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 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |

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

-- [ Страница 3 ] --

Комплексная методика, предусматривающая 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 супесчаных отвалов при разработке Красноармейского месторождения россыпного золота. В ходе ее реализации на расчетных схемах конусных отвалов выделялись границы зон, существенно отличающихся по плотности. Выделенным в пределах слоям и ядру отвала присваивались средневзвешенные значения плотности и сцепления, средние значения угла внутреннего трения и коэффициента поперечной деформации, а также модулей деформации, рассчитанных по результатам компрессионных испытаний образцов, имеющих насыпную плотность, с учетом давлений на границах выделенных зон. Основанию отвала присваивались характеристики пород ненарушенного сложения, определенные по стандартным методикам.

Предельные параметры сохраняющих устойчивость конусных отвалов определялись по результатам решений МКЭ упругопластической задачи, полученным с использованием расчетных схем, отличающихся по высоте и углу откоса, при запусках программы «Геомеханика», разработанной под руководством А.Б. Фадеева. В основу ее алгоритма положено предположение о том, что до определенного уровня напряжений деформации развиваются по закону Гука. В качестве критерия текучести в области сжатия принят критерий Кулона. В области растяжения напряжения ограничены прочностью породы на растяжение. При превышении фактическими напряжениями своих теоретических значений решение нелинейной задачи в плоской или пространственной осесимметричной постановке получают методом «начальных напряжений», в ходе реализации которого на каждом шаге расчета матрица жесткости системы остается постоянной, а вектор сил системы изменяется. Выбранный метод позволяет судить о деформациях породных массивов по перемещениям узлов расчетных областей, а об их устойчивости и несущей способности – по скорости сходимости итерационного процесса, стабильному увеличению деформаций от цикла к циклу, размерам и положению зон, в пределах которых напряжения достигли предельных значений.

Описанным методом математического моделирования изменения напряженно-деформированного состояния отдельных и групповых отвалов в процессе последовательного увеличения их геометрических параметров были определены и предельные параметры суглинистых отвалов Харанорского угольного разреза. Однако при подготовке расчетных схем в этом случае был использован меньший объем данных о составе и физических свойствах отвальных пород. Положение границ между неоднородными по плотности слоями установлено методом пошаговой разбивки. Секущие модули деформации определены по результатам компрессионных испытаний образцов, отобранных с поверхностей отвалов и из их ядер. Средневзвешенные значения показателей прочности рассчитаны с помощью эмпирических уравнений (7) и (8), полученных при обработке данных пенетрационного зондирования отвалов.

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 сравнении результатов, полученных при исследованиях супесчаных и суглинистых отвалов, установлено следующее.

По мере увеличения содержания глинистых частиц в составе смеси, поступающей из ковша экскаватора, 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 сравнении трех 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. 2).

При анализе результатов математического моделирования напряженно-деформированного состояния отвалов установлено следующее.

Не совпадают границы зон, в которых напряжения достигают предельных значений, соответствующие решениям упруго-пластических задач в плоской и пространственной осесимметричной постановке, при этом расхождения между значениями напряжений х, у, в элементах расчетных областей и перемещений их узлов их и иу достигают 12,0; 8,2; 26,1; 50,9 и 17,7 % соответственно. Предельные углы откосов отвалов отличаются на 1… 4°, притом, что средние значения углов откосов реальных суглинистых отвалов в виде конусов и гребней отличаются на 2° в более узком диапазоне высот.

Полученными результатами подтверждена необходимость учета геоморфологии отвалов при определении их геометрических параметров по предложенной методике.

Образцы песчано-глинистых отвальных пород угольных месторождений и глубоких россыпей испытывались на стандартных и крупногабаритных, обычных и модифицированных компрессионных и сдвиговых приборах, а также на механическом стабилометре, сконструированном для испытания разрыхленных пород (рис. 3).

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.

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

b = h1 ctg; z = h2/h; x= Q2/F2 Cos и z= Q1/F1 ctg, (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.

Рис. 3. Механический стабилометр:

1 – корпус; 2 – плунжер; 3 – поршень; 4 – индикаторы часового типа; 5 и 6 – нагрузочные

устройства; 7 – риски; 8 – винты-фиксаторы

С учетом того, что величина напряжения z в направлении вертикальной оси одновременно увеличивается (за счет конусности образца) и уменьшается (за счет сил трения на его боковых поверхностях), при конструировании механического стабилометра геометрические параметры плунжера и поршня определены из условия равенства значений z в уровне верхнего и нижнего поперечных сечений образца при его гидростатическом сжатии.

При отклонении величины от единицы добиться равенства z в уровне верхнего и нижнего поперечных сечений образца позволяют поправки Q1 и Q2.

; (10)

; (11)

; (12)

, (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 замораживать, оттаивать или насыщать образцы водой и измерять в них поровое давление. Разработан комплекс методик проведения таких испытаний.

При исследовании неоднородных по составу пород отвалов, формирующихся при разработке глубоких россыпей, использовался крупногабаритный модифицированный одометр. В ходе испытаний, наряду с деформациями образцов измерялись и усилия, передающиеся на них через верхний и нижний диски.

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.

Метод математического моделирования напряженно-деформированного состояния геотехнических систем нашел применение на стадии проектирования как при обосновании возможности разгрузки под откос БелАЗов, так и при отстройке оптимальных профилей многоярусных отвалов и бортов Уртуйского флюоритового, Тарданского, Талатуйского, Андрюшкинского, Богомоловского, Савкинского и Итакинского золоторудных месторождений, Чинейского месторождения медно-сульфидных руд, а также профилей бортов карьера глубокой Балахнинской россыпи. При обосновании возможности использования отвалов в качестве рабочих площадок на Харанорском угольном разрезе и Красноармейском месторождении россыпного золота, строенных уступов на стадии разработки карьера Жирекенского ГОКа. При определении предельных параметров отвалов, формируемых из слабых пород на наиболее глубоком участке Мараканской россыпи.

Возможности используемого метода позволили учесть при подготовке расчетных схем рельеф участков, структурные особенности массивов, изменение свойств пород в их пределах, взаимное влияние на напряженно-деформированное состояние отдельных элементов геотехнических систем, способы очистки берм и разработки вскрышных пород.

Метод математического моделирования нашел применение и при выборе оптимальных по стоимости и показателям эксплуатационного качества вариантов усиления жестких и нежестких покрытий карьерных дорог, типовые конструкции которых не выдерживают нагрузок от БелАЗов грузоподъемностью свыше 40 т.

При решении упругопластической задачи в пространственной осесимметричной и плоской постановке, соответственно использовались расчетные схемы следующих типов:

1) многослойная дорожная одежда, воспринимающая равномерно распределенную нагрузку в пределах зоны контакта заднего колеса самосвала с покрытием;

2) насыпь, состоящая из нескольких подобранных по составу слоев щебня, воспринимающая погонную нагрузку от БелАЗа, и ее основание.

Варианты жестких покрытий сравнивались по прогибу их поверхностей под колесом БелАЗа грузоподъемность 75 и 100 т, степени снижения осевых напряжений и глубине распространения зоны пластических деформаций, а нежесткие – по прогибу поверхности покрытия и суммарной осадке основания и многослойной насыпи от погонной нагрузки.

При обработке полученных данных установлено, что весовым, габаритным и скоростным характеристикам современных карьерных дорог отвечают прочные и долговечные дорожные одежды, представляющие собой комбинации жестких слоев с нежесткими дренирующими прослойками. Область применения нежестких покрытий при суммарной толщине слоев щебня 0,8... 1,6 м в условиях открытой разработки угольных пластов и россыпей ограничена свойствами оснований.

Необходимость в разработке надежной методики оценки сейсмостойкости несплошных породных массивов в условиях рыхления пород взрывами возникла в связи со следующими обстоятельствами: 1) использованием старых выработок и пещер в хозяйственных и других целях; 2) перспективами развития комбинированного способа отработки складчатых структур, предусматривающего сочетание забоев и участков открытых горных работ; 3) присвоением уникальным пещерам статуса памятников природы государственно значения.

Только на территории Забайкалья выявлено и исследовано более 50 пещер. Широкую известность получил карстовый комплекс, расположенный в границах горного отвода Усть-Борзинского месторождения известняков, являющийся памятником природы государственного значения. Высокий статус охраняемого объекта с одной стороны и стремление горного предприятия сократить потери полезного ископаемого до минимума, с другой, способствовали принятию решения об определении оптимальных размеров охранного целика, обоснованных надежными прогнозными оценками сейсмостойкости пораженного карстом трещиноватого массива.

При решении поставленной задачи впервые была использована методика оценки условий функционирования геотехнической системы «подземные полости – борт карьера, разрабатываемый способом взрывного рыхления пород». На первом этапе ее реализации составлена карта, построены разрезы, определены физико-механические характеристики известняков и льда, установлено положение ослабленных трещинами зон, изучен температурно-влажностный режим карстового комплекса, получены записи велосиграмм и акселерограмм массовых взрывов на карьере, построены искусственные акселерограммы.

На втором этапе по результатам математического моделирования МКЭ напряженно-деформированного состояния рассматриваемой геотехнической системы определен предельный уровень сейсмовзрывного воздействия на несплошной массив, соответствующий взрыву 1 т ВВ в 200 м от пещеры. При этом развитие пластических деформаций в пределах анализируемых 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 задачи с использованием в качестве исходных данных максимальных векторов перемещений узлов расчетной области {Uxi,уi}max, выделенных в пределах всего временного ряда из массива данных {Uxi,уi}k, сформированного следующим образом:

{Uxi,уi}k = {Udxi,уi}k – {Ucxi,уi}, (15)

где Ucxi,уi – вектор перемещения i-го узла по результатам решения статической упругопластической задачи; Udxik,уik – вектор перемещения i-го узла на k-м шаге табулирования выходных данных по времени при решении упругой динамической задачи.

На следующем этапе с учетом векторной скорости, соответствующей допустимому уровню воздействия на пораженный карстом трещиноватый массив, и экспериментально определенных коэффициентов по формуле М.А. Садовского рассчитаны максимальные массы зарядов в группах и общие массы зарядов для двух направлений продвижения фронта работ.

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

На заключительном этапе моделировалось изменение условий функционирования рассматриваемой геотехнической системы, а именно: разрушения плоского покровного массива многолетнего пещерного льда общей площадью 2400 м2, служащего полом грота пещеры, раскрытия крупных тещин, рассекающих свод, вследствие разрушения его ледяной корки и перехода известняков из мерзлого состояния в талое; приближения границы карьера к подземным полостям и его углубления до проектной отметки.

В результате математического моделирования изменения состояния несплошного трещиноватого массива установлено, что опасность вывалов отдельных блоков из стен и потолка грота повышается при переходе из мерзлого состояния в пород в талое. При приближении границы карьера в одних зонах напряжения уменьшаются, в других возрастают, но не более чем на 4,6…9,8 %. По мере углубления карьера с 15 до 75 м на одних участках свода перемещения уменьшаются в 1,2… 2 раза, на других увеличиваются не более чем в 2,5 раза. Однако на сейсмостойкость рассматриваемой системы в целом рассмотренные факторы заметного влияния не оказывают.

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 уникального подземного памятника природы.

В рамках развития одного из направлений механики зернистых сред, перспективного в отношении получения достоверных оценок деформаций массивов, сложенных крупнообломочными породами, проведены теоретические и натурные исследования, в ходе которых:

- опробован новый метод подсчета контактов между крупными обломками и измерения их площадей, предусматривающий последовательное извлечение обломков с последующей установкой их в первоначальное положение после окрашивания возможных зон их соприкосновения, окончательное удаление, измерение отпечатков контактов, маркировка установленных контактов на удаленных и оставшихся обломках;

- выбран способ измерения средних размеров обломков в трех взаимно перпендикулярных направлениях, обеспечивающий минимальное расхождение между фактическими объемами и рассчитанными по их линейным размерам;

- при обработке данных о длине обломков, площади и числу контактов статистическими тестами подтверждена неоднородность толщ крупнообломочных склоновых отложений по длине обломков, установлена их неоднородность по числу контактов у обломков и площади зон их соприкосновения;

- выявлена неоднородность распределений значений площадей контактов в пределах отдельных слоев, послужившая основанием для выделения трех типов контактов по условиям соприкосновения обломков (точечных, встречающихся с вероятностью 0,7; контактов по ребру и площадных, встречающихся с вероятностями 0,2 и 0,1 соответственно);

- усовершенствована обобщенная логическая схема структуры крупнообломочной породы путем замены наиболее вероятных значений ее характеристик параметрами их распределений, положенная в основу обобщенной структурной модели массива, сложенного крупнообломочными породами (МКП)

А = f(А1) V … V f(Ап);

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

O =

А,1= f(А,1) А,2= f(А,2) С,2= f(С,2);

s,1 = s,1 V… V s,n ; (16)

V… V ;

К1 =

Fк1 = f(Fк1,I-1) f(Fк1,II-1) f(Fк1,III-1) V … V f(Fк1,I-n) f(Fк1,II-n) f(Fк1,III-n);

V V… V ;

МКП = К = К2=

Fк2 = f(Fк2,I-1) f(Fк21,II-1) f(Fк2,III-1) V … V f(Fк2,I-n) f(Fк2,II-n) f(Fк2,III-n);

V V … V ;

К3 =

Fк3 = f(Fк3,I-1) f(Fк3,II-1) f(Fк3,III-1) V … V f(Fк3,I-n) f(Fк3,II-n) f(Fк3,III-n);

П = QV WV Л;

О-К’ = f(N1) V … V f(Nп);

С =

О-П = 1 V… V n V O-Л = g1 V… V gn V О-W = w1 V… V wn.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 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.