Совершенствование методологии прогноза состояния геотехнических систем и управления их устойчивостью на открытых горных работах

На правах рукописи

Фёдорова Елена Алексеевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОЛОГИИ

ПРОГНОЗА СОСТОЯНИЯ ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ

СИСТЕМ И УПРАВЛЕНИЯ ИХ УСТОЙЧИВОСТЬЮ

НА ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТАХ

Специальности:

25.00.22 – «Геотехнология подземная, открытая и

строительная»;

25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Чита - 2007

Работа выполнена в ГОУ ВПО

«Читинский государственный университет»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Серяков Виктор Михайлович

доктор технических наук, профессор

Лизункин Владимир Михайлович

доктор технических наук, профессор

Шевкун Евгений Борисович

Ведущая организация Институт горного дела ДВО РАН

Защита состоится _17_ декабря 2007 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.299.01 при Читинском государственном университете

(г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, зал заседаний диссертационного совета)

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 672039, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, ЧитГУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.299.01

Факс: (3022) 41-64-44; Web-server: www.chitgu.ru; E-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Читинского государственного университета

Автореферат разослан ___ ноября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. геол.-минерал. наук Н.П. Котова

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

В настоящее время наиболее прогрессивным считается открытый способ разработки месторождений, который выигрывает по себестоимости у подземного способа при добыче угля, золота и др. видов полезных ископаемых. На угольных и россыпных месторождениях доминирует бестранспортная система разработки с применением шагающих экскаваторов – драглайнов, а на месторождениях строительных горных пород, цементного сырья и рудных месторождениях – транспортная и транспортно-отвальная системы разработки.

Однако устойчивое увеличение числа месторождений, отрабатываемых открытым способом, сопровождается увеличением экологической нагрузки на окружающую среду.

В условиях перехода от разработки легкодоступных пластов и россыпей к освоению сложноструктурных угольных месторождений и глубокозалегающих россыпей снижение экологической нагрузки и повышение эффективности вскрышных работ обеспечивается за счет применения горных машин большой единичной мощности и технологических схем, предусматривающих использование в качестве рабочих площадок драглайнов свежеотсыпанных отвалов, подрезку их откосов, селективную выемку пород и их дифференцированное размещение в отвалах. На укрепление откосов, ограничение подвижности и осушение водонасыщенных масс, улучшение свойств пород и оснований направлены инженерные мероприятия.

Выявленные тенденции развития технологии бестранспортной вскрыши ведут к ухудшению условий эксплуатации шагающих экскаваторов, а традиционные способы управления устойчивостью отвалов и инженерные мероприятия, направленные на стабилизацию их состояния, не всегда эффективны.

Несмотря на накопленный опыт ведения открытых горных работ, периодически возникают чрезвычайные ситуации, обусловленные обрушением откосов и сводов массивов горных пород, потерей основаниями несущей способности, нарушением условий эксплуатации горных машин или неэффективностью инженерных мероприятий.

Отличие фактических параметров отвалов от параметров, заданных техническими характеристиками драглайнов, является причиной формирования отвалов пониженной емкости вследствие неполного использования ресурса шагающих экскаваторов по длине стрелы или высоте разгрузки ковша.

При расположении в пределах горных отводов предприятий уникальных карстовых комплексов проведение буровзрывных работ в непосредственной близости от памятников природы допускается только при условии сейсмостойкости геотехнической системы, объединяющей борт карьера и подземный комплекс.

Увеличение рисков отказов в системе «горная машина - отвал - основание» при использовании в качестве рабочих площадок экскаваторов свежеотсыпанных отвалов и повышение класса надежности системы «борт карьера - подземный комплекс» при наличии в ней элемента, имеющего статус объекта, охраняемого государством, обусловили переход на более высокий уровень требований к достоверности оценок напряженно-деформированного состояния таких систем.

С существенным изменением в пределах свежеотсыпанных отвалов показателей состава и физико-механических свойств пород связана необходимость учета характера и степени естественной изменчивости их значений при подготовке исходных данных для геомеханических расчетов.

Несоответствие расчетных схем и аналитических решений геомеханических задач фактическому взаимодействию элементов геотехнических систем и их напряженно-деформированному состоянию предопределяет необходимость использования при его моделировании численных методов, а также совершенствования средств определения характеристик нарушенных пород, методик получения и обработки исходных данных, схем опробования и методов разграничения неоднородных массивов на квазиоднородные зоны, размеры которых позволяют пренебречь изменчивостью состава и свойств пород.

Таким образом, проблема совершенствования методологии прогноза состояния геотехнических систем и управления их устойчивостью является актуальной.

Работа выполнена в рамках государственной целевой комплексной программы «Геомеханические процессы в геологических формациях, геотехнических сооружениях месторождений полезных ископаемых» (№ 01920009628) и договорных научно-исследовательских работ с ПО «Лензолото», ОАО «ЗабайкалцветметНИИпроект» и ООО «Забайкалзолотопроект».

Идея работы заключается в повышении достоверности оценок напряженно-деформированного состояния техногенных массивов и последующем использовании полученных оценок при прогнозе отказов в геотехнических системах.

Цель работы. Разработка методологии принятия технологических решений, основанных на достоверных оценках состояния геотехнических систем, и научное обоснование новых способов управления их устойчивостью.

Объект исследований – строение и напряженно-деформированное состояние техногенных массивов, формируемых и испытывающих дополнительные воздействия при производстве открытых горных работ.

Предмет исследований – взаимодействие элементов геотехнических систем, методы оценки и способы управления их состоянием.

Задачи исследований:

- проанализировать концепции развития теории и методологии оценки напряженно-деформированного состояния геотехнических систем и обосновать направления дальнейшего совершенствования способов управления их устойчивостью;

- повысить достоверность оценок напряженно-деформированного состояния геотехнических систем за счет использования численных методов решения геомеханических задач, расчетных схем, отражающих условия взаимодействия отдельных элементов систем, а также более надежных данных о свойствах пород;

- повысить надежность информации о строении массивов и свойствах пород за счет использования оптимальных схем опробования отвалов и новых технических средств для испытаний пород нарушенного сложения;

- разработать методологию ранжирования шагающих экскаваторов по степени их адаптации к условиям работы на неравномерно деформирующихся основаниях и выбора оптимальных геометрических параметров нагруженных отвалов с учетом рисков отказов в системе «экскаватор - отвал - основание»;

- выявить закономерности формообразования и деформирования песчано-глинистых отвальных конусов и нагруженных экскаваторами отвалов;

- обосновать технические и технологические мероприятия, обеспечивающие устойчивость внутренних отвалов на наклонных площадках и повышение емкости внешних отвалов из слабых пород;

- усовершенствовать методологию прогноза сейсмостойкости геотехнической системы «борт карьера - подземный комплекс» при разработке месторождений, имеющих в границах горных отводов уникальные памятники природы;

- разработать имитационно-вероятностную модель строения массивов грубо- и крупнообломочных пород и математический метод его воспроизведения по параметрам распределений характеристик компонентов контактных систем.

Методы исследований. В качестве основного метода исследования принят системный анализ, позволивший установить взаимосвязи между элементами анализируемых геотехнических систем и выявить факторы, влияющие на условиях их функционирования. Физико-механические свойства пород и строение массивов изучались лабораторными, полевыми и сейсмоакустическими методами. Процессы формирования, деформирования и разрушения отвальных массивов, распределения крупных включений в их пределах исследовались методом физического моделирования. Математическое моделирование методом конечных элементов (МКЭ) применялось при исследовании напряженно-деформированного состояния техногенных массивов, а имитационно-вероятностное моделирование – при воспроизведении строения дискретных сред. Обработка результатов исследований проводилась методами теории вероятностей и математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Разработанные новые технические средства для исследования физико-механических свойств пород нарушенного сложения и комплексные методики получения и обработки исходных данных позволяют представлять информацию об отвальных массивах в виде аналитических зависимостей, описывающих изменение характеристик состава и свойств пород в их пределах, а также наиболее вероятных схем их разграничения на квазиоднородные зоны. По сравнению с известными методиками они обеспечивают повышение достоверности геомеханических оценок напряженно-деформированного состояния геотехнической системы «экскаватор - отвал - основание» при его моделировании методом конечных элементов.

2. Выявленные в процессе формирования песчано-глинистых отвальных конусов цикличность и тенденция к самопроизвольному уменьшению углов откосов, зависимость распределения крупных глинистых включений от их среднего размера и содержания в смеси, высоты отвала и разгрузки ковша экскаватора, последовательность развития недопустимых кренов и осадок в основании баз драглайнов позволяют управлять устойчивостью отвалов и работающих на них драглайнов. Установленная последовательность обосновывает необходимость изменения ряда технических характеристик при разработке новых модификаций базовых моделей шагающих экскаваторов.

3. Разработанная методология оценки условий функционирования геотехнической системы «экскаватор - отвал - основание», учитывающая изменчивость характеристик пород, позволяет принимать обоснованные решения по технологии отвалообразования, соответствующие заданному уровню безотказности рассматриваемой системы.

4. Предложенные технологические решения обеспечивают повышение устойчивости внутренних отвалов и увеличение емкости внешних отвалов за счет удаления крупных глинистых включений из зоны контакта экскаваторных отвалов с основанием с помощью взрывов и армирования замкнутыми контурами откосов отвалов слабых пород или призм упора.

5. Разработанная методология оценки сейсмостойкости геотехнической системы «борт карьера - подземный комплекс» позволяет повысить надежность прогнозных оценок ее напряженно-деформированного состояния за счет учета реакции рассматриваемой системы на опытные взрывы, упругопластического деформирования трещиноватых пород при сильных сейсмовзрывных воздействиях и возможности изменения условий природной обстановки.

6. Предложенная имитационно-вероятностная модель строения неоднородных массивов крупно- и грубообломочных пород и разработанный метод формирования упаковок моделей обломков и систем связей между ними, подобных реальным контактным системам по параметрам распределений характеристик их компонент в выделенных квазиоднородных зонах, обеспечивают представление информации о таких массивах в виде, необходимом для анализа численными методами поведения дискретных сред в различных условиях.

Научная новизна:

- разработана методология решения геомеханических задач, повышающая степень достоверности прогнозных оценок напряженно-деформированного состояния экскаваторных отвалов за счет их разграничения на квазиоднородные зоны по показателям состава и физических свойств пород, аналитического описания изменения плотности, сцепления и угла внутреннего трения по глубине, использования эффективных статистических оценок характеристик пород;

- установлены закономерности распределения крупных глинистых включений в отвальных конусах, позволяющие разграничивать экскаваторные отвалы на квазиоднородные зоны с учетом их высоты, среднего размера и процентного содержания включений в исходной смеси;

- выделены стадии формообразования отвальных конусов при отсыпке в них смесей песчаных и пылевато-глинистых пород различного состава, отличающиеся по степени и характеру изменения углов откоса. Выявлены характерные признаки третьей стадии - цикличность в изменении геометрических параметров профилей отвалов и устойчивая тенденция к самопроизвольному уменьшению углов откоса. Установлена зависимость формы экскаваторных отвалов от степени уменьшения в их верхних слоях плотности, сцепления, угла внутреннего трения, высоты разгрузки ковша, размера и содержания в отсыпаемых смесях крупных глинистых включений;

- разработана методология оценки технических характеристик шагающих экскаваторов, параметров отвалов и способов их формирования по функциям рисков отказов системы «экскаватор - отвал - основание»;

- при оценке сейсмостойкости геотехнической системы «карьер - карстовый комплекс», наряду с ее реакцией на опытные взрывы, учтен нелинейный характер деформирования трещиноватых пород;

- предложен полевой метод подсчета числа и измерения площадей сухих контактов между обломками;

- разработаны процедуры воспроизведения структур грубо- и крупнообломочных пород в виде математических моделей контактных систем по параметрам распределений значений длин и коэффициентов формы обломков, числа и площадей контактов между ними в выделенных квазиоднородных зонах природных и техногенных массивов.

Достоверность научных положений и выводов обеспечена представительным объемом полевых и лабораторных исследований, достаточной сходимостью между измеренными и расчетными углами откосов, а также между расчетным и реальным состоянием горного массива при опытных взрывах, положительными результатами внедрения обоснованных расчетами параметров технологических схем отвалообразования на горных предприятиях.

Практическое значение работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:

- испытывать образцы рыхлых пород в условиях трехосного сжатия на новом лабораторном оборудовании (авторские свидетельства СССР № 1675730 и № 1759131, патент СССР № 188227138);

- принимать технологические решения, обеспечивающие повышение емкости внешних глинистых отвалов за счет армирования откосов или призм упора замкнутыми контурами (пат. РФ № 2233947), а также устойчивость внутренних песчано-глинистых отвалов за счет перемещения в их нижние ярусы рыхлых смесей, не содержащих крупных глинистых включений в количестве, достаточном для образования слабого слоя на контакте отвала с основанием, или удаления с помощью взрывов включений из зон их скоплений на начальной стадии самоуплотнения отвальных пород;

- формировать многоярусные нагорные отвалы и отстраивать борта карьеров с профилями, оптимальными по напряженно-деформированному состоянию;

- в условиях раздельного складирования отвальных пород с различным содержанием крупных глинистых включений выбирать оптимальные параметры технологических схем переэкскавации по числу перевалок, коэффициенту переэкскавации или перемещаемому во внутренний отвал объему вскрышных пород;

- по техническим характеристикам разделить драглайны на группы, отличающиеся по степени приспособленности к работе на свежеотсыпанных отвалах, наметить основные направления модернизации шагающих экскаваторов, учитывающие последовательность развития аварийных ситуаций и фактические углы откосов отвалов, формируемых в различных горно-геологических условиях;

- использовать способ формирования рабочих площадок для драглайнов на отвалах, обеспечивающий максимальный уровень установки экскаватора;

- использовать оптимальные по характеристикам эксплуатационного качества и стоимости варианты усиления конструкций жестких и нежестких дорожных одежд в целях улучшения условий эксплуатации крупногабаритных горных машин;

- использовать опыт разграничения верхних слоев склоновых грубообломочных отложений на квазиоднородные зоны по длине обломков, коэффициентам формы, числу и площади контактов при определении параметров моделей строения массивов крупно- и грубообломочных пород;

- оценить эффективность защитных экранов в отношении снижения сейсмовзрывных воздействий на массив, пораженный карстом;

- автоматизировать процессы статистической обработки исходных данных и разграничения отвальных массивов на зоны, квазиоднородные по составу и свойствам пород.

Личный вклад автора заключается в:

- постановке задач, выборе методов, проведении как теоретических, так и экспериментальных исследований, обработке, анализе и обобщении полученных результатов;

- разработке схем опробования отвальных массивов и методов их разграничения на квазиоднородные зоны по показателям состава и состояния пород;

- разработке процедур построения математических моделей контактных систем по параметрам распределений характеристик элементов, отношений и связей между ними;

- разработке технологических решений по эффективному управлению состоянием геотехнических систем;

- конструировании оборудования для определения физико-механических характеристик пород нарушенного сложения;

- формулировке выводов и рекомендаций.

Реализация результатов работы.

Результаты выполненных исследований использованы при обосновании параметров схем ведения вскрышных работ на угольном разрезе «Харанорский», Красноармейском, Мараканском и Богомоловском месторождениях россыпного золота, Уртуйском флюоритовом месторождении, Чинейском, Амазарканском, Талатуйском и других рудных месторождениях.

Опытная партия механических стабилометров прошла апробацию в отделе изысканий Забайкалжелдорпроекта, в лаборатории геомеханики Читинского института природных ресурсов СО РАН и учебной лаборатории Читинского государственного университета.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс в виде методических рекомендации по определению и статистическому анализу физико-механических характеристик нарушенных пород.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены на научной конференции ЛИСИ (Ленинград, 1991), региональной конференции «Локальный прогноз и разработка месторождений золота» (Чита, 1992), Международном научно-техническом семинаре «Защита инженерных сооружений от морозного пучения» (Якутск, 1993), международном симпозиуме «Геокриологические проблемы строительства в восточных районах России и Северного Китая» (Якутск, 1998), международной конференции «Проблемы прогнозирования в современном мире» (Чита, 1999), региональной конференции «Проблемы освоения и рационального использования природных ресурсов Забайкалья» (Чита, 2000), межрегиональной конференции «Проблемы экологической безопасности Восточных границ России на рубеже тысячелетий» (Чита, 2000), межрегиональной научно-технической конференции «Новый век – новые открытия» (Чита, 2001), 2-й международной конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию» (Чита, 2001), международной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика» (Чита, 2001), 2-й международной научно-практической конференции «Человек – среда – вселенная» (Иркутск, 2001), научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2002), международном совещании «Экологические проблемы и новые технологии переработки минерального сырья» (Чита, 2002), 3-й межрегиональной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика» (Чита, 2003), международной конференции по геотехнике «Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчета и инженерная практика» (Санкт-Петербург, 2005). Диссертация обсуждалась на расширенном семинаре кафедр открытых горных работ, подземной разработки МПИ и безопасности жизнедеятельности ЧитГУ (Чита, 2007), на научном семинаре по геомеханике ИГД СО РАН (Новосибирск, 2007).

Основное содержание диссертации изложено в 38 работах, включая монографию и учебное пособие, из них в рекомендованных ВАК изданиях опубликовано 6 работ. Авторскими свидетельствами и патентами защищено 4 изобретения.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и библиографического списка из 241 наименования, содержит 453 страниц текста, в том числе 18 таблиц, 107 рисунков и приложений на 126 странице.

Автор выражает признательность сотрудникам лаборатории геомеханики ЧИПР СО РАН, кафедры открытых горных работ ЧитГУ и их руководителям доктору технических наук И.И. Железняку и доктору технических наук, профессору Ю.М. Овешникову за оказанную помощь при работе над диссертацией, глубокую благодарность за научные консультации и полезные советы докторам технических наук, профессорам А.В. Рашкину, А.Б. Фадееву и А.К. Бугрову, сотрудникам ВНИМИ кандидатам технических наук Т.К. Пустовойтовой и И.И. Ермакову.

Основное содержание работы

Исследованием деформаций отвалов и разработкой способов управления их устойчивостью занимались Г.Л. Фисенко, А.М. Демин, Э.Л. Галустьян, А.М. Гальперин, М.Е. Певзнер, М.А. Ревазов, О.Ю Крячко, В.В. Ржевский, В.В. Истомин, Н.Н. Мельников, В.С. Коваленко, В.С. Черлянев и др.

Повышению эффективности вскрышных работ и снижению экологической нагрузки на окружающую среду способствовали технологические решения, предложенные К.Е. Виницким, В.А. Галкиным, Ф.В. Дудинским, Л.В. Жуковым, В.И. Первых, В.К. Репетух, И.М. Щадовым, С.А. Шемякиным и др.

Изучением строения и условий передачи нагрузок в дисперсных породах, представлением сложенных ими массивов в виде структурных моделей занимались Д. Тейлор, Г. Дересевич, Е.М. Сергеев, Н.В. Коломенский, Г.К. Бондарик, Л.Г. Борейко, М.В. Рац, Б.И. Дидух, И.И. Кандауров, О.А. Борсук и др.

Физико-механические свойства пород в отвалах и насыпях изучали И.И. Ермаков, Ю.И. Зернов, И.В. Куницын, Т.В. Нефедова, Р.П. Окатов, П.Н. Панюков, И.И. Попов и др.

Различные подходы к повышению достоверности оценок состояния массивов и геотехнических систем освещены в работах А.И. Арсентьева, В.И. Зобнина, А.А. Кузменко, В.Н. Самойлова, Л. Н. Хрусталёва, А.Б Фадеева и др.

В результате анализа тенденций установлено широкое использование и прогрессирующее развитие технологий открытых горных работ, допускающих возможность эксплуатации горных машин большой единичной мощности на сильно и неравномерно сжимаемых основаниях. Выявлены недостатки способов управления устойчивостью геотехнических систем, приводящие к снижению эффективности вскрышных работ.

Обосновано заключение о необходимости перехода от аналитических оценок напряженно-деформированного состояния отдельных элементов геотехнических систем к более достоверным их комплексным оценкам, основанным на решениях упругопластических задач методом конечных элементов (МКЭ), учитывающим особенности строения и деформирования неоднородных массивов.

Комплексные методики получения и обработки данных об отвалах, новые технические средства для исследования физико-механических свойств пород нарушенного сложения.

По результатам инструментальных измерений параметров свежеотсыпанных на максимальную высоту разгрузки ковша экскаватора песчано-глинистых отвальных конусов установлено, что в пределах участков с выдержанным составом и мощностью напластований формируются массивы, существенно отличающиеся по величине генерального (результирующего) угла откоса.

Оползни и глубокие трещины, зафиксированные на поверхности песчано-глинистых экскаваторных отвалов угольных разрезов и россыпей, свидетельствуют об их деформируемости на стадии формирования. Так, в процессе отсыпки рыхлых смесей, эквивалентных по составу средней пробы супесям, линия профиля отвального конуса периодически принимает выпуклую форму. У свежеотсыпанных отвалов углы, измеренные от оснований, достигают 42,5… 45,4, а генеральные углы – 38,2… 44,0. При этом значения углов откоса, измеренных от оснований прошлогодних и свежеотсыпанных отвалов, отличаются всего на 1… 3.

При отсыпке рыхлых смесей, эквивалентных по составу средней пробы суглинкам, на отдельных участках линия профиля отвального конуса периодически принимает вогнутую форму. Величина генерального угла откоса у таких отвалов колеблется в пределах 34… 37. Углы, измеренные от оснований отвалов, не выходят за пределы диапазона 32… 35, а углы, измеренные в пределах прямолинейных (средних) участков их профилей, превышают последние значения на 3…4.

По мере увеличения влажности исходной смеси углы откосов устойчивых отвалов, формируемых в условиях разработки глубоких россыпей, уменьшаются с 37 до 15. В условиях подводного черпания порции «жидких» пород, пролетевшие несколько десятков метров, растекаются в момент удара о поверхность, занимая большие площади. Из пролетевших несколько метров порций в пространстве, ограниченном призмами упора, формируется откос с углом до 10.

В целях повышения надежности данных для геомеханических расчетов и степени соответствия расчетных схем реальным объектам усовершенствованы системы опробования отвальных массивов, методы их разграничения на квазиоднородные зоны, методология испытаний образцов рыхлых пород и обработки их результатов.

На основании опыта исследований песчано-глинистых отвалов предложены регулярные схемы отбора образцов с поверхностей отвальных конусов и групповых отвалов, позволяющие автоматизировать процесс пространственной привязки значений анализируемых показателей, а также нерегулярные схемы отбора образцов из шурфов и скважин значительно уменьшающие количество проб, необходимое для разграничения отвалов на квазиоднородные зоны, за счет изменения шага по глубине z в порядке, заданном уравнениями (1) и (2).

Отвальный конус - ; ; (1)

Групповой отвал - ;

, (2)

где h – высота отвала; i – номер зоны от его поверхности; п – число зон.

В ходе обработки больших объемов данных рассчитаны характеристики изменчивости показателей состава и физического состояния пород в песчано-глинистых отвалах, которые были использованы при определении необходимого количества проб.

Установлено, что из пород надводной и подводной частей забоя, смешивающихся при загрузке ковша, также формируются отвалы, в пределах которых распределение разномасштабных компонент не имеет закономерного характера из-за того, что при разгрузке ковша такие смеси поступают в отвалы в виде компактных порций.

Неоднородные по фракционному составу отвалы формируются из смесей необводненных песчаных, супесчаных, суглинистых, глинистых и крупнообломочных пород. В гравитационном поле происходит разделение разномасштабных компонент, в результате чего обломки скальных пород и куски глинистых пород закономерно распределяются в пределах отвальных конусов и у их подножий.

В процессе экскавации и отсыпки необводненные песчаные, супесчаные и суглинистые породы разрушаются до мелких агрегатов и смешиваются. При этом в отвалах не формируются зоны, существенно отличающиеся по фракционному составу и влажности. При проверке статистических тестов на стандартном уровне доверительной вероятности ( = 0,95) существенными признаны различия только между значениями плотности на разных глубинах отвалов. Характер изменения плотности по глубине однородных по фракционному составу супесчаных и суглинистых отвалов отражают зависимости:

= 1,19146 + 0,33914 z0,2; z, м; 0 < z 30 м; r = 0,9290; (3)

= 1,14889 + 0,38828 z0,2; z, м; 0 < z 20 м; r = 0,9583. (4)

При разделении таких отвалов на квазиоднородные по плотности зоны использованы два метода разграничения немых толщ.

1. Усовершенствованный вариационный метод объединения соседних зон на основании результатов проверки статистических гипотез о равенстве средних значений и их дисперсий по представленной на рис. 1 схеме последовательного приближения расхождений между средними оценками в соседних зонах к средней величине шага.

Рис. 1. Схема реализации вариационного метода разграничения массива

В результате реализации этого метода определено оптимальное (соответствующее условию выхода из цикла) расхождение между средними значениями плотности в соседних зонах ( = 0,06 г/см3), подтверждена однородность по плотности нижней зоны отвала, т.е. его ядра.

2. Метод пошаговой разбивки, основанный на использовании уравнения регрессии y = f(z), описывающего изменение анализируемого показателя по глубине, и принципа равенства расхождений между средневзвешенными оценками в соседних зонах, найденными из выражения , оптимальной величине шага - .

В отличие от первого метода второй реализуется при значительно меньшем объеме исходных данных, поскольку для уточнения значений коэффициентов уравнения регрессии y = f(z) их требуется гораздо меньше, чем для проверки статистических гипотез о равенстве средних значений и дисперсий в соседних зонах.

Приведенными на рис. 2 схемами подтверждается лучшее соответствие положений границ, определенных вторым методом, характеру изменения плотности по глубине отвалов.

В рамках программного комплекса «GRUNT» автоматизированы трудоемкие процедуры: пространственной привязки зон опробования; установления вида распределений; проверки статистических гипотез об изменении показателей состава и свойств пород в пределах отвальных площадок, центральных осей и линий откосов отвалов; разграничения отвальных конусов и групповых отвалов на квазиоднородные зоны с учетом характера изменения контролируемых показателей в их пределах; определения оптимальной величины шага; преобразования независимых переменных в целях более точного описания характера изменения показателей; расчета их эффективных оценок в выделенных зонах.

Рис. 2. Схемы разграничения отвалов месторождения россыпного золота

«Красноармейское» по плотности на квазиоднородные зоны:

I – методом последовательного приближения; II – методом пошаговой разбивки

При исследовании механических свойств отвальных масс, не содержащих крупных включений, результатами статистического тестирования обоснована возможность использования образцов, приготовленных из средней пробы.

Зависимостью характеристик прочности и сжимаемости отвальных пород от их состава и физического состояния обоснована необходимость изменения их значений при переходе из одной зоны, квазиоднородной по плотности, влажности и фракционному составу смеси, в другую.

Установлено, что по мере увеличения содержания глинистых частиц в составе исходной смеси, степень изменения сцепления в верхних слоях песчано-глинистых отвалов уменьшается, а степень изменения угла внутреннего трения, наоборот, увеличивается. При увеличении влажности исходной смеси сужаются диапазоны изменения по глубине обеих характеристик.

При обработке результатов сдвиговых испытаний нормально уплотненных и переуплотненных образцов с контролем их плотности перед разрушением при давлениях 0,02; 0,04; 0,06; 0,1; 0,2 и 0,3 МПа получено семейство уравнений вида пр = f(). Фиксированным значениям плотности, изменяющимся с шагом 0,05 г/см3, сначала были поставлены в соответствие значения пр,i, а затем рассчитанные на их основе значения сцеплений сi и углов внутреннего трения i. После определения глубин, согласно уравнению (1) соответствующих заданным значениям i, установлен следующий характер изменения показателей прочности по глубине супесчаных отвалов:

c = 0,000124 + 0,015631 z0,2; z, м; rc = 0,9835; sc = ± 0,001118 МПа; (5)

= 28,3163 ± 0,6048 град, (6)

рассчитаны коэффициент корреляции r и погрешности определения показателей s.

Комплексная методика, включающая в себя получение в необходимом виде и количестве исходных данных, подготовку расчетных схем и выполнение геомеханических расчетов, позволила достичь достаточно высокой степени сходимости между расчетными и реальными параметрами экскаваторных отвалов Красноармейского месторождения россыпного золота.

В ходе ее реализации на расчетные схемы отвальных конусов, однородных по фракционному составу и влажности, нанесены границы слоев, существенно отличающихся по плотности. Затем выделенным слоям и ядру отвала поставлены в соответствие средневзвешенные значения плотности и сцепления, секущие модули деформации, средние значения угла внутреннего трения и коэффициента поперечной деформации.

Значение коэффициента поперечной деформации получено при обработке результатов стабилометрических испытаний супесчаных отвальных пород. Секущие модули деформации рассчитаны по результатам компрессионных испытаний образцов, имеющих насыпную плотность, с учетом давлений, найденных путем интегрирования зависимости (3) в границах выделенных зон.

Расчетные параметры отвальных конусов определены при математическом моделировании напряженно-деформированного состояния массивов, отличающихся по высоте и величине угла откоса, методом нелинейной механики, реализующим модель идеальной упругопластической среды. От более сложных деформационных моделей выбранная модель отличается тем, что она оперирует не упругими и пластическими деформациями, зависящими от параметров ассоциированного закона пластического течения, а общими деформациями, связанными с напряжениями законом Гука до достижения последними предельных значений, и физико-механическими характеристиками пород, которые используются при решении геомеханических задач аналитическими методами.

Выбранная модель положена в основу одного из блоков программного комплекса «Геомеханика», разработанного под руководством профессора А.Б. Фадеева, позволяющего достаточно точно моделировать напряженно-деформированное состояние однородных и неоднородных, нагруженных и ненагруженных массивов методом конечных элементов, и получать методом начальных напряжений решения нелинейных задач при их плоской и пространственной осесимметричной постановке. Этот блок с конца 80-х гг. успешно используется при моделировании напряженно-деформированного состояния различных геотехнических систем, вплоть до их разрушения.

Полученные при решении нелинейных задач выходные данные позволяют судить о деформируемости массивов и оснований по перемещениям углов расчетных областей, а об их устойчивости и несущей способности – по размерам зон пластических деформаций, медленной сходимости итерационного процесса и прогрессирующему увеличению деформаций в зонах концентрации напряжений.

При использовании этого же расчетного метода удалось добиться достаточно высокой степени сходимости между расчетными и реальными параметрами песчано-глинистых отвалов Харанорского угольного разреза. При подготовке расчетных схем в этом случае был использован второй метод разграничения отвалов на зоны, существенно отличающиеся по плотности, а при подготовке данных о физико-механических свойствах отвальных пород - результаты пенетрационных испытаний отвальных пород на различных глубинах и компрессионных испытаний образцов, отобранных с поверхностей отвалов и из их ядер.

В результате обработки исходных данных получены уравнения регрессии (4), (7) и (8), рассчитаны оценки показателей физико-механических свойств для верхних слоев и ядер суглинистых отвалов (см. рис. 2).

c = 0,00330024 + 0,01320793 z0,15; z, м; rс = 0,7959; sс = ± 0,001527 МПа; (7)

= 17,606963 + 1,406983 z0,5; z, м; r = 0,8279; s = ± 0,6131 град. (8)

При обработке результатов решений упругопластических задач установлено, что сохраняющие устойчивость групповые отвалы по геометрическим параметрам превосходят отдельно стоящие, а границы зон, в которых напряжения достигают предельных значений, не совпадают. Расхождения между значениями напряжений х, у, в элементах и осевых перемещений их и иу узлов расчетных областей отвальных конусов и групповых отвалов при этом достигают 12,0; 8,2; 26,1; 50,9 и 17,7 % соответственно. Трансформировавшимся в процессе развития пластических деформаций границам расчетных областей соответствуют формы профилей реальных отвалов.

При сравнении способов подготовки исходных данных для геомеханических расчетов, предусматривающих: I – присвоение всем выделенным зонам средних выборочных значений прочностных характеристик и плотности; II – средневзвешенных значений; III – средневзвешенных значений в слоях и средних выборочных значений в ядре, установлено, что последний способ подготовки данных наилучшим образом соответствует параметрам реальных отвалов (рис. 3).

Применение метода математического моделирования напряженно-деформированного состояния техногенных массивов на стадии проектирования ряда рудных месторождений позволило при выборе оптимальных по напряженно-деформированному состоянию параметров профилей нагорных отвалов учесть особенности рельефа, условия разгрузки автосамосвалов, строение толщ и свойства пород склоновых отложений, а при отстройке бортов карьеров – особенности строения и степень трещиноватости вмещающих пород.

Образцы отвальных пород испытывались на стандартных и крупногабаритных, обычных и модифицированных компрессионных и сдвиговых приборах, а также на механическом стабилометре, сконструированном для испытания пород нарушенного сложения (рис. 4). Конусообразная форма основных элементов его конструкции обеспечивает условия бокового обжатия образца при вертикальном перемещении плунжера вниз в результате передачи на него усилия Q1. Вертикальное сжатие образца происходит в результате передачи на него через поршень усилия Q2. Изменение ширины поперечного сечения образца b контролируется вертикальным перемещением плунжера h1, а изменение высоты образца h2 – вертикальным перемещением поршня.

Рис. 4. Механический стабилометр:

1 – корпус; 2 – плунжер; 3 – поршень; 4 – индикаторы часового типа;

5 и 6 – нагрузочные устройства; 7 – риски; 8 – винты-фиксаторы

При обработке результатов испытаний деформационные и прочностные характеристики рассчитываются по ГОСТ 26518-85 с учетом соотношений:

x = h1/b tg; z = h2/h’; z= Q1/F1 и x= Q2/F2 Cos, (9)

где h’ и b – высота и ширина образца до приложения первой ступени нагружения; F1 – площадь боковой поверхности конической части плунжера; F2 – площадь верхнего поперечного сечения образца; – угол конусности прибора.

При конструировании механического стабилометра геометрические параметры плунжера и поршня определены из условия равенства напряжений z в уровне верхнего и нижнего поперечных сечений образца при его гидростатическом сжатии. Исходя из того, что величина напряжения, действующего в направлении вертикальной оси прибора, с одной стороны, увеличивается за счет конусности образца, а с другой – уменьшается за счет трения, развивающегося на боковых поверхностях корпуса и плунжера, отделенных от образца тонкой пленкой.

При отклонении величины от единицы добиться равенства z в уровне верхнего и нижнего поперечных сечений образца позволяют поправки Q1 и Q2. Из усилия Q1 вычитается поправка Q1 в случае перемещения плунжера вниз на рассматриваемой ступени нагружения, а при перемещении плунжера в противоположном направлении поправка добавляется к величине Q1. На Q2 увеличивается или уменьшается величина Q2 в зависимости от знака Т..

; (10)

; (11)

; (12)

T = 2h’f ’(R+ r’ – h’ ctg)(xSin2+ zCos2), (13)

где F2’ – площадь нижнего поперечного сечения образца; R и r’ – наружный и внутренний радиусы его верхнего поперечного сечения соответственно; f’ – коэффициент трения на контакте образца с поверхностью прибора; T’ и T” – силы трения, рассчитанные по формуле (13) при = 1 и 1 соответственно.

Усовершенствованный механический стабилометр в ходе испытаний позволяет насыщать образцы водой, измерять в них поровое давление, замораживать или оттаивать. Разработан комплекс методик проведения таких испытаний.

При исследовании неоднородных по составу пород отвалов, формирующихся при разработке глубоких россыпей, использовался крупногабаритный модифицированный одометр. В ходе проведения испытаний на этом приборе измерялись не деформации образца, а усилия, передающиеся через верхний и нижний диски, расположенные в пределах кольца одометра. Полученные данные использовались при расчете коэффициента бокового давления в порядке, заданном системой уравнений (14):

k = (P1i - P2i)/Fb; x= k/f’; z=(P1i+P2i)/2F; = x /z, (14)

где P1i – усилие, передающееся через верхний диск на образец; P2i – усилие, воспринимаемое нижним диском; Fb и F – площади поперечного сечения образца и его боковой поверхности соответственно. Характер изменения плотности, сцепления и угла внутреннего трения по глубине слоя рыхлого материала, эквивалентного отвальной породе, изучался на разработанном стенде (рис. 5), позволяющем на фиксированных уровнях отсыпанного слоя отбирать пробы на плотность и испытывать целики на сдвиг.

Рис. 5. Стенд для изучения свойств рыхлых материалов:

1 – кольцо; 2 – пластина, закрепленная по контуру кольца; 3 – целик в кольце;

4 – диск, передающий на целик вертикальную нагрузку при испытании; 5 – фиксатор;

6 – устройство для передачи горизонтальной нагрузки на образец; 7 – пробоотборники; 8 – диск, устанавливаемый в зазор кольца

Изменение углов откосов в процессе отсыпки песчано-глинистых отвалов, распределение в них разномасштабных компонентов, развитие осадок и кренов в основании баз шагающих экскаваторов.

На физических моделях изучены следующие явления: распределение крупных включений в пределах песчано-глинистых отвалов и их колец разброса; формоизменение экскаваторных отвалов в процессе отсыпки в них смесей различного состава; деформирование песчано-глинистых отвалов, используемых в качестве рабочих площадок шагающего экскаватора в условиях подрезки их откосов.

Эквивалентные материалы подобраны исходя из критериев теории подобия:

, , (15)

где – линейный масштаб модели; ; m, n, cm, cn, tgm, tgn – удельные веса, сцепления, коэффициенты трения породы (п) и эквивалентного материала (т) соответственно; Рт – усилие, эквивалентное весу экскаватора Рп.

Характер распределения крупных глинистых включений в пределах экскаваторных отвалов изучался на моделях различной высоты, отсыпанных с различных отметок из смесей, содержащих 1… 32 % включений, представляющих собой кубики трех размеров, соответствующих минимальному, среднему и максимальному размерам кусков глинистых пород в их скоплениях у подножий отвалов. После отсыпки и фиксации геометрических параметров модели разбирались по схеме, показанной на рис. 6.

Порции смесей, извлеченные из объемов и зон кольца разброса, ситовым методом разделялись на разномасштабные компоненты и взвешивались. Полученные данные обрабатывались с помощью программы «DISINTEGRATION», представляющей результаты расчетов в виде таблиц, картин изолиний процентных содержаний включений в отвалах – Zd и диаграмм распределений процентных содержаний включений от их общей массы – Zk по зонам колец разброса.

В результате визуальных наблюдений, анализа фотографических материалов, картин изолиний и диаграмм распределений установлено следующее.

В отвальных конусах формируются зоны, существенно отличающиеся по процентному содержанию включений. Их положение, форма и количество зависят от процентного содержания включений в составе исходной смеси – р, высоты отвала – h и среднего размера включений – r.

Если содержание включений в составе исходной смеси превышает 5 %, на расстоянии 10… 12 м от вертикальной оси отвала на его контакте с основанием формируется контактная структура. Ее образуют куски глин, пространство между которыми на начальном этапе самоуплотнения представляет собой систему открытых пустот, не заполненных или частично заполненных рыхлым материалом. Мощность отложений глинистых включений возрастает в радиальном направлении и достигает своего максимального значения на границе отвала с кольцом разброса. При отсыпке разномасштабных смесей сплошным фронтом на контакте отвала с основанием из кусков глинистых пород формируется слой постоянной мощности.

Образующиеся таким образом контактные структуры характеризуются высокой водопроницаемостью и низкой водопрочностью. При наличии инфильтрационных или подземных вод куски глинистых пород насыщаются водой и деформируются, а контактные структуры превращаются в слабые водонепроницаемые слои. Описанный механизм объясняет как деформации внутренних отвалов, захватывающие значительные площади и сопровождающиеся выдавливанием пластичных глинистых масс, так и неэффективность дренажных систем. При отсыпке на сухие площадки с организованным стоком дождевых и талых вод смесей, содержащих крупные глинистые включения, устойчивость песчано-глинистых отвалов, наоборот, повышается за счет призм упора, образующихся естественным образом у подножий откосов, повышенного содержания более прочных включений в зонах концентрации касательных напряжений и выпуклой формы профилей отвалов.

При проверке статистических гипотез об аналогичности отвалов, сформированных из смесей, содержащих только включения среднего размера или включения трех размеров, установлено, что суммарные содержания включений трех размеров в зонах не существенно отличаются от содержаний включений среднего размера, если распределения значений r симметричны.

В результате статистической обработки данных, полученных при разборке 141 модели, установлено число квазиоднородных зон по содержанию глинистых включений и наиболее вероятное положение границ между ними, выявлена зависимость величины Zk от высоты разгрузки ковша Н, определены относительные объемы выделенных зон V и коэффициенты эмпирических уравнений вида Zd = f(p, h) и Zk = f(p, r, H), предназначенных соответственно для расчета процентных содержаний включений в выделенных зонах отвалов и их кольцах разброса. Результаты исследований отражены в табл. 1

Таблица 1

Модель распределения крупных глинистых включений в отвальных конусах

Высота отвала, м	Содержание включений в смеси, %	Схемы разграничения отвалов на квазиоднородные зоны	Относительные объемы зон и формулы для расчета в них процентных содержаний включений
1	2	3	4
10	до 20		V = 1; Zk = p(33,374182 r 0,7 + 0,0525689 H)/100
15	до 20		1: V = 0,75; при r = 0,672 - Zd = 0,552303 p; при r = 0,168 - Zd = 0,751237 p; 2: V = 0,25; Zd = 1,290795 p
20	до 10		1: V = 0,82; при r = 0,672 - Zd = 0,601118 p; при r = 0,168 - Zd = 0,756839 p; 2: V = 0,18; Zd = 1,291461p
20	от 10 до 20		1: V = 0,28; - Zd =0,552973 p; 2: V = 0,54; при r = 0,672 - Zd = 0,653807p; при r = 0,168 - Zd = 0,889330 p; 3: V = 0,18; Zd = 1,291461p
25	до 10		1: V = 0,75; при r = 0,672 – Zd = 0,542621p; при r = 0,168 - Zd = 0,746109 p; 2: V = 0,25; - Zd = 1,156336 p
25	от 10 до 20		1: V = 0,37; при r = 0,672 - Zd = 0,380303 p; при r = 0,168 - Zd = 0,623555 p; 2: V = 0,23; Zd = 0,605017 p; 3: V = 0,27; Zd = 0,893375 p; 4: V = 0,13; Zd = 1,633699 p
30	до 10		1: V = 0,50; при r = 0,672 - Zd = 0,401923 p; при r = 0,168 - Zd = 0,575494 p; 2: V = 0,19; при r = 0,672 - Zd = 0,625654p; при r = 0,168 - Zd = 0,775644 p; 3: V = 0,31; Zd = 1,305912 p
1	2	3	4
30	от 10 до 20		1: V = 0,51; при r = 0,672 - Zd = 0,401923 p; при r = 0,168 - Zd = 0,575494 p; 2: V = 0,13; при r = 0,672 - Zd = 0,614948 p; при r = 0,168 - Zd = 0,769856 p; 3: V = 0,24; Zd = 1,005772 p; 4: V = 0,12; Zd = 1,733784 p
35	до 10		1: V = 0,57; при r = 0,672 - Zd = 0,343498 p; при r = 0,168 - Zd = 0,418921 p; 2: V = 0,20; Zd = 0,717195 p; 3: V = 0,23; Zd = 1,510327 p
35	от 10 до 20		1: V = 0,39; при r = 0,672 - Zd = 0,325282 p; при r = 0,168 - Zd = 0,510025 p; 2: V = 0,10; Zd = 0,672432 p; 3: V = 0,18; Zd = 1,123863 p; 4: V = 0,09; Zd = 0,300700 p 5: V = 0,24; Zd = 2,215568 p;

В лабораторных условиях смоделирована ситуация развития недопустимого крена в основании базы драглайна, работающего на отвальном массиве. При анализе данных, полученных при равномерной подрезке нагруженных конусообразных моделей отвалов с шагом по углу откоса в 5, установлено следующее.

Очертания верхних и нижних бровок откосов после их обрушения сохраняют форму окружностей. Сдвиг отдельных блоков происходит после подрезки откоса до определенного угла в пределах сектора определенного размера. По мере увеличения высоты нагруженного отвала сужается сектор, в пределах которого подрезка откоса приводит к развитию оползня. Пока размер такого сектора превышает 180, разрушение откоса не сопровождается развитием заметного крена в основании базы экскаватора, т.е. не представляет для него опасности. Опасность потери экскаватором устойчивости вследствие развития недопустимого крена его базы возникает при достижении отвалами критических высот (15… 18 м) и сокращении секторов оползней в 3… 4 раза.

Методом физического моделирования установлено, а методом математического моделирования изменения напряженно-деформированного состояния нагруженных песчано-глинистых отвалов и их моделей в процессе изменения их геометрических параметров подтверждено следующее. Сначала угол наклона базы достигает предельного при работе экскаватора значения. Затем своего критического уровня достигает осадка. Предельного угла, преодолеваемого шагающим экскаватором при передвижении, угол наклона базы достигает при потере несущей способности основанием или устойчивости подрезанным откосом.

На рис. 3 и 7 нашла отражение достаточно высокая степень сходимости между расчетными и фактическими параметрами отвалов и их моделей, подтверждающая достоверность оценок напряженно-деформированного состояния техногенных массивов. Последняя получена с использованием более совершенных схем опробования отвалов, методов их разграничения на квазиоднородные зоны, методик получения и обработки информации о физико-механических свойствах пород нарушенного сложения, решений геомеханических задач.

При исследовании динамики изменения геометрических параметров моделей отвальных конусов в процессе отсыпки в них смесей песчаных и пылевато-глинистых пород, не содержащих или содержащих крупные включения, получены следующие результаты.

Выявлены стадии формообразования отвальных конусов (рис. 8), отличающиеся по степени и характеру изменения трех углов: o – угла откоса, измеренного от основания отвала; g – результирующего (генерального) угла откоса; с – угла, измеренного в пределах прямолинейного участка линии откоса. При этом выделены следующие характерные признаки третьей стадии: 1) цикличность в изменении геометрических параметров профилей отвальных конусов; 2) самопроизвольное уменьшение углов откоса.

Установлена зависимость формы и геометрических параметров профилей песчано-глинистых конусообразных отвалов от степени изменения плотности, сцепления и угла внутреннего трения в их верхних слоях, а также высоты разгрузки ковша, размера и содержания в составе исходной смеси глинистых включений.

Так, при максимальных градиентах плотности и сцепления в верхних слоях формируются профили выпуклой или вогнутой формы (рис. 9).

При более высоких значениях угла внутреннего трения и более низких значениях сцепления профили отвальных конусов приобретают выпуклую форму в результате того, что начинают периодически оседать и расширяться, достигнув определенной высоты. При этом высота отвала h и генеральный угол его откоса резко уменьшаются, а угол откоса, измеренный от основания, не изменяется или изменяется незначительно (рис. 9, а).

Диапазоны изменения параметров моделей отвалов:

m,о = 15 m,о = 14… 15,5 m,о = 9… 11 m,g = 7,4 m,с = 6,5… 8,5 m,g = 8,9…11

m,g = 6,7…7,4 m,o = m,c

Параметры отвалов:

n,c = 38… 37 n,c = 38…36 n,o= n,c = 45… 42

Рис. 8. Изменение параметров и формы моделей отвалов в процессе отсыпки в них материалов эквивалентных:

1 и 2 – суглинку тугопластичному, содержащему крупные куски глин, и не содержащему такого рода включений ( = 1,11,8 г/см3; с = 022 кПа; = 1221); 3 – супеси твердой ( = 1,21,8 г/см3; с = 025 кПа; = 2729); I – стадия увеличения угла откоса; II – стадия поверхностных оползней; III – стадия глубоких локальных циклических оползней;

III* – стадия циклического оседания и расширения конусообразного массива

– зона с максимальным содержанием включений;

– зона с минимальным содержанием включений;

– область кольца разброса;

– профиль отвала в начале цикла деформирования;

– профиль в середине цикла

а

б

При более низких значениях угла внутреннего трения и более высоких значениях сцепления линия откоса отвального конуса на последнем этапе его формирования приобретает вогнутую форму в результате того, что на наиболее крутых участках откоса развиваются локальные оползни, границы которых расширяются по мере увеличения высоты отвалов. Деформации такого рода на последней стадии формирования отвала приводят к периодическому изменению параметров h, o и g, а также к плавному изменению угла с, измеренного в пределах прямолинейного (среднего) участка линии откоса (рис. 9, б).

К уменьшению геометрических параметров песчано-глинистых экскаваторных отвалов, не содержащих крупных включений, приводит то, что их высоты и углы откосов на последней стадии формообразования периодически достигают значений, при которых отвальные конусы самопроизвольно изменяют свои параметры. В ходе дальнейшей отсыпки геометрические параметры увеличиваются, но на следующем этапе отвал деформируется уже при меньших углах откоса. Последним обстоятельством обусловлено постепенное уменьшение пиковых значений углов откоса по мере увеличения его высоты.

Наличие крупных включений в составе смеси приводит к тому, что верхний и нижний участки линия откоса постепенно искривляются. При этом верхняя часть откоса приобретает выпуклую форму, а нижняя – вогнутую. Степень отклонения линии откоса от прямой возрастает по мере увеличения среднего размера включений, их содержания в исходной смеси и высоты отсыпки.

Методология оценки условий функционирования геотехнической системы «экскаватор - отвал - основание».

Разработана методология оценки технических характеристик шагающих экскаваторов, параметров отвалов и способов их формирования на заданном уровне безотказности геотехнической системы «экскаватор – отвал – основание», основанная на использовании методов системного анализа, теории надежности и теории рисков (рис. 10).

Рис. 10. Схема анализа условий функционирования геотехнической системы

«экскаватор – отвал – основание»

В рамках реализации этой методологии выделены количественные и качественные показатели, влияющие на условия эксплуатации драглайнов.

По величине давления, передаваемого на основание при работе – Рб, шагающие экскаваторы разделены на четыре класса: легкие (Рб не более 0,06 МПа); экскаваторы среднего класса (Рб – 0,08…0,10 МПа); тяжелые (Рб – 0,11…0,14 МПа) и сверхтяжелые (Рб не менее 0,18 МПа). По уровням допустимой осадки базы ( Skmin, Skcp и Skmaх) – на три подкласса: с механическим приводом; с гидравлическим приводом и неполным отрывом базы от основания при перемещении; с полным отрывом базы от основания. По сочетаниям уровней количественных показателей эксплуатационной безопасности (допустимых значений осадки базы – Sk, углов ее наклона при работе экскаватора – Ik1 и передвижении – Ik2) экскаваторы распределены следующим образом: легкие (Ik1min, Ik2cp, Skmin), среднего класса (Ik1 min, Ik2maх, Skcp), последние модификации экскаваторов среднего класса (Ik1maх, Ik2maх, Skcp), тяжелые (Ik1maх, Ik2cp, Skcp) и сверхтяжелые (Ik1cp, Ik2min, Skmaх).

Допустимые осадки нормированы с учетом конструктивных особенностей шагающих экскаваторов и циклического изменения положения точки приложения вертикальной нагрузки в процессе поворота экскаватора относительно оси базы.

Проанализированы случаи отказов рассматриваемой системы. Вероятными признаны следующие аварийные ситуации:

1) разрушение роликов опорного круга вследствие превышения углом наклона базы допустимого при работе драглайна значения;

2) потеря экскаватором способности самостоятельно передвигаться вследствие развития недопустимой осадки в основании его базы;

3) потеря экскаватором устойчивости вследствие превышения углом наклона базы критического значения при сохранении устойчивости остальными элементами геотехнической системы «экскаватор – отвал – основание»;

4) разрушение экскаватора вследствие потери откосом устойчивости или основанием несущей способности.

С учетом объемов потерь первые две ситуации отнесены к низшему уровню опасности, последние две – к высшему. В связи с этим выделены и описаны логическими схемами (16) и (17) два уровня безотказности системы:

1) безаварийный; 2) аварийный с восстановлением функций системы, т.е. допускающий развития аварийных ситуаций, отнесенных к низшему уровню опасности.

I > Ik1 S > Sk I > Ik2 Uk ; (16)

I > Ik2 Uk, (17)

где – знак логической операции «или»; Uk – качественный показатель, свидетельствующий о потере основанием несущей способность или откосом устойчивости.

На обоих уровнях вероятность отказа системы в целом принимается равной максимальной из вероятностей отказов системы в проверяемых ситуациях, т.е.

P = Pmax,i. (18)

Среди способов формирования рабочих площадок для экскаваторов на отвалах выделены способ формирования временного отвала, предусматривающий срезку верхней части отвального конуса до уровня, обеспечивающего размещение базы экскаватора в границах ядра отвала, и способ формирования подсыпки, предусматривающий отсыпку экскаватором массива с горизонтальной площадкой.

Максимальные крены и осадки баз экскаваторов определялись с помощью соотношений (19), а их средние осадки , несущая способность оснований и устойчивость откосов отвальных массивов – по решениям упругопластических задач, полученным МКЭ при их пространственной осесимметричной постановке, отвечающей условиям взаимодействия элементов рассматриваемой системы.

S = + i D /2; i = is + ip; is = (S1 - S2)/ D; ; M = R Р, (19)

где D – диаметр базы; i – максимальное значение ее крена; (S1 - S2) – максимальная разница между краевыми осадками, по результатам пенетрационных испытаний принятая равной 0,8·; R – максимальный радиус разгрузки ковша; Р – допустимое усилие на конце стрелы; и Е – деформационные характеристики сжимаемой толщи; ke и km – коэффициенты, учитывающие условия передачи нагрузки.

Установленные таким образом критические высоты h и углы откосов нагруженных шагающими экскаваторами временных отвалов и подсыпок при использовании средних оценок показателей свойств пород представлены на рис. 11.

Рис. 11. Предельные параметры: а – временных отвалов; б – подсыпок

При математическом моделировании напряженно-деформированного состояния рассматриваемой геотехнической системы использовались расчетные схемы, отличающиеся по техническим характеристикам экскаватора, геометрическим параметрам отвала, числу и положению границ между квазиоднородными по плотности зонами. При этом дополнительные усилия от экскаваторов различных марок передавались на временные отвалы и подсыпки с естественными и подрезанными откосами. Квазиоднородным зонам, выделенным в пределах техногенных массивов с учетом способов их формирования, присваивались статистические оценки показателей физико-механических свойств, отражающие степень и характер их изменения по глубине.

На предположении о нормальном распределении расчетных значений контролируемого параметра геотехнической системы, полученных при использовании кортежей входных данных, составленных из показателей физико-механических свойств пород, разыгранных с помощью генератора случайных чисел, основан предложенный порядок построения функций рисков, позволивший сократить объем расчетов до нескольких десятков вариантов. В ходе его реализации предельным значениям контролируемого параметра, полученным при использовании верхних, средних и нижних оценок показателей свойств пород в выделенных зонах, ставились в соответствие нулевой, пятидесяти- и стопроцентный уровни рисков. В случаях не достижения пятидесятипроцентного уровня в расчетах использовались промежуточные оценки свойств пород.

В рамках предложенного подхода высоты временных отвалов и подсыпок, нагруженных шагающими экскаваторами, удовлетворяющие условию Р < 50 %, рассматривались как допустимые. Соответствующие этому условию частные функции рисков приведены на рис. 12. Первому уровню безотказности рассматриваемой геотехнической системы в соответствии с условиями (16 и 18) отвечают обобщенные функции рисков, представленные на рис. 12 I и II, в, а второму уровню в соответствии с условиями (17 и 18) – приведенные на рис. 12 I и II, а.

I

а

ЭШ 20/90 и ЭШ 100/100: PSkmax = 0; РIk1 = 0; PIk2 = 0

а II

б

в

ЭШ 20/90 и ЭШ 100/100 - PIk2 = 0

Рис. 12. Области неиспользованных ресурсов экскаваторов ЭШ 20/90 и ЭШ100/100 и функции рисков: а) - потери массивом несущей способности;

б) и в) – развития недопустимых осадок и кренов соответственно, построенные для временных отвалов – I и подсыпок – II; 1 и 2 – предельные уровни установки экскаваторов; 3, 4 и 5 – границы опасных зон при уровнях риска – 20, 40 и 50 % соответственно

На основании результатов, полученных при физическом и математическом моделировании состояния отвалов, использующихся в качестве рабочих площадок драглайнов, из первоначального перечня показателей эксплуатационной безопасности исключено значение Ik2. Это позволило разделить шагающие экскаваторы на три (табл. 2).

Таблица 2

Классификация шагающих экскаваторов по степени безотказности

и использования ресурса технических характеристик

Максимальная степень	Средняя степень	Минимальная степень
Тяжелые экскаваторы и последние модификации экскаваторов среднего класса с гидравлическим приводом	Сверхтяжелые экскаваторы	Легкие экскаваторы и экскаваторы среднего класса с механическим приводом

Технологические решения, обеспечивающие повышение устойчивости внутренних отвалов и увеличение емкости внешних отвалов.

Аналитическая модель распределения глинистых включений в отвальных конусах (табл. 1) использована при определении параметров технологических схем, предусматривающих удаление из экскаваторных отвалов пород с повышенным содержанием глинистых включений и перемещение их в верхние ярусы внутренних отвалов или во внешние бульдозерные отвалы (рис. 13).

В результате математического моделирования процесса удаления крупных глинистых включений только из колец разброса или колец разброса и нижних ярусов отвалов определено необходимое количество перевалок, обеспечивающее снижение содержания включений в смеси до уровня, при котором становится невозможным образование слабого слоя на контакте внутреннего отвала с основанием. Рассчитаны коэффициенты переэкскавации и объемы пород, поступающие во внутренние отвалы.

Рис. 13. Схема перемещения пород при перевалке экскаваторных отвалов:

1 - первичный отвал; 2 - бульдозерный отвал; 3 – последний из промежуточных отвалов

В результате анализа полученных данных установлена зависимость необходимого количества перевалок от содержания включений в исходной смеси, их среднего размера, высоты отвала и высоты разгрузки ковша (рис. 14).

Область применения технологических схем с удалением включений только из колец разброса, обеспечивающих перемещение максимальных объемов вскрышных пород в нижние ярусы внутренних отвалов после 1… 5 промежуточных перевалок, ограничена сравнительно невысоким содержанием включений в исходной смеси (10… 20 %). Расширяет эту область извлечение дополнительных объемов из периферийных зон нижних ярусов отвалов и использование драглайнов с максимальной высотой разгрузки ковша. Наиболее высоким потенциалом в этом отношении обладают тяжелые и сверхтяжелые экскаваторы. При их использовании отвальные породы, содержащие 25… 50 % глинистых включений, «очищаются» после 1… 4 промежуточных перевалок.

Натурные наблюдения за деформациями внутренних отвалов, результаты физического и математического моделирования распределения глинистых включений в экскаваторных отвалах, а также установленные при их анализе закономерности, положены в основу следующих рекомендаций и нерегулярной схемы размещения зарядов, представленной на рис. 15.

1. Нижние ярусы внутренних отвалов рекомендуется формировать из смесей с достаточно низким содержанием кусков глинистых пород (до 5 %).

2. Отвальные породы с их повышенным содержанием следует размещать во внешних бульдозерных отвалах, в верхних ярусах внутренних экскаваторных отвалов, на отработанных и готовых к рекультивации участках месторождений.

3. В последнем случае крупные куски глинистых пород из зон их скоплений предложено удалять с помощью направленных взрывов.

Предложенный способ повышения устойчивости внутреннего отвала не только предусматривает разрушение контактных структур и удаление крупных глинистых включений из зоны контакта экскаваторных отвалов с основанием при взрывах на выброс, но и обеспечивает снижение объемов земляных работ на стадии рекультивации нарушенных территорий за счет выполаживания откосов.

В стесненных условиях рекомендуется повышать емкость отвалов способом армирования насыпей (рис. 16), характеризующимся низкой материалоемкостью, многократным использованием вспомогательных элементов и приспособлений для укладки армирующего материала.

а б

в

При отсутствии места для площадок, предназначенных для осушения растекающихся пород, или дренирующего материала для их обустройства предложено ограничивать подвижность таких пород с помощью призм упора, представляющих собой армированные сетками порции переувлажненных смесей дисперсных и крупнообломочных пород (рис. 17).

При отсутствии или недостаточном количестве крупнообломочного материала для формирования мощных призм упора, рекомендуется из порций крупных обломков, доставленных с других участков, и кусков сетки формировать замкнутые объемы (сектора фильтрующей воду призмы упора). Из таких объемов предлагается устраивать временные призмы упора, перемещаемые на другие участки после достижения растекающимися породами необходимой степени уплотнения.

Тем, что вследствие разрушения типовых покрытий карьерных дорог, не выдерживающих нагрузок от БелАЗов грузоподъемностью свыше 40 т, снижается скорость движения автомобилей и повышаются эксплуатационные затраты обусловлена необходимость усиления дорожных одежд.

При выборе оптимальных вариантов усиления жестких дорожных одежд использован численный метод математического моделирования напряженно-деформированного состояния многослойной системы, воспринимающей нагрузку от заднего колеса автосамосвала. При этом эксплуатационное качество различных конструкций дорожных одежд оценивалось по глубине развития зон пластических деформаций и прогибам поверхностей покрытий, воспринимающих нагрузку от БелАЗов грузоподъемностью 75 и 180 т.

В результате анализа выходных данных, полученных при решении осесимметричных упругопластических задач МКЭ, установлено, что комбинации жестких слоев с нежесткими дренирующими прослойками превосходят комбинаций жестких слоев по показателям эксплуатационного качества.

По прогибу поверхности покрытия под колесом автомобиля и суммарной осадке насыпи, воспринимающей погонную нагрузку от автосамосвала, и ее основания оценивалось эксплуатационное качество усиленных нежестких дорожных одежд. В результате сравнения вариантов, отличающихся по числу слоев подобранного по составу щебня и свойствам пород основания, установлено следующее.

При использовании в качестве оснований карьерных дорог песков плотных и средней плотности, а также пылевато-глинистых пород с достаточно низким показателем текучести (IL < 0,25) положительный эффект достигается при суммарной толщине слоев щебня – 0,8…1,6 м.

В отдельных случаях установлена возможность использования пылевато-глинистых грунтов с показателем текучести 0,25… 0,75, в качестве естественных оснований карьерных дорог при суммарной толщине слоев щебня не менее 1,6 м.

Методология оценки сейсмостойкости геотехнической системы «борт карьера - подземный комплекс».

В связи с тем, что на территории Забайкалья выявлено более 50 пещер, часть из которых расположена в границах разведанных месторождений, возникла проблема сохранения уникальных подземных комплексов при проведении в непосредственной близости от них открытых горных работ.

Нами разработана методология оценки сейсмостойкости геотехнической системы «борт карьера - подземный комплекс», предусматривающая получение данных о массиве в объеме достаточном для определения ширины охранной зоны и параметров буровзрывных работ, обеспечивающих сохранность памятников природы такого рода при проведении открытых горных работ. Методология опробована на примере карстового комплекса пещеры Хээтэй, признанного памятником природы государственного значения.

В ходе ее реализации в рамках комплексной программы инженерно-геологических исследований составлена карта, построены разрезы, определены физико-механические характеристики известняков и льда, установлено положение ослабленных трещинами зон, изучен температурно-влажностный режим пещер, получены записи велосиграмм и акселерограмм опытных взрывов, использованные при построении искусственных акселерограмм.

Предельный уровень сейсмовзрывного воздействия на массив определен по результатам моделирования МКЭ напряженно-деформированного состояния геотехнической системы «борт карьера - карстовый комплекс». Зоны пластических деформаций, соответствующие этому уровню, показаны на рис. 18.

Развитие пластических деформаций в пределах расчетных областей, соответствующих характерным сечения массива, учтено путем последовательного решения следующих задач: динамической упругой - способом разложения вынужденных перемещений по формам собственных колебаний с использованием искусственных акселерограмм сейсмовзрывных воздействий различной интенсивности; статической упругопластической; квазистатической упругопластической с использованием в качестве исходных данных максимальных перемещений узлов расчетной области {Uxi,уi}max, выделенных в пределах всего временного ряда из массива данных {Uxi,уi}j, сформированного следующим образом:

{Uxi,уi}j = {Udxi,уi}j – {Ucxi,уi}, (20)

где Ucxi,уi – осевые перемещения i-го узла по результатам решения упругопластической задачи; Udxij,уij – осевые перемещения i-го узла на j-м шаге табулирования выходных данных по времени при решении упругой задачи.

С учетом векторной скорости, соответствующей допустимому уровню воздействия на пораженный карстом трещиноватый массив, и экспериментально определенных коэффициентов, по формуле Садовского рассчитаны максимальные массы зарядов в группах и общие массы зарядов.

В результате сопоставления сейсмических эффектов опытных взрывов, отличающихся по ориентации рядов скважин, числу замедлений и массе зарядов, выбран наиболее щадящий режим проведения буровзрывных работ на карьере.

При анализе степени влияния природных и техногенных факторов на состояние массива установлено, что пещерный лед снижает напряжения в зонах их концентрации, но на сейсмостойкость сводов крупных карстовых пещер он существенного влияния не оказывает.

Не эффективным в отношении сложных карстовых систем признан защитный экран в виде узкой зоны разрыхленных пород, так как его устройство в непосредственной близости от крупного подземного объекта приводит к снижению напряжений в одних зонах и увеличению в 2… 3 раза в других. При его удаленном расположении напряжения снижаются во всех зонах, но незначительно (рис. 19).

По результатам математического моделирования рассматриваемой геотехнической системы в промежутках между взрывами карьер не оказывает существенного влияния на напряженно-деформированное состояние трещиноватого массива вокруг пещеры Хээтэй. По мере приближения границы карьера в одних зонах напряжения уменьшаются, в других возрастают, но не более чем на 4,6…9,8 %. При этом в пределах свода ни форма изолиний напряжений, ни их положение существенно не изменяются. По мере углубления карьера с 15 до 75 м в левой части свода (точки 31 и 33 на рис. 19) деформации уменьшаются в 1,2… 2 раза, а в верхней точке правой части свода (точка 35) вертикальные перемещения увеличиваются в 2,5 раза.

К достоинствам предложенного метода следует отнести его гибкость, позволяющую анализировать состояние сложных систем с учетом неоднородности массивов, техногенных и природных факторов. Высокая надежность рекомендованных параметров рассматриваемой геотехнической системы обусловлена использованием экспериментальных данных и учетом развития пластических деформаций в массивах, испытывающих сильные колебания, и подтверждена устойчивым состоянием всех элементов карстового комплекса.

Имитационно-вероятностная модель строения неоднородных массивов крупно- и грубообломочных пород и метод формирования упаковок моделей обломков и систем связей между ними.

Результатами анализа методов исследования, описания и математического моделирования поведения грубо- и крупнообломочных пород обоснована необходимость перехода при оценке состояния массивов таких пород от методов сплошных к методам дискретных сред, а также разработки метода формирования упаковок из моделей обломков и систем связей между ними, соответствующих природным и техногенным массивам по параметрам распределений характеристик составляющих контактных систем.

В результате экспериментально-теоретических исследований:

- усовершенствована логическая схема структуры крупнообломочной породы путем замены наиболее вероятных значений ее характеристик параметрами их распределений;

- разработан и опробован полевой метод подсчета контактов между крупными обломками и измерения площадей зон их соприкосновения;

- статистическими тестами подтверждена неоднородность толщ грубообломочных склоновых отложений по размерам обломков, числу и площади сухих контактов;

- разделение контактов на три типа по условиям соприкосновения обломков (точечные, по ребру и площадные) позволило добиться однородности распределений значений площадей контактов в пределах квазиоднородных зон;

- результаты полевых исследований положены в основу имитационно-вероятностной модели строения природных и техногенных массивов (21), учитывающей изменение в их пределах характеристик структуры грубо- и крупнообломочных пород;

- установлено, что совокупности значений коэффициентов формы и длин обломков в большинстве случаев соответствуют статистической модели нормального, а совокупности значений площадей выделенных типов контактов – модели логнормального распределения, при этом точечные контакты встречаются с вероятностью 0,7, а площадные и контакты по ребру – с вероятностями 0,2 и 0,1.

В целях повышения степени соответствия расчетных схем реальным массивам разработан и реализован в виде программы для ЭВМ метод воспроизведения вариантов упаковок моделей обломков, соответствующих заданным параметрам распределений характеристик структур крупно- или грубообломочных пород в выделенных зонах. Выполняемые в ходе реализации этого метода операции, фрагмент массива данных и упаковки моделей обломков, полученные при запусках программы «PACKING», приведены на рис. 20, 21 и в табл. 3.

А1 = f(А1) V … V Ап = f(Ап);

kуд,1 = f(kуд,1) kуп,1 = f(kуn,1) V … V kуд,n = f(kуд,n) kуп,n = f(kуn,n);

O = s,1 = s,1 V… V s,n = s,n;

V… V ; (21)

Массив К1 = Fк1,1 V … V Fк1,n ;

крупнообломочных К = К2 = F к2,1 V … V F к2,n ;

пород = К3 = Fк3,1 V … V Fк3,1;

П = Q;

О-К1 = f(N1) … V О-Кn = f(Nn);

С = О-П1 = 1 V… V О-Пn = n,

где Fk = Fк,I = f(Fк,I ) Fк,II = f(Fк,II ) Fк,III = f(Fk1,III ); A – максимальный из трех размеров обломка; kуд, kуп и kут – коэффициенты формы (удлинения, уплощения и утоньшения); к и ск – характеристики сопротивляемости сдвигу по контактирующим поверхностям; K1, К2 и К3 – сухие, обводненных и сцементированные контакты;

Е и – модуль Юнга и коэффициент Пуассона; Fк – площадь зоны соприкосновения обломков; А1, А2 и С2 – углы падения и простирания длинной оси и угол падения короткой оси; Rc – прочность на сжатие; П – пустоты; Q – воздух; W – вода; G – лед; М – мелкозем; С – отношения между компонентами контактной системы;

s – удельный вес обломков; – удельный вес крупнообломочной породы; е – коэффициент пустотности; w – влажность; g – льдистость; m – содержание мелкозема; n – количество квазиоднородных зон; I, II и III – типы контактов; и V – знаки логических операций «и» и «или».

Рис. 20. Модульная схема программы

а б

Таблица 3

Параметры распределений характеристик структуры

грубообломочной породы и ее модели

Запуск программы	Плотность породы (плотность упаковки), г/см3	Средние значения и среднеквадратические отклонения характеристик породы (ее модели):
		длины обломков, м		коэффициентов удлинения и уплощения		числа контактов у обломка		площади контактов I, II и III типов, м2
		А	A	k	k	N	N	lgF	lgF
1	1,8 (1,8)	0,1128 (0,1126)	0,0447 (0,0396)	kуд - 0,6820 (0,7567) kуп - 0,6112 (0,5578)	0,1923 (0,1383) 0,1805 (0,1458)	6,3460 (5,8510)	2,1792 (2,7809)	I: -0,3208 (-0,3197) II: 0,1242 (0,1245) III: 0,7102 (0,7076)	0,2317 (0,2041) 0,1947 (0,1714) 0,4340 (0,3827)
2	1,8 (1,8)	(0,1123)	(0,0395)	kуд - (0,7527) kуп - (0,5568)	(0,1386) (0,1453)	(6,4394)	(2,7553)	I: -(0,3201) II: (0,1232) III: 0,7098)	(0,2038) (0,1704) (0,3830)
3	1,8 (1,8)	(0,1125)	(0,0397)	kуд - (0,7540) kуп - (0,5555)	(0,1384) (0,1451)	(6,3317)	(2,7914)	I: (-0,3213) II:(0,1234) III: (0,7138)	(0,2049) (0,1710) (0,3780)
4	1,8 (1,8)	(0,1122)	(0,0396)	kуд - (0,7546) kуп - (0,5555)	(0,1381) (0,1451)	(6,3601)	(2,7756)	I: (-0,3181) II: (0,1282) III: (0,7027)	(0,2052) (0,1704) (0,3838)
5	1,8 (1,8)	(0,1126)	(0,0396)	kуд - (0,7530) kуп - (0,5579)	(0,1375) (0,1460)	(6,3555)	(2,7760)	I: (-0,3233) II: (0,1221) III: (0,7032)	(0,2044) (0,1720) (0,3809)

В результате анализа входных и выходных параметров распределений установлено, что расхождения между средними значениями длин обломков, числа и площадей контактов не выходят за пределы 0,03… 3,22 %, а расхождения между их среднеквадратическими отклонениями – 10,51… 28,39 %.

Заключение

В диссертации решена крупная актуальная научная проблема совершенствования методологии прогноза состояния геотехнических систем и управления их устойчивостью на открытых горных работах, имеющая важное значение для горнодобывающих отраслей промышленности.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации, полученные в результате выполненных исследований, заключаются в следующем.

1. Выявлена тенденция к повышению рисков ведения открытых горных работ. Выявленной тенденцией обосновано повышение требований к точности и надежности прогнозных оценок состояния геотехнических систем, находящихся под влиянием природных и техногенных факторов.

2. Оптимизированы схемы опробования песчано-глинистых отвалов, усовершенствованы методы их разграничения на квазиоднородные зоны. Статистическими тестами доказана неоднородность отвальных конусов по плотности и содержанию крупных глинистых включений. Установлено, что наиболее вероятному варианту разграничения песчано-глинистых экскаваторных отвалов по плотности соответствует шаг изменения средней оценки при переходе из одной зоны в другую равный 0,06 г/см3. Уточнены представления о характере изменения плотности, сцепления и угла внутреннего трения смесей песчано-глинистых пород в пределах экскаваторных отвалов. Установлено, что степень изменения перечисленных показателей в верхних слоях экскаваторных отвалов зависит от фракционного состава и влажности поступающих в них смесей.

3. Предложена аналитическая модель распределения в отвальных конусах крупных глинистых включений, описывающая изменение положения, формы и числа квазиоднородных зон, а также процентного содержания в них глинистых включений по мере увеличения высоты отвала и содержания включений в исходной смеси. Установлено, что в зависимости от среднего размера и высоты отсыпки в периферийной зоне нижнего яруса отвального конуса скапливается 50… 89 % содержащихся в нем включений, а у подножья 9… 32 % от их общей массы. Если в исходной смеси более 5 % крупных глинистых включений в зонах их скоплений формируется структура, характеризующаяся высокой водопроницаемостью и низкой водопрочностью.

4. Экспериментально установлена зависимость формы песчано-глинистых конусообразных отвалов от степени изменения в их верхних слоях плотности, сцепления и угла внутреннего трения, а также высоты разгрузки ковша, размера и содержания в рыхлых смесях глинистых включений. Выявлены три стадии формообразования песчано-глинистых отвальных конусов и смесей различного состава, а также характерные для последней стадии цикличность в изменении геометрических параметров профилей отвальных конусов и устойчивая тенденция к самопроизвольному уменьшению углов откоса.

5. Установлено, что увеличение высоты песчано-глинистого отвала, используемого в качестве рабочей площадки шагающего экскаватора, сопровождается развитием недопустимого крена в основании базы экскаватора и уменьшением размера сектора, в пределах которого подрезка откоса приводит к сдвигу блоков по поверхности скольжения. В связи с чем подрезка до критических углов откосов песчано-глинистых отвалов высотой более 15 м при работе на них драглайнов, даже в пределах небольших секторов, признана опасной.

6. Разработана методология оценки технических характеристик шагающих экскаваторов, способов формирования для них рабочих площадок на отвалах и геометрических параметров последних по рискам отказов геотехнической системы «экскаватор - отвал - основание». В результате ее реализации установлено, что при отсыпке смесей необводненных песчаных и пылевато-глинистых пород на достаточно прочное основание при работе на отвале шагающего экскаватора сначала допустимого уровня достигает угол наклона его базы, затем ее осадка. При дальнейшем увеличении геометрических параметров отвал, используемый в качестве рабочей площадки драглайна, теряет устойчивость или несущую способность.

7. По техническим характеристикам драглайны разделены на три группы, отличающиеся по степени приспособленности к условиям работы на песчано-глинистых отвалах. Выбран способ формирования рабочих площадок для шагающих экскаваторов на отвалах, обеспечивающий максимальную высоту их установки. Обоснованы рекомендации по разработке новых моделей драглайнов с углами наклона стрел менее 30 и более 35, а также с повышенным запасом прочности роликов опорного круга.

8. Разработано, опробовано и внедрено в практику инженерных изысканий новое оборудование, предназначенное для изучения свойств породы нарушенного сложения, и его методическое обеспечение. Предложены эффективные способы управления устойчивостью песчано-глинистых внутренних отвалов. Разработаны новые способы увеличения емкости внешних отвалов.

9. Разработан, опробован и рекомендован к более широкому применению экспериментально-теоретический метод определения ширины охранного целика и параметров буровзрывных работ, учитывающий развитие пластических деформаций при сейсмовзрывных воздействиях в геотехнической системе «борт карьера – подземный комплекс» и её реакцию на опытные взрывы.

10. Теоретически обоснована необходимость оценки состояния массивов крупно- и грубообломочных пород методами дискретных сред. Разработана имитационно-вероятностная модель строения таких массивов. Предложен и опробован полевой метод определения числа контактов у обломков и измерения площадей зон их соприкосновения. При исследовании грубообломочных склоновых отложений выявлена неоднородность распределений площадей контактов. При описании условий соприкосновения обломков использована классификация контактов, отвечающая требованию однородности выборок. Определены вероятности, соответствующие трем выделенным типам контактов. Эффективность разработанных процедур, положенных в основу метода воспроизведения структур крупно- и грубообломочных пород в виде упаковок моделей обломков и систем связей между ними подтверждена достаточно высокой степенью сходимости между параметрами распределений характеристик реальной структуры и ее математической модели.

Основные положения диссертации изложены в работах:

А. Монографии и учебные пособия

1. Фёдорова Е.А. Теоретические основы вероятностного метода оценки состояния контактных систем / Е.А. Фёдорова. – Чита: ЧитГУ, 2005. – 181 с.

2. Фёдорова Е.А. Статистический анализ инженерно-геологических данных: учебное пособие / Е.А. Фёдорова. – Чита: ЧитГТУ, 2003. – 93 с.

Б. Статьи и доклады

3. Фёдорова Е.А. Напряженно-деформированное состояние нагруженных отвальных массивов / Е.А. Фёдорова // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2001. – № 10. – С. 98 - 101.

4. Фёдорова Е.А. Программный комплекс для разграничения отвальных массивов на квазиоднородные зоны / Е.А. Фёдорова, Д.А. Шайдуров // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2002. – № 11. – С. 130 - 132.

5. Фёдорова Е.А. Оптимизация технологических схем отвалообразования в условиях Уртуйского месторождения флюоритов / Е.А. Фёдорова // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2002. – № 9. – С. 77 - 80.

6. Фёдорова Е.А. Методы защиты от разрушения массива, пораженного карстом при эксплуатационных взрывах / Е.А. Фёдорова // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2006. – № 5. – С. 50 - 53.

7. Фёдорова Е.А. Параметризация технологических схем селективного отвалообразования бестранспортной системы разработки / Е.А. Фёдорова // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2006. – № 10. – C. 239 - 248.

8. Рашкин А.В. Обоснование параметров устойчивых бортов карьера Жирекенского ГОКа / А.В. Рашкин, Е.А. Федорова, П.Б. Авдеев // Забайкалье: Сборник научных трудов. Отдельный выпуск горного информационно-аналитического бюллетеня. – 2007. – № ОВ4. – C. 111 - 118.

9. 17. Железняк И. И. Новые методы и техника / И.И. Железняк, А.В. Никифоров, А.В. Перминов, Е.А. Фёдорова // Инженерно-строительные изыскания в Якутской АССР. Материалы III республиканской научно-практической конференции «Повышение технического уровня и качества инженерно-строительных изысканий». - Якутск, 1989. – С. 53.

10. Прегер А.Л. Оценка осадки шагающего экскаватора при работе на предотвале / А.Л. Прегер, Е.А. Фёдорова, А.М. Рыжих // Проблемы горного производства Восточной Сибири. – Новосибирск: Наука, 1991. – C. 21 - 24.

11. Никифоров А.В. Устойчивость технологических элементов при разработке россыпных месторождений/ А.В. Никифоров, Е.А. Фёдорова, Ф.В. Дудинский // Проблемы горного производства Восточной Сибири. – Новосибирск: Наука, 1991. – С. 71 - 77.

12. Фёдорова Е.А. Результаты исследования пещеры Хээтэй / Е.А. Фёдорова // География и экология Забайкалья. Записки Забайкальского филиала географического общества России. – Чита, 1994. – С. 52 - 54.

13. Фёдорова Е.А. Имитационно-вероятностная модель структуры курума/ Е.А. Фёдорова. – М.: ВИНИТИ № 2042-В96, 1996. – 10 с.

14. Ушаков В.В. Оценка напряженно-деформированного состояния карьерных автомобильных дорог / В.В. Ушаков, Е.А. Фёдорова // Вестник НТО строителей. Чита: ЧитГТУ, 1997. – С. 127 - 133.

15. Ушаков В.В. Выбор оптимального варианта усиления жестких дорожных одежд / В.В. Ушаков, Е.А. Фёдорова // Вестник НТО строителей. Сборник научных статей. – Чита: ЧитГТУ, 1998. – С. 214 - 220.

16. Фёдорова Е.А. Особенности выбора отдельных элементов имитационно-вероятностной модели структуры крупнообломочного грунта на примере курума/ Е.А. Фёдорова // Вестник ЧитГТУ. – Чита: ЧитГТУ, 2000. – Вып. 16. – С. 86 - 95.

17. Рашкин А.В. Повышение безопасности драглайнов на Харанорском угольном разрезе/ А.В. Рашкин, Е.А. Федорова // Вестник МАНЭБ. – Санкт-Петербург – Чита, 2001. – № 10. – С. 112 - 117.

18. Фёдорова Е.А. Определение деформационных характеристик грунтов нарушенного строения/ Е.А. Фёдорова // Материалы XV научной конференции молодых ученых и аспирантов МГУ. - М. - Деп. в ВИНИТИ, 1989. – С. 23 - 28.

19. Фёдорова Е.А. Устойчивость осесимметричных отвалов / Е.А. Фёдорова, А.Б. Фадеев // Прогнозная оценка инженерно-геологических условий при открытой разработке месторождений Урала. - Свердловск, 1989. – С. 28.

20. Фёдорова Е.А. Методика стабилометрического определения механических свойств пучинистых грунтов/ Е.А. Фёдорова, И.И. Железняк // Докл. международного научно-технического и коммерческого семинара «Защита инженерных сооружений от морозного пучения». – Якутск: Институт мерзлотоведения, 1993. – С. 23.

21. Фёдорова Е.А. Криогипергенез горных пород и вычисление угла наклона борта карьера / Д.М. Шестернев, Г.Е. Ядрищенский, Е.А. Фёдорова // Материалы международного симпозиума «Геокриологические проблемы строительства в восточных районах России и Северного Китая». - Якутск, 1998. – С. 216 - 218.

22. Фёдорова Е.А. Имитационно-вероятностная модель структуры крупнообломочного грунта / Е.А. Фёдорова // Материалы международной конференции «Проблемы прогнозирования в современном мире. – Чита: ЧитГТУ, 1999. – С. 197 - 198.

23. Фёдорова Е.А. К вопросу оптимизации технологических схем отвалообразования на горных предприятиях / Е.А. Фёдорова // Материалы межрегиональной конференции «Проблемы экологической безопасности Восточных рубежей России на рубеже тысячелетий». – Чита: ЧитГТУ, 2000. – С. 94 - 95.

24. Фёдорова Е.А. Разграничение отвальных массивов на квазиоднородные зоны / Е.А. Фёдорова // Материалы региональной конференции «Проблемы освоения и рационального использования природных ресурсов Забайкалья. – Чита: ЧитГТУ, 2000. – С. 65 - 66.

25. Фёдорова Е.А. Оценка степени риска при работе шагающих экскаваторов с временных отвалов / Е.А. Федорова // Материалы международной конференции «Новый век – новые открытия» - Чита: Экспресс-типография ЧП Г.Г. Богданова, 2001. – C. 258 - 261.

26. Фёдорова Е.А. Программный комплекс GRUNT для разграничения техногенных массивов на квазиоднородные зоны / Е.А. Фёдорова, Е.В. Стрельникова // Материалы международной научно-технической конференции «Технические науки, технологии и экономика». – Чита: ЧитГТУ, 2001. – С. 51 - 58.

27. Фёдорова Е.А. Методические аспекты инженерно-геологических изысканий на площадках отвалов Чинейского ГОКа / Е.А. Фёдорова // Материалы II международной конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление». – Чита: ЧитГТУ, 2001. – C. 82 - 85.

28. А.В. Рашкин. Сохранение пещеры Хээтэй в условиях разработки карьера Усть-Борзинского месторождения известняков / А.В. Рашкин, Е.А. Фёдорова // Материалы II Международной научно-практической конференции «Человек – среда – вселенная». – Иркутск: ИрГТУ, 2001. – С. 76 - 77.

29. А.В. Рашкин. Оценка воздействия разработки Усть-Борзинского месторождения известняков на карстовый комплекс пещеры Хээтэй / А.В. Рашкин, Е.А. Фёдорова // Экологические проблемы и новые технологии переработки минерального сырья. Труды международного совещания. – Чита: ЧитГТУ, 2002. – С. 98 - 104.

30. Фёдорова Е.А. Численная реализация вероятностного подхода к построению случайной структуры дискретной среды и оценке ее поведения / Е.А. Фёдорова, О.А. Белицкая // Материалы III межрегиональной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика». - Чита: ЧитГТУ, 2003 – С. 102 - 106.

31. Фёдорова Е.А. Программный комплекс для обработки данных по процентному содержанию крупных включений в рыхлой массе и разграничения отвальных массивов по этому признаку / Е.А. Фёдорова, С.И. Заборовская // Материалы II межрегиональной конференции «Энергетика в современном мире». Чита: ЧитГТУ, 2003. – С. 63 - 65.

В. Изобретения и программы для ЭВМ

32. Авторское свидетельство № 1675730 (СССР). Стабилометр / Е. А. Фёдорова. – 1991. – Бюл. № 33.

33. Авторское свидетельство № 1759131 (СССР). Стабилометр / Е. А. Фёдорова, И. И. Железняк, М. Б. Лисюк. – 1992.

34. Патент № 1827138 (СССР). Стабилометр / Е.А. Фёдорова, И.И. Железняк. – 1997.

35. Патент № 2233947 (РФ). Способ укрепления откосов насыпей / Е.А. Фёдорова, А.В. Рашкин, А. В. Никифоров, 2004. – Бюл. № 22.

36. Фёдорова Е. А. Программный комплекс «Grunt» / Е.А. Фёдорова, Е.В. Стрельникова. – М.: ВНТИЦ, 2001. – № 50200200035. – 2 с.

37. Фёдорова Е. А. Программа «Sortproject» / Е.А. Фёдорова, О.А. Белицкая. – М.: ВНТИЦ, 2004. – № 50200400901. – 2 с.

38. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007612850 (РФ). Построение случайной структуры обломочного материала (Packing) / Е.А. Фёдорова, О.А. Белицкая. – 2007.

Лицензия ЛР № 020525 от 02.06.97

Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Усл.печ. л. 2,5 Тираж 100 экз. Заказ N

Читинский государственный университет

ул. Александро-Заводская, 30, г. Чита, 672039

РИК ЧитГУ