Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение устойчивости бортов карьеров относится к важнейшему вопросу технологии отработки месторождений полезных ископаемых открытым способом. С устойчивостью бортов карьеров связаны безопасность горных работ, обоснование предельных углов наклона бортов, предельная глубина карьеров и объемы вскрышных работ.
Погрешность метода расчета устойчивости откосов оценить достаточно сложно ввиду отсутствия эталона, вместе с тем рекомендуемые действующим нормативным документом методы расчета предусматривают их относительное расхождение, равное 20 %. Погрешность задания поверхности скольжения при расчете некоторые авторы оценивают величиной 10 %. Что касается погрешностей прогнозирования механических характеристик горных пород, отметим, что ошибка оценки угла внутреннего трения редко превышает 2-3 град. Иначе обсгоит дело с определением величины сцепления массива горных пород. При его обосновании разными методами результаты могут отличаться между собой в 2 - 4 раза, что делает расчет и найденные предельные параметры откосов недостоверными. Для снижения риска, вызванного погрешностями определения физико-механических характеристик, незнанием или неучетом других факторов, используют нормативный коэффициент запаса устойчивости. Обоснование величины нормативного коэффициента, запаса устойчивости бортов карьера, в условиях неопределенности, является сложнейшей задачей, так как его значение, с одной стороны, определяет безопасность, а с другой -экономическую эффективность открытых горных работ.
Все перечисленное выше предопределяет надежность прогнозирования предельных параметров откосов, вместе с тем главным связующим звеном выступает поверхность скольжения. Поэтому обоснование формы и положения потенциальной поверхности скольжения в однородных откосах следует считать актуальной научной задачей, имеющей важное практическое значение.
Объектом исследований являются откосы бортов карьеров и уступов, сложенные изотропными массивами горных пород.
Предметом исследований выступают закономерности, определяющие геометрию поверхности скольжения и расчетные характеристики вдоль этой поверхности.
Целью диссертации является исследование факторов и закономерностей, определяющих геометрию поверхности скольжения, для повышения надежности обоснования расчетных характеристик и предельных параметров однородных откосов.
Идея работы состоит в учете двухсторонней взаимосвязи между геометрией поверхности скольжения и прочностными характеристиками массивов.
Задачи диссертационной работы:
Разработать математическую модель потенциальпой поверхности скольжения, используя строгий метод расчета однородных откосов.
Установить степень влияния основных характеристик на геометрию поверхности скольжения карьерных откосов.
Экспериментально в лабораторных условиях проверить правильность теоретических представлений о геометрии поверхности скольжения в однородных откосах.
Разработать аналитический метод определения сцепления массива скальных трещиноватых горных пород.
Определить параметры и закономерности их влияния на величину сцепления массива скальных трещиноватых горных пород.
6. Обосновать преимущества, получаемые посредством введения
различных значений нормативного коэффициента запаса устойчивости в
механические характеристики массива горных пород.
Защищаемые научные положения:
Поверхность скольжения в однородных откосах является комбинированной: сложной криволинейной формы на участке, расположенном под откосом, и плоской - на участке бермы.
Форму поверхности скольжения в однородных откосах определяют только углы откоса и внутреннего трения, а ее размеры при предельном равновесии - сцепление, угол внутреннего трения, объемный вес горных пород, высота и угол откоса.
Закономерности влияния углов падения систем трещин, прочностных показателей структурных блоков и их контактов на величину сцепления массива скальных трещиноватых горных пород.
Методы исследований. При решении поставленных задач в работе широко использованы методы имитационного моделирования, моделирования эквивалентными материалами, дифференциального, интегрального, вариационного исчислений и математической статистики.
Личный вклад автора диссертации заключается в сборе и обобщении материалов, постановке задач исследований, выполнении исследований, формулировании научных положений, выводов и рекомендаций диссертации.
Достоверность научных положений и результатов подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований с результатами моделирования эквивалентными материалами, проведенных автором и независимо другими исследователями.
Новизна результатов исследований состоит:
в обосновании геометрии потенциальной поверхности скольжения в изотропных откосах и определении степени влияния физико-механических характеристик горных пород и геометрических параметров откоса на ее форму и положение;
в обосновании границ учета междублоковых реакций в методе многоугольника сил;
в разработке аналитического метода определения величипы сцепления массива скальных трещиноватых горных пород, позволяющего учитывать одновременное влияние сцепления куска и трещины, внутреннее трение и трение по трещине, углы падения систем трещин, масштабный эффект, изменчивость перечисленных параметров с глубиной и по площади;
в установлении закономерностей изменения величины сцепления массива трещиноватых горных пород от определяющих ее параметров.
Научная значимость результатов исследований состоит в получении и решении дифференциального уравнения, определяющего геометрию потенциальной поверхности скольжения; в определении закономерностей влияния сцепления, угла внутреннего трения, объемного веса горных пород, а также угла наклона откоса и его высоты на форму и положение поверхности скольжения; в исследовании степени влияния основных факторов на величину сцепления массива трещиноватых горных пород.
Практическое значение работы заключается в установлении геометрии наиболее напряженной поверхности скольжения; в получении номограммы устойчивости для плоских однородных необводненных откосов на всем интервале существования устойчивых углов; в разработке аналитического метода определения сцепления массива скальных трещиноватых горных пород.
Реализация работы. Основные теоретические и практические результаты исследований переданы для использования в ОАО «Уралмеха-нобр-УГМК».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы опубликованы в 9 статьях, докладывались на Уральской горнопромышленной декаде (УГГУ, г. Екатеринбург) в 2004-2008 гг., на III Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург) в феврале 2009 г.
Объем и структура работы. Диссертация включает введение, три главы, заключение, список литературы го 152 наименований и приложений. Объем диссертации — 152 страницы машинописного текста, в том числе 9 таблиц, 34 рисунка.
