Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время железорудный бассейн Курской магнитной аномалии является основным поставщиком железной руды для металлургической промышленности Российской Федерации. На долю открытой разработки, осуществляемой Лебединским, Стойленским и Михайловским ГОКами, приходится более 60 % добываемой железной руды в России. Разработка карьеров осуществляется в сложных инженерно-геологических условиях при глубине ведения горных работ 350 м. и протяженности их фронта более 5 км.
Вскрыша железорудных месторождений КМА представлена породами осадочной толщи, средняя мощность которой составляет 180 м, где происходит до 70 % обрушений и оползней, приводящих к гибели и травмированию рабочих, выводу из строя горно-транспортного оборудования, нарушению железнодорожных путей, линий электропередач и ухудшению экологической обстановки в районе разработки.
По данным Ростехнадзора РФ при разработке месторождений полезных ископаемых за десятилетний период не произошло сколько-нибудь значительного снижения риска возникновения аварий и несчастных случаев, из которых около 20 % аварий приходится на обрушения и оползни. Это свидетельствует о наличии нерешенных проблем в области обеспечения охраны труда и промышленной безопасности при добыче полезных ископаемых. Поэтому одной из актуальных задач является разработка инженерно-технических мероприятий, позволяющих снизить риск обрушения откосов уступов и бортов карьеров за счет выбора их безопасных параметров на стадии проектирования, строительства и эксплуатации, что позволит улучшить условия труда работников карьеров и снизить травмоопасность рабочих мест.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2010 годы)» и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».
Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей сдвижения вскрышных уступов для совершенствования аналитических и графических методов расчета их устойчивости, что позволит обосновать безопасные параметры рабочих площадок и снизить уровень травматизма при открытых горных работах.
Идея работы заключается в том, что усовершенствованные аналитические и графические методы расчета устойчивости откосов, позволяющие обосновать безопасные параметры рабочих площадок вскрышных уступов, учитывают вероятность возникновения опасных ситуаций.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Расчетная схема определения безопасных параметров вскрышных уступов должна учитывать наличие комбинированной поверхности скольжения, состоящей из отрезка логарифмической спирали и прямолинейного участка и направление действия сдвигающих сил.
2. Положение поверхности скольжения в откосе и значение ширины призмы возможного обрушения зависят от точности вычисления коэффициента запаса устойчивости и определяется путем перебора возможных поверхностей скольжения.
3. Риск обрушения откоса зависит от коэффициента запаса устойчивости откоса и от физико-механических свойств пород, слагающих откос.
Новизна основных научных и практических результатов.
1. Усовершенствован существующий аналитический метод расчета коэффициента запаса устойчивости откосов, учитывающий направление действия знакопеременных сдвигающих сил по поверхности скольжения в виде отрезка логарифмической спирали.
2. Установлено, что ширина призмы возможного обрушения откоса определяется положением поверхности скольжения в откосе, которое зависит от точности вычисления коэффициента запаса устойчивости.
3. Получены графические зависимости между риском обрушения и коэффициентами запаса устойчивости откоса с учетом физико-механических свойств пород.
3. Установлены аналитические зависимости между риском обрушения и условной шириной призмы возможного обрушения откоса.
4. Установлены графические зависимости между условной высотой откоса, углом наклона откоса и условной шириной призмы возможного обрушения.
5. Разработан графо-аналитический метод для оценки физико-механических свойств в массиве горных пород.
6. Разработаны инженерно-технические мероприятия, снижающие травмоопасность рабочих мест при формировании откосов восточного борта карьера «ОАО Стойленский ГОК».
Методы исследований: аналитические, методы математической статистики и теории вероятности, математическое моделирование. Работа выполнена с использованием лабораторных методов определения физико-механических свойств и гранулометрического состава пород осадочной толщи железорудных карьеров КМА, вероятностных методов оценки риска обрушения откосов. Проводились инструментальные наблюдения за деформациями и обрушениями откосов уступов и бортов железорудных карьеров КМА.
Фактический материал: в основу диссертации положены статистические данные о состоянии аварийности и травматизма в горнорудной и нерудной промышленности, результаты лабораторных испытаний и натурные наблюдения за деформациями и обрушениями откосов уступов карьера ОАО «Стойленский ГОК», позволившие сделать вывод о том, что массив осадочных пород железорудных карьеров КМА может рассматриваться как сплошная изотропная среда.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием методов математической статистики, теории вероятности и современных достижений вычислительной техники; большим количество проведенных лабораторных исследований и натурных наблюдений; положительным решением Федерального института промышленной собственности о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Практическая значимость работы: усовершенствован аналитический и разработан графический методы расчета коэффициента запаса устойчивости и выбора безопасных параметров откоса, позволяющих снизить риск обрушения вскрышных уступов карьеров и тем самым повысить травмобезопасность рабочих мест. Для оценки физико-механических свойств в массиве горных пород разработан графо-аналитический метод оценки физико-механических свойств пород, слагающих откос по результатам его обрушения.
Реализация результатов исследований. Результаты данной работы могут быть использованы при проектировании, эксплуатации и реконструкции карьеров для выбора безопасных параметров уступов. Теоретические результаты включены в учебные курсы по дисциплинам «Безопасность жизнедеятельности» и «Инженерная геодинамика» для студентов, обучающихся по специальности 130302 – «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания», а также использованы при выполнении хоздоговорных НИР в Белгородском государственном университете.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научных конференциях и семинарах: международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь в начале нового столетия» (Губкин, 2007, 2008 гг.); межвузовской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые – наукам о земле» (Москва, МГГУ, 2008 г); международной научно-практической конференции «Регион 2008: стратегия оптимального развития» (Харьков, ХНУ им. В.Н. Каразина, 2008 г); международной научно-практической конференции «Геомеханика. Механика подземного строительства» (Тула, ТулГУ, 2008 г; 2009 г.); III международной научной конференции (Белгород, БелГУ, 2008); Десятом международном симпозиуме «Вопросы осушения, геологии, горных работ, геомеханики, промышленной гидротехники, геоинформатики и экологии» (Белгород, ФГУП ВИОГЕМ, 2009 г).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Otkos1. Расчет безопасных параметров откосов» № 2008615512.
