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:   || 2 |

Геомеханическое обоснование устойчивости бортов карьеров в сейсмоактивных районах (на примере угольных разрезов кузбасса)

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи




ПАВЛОВИЧ Антон Анатольевич






Геомеханическое ОБОСНОВАНИЕ устойчивости бортов карьеров в СЕЙСМОАКТИВНЫХ РАЙОНАХ

(на примере угольных разрезов Кузбасса)




Специальность 25.00.20 Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика




Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук










Санкт-Петербург

2012

Работа выполнена в федеральном государственном
бюджетном образовательном учреждении высшего
профессионального образования Национальном минерально- сырьевом университете «Горный».


Научный руководитель:

доктор технических наук, главный научный сотрудник

Сергей Вадимович Цирель


Официальные оппоненты:


Мурат Газизович Мустафин

доктор технических наук, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», заведующий кафедрой
инженерной геодезии


Сергей Владимирович Кирюков

кандидат технических наук, ЗАО «ПитерГОРпроект»,
директор по развитию проектов-эксперт


Ведущая организация - ООО «Институт Гипроникель»


Защита состоится 31 мая 2012  г. в 13 ч. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-линия, д. 2 (boguslEI@yandex.ru), ауд. 1166.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.


Автореферат разослан 28 апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Э.И. БОГУСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность работы.

Расширение объема ведения открытых горных работ в сейсмоопасных районах России, а также рост техногенной сейсмичности во многих горнодобывающих регионах с большими объемами извлеченной горной массы (Кузбасс, Кольский полуостров, многие районы Урала) делают весьма актуальной задачу учета сейсмического воздействия на устойчивость бортов карьеров. Кроме того в нормативной литературе либо не учитывается сейсмическое воздействие, либо рекомендованы коэффициенты сейсмичности исходя из устаревшей шкалы ГОСТ 6249-52.

Наибольший вклад в обоснование и совершенствование методов и способов постановки бортов карьеров на конечный контур внесли А.И. Арсентьев, Э.Л. Галустьян, А.М. Гальперин, С.С. Голушкевич, А.М. Демин, В.Г. Зотеев, А.А. Козырев, А.М. Мочалов, М.Е. Певзнер, В.Н. Попов, Т.К. Пустовойтова, В.В. Соколовский, Ю.И. Туринцев, Г.Л. Фисенко, П.С. Шпаков, А.W. Bishop, W. Fellenius, N. Janbu, N.R. Morgenstern, V.E. Price, S.K. Sarma, E. Spenser, K. Terzaghi и др. Основной количественный метод оценки устойчивости откосов и бортов карьеров связан с вычислением коэффициента запаса, который характеризуется отношением сумм всех сил, удерживающих откос, к сумме всех сил, сдвигающих его.

Сейсмические колебания оцениваются по двенадцатибалльной шкале интенсивности MSK-64. Расчеты естественных откосов и бортов карьеров, в районах с интенсивностью 7 баллов и выше, производятся с учетом сейсмичности. В изучение проблемы учета влияния сейсмического воздействия на природные склоны и прибортовые массивы карьеров, помимо упомянутых исследователей, существенный вклад внесли Н.Н. Маслов, Е.И. Медков, С.Н. Чернышов, Р.Р. Чугаев, Г.М. Шахунянц, K.W. John, N.M. Newmark и др. Разработанные к настоящему времени методы учета сейсмической нагрузки сводят динамическое воздействие к действию стационарной силы (псевдостатический подход) или, наоборот, переносят на землетрясения методы, разработанные для оценки влияния взрывов. Таким образом, существующие методы не учитывают длительность и спектральные характеристики сейсмического воздействия. Несмотря на сходство сейсмических и сейсмовзрывных волн, такой подход может приводить к существенным ошибкам. Поэтому разработка методики оценки сейсмического воздействия на прибортовой массив карьера является актуальной.

Цель диссертационной работы. Разработка рекомендаций для обеспечения устойчивости бортов карьеров в сейсмоактивных районах.

Основные задачи исследований:

1. Анализ развития техногенной сейсмической активности в Кузбассе.

2. Обоснование критериев моделирования статических и динамических процессов на эквивалентных материалах и физическое моделирование сейсмического воздействия на прибортовой массив карьера.

3. Установление характера воздействия сейсмических волн на борта карьеров в зависимости от их частоты и длительности.

4. Разработка рекомендаций по выбору необходимого коэффициента запаса устойчивости бортов карьеров для безопасной отработки месторождений в сейсмоактивных районах.

Идея работы. При обосновании устойчивости бортов карьеров в сейсмоактивных районах необходимо учитывать преобладающий период и длительность сейсмического воздействия.

Научная новизна:

– получена закономерность временного хода техногенной сейсмоактивности, заключающаяся в увеличении на порядок частоты сейсмических событий по сравнению с естественным фоном после проведения массовых взрывов на карьерах;

– выявлен двухстадийный характер воздействия сейсмических волн на процесс сдвижения вероятной призмы обрушения, оконтуренной наиболее напряженной поверхностью скольжения, включающий стадию подготовки сдвижения и стадию оползания.

–  предложены критерии оценки вероятных последствий воздействия сейсмических волн на борта карьеров при различной интенсивности землетрясений.

Защищаемые положения:

1. Прибортовой массив угольных разрезов в регионах с развитой природной и техногенной сейсмичностью при ведении взрывных работ испытывает двухступенчатую динамическую нагрузку – от взрывных работ и от спровоцированных ими сейсмических событий.

2. Подобие при физическом моделировании совокупного влияния квазистатических и динамических процессов на устойчивость бортов карьеров обеспечивается с помощью выбора эквивалентных материалов за счет различия их упругих характеристик при динамических воздействиях разной интенсивности и аналогии механического поведения многофазных сред и горных массивов при сильном динамическом нагружении.

3. Влияние динамических нагрузок на устойчивость бортов карьеров усиливается с увеличением периода и длительности их воздействия, причем динамические нагрузки оказывают меньшее влияние, чем статические, равные им по величине.

Методы исследований. Обобщение и анализ международного опыта учета сейсмического воздействия на естественные откосы и борта карьеров. Анализ сейсмических каталогов Кузбасса. Физическое моделирование сейсмического воздействия на борт карьера. Применение стандартных и специализированных компьютерных программ для обработки результатов экспериментов.

Практическая значимость работы:

– Развитие метода учета сейсмического воздействия на устойчивость бортов карьера.

– Разработка рекомендаций по выбору необходимого коэффициента запаса устойчивости для безопасной отработки месторождений открытым способом в сейсмоактивных районах.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается соблюдением критериев подобия при физическом моделировании сейсмического воздействия на прибортовой массив карьера, статистической обработкой полученных результатов и сопоставлением с натурными данными.

Личный вклад автора заключается в анализе горно­технической литературы по существующим методам учета сейсмического воздействия на откосы и борта карьеров, с после­дующей постановкой задач исследований; в проведении экспери­ментальных исследований на базе физического моделирования на эквивалентных материалах, обработке полученных результатов с использованием различного программного обеспечения; в сравнении и анализе полученных результатов с натурными данными, в составлении рекомендаций по выбору коэффициентов запаса.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на конференции во Фрайбергской горной академии (Германия, Фрайберг, 2010 г.

), на V Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (УрО РАН Екатеринбург, 2011 г.), на международной научно-практической конференции «Наука и просвещение» (Киев, 2012 г.), на международной научно-практической конференции «Открытые горные работы XXI века» (Красноярск, 2011 г.), на XVIII Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» (Пенза, 2010 г.), на международной конференции «Современные проблемы геомеханики, геотехнологии, маркшейдерии и геодезии при разработке месторождений полезных ископаемых и освоении подземного пространства» в СПГГУ (2011 г.), на заседаниях семинаров НЦ геомеханики и проблем горного производства и научно-технического совета по работе с аспирантами университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ (3 из них в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ), подано 4 заявки на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, изложенных на 198 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 26 таблиц и список литературы из 133 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук С.В. Цирелю за помощь и поддержку на всех этапах работы. Автор весьма благодарен заведующему лаборатории моделирования НЦ геомеханики и ПГП Национального минерально-сырьевого университета «Горный», кандидату технических наук Б.Ю. Зуеву, младшему научному сотруднику В.М. Климкиной и лаборанту М.В. Грачеву, а также  доктору технических наук Е.В. Лодусу и кандидату технических наук В.А. Коршунову за большую помощь при проведении физического моделирования. Автор признателен профессорам А.Н. Шабарову и Г.И. Коршунову, кандидатам технических наук А.М. Мочалову, В.А. Смирнову и Д.Н. Лигоцкому за  проявленное внимание, многочисленные консуль­тации по диссертационной работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


В первой главе диссертационной работы выполнен анализ натурных данных о сейсмическом воздействии землетрясений, как на естественные откосы, так и на борта карьеров в России и в мире, сопоставлены отечественные и зарубежные методы их учета, сформулированы основные задачи исследований.

Во второй главе приведен анализ развития открытых горных работ в сейсмоактивных районах и нарастания техногенной сей­­смич­ности на Урале, Кольском полуострове и Кузбассе. Для месторождений Кузбасса рассмотрены их инженерно-геологические условия.

В третьей главе обоснованы критерии моделирования статических и динамических процессов на эквивалентных материалах. Определены параметры и свойства моделей с учетом критериев подобия и натурных данных. Разработано устройство, инициирующее ударное воздействие с заданной амплитудой и формой колебаний. Выполнено физическое моделирование сейсмических воздействий различной интенсивности, частоты и длительности на прибортовой массив карьера.

В четвертой главе на основе проведенных опытов обоснованы рекомендации по выбору необходимого коэффициента запаса устойчивости для безопасной отработки месторождений открытым способом в сейсмоактивных районах. Разработана методика определения уточненной интенсивности колебаний при землетрясениях для оценки устойчивости бортов карьеров. Предложен способ укрепления уступов карьеров с помощью канатно-анкерной системы в сочетании с георешеткой и сеткой.


ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Прибортовой массив угольных разрезов в регионах с развитой природной и техногенной сейсмичностью при ведении взрывных работ испытывает двухступенчатую динамическую нагрузку от взрывных работ и от спровоцированных ими сейсмических событий

Наибольшее число месторождений, разрабатываемых открытым способом в сейсмоактивных районах России, находятся в Кемеровской области. Анализ местонахождения сейсмособытий в пределах Кемеровской области показал, что они сконцентрированы в зонах активного ведения открытых горных работ (рис. 1).

На большинстве разрабатываемых месторождений применяют взрывные работы для предварительного рыхления горной массы. Взрывные работы сами по себе являются мощным воздействием на массив. Для анализа их влияния на сейсмический процесс были рассмотрены каталоги сейсмических событий, очищенные от промышленных взрывов на основании изучения сейсмограмм и учета данных, полученных от горнодобывающих предприятий, - в общей сложности 1629 сейсмических событий. Временной анализ распределения сейсмических событий в течение суток по дням недели и месяцам показал, что основная часть сейсмических событий происходит именно в часы ведения взрывных работ на горных предприятиях (рис.2).

Рис. 2. Распределение сейсмических событий в течение недели. Жирной линией показано распределение массовых взрывов в течение недели.

Данное явление наблюдалось и в других районах с развитой техногенной сейсмичностью.

2. Подобие при физическом моделировании совокупного влияния квазистатических и динамических процессов на устойчивость бортов карьеров обеспечивается с помощью выбора эквивалентных материалов за счет различия их упругих характеристик при динамических воздействиях разной интенсивности и аналогии механического поведения многофазных сред и горных массивов при сильном динамическом нагружении.

Воздействие сильных сейсмических волн на борт карьера – это одновременное протекание медленных (квазистатических) и динамических процессов, причем существенное значение имеет каждый из этих факторов. Поэтому при моделировании с помощью эквивалентных материалов (ЭМ) необходимо обеспечить подобие и тех и других процессов.

Традиционно при физическом моделировании бортов карьеров использовались большие модели из весьма слабых и пластичных ЭМ, которые могли деформироваться под собственным весом. Однако, данный способ для моделирования сейсмических воздействий на борта карьеров не подходит по ряду причин: использование механических стяжек сильно влияет на распространение волн; трудность создания однородной динамической нагрузки в модели больших размеров; ограничение количества опытов, препятствующее статистической достоверности результатов. При исследовании динамических процессов нельзя пренебречь волновыми явлениями, поэтому, в первую очередь, при моделировании необходимо обеспечить подобие деформационных характеристик массива.

Исследования деформационных характеристик ЭМ при динамических и статических режимах нагружения проводилось на моделях из песчано-эпоксиалифатических материалов с различным процентным содержанием связующего – 0,9, 1,2, 11 и 15 %. При этом гостированными методами определялись скорости упругих продольных и поперечных волн, динамические и статические модули упругости, прочность при одноосном сжатии. Опыты показали, что при прямых ультразвуковых измерениях образцов ЭМ наблюдались высокие скорости распространения волн, и различия динамических и статических модулей упругости составили 6-8 и более раз, т.е. имеет место серьезное расхождение динамического поведения модельных ЭМ и горных пород. Природа этого расхождения заключается в том, что при прозвучивании образцов фиксируется волна, распространяющаяся, в основном по твердым зернам.

Для уточнения характера поведения образцов ЭМ при сильных динамических воздействиях проводились специальные измерения деформационных характеристик с использованием нагружения ударами различных молотков, обеспечивающих регулирование силы и длительности нагрузки, и измерениями с помощью специально разработанных тензодатчиков деформаций и напряжений в образце. Регистрация показаний тензодатчиков осуществлялась с помо­­щью Крейта LTR-EU-16-1 с тензометрическими модулями марки LTR-212.

Важнейший результат проведенных опытов состоит в том, что именно при ударном воздействии динамические упругие характеристики, а также скорости волн, существенно меньше, чем при ультразвуковом прозвучивании, и, главное, отличаются от статических примерно в таких же соотношениях, как и в моделируемых горных породах. Суть различия заключается в том, что мощное динамическое нагружение включает в себя медленный процесс сжатия пор, тормозящий распространение волн. Таким образом, получена аналогия между поведением горных пород и эквивалентных материалов при динамических нагрузках (по сути, являющаяся частным случаем сходства поведения трещиноватых и пористых сред).

Чем выше скорость нагружения, тем в большей степени процессы деформации затрагивают непосредственно породный массив (твердый скелет). Чем меньше скорость нагружения, тем в большей степени деформирование происходит за счет длительных процессов сжатия трещин, газов в пузырьках, порах и трещинах, переупаковки частиц и т.д. Интенсивность нагружения (действующие напряжения) влияет в противоположном направлении – она ускоряет включение медленных процессов, что повышает их скорость, но все равно эти скорости остаются много меньшими, чем скорости деформации твердого скелета. Соотношение рассмотренных явлений в выбранных материалах обеспечивает близость отношения их динамических и статических модулей отношениям статических и динамических модулей горных пород (рис. 3) и возможность моделирования сложных процессов, совмещающих медленное и быстрое нагружение.

3. Влияние динамических нагрузок на устойчивость бортов карьеров усиливается с увеличением периода и длительности их воздействия, причем динамические нагрузки оказывают меньшее влияние, чем статические, равные им по величине.



Pages:   || 2 |
 





 
© 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.