Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геомеханическое обоснование устойчивости породных отвалов с учетом влияния характеристик разрушенной горной массы

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование устойчивости породных отвалов с учетом влияния характеристик разрушенной горной массы"

На правах рукописи

ГАПОНОВ Юрий Сергеевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗРУШЕННОЙ ГОРНОЙ МАССЫ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005568554 1 3 ПАП 2015

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2015

005568554

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель:

доктор технических наук, главный научный сотрудник

Цирель Сергей Вадимович

Официальные оппоненты:

Кашников Юрий Александрович доктор технических наук, профессор, ФГБОУВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», кафедра маркшейдерского дела, геодезии и геоинформационных систем, заведующий кафедрой

Чебаков Антон Валерьевич кандидат технических наук, ООО «БАСФ Строительные системы», специалист отдела подземного строительства

Ведущая организация - ФГБУН «Институт проблем комплексного освоения недр РАН»

Защита состоится 1 июля 2015 г. в 13 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при "Национальном минерально-сырьевом университете "Горный" по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. № 1171а

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

Автореферат разослан 30 апреля 2015 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СИДОРОВ

диссертационного совета / ' Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Рост добычи полезных ископаемых сопровождается увеличением объемов отбиваемой горной массы, в том числе вскрышных пород. Складирование вскрышных пород требует больших подотвальных площадей, выключенных из хозяйственного оборота, что приводит к значительному экономическому и экологическому ущербу, особенно на территориях с высокой стоимостью и продуктивностью земли, например в районе Курской магнитной аномалии. Наиболее рациональными способами повышения емкости отвалов являются увеличение их высоты и исключение строительства отвалов на слабых грунтовых основаниях. Однако по мере формирования высоких отвалов, даже на прочном основании, в последних происходят деформации, которые могут привести к нарушению устойчивости отвальных откосов и оползням (например, на отвалах Михайловского ГОКа). Основной причиной потери устойчивости откосов отвалов на прочном основании является несоответствие их параметров физико-механическим свойствам отвальной массы, в том числе недостаточный учет гранулометрического состава и вариаций прочности разрушенных пород.

Существенный вклад в изучение процессов разрушения, свойств разрушенных пород и процессов формирования насыпных откосов внесли В.В. Адушкин, А.И. Арсеньев, С.Д. Викторов, А.М. Гальперин, В.Г. Зотеев, Ю.А. Кашников, Ю.И. Кутепов, H.A. Кутепова, E.H. Лаптев, М.Г. Менжулин, А.М. Мочалов, Г.П. Парамонов, O.A. Пахомов, В.Н. Попов, Б.Р. Ракишев, С.П. Решетняк, В.В. Ржевский, H.H. Розанов, А.Д. Сашурин, Е.А. Федорова, Г.Л. Фисенко, С.И. Фомин, Г.А. Холодняков, C.B. Цирель и другие. Установлено, что свойства разрушенных пород определяются, с одной стороны, свойствами исходной породы, а с другой стороны, ее гранулометрическим составом. Знание зависимостей разрыхления, угла естественного откоса и характеристик сопротивления сдвигу от параметров кусковатости и других характеристик разрушенных пород весьма важно для прогнозирования свойств отвальных пород. На основе таких зависимостей прогноз деформаций и устойчивости отвалов может быть выполнен еще на стадии производства взрывных работ. Эти зависимости также существенны для повышения эффективности ведения горных работ, включая не только само отвалообразование, но и процессы форми-

рования отвальной массы: взрывоподготовку, экскавацию и т.д. В то же время влияние гранулометрического состава на свойства отвальной массы недостаточно изучено, что затрудняет расчеты устойчивости отвалов. Поэтому исследование устойчивости отвалов с учетом характеристик разрушенных пород различного гранулометрического состава является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы. Повышение устойчивости отвалов на основе учета зависимостей физико-механических свойств разрушенных пород от их гранулометрического состава.

Основные задачи исследований:

1. Исследования физико-механических свойств разрушенных горных пород различного гранулометрического состава;

2. Определение разрыхления взорванных горных пород при высоких удельных расходах ВВ;

3. Исследование устойчивости отвалов на прочном основании в зависимости от свойств разрушенной горной массы, разработка метода учета влияния гранулометрического состава на свойства разрушенной горной массы при оценке устойчивости;

4. Разработка рекомендаций по учету гранулометрического состава взорванных пород при отвалообразовании с целью повышения устойчивости отвалов.

Идея работы. Управление гранулометрическим составом нижней части породных отвалов на прочном основании для обеспечения их устойчивости.

Научная новизна:

- установлены зависимости коэффициента разрыхления и степени уплотнения под нагрузкой разрушенных пород от однородности их гранулометрического состава;

- выявлены закономерности изменения углов внутреннего трения разрушенных пород от однородности их гранулометрического состава и прочностных свойств.

Защищаемые положения:

1. При формировании породных отвалов необходимо учитывать, что коэффициент разрыхления и степень уплотнения под нагрузкой разрушенной породы зависят от однородности её гранулометрического состава, причем при значениях показателя однородности, близких к единице, наблюдается резкое изменение коэффициента разрыхления и степени уплотнения за счет изменения основного механизма уплотнения.

2. При ведении буровзрывных работ на карьерах следует

учитывать, что при высоких удельных расходах ВВ (от 1,2-1,5 кг/м3 и выше) коэффициент разрыхления взорванных пород имеет практически постоянное значение в интервале 1,25-1,4.

3. Для повышения устойчивости породного отвала на прочном основании необходимо размещать в его нижней части вскрышные породы, сложенные разнопрочными минералами и структурными блоками, или перемешивать вскрышные породы различной крепости.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований: анализ и обобщение данных, опубликованных в научной и горнотехнической литературе по проблемам формирования насыпных откосов; анализ натурных наблюдений; экспериментальные лабораторные исследования проб разрушенных пород; статистическая обработка результатов наблюдений и экспериментов; расчеты устойчивости отвалов методом предельного равновесия и численное моделирование методом конечных элементов (МКЭ).

Практическая значимость работы:

- разработаны рекомендации по выбору рационального значения удельного расхода ВВ при отбойке пород высокой крепости;

- дана оценка запаса устойчивости отвалов в зависимости от свойств разрушенной горной массы;

- разработаны рекомендации по формированию высоких отвалов на прочном основании.

Исследования выполнены в рамках договорных работ по теме: Государственного контракта № 14.515.11.0022 «Разработка ресурсосберегающих технологий высокоэффективного освоения рудных месторождений с вовлечением в отработку балансовых запасов, сосредоточенных в охранных целиках» и «Разработка регламента формирования отвала при смешанной отсыпке фильтрованных хвостов обогатительной фабрики и вскрышных пород карьера Черногорского месторождения».

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждаются совпадением результатов испытаний на различном оборудовании и согласованностью результатов расчетов устойчивости отвалов, выполненных с помощью численного моделирования и методов предельного равновесия.

Личный вклад автора заключается в анализе геологических и горно-технологических условий отсыпания техногенных массивов, в проведении экспериментальных исследований, обработ-

ке полученных результатов, проведении численного моделирования процессов отвалообразования, в составлении рекомендаций.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на конференции в Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2010 г); научно-технических конференциях молодых ученых «Проблемы недропользования» (Горный университет, Санкт-Петербург, 2010, 2011 гг.); на заседании Горной лаборатории в ООО «Институт Гипроникель» (2013 г.); на научных семинарах НЦ геомеханики и проблем горного производства и научно-технического совета по работе с аспирантами университета (2010-2014 гг.).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 5 работах, том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получены 2 патента на изобретение РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 57 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 105 наименований и 5 приложений. Общий объем диссертационной работы изложен на 198 страницах машинописного текста.

Автор выражает благодарность научному руководителю C.B. Цирелю за помощь и поддержку на всех этапах работы, сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства Горного университета и Центра инженерных исследований за помощь в проведении испытаний.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы основные положения и их научная новизна.

В первой главе представлен краткий анализ существующих методов определения параметров развалов и отвалов взорванной горной массы, описаны методы исследования техногенных породных массивов; сформулированы основные задачи исследований.

Во второй главе приведены методы и результаты лабораторных испытаний по определению свойств разрушенных горных пород; описаны опыты по определению разрыхления и сжимаемости, выявлены закономерности формирования развала взорванной горной массы при ведении взрывных работ на глубоких карьерах, да-

ны рекомендации по выбору удельного расхода ВВ, рассмотрены различные направления использования полученных закономерностей, в том числе для формирования бутобетонной закладки.

В третьей главе приведены методы и результаты лабораторных испытаний по определению сдвиговой прочности и угла естественного откоса разрушенных пород в зависимости от свойств материнской породы и их гранулометрического состава.

В четвертой главе приведены результаты расчетов методами предельного равновесия и конечных элементов, даны рекомендации по управлению устойчивостью отвалов в зависимости от свойств и гранулометрического состава разрушенных пород.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы.

В пяти приложениях даны подробные результаты проведенных опытов и расчетов.

Основные результаты исследований отражены при доказательстве следующих защищаемых положений:

1. При формировании породных отвалов необходимо учитывать, что коэффициент разрыхления и степень уплотнения под нагрузкой разрушенной породы зависят от однородности её гранулометрического состава, причем при значениях показателя однородности, близких к единице, наблюдается резкое изменение коэффициента разрыхления и степени уплотнения за счет изменения основного механизма уплотнения.

При расчетах параметров различных процессов горного производства гранулометрический состав разрушенной горной массы чаще всего характеризуется одним показателем - средним размером кусков. Однако многочисленные наблюдения показывают, что для многих геомеханических и технологических процессов важное значение имеет также степень неоднородности распределения кусков по размерам.

Для характеристики распределения кусков по размерам наиболее часто используется показатель неоднородности гранулометрического состава грунтов Кц = (1ео/с1щ (ГОСТ 2510095), где ¿во и ¿ю — диаметры частиц, меньше которых в грунте содержится соответственно 60% и 10% (по массе) частиц. Однако использование этого показателя для разрушенной горной массы не позволяет учитывать влияние крупных фракций, имеющих существенное значение при различных технологических

операциях (вторичное дробление, экскавация, транспортирование, отвалобразование). Также не учитываются другие особенности гранулометрического состава взорванной массы, имеющего сложный характер (сочетание логнормального распределения и распределения Розина-Раммлера плюс особенности грансостава блочной структуры исходного массива). В связи с этим в диссертации для характеристики гранулометрического состава взорванной породы использовался показатель однородности дробления п, предложенный C.B. Цирелем:

m

n = k2AF, + (1)

i=2

где m - количество фракций, AF, - доля /-той фракции, fc; - угловой коэффициент отрезка кумулятивной кривой, построенной в двойных логарифмических координатах (принимается kj « к2). Для степенного распределения значение п равно показателю степени и прямо пропорционально обратной величине коэффициента однородности п = lg(6)/lg (АГя).

Для исследования сжимаемости и других физико-механических свойств были разработаны модельные грансоставы из кусков мрамора с заданными значениями показателя п в диапазоне от 0,58 до 4,9 (Кн = 1,3-11). Для более детального определения гранулометрического состава, формы и степени сферичности испытуемые пробы грунтов и дробленых скальных пород подвергались анализу на оптическом приборе Camsizer ХТ, который определяет размер и формы частиц. Принцип измерения заключается в фиксации размеров падающих кусков, представленных на рисунке 1.

а) * б)

♦ |1ШШ1Ш11Щ1р

*•

•

m liÉii

m *

ш

Рисунок 1 - Фотографии падающих частиц проб, испытуемых на Сагг^гег ХТ (а) - пробы песка карьерного, (б) - пробы разрушенной скальной породы

Результаты нагружения проб разрушенных пород в координатах нагрузка - продольная деформация показаны на рисунке 2 (вклейка). Из анализа результатов, приведенных на рисунке 2, следует, что кривые четко разделяются на две группы. В левую группу с малой сжимаемостью попадали грансоставы с п < 0,8-1, в правую - с п >1-1,2, включая монофракции.

Аналогичным образом произошло разделение проб (рисунок 3) не только по степени уплотнения, но и по коэффициенту разрыхления (исходной насыпной плотности).

и

1,65

I "

I ув

| и

I г «4

1 м

ж

135

и

•

* » •ч. • ( 1 1 (0.<Ми)"

' ' » 1

- . щ 3 я

I tlt.KOiil.ltll

11 1.ИМТ*»1 Щ ■ <КМ, »• о.аомхк ;__1_

м

0 к »1 и

4

1

5

Й5

15

Рисунок 3 - Зависимости коэффициента разрыхления (1) и степени уплотнения (2) от однородности дробления

Несмотря на то, что во время нагружения образцов на прессе средний размер кусков мало менялся, происходило поверхностное дробление, что вызвало увеличение количества мелких фракций. В правой группе количество образовавшихся мелких фракций было настолько велико, что существенно изменило значение п - от 1,7-5 до 0,7-1; в левой группе - изменения п были незначительны. Если до испытаний различия коэффициентов разрыхления проб с малыми и большими значениями п составляли 15-25%, то после испытаний они сократились до 5-10%. Полученные результаты показывают, что скачок сжимаемости определяется различием механизмов уплотнения, в правой группе - основную роль играет переупаковка, а в левой - поверхностное дробление.

При этом, как видно из анализа литературных данных, показатель однородности дробления, существенно зависит от качества

дробления, причем значение п снижается с увеличением степени

ческого dA и среднегеометрического размеров кусков do (по данным C.B. Циреля) с выделенной областью резкого изменения коэффициента разрыхления

Для минимизации оседания высоких отвалов, в которых возможно разрушение кусков отвальной массы, необходимо, чтобы значения п были меньше критических величин 0,8-1,2 (серая полоса на рисунке 4). Согласно эмпирическим зависимостям, представленным на рисунке 4, данное условие надежно выполняется, если среднеарифметический размер кусков в разрушенной массе не превосходит 0,3-0,4 м, а среднегеометрический размер кусков - 0,2-0,25 м, что, как правило, в породах средней крепости отвечает удельным расходам ВВ q = 0,5-0,8 кг/м3, а в породах высокой крепости - q = 0,7-1,0 кг/м .

2. При ведении буровзрывных работ на карьерах следует учитывать, что при высоких удельных расходах ВВ (от 1,2-1,5 кг/м3 и выше) коэффициент разрыхления взорванных пород имеет практически постоянное значение в интервале 1,251,4.

Производительность экскавации взорванных пород зависит не только от степени дробления, но также от формы и структуры развала, характеризуемой коэффициентом разрыхления Кр. Известно, что при широко распространенной в России и применяемой в том числе на Михайловском ГОКе диагональной схеме

многорядного взрывания при удельных расходах до 1,0-1,2 кг/м3 отмечается увеличение коэффициента разрыхления с ростом удельного расхода ВВ.

В настоящее время на Михайловском ГОКе используется термическое расширение скважин до диаметров 400-450 мм и отбойка с очень высокими удельными расходами ВВ (до 2,0-2,1 кг/м3). Анализ проведенных производственных наблюдений показал, что при удельных расходах ВВ от ^=1,25-1,4 кг/м3 взорванная масса приближается к полному разрыхлению, а значения Кр перестают зависеть от удельного расхода (рисунок 5).

— —.

* ► ♦ ♦

ж, ♦

♦ ♦ „

— ч ► < и

♦

у

у

*

_________j_________

0,5 1 1,5 2

Удельный расход ВВ, кг/м3

Рисунок 5 - Зависимость Кр от удельного расхода ВВ при взрывании крепких пород на Михайловском ГОКе (пунктиром показана усредненная зависимость при меньших удельных расходах ВВ по данным C.B. Циреля)

Вариации разрыхления не имеют явной связи не только с удельным расходом ВВ, но также с объемом взрываемого блока, количеством рядов скважин и другими параметрами БВР, за исключением пригрузки из неубранной породы. Высокие значения Кр решают многие технологические проблемы, прежде всего, снижается сопротивление черпанию. В то же время большая ширина развала взорванной горной массы при малых размерах рабочих площадок может вызвать простои горнотранспортного оборудования, а в случаях, когда развал захватывает площадки нижележащих уступов, - нарушить работу карьера в целом. На Михайловском ГОКе были неоднократные случаи, когда заброс на нижний уступ доходил 15-20% объема взорванной массы (рисунок 6 на вклейке).

Так как опыты (рисунок 3) показывают, что коэффициент разрыхления разрушенной породы убывает с уменьшением значений п, то установленная независимость Кр от удельного расхода ВВ означает, что удельный расход практически не влияет и на однородность гранулометрического состава разрушенной горной массы. Согласно зависимостям, представленным на рисунке 4, значения п и средние размеры кусков достаточно жестко связаны между собой, поэтому постоянство значений п в свою очередь показывает, что при значениях q от 1,2-1,5 кг/м3 и выше средние размеры кусков также перестают зависеть от удельного расхода ВВ. Таким образом, повышение удельного расхода до 1,8-2,1 кг/м3 идет только «в запас», т.е. повышает надежность проработки подошвы уступов, но не улучшает дробления, и при этом увеличивает размеры развала, сейсмическое действие и разлет осколков.

Поэтому при взрывной отбойке пород очень высокой крепости (í=18-20 и более) рекомендуется ограничиться предельным уровнем удельного расхода ВВ, при котором еще наблюдается зависимость Kp(q). Понижение удельного расхода ВВ до 1,3-1,4 кг/м3 даст возможность при отбойке кварцитов Михайловского ГОКа сократить расходы на ведение БВР на 20-25 %; общая экономия средств может достигнуть 165 млн. рублей.

3. Для повышения устойчивости породного отвала на прочном основании необходимо размещать в его нижней части вскрышные породы, сложенные разнопрочными минералами и структурными блоками, или перемешивать вскрышные породы различной крепости.

Устойчивость откосов прежде всего зависит от угла естественного откоса и показателей сдвиговой прочности - угла внутреннего трения и сцепления. Для экспериментального изучения этих характеристик раздробленных пород различного гранулометрического и вещественного состава использовались приборы одноплоскостного сдвига конструкции ELE с диаметром среза 63,5 мм, БП-32 с диаметром срезной части 71,4 мм и сервоуправ-ляемая срезная система RDS-200 dcP=150 мм.

Испытания по определению паспортов прочности показали важную методическую особенность: форма паспорта прочности существенно зависит от предыстории нагружения образца испытуемой породы. Если испытания при разных нагрузках проводи-

15000

10000

4 6 8 10 12 14 16 18 Абсолютная продольная деформация, мм

20000

Рисунок 2 - Кривые нагружения Около кривых для монофракций указан средний размер кусков, для проб со сложным грансоставом указано значение п

Рисунок 6 - Заброс взорванной горной массы на нижний горизонт

Рисунок 12 - Расчет запаса устойчивости отвалов методом предельного равновесия при различных свойствах пород нижней части отвала (а-в) и определение механизмов

возможной потери устойчивости отвала по относительной деформации в программе Р1ах!з (г-е)

1 - основание отвала, 2 - нижняя часть отвала (НУЗ), 3 - верхняя часть отвала, 4 - наиболее вероятная линия скольжения, 5 - деформация откоса (вне масштаба)

лись последовательно на одной пробе, то паспорт прочности имеет выраженный излом в районе предела прочности породы; при проведении перемешивания - угол излома уменьшается; при смене проб материала в каждом отдельном испытании - излом был наименее выражен, но все же не пропадает полностью (рисунок 7). Последний - наиболее трудоемкий метод характеризует устойчивость отвала, а первый - наиболее простой - развитие оползня.

Нормальны* и*пр)г**иия

Рисунок 7 - Зависимость оценок сцепления и угла внутреннего трения от методики измерений

Второй важный момент заключается в механизме сдвига. При малой прочности материала разрушенной породы или однородности ее грансостава сдвиг осуществляется за счет разрушения и переупаковки частиц и сопровождается уменьшением объема, т.е. имеет место отрицательная дилатансия на протяжении всего процесса сдвига, что ведет к ускоренному развитию деформаций и оползней. При высокой прочности разрушенной породы или неоднородности ее грансостава (и, соответственно, высокой плотности) сдвиг сопровождается знакопеременной объемной деформацией или даже дилатансионным разуплотнением, что способствует нарастанию эффективного сопротивления сдвигу и затуханию процесса оползнеобразования.

Особое значение для определения характера влияния грансостава на параметры сдвиговой прочности имеет однородность прочностных характеристик пород. На рисунке 8 показаны зависимости углов естественного откоса и внутреннего трения от

размера кусков неоднородной породы (габбро-долерита) и однородной (мрамора). Как видно из графиков, угол внутреннего трения в однородной породе практически одинаков для мелких и крупных кусков, что предопределяет характер зависимости угла внутреннего трения от гранулометрического состава.

Рисунок 8 - Зависимости углов внутреннего трения и естественного откоса от размера кусков для габбро-долерита (а) и мрамора (б)

Результаты исследования влияния гранулометрического состава и коэффициента разрыхления на величину угла внутреннего трения приведены на рисунках 9-11. Анализ результатов испытаний показал, что в однородной породе с убыванием показателя п и коэффициента разрыхления угол внутреннего трения увеличивается, так как более плотная упаковка кусков и дилатансион-ное разуплотнение препятствуют сдвигу. При этом также намечается скачок при значениях п, близких к 1. В неоднородной породе (рисунок 11) эти зависимости выражены существенно слабее, так как основным фактором сопротивления сдвигу оказывается прочность крупных кусков.

В целом, сопоставление влияния прочности и неоднородности грансостава на прочностные свойства разрушенной породы показало, что влияние обоих факторов имеет сопоставимые величины, и они могут изменить углы внутреннего трения в пределах 8°-10° (в диапазоне от 34°-35° до 42°-44°) и величины сцепления в пределах от 10 до 100 КПа (смотри ниже).

В нижней части отвала, как показали исследования В.Н. Попова, Е.Н. Лаптева и других исследователей, размер кус-

ков, как правило, выше, чем в его остальных частях, при этом в нижней части наблюдаются наибольшие напряжения, в высоких отвалах достигающие или превышающие прочность кусков породной массы.

Рисунок 9 - Зависимость угла внутреннего трения от однородности дробления (мрамор)

45

а 43 <е

I 41

I 37 35

1

1 Ф

♦

ЖКр/ит*2*

V #

К* * 0.65. с« 0.05

1,3 1,4 1,5 1,6 1,7

Коэффициемт разрыхления

Рисунок 10 - Зависимость угла внутреннего трения от коэффицента разрыхления (мрамор)

На основании этих данных и анализа, проведенного в предыдущем разделе, для геомеханического моделирования были выбраны следующие модели отвалов на прочном основании.

1. Однородный массив отвала.

2. Массив, состоящий из двух слоев. При этом нижний слой, сложенный горной массой из кусков той же породы с более однородным грансоставом, имеет более низкие прочностные свойства, чем верхний (рисунок 9 и 10; чтобы учесть влияние расслоения при экскавации и транспортировании, углы внутреннего

трения взяты на 1-2 градуса меньше, чем полученные в испытаниях).

3-4. Массив, состоящий из двух слоев. При этом нижний слой, сложенный породами с более однородным грансоставом, но состоящий из более прочной материнской породы, имеет более высокие прочностные свойства, чем верхний (рисунок 10 и 11).

Рисунок 11 - Зависимость угла внутреннего трения от однородности дробления

(габбро-долерит)

Для проведения детальных вычислений были приняты два отвала с одинаковыми свойствами отвальной массы и одинаковыми значениями коэффициента запаса устойчивости в базовом случае однородного отвала, но различной высоты:

1. Высота откоса 60 м, угол наклона 38 градусов.

2. Высота откоса 200 м, угол наклона 33,5 градусов.

Расчеты устойчивости были выполнены с использованием

методов предельного равновесия (методом многоугольника сил по методике Фисенко и методом Спенсера), а также было проведено математическое моделирование МКЭ (программный комплекс Р1ах1з). Примеры расчетов представлены в таблице 1 и на рисунке 12 на вклейке.

В результате проведенных в диссертационной работе расчетов были сделаны следующие выводы об устойчивости и деформировании отвалов на прочном основании.

1. Для достижения той же величины уровня запаса устойчивости отвалов большей высоты (для однородного отвала) требуется значительное снижение угла наклона, например, при увеличении высоты отвала с 60 до 200 метров - с 38° до 33,5°.

2. Различие свойств отвальной массы по вертикали суще-

ственно влияет на характер деформирования откоса; в наибольшей степени это проявляется при наличии ослабленного слоя в нижней части отвала - оседание верхней части отвала дополняется выпором в его нижней части.

3. После окончания процесса оседания преобладают горизонтальные деформации, особенно в нижней и средней частях отвала, но при этом оседания более чувствительны к изменению деформационных и прочностных свойств от слоя к слою.

4. С ростом высоты отвала смещения увеличиваются существенно быстрее, чем растет высота отвала. При увеличении высоты отвала в 3,3 раза смещения увеличились на порядок - в 9-11 раз, т.е. относительные деформации выросли приблизительно в 3 раза.

5. Увеличение прочностных характеристик нижней части отвала существенно не влияет на абсолютные величины его деформаций, но снижение прочности нижней части отвала приводит к увеличению деформаций на 30-50% по сравнению с однородным откосом.

Таблица 1 - Коэффициенты запаса устойчивости отвала с различными свойствами нижнего слоя (прочное основание, высота - 200 м, угол откоса - 33,5°)

№ Тип модели Свойства отваль- Коэф. запаса

№ ной массы Многоуг. Спенсер Р1ах1з

1 Однородная у=2,2 т/м3; ф=37°; С=3 т/м2 1,32 1,28 1,27

2 Слоистая, крепость кусков нижнего и верхних слоев совпадают Верхний слой: 7=2,2 т/м3;ф=37°; С=3 т/м2 Нижний слой: 7=1,9 т/м3;ср=34°; С=3 т/м2 1,23 1,21 1,19

3 Слоистая, нижний слой из крупных кусков более крепкой породы Верхний слой: 7=2,2 т/м3;ср=37°; С=3 т/м2 Нижний слой: 7=1,9 т/м3;ср=40°; С=5 т/м2 1,42 1,33 1,36

Основной вывод заключается в том, что влияние нижнего слоя, обычно сложенного кусками более крупными и более однородными по грансоставу, чем остальная масса, на общую устойчивость отвала определяется в первую очередь его вещественным

составом. Если крупные куски в нижней части отвала имеют более высокую прочность, чем остальная отвальная масса (например, куски песчаника среди аргиллитов и алевролитов), то сепарация по размерам в процессе отвалообразования способствует повышению запаса прочности (рисунки 12-в и 12-е). Однако если прочность кусков нижней части отвала ниже или не отличается от прочности кусков основной массы, то различие однородности грансостава (и, соответственно, разрыхления) ведет к снижению прочностных свойств нижней части и устойчивости всего отвала в целом (рисунок 12-6 и 12-д).

Таким образом, нижний слой, сложенный из крупных кусков, в зависимости от прочности породы и гранулометрического состава может выступать и как призма упора и как слабое основание отвала. Чтобы повысить прочность нижней части и устойчивость отвала в целом предлагается не только избегать размещения грунтов в нижней части отвалов, но также следовать одной из альтернативных рекомендаций:

- размещать в нижней части отвала вскрышные породы высокой крепости;

- размещать в нижней части отвала либо вскрышные породы, сложенные разнопрочными минералами и структурными блоками, либо искусственно перемешивать вскрышные породы различной крепости (чередовать доставку вскрышных пород с различных участков карьера);

- при размещении в нижней части отвала однородных полускальных пород обеспечивать хорошее качество их взрывного дробления (а не только разделение по естественной блочности) или снижать степень сегрегации кусков по крупности при отва-лообразовании (например, с помощью бульдозерного отвалообразования).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Получены зависимости разрыхления и степени уплотнения разрушенных горных пород от их гранулометрического состава. Показано, что наиболее адекватной характеристикой распределения кусков по размерам является показатель однородности дробления. Установлено, что коэффициент разрыхления и степень

уплотнения разрушенных пород, при значениях показателя однородности дробления близких к 1,0, изменяются скачкообразно за счет перехода от переупаковки кусков к их разрушению.

2. Установлено, что, в зависимости от однородности прочностных свойств разрушенных пород, угол внутреннего трения и сцепление разрушенных пород могут определяться либо прочностными свойствами, либо гранулометрическим составом разрушенных пород. В однородной породе с убыванием показателя однородности п угол внутреннего трения увеличиваются, так как более плотная упаковка кусков и дилатансионное разуплотнение препятствуют сдвигу. В неоднородной породе эти зависимости выражены существенно слабее, так как основным фактором сопротивления сдвигу оказывается прочность крупных кусков.

3. Показано, что при малой прочности материала разрушенной породы или однородности ее гранулометрического состава сдвиг осуществляется за счет разрушения и переупаковки частиц и сопровождается сжатием, т.е. имеет место отрицательная дила-тансия на протяжении всего процесса сдвига, что ведет к ускоренному развитию осыпаний и оползней. При высокой прочности разрушенной породы или ее неоднородности сдвиг сопровождается знакопеременной объемной деформацией или даже дилатан-сионным разуплотнением, что способствует нарастанию эффективного сопротивления сдвигу и затуханию процесса оползнеоб-разования.

4. Составлены предложения по выбору гранулометрического состава разрушенных пустых пород для формирования бутобе-тонной закладки.

5. Установлено, что при ведении буровзрывных работ на карьерах при высоких удельных расходах (от 1,2-1,5 кг/м3 и выше), коэффициент разрыхления взорванных пород имеет приблизительно постоянное значение в интервале 1,25-1,4, мало зависящее от параметров БВР. Рекомендовано снижение удельного расхода ВВ до предельного уровня, на котором прекращается влияние расхода ВВ на степень дробления.

6. Получены закономерности устойчивости отвалов в зависимости от свойств разрушенной горной массы. Показано, что нижняя часть отвала, сложенная крупными фракциями, может являться и призмой упора, и в относительно редких случаях однородности вскрышных пород - слабым основанием отвала.

7. Разработан метод оценки устойчивости породных отвалов

на прочном основании с учетом влияния гранулометрического состава на свойства разрушенной горной массы. Даны рекомендации по порядку формирования отвалов для повышения прочности их нижней части.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России:

1.ЦирельС.В. Гранулометрический состав, сдвиговая прочность разрушенных горных пород и их влияние на устойчивость отвалов. / C.B. Цирель, Ю.С. Гапонов, A.A. Павлович // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск. -2013. -№ 12. - 10 с.

2. Цирель C.B. Оценка влияния гранулометрического состава на сжимаемость и пустотность закладочного материала / C.B. Цирель, Ю.С. Гапонов, А.Н. Шоков // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - №12. - С. 8083.

3. Парамонов Г.П. Оценка влияния трещиноватости массива на его разрушение при производстве взрывных работ / Г.П. Парамонов, A.B. Федосеев, Ю.С. Гапонов // Записки Горного института. - 2013. - Т. 204. - С. 294-296.

Патенты:

4. Пат.2465404 РФ. Cl E02D17/20. Способ укрепления откосов уступов / В.А. Смирнов и др., заявитель и патентообладатель: «Санкт-Петербургский государственный горный университет» -№2011118321; заявл. 05.05.2011; опубл. 27.10.2012.

5. Пат.2468351 РФ. Cl G01N3/32. Установка для ударных нагружений образца / Е.В. Лодус и др., заявитель и патентообладатель: «Санкт-Петербургский государственный горный университет» - №2011119176/28; заявл. 12.05.2011; опубл. 27.11.2012.

РИЦ Горного университета. 28.04.2015. 3.375. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2