Развитие методов оценки физико-механических свойств горных пород в массиве для геомеханического обеспечения открытой угледобычи (16.11.2009)

Автор: Бабелло Виктор Анатольевич

Следующим этапом развития рассматриваемого метода расчета осадок было использование зависимостей, отраженных на рис. 4. Особенностью такого подхода являлась необходимость надежного обоснования граничных условий в виде интервалов значений ?i - ?i+1 и ?i - ?i+1 на основе учета физического и напряженного состояний массива.

Для оценки надежности полученных результатов расчета осадок отвальных пород предлагается новый подход, основанный на установленных зависимостях осадок от «погрешностей» определения деформационных свойств отвальных пород и напряжений вдоль центральной вертикали загруженной площадки. Идея такого подхода состоит в следующем. Постановка задачи предполагает, что истинные значения параметров деформационных свойств пород и напряжений, вызванных нагрузкой от экскаватора неизвестны. Имеющиеся методы оценки точности упомянутых параметров основаны на сопоставлении сведений, полученных при изысканиях и исследованиях, с каким-либо из «заменителей» истинных сведений, определяемых, например, по ограниченной выборке усредняемых статистических повторений. Поэтому в рассматриваемом подходе любой параметр, например, деформационных свойств отвальных пород, оценивается его средним значением и вариацией результатов испытаний относительно этой средней величины.

Основным расчетным показателем проходимости экскаватора является его осадка, которая может быть вычислена по стандартному методу послойного суммирования. Продифференцировав формулу расчета осадок в соответствии с правилами теории погрешностей измерений, получим выражение для вычисления погрешности осадок экскаватора ?S для m слоев породы. Зная значение погрешности осадки экскаватора, и полагая, что распределение вероятностей погрешностей подчиняется нормальному закону, можно определить вероятность выхода полученных расчетных осадок за установленный предел.

Практическая реализация рассматриваемой методики заключается в следующем:

– на основании опытных данных о величине модуля деформации отвальных пород устанавливают диапазон ее изменения и находят среднее значение модуля Е;

– вычисляют его среднее квадратическое отклонение;

– определяют коэффициент вариации рассматриваемой характеристики

– вычисляют вероятность выхода расчетных осадок за установленный предел;

– сравнивают полученный результат с требуемым уровнем геотехнического риска.

Установлено, что характер совместного влияния на расчетную величину осадки «погрешностей» определения модуля деформации и одного из компонентов напряженного состояния (1 неоднозначен и изменяется по глубине отвала. В рассмотренных условиях с учетом значений экспериментально определенных напряжений большая часть «погрешности» при расчете осадок экскаватора в зоне максимальных напряжений (от 0,2 до 1 приведенной глубины h/R – для базы или 2h/в – для лыж) приходится на «погрешность» определения напряжений в породе (~ 72 %) и только около 30 % приходится на «погрешность» определения модуля деформации. С увеличением глубины доля «погрешности» от модуля деформации увеличивается, однако резко снижается и сама «погрешность» определения осадок расчетного слоя. Для практического использования были получены графические зависимости «погрешности» расчетных величин осадок горнотранспортного оборудования при различных коэффициентах вариации модуля деформации, начиная с его нулевого значения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации предложено решение актуальной научной проблемы, заключающейся в разработке системы геомониторинга и научно-методических основ оценки физико-механических свойств нескальных горных пород в массиве для геомеханического обеспечения процесса открытой угледобычи, что способствует достижению технико-экономической эффективности и безопасности горных работ и имеет важное народнохозяйственное значение.

Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Установлено, что проблема комплексной оценки физико-механических свойств горных пород на разных этапах разработки угольных месторождений до настоящего времени не получила своего разрешения. Выявлено, что отсутствуют концепция геомониторинга и принципы построения его системы, обеспечивающие совокупность сведений о свойствах пород с учетом изменяющихся условий в процессе открытых горных работ.

2. Выполнен комплекс работ, включающий теоретические и методические исследования, конструкторские разработки и опытные работы, что позволило создать систему геомониторинга процесса открытой угледобычи, а также методическую базу и технические средства, обеспечивающие эффективное применение этой системы на открытых горных работах с оценкой различия геомеханических условий этапов разработки месторождения.

3. С учетом специфики ведения открытых горных работ в Забайкальском крае предложен и научно-обоснован комплексный подход к изучению физико-механи-ческих свойств пород с использованием лабораторных, стендовых и полевых методов определения их показателей, объединенных в единый замкнутый цикл, позволяющий повысить эффективность и безопасность открытой угледобычи. Для реализации рассматриваемого подхода разработаны и усовершенствованы соответствующие методы и аппаратура, в том числе: устройство для реализации в натурных условиях метода вертикального обрушения призм; две многоцелевые полевые установки для определения прочностных и деформационных характеристик пород в зависимости от направления силового воздействия; устройство для определения механических свойств пород отвалов, основанное на учете эффекта кольцевой пригрузки; устройство для изучения фильтрационных, суффозионных и кольматационных процессов в горных породах; метод натурного определения деформационных свойств отвальных пород с оценкой их анизотропии.

4. Проведенные исследования доказали целесообразность последовательного проведения лабораторных, стендовых опытов и экспериментально-аналитического моделирования геомеханических процессов в массивах для выбора методов и технических средств изучение физико-механических свойств горных пород в массиве и проверки достоверности теоретических положений принятой модели его деформирования, что позволяет оценить надежность геомеханического обеспечения отдельных этапов открытых горных разработок.

5. Предложена и обоснована методика градуирования датчиков для измерения напряжения в техногенных массивах горных пород с учетом изменения в них вида напряженного состояния. Доказано преимущество этой методики в сравнении с традиционными способами градуирования в условиях гидравлического и компрессионного нагружений.

6. Установлено, что вертикальные напряжения в исследованных породных массивах вдоль центральной вертикали опорных элементов горнотранспортного оборудования в зависимости от вида породы и начальной плотности её сложения превышают соответствующие значения напряжений по теории линейно-деформируемой среды для случая равномерно распределенной нагрузки в среднем до 50 %. Горизонтальные напряжения, исследованные в опытах, были существенно больше (в среднем до 180 %), чем напряжения, вычисленные упомянутым теоретическим методом. При этом выделение областей массива, находящихся в допредельном и предельном состояниях, может быть осуществлено на основе определения зон концентрации напряжений и деформаций массива и анализа установленных закономерностей: параболических – для значения угла наибольшего отклонения и модуля деформации пород в зависимости от относительной глубины точки массива и логарифмической – для параметров их сжимаемости в зависимости от величины соотношения главных напряжений.

7. Получены зависимости изменения параметров прочности и деформируемости исследованных горных пород от уровня вертикальной кольцевой пригрузки породного массива и величины напорных градиентов, действующих в нем. Показано, что при достижении кольцевой пригрузкой величины 50 кПа повышение значений угла внутреннего трения и модуля деформации для песчанно-гравийных отложений и алевролитов составило 8 % и 64 %, 46 % и 62 % соответственно. При изменении значений градиентов напора от1 до 7 уменьшение угла внутреннего трения для исследованных песчано-гравийных и глинистых пород в среднем составило 43 % и 81 % соответственно.

8. Установлена возможность выявления в отвале областей упорядоченной неоднородности деформационных свойств пород, при которой параметры деформируемости породы становятся детерминированными функциями координат точки её опробования с соответствующим уровнем и соотношением главных напряжений в зависимости от нагрузки, вызываемой собственным весом пород и горнотранспортным оборудованием. На этой основе получены закономерности деформирования техногенных массивов горных пород, которые отражают процесс деформирования на всем диапазоне нагрузок и где прочностные и деформационные характеристики пород связаны между собой.

9. Установлена связь формы и координат поверхности разрушения нагруженного уступа породного массива от параметров прочности пород, причем, для угла внутреннего трения зависимость имеет линейный вид, а для сцепления – близка к гиперболической. В рамках конечноэлементного анализа напряженно-деформиро-ванного состояния массива обоснован методический подход к выявлению формы и размеров призмы обрушения на основе оценки степени приближения напряженного состояния породного массива к предельному. Реализация подхода осуществляется путем сопоставления соотношения главных напряжений ?3/?1, полученным в каждом элементе расчетной области с аналогичным соотношением главных напряжений, соответствующим предельному состоянию породы исходя, например, из условия прочности Кулона-Мора.

10. Предложены и научно обоснованы методики прогнозирования деформаций техногенных массивов горных пород, основанные на результатах оценки их свойств в рамках разработанной системы геомониторинга и выявленных закономерностях изменения напряженно-деформированного состояния массива и показателей его механических свойств. Расчетные значения осадок горнотранспортного оборудования при его работе на отвалах оказываются сопоставимыми с наблюдаемыми (разница до 11 %), если учтена переменность деформационных характеристик породы в зависимости от изменения напряженного состояния при одновременном использовании его компонент, полученных с учетом представленных разработок.

11. Разработана комплексная методика совместной оценки надежности значений деформационных свойств пород и параметров напряженного состояния исследуемого массива. Установлен переменный по глубине характер совместного влияния «погрешностей» определения модуля деформации пород и одного из компонент напряженного состояния – (1 на величину осадок горнотранспортного оборудования, что позволило предложить новый подход к выявлению зон, требующих особого внимания при определении параметров деформационных свойств и напряженного состояния. Для исследованного уровня нагрузок на песчано-глинистые породы зона, где максимальное влияние на осадку оказывают вертикальные напряжения, находится в интервале от 0,2 до 1 относительной глубины (приведенной к размеру опорных элементов горнотранспортного оборудования).

12. Внедрение разработанных рекомендаций, руководящих технических материалов и проекта по развитию горных работ, основывающихся на полученных в диссертационной работе результатах, позволило получить только для разреза «Уртуйский» в 2000-2009 гг. экономический эффект более 500 млн руб.

Публикации по теме диссертации

В изданиях рекомендованных ВАК

1. Бабелло В.А. Обеспечение устойчивости отвала при наращивании его высоты / В.А. Бабелло, В.А. Стетюха, Ю.М. Овешников, В.Ю. Галинов // Горный журнал. – 2001. – № 8. – С. 10-13.

2. Бабелло В.А. Оценка устойчивости откосов отвалов вскрышных пород экспериментально-аналитическим методом / А.В. Бабелло, В.А. Стетюха, Ю.М. Овешников, В.Ю. Галинов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2001. – № 8. – С. 175-178.

3. Бабелло В.А. Об увеличении емкости отвалов угольного разреза «Уртуйский» / В.А. Бабелло, М.Р. Гильфанов, Ю.М. Овешников, В.Ю. Галинов // ГИАБ. – 2002. – № 11. – С. 174-175.

4. Бабелло В.А. Оценка влияния неупорядоченной отсыпки отвальных пород на устойчивость отвала «Восточный» угольного разреза «Уртуйский» / В.А. Бабелло, М.Р. Гильфанов, Ю.М. Овешников, В.Ю. Галинов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2003. – № 9. – С. 198-200.

5. Бабелло В.А. О совершенствовании методики определения прочностных свойств горных пород / В.А. Бабелло // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2003. – № 11. – С. 39-40.

6. Бабелло В.А. О причинах снижения устойчивости юго-западного борта Уртуйского буроугольного месторождения / В.А. Бабелло // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2004. – № 3. – С. 119-121.

7. Бабелло В.А. К вопросу о системе оперативного контроля за механическими свойствами горных пород / В.А. Бабелло // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2004. – № 9. – С. 343-344.

8. Бабелло В.А. Анализ эффективности несплошного горизонтального армирования откосов пригрузочной насыпи / В.А. Бабелло, А.М. Караулов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2004. – № 9. – С. 344-345.

9. Бабелло В.А. Исследование прочностных свойств пород Уртуйского буроугольного разреза в натурных условиях / В.А. Бабелло // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2004. – № 10. – С. 203-206.

10. Бабелло В.А. Совершенствование методики оценки прочности нескальных грунтов в полевых условиях / В.А. Бабелло // Известия вузов: Строительство. – 2004. – № 5. – С. 115-118.

11. Бабелло В.А. Гидрогеологические исследования устойчивости бортов буроугольных разрезов в Забайкалье / В.А. Бабелло, А.Е. Беляков // Горный журнал. – 2005. – № 3. – С. 3-7.

12. Бабелло В.А. К вопросу о надежности экранирования ложа золоотвалов / В.А. Бабелло, А.Е. Беляков // Известия вузов: Строительство. – 2005. – № 8. – С. 93-97.

13. Бабелло В.А. Напряженно-деформированное состояние высокой насыпи / В.А. Бабелло // Известия вузов: Строительство. – 2005. – № 6. – С. 15-19.


загрузка...