Геомеханічне обґрунтування параметрів стійких укосів кар’єрів в складноструктурному масиві м’яких порід - Автореферат

Значна роль у рішенні задач раціонального використання мінеральних ресурсів приділяється керуванню станом масиву гірських порід, а саме обґрунтуванню таких кутів нахилу укосів та бортів карєру, що одночасно забезпечують їх стійкість і мінімальний рознос. Стійкість укосів карєрів знижується при підвищенні вологонасиченості та зменшенні опору порід на зсув, збільшенні висоти уступу та куту нахилу укосу, а також зовнішніх навантаженнях гірничо-транспортного обладнання. Особливе значення проблема забезпечення геомеханічної стійкості укосів та бортів карєрів має для мяких розкривних порід складної геологічної структури, фізико-механічні характеристики яких змінюються в широкому діапазоні під впливом природно-геологічних та техногенних чинників. Ефективне управління станом укосів на карєрах є однією з важливих інженерних задач, яка полягає в безпечному веденні відкритих гірничих робіт та зменшенні обсягів розкривних порід при збереженні стійкості укосів. Основні задачі досліджень: - вивчення гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов розробки Малишевського циркон-рутил-ільменітового родовища, збір й обробка натурних даних про зсувні процеси, що мали місце на карєрах №7 "Північ" й №7 "Південь" Вільногірського гірничо-металургійного комбінату (ВГМК);У цих умовах з метою забезпечення ритмічної й безпечної роботи всіх ланок технологічного процесу особливого значення набувають проблеми керування стійкістю укосів та бортів карєрів на підставі науково обґрунтованого прогнозу геомеханічних процесів та контролю зсувних деформацій у породному масиві. Всебічне вивчення характеру й масштабів геомеханічних явищ на карєрах дозволяє регламентувати заходи щодо спрямованого керування станом прибортового масиву з метою запобігання розвитку деформацій укосів уступів, підвищення повноти витягу запасів корисної копалини з надр, скорочення обсягів розкривних робіт і площі карєрних полів. Цей процес полягає в сукупності заходів щодо підтримки геометричних параметрів укосів та бортів карєрів у стійкому, близькому до граничного стані, що забезпечує економічне й безпечне ведення гірничих робіт. Удругому розділі виконано аналіз теоретичних й експериментальних досліджень в галузі стійкості укосів і бортів карєрів та геомеханіки. Аналіз порушень стійкості бортів карєрів, виконаний у ВІОГЕМ, показав, що 75 % деформацій виникають у піщано-глинистих відкладеннях і тільки 25 % - в укосах скельних і напівскельних тріщинуватих порід, при чому на зсуви припадає 85 %, на інші деформації - 15 %.Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей зниження стійкості укосів карєрів, складених мякими розкривними породами, обґрунтовані раціональні геометричні параметри уступів з урахуванням структурно-геологічних, гідрогеологічних та гірничо-технологічних факторів, що дозволило вирішити актуальну науково-технічну задачу надійності прогнозу зсувонебезпечних ділянок при відкритій розробці корисних копалин. Виконаний аналіз стійкості укосів на карєрах №7 "Північ" й №7 "Південь" Вільногірського ГМК результати якого довели можливість зменшення обсягу вилучення розкривних порід за рахунок обґрунтування безпечних технологічних параметрів відкритої розробки. Доведено, що процес порушення стійкості укосів на карєрах з мякими розкривними породами повязаний з утворенням специфічних областей критичних напружень в укосі, що веде до виникнення максимальних деформацій та ініціює процес зрушення масиву порід за круглоциліндричною поверхнею ковзання. Розроблена нова гідрогеомеханічна модель, що дозволяє визначати коефіцієнт запасу стійкості укосів карєрів з урахуванням складної геологічної структури, вологості розкривних порід і навантажень від гірничо-транспортного устаткування. В результаті комплексної оцінки геомеханічної стійкості укосів, складених мякими породами, розроблені методичні рекомендації, частиною яких є номограма для розрахунку КЗС й раціональних геометричних параметрів уступів, що дозволяє визначити умови їх стійкого стану за наявності вихідних даних фізико-механічних властивостей порід.

Основний зміст роботи

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей зниження стійкості укосів карєрів, складених мякими розкривними породами, обґрунтовані раціональні геометричні параметри уступів з урахуванням структурно-геологічних, гідрогеологічних та гірничо-технологічних факторів, що дозволило вирішити актуальну науково-технічну задачу надійності прогнозу зсувонебезпечних ділянок при відкритій розробці корисних копалин.

Основні наукові та практичні результати роботи полягають у наступному.

1. Виконаний аналіз стійкості укосів на карєрах №7 "Північ" й №7 "Південь" Вільногірського ГМК результати якого довели можливість зменшення обсягу вилучення розкривних порід за рахунок обґрунтування безпечних технологічних параметрів відкритої розробки.

2. Доведено, що процес порушення стійкості укосів на карєрах з мякими розкривними породами повязаний з утворенням специфічних областей критичних напружень в укосі, що веде до виникнення максимальних деформацій та ініціює процес зрушення масиву порід за круглоциліндричною поверхнею ковзання.

3. Розроблена нова гідрогеомеханічна модель, що дозволяє визначати коефіцієнт запасу стійкості укосів карєрів з урахуванням складної геологічної структури, вологості розкривних порід і навантажень від гірничо-транспортного устаткування.

4. Встановлено, що для існуючих гідрогеологічних умов з урахуванням фізико-механічних властивостей розкривних порід рекомендоване значення КЗС=1,1...1,3 буде забезпечено при куті нахилу укосу ?=37°...47°.

5. В результаті комплексної оцінки геомеханічної стійкості укосів, складених мякими породами, розроблені методичні рекомендації, частиною яких є номограма для розрахунку КЗС й раціональних геометричних параметрів уступів, що дозволяє визначити умови їх стійкого стану за наявності вихідних даних фізико-механічних властивостей порід.

6. Очікуваний економічний ефект від збільшення кута нахилу укосу з проектних 37° до рекомендованих в роботі 47° для гірничо-геологічних умов Вільногірського ГМК при середній висоті розкривного уступу Н = 20 м складе Се = 720...900 тис. грн на 1 км довжини фронту гірничих робіт.

Основні результати досліджень опубліковані у наступних роботах

1. Ковров А.С. Моделирование явления потери устойчивости породных уступов на эквивалентных материалах / А.С. Ковров // Науковий вісник Національного гірничого університету. - 2009. - №9. - С. 27-30.

2. Ковров А.С. Оценка устойчивости откосов на карьерах с учетом структурных особенностей породного массива / А.С. Ковров // Зб. наук. праць Державного підприємства «Науково-дослідний гірничорудний інститут». - Кривий Ріг: ДП «НДГРІ». - 2010. - Вип. 52. - С. 42-52.

3. Ковров А.С. Моделирование устойчивости борта карьера с использованием критерия Друкера-Прагера / А.С. Ковров // Зб. наук. праць Національного гірничого університету. - 2010. - №35. - Т.1. - С. 92-98.

4. Ковров А.С. Об устойчивости откоса правобережной плотины Днепродзержинской ГЭС / Б.М. Усаченко, А.Н. Шашенко, А.С. Ковров // Науковий вісник Національного гірничого університету. - 2010. - №11-12. - С. 82-88.

5. Ковров А.С. Современные тенденции развития открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых в Украине / А.С. Ковров // Зб. наук. праць Національного гірничого університету. - 2010. - №35. - Т.2.- С. 204-212.

6. Ковров А.С. Оценка устойчивости естественных и искусственных породных откосов / А.Н. Шашенко, А.С. Ковров // Геотехническая механика. - Д.: Ин-т геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины. - 2010. - Вып. 91. - С. 43-54.

7. Ковров А.С. Анализ некоторых теорий прочности применительно к оценке устойчивости откосов и бортов карьеров / А.Н. Шашенко, А.С. Ковров // Проблеми гірського тиску. - Донецьк: Донецький національний технічний університет. - 2010. - №18. - С. 5-26.

8. Ковров О.С. Вплив складної геологічної структури та обводнення масиву порід на стійкість укосів карєрів / О.М. Шашенко, О.С. Ковров // Науковий вісник Національного гірничого університету. - 2011. - №3. - С. 63-68.

9. Ковров А.С. Моделирование процесса потери устойчивости породного уступа при управляемом обрушении / А.Н. Шашенко, А.С. Ковров // Форум гірників-2009: Матер. міжнар. конф. 30 вер. - 3 жовт. 2009 р.: тези доп. - Д.: Національний гірничий університет, 2009. - Т.2. - С. 202-208.

10. Kovrov A.S. Modeling of the rock slope stability at the controlled failure / A.N. Shashenko, E.A. Sdvizhkova, A.S. Kovrov // “EUROCK 2010: Rock Mechanics in Civil and Environmental Engineering”: Proceedings and monographs in engineering, water and earth sciences, June 15-18, 2010, Lausanne, Switzerland. - London: CRC Press / Balkema, 2010. - P. 581-584.

11. Ковров А.С. Оценка устойчивости откосов на карьерах с учетом структурных особенностей породного массива / А.С. Ковров // Моніторинг та мінімізація негативного впливу господарської діяльності залізорудних підприємств України на навколишнє природне середовище: Матер. міжнар. наук.-техн. конф. 8-9 жовт. 2010 р.: тези доп. - Кривий Ріг: ДП «НДГРІ», 2010. - С. 75-77.

12. Ковров А.С. Моделирование устойчивости борта карьера с использованием критерия Друкера-Прагера / А.С. Ковров // «Неделя эколога-2010», «Экологические проблемы горно-металлургических регионов. Прогрессивные информационные и технологические решения»: Материалы междунар. симп. 12-15 окт. 2010 г.: тез. докл. - Днепродзержинск: ДГТУ, 2010. - С. 138-140.

13. Ковров А.С. Моделирование устойчивости борта карьера методом конечных элементов / А.С. Ковров // Форум гірників-2010: Матеріали міжнар. конф. 21-23 жовт. 2010 р.: доп. - Д.: Національний гірничий університет, 2010. - Т.2. - С. 94-102.

14. Ковров А.С. Влияние сложной геологической структуры и обводнения массива породна устойчивость откосов карьеров / А.С. Ковров // Наукова весна-2011: Матеріали 2-ї наук.-техн. конф. студентів, аспірантів і молодих вчених, 25 берез. 2011 р.: тези доп. - Д.: ДВНЗ «НГУ», 2011. - С. 112-113.

15. Ковров А.С. Оценка влияния сложной геологической структуры и обводнения массива породна устойчивость откосов карьеров / А.С. Ковров // Образование. Инновации. Карьера: Материалы 1-й междунар. науч.-практ. конф., 12-14 апр. 2011 г.: тез. докл. - Междуреченск: Изд-во филиала ГУ КУЗГТУ, 2011. - С. 71-75.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві: [4] - моделювання гідрогеомеханічних процесів в укосах греблі та оцінка стійкості споруди, аналіз результатів; [6, 7] - аналіз критеріїв міцності для оцінки стійкості укосів та бортів карєрів; [8] - гідрогеомеханічна оцінка стійкості укосів та бортів карєрів методами чисельного моделювання; [9, 10] - виконання лабораторних експериментів на моделях із еквівалентних матеріалів, аналіз результатів.