Обґрунтування методу розрахунку стійкості бортів кар'єрів, які формуються у масиві гірських порід складної структури

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ГОЛУБ Віталій Васильович

УДК 622.834:622.271.33

Обґрунтування методу розрахунку стійкості бортів кар'єрів, які формуються у масиві гірських порід складної структури

Спеціальність 05.15.09 - Механіка ґрунтів і гірських порід

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2004г.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі системного аналізу та моделювання процесів природокористування Інституту проблем природокористування та екології Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор ПОЛІЩУК Сергій Зіновійович, Інститут проблем природокористування та екології Національної академії наук України, завідувач відділу системного аналізу та моделювання процесів природокористування (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ЧЕТВЕРИК Михайло Сергійович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри маркшейдерії (м. Дніпропетровськ);

доктор технічних наук, професор НЕСМАШНИЙ Євген Олександрович, Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри фізики.

Провідна установа Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра гірничої геомеханіки.

Захист дисертації відбудеться „_04_” _березня__ 2005 р. о _12__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 по захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, проспект К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ - 27, проспект К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий „_03_” __лютого__ 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 Солодянкін О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Як відомо, відкриті гірничі роботи задовольняють основні потреби суспільства в мінеральній сировині. В теперішній час на території держав СНД експлуатується близько 6500 кар'єрів, на яких виконується більше 75% обсягу гірничих робіт. Аналогічний обсяг гірничих робіт справедливий для гірничодобувного комплексу України.

Світова практика ведення відкритих гірничих робіт свідчить про те, що зсувні процеси бортів кар'єрів спостерігаються, як правило, на всіх родовищах, а подальший розвиток відкритого способу розробки зв'язаний зі збільшенням глибини кар'єрів і ускладненням гірничо-геологічних умов розробки.

Одним зі шляхів підвищення якості прогнозування зсувних проявів бортів кар'єрів є удосконалювання методів визначення потенційних поверхонь зрушення прибортового масиву.

Рішенню зазначеної задачі, що має важливе народногосподарське значення для України, і присвячена дисертаційна робота. В основу дисертації покладені результати, отримані автором у ході виконання робіт з держбюджетної тематики ІППЕ НАН України: тема №32 “Розробка наукових основ раціонального природокористування при реалізації стратегії сталого еколого-економічного розвитку території" (номер державної реєстрації 0196U021594); тема №36 “Наукове обґрунтування пріоритетних напрямів досягнення сталого розвитку техногенно-навантажених регіонів з урахуванням його нормативних показників" (номер державної реєстрації 0199U004402).

Мета роботи полягає в підвищенні обґрунтованості оцінки стійкості укосів за рахунок удосконалювання інженерних методів визначення місця розташування і форми потенційних поверхонь зрушення.

Для досягнення поставленої в дисертації мети, були сформульовані наступні задачі дослідження:

аналіз інженерних методів визначення поверхонь зрушення при оцінці стану масиву для різних підходів до прогнозу стійкості укосів і деформаційних процесів на кар'єрах;

розробка методики і програмного забезпечення для розрахунку потенційних поверхонь зрушення з урахуванням реальної структури масиву;

одержання звичайного диференціального рівняння, що описує сімейство інтегральних поверхонь зрушення, і визначення в масиві області існування рішення диференціального рівняння, що знаходиться в умовах граничної рівноваги;

розробка методу обліку пористості, обводнення, бічного розпору порід при визначенні місця розташування і форми інтегральних поверхонь зрушення.

Ідея роботи полягає в тім, що обґрунтованість розрахунків стійкості укосів на кар'єрах може бути підвищена за рахунок більш достовірного визначення потенційних поверхонь зрушення в масиві при комплексному обліку структурних особливостей масиву, пористості, обводнення, бічного розпору порід і фізико-механічних особливостей стану масиву до глибини і нижче.

Об'єкт дослідження - стан (стійкість) уступів і бортів кар'єрів при веденні гірничих робіт.

Предмет дослідження - особливості формування потенційних поверхонь зрушення в укосах гірських масивів з різною структурою і впливом природно-техногенних факторів.

Методи досліджень. В роботі застосовані: методи механіки гірських порід - при дослідженні механізму формування поверхонь зрушення; методи математичного аналізу - при описі місця розташування поверхонь зрушення; загальнонаукові методи аналізу і синтезу - при вивченні літературних даних, експериментальних і лабораторних досліджень для оцінки достовірності отриманих результатів; методи обчислювальної техніки і програмування - при розробці спеціалізованих програмних пакетів для розрахунку стійкості укосів; аналітичні, чисельні, графоаналітичні методи - при проведенні кількісних розрахунків, обробці й інтерпретації отриманих результатів.

Наукові положення, що виносяться автором на захист.

1. Облік реальної структури гірського масиву при оцінці його стану досягається описом верхніх і нижніх контурів літологічних різностей і призми можливого обвалення парами взаємозалежних функцій, присвоєнням усій призмі можливого обвалення фізико-механічних властивостей переважної літологічної різності, розглядом інших літологічних різностей масиву як мозаїчних включень у тіло призми можливого обвалення, що дозволяє уточнити коефіцієнт запасу стійкості борту в середньому на 15%.

2. Складена потенційна поверхня зрушення в прибортовій області масиву гірських порід формується з вертикальної початкової ділянки поверхні зрушення, інтегральної поверхні зрушення, яка описується нелінійним диференціальним рівнянням першого порядку на основі рішення задачі про граничну рівновагу гірського масиву, та кінцевої прямолінійної ділянки поверхні зрушення.

Наукова новизна одержаних результатів:

вперше отримане звичайне диференціальне рівняння першого порядку, що описує сімейство потенційних поверхонь зрушення в масиві на глибинах, що перевищують величину ;

вперше встановлено аналітичний взаємозв'язок нахилу площадок зрушення прибортового масиву з глибиною, що визначає форму потенційних поверхонь зрушення;

запропоновано новий підхід опису механізму формування потенційних поверхонь зрушення, що відрізняється тим, що виконується детальний облік структури гірського масиву;

встановлені залежності, що враховують вплив пористості, обводнення і бічного розпору порід на значення величини .

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи полягає в наступному:

в погодженості результатів досліджень з теоретичними уявленнями геомеханіки (параметри і );

в теоретичному описанні раніше не поясненого розташування і форми поверхонь зрушення при обваленні укосів у лабораторних умовах;

в погодженості практичних результатів обвалення прироблених укосів (ослаблення укосу спеціальним виробленням у підошві та у покрівлі, що оконтурює, на глибину ) з обґрунтованою теоретично граничною рівновагою масиву, що знаходиться глибше (місце розташування інтегральних поверхонь зрушення);

в практичному застосуванні розроблених методик до розрахунку стійкості бортів кар'єрів України і СНД.

Наукове значення роботи полягає у встановленні аналітичної залежності, що описує місце розташування і форму потенційних поверхонь зрушення в укосах бортів кар'єрів, при цьому, виконується детальний облік структури масиву, пористості, обводнення і бічного розпору порід.

Практичне значення роботи:

розроблене програмне забезпечення для розрахунків стійкості масиву і визначення потенційних поверхонь зрушення з урахуванням структури масиву;

визначено теоретично припустимий діапазон

зміни кутів нахилу площадок зрушення з глибиною;

розроблена методика для розрахунку величини з урахуванням пористості й обводнення і бічного розпору порід;

аналітично описана поверхня зрушення при керованому обваленні уступів з підробкою, що послабляє, у підошві і, що оконтурює, у покрівлі уступу;

Реалізація результатів роботи. Рекомендації дисертаційної роботи використані ВАТ "ІнГЗК" (м. Кривий Ріг) при проектуванні III черги відпрацьовування родовища. Програмний продукт із розрахунку потенційних поверхонь зрушення з урахуванням реальної структури гірського масиву був переданий для використання на ВАТ "МГЗК" (м. Марганець). На кар'єрі "М" Навоійського ГМК (Республіка Узбекистан) розроблений програмний продукт використовувався при проектуванні ІV черги відпрацювання родовища. Інженерний підхід визначення інтегральних поверхонь зрушення був застосований на: ВДГМК (м. Вільногірськ) при проектуванні укосів бортів кар'єрів і відвалів; Роздільському кар'єрі (м. Львів) при розрахунках зсувонебезпечної зони північного борту.

Фактичний економічний ефект від упроваджень розробок автора склав 221000 гривень.

Особистий внесок автора. Автором особисто сформульовані мета, ідея і задачі досліджень, наукове і практичне значення роботи, наукові положення, висновки і рекомендації; розроблені методика, алгоритм та програмний продукт для ПЕОМ розрахунку потенційних поверхонь зрушення з урахуванням реальної структури гірського масиву; одержано звичайне диференціальне рівняння першого порядку, що описує сімейство інтегральних поверхонь зрушення в масиві на глибинах, що перевищують ; встановлена аналітична залежність нахилу площадок зрушення прибортового масиву з глибиною; одержана формула розрахунку величини з урахуванням пористості, обводнення і бічного розпору масиву гірських порід.

Апробація роботи. Зміст роботи і її окремі положення доповідалися на ІІ Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми і перспективи використання геоінформаційних технологій у гірничій справі" (НГА України, Дніпропетровськ, 2000); на I Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми природокористування, сталого розвитку і техногенної безпеки регіонів" (ІППЕ НАН України, Дніпропетровськ, 2001); на ІІ Міжнародному симпозіумі "Безпека життєдіяльності в XXІ столітті" (Дніпропетровськ, 2002); на II Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми природокористування, сталого розвитку і техногенної безпеки регіонів" (ІППЕ НАН України, Дніпропетровськ, 2003); на регіональній науково-практичній конференції „Питання безпеки життєдіяльності та екології у будівничому виробництві. Проблеми та шляхи їх вирішення” (ПДАБА, Дніпропетровськ, 2004); на наукових семінарах ІППЕ НАН України.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 9 наукових працях у т.ч. 6 статей - у спеціалізованих збірниках наукових праць, 2 статті - у збірниках матеріалів конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновку, списку використаної літератури, 4 додатків. Дисертація викладена на 144 сторінках машинописного тексту, містить: 12 таблиць, 63 рисунка, 129 найменувань літературних джерел на 12 сторінках; 4 додатків на 20 сторінках. Загальний обсяг дисертації 230 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Стосовно до відкритого способу розробки родовищ однією з найважливіших науково-технічних задач є прогнозування і попередження деформації ґрунтів і гірських порід для безпеки та ефективності робіт на кар'єрах.

Завдяки науковим працям в області геомеханіки відкритих гірничих робіт Ю.П. Астаф'єва, Е.Л. Галуст'яна, М.Н. Гольдштейна, А.Г. Дорфмана, Є.О. Несмашного, Ю.М. Николашина, М.Є. Певзнера, С.З. Поліщука, В.В. Соколовського, Ю.І. Соловйова, Г.Л. Фісенка, В.К. Цвєткова, Г.І. Чорного, М.С. Четверика, А.Г. Шапара й інших вчених розроблені теоретичні основи геомеханічних процесів, що протікають у масивах ґрунтів і гірських порід, методи їхнього обліку в різних інженерно-геологічних і гірничотехнічних умовах і способи керування станом бортів кар'єрів.

Основний вид порушень стійкості укосів на кар'єрах складають зсуви (близько 85%). Вивченню зсувних явищ у масивах гірських порід присвячені дослідження С.С. Вялова, А.М. Дьоміна, О.П. Ємельянової, М.М. Маслова, П.М. Панюкова й інших вчених.

У результаті вивчення характеру процесу обвалення і закономірностей його розвитку з часом, була обґрунтована можливість корисного використання сил гравітації. У цьому зв'язку необхідно відзначити роботи Г.В. Родіонова, Н.Г. Домбровського, Г.А. Нурка, Г.Л. Фісенка, М.Г. Новожилова, Б.Н. Тартаковського, А.Г. Шапара, В.Т. Лашка й інших учених. В даний час існує науковий напрямок в області відкритих гірничих робіт - кероване обвалення уступів.

Широко використовуваним інструментом прогнозування стійкості відкритих гірських виробок і оцінки виникнення зсувних явищ бортів кар'єрів є інженерні методи.

Найбільше визнання серед методів оцінки стійкості укосів по круглоциліндричній поверхні одержали методи аналізу сил, що діють на елементарні блоки призми оповзання. Уперше подібний метод розрахунку був запропонований Петерсоном і Гюльтином, а в наступному доповнений Фелленіусом, чий метод відомий за назвою "шведський метод".

В теперішній час одержали розвиток методи відсіків, у яких відсіки вважаються деформованими і використовують закони теорії деформованого середовища. Відмінність даних методів у тім, що вони статично точні, тобто задовольняють всім умовам рівноваги. До таких методів відносяться методи, які розроблені Козловим Ю.С. і Фадєєвим А.Б., Дорфманом А.Г., Цвєтковим В.К., Уховим С.Б., Зарецьким Ю.К., Бугровим А.К. та іншими авторами.

Особливу увагу варто приділити методу Ю.І. Соловйова, у якому поверхні зрушення визначаються в ході розрахунку. Цей метод є найбільш близьким до методу, що розроблений у дисертації.

Огляд методів визначення поверхонь зрушення показав, що в теорії стійкості укосів недостатньо досліджені задачі визначення місця розташування потенційних поверхонь зрушення в масивах, що мають реальну структуру. Слід зазначити, що є ще одна обставина. Існують в механіці ґрунтів і гірських порід закономірності формування місця розташування і форми поверхонь зрушення, що виявлені на практиці в натурних і лабораторних умовах при вивченні процесу обвалення уступів, але вони не мають теоретичного опису.

У роботі дослідження виконувалися за двома напрямками:

1. Розробка методики визначення місця розташування поверхонь зрушення з заданою формою в гірських масивах, що мають складну структуру.

2. Розробка методичного підходу визначення в ході розрахунку форми і місця розташування потенційних поверхонь зрушення в ґрунтах і гірських породах.

У результаті виконаних досліджень по першому напрямку розроблена методика, що дозволяє найбільше повно врахувати складну геометрію реальної структури гірського масиву. Оцінка стійкості укосів виконується з використанням передбачуваних поверхонь зрушення, форма поверхні яких задається кусочно-лінійними і криволінійними (параболічними) функціями. Геометрія денної поверхні борту кар'єру (рис. 1) описується заданою функцією . Потенційна поверхня зрушення описується функцією .

Пари взаємозалежних функцій і , що обмежують призму обвалення зверху (функція ) і знизу (функція ), є базовими функціями пропонованого методу. Передбачається, що функції і по осі абсцис мають рівні координати лівої і правої границь їхнього діапазону визначення . Слід зазначити, що діапазони зміни функцій і повинні бути такими, щоб при будь-яких виконувалося співвідношення . Фізико-механічні властивості переважної літологічної різності об'ємна вага, кут внутрішнього тертя, зчеплення привласнюються всій призмі можливого обвалення.

Інші літологічні різності масиву розглядаються як мозаїчні включення в тіло призми можливого обвалення. Використаний підхід охоплення призми обвалення парою функцій зверху і знизу застосовується також і для опису геометрії мозаїчних включень, що мають інші фізико-механічні властивості.

Потрібно визначити в масиві борту кар'єру зі складною структурою, що має денну поверхню , таку потенційну поверхню зрушення , при якій коефіцієнт запасу стійкості борту кар'єру мінімальний.

Така постановка задачі на практиці припускає два етапи рішення:

1. Побудова кусочно-лінійної передбачуваної поверхні зрушення, що розташовується по структурних ослабленнях у масиві борту кар'єру.

2. Побудова в масиві борту кар'єру криволінійної (параболічної) передбачуваної поверхні зрушення, що мінімізує коефіцієнт запасу стійкості борту кар'єру.

Для визначення коефіцієнта запасу стійкості борту кар'єру використовується метод алгебраїчного додавання сил.

У результаті виконання двох етапів рішення задачі визначається потенційна поверхня зрушення.

Чисельний алгоритм розробленого інженерного підходу обліку реальної структури гірського масиву реалізований у програмному продукті для ПЕОМ. За допомогою програмного продукту виконані дослідження закономірностей розташування потенційних поверхонь зрушення в укосах бортів кар'єрів, які складені м'якими, скельними і напівскельними породами.

Результатом виконання досліджень по другому напрямку є методика, що дозволяє в ході розрахунку визначати форму і положення потенційних поверхонь зрушення в гірському масиві. Приймається, що форма і місце розташування денної поверхні укосу описується функцією (рис. 2). Призма обвалення описується зверху і знизу поверхнями і , що її обхоплюють, та розбивається на ряд вертикальних відсіків шириною і висотою . Беручи до уваги модель ґрунту, запропоновану Ю.І. Соловйовим, будемо вважати, що у вертикальних площинах поміж відсіками нормальні напруження відсутні, а, отже, відсутні сили тертя.

Оригінальність методичного підходу (що відрізняє від методики Ю.І. Соловйова) полягає в тім, що розглядається гранична рівновага елементарного вертикального відсіку одиничної товщини під дією власної ваги й утримуючої сили , обумовленої зчепленням і внутрішнім тертям ґрунту. Діючі на вертикальний відсік сили проектуються на напрямок дотичної до поверхні зрушення в точці А.

У результаті математичних перетворень одержуємо звичайне нелінійне диференціальне рівняння першого порядку, що описує форму і місце розташування поверхні зрушення в масиві

(1)

де зчеплення породи в масиві, об'ємна вага породи, кут внутрішнього тертя породи.

Диференціальне рівняння (1), розв'язане відносно похідної , має вид

(2)

Рівняння (2) описує сімейство поверхонь зрушення, що розташовуються в масиві на глибинах, що перевищують величину (рис. 3). Поверхні зрушення , які отримуємо у результаті рішення диференціального рівняння (2), будемо називати інтегральними поверхнями зрушення.

Аналітично описана залежність кута нахилу елементарних площадок зрушення до обрію від висоти призми обвалення і фізико-механічних властивостей порід

(3)

У роботі отримана формула (4), що дозволяє визначати за заданою формою і місцем розташування передбачуваної поверхні зрушення в масиві відповідну форму і місце розташування денної поверхні укосу

. (4)

З метою розвитку теорії інтегральних поверхонь зрушення отримане звичайне диференціальне рівняння першого порядку, що описує інтегральну поверхню зрушення у масиві зі складною структурою з урахуванням пористості, бічного розпору й обводнення порід

(5)

де

- кут внутрішнього тертя ґрунту в шарі відсіку,

зчеплення ґрунту в шарі відсіку,

об'ємна вага води,

потужність шару відсіку,

- коефіцієнт бічного розпору ґрунту в шарі відсіку,

- гідростатичний тиск води на рівні підошви шару відсіку.

Необхідно відмітити, що з умови визначається глибина виникнення площадок зрушення в масиві і, отже, область існування рішення диференціального рівняння (5).

Диференціальне рівняння (5) отримано для граничної рівноваги елементарного вертикального відсіку при наступних умовах. Нехай літологічних різностей, які перенумеровані від денної поверхні в глибину масиву, належать елементарному відсіку. Кожна літологічна різність має фізико-механічні властивості: - об'ємну вагу, - кут внутрішнього тертя, - зчеплення, - пористість, - коефіцієнт Пуассона. Будемо вважати, що масив гірських порід має рівномірно розподілену відкриту пористість. Вважаємо, що масив гірських порід обводнений, починаючи з літологічної різності і глибше. Нумерація літологічних різностей, що належать відсіку (шарів елементарного відсіку), визначена так . У моделі не враховувалися фільтраційний тиск води на ґрунт і дотичні напруження на бічних гранях відсіку.

Методика оцінки стійкості масиву полягає в наступному. Диференціальне рівняння (5) дозволяє визначати місце розташування і форму інтегральної поверхні зрушення на ділянці ВС (рис. 4). Відзначимо, що уздовж ділянки ВС відношення утримуючих сил і сил, що зрушують, незмінне і дорівнює одиниці. Складена потенційна поверхня зрушення об'єднує ділянки АВ, ВС і СD. На ділянці СD переборюється зчеплення ґрунту і відбувається зрушення (зріз) масиву.

Положення точки поверхні А щодо точки поверхні В визначається з умови мінімуму коефіцієнта запасу стійкості укосу , який розраховано уздовж складеної поверхні зрушення АВСD

(6)

де

- сума утримуючих зусиль уздовж поверхні ABC,

- сума зусиль, що зрушують, уздовж поверхні ABC,

- зчеплення ґрунту на ділянці CD,

- глибина виникнення площадок зрушення,

- кут нахилу до обрію елементарної площадки зрушення.

Для оцінки стійкості укосу необхідно виконати серії розрахунків при будь-яких припустимих положеннях початкової точки поверхні D на денній поверхні укосу. У результаті обчислень визначаються коефіцієнти запасу стійкості всіх ділянок укосу. Серед сукупності коефіцієнтів запасу буде найменший, котрий відповідає складеній потенційній поверхні зрушення ABCD.

Слід зазначити, що потужність сучасних ПЕОМ дозволяє шляхом простого перебору розрахункових варіантів виконувати оцінку стійкості масивів зі складною структурою.

Обґрунтовано достовірність існування інтегральних поверхонь зрушення в масиві. У ході отримання диференціального рівняння (2) були одержані два найбільш важливі співвідношення з основ механіки гірських порід. Перше з них є формулою для визначення глибини виникнення площадок зрушення

яка найбільш визнана в практичних розрахунках і відома як формула І.А. Сімвуліді і В.В. Соколовського.

Другим отриманим відомим співвідношенням є величина кута нахилу елементарних площадок зрушення до обрію на глибині .

Вперше за допомогою інтегральних поверхонь зрушення удалося описати форму і місце розташування поверхонь зрушення, отриманих у 60-х роках минулого сторіччя експериментально на моделях з оптично активних матеріалів. Раніше непояснені експериментальні поверхні зрушення мали точку перегину під верхньою крайкою укосу й однаковий нахил площадок зрушення у верхніх і нижніх початкових ділянках поверхні зрушення на глибині .

Слід зазначити, що в середині минулого сторіччя стан граничної рівноваги масиву, що знаходиться глибше величини , було обґрунтовано практично при створенні основ керованого обвалення уступів на відкритих розробках, але не було обґрунтовано теоретично. Як відомо, для обвалення високих уступів необхідно створити вироблення, що послабляє, у підошві і, що оконтурює, у покрівлі уступу (на глибину ).

При проведенні експериментів (рис. 5) фізико-механічні властивості порід і геометричні параметри укосу були наступними: густина породи 1900 кг/м3, зчеплення породи в масиві 60 кПа, кут внутрішнього тертя породи 22о, кут укосу (кут обвалення) 42о, висота уступу 43 м. У натурних експериментах обвалення уступів спостерігалися майже прямолінійні форми поверхонь зрушення уступів. Таким чином, досить близький збіг форми і місця розташування експериментальної поверхні зрушення (рис. 5) і інтегральної поверхні зрушення є підтвердженням достовірності існування інтегральних поверхонь зрушення в масивах на глибинах, що перевершують .

гірський масив кар'єр відвал

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі отримане нове рішення актуальної наукової задачі щодо обґрунтування методу розрахунку стійкості бортів кар'єрів, яке полягає в розробці інженерної методики, що визначає форму і місце розташування потенційних поверхонь зрушення масиву, та базується на комплексному обліку структурних особливостей масиву, пористості, обводнення, бічного розпору порід і фізико-механічних особливостей стану гірського масиву до глибини і нижче.

Найбільш важливі наукові результати, висновки і рекомендації полягають у наступному:

1. Встановлено, що величина коефіцієнта запасу стійкості борту кар'єру зі складною структурою масиву, яка обчислена з використанням передбачуваних параболічних поверхонь зрушення, визначається, головним чином, фізико-механічними властивостями гірської породи, що розташована в нижній частині (приблизно в 1/3 від підошви) борту кар'єру, причому, у першу чергу, за рахунок величини кута внутрішнього тертя порід, а потім за рахунок зчеплення порід.

2. Встановлено, що в інженерних розрахункових схемах облік реальної структури масиву ґрунтів і гірських порід дозволяє уточнити коефіцієнт запасу стійкості борту кар'єру в середньому на 15 %.

3. Вперше встановлено, що інтегральні поверхні зрушення, які описані звичайним нелінійним диференціальним рівнянням першого порядку, можуть існувати в масиві на глибині, що перевищує .

4. Вперше визначено, що кут нахилу до обрію елементарних площадок зрушення з глибиною може знаходитися в межах від величини до величини кута внутрішнього тертя порід і описується аналітичною залежністю



де - висота призми обвалення, - зчеплення породи в масиві, - об'ємна вага породи масиву.

5. Вперше доведено, що інженерний прийом розбивки призми можливого обвалення на вертикальні блоки, між якими у вертикальних площинах відсутні нормальні напруження, з наступним визначенням місця розташування по висоті і кута нахилу площадки зрушення вертикального блоку з умови його граничної рівноваги, дозволяє одержати найбільш визнану практикою і широко відому формулу І.А. Сімвуліді і В.В. Соколовського для визначення величини .

6. Вперше обґрунтована гранична рівновага масиву, що знаходиться глибше (місце розташування інтегральних поверхонь зрушення), що підтверджується практичними результатами керованого обвалення прироблених уступів (створення вироблення, що послабляє, у підошві і, що оконтурює, у покрівлі уступу на глибину ).

7. Встановлено, що глибина виникнення площадок зрушення в масиві збільшується при зростанні величин кута внутрішнього тертя і бічного розпору ґрунту.

8. Вперше визначено, що складена поверхня зрушення в області укосу масиву утворюється з ділянки, що описується інтегральною поверхнею зрушення, і двох прямолінійних ділянок поверхні зрушення, одна із яких вертикальна.

Основні положення і результати дисертаційної роботи опубліковані в наступних роботах

1. Полищук С.З., Голуб В.В., Панин К.В. Расчет устойчивости глубоких карьеров со сложной структурой горного массива // Сб. научн. тр. НГА Украины. - Днепропетровск: РИК НГАУ.- 1998. - №3.-С.23-27.

2. Полищук С.З., Голуб В.В., Панин К.В. К расчету оптимальных параметров карьерных массивов // Сб. научн. тр. НГА Украины.- Днепропетровск: РИК НГАУ.- 1998.- №2.- С.165-170.

3. Голуб В.В., Полищук С.З. Дифференциальное уравнение линии сдвижения природных и техногенных откосов // Сб. научн. тр. НГА Украины.- Днепропетровск: РИК НГАУ.- 2000. -№9, Т. 2.- С.140-146.

4. Полищук С.З., Голуб В.В. Определение поверхностей сдвижения горного массива при решении задач геомеханики открытых горных выработок // Сб. научн. тр.: Системные технологии. Математические проблемы технической механики.- Днепропетровск: “Системні технології”.- 2002.- Вып. 4 (21).- С.100-104.

5. Голуб В.В., Полищук С.З. Оценка устойчивости приоткосной области массивов грунтов и горных пород с использованием интегральных поверхностей сдвижения // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностороение. - Днепропетровск: ПГСА.- 2004.- Вып. №28.- С.77-82.

6. Полищук С.З., Голуб В.В., Баранов Ю.Д., Шурыгин В.Д. К вопросу о прогнозировании деформаций откосов и склонов // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностороение. - Днепропетровск: ПГСА.- 2004.- Вып. №28.- С.72-76.

7. Голуб В.В. Анализ применимости в ГИС-технологиях предполагаемых линий скольжения при оценке устойчивости откосов // Проблемы и перспективы использования геоинформационных технологий в горном деле. Межд. науч.-прак. конф. - Днепропетровск: РИК НГАУ.- 2000.- С.123-130.

8. Голуб В.В., Полищук А.В., Ларионов Г.И., Шурыгин В.Д. Моделирование оползней и обрушений в природных и техногенных склонах// Проблемы природопользования, устойчивого развития и техногенной безопасности. Межд. науч.-прак. конф.- Днепропетровск: из-во ДНУ.- 2001.- С.163-164.

9. Голуб В.В. Численный метод расчета устойчивости борта карьера с неоднородной структурой горного массива // Опыт моделирования при решении задач природопользования и экологии.- Днепропетровск: ИППЭ НАНУ.- 1998.- С.129-134.

Особистий внесок автора у роботи, написані у співавторстві: [4, 6] - постановка задачі, виконання теоретичних розробок, аналіз результатів; [1, 2, 8] - виконання теоретичних розробок, розробка програмних засобів та проведення розрахунків, аналіз результатів; [3, 5] - ідея, постановка задачі, аналіз результатів, формулювання висновків.

АНОТАЦІЯ

Голуб В.В. Обґрунтування методу розрахунку стійкості бортів кар'єрів, які формуються у масиві гірських порід складної структури. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.09 - "Механіка ґрунтів і гірських порід".- Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2004.

Розроблена інженерна методика, що дозволяє визначати місце розташування найбільш слабких поверхонь зрушення з наперед заданою формою в гірських масивах, що мають складну структуру. Створено алгоритм, що враховує структурну будівлю гірського масиву.

Отримано звичайне нелінійне диференціальне рівняння першого порядку, яке описує місце розташування і форму інтегральних поверхонь зрушення в масиві, що має складну структуру, з урахуванням пористості, обводнення і бічного розпору ґрунтів і гірських порід. Форма і місце розташування інтегральних поверхонь зрушення, що розташовуються в масиві з глибини , досить добре погоджується з експериментальними даними, які отримані в натурних і лабораторних умовах. Створено оригінальну методику оцінки стійкості бортів кар'єрів і відвалів.

Розроблено на основі результатів дисертації пакет програм для ПЕОМ, який застосовувався при проектуванні укосів бортів кар'єрів і відвалів на родовищах України і СНД.

Результати досліджень опубліковані в 9 наукових працях, з них 6 - у спеціалізованих збірниках наукових праць.

Ключові слова: поверхня зрушення, гірський масив, стійкість укосів бортів кар'єрів, глибина виникнення площадок зрушення, літологічна різність.

АННОТАЦИЯ

Голуб В.В. Обоснование метода расчета устойчивости бортов карьеров, формируемых в массиве горных пород сложной структуры. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 - “Механика грунтов и горных пород”.- Национальный горный университет Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск, 2004.

Основная идея работы заключается в том, что обоснованность расчетов устойчивости откосов на карьерах может быть повышена за счет более достоверного определения местоположения и формы потенциальных поверхностей сдвижения в массиве при комплексном учете структурных особенностей массива, пористости, обводнения, бокового распора пород и физико-механических особенностей состояния массива до глубины и ниже.

Проанализированы традиционные инженерные подходы и методики определения местоположения и формы потенциальных поверхностей сдвижения горного массива

Разработана инженерная методика, позволяющая определять местоположение наиболее слабых поверхностей сдвижения с заранее заданной формой в горных массивах, имеющих сложную структуру. Создан алгоритм, учитывающий структурное строение горного массива.

Установлено, что задача об определении расчетным путем местоположения и формы потенциальных поверхностей сдвижения в массивах грунта и горных пород является более обоснованным подходом при оценке устойчивости откосов.

Получено обыкновенное нелинейное дифференциальное уравнение первого порядка, описывающее местоположение и форму поверхностей сдвижения в откосах и склонах. Результатом решения дифференциального уравнения является семейство интегральных поверхностей сдвижения, располагающееся в массиве с глубины . Форма и местоположение интегральных поверхностей сдвижения достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными, полученными в натурных и лабораторных условиях.

С целью развития методического подхода получено обыкновенное нелинейное дифференциальное уравнение первого порядка, описывающее местоположение и форму интегральных поверхностей сдвижения в сложно-структурном массиве с учетом пористости, обводнения и бокового распора грунтов и горных пород. Создана оригинальная методика оценки устойчивости бортов карьеров и отвалов.

В результате исследований установлено, что глубина возникновения площадок сдвижения в массиве увеличивается при возрастании величин угла внутреннего трения и бокового распора грунта.

Следует отметить, что методический подход, базирующийся на использовании интегральных поверхностей сдвижения, позволяет прогнозировать местоположение и габариты оползнеопасных участков бортов карьеров и отвалов.

Положения разработанной методики определения в массиве поверхностей сдвижения при одновременном нахождении их формы и местоположения являются обобщающими и существенно отличаются от существующих взглядов об устойчивости, предельном равновесии и разрушении массивов грунта и горных пород в приоткосных областях. Научное значение разработанной методики заключается в том, что на ее основе предложены принципиально новые представления о механизме возникновения потенциальных поверхностей сдвижения в природных и техногенных массивах грунта и горных пород, об их форме и местоположении в приоткосной области.

Разработанный на основе результатов диссертации пакет программ для ПЭВМ применялся при проектировании откосов бортов карьеров и отвалов на месторождениях Украины и СНГ.

Результаты исследований опубликованы в 9 научных трудах, из них 6 - в специализированных сборниках научных трудов.

Ключевые слова: поверхность сдвижения, горный массив сложной структуры, устойчивость откосов бортов карьеров, глубина возникновения площадок сдвижения, литологическая разность.

THE SUMMARY

Golub V. V. Substantiation of a method of calculation of stability of boards sides of the opencasts shaped in rock massif of difficult structure. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci on a speciality 05.15.09 - "Mechanics of grounds and rocks".- National Mountain University of Ministry of Education and Science of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2004.

The engineering method allowing defining a site of the weakest surfaces slide with beforehand by the given form in mountain range, having complex structure, is developed.

The ordinary nonlinear differential equation of the first order describing a site and the form of integrated surfaces slide in a difficult - structural massif in view of porosity, an inroad of water grounds and rocks is received. The form and a site of integrated surfaces slide will well enough is coordinated to the experimental data received in natural and laboratory conditions. The original technique of an estimation of stability of boards of opencasts and dumps is created.

The results of researches are published in 9 scientific articles, from them 6 in the specialized collections of scientific articles.

Key words: a surface slide, rock massif of difficult structure, stability of boards sides of the opencasts, family of integrated surfaces slide.

Размещено на Allbest.ru