Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Читинский государственный университет»(ЧитГУ)

Автореферат

Развитие методов оценки физико-механических свойств горных пород в массиве для геомеханического обеспечения открытой угледобычи

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

Бабелло В.А.

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре открытых горных работ в ГОУ ВПО «Читинский государственный университет»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Демин Александр Максимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Иофис Михаил Абрамович

доктор технических наук, профессор

Гальперин Анатолий Моисеевич

доктор технических наук, профессор

Чирков Сергей Ефимович

Ведущая организация ОАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (Забайкальский край)

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Современный уровень развития открытых горных разработок характеризуется освоением месторождений с разнообразными горно-геологическими условиями, высокой интенсивностью горных работ, значительным увеличением глубины карьеров. Одновременно с интенсификацией добычи полезных ископаемых наблюдается рост случаев появления недопустимых деформаций бортов и отвалов, что приводит к значительным дополнительным затратам на ликвидацию их последствий. Забайкальский край является одним из крупных угледобывающих регионов России. Условия разрабатываемых здесь буроугольных месторождений - Харанорского, Татауровского, Уртуйского, Кутинского и Тарбагатайского - являются весьма сложными, так как они находятся в зонах крупных тектонических разломов и депрессий с высокой водообильностью водоносных горизонтов, распространением прерывистой многолетней мерзлоты и глубоким зимним промерзанием горных пород, сложными и недостаточно изученными условиями взаимосвязи водоносных горизонтов. Эффективное управление процессом открытой угледобычи в рассматриваемых условиях, уменьшения объема вскрышных работ и площадей, занятых отвалами, требует надежного геомеханического обоснования проектных и оперативно принимаемых решений на основе достоверной информации о физико-механических свойствах пород, оценки и прогноза изменения их показателей на разных этапах разработки месторождений с учетом трансформации напряженно-деформированного состояния (н.д.с.) массивов.

Оформление бортов под максимально возможными углами и увеличение приемной емкости отвалов связано с преодолением затруднений, главными из которых являются: использование расчетных методов, не позволяющих учесть изменчивость прочностных и деформационных свойств горных пород в зависимости от действия природно-техногенных факторов; схематизация свойств реальной породы параметрами выбранной расчетно-теоретической модели без учета фактических зависимостей между напряжениями и деформациями; отсутствие системы оценки изменения свойств пород в процессе разработки месторождений.

Анализ литературных источников показал, что разработке концепции мониторинга геомеханического состояния природно-техногенно изменяемого массива горных пород (далее по тексту геомониторинга) и системы оценки свойств пород на разных этапах разработки месторождения не уделялось достаточного внимания. В то же время изменение физико-механических свойств пород в процессе открытых горных работ является процессом, интенсивно развивающимся в пространстве и времени и существенно влияющим на безопасность и эффективность горных работ.

Перечисленное выше обосновывает необходимость решения крупной научной проблемы заключающейся в разработке системы геомониторинга и научно-методических основ комплексной оценки свойств пород в массиве для геомеханического обеспечения процесса открытой угледобычи и имеющей важное народно-хозяйственное значение.

Настоящая работа содержит результаты, полученные автором в процессе выполнения: НИР в качестве ответственного исполнителя и руководителя в соответствие с программами исследований и научно-технического сопровождения работ по проблемам эксплуатируемых и реконструируемых горных предприятий и инженерных сооружений Забайкальского края в т. ч. согласно целевой комплексной научно-технической программы О.Ц. 031, утвержденной Госстроем СССР, ГКНТ и Госпланом СССР (подраздел С 11 г 19, касающийся исследований взаимодействия инженерных сооружений с насыпными массивами на слабых основаниях); хоздоговорных тематик Читинского государственного университета, связанных с геомеханическим обеспечением объектов открытого горного производства и инженерных сооружений автомобильного и железнодорожного транспорта (темы № 532-2000г.; № 548-2001 г.; № 562-2002 г.; № 595/10-05/-2003 г.; № 622/10-05/ 3618-2005 г. и др.)

Объектом исследований являются природные и техногенные массивы песчано-глинистых пород на открытых горных работах.

Предмет исследований: процессы трансформации физико-механических свойств горных пород и их напряженно-деформированное состояние (н.д.с.) в условиях проведения открытых горных работ на угольных месторождениях Забайкалья.

Идея работы. Использование закономерностей изменения параметров физико-механических свойств горных пород в массиве в процессе открытых горных работ для повышения надежности геомеханического обеспечения угледобычи.

Цель работы. Повышение эффективности и безопасности работ на угольных разрезах и породных отвалах за счет использования оперативной информации об изменениях параметров физико-механических свойств горных пород и геомеханического состояния массивов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1) разработка концепции и методологических основ системы геомониторинга в процессе открытых горных работ, основанной на изучении физико-механических свойств горных пород в массиве и натурных наблюдениях за его состоянием;

2) совершенствование методов и разработка технических средств определение показателей физико-механических свойств горных пород в массиве;

3) совершенствование методических основ экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния массивов горных пород с выявлением закономерностей его изменения в стендовых и натурных условиях для обоснования применения методик и технических средств оценки свойств пород;

4) исследование закономерностей трансформации механических свойств горных пород в связи с изменением их напряженного состояния с обоснованием применения полученных зависимостей для повышения эффективности и безопасности открытой угледобычи;

5) разработка методики расчета осадок горнотранспортного оборудования при его работе на отвалах на основе оперативного определения свойств пород в массиве с оценкой надежности полученных результатов.

Методы исследований. Реализация поставленной цели и основных задач работы осуществлялась на основе комплекса современных методов, включающих: анализ отечественных и зарубежных источников информации; использование системного подхода; натурных, стендовых и лабораторных экспериментальных исследований на базе разработанных технических средств и способов; численное моделирование.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

Первое положение. Учет установленного принципиального различия между геомеханическими условиями этапов открытой угледобычи основывается на реализации разработанной системы геомониторинга, логически связывающей в последовательную цепь лабораторные, стендовые и натурные методы изучения горных пород и создающей единый замкнутый цикл исследований, включающий натурные наблюдения за состоянием технологических элементов открытых горных разработок.

Второе положение. Глубина выхода потенциальной поверхности разрушения массива на вертикальную грань нагруженного уступа находится в линейной зависимости от величины угла внутреннего трения и обратной (близкой к гиперболической) зависимости от величины сцепления, при этом установление зависимостей осуществляется с помощью разработанного устройства и усовершенствованного метода обрушения призм.

Третье положение. Необходимым условием повышения достоверности определения параметров механических свойств пород в массиве является учет влияния на величину угла внутреннего трения, сцепления и модуля деформации возникающих в нем в процессе открытых разработок градиентов напора и зон глубинного сдвига с помощью разработанных многофункциональных устройств и усовершенствованных методов. При этом оценка анизотропии деформационных свойств пород в массиве осуществляется с помощью разработанного метода определения деформационных свойств.

Четвертое положение. Повышение надежности геомеханического обеспечения открытых горных работ достигается последовательной реализацией трех этапов:

- лабораторно-стендовых опытов с установлением закономерностей изменения показателей свойств пород в связи с трансформацией напряженного состояния;

- экспериментального и аналитического моделирования геомеханических процессов в массиве, позволяющего получить компоненты н.д.с., показатели сжимаемости пород и характеристики степени приближения напряженного состояния массива к предельному с установлением зон, находящихся в предельном и допредельном состояниях;

- определения параметров физико-механических свойств горных пород в массиве методами и устройствами, обоснованное применение которых базируется на оценке результатов предыдущих двух этапов.

Пятое положение. Достоверность прогноза деформаций отвалов существенно повышается за счет применения разработанных методик и технических средств оценки показателей физико-механических свойств отвальных пород в массиве и на основе установленных закономерностей деформирования техногенных массивов горных пород во всем диапазоне нагрузок, включая предельные, где прочностные и деформационные характеристики пород связаны между собой и полученных зависимостей изменения параметров сжимаемости пород от основных влияющих факторов: главного напряжения ₁, соотношений главных напряжений =₃/₁, ₁=₂/₁, характеризующих диапазон изменения деформационных свойств горных пород, относительной глубины расположения точек центральной вертикали опорных элементов горнотранспортного оборудования, уровня нагрузки, передаваемой ими и собственного веса пород.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается:

- использованием представительных объемов экспериментальных данных;

- удовлетворительным согласованием полученных результатов с данными натурных экспериментов и наблюдений;

- достаточной для инженерных расчетов надежностью результатов вычислений устойчивости массивов горных пород;

- положительными итогами внедрения результатов работы, технических решений и рекомендаций на горных предприятиях Забайкальского края, объектах автомобильного и железнодорожного транспорта и в проектных организациях.

Научная новизна работы заключается в получении новых знаний и представлений о механизме деформирования природных и техногенных массивов горных пород и развитии методологических основ геомеханического обеспечения процесса открытой угледобычи, касающихся оценки изменения физико-механических свойств пород в природных и техногенных массивах, их напряженного состояния и деформируемости.

Выполненные исследования позволили получить следующие новые научные результаты:

- предложены, обоснованы и разработаны концепция и система геомониторинга в процессе открытых горных работ, позволяющая установить принципиальные различия между геомеханическими условиями этапов открытой угледобычи;

- разработаны методология и новые многофункциональные технические средства оперативной оценки свойств горных пород в массиве на разных этапах открытых горных работ с учетом изменяющихся условий;

- установлены зависимости глубины выхода потенциальной поверхности разрушения массива на вертикальную грань нагруженного уступа от параметров прочности пород;

- разработана методика прямого измерения напряжений в техногенных массивах пород, позволяющая учитывать поведение измерительного прибора в условиях сложного напряженного состояния и возможность оценки напряжений по различным направлениям;

- установлены закономерности изменения параметров напряженно-деформи-рованного состояния массивов горных пород, в том числе и техногенных, нагруженных горнотранспортным оборудованием;

- установлены закономерности изменения показателей механических свойств горных пород в связи с трансформацией напряженного состояния породного массива, возникновением в нем градиентов напора и характером нагружения;

- разработаны методики прогнозирования деформаций техногенных массивов горных пород, взаимодействующих с горнотранспортным оборудованием с оценкой надежности полученных результатов.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что её научные положения, методы, исследовательская аппаратура, методические подходы и полученные результаты исследований позволяют комплексно решать проблему оценки трансформации свойств пород в процессе открытой угледобычи с учетом изменяющихся горно-геологических условий и напряженно-деформированного состояния массива и тем самым повысить эффективность и безопасность открытых горных работ.

Их реализация способствовала и позволила:

- снять неопределенность значительной части информации о свойствах пород и повысить ее качество в процессе отработки Уртуйского угольного разреза;

- разработать и использовать в производстве «Руководящие технические материалы. - Параметры формирования отвалов «Восточный» и «Внутренний» на разрезе «Уртуйский», утвержденные Управлением Госгортехнадзора РФ по Читинской области;

- разработать и реализовать «Проект по развитию горных работ разреза «Уртуйский» до 2010 г.;

- обеспечить рациональное использование трудовых и материальных ресурсов в процессе добычи угля на Уртуйском угольном разрезе. Общий экономический эффект от внедрения научно-технических разработок в ценах 2009 г. составил более 500 млн руб.;

- участвовать в оценке воздействий на окружающую среду, экспертизе и обосновании технических решений реконструкции Восточного и Харанорского угольных разрезов;

- выполнить количественную оценку параметров физико-механических свойств горных пород объектов ЗАО «Рудник Апрелково» и Хара-Шибирского сурьмяного комбината;

- повысить надежность исходной информации о свойствах пород оползневых склонов объектов автомобильного и железнодорожного транспорта федерального значения для последующей разработки противооползневых мероприятий (Забайкальский край, Амурская область);

- модернизировать курс лекций и практических занятий по дисциплине «Механика горных пород» в Читинском государственном университете.

Апробация работы. Основные положения, материалы и результаты диссертационной работы докладывались и были представлены:

- на Международных конференциях и совещаниях: г. Чита «Экологические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья - Плаксинские чтения, 2002 г.; г. Новосибирск: «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых», 2003 г., «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», 2003 г.; г. Москва «Физические проблемы разрушения горных пород», 2004 г.;

- на Всероссийских конференциях: г. Новосибирск «Научно-технические проблемы в строительстве», 2003 г.; г. Москва «Перспективы инженерных изысканий», 2006, 2007, 2008 гг., «Российская геотехника - шаг в ХХI век», 2007 г.; г. Чита «Кулагинские чтения», 2007 г.;

- на межрегиональных научно-технических конференциях: г. Чита «Новый век - новые открытия», 2001 г.;

- на научных симпозиумах «Неделя горняка», г. Москва, 2002, 2003, 2004, 2009 гг.;

- на научных семинарах: кафедры «Физика горных пород и процессов» МГГУ, г. Москва 2004 г.; объединенном семинаре кафедр Горного института Читинского государственного университета, 2004 г., 2009 г. ИГД СО РАН, г. Новосибирск, 2004 г., 2009 г., ИПКОН РАН, г. Москва, 2009 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 41 научная работа, получено семь патентов на изобретения и одно авторское свидетельство.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения,

5 глав, заключения, списка литературы из 237 наименований и содержит 286 страниц машинописного текста, рисунков - 101, таблиц - 23 и двух приложений (одно отдельным томом).

Автор выражает благодарность заведующему кафедрой «Открытые горные работы» ЧитГУ проф., д-ру техн. наук Ю.М. Овешникову, доцентам канд. техн. наук С.В. Смоличу и М.Р. Гильфанову, своим коллегам-горнякам, маркшейдерам и геологам ОАО ППГХО (г. Краснокаменск), участие и содействие которых помогли написанию работы. С особой благодарностью автор отмечает участие проф., д-ра техн. наук А.П. Криворотова в выборе направления исследования в начале своей научной деятельности и ценные советы, полученные в период работы над диссертацией. Автор признателен также научному консультанту проф., д-ру техн. наук А.М. Демину, постоянное внимание и поддержка которого позволили завершить работу.

Основное содержание работы

Состояние проблемы. Оценка и прогноз изменения физико-механических свойств горных пород в пространстве и во времени при открытой разработке месторождений является одной из важнейших проблем геомеханики, решение которой осуществляется на достоверном учете многих факторов и, в первую очередь, трансформации физического и напряженного состояний породного массива. Академик Н.В. Мельников называл эту проблему в числе важнейших проблем, стоящих перед горной наукой и указывал на необходимость изучения устойчивости бортов карьеров в разнообразных горно-геологических условиях с учетом фактора времени. Так, для обеспечения безопасности и эффективности горных работ, необходима надежная оценка физико-механических свойств пород в условиях естественного залегания, а также при их разрыхлении, водонасыщении, последующем смешивании и уплотнении в процессе производства горных работ.

Выполненный в диссертации обзор многочисленных публикаций отечественных и зарубежных исследований показал, что при нахождении показателей, характеризующих механические свойства горных пород, использовались и используются разнообразные методы.

Вопросами исследования физико-механических свойств горных пород и закономерностей изменения их показателей в разное время занимались В.И. Борщ-Компониец, Г.К. Бондарик, С.С. Бабицкая, В.И. Веселков, Е.С. Ватолин, С.С. Вялов, А.М. Гальперин, Э.Л. Галустьян, Т.А. Грязнов, М.Н. Гольдштейн, А.М. Демин, Р.Э. Дашко, М.А. Долгих, И.Н. Ермаков, В.М. Жигалкин, М.Г. Зильбершмидт, Л.П. Загоруйко, В.Г. Зотеев, Е.И. Ильницкая, М.А. Иофис, Н.Н. Куваев, О.Ю. Крячко, Ю.И. Кутепов, И.С. Комаров, С.В. Кагермазова, Д.Н. Ким, М.Ф. Кунтыш, Дж. Краевска-Пининская, В.Д. Ломтадзе, А.П. Литвинов, Н.Н. Маслов, А.М. Мочалов, Ю.Н. Малюшицкий, С.Р. Месчян, В.А. Мироненко, В.М. Можжерин, В.В. Матвиенко, А.Н. Могилко, Г.Я. Новик, В.Н. Новожилов, Б.В. Несмеянов, В.Е. Ольховатенко, Р.П. Окатов, М.М. Протодьяконов, М.Е. Певзнер, П.Н. Панюков, И.И. Попов, В.Н. Попов, Т.К. Пустовойтова, В.В. Ржевский, П.А. Рыжов, К.В. Руппенейт, А.Н. Ставрогин, В.Т. Сапожников, К.Н. Трубецкой, И.А. Турчанинов, Ю.И. Туринцев, А.Я. Туровская, Г.Л. Фисенко, А.Б. Фадеев, С.Е. Чирков, Г.И. Черный, Е.И. Шемякин, Г.Г. Штумпф и многие другие. В соответствии с решаемыми задачами и представлениями авторов изучались горные породы, отличающиеся по составу, условиям образования, структурно-текстурным особенностям и уровню технологического воздействия на них. Большинство полученных данных не позволяет производить их сопоставление ввиду специфики применяемых методов, анизотропии и изменчивости свойств горных пород даже в пределах одной литологической разности.

По вопросу представительности следует отметить ее существенное отличие по тем или иным данным, касающимся отдельных показателей как горных пород, так и различных месторождений полезных ископаемых.

Впервые на необходимость учета изменения физико-механических свойств горных пород в процессе открытых горных работ обратили внимание сотрудники ВУГИ (А.М. Демин, Г.Е. Карпинский, М.С. Газизов и др.) в 1957 г. Значительный вклад в разрешение этого вопроса внесли сотрудники Всесоюзного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ). В работах Г.Л. Фисенко, С.В. Кагермазовой, Т.К. Пустовойтовой разработаны концептуальные основы прогноза инженерно-геологических условий угольных месторождений.

Исследованием различных аспектов геомеханического обеспечения открытых горных работ успешно занимались коллективы ИПКОН РАН, ВНИМИ, ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, МГГУ, СПГГИ (ТУ), ИГД СО РАН, ВУГИ и других организаций, в т.ч. производственных и проектных.

В последнее время наибольший теоретический и практический вклад в разработку методов оценки состояния горного массива и управления геомеханическими процессами при разработке месторождений полезных ископаемых внесли К.Н. Трубецкой, М.В. Курленя, Е.И. Шемякин, Б.А. Картозия, А.Д. Рубан, М.А. Иофис, С.Д. Викторов, С.В. Кузнецов, В.Н. Попов, Б.В. Несмеянов, М.Е. Певзнер, А.М. Гальперин, И.В. Баклашов, А.Б. Макаров, В.И. Стрельцов, К.А. Ардашев, В.И. Земисев, Д.В. Яковлев, И.М. Щадов.

Таким образом, краткий анализ состояния проблемы позволил сформулировать следующие выводы:

1) достигнут определенный прогресс в совершенствовании имеющихся и создании новых расчетных схем и моделей, описывающих геомеханические процессы в породных массивах при техноприродных воздействиях. Однако наблюдаемое сокращение экспериментальных исследований свойств горных пород на базе современных технологий и игнорирование научно-обоснованных исходных данных, касающихся особенно механических свойств пород, снизил ожидаемый эффект от использования численных методов;

2) проблема геомониторинга процесса открытых горных работ не получила своего разрешения. Отсутствуют принципы построения и логической организации комплексной системы оценки свойств горных пород в процессе разработки месторождений открытым способом. Существующие методы и технические средства контроля показателей свойств пород в условиях их нестабильности на всех этапах угледобычи не позволяют получать достоверные сведения и нуждаются в совершенствовании. Решением рассматриваемой проблемы могла быть реализация идеи введения в горное производство комплексной системы геомониторинга, основанной на более совершенных методах испытаний горных пород, адекватно отражающих механизм деформирования и разрушения породного массива при природно-техногенных воздействиях и результатах наблюдений за его состоянием;

3) при техногенных воздействиях на массив горных пород характер неоднородности и анизотропии их механических свойств изменяется. Необходимо, наряду с оценкой напряженного состояния массива учесть его влияние на механические свойства горных пород и обосновать возможность применения в расчетах горнотехнических сооружений переменных показателей упомянутых свойств и соответствующих расчетно-теоретических моделей.

В этой связи требуются комплексные исследования напряженно-дефор-мированного состояния массивов и горных пород в натурных, стендовых и лабораторных условиях с применением полученных результатов в системе геомониторинга, позволяющей изучать и контролировать геомеханические процессы в массиве. Это и определило цель и основные задачи предлагаемой к защите диссертационной работы.

Первое защищаемое положение. Целью геомониторинга является установление принципиального различия между геомеханическими условиями этапов открытой угледобычи на основе оценки совокупности показателей физико-механических свойств горных пород и деформаций технологических элементов открытых разработок, прогноз их изменения, предупреждение негативных процессов в массивах горных пород и корректировка проектных решений. Основной замысел, определяющий стратегию действия при реализации задач геомониторинга в процессе открытой угледобычи, заключается в разработке комплексной системы, состоящей из процедур, организованных в циклы, соответствующие этапам открытых горных работ. Структура, принцип построения и логическая организация системы основаны на комплексном подходе к проблеме, отражающем взаимосвязанность процессов в породном массиве; учете трансформации объекта исследования и переменности его свойств; использовании новых и усовершенствованных способов оценки показателей физико-механических свойств пород. Схема функционирования системы во времени приведена на рис. 1.

Обозначение последующих цепей приведено на рис. 1.

Рис. 1. Схема организации системы геомониторинга

Цепь 1 - цепь натурных наблюдений, обоснований методик изучения свойств пород

Цепь 2 - цепь определений показателей свойств пород

Цепь 3 - цепь анализов информации

Цепь 4 - цепь оценок состояния бортов и отвалов

Цепь 5 - цепь прогнозов, рекомендаций, решений

ВОМi - предварительный выбор и обоснование методик исследований свойств пород, их количество и соотношение в меняющихся условиях открытого горного производства

ННДi - натурные наблюдения за смещениями уступов, бортов и отвалов

ООДi - определение относительных деформаций технологических элементов открытых горных выработок и отвалов

ОСПi - определение свойств пород в лабораторных, стендовых и натурных условиях

ОДОi - определение предельных величин относительных деформаций образцов пород в лабораторных и стендовых условиях

АОИi - анализ и оценка полученной информации

ОТСi - оценка текущего состояния бортов и отвалов

ПРРi - прогноз, рекомендации, решения

Содержательная часть системы состоит из последовательно реализуемых в процессе открытых горных работ функциональных цепей, отраженных на вертикальных осях. Цепь 1 подразумевает определение относительных вертикальных и горизонтальных деформаций верхних площадок уступов, бортов карьеров или отвалов. Одновременно производится предварительный выбор и обоснование методик и технических средств контроля свойств пород на каждом этапе разработки месторождения. Каждый цикл системы контроля свойств пород характеризует этап разработки месторождения с соответствующими инженерно-геологическими, гидрогеологическими и горно-техническими условиями. Структура и схема организации системы позволяют установить принципиальное различие между геомеханическими условиями этапов открытой угледобычи, основанное на непрерывности оценки изменения показателей свойств пород в процессе открытой угледобычи с учетом трансформации физического и напряженного состояний массива. Например, изменения гидрогеологической обстановки в прибортовом массиве Уртуйского угольного разреза на одном из этапов горных работ привело к существенному изменению его напряженно-деформированного состояния, что создало новые, отличные от предыдущих этапов, геомеханические условия отработки месторождения. Предложенная система логически связывает лабораторные, стендовые и натурные методы исследований в единые замкнутые циклы и функциональные цепи, обеспечивающие эффективное применение ее на открытых горных работах.

Для совершенствования и развития методов и разработки технических средств определения параметров физико-механических свойств пород в натурных условиях в качестве базовых были выбраны следующие: метод вертикального обрушения призм; метод среза целиков пород; методы определения фильтрационных, суффозионных и кольматационных свойств пород в стендовых условиях; экспресс-методы определения деформационных свойств отвальных пород в массиве.

Второе защищаемое положение. Основной задачей метода вертикального обрушения призм является оценка прочностных свойств горных пород в природных и техногенных массивах. Наши экспериментальные исследования и опыты других авторов, применявших традиционные методические подходы, свидетельствуют, что около 50 % результатов испытаний недостоверны. Применение известных технических средств усугубляет ситуацию, переводя рассматриваемый метод в разряд наиболее трудоемких и дорогостоящих. При этом существующие подходы не позволяют разрешить проблему нахождения положения потенциальной поверхности разрушения массива и глубины ее выхода на вертикальную грань нагруженного уступа в зависимости от параметров прочности пород.

В результате анализа причин сложившейся ситуации был сделан вывод о необходимости разработки нового устройства и теоретического обоснования применяемой методики. Реализацией этого вывода явилось проектирование, изготовление и внедрение в горное производство устройства для определения прочностных свойств пород бортов карьеров (патент РФ на изобретение № 2239023). Особенностями устройства являются: регистрирующий прибор, закрепленный на раме и позволяющий с высокой точностью фиксировать все необходимые параметры обрушаемых призм горной породы до и после приложения нагрузки; съемное фрезерное приспособление, позволяющее снизить трудоемкость подготовительных работ, а также повысить качество расчистки забоев, что в свою очередь влияет на достоверность получаемых результатов; съемный нагрузочный механизм позволяющий уменьшить трудоемкость проведения опытов, повысить точность и безопасность регистрации нагрузки на породную призму.

Дальнейшим совершенствованием рассматриваемого метода явилось аналитическое исследование напряженно-деформированного состояния призмы обрушения и окружающего ее массива с использованием решения упруго- идеально-пластичес-кой задачи при соответствующих граничных условиях.

Основные результаты проведенных исследований заключались в следующем:

- значения параметров прочности горных пород, устанавливаемых методом обрушения призм с использованием двух штампов, существенно зависят от характера распределения вертикальных давлений по подошве штампа. Это обстоятельство требует тщательной фиксации точки приложения внешней нагрузки, передающейся на штамп нагрузочным механизмом;

- при разработке методов определения показателей прочностных свойств пород опытные штампы следует загружать нагрузкой, создающей параллельно-поступательное их смещение или поворот вокруг точки, расположенной на бровке уступа;

- напряженное состояние массива, ограниченного уступом, существенно отличается от такового, установленного с использованием модели в виде линейно-деформируемой («упругой») среды;

- в области пластических деформаций, при любом характере смещений жесткого штампа, четко выраженной границы, отделяющей призму обрушения от остального массива горной породы, не образуется. Это означает, что возникающая в экспериментах призма обрушения по форме и размерам может существенно варьировать, что зависит от неоднородности состава, особенностей сложения горной породы, напряженно-деформированного состояния массива и его физико-механичес-ких свойств. В этой связи можно заключить, что существующие подходы к определению формы и положению вероятной поверхности обрушения пород содержат существенные недостатки.

Как видно из выводов, определение достоверных характеристик прочности пород методом обрушения с использованием традиционных подходов достаточно проблематично. С целью совершенствования рассматриваемого метода было выполнено аналитическое моделирование процессов обрушения породных призм в условиях Уртуйского угольного разреза.

При моделировании по характеристикам породы Уртуйского разреза (предварительные данные), размерам подготовленного уступа и точки приложения нагрузки, подбирался уровень нагрузки передаваемой штампом так, чтобы уступ находился в состоянии предельного равновесия (коэффициент устойчивости n = 1) и определялись координаты поверхности обрушения.

В результате решения обратной задачи (ввода полученных координат поверхности обрушения) были вычислены значения прочностных характеристик породы, находящейся в предельном напряженном состоянии.

С целью проверки сходимости экспериментальных данных и данных моделирования, нами было выполнено моделирование обрушения уступа со среднестатистическими характеристиками, полученными в результате натурных испытаний штампом. Дальнейшие исследования проводились с целью определения влияния прочностных свойств пород на форму и размеры поверхности обрушения.

Анализ полученных данных позволил сделать следующие выводы:

- увеличение значения сцепления породы при обрушении уступа требует такого же пропорционального увеличения нагрузки (зависимость линейна). В то же время зависимость формы и положения поверхности разрушения (характеризуемыми геометрическими параметрами глубины ее выхода на вертикальную поверхность уступа) от сцепления нелинейна (близка к гиперболической), а при значениях сцепления с = 25-50 кПа она не изменяется;

- изменение угла внутреннего трения приводит как к пропорциональному росту нагрузки, которая требуется для обрушения уступа, так и пропорциональному изменению формы кривой обрушения (зависимости линейны);

- особенностью рассматриваемого метода, влияющей на достоверность получаемых результатов, является строгое соблюдение условий приложения вертикальной нагрузки на штамп.

Третье защищаемое положение. Одной из ключевых проблем при ведении горных работ в Забайкалье является низкая устойчивость бортов разрезов, отличающихся высокой обводненностью пород и активностью таких процессов, как суффозия, оплывание и оползание. Практически на всех угольных разрезах в Забайкалье отмечены оползни, развивающиеся преимущественно в четвертичных породах верхней части разреза вскрытых отложений. Так, на Харанорском, Уртуйском, Восточном и Тигнинском разрезах отмечались оползни объемом от 20 до 60 тыс. м³.

В этой связи важнейшее значение приобретает выбор научно-обоснованных исходных данных, используемых в текущих расчетах устойчивости бортов разрезов и при обосновании технологических схем. К ним следует отнести: количественную оценку суффозионности пород; критические градиенты напора, которые могут привести к суффозии и размыву; допустимые градиенты напора и допустимый процент возможного выноса мелких частиц, не приводящие к нарушению прочности пород и устойчивости борта. Таким образом, имеется настоятельная необходимость комплексного изучения влияния суффозионных процессов на фильтрационную прочность пород при оперативной оценке их свойств в условиях открытых горных работ.

В результате анализа известных в литературных источниках технических средств было установлено, что в рассматриваемой ситуации традиционные методы исследования не могут достаточно точно оценить свойства пород. В этой связи возникла необходимость проектирования и изготовления устройства для комплексного изучения фильтрационных, суффозионных и кольматационных процессов в горных породах с последующей оценкой их прочности. Такая установка (в дальнейшем по тексту называемая ФУВД) была разработана, изготовлена и использована в горном производстве (патент РФ на изобретение № 223 3942). Обоснование и схема установки показаны на рис. 2.



Рис. 2. Схема устройства для изучения фильтрационных, суффозионных и кольматационных процессов в горных породах и гидрогеологическое обоснование ее применения

Применение предлагаемого устройства позволило:

- исследовать фильтрационную прочность образцов пород, с учетом действующих в борту градиентов напора J с последующим получением параметров прочности (ц) и (c) в лабораторных условиях и в полевом срезном приборе конструкции ВНИМИ (при увеличении внутреннего диаметра рабочей камеры ФУВД) с установлением зависимостей параболического вида между ц и J для изученных пород Уртуйского месторождения;

- изучать кольматационные процессы в горных породах в неразрывной связи с суффозионными процессами;

- изучать влияние эффекта уплотнения горных пород на процесс суффозии, что является одним из решающих факторов при выборе модели деформирующегося массива горных пород;

- повысить достоверность, оперативность и информативность исследований за счет одновременного применения на одном устройстве комплекса методов оценки свойств горных пород.

Метод среза целиков горной породы. Учитывая высокую трудоемкость и стоимость реализации метода, он не получил достаточно широкого применения в горной отрасли. Применяемые в настоящее время установки для полевых исследований механических свойств пород, в том числе и среза целиков, весьма громоздки и, как правило, основаны на принципе однозначного функционирования. Их серийный выпуск не налажен, а производство наиболее совершенных конструкций в единичных экземплярах явно не удовлетворяет потребности российского горнодобывающего производства. горная порода геомониторинг

В этой связи возникла необходимость разработки таких устройств, применение которых позволило бы оперативно получать необходимый объем достоверной информации о показателях механических свойств пород, начиная от вскрышных работ до заключительного этапа отвалообразования. Применение принципа многоцелевого использования узлов позволило разработать полевые установки № 1 и № 2 (патенты РФ на изобретения № 2199104 и № 2199105, соответственно), способных выполнять исследования породы с целью определения как прочностных (ц, с), так и деформационных (Е) её характеристик в зависимости от направления силового воздействия, т.е. с оценкой анизотропии механических свойств породы. Следует отметить и возможность определения модуля деформации горных пород двумя способами - вертикальным сжатием выделенного целика в условиях компрессии и штамповым методом.

Основными конструктивными особенностями установки № 1 являются: рычажно-блочная схема передачи вертикальной и горизонтальной нагрузок на целик породы; сочетание нагрузочного и сдвигового устройств в виде единой шарнирной системы; жесткая схема передачи срезающей нагрузки на образец, уменьшающей эксцентриситет ее приложения.

В связи с некоторыми недостатками установки № 1, она была реконструирована в принципиально новую установку № 2, основные особенности которой заключаются в следующем:

- компактность, мобильность, незначительный вес, возможность разборки на отдельные узлы с малыми затратами времени;

- гидравлическая схема передачи вертикальной и горизонтальной нагрузок на целик породы;

- возможность восприятия значительных реактивных усилий.

Метод среза целиков горных пород с применением кольцевой пригрузки. Одним из отрицательных факторов, присутствующих при сдвиге целиков горных пород в обойме, является опасность появления в определенном диапазоне вертикальной нагрузки областей глубинного сдвига и, соответственно, зон разрыхления, охватывающих частично или полностью всю площадь контакта основания выделенного целика с остальным массивом горной породы. Напряженное состояние породы вблизи контактной плоскости полевого срезного прибора становится неадекватным реальному, формируемому в натурных условиях, что может привести к существенному занижению показателей сопротивления породы срезу.

Особенности дифференциации вскрышных пород при формировании внутреннего отвала Уртуйского разреза потребовало получение дополнительной информации об их свойствах. Это касалось сведений о сопротивлении сдвигу разных пород по контакту и влиянии нагрузки от вышележащих слоев пород и горнотранспортного оборудования на выбор вертикальных давлений при испытании пород отвала на срез. Для решения поставленных вопросов было сконструировано, выполнено и внедрено в производство «Устройство для определения прочностных свойств пород отвалов» (патент РФ на изобретение № 2276343) (Установка № 3). Установка выполнена в виде стационарного лотка. Вертикальные нагрузки на штамп и пригрузочное кольцо прикладывались с помощью трех гидравлических домкратов. Горизонтальные сдвигающие усилия передавались на металлические обоймы с образцами пород также с помощью гидравлического домкрата.

Сдвиговые металлические кольца - обоймы образцов - имели внутренний диаметр 0,305 м и 0,400 м, высоту - 0,150 м и 0,200 м. Пригрузочный штамп-кольцо с наружным диаметром 1,575 м выполнен из стального листа толщиной 0,02 м). Изгибная жесткость пригрузочного штампа увеличена приваркой к нему металлических ребер.

Применение предлагаемого устройства позволило:

- исключить проявление глубинного сдвига в массиве пород;

- определять прочностные свойства не только рыхлых мелкодисперсных пород, но и пород отвалов, содержащих крупнообломочный материал;

- повысить достоверность определения прочностных свойств пород отвалов за счет возможности регулирования зазора между нижней кромкой сдвигового кольца и поверхностью массива отвальных пород, а также за счет устранения возможности перекоса сдвигового кольца во время испытаний;

- расширить диапазоны прикладываемых к целику породы вертикальной и горизонтальной нагрузок, а к пригрузочному кольцу - вертикальной за счет возможности восприятия силовыми рамами устройства многотонных реактивных усилий, что, в свою очередь, расширило функциональные возможности устройства.

Результаты проведенных опытов со вскрышными породами Уртуйского разреза позволили установить, что зависимости угла внутреннего трения ц и модуля деформации Е исследованных пород от величины вертикальной кольцевой пригрузки массива q, наиболее адекватно описываются полиномиальными и линейными функциями, соответственно.

Метод натурного определения деформационных свойств отвальных пород. С целью повышения эффективности и достоверности определения деформационных свойств пород в массиве был разработан способ, отражающий реакцию породы на внедрение в неё в горизонтальном направлении прибора клиновидной формы (патент РФ на изобретение № 2319960). Реализация разработанного способа для оценки сжимаемости отвальных пород позволяет: повысить надежность определения показателей деформационных свойств пород в вертикальном направлении в сравнении с традиционным подходом; получать одновременно на разных глубинах достоверную информацию о механических свойствах пород; исключить возможность влияния анизотропии механических свойств пород на достоверность получаемых результатов в сравнении с дилатометром, внедряемым в породу вертикально; произвести оценку степени анизотропии показателей деформационных свойств пород.

Результаты оценки свойств вскрышных пород Уртуйского угольного разреза в рамках системы геомониторинга, использованные для повышения эффективности открытых горных работ. К настоящему времени накоплен довольно обширный материал, касающийся физико-механических свойств пород буроугольных месторождений Забайкалья. На основании анализа данных, приведенных в отчетах разных организаций, был сделан вывод о достаточно большом разбросе значений свойств пород даже в пределах одной литологической разности.

Параметры прочности горных пород были получены главным образом в лабораторных условиях на приборах одноплоскостного среза с использованием колец небольшого диаметра. Недостатки такого подхода известны. В программах ранее проведенных исследований не были предусмотрены задачи по комплексному и оперативному изучению свойств пород в процессе угледобычи, отсутствовали прогнозы изменений их показателей под влиянием различных факторов. Так, недостаток сведений о происшедшей трансформации параметров свойств пород Уртуйского разреза под влиянием водонасыщения привел к необоснованному выводу об устойчивости южного борта разреза. В этой связи, а также с учетом вновь выявленных обстоятельств - формирование оползня на южном борту разреза - была разработана комплексная программа изучения юго-западного борта разреза, которая включала:

- оперативную оценку показателей физико-механических свойств пород с помощью разработанных технических средств и усовершенствованных методов;

- организацию регулярных наблюдений за смещениями верхних площадок открытых горных выработок в южной и юго-западной части разреза;

- обобщение и анализ полученной информации;

- проведение расчетов устойчивости для обеспечения безопасности горных работ и оптимизации параметров отработки борта.

Опыты с применением устройства для определения прочностных свойств пород бортов карьеров были проведены в 15 наиболее ответственных точках юго-западного борта разреза и непосредственно в подошве оползневого массива.

Результаты предварительных расчетов, выполненных согласно «Правил обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. - С-Петербург: ВНИМИ, 1998» подтвердили общую устойчивость юго-западного борта в существующем его положении при значениях прочностных характеристик пород прибортового массива, полученных при оперативной оценке свойств пород. Дальнейшие работы по оперативному определению свойств пород и существующей оценке устойчивости бортов были связаны с определением конструктивных параметров южного и юго-западного бортов разреза на период дальнейшей отработки месторождения. Периодическая активизация оползневых процессов на южном борту разреза вызвала необходимость определения предельных (по устойчивости) геометрических параметров южного борта разреза в четвертичных и меловых отложениях. Установлено, что угол наклона борта в пределах отметок 480-650 м не должен превышать 26 . Граница «четвертичные - меловые отложения» должна попасть на берму с ориентировочной отметкой 570-580 м. При этом высота первого уступа над границей «четвертичные - меловые отложения» должна быть не менее 15 м с шириной бермы 20 м. Высота второго и третьего уступа - не более 10 м с шириной бермы не менее 15 м. Аналогичные параметры были определены и в меловых отложениях, когда борт разреза будет находиться на пределе устойчивости.

Использование в расчетах устойчивости юго-западного борта разреза характеристик прочности пород, определенных в натурных и стендовых условиях в рамках системы геомониторинга, позволило определить его конструктивные параметры, обеспечивающие безопасность угледобычи.

Так, например, угол наклона борта по четвертичным и меловым обложениям не должен был превышать 23,5 и 37 соответственно. Предложенная конструкция борта была передана руководству разреза и принята к исполнению, что позволило существенно сократить объем вскрышных работ.

Применение установки ФУВД позволило оценить прочность образцов породы в условиях водонасыщения. В результате проведения опытов с породами юго-западного борта разреза (горизонты 580, 600, 622) были получены новые сведения об их прочностных свойствах с учетом действующих в борту градиентов напора и о возможности суффозионного размыва пород на исследованных участках.

Вскрышные породы четвертичных отложений Уртуйского месторождения разрабатываются экскаваторами и транспортируются в отвалы автосамосвалами с разгрузкой породы вниз по откосу. При существующей валовой неупорядоченной схеме отвалообразования фактический литологический состав грузопотоков пород в отвалы не фиксировался, а расчет состава смесей отвальных пород и их свойства носил вероятностных характер и выполнялся в целом на весь период службы отвала. В результате такого подхода проектные параметры внешнего отвала «Восточный» составили: высота трехъярусного отвала - 30 м; высота яруса отвала - 10 м; угол наклона яруса - 35 ; ширина межъярусной бермы - 50 м.

Результаты предыдущих лабораторных испытаний отвальных пород с использованием стандартных приборов (одноплоскостного среза и компрессионных) характеризуются большим разбросом одноименных характеристик. Так, на отвале «Восточный» образцы, отобранные из рядом расположенных точек 1(1) и 1(2) оценивались значениями ц = 42 и 31 и с = 0 и 0,02 МПа соответственно; в точках 4 и 8 - ц = 33 и 42 , с = 0,04 и 0,02 МПа соответственно. Модуль деформации отвальных пород при сопоставимых значениях уплотняющих давлений нередко отличался в 2-3 раза.

Аналогичные результаты были получены и для отвала «Внутренний». В подавляющем большинстве случаев аппроксимация экспериментальных данных линейной зависимостью Ш. Кулона не имела смысла из-за большого разброса опытных точек. На таком неопределенном фоне результатов лабораторных испытаний свойств отвальных пород оптимизация проектных параметров отвалов была достаточно проблематична.

Оперативная оценка показателей свойств отвальных пород производилась непосредственно на отвале «Восточный» в начальный момент формирования его проектных параметров и в период реализации нового проекта. Были использованы установки № 1 и № 2, с помощью которых на разгрузочных площадках отвала проведено 56 испытаний. Полученные таким образом сведения были использованы для разработки нового, усовершенствованного проекта, позволившего существенно (втрое) увеличить первоначальную высоту отвала. В результате реализации нового проекта получен значительный экономический эффект, исключена необходимость подготовки к эксплуатации дополнительных земельных участков для организации нового отвала. С применением установки № 2, а также установки № 3, оборудованной пригрузочным кольцом, были исследованы породы отвала «Внутренний». В условиях стенда (установка № 3) было изучено 4 разновидности пород, участвующих в формировании отвала «Внутренний»):

- песчано-гравийные породы с незначительным содержанием глинистых частиц (порода № 1);

- твердые пылевато-глинистые породы (№ 2);

- слабо-уплотненные разрушенные алевролиты (№ 3);

- контакт песчано-гравийной породы с алевролитами (№ 4).

Испытания вскрышных пород для сравнения выполнены как с применением, так и без применения кольцевой пригрузки массива вокруг призмы. Из результатов опытов следует, что эффективность применения пригрузочного кольца увеличивается с возрастанием пригрузки.

Результаты определения механических свойств отвальных пород приведены в таблице.

Пригрузка поверхности массива q, кПа	№ п/п пород	ц, о	С, кПа	Р1, кПа	Е, МПа
0	1	35о	25	125	4,8
20		36о30'	25	220	8,4
35		37о40'	25	280	10,8
50		38о00'	25	350	13,4
0	2	24о	50	100	3,1
50		25о	50	250	7,2
0	3	13о30'	58	210	1,3
50		25о	58	350	3,4
0	4	33о	50	250	2,4
50		34о	50	500	3,1

Из таблицы следует, что при увеличении первой критической нагрузки Р₁ наблюдается закономерное увеличение угла внутреннего трения (ц) при неизменном сцеплении (с) (из-за неоднородности плотности сложения исследуемых пород нарушенной структуры эти значения несущественно варьировали). При дальнейшем увеличении Р₁ значения ц, по-видимому, будут и дальше увеличиваться. Результаты опытов свидетельствуют о значительном влиянии интенсивности пригрузки q на величину модуля деформации пород Е.

Полученные графики осадок штампов дают возможность определить вторую критическую (предельную) нагрузку Р₂ при различных значениях пригрузки q. Пренебрегая малым влиянием собственного веса породы (по сравнению с внешними нагрузками Р₂ и q), и используя известную в теории предельного равновесия пород связь между Р₂ и q (Р + с?ctg ц) / (q + c? ctg ц) = e^{р tgц} (1 + sin ц) / (1 - sinц), по результатам двух опытов можно вычислить оба параметра прочности - ц и с.