авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |

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

-- [ Страница 2 ] --

- автоматизированы процедуры статистической обработки данных о составе и свойствах отвальных пород, разграничения отвалов на квазиоднородные зоны, воспроизведения структур крупнообломочных пород и массивов в виде математических моделей упаковок обломков и систем связей между ними по параметрам распределений длин и коэффициентов формы обломков, числа и площадей контактов;

- разработан механический стабилометр, позволяющий испытывать образцы разрыхленных пород в условиях трехосного осесимметричного сжатия, методическое обеспечение проведения испытаний на новом приборе и обработки их результатов (авторские свидетельства СССР № 1675730 и № 1759131, патент СССР № 188227138).

Личный вклад автора:

- постановка задач, выбор методов, проведение как теоретических, так и экспериментальных исследований;

- разработка и реализация методик получения и обработки исходных данных для геомеханических расчетов, а также методов разграничения отвалов на квазиоднородные по плотности зоны и процедур их разграничения на квазиоднородные по составу зоны;

- оценка состояния геотехнических систем и рисков их отказов;

- разработка технологических способов целенаправленного изменения состава песчано-глинистых отвальных пород в процессе их перевалки и повышения емкости внешних отвалов слабых пород;

- конструирование устройств для изучения физико-механических свойств отвальных пород и эквивалентных им материалов;

- разработка структурных моделей и основных процедур метода воспроизведения структур крупнообломочных пород и массивов в виде математических моделей упаковок обломков и систем связей между ними;

- обработка, анализ и обобщение полученных результатов;

- формулировка выводов и рекомендаций.

Реализация результатов работы:

- результаты выполненных исследований использованы при обосновании параметров технологических схем ведения вскрышных работ на угольном разрезе «Харанорский», при разработке Красноармейского и Балахнинского месторождений россыпного золота, Уртуйского флюоритового и Жирекенского молибденового месторождений, Чинейского месторождения медно-сульфидных руд, Талатуйского, Тарданского, Андрюшкинского, Богомоловского, Савкинского и Итакинского золоторудных месторождений;

- 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;

- на основе предложенных моделей, методов и методик разработаны четыре программы для ПЭВМ.

Апробация работы

Диссертация обсуждалась на расширенном семинаре кафедр открытых горных работ, подземной разработки МПИ и безопасности жизнедеятельности ЧитГУ (Чита, 2007), на научных семинарах Института горного дела СО РАН (Новосибирск, 2007) и Института горного дела ДВО РАН (Хабаровск, 2007).

Основные положения диссертационной работы доложены на: научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2002 и 2008), международной конференции по геотехнике «Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчета и инженерная практика» (Санкт-Петербург, 2005), 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), 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).

Основное содержание диссертации изложено в 39 работах, включая монографию и учебное пособие, из них в рекомендованных ВАК изданиях опубликовано 7 работ. Авторскими свидетельствами и патентами защищено 4 изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографического списка из 246 наименований, содержит 345 страниц текста, в том числе 21 таблица, 110 рисунков, и приложений на 113 страницах.

Автор весьма признательна доктору технических наук А.В. Рашкину – научному консультанту на первых этапах работы над диссертацией и благодарит доктора технических наук Г.В. Секисова – научного консультанта на заключительном этапе за ценные советы и замечания, выражает благодарность за полезные советы ведущим ученым в области геомеханики – докторам технических наук А.Б. Фадееву, А.К. Бугрову и Э.Л. Галустьяну, кандидатам технических наук Т.К. Пустовойтовой и И.И. Ермакову, а также сотрудникам лаборатории геомеханики ЧИПР СО РАН (ИПРЭК СО РАН) и кафедры открытых горных работ ЧитГУ и их руководителям докторам технических наук И.И. Железняку и Ю.М. Овешникову за оказанную помощь при проведении исследований.

Основное содержание работы


Состояние разработки проблемы устойчивости геотехнических

сооружений месторождений, разрабатываемых открытым способом


Значительный вклад в развитие теории открытой разработки внесли академики М.И. Агошков, Н.Н. Мельников, В.В. Ржевский, К.Н. Трубецкой, чл.-корр. Е.И. Богданов и А.А. Пешков.

Виды и причины деформаций, факторы, влияющие на устойчивость откосов, закономерности проявления геомеханических процессов, методы прогнозирования и оценки состояния выработок и отвалов, способы управления их устойчивостью описаны и систематизированы в работах А.И. Арсентьева, Э.Л. Галустьяна, А.М. Демина, О. Ю. Крячко, Р.П. Окатова, М.Е. Певзнера, И.И. Попова, С.И. Попова, Г.Л. Фисенко, П.Н. Панюкова, М.А. Ревазова и др.

Состав и физико-механические свойства пород нарушенного и ненарушенного сложения изучали С.А. Батугин, А.В. Бирюков, Г.К. Бондарик, О.А. Борсук, М.Н. Гольдштейн, И.И. Ермаков, Ю.И. Зернов, А.О. Крыжановский, И.В. Куницын, Д. В. Лемос, М.П. Лысенко, М.Н. Маслов, Ю.Ф. Морозов, Т.В. Нефедова, Р.П. Окатов, В.И. Осипов, П.Н. Панюков, И.И. Попов, Д.М. Шестернев и др.

Несмотря на большой объем выполненных исследований, раскрыты далеко не все аспекты проблемы устойчивости геотехнических сооружений месторождений и, прежде всего, отвалов. Методы разграничения породных массивов на квазиоднородные зоны не адаптированы к отвалам. Нет определенности в отношении причин отклонения линий их откосов от прямолинейного положения. Сложившиеся представления об изменении фракционного состава вдоль линии откоса не позволяют судить о характере распределения разномасштабных компонент смесей в телах конусных отвалов.

Расхождения во мнениях относительно изменения показателей плотности и характеристик прочности в песчано-глинистых отвалах, а также проблемы, связанные с испытанием образцов разрыхленных пород в условиях, максимально приближенных к условиям их работы в массивах, явились причиной для разработки новых приборов и совершенствования методик получения и обработки исходных данных.

При анализе ранее проведенных исследований установлены: влияние на характеристики состава и свойств пород размеров образцов; зависимость механических характеристик от уровня и условий передачи на них нагрузок, состава и физического состояния пород; стохастическая природа показателей состава и свойств пород. Выявлены проблемы, связанные с испытанием образцов разрыхленных пород в гидравлических стабилометрах.

Перечисленными факторами обусловлена необходимость проведения испытаний образцов в лабораторных условиях при реальных уровнях напряжений и условиях передачи нагрузок на породы в массивах, преимущественного использования полевых методов при изучении механических свойств пород.

Несоответствием расчетных схем аналитических методов условиям взаимодействия элементов геотехнических систем, а результатов расчетов – реальному их напряженно-деформированному состоянию, обоснована необходимость использования численных методов, не накладывающих ограничений на граничные условия, и упругопластической деформационной модели среды, позволяющей анализировать деформации породных массивов во всем диапазоне напряжений, вплоть до их разрушения. Целесообразность этого предложения подтверждена положительным опытом решения широкого круга геомеханических задач методом конечных элементов (МКЭ) с использованием программных комплексов, разработанных под руководством А.Б. Фадеева, Ш.М. Айталиева и др.

Развитию перспективных направлений механики зернистых сред способствовала невысокая надежностью данных о физико-механических свойствах крупнообломочных пород, обусловленная масштабным эффектом, а также существенное отличие фактических напряжений от их теоретических значений в средах, где нагрузки передаются через контакты.

Изучением закономерностей деформирования и передачи нагрузок через контакты в сыпучих средах занимались Р. Бартон, А.П. Бобряков, Л. Бьеррум, Г. Дересевич, Б.И. Дидух, И.И. Кандауров, Г.К. Клейн, К.О. Курезов, Ю.Ф. Морозов, Д. Тейлор и др.

В разработку современных методов моделирования состояния контактных систем значительный вклад внесли П. Кюндалл, Д. Лемос, Р. Харт и др.

В результате анализа их работ, наиболее надежным, с точки зрения оценки состояния массивов крупнообломочных пород, признан метод дискретных элементов, опробованный на регулярных упаковках и типовых структурах сыпучих пород при различных условиях нагружения. В перспективе этот метод может быть использован при оценке деформаций подвижных многоярусных отвалов, формируемых из обломков скальных пород на горных слонах (проектная высота которых достигла 1400 м, а высота яруса 600 м). Однако возможным это станет только при условии разработки: методических основ описания структур реальных крупнообломочных пород и массивов; способов определения их основных характеристик в полевых условиях, учитывающих их естественную изменчивость; метода воспроизведения в виде математических моделей упаковок обломков и систем связей между ними.

Использованный А.И. Арсентьевым, В.И. Зобниным, Ю.В. Лесовым, А.М. Лепехиным, Л.Н. Хрусталёвым и др. учеными вероятностно-статистический подход к оценке надежности принимаемых решений рассмотрен с точки зрения возможности его использования при анализе рисков отказов экскаваторно-отвальных систем в условиях неопределенности исходных данных о свойствах пород.

Повышению эффективности вскрышных работ и снижению экологической нагрузки на окружающую среду способствовали технологические решения, предложенные В.А. Галкиным, Ф.В. Дудинским, Л.В. Жуковым, В.С. Коваленко, Н.В. Мельниковым, В.И. Первых, В.В. Ржевским, В.К. Репетух, П.И. Томаковым, С.А. Шемякиным, И.М. Щадовым и др. Их внедрение способствовало реализации на практике основных принципов рационального природопользования: более полного извлечения полезных ископаемых из недр, минимизации изъятия ценных земель и сокращения сроков их использования.

Выявленные недостатки способов повышения устойчивости и емкости отвалов учтены при разработке более эффективных технологических решений.

Методики оценки состояния геотехнических систем


В целях повышения надежности оценок напряженно-деформированного состояния экскаваторно-отвальных систем разработаны комплексные методики, в основу которых положены усовершенствованные методы разграничения их основных элементов – отвалов на квазиоднородные зоны, эмпирические уравнения, описывающие изменение свойств пород, анализ решений упругопластических задач, полученных МКЭ при различных параметрах откосов и технических характеристиках экскаваторов.

В результате обобщения опыта исследований песчано-глинистых отвалов разработаны системы опробования отвалов, позволяющие автоматизировать процесс пространственной привязки проб, а также значительно уменьшить количество проб из шурфов и скважин за счет увеличения с глубиной шага z отбора образцов из шурфов и скважин 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. Полученные значения рекомендованы для использования при определении количества проб, необходимого для их разграничения на квазиоднородные зоны.

В результате анализа данных о составе проб, взятых из отвалов, установлено следующее.

При разработке глубоких валунистых россыпей из крупнообломочных, песчаных и глинистых пород надводной и подводной частей забоя формируются отвалы, в пределах которых распределение разномасштабных компонент не имеет закономерного характера из-за того, что при разгрузке ковша смеси таких пород поступают в отвалы в виде компактных порций.

При открытой разработке угольных и россыпных месторождений из смесей необводненных песчаных, супесчаных, суглинистых и глинистых пород формируются неоднородные по фракционному составу отвалы. Вследствие разделения разномасштабных компонент в гравитационном поле куски глинистых пород закономерно распределяются в пределах конусных отвалов 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, отличающиеся по фракционному составу и влажности. Статистическими тестами на стандартном уровне доверительной вероятности ( = 0,95) существенными признаны только различия между значениями плотности на разных глубинах.

Характер изменения плотности по глубине однородных по фракционному составу супесчаных и суглинистых отвалов описывают 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 впервые использованы следующие новые методы, учитывающие закономерное изменение контролируемого показателя по глубине.

1. Усовершенствованный вариационный метод объединения соседних областей в квазиоднородные зоны по результатам проверки гипотез о равенстве средних значений и дисперсий по представленной на рис. 1 схеме последовательного приближения расхождений между средними оценками в соседних зонах к средней величине шага.


Рис. 1. Алгоритм усовершенствованного вариационного метода

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 (ядра) отвала.

2. Метод пошаговой разбивки, основанный на использовании уравнения регрессии вида y = f(z) и принципа равенства оптимальной величине шага - расхождений между средневзвешенными оценками в соседних слоях, рассчитанными с помощью выражения .

В отличие от первого метода второй реализуется при значительно меньшем объеме исходных данных, поскольку для уточнения значений коэффициентов уравнения регрессии их требуется гораздо меньше, чем для проверки статистических гипотез о равенстве средних значений и дисперсий в соседних зонах. Кроме этого, установленное вторым методом положение границ точнее отражает характер изменения плотности в верхних слоях песчано-глинистых отвалов.

Трудоемкие процедуры: пространственной привязки проб; проверки статистических гипотез об изменении показателей состава и свойств пород в пределах отвальных площадок, центральных осей и поверхностей отвалов; разграничения отвалов в форме конусов и гребней на квазиоднородные зоны с учетом степени и характера изменения контролируемых показателей; расчета коэффициентов эмпирических уравнений, выбора и расчета наиболее эффективных оценок средних значений в выделенных зонах и др. – автоматизированы с помощью программного комплекса «GRUNT».

Результатами статистического тестирования обоснована возможность использования образцов, приготовленных из средней пробы, при исследовании механических свойств песчано-глинистых отвалов, не содержащих крупных включений.

В лабораторных условиях образцы, приготовленные из материала средней пробы, испытывались на сдвиг с контролем плотности и влажности перед разрушением. Методикой обработки результатов таких испытаний было предусмотрено: получение семейства уравнений вида пр = f(), отражающих зависимость сопротивления сдвигу от плотности при давлениях 0,02; 0,04; 0,06; 0,1; 0,2 и 0,3 МПа; использование полученных уравнений при расчете сопротивлений сдвигу пр,i, соответствующих заданным значениям плотности; использование полученных значений при определении сцеплений сi и углов внутреннего трения i, а уравнения (3) – при определении глубин z соответствующих заданным значениям плотности.

В результате реализации предложенной методики установлен характер изменения показателей прочности по глубине отвалов, рассчитаны погрешности их определения s и коэффициент корреляции r:

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

= 28,3163 ± 0,6048 град. (6)



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.