На правах рукописи

ПАНЧЕНКО АЛЕКСЕЙ ВИКТОРОВИЧ

МАРКШЕЙДЕРСКАЯ ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ

КРИВОЛИНЕЙНОГО В ПЛАНЕ БОРТА КАРЬЕРА

Специальность 25.00.16 – Горнопромышленная

и нефтегазопромысловая геология, геофизика,

маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург– 2014

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель – доктор технических наук Мустафин Мурат Газизович

Официальные оппоненты:

Макаров Александр Борисович доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный геологоразведочный университет им. С. Орджоникидзе», кафедра маркшейдерского дела, профессор Чебаков Антон Валерьевич кандидат технических наук, ООО «Геотехническое бюро», главный специалист по открытым горным работам

Ведущая организация – ОАО “Гипрошахт”

Защита диссертации состоится 25 сентября 2014 г. в 11 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224. при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу 199106, г. Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд.

3416а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета "Горный" и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 17 июля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СКАЧКОВА

диссертационного совета Мария Евгеньевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Многообразие горно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом предполагает различные формы контуров бортов карьеров. Одной из главных задач при этом является обеспечение его устойчивости. Решение этого вопроса, в основном, выполняется для двумерного случая (плоская задача), и в этой связи криволинейность бортов карьеров в плане не учитывается.

В настоящее время благодаря компьютерным технологиям становится возможным развитие исследований по учету кривизны бортов карьера. Получение зависимостей распределения деформаций и напряжений в породах борта карьера от геометрических параметров и физико-механических свойств позволяет получить отличия криволинейного в плане борта от прямолинейного. Сопоставление эмпирических данных и результатов моделирования на основе метода конечных элементов, реализованного в современных программах, создают хорошие предпосылки к решению вопроса оценки устойчивости криволинейных участков борта.

Большой вклад в развитие методов расчета устойчивости бортов карьеров внесли такие ученые, как: Фисенко Г.Л., БорщКомпаниец В.И., Попов И.И., Сапожников В.Г., Пушкарев В.И., Галустьян И.Л., Ермаков И.И., Мочалов А.М., Пустовойтова Т.К., Шпаков П.С., Макаров А.Б., Низаметдинов Ф.К., Мустафин М.Г., Туринцев Ю.И., Певзнер М.Е., Куваев Н.Н. и многие другие. Разработанные схемы учета криволинейности бортов карьеров весьма важны при оценке их устойчивости и позволили обеспечить рациональное ведение горных работ, однако они базируются на эмпирических данных 30-40-летней давности и поэтому имеют запас для условий, отличных от тестовых случаев. В работе, опираясь на результаты предыдущих исследователей, фактических данных о деформировании прибортового массива, представлена методика учета криволинейности борта карьера в плане при расчете его устойчивости.

Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом за счет создания методики, учитывающей криволинейность борта карьера в плане.

Основные задачи исследований:

1. Провести анализ состояния изученности вопроса об учете криволинейности и формы карьера в плане и разработать методику исследований;

2. Провести математическое моделирование деформационного процесса прибортового массива карьера различной формы в плане для выявления коэффициента кривизны;

3. Разработать методику оценки устойчивости борта карьера с учетом криволинейности его границ в плане;

4. Провести экспериментальную проверку разработанной методики.

Идея работы заключается в выявлении, на основе моделирования с использованием объемной упругой задачи, деформационных показателей, характеризующих различия деформационного процесса на участках борта карьера разной кривизны и учете этих изменений в виде коэффициента в известных формулах расчета устойчивости бортов карьера Методы исследований. При выполнении исследований использовался комплекс методов: анализ и обобщение результатов ранее выполненных исследований, в том числе представленных в нормативно-методических документах; инструментальные наблюдения в натурных условиях, математическая обработка результатов экспериментальных данных, компьютерное моделирование напряженнодеформированного состояния прибортового массива на основе метода конечных элементов, сравнение натурных, лабораторных и расчетных данных результатов исследований.

Научная новизна.

1. Зависимости смещений борта карьера от его кривизны в плане и физико-механических свойств пород;

2. Алгоритм оценки устойчивости борта карьера с учетом коэффициента его кривизны в плане и процесса нелинейного деформирования пород.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом значение устойчивого угла откоса карьера зависит от его формы в плане и соотношений геометрических параметров и может отличаться на разных участках весьма существенно до 30% в зависимости от степени условной кривизны, что позволяет уменьшить объемы вскрышных работ на 15-20%.

2) Планирование маркшейдерских наблюдений за устойчивостью борта карьера целесообразно выполнять в зонах с минимальным коэффициентом запаса устойчивости, определенных с учетом кривизны карьера в плане.

Практическая значимость:

1. Разработана методика учета криволинейности борта карьера при оценке устойчивости для различных горно-геологических условий;

2. Даны рекомендации по расположению наблюдательных станций на карьерах с выраженной криволинейностью в плане.

Реализация результатов работы. Полученные результаты могут быть использованы при оценке устойчивости откосов на участках ведения открытых горных работ в условиях криволинейной формы борта карьера в плане, в учебных учреждениях и в научноисследовательских институтах.

Личный вклад автора:

1. Участие в постановке задач и формулировании основных выводов по исследованию;

2. Расчет и анализ деформационного процесса объемных и плоских моделей бортов карьеров разной геометрии с использованием современных программных комплексов;

3. Установление зависимости между устойчивостью откоса уступа и показателем криволинейности борта в плане и глубины разработки;

4. Разработана методика определения устойчивого состояния криволинейных участков бортов в плане;

5. Сбор и анализ данных по изучению деформационного процесса на карьерах ОАО «Полиметалл», ОЗРК.

Публикации. Основное содержание работы

отражено в публикациях, из них 3 в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определяемый ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (102 литературных источника), изложенных на 119 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, 50 рисунков.

Автор выражает благодарность за оказанную помощь на разных этапах выполнения работы научному руководителю, д.т.н. Мустафину М.Г., заведующему кафедрой маркшейдерского дела, д.т.н.

Гусеву В.Н., главному маркшейдеру ОЗРК Шубину А.Л. Благодарю сотрудников кафедры маркшейдерского дела за полезные советы, критические замечания и содействие в подготовке диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертации, определены цель и задачи исследования, приводятся защищаемые научные положения, изложены научная новизна и практическое значение работы.

В первой главе говорится о состоянии изученности вопроса, поставленного в исследовании, изложены методы расчета устойчивости бортов карьера, приводятся существующие схемы расчета геометрических параметров криволинейных в плане бортов карьеров.

Во второй главе описана методика исследований деформирования прибортового массива горных пород с разной криволинейностью в плане при учете физико-механических свойств на основе моделирования, обосновывается расчет добавочного угла и поправочных коэффициентов в геометрические параметры устойчивого борта карьера.

В третьей главе описывается методика оценки устойчивости криволинейных участков бортов карьеров, произведено сравнение получаемых результатов с существующими методиками определения устойчивости криволинейных бортов.

В четвертой главе описывается реализация изложенного подхода на примере трех карьеров, приводится расчет устойчивости бортов, анализ мер повышения устойчивости и рекомендации по контролю устойчивости бортов карьеров.

В заключении приводятся общие выводы и рекомендации.

Основные результаты исследований отражены в защищаемых положениях:

1. При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом значение устойчивого угла откоса карьера зависит от его формы в плане и соотношений геометрических параметров и может отличаться на разных участках весьма существенно до 30% в зависимости от степени условной кривизны, что позволяет уменьшить объемы вскрышных работ на 15-20%.

Влияние конфигурации борта карьера на деформационный процесс весьма значительно и отчетливо доказано во многих работах, преимущественно ВНИМИ. Знание количественных отношений этой закономерности для разнообразных геометрических и физических параметров карьера позволит более рационально проектировать горные работы.

Наиболее эффективно учесть изменения в деформировании борта карьера разной конфигурации в плане можно на основе разработки геомеханических моделей и выполнения соответствующих расчетов Для моделирования напряженно-деформационного состояния горных пород вокруг открытых горных выработок разной формы в плане и глубины разработки использовался программный комплекс (ПК) Plaxis 3D, позволяющий математически обоснованно подойти к решению поставленной объемной задачи, учесть свойства слагающих пород и представить смещения массива.

Анализ деформированного состояния прибортового массива проводился по разработанным схемам (моделям), включающим следующие наиболее встречающиеся формы выработок: параллелепипед и цилиндр. При этом рассматривались горизонтальные смещения на нижней бровке борта карьера. На рисунке 1 значение L1 – сторона, по которой определялись горизонтальные смещения, L2 – сторона, перпендикулярная L1. Глубина Н соответствовала рабочему спектру глубин существующих карьеров и принималась в интервале от 100 до 500 метров. Смещения породного массива определялись в среднем сечению по L1 (рисунок 1), где величины напряжений достигают наибольших значений. Полученные значения сравнивались с аналогичными для карьера круглой формы в плане с диаметром D равным L1 и глубинами H.

На основе результатов моделирования были найдены зависимости, характеризующие величину смещений у карьеров с разными геометрическими параметрами, представленные на графиках (рисунок 2, 3, 4). Ось абсцисса характеризуется отношением L1 к L2, ординат – величина горизонтальных деформаций в метрах. Кривые графиков, на каждой из рассмотренных глубин разработки, отражают смещения массива при разном значении L2.

Полученные зависимости отражают весьма существенную разницу в смещениях пород в приконтурном массиве за счет дополнительного сопротивления смещению в потенциальной призме обрушения, создаваемого силами бокового распора в зонах с разной кривизной. Так, при анализе прямоугольного карьера и увеличении L1 в средней части рассматриваемой стороны заметно увеличиваются и смещения. Установлено, что при L1/H3 не зависимо от величины L2 эффект «зажима» перестает действовать и показатели смещений не увеличиваются. Это подтверждается исследованиями ВНИМИ, Унипромеди и СГИ.

Зависимости, представленные на графиках, могут быть описаны следующими формулами:

Для определения горизонтальных смещений по подошве откоса в плоскости перпендикулярной L1H:

где L1 – длина стороны, по которой определяются горизонтальные смещения, L2 – длина стороны, перпендикулярная данной, Н – глубина Для учета эффекта зажима, определяемого величиной стороны L2 в плоскости L2H:

При сравнении величин смещений для карьеров круглой формы в плане с диаметром равным большей стороне прямоугольного карьера, получили меньшие значения за счет бокового зажима (рисунок 5). Это означает, что при изучении протяженного карьера с неровной границей в плане, места, где наблюдается вогнутость линии борта (фокус нормалей к борту карьера ориентированы в сторону выработанного пространства) будут испытывать меньшие горизонтальные смещения и соответственно будут более устойчивы. В этих зонах реализуется так называемый «арочный эффект», при котором происходит зажим пород, что препятствует их деформированию в выработанное пространство. Но при D/H>3 значения горизонтальных смещений круглого карьера становиться аналогичным вытянутому, показатель устойчивости в таком случае может быть рассчитан как для прямолинейного борта.

Рисунок 5 - График смещений для круглого карьера диаметра D при Горизонтальные смещения по подошве круглого в плане карьера определяют по формуле:

где D – диаметр круглого карьера, определяемый по плану горных работ, Н – глубина разработки.

Анализ моделей подтвердил утверждение о том, что при соотношении L/H3 эффект зажима пород перестает действовать. Значит, на условной границе L/H=3 при расчете устойчивости будет корректно применение плоской задачи. Угол откоса карьера, в этом случае, следует определять по графику ВНИМИ, либо при помощи традиционных методов расчета. Рассчитав по представленным формулам для прямоугольного карьера величины горизонтальных смещений для соотношения сторон L/H=3, коэффициент устойчивости, в условиях полученных деформаций, примем за единицу.

Расчет показателя устойчивости с учетом сил бокового распора рассматриваемого борта определяется по отношению деформаций плоского борта к деформациям определяемого:.

Найденный коэффициент запаса устойчивости с учетом объемного фактора характеризует повышение устойчивости вогнутого откоса. Этот факт закладывает определенный запас в обеспечении устойчивости борта карьера и позволяет оптимизировать геометрические параметры.

Для определения поправки в угол откоса использовано нелинейное моделирование для плоской задачи, рассмотрены модели борта карьера высотой откоса от 100 до 500 метров с углом откоса, обеспечивающим получение значения коэффициента запаса устойчивости равным 1. Затем, вводя поправку в прочностные характеристики, повышали коэффициент до значения с учетом действия сил