪактическое значение работы сстоит в разработке средств испытаний и методики определения прочностных свойств слоистых и трещиноватых пород по поверхностям ослабления, позволяющей получать достоверные исходные данные при оценке развития геомеханических процессов в прибортовом массиве.
Реализация выводов и рекомендаций работы на карьерах, ведущих разработку полезного ископаемого в скальных и полускадьных породах, позволяет повысить эффективность технологических работ (в основном при постановке борта на предельный контур) за счет надежно-о прогнозирования и управления геомеханическиуч процессами в массиве пород, влияющих на устойчивость карьерных откосов.
Внедрение результатов работы на стадиях проектных работ и в условиях действующих горнодобывающих предприятий позволяет более совершенно решать проблему улучшения использования природных ресурсов и повысить безопасность ведения горных работ.
Основные рекомендации работы реализованы в следующем.
Разработанные способы и усгройсава для определения прочности скальных и полускальных пород по поверхностям ослабления внедрены в специализированных лабораториях по изучению состояния горного мвссива научно-исследовательских институтов горного дела угольной промышленности и металлургии СССР.
Разработана методика определения прочности трещиноватых и слоистых образцов по поверхностям ослабления, по которой были
_ h -
изучены свойства вмещающих пород карьеров "Центральный" комбината "Печенганикель", "Машол" ЗРК "М-экмрлзолото", Златоуст-Ьеловс-кий НПО "Джезказгалцветмет". Использование результатов изучения прочности пород на этих карьерах при разработке рекомендаций по параметрам устойчивых уступов, технологии зяоткоски уступов и отработке приконтурных лент позволили получить годовой экономический эффект 147 тыс.руб.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались к обсудцалнсь на следующих совещаниях и конференциях: научно-гехнической конференции молодых специалистов и ученых института "ВНИПИгорцветмет" (Москва, 1936, 1987 годы), Всесоюзной научно-технической конференции "Задачи геологических и маркшейдерских служб предприятий цветной металлургии на 1906-1990 годы" (г.Алмальк, І9В6 г.), IX Всесоюзной научной конференции "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов". (Москва, 1987 г.), научном семинаре по горной геофизике (г.Боржоми, 1987 г.), территориальной научно-технической конференции "Прогнозная оценка инженерно-геологических условий при открытой разработке месторождений Урала" (г.Свердловск, I9d9 р.), научно-технической конференции "Опыт ведения работ по повышению устойчивости уступов и бортов карьеров и использования новой техники в горнодобивяючей промышленности" (г.Ковдор, 1990 г.), Всесоюзном нпучно-техническом симпозиуме "Основные направления повышения уровня маркшейдерского обеспечения горных'работ, рационального использования и охраны недр и земель на горнодобывающих предприятиях" (Москве, 1991 г.).
Результаты диссертационной работы вошли в отчеты ШР лаборатории горной геомеханики института "Гипроцветмет" и лаборатории физико-механических свойств поро^ и массива ИГД им.А.А.Скочинског'о и обсуждались на заседаниях секцил НІС института "Гипроцветмет".
Публикации. По теме диссертации опубликовано десять работ.
Структура и объем работы. Диссертация общи.! объемом 143 страниц состоит из введения, 4 глав, заключения, прилсмения и списка использованных источников из 102наименований. Основное содержание изложено на 100 страницах машинописного текста, работа включает 6 таблиц и 34 рисунка.
Автор выражает глубокую признательность руководителям диссертационной работы проф., докт.техн. наук Г.Я.Новику и проф., докт. техн.наук В.Н.Попову за полученные знания и навыки ведения науч-
ной работы, искреннюю благодарность канд.техн.наук Б.В.Несмеяно ву и канд.техн.наук В.В.Приставу за помощь при выполнении всех отяпов исследований и методическую помощь, благодарит коллектив лаборатории горной геомеханики института "Гипроцвегмет." за оказанную помочь, деловые замечания к предложения.