Маркшейдерское обеспечение горно-экологического мониторинга устойчивости карьерных откосов на слабом основании

Шпакова, Мария Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Маркшейдерское обеспечение горно-экологического мониторинга устойчивости карьерных откосов на слабом основании
ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Маркшейдерское обеспечение горно-экологического мониторинга устойчивости карьерных откосов на слабом основании"

На правах рукописи

ШПАКОВА МАРИЯ ВЛАДИМИРОВНА

МАРКШЕЙДЕРСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГОРНО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА УСТОЙЧИВОСТИ КАРЬЕРНЫХ ОТКОСОВ НА СЛАБОМ ОСНОВАНИИ

Специальности 25.00.16. - «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр», 25.00.36. - «Геоэкология (горно-перерабатывающая промышленность)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-6

ОКТ 2011

Москва 2011

4855536

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» на кафедре Маркшейдерского дела Института горного дела, геологии и геотехнологий (г.Красноярск)

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор Юнаков Юрий Леонидович Научный консультант доктор технических наук Сильченко Ольга Борисовна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гальперин Анатолий Моисеевич; кандидат технических наук Красножен Игорь Владимирович

Ведущая организация; Российский государственный геологоразведочный университет (г.Москва)

Защита диссертации состоится 12 октября 2011 года в 12.30 часов на заседании диссертационного совета Д-212.128.04 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан 12 сентября 2011 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета /У

доктор технических наук, профессор Ермолов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях современного горного производства, характеризующегося неуклонным ростом мощности предприятий, интенсификацией производственных процессов, увеличением глубины и сроков службы карьеров, особенно важное значение приобретают вопросы обеспечения устойчивости карьерных откосов на слабом основании, которые влияют на эффективность и безопасность ведения горных работ, на полноту извлечения полезных ископаемых из недр и экологическую безопасность. Значительно повышаются требования к надежному определению параметров карьерных откосов, обеспечивающих их длительную безопасную эксплуатацию с учетом возрастающей опасности развития деформационных процессов и ухудшения экологической ситуации.

В последние годы наметилась устойчивая тенденция к формированию внутренних отвалов в выработанном пространстве, что повышает эффективность открытого способа разработки месторождений и снижает вредное воздействие на окружающую среду. Отсыпка внутренних отвалов часто осуществляется на наклонно залегающее основание с весьма низкими прочностными характеристиками. При этом параметры отвалообразования нередко принимаются без достаточного горно-экологического обоснования. Поэтому разработка надежных методов расчета устойчивости карьерных откосов на слабом основании становится особенно актуальной научной задачей, решение которой будет способствовать оперативному управлению состоянием прибортовых массивов, обеспечению безопасности ведения горных работ и уменьшению площади нарушенных земель.

Целью работы является создание системы маркшейдерского обеспечения горно-экологического мониторинга устойчивости откосов уступов, бортов и отвалов на слабом основании для повышения эффективности и безопасности ведения открытых горных работ с минимальным воздействием на окружающую среду.

Идея работы заключается в создании единой системы маркшейдерского обеспечения горно-экологического мониторинга устойчивости карьерных откосов на слабом основании, базирующейся на теоретических и экспериментальных исследованиях, результатах высокоточных инструментальных наблюдений, прогнозе, анализе и технических решениях по предотвращению оползневых явлений на карьерах.

Методы исследований включают: методы натурных наблюдений, геологических и маркшейдерских съемок, оценку степени нарушенности прибор-тового массива горных пород; методы натурных и лабораторных исследований физических и механических свойств пород; аналитические, графические, численные и вероятностно-статистические методы.

Научные положения, выносимые на защиту:

- система маркшейдерского обеспечения горно-экологического мониторинга устойчивости карьерных откосов на слабом основании должна базироваться на результатах системных маркшейдерских и инженерно-геологических наблюдениях, определении прочностных характеристик, структуры, состава и свойств горных пород массива и основания, оценке и прогнозе геомеханических процессов, разработке методов расчета параметров устойчивых откосов уступов, бортов и отвалов;

- в качестве расчетных прочностных характеристик горных пород должны приниматься значения показателей прочности, соответствующие нижней границе установленного доверительного интервала с заданным уровнем вероятности;

- параметры предельного откоса бортов и отвалов, расположенных на слабом основании, следует определять на основе решения интегрального уравнения равновесия путем последовательного изменения прочностных характеристик породного массива и установленных предельных значений;

дения слабого слоя, позволяющие принимать оперативные решения без выполнения дополнительных расчетов на стадиях проектирования, строительства, эксплуатации и ликвидации месторождений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны принципы создания комплексной системы маркшейдерского обеспечения горно-экологического мониторинга;

- разработана методика определения дисперсии и интервальной оценки коэффициента запаса устойчивости откоса уступов, бортов и отвалов как функции коррелированных случайных аргументов для откоса, расположенного на слабом основании;

- усовершенствован способ определения прочностных характеристик пород в массиве по данным обратных расчетов оползней, позволяющий более надежно установить прочностные характеристики пород по фактическим поверхностям скольжения и учитывающий природные и техногенные факторы оползневых процессов;

- предложен метод обработки экспериментальных данных для обоснования расчетных значений прочностных характеристик горных пород, учитывающий вероятностный характер и основанный на данных статистического анализа результатов испытаний;

- разработан численно-аналитический способ расчета устойчивости откосов уступов, бортов и отвалов плоского и ступенчатого профилей на слабом наклонном основании, обеспечивающий высокую точность и надежность результатов расчета для оперативного планирования развития горных работ опережающими темпами с учетом геометрических параметров основания и откоса и сезонных изменений прочностных свойств массива и слабого основания.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: достаточным объемом натурных и лабораторных исследований; теоретическими разработками, базирующимися на фундаментальных положениях физики горных пород, инженерной геологии, марк-

шейдерии; сопоставимостью полученных теоретических и экспериментальных результатов.

Научное значение исследований заключается в разработке единой комплексной системы маркшейдерского обеспечения горно-экологического мониторинга на основе установленных закономерностей изменения предельных параметров карьерных откосов уступов, бортов и отвалов на слабом основании от прочностных характеристик горных пород и геологических особенностей прибортового массива.

Практическая ценность работы состоит в разработке рекомендаций по обоснованию параметров карьерных откосов и внутренних отвалов для повышения эффективности и безопасности ведения открытых горных работ, а также обеспечения экологической безопасности на горнодобывающих предприятиях.

Реализация выводов и рекомендаций. Результаты исследований использованы при проектировании, строительстве, эксплуатации и контроле устойчивости карьерных откосов отвалов на горных предприятиях Российской Федерации и Казахстана.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на международных научных симпозиумах в рамках «Недели горняка» (Москва, 2007-2010 гг.); V международной конференции «Передовые научные разработ-ки-2009» (Прага, 2009 г.); международной научно-практической конференции «Воркутинский горный институт» (Воркута, 2010 г.); научно-технических конференциях Муромского института Владимирского государственного университета (г.Муром, 2007 - 2010 гг.); КарГТУ (Караганда, 2007 - 2010 гг.); Сибирского федерального университета (г.Красноярск, 2007 - 2010 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 13 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и 7 приложений, включает 60 рисунков, 22 таблицы, список литературы из 156 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору, канд.техн.наук Юнахову Ю.Л., научному консультанту докт.техн.наук Сильченко О.Б. за ценные советы и внимание к работе, сотрудникам горнодобывающих предприятий за помощь при проведении экспериментальных работ и внедрении результатов исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Маркшейдерское обеспечение мониторинга устойчивости карьерных откосов на слабом основании должно включать в себя: периодические маркшейдерские и инженерно-геологические наблюдения за состоянием откосов; исследования прочностных характеристик горных пород; определение параметров устойчивых откосов на слабом основании, обеспечивающих технологическую и экологическую безопасность разработки месторождения, Такие исследования должны проводиться на всех этапах формирования карьерных откосов (строительство карьера, освоение проектной мощности, начало оформления постоянных бортов карьера на предельном контуре, доработка карьера) в рамках единой системы. В рамках этой системы и был проведен анализ литературных источников и практической деятельности предприятий.

С середины XX века началось систематическое изучение вопросов устойчивости карьерных откосов и экологической безопасности. Этому во многом способствовали труды академиков В.В .Ржевского, Н.В.Мельникова, К.Н.Трубедкого, Е.И.Шемякина, профессоров Г.Л.Фисенко, С.И.Попова, М.Н.Троицкой, Ю.М.Малюшицкого, ПМ.Цимбаревича, П.Н.Панюкова, А.Ж.Машанова, И.И.Попова, В.К.Цветкова, М.А.Ревазова, М.Е.Певзнера,

A.Б.Фадеева, В.Т.Сапожникова, Ю.И.Туринцева, А.И.Арсентьева,

B.И.Стрельцова, В.Г.Зотеева, В.Н.Попова, А.М.Демина, Р.П.Окатова,

А.М.Гальперина, А.И.Ильина, Э.Л.Галустьяна, Ю.И.Кутепова, Ю.В.Кириченко,

Ю.П.Галченко, В.И.Пушкарева, Р.Р.Чугаева, Б.Д.Полового, А.Г.Афанасьева,

П.С.Шпакова, Б.В.Несмеянова, А.Б.Макарова, В.А.Гордеева,

Ф.К.Низаметдинова, Н.Н.Куваева, И.И.Ермакова, Г.Г.Поклада, О.Б.Сильченко,

Т.К.Пустовойтовой, А.М.Мочалова, Ю.С.Козлова, Л.В.Савкова, В.П.Улыбина,

Г.Р.Глозмана, В.П.Будкова, В.Д.Морозова, В.И.Зобнина, Б.П.Голубко, Ю.М.Николашина, И.И.Иванова, У.А.Тер-Аракеляна, О.Т.Токмурзина, Т.Т.Ипалакова, М.Б.Нурпеисовой, О.С.Сабденбекулы, Ж.Д.Байгурина, Х.М.Касымкановой и многих других ученых.

Исследованием и обеспечением устойчивости карьерных откосов занимается ряд научно-исследовательских, проектных и учебных институтов ВНИМИ, МГГУ, ВИОГЕМ, УНИПРОмедь, ИГД им. А.А.Скочинского, Уральский ГГУ, УКРНИИпроект КазНИМИ, КазНТУ им. К.И.Сатпаева, ИГД им. Д.А.Кунаева, КарГТУ, Жезказганский проектный институт, ВНИИцветмет, ВКГТУ им. Д.Серикбаева и т.д.

Исследования, проведенные учеными, позволили заложить научные основы решения задач устойчивости карьерных откосов, разработать и внедрить на практике инженерные методы их расчета.

Физико-механические свойства горных пород во взаимосвязи со структурно-тектоническими особенностями горного массива определяют напряженное состояние карьерных откосов, возникающее под действием внешних и внутренних сил. Вопросами изучения физико-механических свойств горных пород занимается целый ряд институтов, таких как ВНИМИ, ВИОГЕМ, МГГУ, УкрНИИпроект, ГИПРОцветмет, ВНИИцветмет, КарГТУ (КарПТИ) и др.

Анализ научных публикаций по исследованию физико-механических свойств горных пород показывает, что современные методы их определения и изучения в основном удовлетворяют требованиям к решению задач обеспечения устойчивости карьерных откосов для относительно простых горно-геологических условий. Дальнейшие исследования следует посвятить разработке методики комплексного использования результатов лабораторных, натурных испытаний и обратных расчетов, позволяющей получить наиболее обоснованные и адекватные, соответствующие расчетной схеме, показатели прочностных свойств. Использование вероятностного подхода к решению задач устойчивости карьерных откосов открывает большие перспективы для надежного обоснования параметров карьерных откосов и принятия оптимальных инженерных

решений на различных стадиях проектирования и разработки месторождений открытым способом.

Особые требования необходимо предъявлять к обоснованию параметров откосов карьеров и отвалов, расположенных на слабом, зачастую наклонном основании. Неправильное назначение параметров для таких откосов может привести к их деформациям, увеличению площади нарушенных земель, созданию опасных условий эксплуатации месторождения. Попытки решения этой задачи предпринимались многими исследователями: Г.Л.Фисенко, А.М.Мочаловым, Р.П.Окатовым, П.СШпаковым, О.И.Лягиным, Ю.Д.Рыбалкиным и др. Подробный анализ недостатков выполненных работ по данному вопросу подробно изложен в главе 1. Суть недостатков заключается в следующем. Криволинейные поверхности скольжения заменены плоскими, что в определенных условиях приводит к заметным погрешностям в определении предельных параметров откосов бортов и отвалов; мощность слабого слоя принимается равной нулю, т.е. задача решается лишь при условии развития контактного оползня. В некоторых работах величина Нда принимается равной нулю, не учитывается ступенчатость борта.

Большой вклад в развитие вероятностных методов расчета устойчивости внесли работы проф.П.С.Шпакова, проф.Г.Г.Поклада, С.Т.Омарова, в которых заложены основы и разработана методика вероятностного расчета коэффициента запаса и параметров устойчивых откосов.

Анализируя современное состояние изученности вопросов устойчивости карьерных откосов, следует отметить, что исследования, проведенные учеными, позволили заложить научные основы решения задач устойчивости откосов уступов, бортов и отвалов, разработать и внедрить на практике инженерные методы их расчета. Однако, несмотря на достигнутые успехи, задача обеспечения устойчивости карьерных откосов на слабом основании требует дальнейшего совершенствования способов ее решения.

При решении задач устойчивости карьерных откосов на слабом основании следует уделить внимание совершенствованию расчетных схем на базе

комплексного использования численно-аналитического и вероятностных способов расчета. Именно в этом направлении следует продолжить дальнейшие исследования.

Главной целью мониторинга устойчивости карьерных откосов на слабом основании является надежное определение параметров уступов, бортов карьеров и отвалов, при которых исключаются деформационные процессы и обеспечивается минимальное загрязнение окружающей среды.

Для достижения поставленной цели создания системы маркшейдерского обеспечения горно-экологического мониторинга устойчивости карьерных откосов на слабом основании должна включать:

- анализ современного состояния вопросов обеспечения устойчивости карьерных откосов и внутренних отвалов при интенсификации производственных процессов;

- проведение маркшейдерских и инженерно-геологических наблюдений за состоянием карьерных откосов на слабом основании с целью выявления деформационных изменений;

- определение структуры, состава и свойств горных пород массивов и оснований как необходимых элементов отвалов;

- разработку аналитического способа определения параметров устойчивых откосов на слабом основании и применение численно-аналитического способа для выявления зависимостей высоты предельного откоса от сцепления пород массива и основания, мощности и угла падения слабого слоя;

- выполнение сравнительного анализа различных методов расчетов параметров предельного откоса;

- разработку программного обеспечения определения параметров и оценки устойчивости карьерных откосов;

- разработку методики управления устойчивостью откосов во внутри-карьерном пространстве;

- разработку рекомендаций по управлению состоянием уступов, бортов карьеров и отвалов.

Одна из основных составляющих мониторинга - определение и обоснование прочностных характеристик прибортового массива горных пород, основания отвалов, уступов и бортов.

Установлено, что для объективного и достоверного определения прочностных характеристик целесообразно проводить комплексные исследования, включающие лабораторные, натурные испытания пород и обратные расчеты произошедших или искусственно вызванных оползней и обрушений откосов с дифференцированным выбором расчетных показателей прочностных свойств пород. В диссертации усовершенствован метод обратных расчетов оползней, который позволяет более надежно установить прочностные характеристики пород по фактическим поверхностям скольжения, который учитывает все природные факторы, определяющие развитие оползневых процессов. Методика расширения области применения результатов обратных расчетов делает их мощным инструментом обоснования надежных значений прочностных характеристик горных пород. Согласно рис. 1 величина угла внутреннего трения р определяется из соотношения сумм касательных и нормальных ]Г N' сил в оползневом теле, действующих по поверхности скольжения оползневой массы пород: р = arctgC^T'jYjK) ■

190

185

2 180 го

8 I75

н 170 Р 165 § 160 ш 155 150

0 20 40 60 80 100

Заложение откоса, м

Рис. 1. Оползень восточного борта Канарского карьера: 1- точки контура оползня; 2 - точки борта карьера; 3 - точки поверхности скольжения; ab- контакт

по ослабленному слою 9

При обратных расчетах оползней откосов глинистых пород, сохраняющих после обрушения остаточное сцепление по поверхности скольжения вследствие способности глин частично восстанавливать нарушенные внутренние связи, угол внутреннего трения должен определяться с учетом остаточного сцепления го, т.е.

р = (1) где Ц - длина поверхности скольжения после обрушения (участок, на котором находится оползневая масса), без участка, находящегося на земной по-верхности.Величина сцепления пород в массиве до оползня, если не учитывать величину , определится как

где £7* , Ц-М, - суммы касательных и нормальных сил по поверхности скольжения в массиве до оползня; Ь - длина поверхности скольжения после обрушения (участок, на котором находится оползневая масса); Ьо - длина поверхности скольжения в массиве. С учетом Ни величина сцепления пород в массиве определяется по формуле

При наличии в прибортовом массиве слоя или контакта пород с известными характеристиками рс и &.(рис. 1) параметры сопротивления сдвигу пород массива рт и кт могут быть найдены из следующих соображений:

1. Определяем обобщенный (средневзвешенный) угол внутреннего трения р0 (массива и контакта) с учетом остаточного сцепления ко, т.е.

Ро = агсШ^Т,-20*(Ь-ЬС-4.„;))/1Лг,; (4)

где £7] ~1Та + 5Тш" суммарные сдвигающие силы, действующие по контакту и в массиве; = £Л'а - суммарные удерживающие силы, действующие по контакту и в массиве; Ьс- длина участка поверхности скольжения по контакту; £зп =Ь-Ь0- поверхность скольжения по земной поверхности;

Ь = Ьс + Ьт - длина поверхности скольжения после обрушения (участок на котором находится оползневая масса);

2. Определяем обобщенный (средневзвешенный) показатель сцепления ка (массива и контакта), без учета Н90

(5)

где Ьт - поверхность скольжения в массиве;

если с учетом Я90, то к0 вычисляется по формуле:

Ы -Ъ(РоУ* 5Х-—'■ с^45°

У ^

!{1С + Ьт). (6)

3. Исходя из формулы средневзвешенного, определяем сцепление в массиве по формуле:

km=(k0L0-kcLc)/Lm, (7)

где кс и Lc- сцепление и длина участка поверхности скольжения по слою (контакту).

4. Определяем угол внутреннего трения массива исходя из формулы средневзвешенного, без учета :

рт = arctg{(Yj Ni*tg(p0)-tg(pc)if^iNa)I'^ Nmi), (8)

это же значение можно получить исходя из уравнения предельного равновесия призмы обрушения

P^arctg((ZTi-tg(pc)*YJNa-Lc*kc-Lm*km)/^Nml), (9)

если с учетом Що, то угол внутреннего трения массива вычисляется по формуле: pm=arctg(aiT-tg(pc)*,£Na-Lc*kc-Lm*km-H9a*kJ3)/Y4Nmi),

У 2

Для автоматизации расчетов по определению параметров и оценки устойчивости откосов разработано специальное программное обеспечение с помощью пакета Delphi фирмы Inprise Inc, которое может использоваться на рабочих

станциях под управлением операционных систем Windows.

Значения прочностных характеристик обычно устанавливаются на основе статистической обработки результатов лабораторных и натурных испытаний физико-механических свойств пород.

Использование методов теории вероятностей и математической статистики дает возможность более строго и научно обосновать расчетные характеристики прочностных показателей горных пород для определения параметров устойчивых откосов.

Интервальная оценка статистических характеристик делает возможным оценку надежности их определения. Так как речь идет о прочностных характеристиках, участвующих в расчетах устойчивости прибортового массива, то в качестве расчетных должны приниматься характеристики, соответствующие нижней границе доверительного интервала, построенного с заданным уровнем вероятности.

В диссертации рекомендуется определять доверительный интервал для М(у|х0), согласно исследований Кендалла и Стьюарта, по формуле

1/2

. 1 /V- _ ^

М(у/хо) = (0о + {11хо)±11_аП<

» И(х-Х)2

(10)

Из выражения (10) видно, что доверительный интервал определяет две ветви гиперболы, диаметром которой служит рассчитанная регрессия 7 = + Дх0. Доверительный интервал будет минимальным при х0= о, а его длина будет возрастать при возрастании - х). Выражение в фигурных скобках в формуле (10) есть не что иное, как величина которой может также быть определена по формулам

4 + или а2у = 4Нч-Х)2а\ (П)

Таким образом, можно считать, что наилучшая прямая варьируется во-

круг центра тяжести экспериментальных точек (точка в). В величину <ту вно-

сят вклад ошибка в значении ординаты у, точки в и ошибка &рх в угле наклона прямой (рис. 2).

1,10" 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

МПа(тс/м )

у = 0,2427х + 4,7367

о *

к о. с га х X

о х л с;

£ га

о £

в(Х,Г)

----

г*7

" Б /

6 '

10 20 30 40

Нормальное напряжение а, 10"2МПа (тс/м2)

Рис. 2. Вероятностный метод обработки результатов: 1 - эмпирическая линия регрессии; 2 - теоретическая линия регрессии - г = 4.7367 + 0.2427 <т; 3 -доверительные интервалы для ожидаемых значений параметра <т, 4- доверительные интервалы для возможных значений параметра а; 5 - ГОСТ 20522-96 -т = 3.9137 + 0.2005 а ; б - ВНИМИ т = 3.64+ 0.1887 а

В работе установлено, что в соответствии с вероятностным способом, в качестве расчетных прочностных характеристик должны приниматься значения показателей прочности, соответствующие нижней границе доверительного интервала, рассчитанного на основании достаточного количества опытных данных с заданным уровнем вероятности. Анализ показывает, что ширина доверительных интервалов зависит от степени надежности получаемых результатов, в том числе и от количества испытаний. Это позволяет усовершенствовать методы определения стандартов оценки состояния антропогенной среды при освоении месторождений.

В зависимости от местоположения поверхности скольжения в теле отвала могут применяться три расчетные схемы: а) схема 1 - Д < Д; б) схема 2 -Д > Д; в) схема 3 - Д < Д и Д > Д (рис. 3). Коэффициент запаса устойчивости определяется из соотношения показателей п = Туд! Т^, определяемых по формулам (12) и (12'). Все элементы, переменные и подынтегральные функции, входящие в приведенные формулы, определяются из геометрических вычислений.

Рис. 3. Расчетная схема откоса отвала на слабом наклонном основании

при А<А " А>А

+ кК |с/0 + кН90/3 + Р0сое Р + АЕ2 ■ к' + 0; А

Тсдв=0,5уср.азЛ ¡Н2к2<№ + 0,5Г-Я

М У4

А' А

+ ¿7? |с/0

(12)

+ ^111А (КГ)

.А А

Непосредственное решение таких уравнений относительно Я и £ в элементарных функциях не представляется возможным. Поэтому нами разработа-

но специальное программное обеспечение с помощью пакета Бе1рЫ, решение таких уравнений выполнялось численно-аналитическим способом на ПЭВМ. Расчетный откос приводится в предельное состояние методом последовательных приближений путем пропорционального изменения оценок прочностных характеристик до предельных значений по составленным программам. После

приведения откоса в предельное положение получим „ = *8Рн = к" = ^Р= к" =

Р пред кпред ^ё Рпргд ^пред

р1со3ьыЕр<со3Р+КкРЯМ. или

п = ^ 7прям = ^прям^прям

1сдв 1сдв г (13)

где Л/ и АкрЫ - коэффициенты, зависящие от формы поверхности скольжения и количества расчетных блоков.

Использование приведенных уравнений дает возможность определить погрешность коэффициента запаса устойчивости по формуле

2 _ ¿1 2 , л% 2 2 2

°л -Л1ат1 + прям ^прдл. • Здесь °пИ °Г„Р„ - погрешности определения

тУд для блоков, находящихся на криволинейном и прямолинейном участках поверхности скольжения. На основе приведенных выражений, задаваясь доверительной вероятностью, можно рассчитать параметры Я и а предельного откоса, т. е. откоса с коэффициентом запаса устойчивости пты = 1, значение которого отвечает нижней границе доверительного интервала.

Находим доверительные границы, которые с заданной доверительной вероятностью содержат истинный коэффициент запаса устойчивости п - / ап < П < п + ?роа„. Если нижняя граница доверительного интервала окажется меньше единицы, то откос будет находиться в неустойчивом состоянии. Устойчивому состоянию откоса будет соответствовать нижняя граница доверительного интервала, равная единице, т.е. П-?Ростп =1. Отсюда определяем ¿Ро,

соответствующее устойчивому состоянию откоса ?р0 = (л-7)/о„. По распределению Стьюдента и по числу степеней свободы можно определить, какой доверительной вероятности р соответствует найденное значение ¿р0. Уровень риска обрушения откоса Г = 1-р. При использовании двухсторонней доверительной вероятности уровень риска определяется как г = (1 - р) / 2.

Используя вышеприведенную методику и задаваясь доверительной вероятностью, можно рассчитать параметры Я и а предельного откоса с коэффициентом запаса устойчивости пт1п = 1, значение которого отвечает нижней границе доверительного интервала.

Разработанные программы, помимо расчета параметров предельного откоса, позволяют рассчитать и построить графики многофакторных зависимостей, учитывающих физико-механические характеристики пород массива и слабого слоя, угол и высоту устойчивого откоса, ширину призмы возможного обрушения. Использование таких рафиков позволяет оценить степень устойчивости откоса любой высоты в заданных границах' доверительного интервала без проведения дополнительных расчетов.

Разработанный аналитический способ решения задачи по расчету устойчивости карьерных откосов ступенчатого профиля, расположенного на слабом наклонном основании, позволяет определять коэффициент запаса устойчивости и предельные параметры откоса.

Разработанное программное обеспечение позволяет за короткий промежуток времени получить большое количество решений, проанализировать множество вариантов конфигураций откосов и потенциальных поверхностей скольжения.

Программа «Численно-аналитический метод» в зависимости от поставленной цели позволяет решить следующие две задачи: а) с учетом заданных расчетных физико-механических характеристик пород массива и слабого слоя, угла откоса, угла наклона и мощности слабого слоя определить предельную высоту устойчивого откоса и ширину призмы возможного обрушения; б)

для заданной высоты откоса с углом наклона, заданных физико-механических характеристиках массива и слабого слоя определить минимальный коэффициент запаса устойчивости. Расчет ведется численно-аналитическим методом.

Программа «Коэффициент запаса устойчивости» позволяет для заданной высоты откоса с углом наклона, заданных физико-механических характеристиках массива и слабого слоя определить минимальный коэффициент запаса устойчивости. Расчет ведется численно-аналитическим методом. Порядок работы аналогичен предыдущей программе.

Программа «Большая мощность» в зависимости от поставленной цели позволяет решить следующие две задачи: а) с помощьр заданных расчетных физико-механических характеристик пород массива, слабого слоя и угла откоса определить предельную высоту устойчивого откоса и ширину призмы возможного обрушения, или для заданной высоты откоса углом наклона находить минимальный коэффициент запаса устойчивости; б) с помощью заданных расчетных физико-механических характеристик пород массива, слабого слоя и проектной высоты откоса определить предельный угол откоса и ширину призмы возможного обрушения или находить минимальный коэффициент запаса устойчивости для любого заданного угла откоса.

Программа «Влияние бермы на коэффициент зацаса устойчивости» в зависимости от поставленной цели позволяет решить следующие две задачи: а) с учетом заданных расчетных физико-механических характеристик пород массива и слабого слоя, угла откоса, угла наклона и мощности слабого слоя определить предельную высоту устойчивого откоса и ширину призмы возможного обрушения; б) для заданной высоты откоса с углом наклона, заданных физико-механических характеристиках массива и слабого слоя определить минимальный коэффициент запаса устойчивости. Расчет ведется численно-аналитическим методом.

Программа «Метод многоугольника сил» определяет предельную высоту откоса и ширину призмы возможного обрушения для заданных физико-

механических характеристик массива и слабого основания. Расчет ведется методом многоугольника сил.

Расчетами установлены зависимости предельной высоты откоса от сцепления пород массива, мощности и угла падения слабого слоя для условий Канарского и Тургайского месторождений. Зависимости вида Н^ = /(к) для

т = 1 м при различных (3 (Тургайское месторождение) представлены на рис.4.

Рис. 4. Графики зависимостей высоты предельного откоса от сцепления массива и угла наклона слабого слоя Н^ = /(к,/3)

Аналогично установлены зависимости высоты предельного откоса от сцепления массива при постоянном угле наклона слабого слоя и переменных значениях мощности. Полученные аналитические зависимости позволяют планировать развитие горных работ опережающими темпами с учетом изменения геометрических параметров основания и откоса, а также учитывать сезонные изменения прочностных свойств массива и слабого основания. На рис. 5 приведен сравнительный анализ параметров предельного откоса, полученных мето-

дом многоугольника сил, численно-аналитическим и аналитическим методами для различных значений угла наклона и мощности слабого слоя.

а = 34°; р = 28'; т = 0 +1; к' = 0,5 т/м2 (0,005 МПа); у = 2,0 т/м3

Рис. 5. Сравнительный анализ методов расчета: ряды 1, 2 - метод многоугольника сил, т = 0 м ит = 1 м; ряды 3, 4 - численно-аналитический метод, т ~ Ом ит = 1 м; ряды 5, 6 -аналитический метод, т = 0 м и т = 1 м.

Сравнивая полученные результаты, можно сделать следующие выводы:

- аналитический и численно-аналитический способы дают близкие результаты по предельным параметрам, максимальное расхождение составляет 7%, причем в результате аналитического решения получены наименьшие значения предельной высоты откоса;

- при малых значениях угла наклона слабого слоя метод многоугольника сил дает существенно завышенные результаты, использование которых при проектировании может привести к ошибочным решениям и развитию чрезвычайных катастрофических явлений. Параметры, полученные на основе численно-аналитического способа, более надежны. Они нашли хорошее практическое

подтверждение при анализе устойчивости откосов на Канарском месторождении и Тургайских карьерах;

- при изменении угла наклона слабого слоя от 0 до 4° метод многоугольника сил дает значительно большую высоту, чем численно-аналитический метод; при изменении от 4 до 10° рассмотренные методы дают близкие результаты, а при дальнейшем увеличении угла наклона слабого основания метод многоугольника сил дает меньшую высоту по сравнению с численно-аналитаческим и аналитическим методами;

- установлено, что предельная высота откоса линейным образом зависит от сцепления пород массива и пород основания. При помощи методов статистической обработки получены уравнения связи для различных значений угла наклона слабого слоя.

Определение надежных параметров откосов уступов, бортов карьера и отвалов позволяет значительно сократить площади нарушенных земель в районе действующего горнодобывающего предприятия и обеспечить безопасность эксплуатации месторождения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследований представляют собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение актуальной задачи маркшейдерского обеспечения горно-экологического мониторинга устойчивости откосов внутренних отвалов на слабом основании, что имеет важное значение для повышения эффективности и безопасности ведения открытых горных работ и улучшения экологической ситуации в районе.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором:

разработана система маркшейдерского обеспечения горноэкологического мониторинга устойчивости бортов карьера и отвалов на слабом основании для обоснования параметров предельных откосов, исключающих деформационные процессы;

- усовершенствован способ определения прочностных характеристик в породном массиве на основе обратных оползневых расчетов;

- обоснованы границы доверительного интервала значений прочностных показателей прибортового массива с учетом их статистико-вероятностного характера;

- разработаны аналитический и численно-аналитический способы определения параметров предельного откоса, расположенного на слабом основании, с использованием пропорционального изменения оценок прочностных характеристик массива и слабого слоя до предельных значений;

- предложена программа автоматизированных расчетов параметров и оценки устойчивости карьерных откосов на слабом основании;

- предложенные методы расчета параметров устойчивых карьерных откосов на слабом основании приняты к использованию на ряде месторождений России и Казахстана (Мазульский известковый рудник. АО «Жайремский ГОК», разрезы АО «Шубарколь комир»; ТОО «Каражыра LTD»; Сарбайский карьер АО ССГПО с общим экономическим эффектом более 5 млн.руб.).

Основные положения и научные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Шпаков П.С., Ожигин С.Г., Ожигина С.Б., Старостина О.В., Шпа-кова М.В. Мониторинг состояния устойчивости откосов уступов и бортов карьеров Жайремского ГОКа //Горный информационно-аналитический бюллетень. -2008. - №6,- С.211-216.

2. Шпаков П.С., Ожигин С.Г., Ожигина С.Б., Долгоносов В.Н., Шпакова М.В. Способ расчета устойчивости карьерных откосов для сложноструктурных месторождений //Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. -№11. - С.221-225.

3. Шпаков П.С.. Юнаков Ю.Л., Шпакова М.В. Выбор метода расчета откосов на слабом наклонном основании малой мощности //Маркшейдерия и недропользование. - 2009. - № 2. - С.41-44.

4. Шпаков П.С., Долгоносов В.Н.. Ожигин С.Г., Ожигина С.Б., Шпакова М.В. Закон распределения коэффициента запаса устойчивости //Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - №1. - С.322-326.

5. Шпаков П.С., Ожигин С.Г., Ожигина С.Б., Щпакова М.В. Анализ нарушения устойчивости карьерных откосов в районе выходов угольных пластов //Маркшейдерия и недропользование. - 2009. - № 3. - С.38- 39.

6. Шпакова М.В. Оценка устойчивости откоса на слабом Наклонном основании //Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - №10. -С.85-91.

7. Шпаков П.С., Долгоносов В.Н., Старостина О.В., Шпакова М.В. Сравнительный анализ способов расчета предельных параметров откоса на слабом наклонном основании //Горный информационно-аналитический бюллетень. -2010. - №4. - С.302-306.

8. Долгоносов В.Н., Ожигин С.Г. Шпаков П.С., Шпакова М.В. Исследование зависимостей предельной высоты откоса на слабом наклонном основании от сцепления пород массива и геометрических параметров слабого слоя для условий Качарского месторождения //Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. -№3. - С.155-163.

9. Программа для расчета устойчивости карьерных откосов "Stability analysis". Программы, зарегистрированные в реестре программ для ЭВМ Российской Федерации. RU ОБПБТ № 4(75) 20.12.2010. Программы для ЭВМ. Рег. номер 2010614557 (09.07.2010). Авторы Шпаков П.С., Юнаков Ю.Л., Шпакова М.В., Фролов И.А.

10. Шпаков П.С., Ю.Л. Юнаков, Шпакова М.В. Геомеханической мониторинг при разработке месторождений открытым способом, //Машиностроение и безопасность жизнедеятельности: сб. науч. работ. Вып.4. - Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2007. - С.89 - 90.

11. Долгоносов В.Н., Ожигин С.Г., Шпаков П.С., Шпакова М.В. Стати-стико-вероятностное определение коэффициента запаса устойчивости откоса. //Научные труды Международного симпозиума «Информационно-

коммуникационные технологии в индустрии, образовании и науке», посвященного 55-летию КарГТУ, 13-14 ноября 2008 г. - Караганда. - С. 167-169.

12. Долгоносов В.Н., Ожигин С.Г., Старостина О.В., Шпаков П.С., Шпакова М.В. Аналитический способ расчета устойчивости однородного откоса ступенчатого профиля //Материалы V международной конференции «Передовые научные разработки-2009». - Прага: Education and science. - 2009. - Т. 7. -С. 30-32.

13. Шпакова М.В. Расчет предельной высоты откоса на слабом наклонном основании при переменных прочностных характеристиках массива, углах наклона и мощностей слабого слоя. //Труды 8-ой международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 7-9 апреля 2010 г. / Филиал СШТИ (ТУ) «Воркутинский горный институт». - Воркута, 2010. - Том.2. С.491-493.

Подписано в печать. 01.09.2011 г. Формат 60x90/16

Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №

ОИУП Московского государственного горного университета Москва, Ленинский проспект, 6.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Шпакова, Мария Владимировна

Введение.

1. Современное состояние изученности вопросов устойчивости карьерных откосов на слабом основании. Цель и задачи исследований.

1.1. Основные виды деформаций карьерных откосов.

1.2. Факторы, влияющие на устойчивость карьерных откосов.

1.3. Физико-механические свойства горных пород и породных контактов и методы их определения.

1.4. Способы расчета устойчивости карьерных откосов.

1.5. Геомеханические модели прибортовых массивов.

1.6. Выбор метода расчета откосов на слабом наклонном основании малой мощности.

1.7. Инструментальный контроль за состоянием устойчивости прибортовых массивов карьеров.

1.8. Вероятностные методы оценки устойчивости откосов.

1.9. Цель и задачи исследований.

2. Мониторинг состояния устойчивости карьерных откосов на слабом основании.

2.1. Маркшейдерское обеспечение геолого-геомеханического мониторинга и его научно - методические основы.

2.2. Методика управления устойчивостью прибортовых массивов на карьерах.

2.2.1. Маркшейдерское обеспечение устойчивости карьерных откосов Шубаркольского угольного разреза.

2.3. Совершенствование методов маркшейдерских наблюдений за устойчивостью прибортовых массивах на карьерах.

2.3.1. Методика прогноза устойчивости откосов на горнодобывающих предприятиях.

2.3.2. Схемы наблюдений с использованием тахеометра на карьере.

2.3.3. Применение системы GeoMoS для мониторинга состояния прибортовых массивов на карьерах.

Выводы по главе 2.

3. Изучение прочностных характеристик горных пород.

3.1. Лабораторные и натурные определения физико-механических характеристик.

3.2. Определение прочностных характеристик на основе обратных расчетов оползней.

3.2.1. Обратные расчеты оползней Тургайского месторождения.

3.2.2. Обратные расчеты оползней на руднике «Алые».

3.2.3. Совершенствование методики обратных расчетов оползней.

3.3. Обоснование расчетных показателей прочностных характеристик пород с учетом их статистико-вероятностного характера.

3.3.1. Расчётные значения прочностных характеристик пород.

3.3.2. Расчет линейной регрессии по несгруппированным данным.

Выводы по главе 3.:.

4. Способы расчета устойчивости карьерных откосов, расположенных на слабом основании.

4.1. Определение угла входа.

4.2. Расчетные схемы устойчивости откосов на слабом основании.

4.2.1. Численно-аналитический способ решения задачи устойчивости откоса на слабом основании ограниченной мощности.

4.3. Разработка программного обеспечения для решения задач устойчивости карьерных откосов на слабом основании ограниченной мощности.

4.4. Разработка аналитического способа расчета устойчивости откоса ступенчатого профиля на слабом основании малой мощности (контакте).

4.5. Исследование зависимостей коэффициента запаса устойчивости и предельных параметров откоса на слабом основании малой мощности.

4.5.1. Зависимости предельной высоты откоса от сцепления пород массива, мощности и угла падения слабого слоя для условий

Канарского месторождения.

4.5.2. Зависимости предельной высоты откоса от сцепления пород массива, мощности и угла падения слабого слоя для условий Тургайского месторождения бокситов.

4.5.3. Сравнительный анализ способов расчета предельных параметров откоса.

4.5.4. Зависимости коэффициента запаса устойчивости от ширины призмы возможного обрушения и высоты откоса.

Выводы по главе 4.

5. Внедрение результатов исследований.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Маркшейдерское обеспечение горно-экологического мониторинга устойчивости карьерных откосов на слабом основании"

Идея* работы заключается в создании единой системы маркшейдерского обеспечения горно-экологического мониторинга устойчивости карьерных откосов на слабом основании, базирующейся на теоретических и экспериментальных исследованиях, результатах высокоточных инструментальных наблюдений, прогнозе, анализе и технических решениях по предотвращению оползневых явлений на карьерах.

Методы исследований включают: методы натурных наблюдений, геологических и маркшейдерских съемок, оценку степени нарушенности прибортового массива* горных пород; методы, натурных и лабораторных исследований физических и механических свойств пород; аналитические, графические, численные и вероятностно-статистические методы.

Научные положения,, выносимые на защиту:

- система маркшейдерского обеспечения: горно-экологического мониторинга устойчивости карьерных откосов на слабом основании1 должна базироваться на результатах системных маркшейдерских и инженерно-геологических наблюдениях, определении прочностных характеристик, структуры, состава и свойств горных пород массива и основания, оценке и прогнозе геомеханических процессов, разработке методов-расчета5 параметров устойчивых откосов уступов,' бортов и отвалов;

- в. качестве расчетных прочностных характеристик горных пород должны приниматься значения* показателей прочности, соответствующие нижней границе установленного доверительного интервала с заданным уровнем вероятности;

- на базе численно-аналитического способа расчета установлены линейные зависимости предельной высоты откоса уступов, бортов и отвалов на слабом основании от сцепления пород массива и основания, мощности и угла падения слабого слоя, позволяющие принимать оперативные решения без выполнения дополнительных расчетов на стадиях проектирования, строительства, эксплуатации и ликвидации месторождений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложен метод обработки экспериментальных данных для обоснования расчетных значений прочностных характеристик горных пород, к учитывающий вероятностный характер и основанный на данных статистического анализа результатов испытаний;

Практическая ценность работы состоит в разработке рекомендаций по обоснованию параметров карьерных откосов и внутренних отвалов для повышения эффективности и безопасности ведения открытых горных работ, а также обеспечения- экологической безопасности на горнодобывающих предприятиях.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдель- > ные результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на международных научных симпозиумах в рамках «Недели горняка» (Москва, 2007-2010 гг.); V международной конференции «Передовые научные разработки-2009» (Прага, 2009 г.); международной научно-практической конференции «Воркутинский горный институт» (Воркута, 2010 г.); научно-технических конференциях Муромского института Владимирского государственного университета (г.Муром, 2007 - 2010 гг.); КарГТУ (Караганда, 2007 - 2010 гг.); Сибирского федерального университета (г.Красноярск, 2007 - 2010 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 13 работах.

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Шпакова, Мария Владимировна

Выводы по главе 4

- при» наличии в основании откоса* слабого^ слоя слагающие его породы активно участвуют в, процессе деформирования прибортового- массива, являются причиной и очагом- возникновения деформационных процессов. При решении вопросов обеспечения устойчивости такого рода массивов, необходимо учитывать механизм деформирования пород слабого слоя и положение поверхности скольжения;

- разработан аналитический и численно-аналитический способ решения задач по определению параметров предельного «откоса расположенного на слабом-основании. Расчетный откос приводится в предельное состояние методом последовательных приближений путем пропорционального изменения оценок прочностных характеристик до предельных значений. Способы позволяют, задаваясь доверительной вероятностью рассчитать параметры Ни а предельного откоса, значение которого отвечает нижней границе доверительного интервала и направлены на автоматизацию и внедрение компьютерных технологий в процессы проектирования открытых горных работ и расчета параметров устойчивых карьерных откосов на слабом основании;

- разработано программное обеспечение, которое позволяет за короткий промежуток времени получить большое количество решений, выполнить анализ множества вариантов профилей откосов и потенциальных поверхностей скольжения, получить количественные и качественные взаимосвязи между исследуемыми параметрами;

- установлено, что предельная высота откоса линейным образом зависит от сцепления массива и пород основания. При помощи методов статистической обработки получены уравнения связи для различных значений угла наклона слабого слоя;

- выполнен сравнительный анализ трех способов расчета параметров предельного откоса: метода многоугольника сил, численно-аналитическим и аналитическим методами для различных значений угла наклона и мощности слабого слоя, который позволил сделать следующие выводы:

- при изменении угла наклона слабого слоя от 0 до 4° метод многоугольника .сил дает существенно завышенную высоту, по сравнению с численно-аналитическим и аналитическим методами; в пределах от 4 до 10° рассмотренные методы дают близкие результаты. При дальнейшем увеличении угла наклона слабого основания (более 10°) метод многоугольника сил дает заниженную высоту, по сравнению с численно-аналитическим и аналитическим методами.

5. Внедрение результатов исследований

Подробное описание внедрения результатов работы приведено в работах [109Ц11-113,120,126,130], научно-исследовательских отчетах кафедры маркшейдерского дела СФУ и КАРГТУ. •

В: 2007-2010 гг. автор принимал участие в разработке маркшейдерского обеспечение: мониторинга5 состояния устойчивости карьерных откосов; наряде месторождений^ России Hi Казахстана: совместно? с кафедрами маркшейдерского дела СФУ иКАРРТУ. Комплексное: использование результатовше-следований осуществлено при проектировании,, строительстве, эксплуатации и осуществлении контроля устойчивости откосов^ карьеров и отвалов: при разработке. проекта реконструкции карьера Мазульского месторождения: известняков, ОАО "Русал Ачинск";.на горнодобывающих предприятиях Казах-. стана: А@ «Жайремский FOK»; разрезов А© «Шубарколь комир»; ТООн<Ка-ражыра ЬТВ» и ТОО «Богатырь комир»; Оарбайский карьер АО ССЕПО с общим экономическим эффектом 5 385 000 рублей; зарегистрировано- в ФГУП НТЦ «Информрегистр» электронный учебник и электронное пособие; зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ программа расчета ,устойчивости карьерных откосов «Stability analysis.

• Bi проектах рассмотрены;вопросы- создания« системы, геомех'анического ^ мониторинга на основе инструментальных маркшейдерско-геодезических. наблюдений за смещениями и деформациями массивов по заложенным реперам профильных линий наблюдательных станций с использованием: электронного тахеометра и GPS, приемников, спутниковой системы, позиционирования, в разработке рекомендаций по маркшейдерскому обеспечению управления устойчивостью карьерных откосов, включающих:

- создание: общей методологии системы геолого-маркшейдерского обеспечения мониторинга состояния устойчивости карьерных откосов на слабом основании на ряде месторождений России и Казахстана;

- обоснование расчетных данных физико-механических характеристик для оценки устойчивости откосов;

- разработку методики, алгоритмов и создание на их основе прикладных программ решения задач по определению параметров устойчивых карьерных откосов.

Ниже приводятся краткие сведения о результатах исследований.

СВИДЕТЕЛЬСТВО О государственной регистрации программы для эвм. Программа для расчета устойчивости карьерных откосов «stability analysis». Атор(ы): Шпаков Петр Сергеевич, Юнаков Юрий Леонидович, Шпакова Мария Владимировна. Зарегистрировано в реестре программ для эвм 9 июля 2010 г. Номер государственной регистрации № 2010614557 (приложение А).

РЕГИСТРАЦИОННОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО

Шпаков П. G., Юнаков Ю. П., Шпакова М. В. Расчет устойчивости карьерных откосов: электронное учебное пособие». Издание зарегистрировано «8» июля 2010 г. Номер государственной регистрации 0321001358 (приложение Б).

РЕГИСТРАЦИОННОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО

Шпаков П. С, Юнаков Ю. Л., Шпакова М. В. Управление устойчивостью карьерных откосов: электронный учебник». Издание зарегистрировано «8» июля 2010 г. И ему присвоен номер государственной регистрации 0321001358 (приложение В). ТОО «КАРАЖЫРА ЛТД»

1. Заложены 4 наблюдательные станции на рабочем борту и внутреннем отвале;

2. Проведены высокоточные инструментальные наблюдения за устойчивостью бортов разреза и ярусов внутреннего отвала;

3. Произведена оценка устойчивости внутреннего отвала и рекомендованы* рациональные его параметры (генеральный угол, высота ярусов и ширина межъярусных берм), позволяющие увеличить емкость внутреннего отвала за период 2006-2009г.г. на 5339698 м3 и сократить расстояние транспортирования на 0,7 км.

Экономический эффект от внедрения результатов исследований за период 2006 -2010 гг. составил 6623000 тенге - шесть миллионов шестьсот двадцать три тысячи (1325000 один миллион триста двадцать пять тысяч рублей приложение Г).

НА РАЗРЕЗАХ «ЦЕТРАЛЬНЫЙ» И «ЗАПАДНЫЙ» АО «ШУБАРКОЛЬ КОМИР» внедрены основе создания системы геомеханического мониторинга состояния устойчивости прибортовых массивов разрезов, включающей теоретические и экспериментальные исследования по изучению физико-механических свойств и структурных особенностей горных пород, разработку способов расчета устойчивости карьерных откосов, методов высокоточных инструментальных наблюдений за состоянием их устойчивости. Оценка устойчивости западного* крыла Северного борта разреза «Шу-баркольский». Сокращение вскрыши 84 тыс.м3. Фактический экономический . эффект 15,7 млн.тенге. Расчет устойчивости внутреннего отвала. Увеличео ние емкости отвала на 230 тыс.м . Фактический экономический эффект 4,6 млн.тенге. Фактический экономический эффект в ценах 2010 г. составил 20,3 млн.тенге - двадцать миллионов триста тысяч тенге (4,06 - четыре миллиона шестьдесят тысяч рублей, (приложение Д).

АО «ССГПО» (Сарбайский карьер) (приложение Е).

1. Разработаны расчетные схемы, алгоритмы и программное обеспечение для расчета устойчивости откосов на слабом основании.

2'. Заложены наблюдательные станции и проведены 2 серии инструментальных наблюдений в создании системы мониторинга за состоянием верхних глинистых и обводненных уступов карьера и отвала.

Обоснование устойчивых параметров уступов и бортов карьера с использованием программы для расчета устойчивости карьерных откосов «stability analysis» использовалась на объектах Красноярского края: Мазульский известковый рудник. ОАО "Русал Ачинск".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследований представляют собой законченную научно-квалификационную работу, в которой; содержится решение актуальной задачи маркшейдерского обеспечения горно-экологического мониторинга устойчивости откосов отвалов; на; слабом основании; что имеет важное значение для повышения эффективности и безопасности ведения открытых горных работ и улучшения экологической ситуации в районе.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором:; • ■ ■.;• '.V- разработана система маркшейдерского обеспечения горноэкологического мониторинга устойчивости бортов?карьера < и отвалов на слабом основании- для обоснования; параметров предельных откосов, исключающих деформационные процессы;

- усовершенствован способ определения . прочностных характеристик в г породном массиве на основе обратных оползневых расчетов;

- обоснованы границы доверительного интервала значений прочностных показателей прибортового массива с учетом их статистико-вероягностного характера; .;■"■.

- разработаны аналитический . и численно-аналитический способы определения параметров предельного откоса, расположенного на слабом основании; с; использованием; пропорционального изменения оценок прочностных характеристик массиваи слабого слоя до предельныхзначений;

- предложена программа' автоматизированных расчетов параметров и оценки устойчивости карьерных откосов на слабом основании; - предложенные методы расчета параметров устойчивых карьерных откосов на слабом основании приняты к использованию на ряде месторождений-России и Казахстана (Мазульский известковый рудник. АО «Жайрем-ский ГОК»,, разрезы, АО «Шубарколь . комир»; ТОО «Каражыра LTD»; Сарбайский карьер АО ССГПО с общим экономическим эффектом более 5 млн.руб.).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шпакова, Мария Владимировна, Москва

1. Ильин А.И;, ГальперинА.М:,Стрельцов В.И. Управление долговременной устойчивостью откосов на карьерах. Москва: Недра, 1985 . — 248 с.

2. Ломтадзе ВЩ. Инженерная геология. // Инжёнерная; геодинамика. -Москва:;Недра; 1977.-339гс. > V,"

3. Маслов Н.Н. Условия; устойчивости- склонов и откосов в гидроэнергетическом/строительстве; Москва;*Еосэнергоиздат;Л955;.- 467 с:

4. ПанюковЕШ! Инженерная геология. Москва: Недра, 1978;295с . ".■■ .'.•■■;.'■. •. . •."'

5. Иевзнер М.Е. Борьба с деформациями: горных пород на карьерах. М6сква::Недра$1978; - 255гс:; . .9;. БаярсайхашЕ., Ойльченко? О.Б1 Экология? крупных-., городов- Монгол лии (нашримерегородшУлан-Батора):Ж:

6. ФисенкоЕ.Л. Устойчивостьбортовкарьеровиотвалов. Москва: Недра, 1965. - 378 с. V

7. ГГ. / Ильин А.И. Геолого-маркшейдерское обеспечение: управления; устойчивостью бортов глубоких железорудных: карьеров: автореф. . д-ра тех. наук. М., 1974. - 37 с.

8. Инструкция, по наблюдению за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. Ленинград: ВНИМИ, 1971,- 187 с.

9. Иванов И.П. Инженерно-геологические исследования в горном деле для обоснования рационального- использования и охраны недр.- Ленинград: Недра, 1987. 255 с.

10. Маркшейдерские работы на карьерах и приисках: Справочник /В.Н. Попов, К.С. Ворковастов, В.Г. Столинев и др. Москва: Недра, 1989. - 424 с.

11. Попов И.И., Окатов Р.П. Борьба с оползнями на карьерах. Москва: Недра, 1980.-239 с.

12. Гайдин A.M., Певзнер М.Е., Смирнов Б.В. Прогнозная оценка инженерно-геологических условий разработки месторождений твердых полезных ископаемх. Москва: Недра, 1983. - 310 с.

13. Попов И.И., Окатов Р.П., Низаметдинов Ф.К. Механика скальных массивов и устойчивость карьерных откосов.- Алма-Ата: Наука, 1986. 256 с.

14. Окатов Р.П., Низаметдинов Ф.К., Цай Б.Н., Бондаренко Т.Т. Учет временного и температурного факторов при построении критериев прочности горных пород //ФТПРПИ. 2003. - №2.- С. 38-42.

15. Цай Б.Н., Бондаренко Т.Т. О реономности прочностных и деформационных параметров при оценке устойчивости пород //Труды университета, КарГТУ. Караганда, 2002. - №2. - С.46-49.

16. Бондаренко Т.Т., Цай Б.Н. Устойчивость бортов карьеров с учетом временного и масштабного факторов. Алматы, 2003. — 10с. - Деп. в Казго-сИНТИ 28.10-03, №8942-КаОЗ.

17. Методические указания по определению прочности горных породна сжатие. ВНИМИ.- Ленинград, 1973. 74 с.

18. Карташов Ю.М., Грохольский Л.А. Методические указания по определению прочности горных пород на сжатие. Ленинград: ВНИМИ, 1973. -25 с.

19. Матвеев Б.В. Методические указания по испытанию прочности горных пород на одноосное растяжение. Ленинград: ВНИМИ, 1964. — 30 с.

20. Баярсайхан Г., Сильченко 0:Б. Оценка загрязненности воды в городе Улан-Баторе (Монголия). Устронь: Сборник трудов XIII Международного симпозиума «Геотехника 2008». 2008. с. 113-115.

21. Карташов Ю.М. Инструкция по приближённому испытания образцов горных пород неправильной формы на одноосное сжатие. Ленинград: ВНИМИ, 1964.-11 с.

22. Карташов Ю.М., Матвеев Б.В., Михеев Г.В. и др. Прочность и деформируемость горных пород. Москва: Недра, 1979. - 269 с.

23. Ломтадзе В.Д. Методы лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород. Ленинград: Недра, 1972. - 312 с.

24. Ильницкая Е.И., Тедер Р.Н., Батолин В.С. и др. Свойства горных пород и методы их определения. — Москва: Недра, 1969. 392 с.

25. Попов И.И. Определение коэффициента структурного ослабления для горных пород некоторых месторождений Казахстана //Добыча угля открытым способом. 1969.- №2.- С. 36-39.

26. Сапожников В.Т. Типовые паспорта прочности горных пород //Сб. науч. тр. ВНИМИ. Ленинград, 1960. - №36.

27. Фёдоров В.Г. Сдвижение массивов горных пород вгористой местности //Сдвижение горных пород и земной поверхности при разработке месторождений полезных ископаемых.:сб. науч. тр. КарПТИ. Караганда, 1989, - С.49-52.

28. Фисенко Г.Л. О состоянии и задачах лабораторных и натурных испытаний прочности и деформируемости горных пород //Сб. науч. тр. ВНИМИ. Ленинград, 1968. - №ХХ.

29. ГОСТ 21153.2 1984. Породы.горные. Методы определенияшреде-ла прочности при одноосном сжатии. - М.: Госстандарт, 1984. - 1 Ос: ил.

30. ГОСТ 21153.3 1985. Породы горные. Методы определенияшреде-ла прочностишри одноосном растяжении. - М.: Госстандарт, 1986. .- Г4с: ил.

31. Машанов А.Ж. Механика: массива горных пород: Алма-Ата: АН Каз. ССР, 19611- 166 с;.

32. Маслов H.H. Основы инженерной геологии и механики грунтов. -Москва: Высшая школа, 1982. 511 с.

33. Месчан С.Р. Начальная и длительная прочность глинистых, грунтов. Москва: Недра, 1978. - 207 с.48; Вилесов Г.И; Элементы математической статистики в приложении к решению задач горного дела. Свердловск, 1970. - 119 с.

34. Рыжов П.А. Математическая; статистика в горном деле. Москва:

35. Высшая школа, 1973. — 287 с.

36. Шпаков П.С., Попов В.Н.Статистическая обработка экспериментальных данных. — Москва: Высшее горное образование, 2003. 267 с.

37. Каган А.А; Выбор расчётных показателей свойств грунтов с помощью* некоторых методов математической статистики //Труды.Ленинградпро-ект,1970: сб. 3.

38. Каган< A.A. О' применении методов математической статистики квыбору расчетных показателей' свойств грунтов.//Математические методы в инженерной геологии. Москва, 1968, - С.214-217.

39. Каган A.A. Расчётные показатели» физико-механических свойств грунтов. Ленинград: Изд-во литературы по строительству, 1973.- 143 с.

40. Комаров, И.С. Накопление и обработка информации^ при инженерно- геологических исследованиях. Москва: Недра, 1972. — 295 с.

41. Шарапов И.П. Применение математической1 статистики в геологии. Статистический анализ геологических данных. Москва: Недра,-1971 - 245 е.,

42. ГОСТ 20522- 1996. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. М.: Госстандарт, 1996.- 23с: ил.

43. Бондаренко Т.Т. Исследование влияния временного,и масштабного факторов*на'предельные-углы.наклона карьерных откосов: автореф. . канд. техн. наук: 24.06.04. Караганда: КарГТУ, 2004. - 20 с.

44. Куваев H.H. Особенности методики изучения' и характеристика трещиноватости массива горных пород для- его устойчивости //Сб. науч. тр. ВНИМИ. Ленинград, 1958. - №32.

45. Мануйлов П.И. Устройство для натурных испытаний горных пород // Вопросы маркшейдерского дела.- Белгород, 1969. ЧII. С. 178-181.

46. Бондарик Г.К., Комаров И.С., Ферровский В.И. Полевые методы инженерно-геологических исследований. Москва: Недра, 1967. - 372 с.

47. Мюллер Л. Инженерная геология. Механика скальных массивов. — Москва: Мир, 1971. 225 с.

48. Окатов Р.П., Низаметдинов Ф.К. Натурные испытания прочностипород при подготовке с одной прорезной щелью //Изв. ВУЗов, Горный журнал. 1981. - №11. - С.16-19.

49. Абрамов Б.К., Сапожников В.Т. Результаты исследований трещин по контактам крепких горных пород //ФТПРПИ,- 1977,- №2. С.40-44.

50. Цветков В.К. Расчёт устойчивости откосов и склонов.- Волгоград: Нижнее-Волжское кн. изд-во, 1979. 238 с.

51. Цветков В.К. Разработка теоретических основ расчёта устойчивости и напряжённого состояния*откосов и склонов: автореф. . д-ра техн. наук, Новосибирск, 1983'. 39с.

52. Попов И.И., Шпаков П.С., Поклад Г.Г., Ожигин С.Г. Расчёт параметров предельного откоса и коэффициента запаса устойчивости //Изв. вузов. Горный журнал. 1986. - № 12. - С.27-31.

53. Козлов Ю.С., Фадеев А.Б. К вопросу об использовании упругих решений при оценке устойчивости однородных откосов //ФТПРПИ. 1978. - № 3. - С.63-70.

54. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. М., Высш.шк., 1985, 352с.

55. Оползни. Исследование и укрепление //Под ред. Р. Шустера, Р. Кризека. Москва: Мир, 1981. - 368 с.

56. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды.- Москва: Физматиз, 1960. 243 с.

57. Попов И.И., Шпаков П.С., Поклад Г.Г. Устойчивость породных отвалов.- Алма-Ата: Наука, 1987. 225 с.

58. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Основы гидромеханики. Москва: Недра, 1974. - 296 с.

59. Голушкевич С.С. Плоская задача теории предельного равновесия сыпучей среды. Москва: Гостехиздат, 1948.

60. Зотеев В.Г., Нагребецкий В.Г. Расчёт устойчивости анизотропных откосов с использованием ЭВМ //Сб.науч.трудов ИГД МЧМ СССР. Свердловск, 1970. - Вып.32. - С.12 -20.

61. Мочалов А.М. Расчёт устойчивости откосов плоского профиля; в . однородной.среде //ВНИМИ. Ленинград, 1976. - № 100. - С. 116- 128.

62. Половов Б.Д. Анализ погрешностей методов расчета устойчивости карьерных откосов //Известия вузов: Горный журнал, 1983, № 6, G.33 38.

63. Шпаков П. С., Поклад Г. Г., Омаров С. Т. Вероятностный способ решения! задач устойчивости карьерных откосов. //Известия вузов. Горный журнал. 1991. - №6. - С. 45-52.

64. Шпаков П.С., Поклад F.F., Омаров С.Т. Необходимый коэффициентзапаса' устойчивости откосов, зависимость (параметров предельных откосов от уровня риска //Горный информационно-аналитический бюллетень. -Москва: МГГУ, 2002: № 4V--G.35-38,

65. Баклашов И:В1, Картозия Б.А; Механические лроцессы; в породных; массивах. Москва: Недра, 1986. - 272 с. /88; Тригоренко А.Г. Измерение, смещений оползней. Москва: Недра, 1988. - 144 с, '■.,'.■■■'• " ' .' '.v'.

66. HonoB.iB:H:; Исследование устойчивости бортов, карьеров! в трещиноватых породах: Автореферат диссетртации на соискание . ученой степени канд. техн. наук. М:, Т9.79£,- С36^ . , .

67. Мочалов A.M., Хашин В.Н. Расчет, параметров устойчивых отвалов на наклонном слоистом основании // Сб. науч. тр. / ВНИМИ. Л., 1974. - № 92.- С. 73-79. . ' .

68. Попов В.Н., Шпаков П.С;, Юнаков Ю.Л. Управление устойчивостью карьерных откосов. Учебник для вузов. -М.: Издательство Московского государственного горного университета, издательство «Горная книга» ,2008. 683 е.: ил.

69. Шпаков?ШС., Попов 1№И1 Расчет.параметров« карьерных откосов« наосновечисленно-аналитическихметодов // Горный журнал: 1988.- № 1. -С. 26-28.

70. Шпаков-П.С., Юнаков Ю.Л., Шпакова М.В. Геомеханической«мониторинг при- разработке месторождений открытым способом. «Машиностроение и безопасность.жизнедеятельности»: сб. науч. Работ. Вып.4 Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2007. С.89 - 90.

71. Шпаков П.С., Ожигин С.Г., Ожигина. С.Б., Старостина О.В., Шпакова М.В. Мониторинг состояния устойчивости откосов уступов и бортов карьеров Жайремского ГОКа //Горный информационно-аналитический бюллетень». Москва: МГГУ, 2008. - № 6. - С.211-216.

72. Шпаков П.С., Долгоносов В.Н., Ожигина С.Б., Шпакова М^.В. Совершенствование методики определения расчетных значений прочностных характеристик горных пород. «Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. Выпуск 5, Муром, 2008. с. 87 91.

73. Шпаков П.С., Долгоносов В.Н., Ожигин С.Г., Шпакова М.В. Определенные среднеквадратической погрешности коэффициента запаса устойчивости откосов. «Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. Выпуск 5. Муром; 2008. с. 91-98.

74. Долгоносов В.Н., Старостина О.В., Низаметдинов Н.Ф., Шпакова

75. М.В. Оценка устойчивости верхних глинистых откосов, нагруженных, внешними, отвалами. «Машиностроение и безопасность жизнедеятельности; Выпуск^. -Муром; 2008. с.27-32. ,

77. Долгоносов В.Н., Шпаков П.С., Низаметдинов Ф.К. и др. Аналитические способы расчета устойчивости карьерных откосов Монография^ Караганда: ТОО «САНАТ Полиграфия», 2009, 332 с. '

78. Попов В.Н.,, Банков Б.Н. Технология отстройки бортов карьеров.-М.:Недра, 1991.-252 с /'/■'•

79. Попов В.Н., Никифоров С.Э., Красножен И.В. Оценка устойчивости откосов глубоких карьеров в сложных горно-геологических условиях.

80. Попов В.И., Несмеянов Б.В., Попова О.В. Конструкции нерабочих бортов карьеров. М:: НИА-Ирирода, 1999. 148 е.: ил.145: Резников М.А. Вариационный метод в расчетах устойчивости горных пород.- М.: Недра, 1991.04 е.: ил.

81. Токмурзин О.Т., Ипалаков Т.Т. Напряженное состояние откоса и устойчивость бортов; карьеров ресурсосберегающей формы : Аналит. обзор Алма-Ата: КазНИИ НТИ, 1991.82 е.: ил.

82. Чернинцева Т.С., Кузнецова Т.С. Геомеханические основы прогноза; объемных деформаций и устойчивости откосов горных пород. Магнитогорск: МГТУ им. Г. И. Носова, 2007. 60 с.

83. Яковлев А.В., Ермаков Н.И: Методика изучения прибортовых массивов, для прогнозирования устойчивости бортов карьеров: Екатеринбург,2008 и 77 е.: ил.

84. Трубецкой« К.Н. Развитие горных наук, и проблем подготовки инженерных кадров в области* освоения* недр. М.: Маркшейдерия и недропользование.- 2009: - №6. - С. 13-17.

85. Трубецкой К.Н. Основные направления и пути решения проблем ресурсосбережения при комплексном освоении недр. // Тр.научного симпозиума «Неделя горняка-2011». с.422-433.

86. Каплунов Д.Р., Радченко Д.Н. Обоснование полного цикла комплексного освоения недр при разработке месторождений твердых полезных ископаемых. // Тр.научного симпозиума «Неделя горняка-2011». с.433-447.

Информация о работе

Шпакова, Мария Владимировна
кандидата технических наук
Москва, 2011
ВАК 25.00.16

Диссертация

Маркшейдерское обеспечение горно-экологического мониторинга устойчивости карьерных откосов на слабом основании - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы