Введение к работе
Актуальность проблемы
При добыче угля, золота и др. видов твердых полезных ископаемых открытый способ разработки месторождений обладает рядом преимуществ над подземным, в частности, более низкой себестоимостью и высокой производительностью труда. Экономически обосновано применение бестранспортной системы разработки с внутренним отвалообразованием на угольных месторождениях Канско-Ачинского, Иркутского и др. бассейнов Восточного региона. Высокая эффективность комплекса «экскаватор-драга» позволила большинству крупных производственных объединений почти полностью отказаться от подземной разработки глубоких россыпей и перейти к широкому использованию при вскрышных работах бестранспортной системы разработки с внешним отвалообразованием.
Выборочная отработка легкодоступных пластов и россыпей в прошлом привела к освоению сложноструктурных угольных месторождений и глубоких россыпей на настоящем этапе, а вследствие этого – к увеличению землеёмкости открытых горных работ. Повышения эффективности вскрышных работ и снижения экологической нагрузки на окружающую среду в изменившихся условиях добиваются за счет применения шагающих экскаваторов (драглайнов) большой единичной мощности и усложненных технологических схем, предусматривающих использование свежеотсыпанных отвалов в качестве рабочих площадок и подрезку их откосов при подготовке запасов к выемке. В результате внедрения таких схем увеличивается емкость внешних отвалов и сокращаются площади земель, в дальнейшем требующих рекультивации. Однако условия эксплуатации горных машин при этом ухудшаются, а риски развития недопустимых кренов и осадок в основании их опорных элементов возрастают.
Несмотря на накопленный опыт ведения открытых горных работ, периодически регистрируются деформации откосов, нарушения условий эксплуатации горных машин, обрушения сводов подземных полостей. Деформации внутренних платообразных отвалов на действующих угольных карьерах приводят к значительным потерям готового к выемке полезного ископаемого. На стадии рекультивации возможность перепланировки поверхностей внутренних песчано-глинистых отвалов в форме конусов и гребней появляется только на заключительной стадии их самоуплотнения. При разработке глубоких россыпей глинистые породы, извлекаемые экскаватором со дна забоя, растекаются, занимая большие площади. Нередко теряют устойчивость отвалы, сформированные из пород подводной части забоя.
Повышением уровней потерь и непроизводительных затрат на ликвидацию последствий деформаций уступов, бортов карьеров и отвалов в условиях увеличения глубины первых и высоты вторых, а так же мощности и габаритов эксплуатируемого на них горного оборудования обусловлено повышение требований к достоверности прогнозных оценок напряженно-деформированного состояния перечисленных геотехнических сооружений. Эффективность и безопасность взрывной отбойки пород на карьерах в непосредственной близости от подземных выработок и гротов крупных пещер, используемых в производственных, хозяйственных и др. целях, обеспечивают оптимальные размеры целиков и высокая надежность оценок сейсмической устойчивости несплошных массивов.
Необходимого уровня достоверности обоснования параметров геотехнических сооружений месторождений в современных условиях позволяет достичь переход от частных оценок устойчивости откосов и сводов, деформируемости и несущей способности оснований к оценкам состояния геотехнических систем, объединяющих геотехнические сооружения, технические средства и массивы горных пород, находящиеся с ними во взаимодействии. От аналитических методов решения геомеханических задач с их упрощенными расчетными схемами – к современным численным методам, учитывающим условия взаимодействия элементов геотехнических систем, неоднородность породных массивов и упругопластический характер деформаций горных пород при высоких уровнях напряжений.
С существенным изменением состава и физико-механических свойств пород при экскавации неоднородных толщ связана необходимость разработки новых приборов, предназначенных для испытаний разрыхленных смесей на прочность и сжимаемость, методик получения и обработки исходных данных о составе и свойствах пород, методов определения наиболее вероятного положения границ между квазиоднородными зонами.
Перечисленными обстоятельствами обусловлена необходимость совершенствования методик исследований геотехнических сооружений месторождений, обработки полученных данных и прогнозирования их напряженно-деформированного состояния, а также выяснения причин неэффективности традиционных способов управления устойчивостью отвалов, и дальнейшего их совершенствования.
В связи с этим проблема совершенствования методологии прогноза состояния геотехнических систем и управления их устойчивостью на открытых горных работах является весьма актуальной.
Работа выполнена в рамках государственной целевой комплексной программы «Геомеханические процессы в геологических формациях и геотехнических сооружениях месторождений полезных ископаемых» (№ 01920009628) и договорных научно-исследовательских работ с ПО «Лензолото», ОАО «ЗабайкалцветметНИИпроект» и ООО «Забайкалзолотопроект».
Идея работы заключается в научно-техническом обеспечении рационального формирования и безопасного функционирования геотехнических систем путем повышения достоверности прогнозных оценок их состояния и эффективности способов управления их устойчивостью.
Цель работы – развитие методических основ оценки напряженно-деформированного состояния геотехнических систем и совершенствование способов эффективного управления их устойчивостью.
Объект исследований – геотехнические системы, основными элементами которых являются уступы, борта и отвалы.
Предмет исследований – напряженно-деформированное состояние и способы управления устойчивостью геотехнических систем, формирующихся при проведении открытых горных работ.
Основные задачи исследований:
- оценить современное состояние разработки проблемы прогнозирования и обеспечения устойчивости бортов, уступов и отвалов при разработке сложноструктурных угольных месторождений и глубокозалегающих россыпей Восточного региона;
- разработать методики получения достоверных оценок напряженно-деформированного состояния геотехнических систем;
- выявить факторы, влияющие на морфологию песчано-глинистых экскаваторных отвалов и распределение в их пределах крупных глинистых включений;
- установить закономерности, отражающие особенности формообразования и деформирования песчано-глинистых отвалов, отличающихся по составу в процессе их отсыпки, а также развития кренов и осадок в основаниях баз шагающих экскаваторов, работающих на таких отвалах;
- разработать математическую модель распределения крупных глинистых включений в песчано-глинистых отвалах;
- разработать обобщенные структурные модели крупнообломочных пород и массивов и математический метод их воспроизведения в виде упаковок обломков и систем связей между ними;
- усовершенствовать способы управления устойчивостью внутренних песчано-глинистых отвалов и разработать новые технологические решения, обеспечивающие повышение емкости внешних отвалов слабых пород;
- разработать рекомендации по выбору моделей шагающих экскаваторов и созданию их новых модификаций лучшим образом приспособленных к условиям сложноструктурных угольных месторождений и глубоких россыпей.
Методы исследований. При выполнении исследований проводились натурные наблюдения за процессами горных работ с инструментальными измерениями параметров отвалов, формируемых в различных условиях. При оценке состояния экскаваторно-отвальных систем использованы метод системного анализа, позволивший установить взаимосвязи между отдельными элементами систем и выявить факторы, влияющие на условия их функционирования, методы анализа надежности систем и рисков их отказов. Физико-механические свойства пород изучены лабораторными и полевыми методами, в том числе пенетрационным, сейсмическим и акустическим. Процессы формообразования, деформирования экскаваторных отвалов и распределения в их пределах крупных глинистых включений изучены на физических моделях, отвечающих критериям подобия метода эквивалентных материалов. Напряженно-деформированное состояние породных массивов оценивалось по решениям упругопластических задач, полученным методом конечных элементов. При воспроизведении структур крупнообломочных пород и массивов использован метод статистических испытаний. Результаты исследований обрабатывались методами теории вероятностей и математической статистики.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Методики оценки состояния геотехнических систем, в основу которых положены расчетные схемы, отражающие условия взаимодействия отдельных элементов, эмпирические уравнения, описывающие изменение свойств пород в массивах, усовершенствованные методы их разграничения на квазиоднородные зоны, решения упругопластических задач методом конечных элементов.
2. Математическая модель распределения крупных глинистых включений в песчано-глинистых отвалах, отражающая зависимость числа и положения квазиоднородных зон, а также средних содержаний кусков в них от высоты отвального конуса, среднего размера и содержания включений в исходной смеси.
3. Закономерности формообразования ненагруженных и деформирования нагруженных песчано-глинистых экскаваторных отвалов, отражающие цикличность изменения и тенденцию к уменьшению углов откоса конусных отвалов на последней стадии их отсыпки, а также развития осадок и кренов в основании баз шагающих экскаваторов, использующих отвалы в качестве рабочих площадок.
4. Методика оценки условий функционирования экскаваторно-отвальных систем по вероятностям отказов и степени использования ресурсов их элементов, позволяющая при выборе параметров технологических схем вскрышных работ, предусматривающих использование свежеотсыпанных отвалов в качестве рабочих площадок драглайнов, принимать решения, исходя из допустимого уровня риска.
5. Усовершенствованные способы управления устойчивостью отвалов, позволяющие избежать образования слабого слоя на контакте внутреннего экскаваторного отвала с основанием, и увеличить емкости внешних отвалов слабых пород за счет армирования их откосов или призм упора замкнутыми контурами.
Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что получены новые знания о природе и закономерностях физико-механических процессов, влияющих на устойчивость геотехнических сооружений месторождений, на основании которых:
- повышена достоверность оценок напряженно-деформированного состояния геотехнических систем за счет использования: нового оборудования для изучения механических свойств разрыхленных пород и методического обеспечения; эмпирических уравнений, описывающих изменение физико-механических характеристик пород в пределах массивов; расчетных схем, отражающих структурные особенности массивов; решений упруго-пластических задач, полученных методом конечных элементов;
- впервые установлено наиболее вероятное положение границ между слоями, существенно отличающимися по плотности, в свежеотсыпанных песчано-глинистых отвалах с помощью статистических тестов методом, основанным на (доказанном в ходе его реализации) предположении о равенстве расхождений между средними оценками в соседних зонах при закономерном изменении контролируемого показателя по глубине;
- выделены три стадии формообразования песчано-глинистых конусных отвалов, отличающиеся по степени и характеру изменения углов откоса;
- установлены закономерности, отражающие цикличность изменения и тенденцию к уменьшению углов откоса на третьей стадии формообразования;
- выявлена зависимость высоты, достигнув которой конусные отвалы начинают периодически деформироваться, от сцепления, характера искривления линии откоса от угла внутреннего трения4 степени ее искривления от среднего размера включений; их содержания в исходной смеси и высоты отсыпки;
- разработана математическая модель распределения крупных глинистых включений в песчано-глинистых отвалах, отражающая зависимость числа и положения квазиоднородных зон, а также средних содержаний кусков в них, от высоты конусного отвала, среднего размера и содержания крупных включений в исходной смеси;
- определен вид зависимостей, связывающих высоту нагруженных шагающими экскаваторами отвалов с осадками и кренами их базы, установлена последовательность отказов экскаваторно-отвальных систем вследствие достижения перечисленными показателями эксплуатационной безопасности критических значений;
- разработана методика сравнения параметров экскаваторно-отвальных систем по вероятностям отказов, в результате ее реализации шагающие экскаваторы разделены на три группы, отличающиеся по степени использования ресурса технических характеристик при работе на свежеотсыпанных песчано-глинистых отвалах;
- обоснована необходимость разработки новых моделей драглайнов, лучше приспособленных к условиям разработки сложноструктурных угольных месторождений и глубокозалегающих россыпей;
- усовершенствованы способы управления устойчивостью внутренних песчано-глинистых отвалов с учетом установленных причин неэффективности мероприятий, направленных на улучшение свойств отвальных пород;
- установлена неоднородность природных массивов крупнообломочных пород по числу контактов у обломков и площадям зон их соприкосновений;
- разработаны обобщенные структурные модели крупнообломочных пород и массивов, а также теоретические основы метода воспроизведения их структур в виде математических моделей упаковок обломков и систем связей между ними.
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается представительным объемом полевых и лабораторных исследований, подтверждается высокой степенью сходимости между сравниваемыми параметрами и положительными результатами внедрения проектных решений по параметрам бортов карьеров и отвалов, обоснованных прогнозными оценками напряженно-деформированного состояния геотехнических систем.
Практическое значение работы заключается в следующем:
- разработаны способы формирования устойчивых отвалов из слабых пород за счет армирования замкнутыми контурами откосов бульдозерных отвалов или призм упора экскаваторных отвалов (пат. РФ № 2233947);
- определены оптимальные по числу перевалок и перемещаемому во внутренний отвал объему вскрышных пород параметры технологических схем дифференцированного размещения в промежуточных отвалах песчано-глинистых смесей, обеспечивающие устойчивость внутренних отвалов за счет очистки отвальных пород от крупных глинистых включений на стадии их переэкскавации, ограничена область применения таких схем;
- разработана оптимальная система опробования конусных отвалов, позволяющая автоматизировать процесс пространственной привязки образцов и значительно сократить число образцов, необходимое для разграничения отвалов на квазиоднородные зоны.
- повышена эффективность мероприятий, направленных на предотвращение деформаций внутренних песчано-глинистых экскаваторных отвалов за счет удаления с помощью взрывов глинистых включений из скоплений, локализованных в зоне контакта отвала с основанием, на начальной стадии самоуплотнения отвальных пород;
- предложен порядок отстройки оптимальных профилей многоярусных отвалов и бортов карьеров, учитывающий структурные особенности породных массивов, изменение свойств пород, способы очистки берм и разработки вскрышных пород, взаимное влияния на напряженно-деформированное состояние элементов геотехнических систем;
- обоснованы главные направления модернизации шагающих экскаваторов с целью создания горных машин специального назначения, сориентированных на горно-геологические условия глубоких россыпей и сложноструктурных угольных месторождений;
- предложены оптимальные по характеристикам эксплуатационного качества и стоимости варианты усиления конструкций жестких и нежестких покрытий карьерных дорог;
- установлены рациональные размеры охранного целика и параметры технологических схем буровзрывных работ, обеспечивающие сохранность уникальных подземных объектов, расположенных в непосредственной близости от карьера, разрабатываемого способом взрывной отбойки пород;
- автоматизированы процедуры статистической обработки данных о составе и свойствах отвальных пород, разграничения отвалов на квазиоднородные зоны, воспроизведения структур крупнообломочных пород и массивов в виде математических моделей упаковок обломков и систем связей между ними по параметрам распределений длин и коэффициентов формы обломков, числа и площадей контактов;
- разработан механический стабилометр, позволяющий испытывать образцы разрыхленных пород в условиях трехосного осесимметричного сжатия, и методическое обеспечение проведения испытаний на новом приборе и обработки их результатов (авторские свидетельства СССР № 1675730 и № 1759131, патент СССР № 188227138).
Личный вклад автора:
- постановка задач, выбор методов, проведение как теоретических, так и экспериментальных исследований;
- разработка и реализация методик получения и обработки исходных данных для геомеханических расчетов, а также методов разграничения отвалов на квазиоднородные по плотности зоны и процедур их разграничения на квазиоднородные по составу зоны;
- оценка состояния геотехнических систем и рисков их отказов;
- разработка технологических способов целенаправленного изменения состава песчано-глинистых отвальных пород в процессе их перевалки и повышения емкости внешних отвалов слабых пород;
- конструирование устройств для изучения физико-механических свойств отвальных пород и эквивалентных им материалов;
- разработка структурных моделей и основных процедур метода воспроизведения структур крупнообломочных пород и массивов в виде математических моделей упаковок обломков и систем связей между ними;
- обработка, анализ и обобщение полученных результатов;
- формулировка выводов и рекомендаций.
Реализация результатов работы:
- результаты выполненных исследований использованы при обосновании параметров технологических схем ведения вскрышных работ на угольном разрезе «Харанорский», при разработке Красноармейского и Балахнинского месторождений россыпного золота, Уртуйского флюоритового и Жирекенского молибденового месторождений, Чинейского месторождения медно-сульфидных руд, Талатуйского, Тарданского, Андрюшкинского, Богомоловского, Савкинского и Итакинского рудных месторождений;
- опытная партия механических стабилометров прошла апробацию в отделе изысканий Забайкалжелдорпроекта, в лаборатории геомеханики Читинского института природных ресурсов СО РАН и учебной лаборатории Читинского государственного университета;
- результаты исследований внедрены в учебный процесс в виде методических рекомендации по определению и статистическому анализу физико-механических характеристик нарушенных пород;
- на основе предложенных моделей, методов и методик разработаны четыре программы для ПЭВМ.
Апробация работы
Диссертация обсуждалась на расширенном семинаре кафедр открытых горных работ, подземной разработки МПИ и безопасности жизнедеятельности ЧитГУ (Чита, 2007), на научных семинарах Института горного дела СО РАН (Новосибирск, 2007) и Института горного дела ДВО РАН (Хабаровск, 2007).
Основные положения диссертационной работы доложены на: научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2002 и 2008), международной конференции по геотехнике «Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчета и инженерная практика» (Санкт-Петербург, 2005), научной конференции ЛИСИ (Ленинград, 1991), региональной конференции «Локальный прогноз и разработка месторождений золота» (Чита, 1992), международном научно-техническом семинаре «Защита инженерных сооружений от морозного пучения» (Якутск, 1993), международном симпозиуме «Геокриологические проблемы строительства в восточных районах России и Северного Китая» (Якутск, 1998), международной конференции «Проблемы прогнозирования в современном мире» (Чита, 1999), региональной конференции «Проблемы освоения и рационального использования природных ресурсов Забайкалья» (Чита, 2000), межрегиональной конференции «Проблемы экологической безопасности Восточных границ России на рубеже тысячелетий» (Чита, 2000), межрегиональной научно-технической конференции «Новый век – новые открытия» (Чита, 2001), 2-й международной конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию» (Чита, 2001), международной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика» (Чита, 2001), 2-й международной научно-практической конференции «Человек – среда – вселенная» (Иркутск, 2001), международном совещании «Экологические проблемы и новые технологии переработки минерального сырья» (Чита, 2002), 3-й межрегиональной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика» (Чита, 2003),
Основное содержание диссертации изложено в 39 работах, включая монографию и учебное пособие, из них в рекомендованных ВАК изданиях опубликовано 7 работ. Авторскими свидетельствами и патентами защищено 4 изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографического списка из 246 наименований, содержит 345 страниц текста, в том числе 21 таблица, 110 рисунков и приложений на 113 страницах.
