автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Основы геометризации геотехнических условий разработки на карьерах

г | и V "

2 2 ЬВГ №

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ им. Г.ВЛПЕХЛНОВА (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ГОРДЕЕВ Виктор Александрович

ОСНОВЫ ГЕОМЕТРИЗАЦИИ ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РАЗРАБОТКИ НА КАРЬЕРАХ

Специальность 05. 15. 01 - Маркшейдерия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Уральской ческой академии.

государственной горно-геологи -

Официальные оппоненты:

докт. техн. наук, проф. Букринский В. А.

докт. техн. наук. проф. Калинченко В. М.

докт. техн. наук, проф. Падуков В. А.

Ведущее предприятие:

Государственное предприятие "Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела" (ВНИМИ)

Защита диссертации состоится п3*)п 1994 г.

в 13 час. ^ мин. на заседании специализированного Совета Д 063.15.03 в Санкт-Петербургском государственном горном институте по адресу:

199026, Санкт-Петербург,. В-26, 21 линия, дом 2, аудитория

то .

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

Автореферат разослан "у " _ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета Д 063.15. 03, к. т. н. , доцент

.Очкуров Е И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важное место в экономике России занимает сырьевая база - горнодобываюпщ промышленность, современный зтал которой характеризуется дальнейшим увеличением глубины разработки и усложнением горно-геологических условий. Многообразие разрабатываемых геологических комплексов горных пород, морфост-руктурных и инженерно-геологических особенностей месторождений, большая изменчивость прочностных свойств обусловили высокие требования к шркшейдерско-геологическому обеспечению безопасного, рационального и комплексного освоения недр.

В соответствии с Законом Российской Федерации о недрах (утв. 21.02.1992) на маркшейдерскую и геологическую службы горных предприятий возлокено проведение комплекса наблюдений, "достаточных для обеспечения нормального технологического цикла работ и прогнозирования опасных ситуаций". Тем самым подтверждена важность разработки методов оценки и прогноза изменения горно-геологических условий освоения и эксплуатации месторождений, как основы повышения безопасности и эффективности технологических процессов добычи полезных ископаемых.

Обобщение геологоразведочной, инженерно-геологической и маркшейдерской информации для решения оценочно-прогнозных задач горного производства осуществляется обычно горно-геометрическими методами. Наибольшее распространение эти методы получили при моделировании геометрии и свойств полезного ископаемого, что позволяет получать надежный прогноз структурных и качественных показателей добываемого сырья. С развитием инженерна-геологических и геомеханических исследований, широким привлечением математических методов к решению горнотехнических задач появились предпосылки для геометризации свойств не только полезного ископаемого, но и вмешгшлях пород, определяющих эффективность разработки.

Геометризация геотехнических (геомеханических и горнотехнических) условий разработки месторождений полезных ископаемых, в отличие от геометризации показателей полезного ископаемого, имеет свои объекты и задачи исследований. Особенности этих объектов обусловили необходимость разработки новых методов геометризации, наряду с использованием традиционных. Все это позволяет рассматривать геометризацию условий разработки в качестве самостоятельного направления геометризации месторождений полезных ископаемых.

Актуальность нового научного направления подтверждается многочисленными исследованиями по оценке и прогнозу геотехнических условий специалистами горно-геологических наук: маркшейдерами, геологами и горняками. В настояшэе время, наряду с обобщением результатов проведенных исследований, возникла необходимость в теоретическом и методическом обосновании способов геометризации свойств и состояния разрабатываемых породных массивов для решения задач горного производства.

Целью работы является повышение эффективности и безопасности открытой разработки месторождений полезных ископаемых путем совершенствования геолого-маркшейдерского обеспечения управления геомеханическими и горнотехнологическими процессами на основе геометризации свойств и состояния дородных массивов в различных инженерно-геологических условиях.

Основная идея работы заключается в выявлении и использовании наиболее информативных показателей физико-механических свойств горных пород и функций от них в качестве основных объектов геометризации геотехнических условий разработки месторождений полезных ископаемых.

Задачи исследований:

1. Определить цель, задачи, предмет, объекты и методы геометризации геотехнических условий разработки месторождений.

2. Разработать методы исследования пространственной изменчивости физика-механических свойств горных пород и методику оптимизации объемов полевых и лабораторных инженерно-геологических изысканий, обеспечиваюпую надежную оценку и прогноз характеристик горнотехнологических и геомеханических процессов на карьерах.

3. Установить законы распределения показателей прочностных свойств горных пород, оценить параметры пространственной изменчивости свойств пород на рудных карьерах.

4. Разработать методику балльной оценки устойчивости откосов в сложных инженерно-геологических условиях.

5. Определить и исследовать элементы горно-геометрического районирования карьерных полей по условиям устойчивости бортов и основных технологических процессов.

Ыетоды к объекты исследований. Методическую основу исследований составляет комплексный подход, при котором горно-геологические, геомеханические и горнотехнологические показатели породного массива рассматриваются как взаимосвязанная система. Для изучения свойств системы использовались методы нескольких горно-геологических наук: маркшейдерии, горного дела, инженерной геологии и гидрогеологии, физики горных пород и горной геоыехакики. Основными методами исследований являлись: анализ и научное обобщение отечественного и зарубежного опыта геометризации месторождений полезных ископаемых, лабораторные исследования физико-механических свойств горных пород, метод предельного равновесия, гео-

метрическое и имитационное моделирование, статистические методы дисперсионного, регрессионного, конфлюентного и автокорреляционного анализов случайных полей, матричное исчисление, методы максимального правдоподобия и наименьших квадратов.

Объект исследований - инженерно-геологическая, геологоразведочная и маркшейдерская информация о показателях геотехнических условий открытой разработки месторождений. Экспериментальные исследования проведены на карьерах комбината "Ураласбест", Сорского молибденового комбината и медно-молибденового ГОКа "Эрдзнэт".

Научные повешения, выносимые на защиту.

1. Геометризация геотехнических условий разработки месторождений полезных ископаемых - самостоятельное научно-прикладное направление горно-геологических наук, предметом которого является математическое списание и графическое изображение свойств и состояния разрабатываемого породного массива.

2. Основной метод геометризации геотехнических условий открытых горных работ заключается в районировании карьерного поля -выделении и графическом изображении границ участков поля, харак-теризуюпщея статистически одинаковыми значениями показателей устойчивости откосов и разрабатываемости породного массива. Комплексные показатели районирования должны иметь статистические или детерминированные связи с физическими свойствами горных пород.

3. При изучении пространственной изменчивости показателей физико-механических свойств горных пород следует выделять межинтервальную (закономерную) и внутриинтервальную (случайную) составляющие изменчивости, соотношение между которыми определяет тип математической модели размещения геометризуемого показателя в недрах и методику районирования карьерного поля.

4. Статистические свяаи между показателями физико-механических свойств горных пород необходимо исследовать с помощью конфлюентного .анализа, позволяющего учитывать случайный характер всех переменных регрессионной модели. При анализе паспорта прочности горных пород следует определять коэффициент корреляции между показателями сцепления и угла внутреннего трения.

5. В качестве показателей районирования карьерного поля по геомеханическим условиям следует принимать геометрические параметры устойчивых откосов или коэффициент устойчивости откоса, выраженный через систему балльных оценок природных и горнотехнических факторов.

6. Геометризация горнотехнических условий на карьерах должна проводиться на основе классификаций породню? массивов по степени разрабатываемости (буримости, взрываемости и зкс-каЕируемости), взаимоувязанных со значениями показателей физико-механических свойств пород и позволяющих решать технологические и экономические задачи горного производства.

Обоснованность к достоаергюсть научных тлшшшй, яшадов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются:

- теоретическими разработками, базирующимися. на фундаментальных положениях горного дела, физики горных пород, инженерной геологии, геометризации недр;

- представительностью статистических выборок, использованию: при анализе законов распределения и характеристик, изменчивости физико-механических свойств горных пород;

- сопоставимостью результатов теоретических исследований с результатами геометрического, статистического и' иштационного моделирования геотехнических условий разработки месторождений;

- удовлетворительной для практических целей точностью оценки и прогноза свойств и состояния разрабатываемого породного массива;

- положительными результатами практического использования разработанных методик и рекомендаций по геомэтризации карьерных полей для ряда месторождений.

Научная новизна:

1. Доказана необходимость и возможность исследования с помощью методов дисперсионного и конфлюентнсго анализа пространственных и факторных полей показателей физико-механических свойств горных пород. На основе метода максимального правдоподобия развита теория получения оценок составляющих наблюдаемой изменчивости показателей свойств пород с учетом особенностей получения геологической информации.

2. Предложен алгоритм геометркзации многофакторного комплекса показателей свойств и состояния разрабатываемого породного массива на карьерах, включавший этапы подготовки геомеханической информации, построения математической модели комплексного показателя изучаемого процесса и составления прогнозной карты, отражающей развитие процесса во времени.

3. Дифференцировано влияние различных природных и горнотехнических факторов на устойчивость карьерных откосов; получены аналитические выражения и графо-аналитические зависимости между геометрическими параметрами и показателями устойчивости откосов (углом, высотой, коэффициентом устойчивости) и показателями физико-механических свойств горных пород; доказана необходимость учета ковариации между прочностными свойствами при оценке дисперсии показателей устойчивости откосов.

4. Заложена теоретическая основа для создания балльных систем оценки устойчивости откосов в сложных инженерно-геологических условиях. Разработана методика применения балльной системы для геометризации геомеханических условий на карьерах.

5. Исследована методика районирования карьерного поля по горнотехническим условиям разработки породного массива, основанная на классификациях горных пород по трудности бурения, взрывания и экскавации, объединенных между собой по значениям покззате-

лей физика-механических свойств пород. Получены эмпирические зависимости между показателями разрабатываемости породного массива и показателями физико-механических свойств горных пород.

6. Разработана методика оптимизации объемов инженерно-геологических изысканий применительно к конкретным геомеханическим задачам, обеспечивающая минимум затрат на полевые и лабораторные работы.

7. Разработаны основные положения по составлению нового вида горной графической документации - прогнозных карт районирования карьерных полей по условиям устойчивости бортов, бурения, взрывания и экскавации горных пород.

Личинй вклад автора заключается в постановке всех задач исследований и разработке методов их решения; организации, методическом руководстве и личном участии в выполнении полеЕых, лабораторных и аналитических исследований; разработке алгоритмов и программ по дисперсионному, регрессионному и конфлюентному анализам, оценке устойчивости карьерных откосов, имитационному моделированию геомеханических процессов; теоретическом решении вопросов статистической обработки геолого-маркшейдерской информации; обосновании принципов построения балльной системы оценки устойчивости откосое; определении и исследовании элементов районирования карьерных нолей по геомеханическим и горнотехнологическим условиям разработки; обобщении и уточнении классификаций породных массивов по трудности бурения, взрывания и экскавации.

Научное зиачениэ . работа состоит в развитии горно-геометрического метода решения геомеханических и горнотехнических задач, установлении закономерностей размешэния показателей физико-механических сзойств горных пород, совершенствовании методов математической обработки маркшейдерско-геологической информации, разработке экспресс-методов оценки устойчивости карьерных откосов и совершенствовании классификаций горных пород по трудности ведения буровзрывных и зкекавационных работ. Научные результаты исследований могут найти применение в теории геометризации показателей полезного ископаемого и геотехнических условий открытой, а также подземной разработки месторождений, в смекных с маркшейдерией горно-геологических науках - инженерной и горнопромышленной геологии, физике горных пород, технологии открытой и подземной разработки ЩИ, горной геомеханике.

Практическое значение диссертации заключается в разработке методического обеспечения гбометризация геотехнических услсв*т разработки месторождений полезных ископаемых, которое включает:

методику оптимизации инженерно-геологических изысканий, позволяющую сократить объемы буровых работ, полевых и лабораторных испытаний образцов горных пород при определении показателей физико-механических свойств;

методику сбработки маркшейдерско-геологической информации,

учитывающую внутри- и межинтервальную вариации показателей физико-механических свойств пород, позволяющую повысить точность и оценивать надежность решения геомеханических и горнотехнических задач;

методику упрощенных способов оценки геомеханических процессов на карьерах, позволяющую без привлечения вычислительной техники с достаточной для практических целей точностью определять геометрические параметры устойчивых откосов и коэффициент устойчивости;

обобщенные классификации горных пород по трудности разработки, позволяющие создавать на их основе частные классификации для различных месторождений;

методику картирования карьерных нолей по условиям геомеханических и горнотехнологических процессов, позволявшую унифицировать горную графическую документацию, принимать мери по предупреждению деформаций, обоснованно планировать ,расход материалов для ведения горных работ, выбирать тип горного оборудования, нормировать оплату труда рабочих на основных добычных процессах.

Реализация выводов и рекомендаций работ Разработанный метод геометризации геотехнических условий освоения месторождений использован при построении прогнозных карт районирования карьерного поля Баженовского месторождения хризотил-асбеста по условиям устойчивости бортов карьеров, по буримости, взрываемости и экска-вируемости горных пород, что позволило обосновать выбор мест заложения наблюдательных станций за деформациями откосов, обеспечить горнотехническую и геолого-маркшейдерскую службы комбината "Уралаебест" информационной и графической основой для планирования горных работ. Методы обработки инженерно-геологической информации и построения геомеханических моделей использованы на карьерах Сорекого молибденового комбината и ГОКа "Эрдзнзт", что позволило повысить достоверность рекомендаций по углам погашения бортов и обосновать выбор мер по предупреждению деформаций откосов.

Элементы теоретических и методических разработок диссертации внедрены в учебный процесс Уральской'государственной горно-геологической академии при чтении курсов "Маркшейдерское дело", "Геометрия недр", "Горная геомеханика", "Математические методы и модели в горном деле", "Математическая обработка результатов измерений" для студентов специальности 090100 "Маркшейдерское дело",а также используются в курсовом и дипломном проектировании, отражены в учебных и учебно-методических пособиях автора.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "йэтоды и технические средства контроля и прогнозирования проявлений горного давления" (Гай, 1979), научно-технических конференциях специалистов УНЦ АН СССР (Сверд-

ловок, 1980) и института УНИИРОМЕДЬ (Свердловск, 1982), III областном семинаре "Применение математических методов и ЭВМ в геологии" (Новочеркасск, 1983), Всесоюзном научно-техническом совещании "Научно-технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдеретой службы на горных предприятиях страны" (Свердловск, 1984), I, II и III Всесоюзных семинарах по проблемам разработки месторождений в условиях высокогорья (Фрунзе, 1987, 1990, 1991), XXXIX. Швдународном съезде горняков и металлургов (Фрайберг, 1988), IX Всесоюзной конференции по механике горных пород- -(-Бишкек, 1S89), X Международной конференций""^"механике горных пород (Люберцы, 1993), научно-технических конференциях Свердловского горного института (1979-1990), научно-технических советах комбината "Ураласбест" (1981, 1986), института УШПРОМЕДЬ (19SS), на кафедре маркшейдерского дела Фрайбергской горной академии (при прохождении десятимесячной научной стажировки в ГДР в 1987-1938 г. г. Науч. рук. проф. X. Майкснер).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 работ, в том числе два учебных пособия и две брошюры. Результаты исследований изложены в 9 научных отчетах.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 319 страницах машинописного текста, включая 33 рисунка, 28 таблиц, список использованной литературы из 228 наименований.

Работа выполнена на кафедре маркшейдерского дела Уральской государственной горно-геологической академии по результатам 5 хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ, в которых автор участвовал в качестве ответственного исполнителя и научного руководителя.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Теоретические основы геометриаацни геотехнических условий разработки на карьерах

1. Геометризация геотехнических условий разработки месторождений полезных ископаемы* - самостоятельное научно-прикладное направление горно- геологических наук, предметом которого является математическое описание и графическое изображение свойств и состояния разрабатываемого породного массива.

Современная геометрия недр изучает на основе математических методов структурно-качественные показатели полезного ископаемого и Емещаюпщх горных пород, способы их графического изображения и построения прогнозов для решения геологоразведочных и горнотехнических задач. Возникшая б начале века, как раздел маркшейдерии в трудах П. М. Леонтовского, В. й. Баумана и особенно

П. К. Соболевского, геометрия недр развивается на стыке геологических и горных наук.

Одним из направлений геометрии недр является геометриэация месторождений полезных ископаемых (ШК), под которой понимают построение математических моделей горно-геологических условий разработки месторождений. К основным компонентам горно-геологических условий относят:

физико-географические условия (климат, гидрологические и орографические условия местности);

геологические условия (состав, строение, условия залегания полезного ископаемого и вмещающих пород);

гидрогеологические факторы (условия залегания подземных вод, гидродинамические показатели водоносных горизонтов);

геодинамические условия (тектоника месторождения, сейсмические, карстовые и криогенные явления);

горнотехнические факторы (способ разработки месторождения, особенности физических процессов горного производства);

качественные показатели полезного ископаемого и вмещаицих пород (содержание полезных и вредных компонентов, физические, химические и горнотехнолопгческие свойства).

Геометриэация МПИ - .важнейший элемент геолого-маркшейдерского обеспечения управления качеством полезного ископаемого и физическими процессами горного производства. В зависимости от задач и объектов моделирования целесообразно выделить два направления -геометризацию полезного ископаемого и геометризацию геотехнических условий разработки месторождения, понимая иод последними совокупность геомеханических и горнотехнологических показателей полезного ископаемого и вмеп^шщих пород, определяющих устойчивость горных выработок и разрабатьваемость породного массива.

Главное внимание при геометризации МШ уделяется моделированию формы залежи и качественных показателей полезного ископаемого, т.к. на основе построении горно-геометрических моделей решаются первоочередные задачи разведки, проектирования и эксплуатации горного предприятия - оценка запасов месторождения, обоснование схемы вскрытия, выбор системы разработки, управление качеством полезного ископаемого и др.

- Значительный вклад в развитие теории и практики геометриза-цш полезных ископаемых внесли представители отечественной маркшейдерской школы: проф. П. А. Рыжов, Д. А. Казаковс-кий, М. Л. Рудаков,

A. А. Трофимов, Г. И. Вилесов, И. Н. Ушаков, И. В. Францкий, Е А. Еукрин-ский, П. Я Кудряше в, А. И. Осецкий, П.П. Бастан, В. М. Гудков, В. И. Кузьмин, А. М. Марголин, Е. П. Тимофеенко, С. Г. Могильный, ЕА.1фратов,

B. В. Ершов, И. И. Ватутина, В. М.КаЛинченко, В. И. Стрельцов, а Е Зарайский, А. К. Нурманкожаев, Е В. Чемезав и др. Шогие вопросы гео-.метризации полезных ископаемых рассматривали,также специалисты в области разведочной геологии и горного дела: проф. А. Б. Каждан,

В. С. Хохряков, Е Ф. Мягков, Е А. Шехтман, Я. М. Адигамов, Л. И. Четвериков, Г.Г.Ломоносов, В. И. Раевский, Е. ЕАзбель, 3. Г. Борисенко, В. И. Щеглов, Е Г. Шитарев, А. Д. Еектыбаев, А. А. Лисенков и др.

Дальнейшая интенсификация проходческих и добычных работ с повышением уровня их механизации и совершенствованием технологических схем, переход на большие глубины и осложнение горно-геологических условий разработки поставили перед геолого-маркшей-дерс(£ой службой задачу разработать методы геометризации геотехнических свойств руд и вмещающих горных пород как условие эффективной и безопасной-эксплуатации месторождений.

Особенную актуальность эта проблема приобретает на открытых горных разработках, где вмещающие породы занимают большую часть объема извлекаемой горной массы, а свойства вмещающие пород определяют важнейшие параметры карьера и элементы системы разработки.

Геометризацией геотехнических условий разработки месторождений занимаются с 1950-60-х годов. Объектами горно-геометрического анализа становятся грещгаговатость (Й. Е Ушаков, ЕЕКуваев, В. Г. Зотеев, В, Я, Борд-Компониец, А. Ж. Папанов, В. Е Попов) и прочностные свойства горных пород (Е А. Букринский, Я И. Протопопов), гидрогеологические условия (Б. И. Беляев, К. И. Фоменко). Для месторождений строительных материалов актуальной становится задача геометризации блочности породного массива (ЕТ. Бакка, Г. В. Орлов, Е. Е Киселевский, В. В. Никитин). В связи с динамическими проявлениями горного давления кз больших глубинах, возникла необходимость геомэгризации напряжений а массиве (А. И. Ильин, И. М. Ватутина). Наметился переход от геометризации отдельных свойств горных пород к геометризации показателей физических процессов горного производства - устойчивость горных выработок на открытых и подземных работах (В. Е Попов, П. С. Шпаков, В. В. Фромм, В. С. Сероштан, А. М. Потере лов), буримости и взрываемости горных пород (Б. Е Кутузов, А. Е Дмитриев).

Горно-геометрическое моделирование условий разработки в теоретическом аспекте имеет много общего с проблемами регионального инженерно-геологического прогнозирования. В этом смысле, отдельные вопросы геометризации геотехнических условий рассматривали представители отечественной инженерно-геологической еколы : проф. Е В. Коломенский, Г. К. Еондарик, М. В. Рац, Г. А. Сулакшина, В. Т. Трофимов, Б. В. Смирнов, С. В. Ухов, С. Е Чернышев, Е. И. Рогов, Ш. Ш. Загиров,

A. А. Варга, Е П. Огоноченко, Е. Е Коломенский, Е Л. Шэшеня, Т. Хржан,

B. И Пендин, А. С. Зайцев и др.

Практика геометризации геотехнических условий разработки выявила отличительные от геометризации полезных ископаемых особенности:

многомерность объектов геометризации, обусловленная влиянием на показатели физических процессов большого числа параметров горных пород;

высокая изменчивость показателей прочностных свойств пород, существенно снижающая точность горно-геометрических моделей;

ограниченность объемов исходной геологической информации о вмещающих горных породах вследствие ее второстепенное™ и высокой стоимости изыскательских работ;

необходимость в исследовании структуры породного массива, выявлении и картировании границ распространения различных в геотехническом отношении вмешдада пород;

....... многообразие решаемых задач, каждая из--которых требует разработки отдельной методики геометризации и привлечения специальных знаний горно-геологических наук.

Структурная неоднородность породного массива, наличие контактного и масштабного эффектов приводят к нарушению условий однозначности и плавности изменения показателей, что ограничивает применение метода изолиний, основного при геометризации полезных ископаемых. Технические особенности инженерно-геологических изысканий, в том числе высокая стоимость работ, не позволяющая получать большие объемы информации о свойствах породного массива, накладывают ограничения и на использование статистических методов обработки исходных данных. В частности, при изучении пространственной изменчивости показателей прочности горных пород приходится отказываться от широко применяемых при геомэтризации полезных ископаемых автокорреляционного, гармонического и многофакторного дисперсионного анализа

Прикладное значение геометризации геотехнических условий разработки заключается в обеспечении оптимального управления геомеханическими и технологическими процессами горного производства на основе построения и использования пространственных и факторных горно-геометрических графиков, отрамающх изменение комплексных показателей этих процессов в координатах пространства и времени.

Для решения прикладных вопросов геометриаации геотехнических условий разработки необходимо развитие теоретических и методических исследований по следующем направлениям:

анализ функций размещения показателей физико-механических свойств горных пород;

оценка изменчивости и изученности геотехнических параметров месторождений;

оптимизация объемов горно-геологической информации; конфлюентный анализ связей между показателями свойств породного массива;

совершенствование методов районирования шахтных и карьерных шлей по условиям геомехзнических и горнотехнолагических процессов;

оценка точности прогнозов по торно-геометрическим моделям физических процессов горного производства.

2. Основной метод геаметризации геотехнических условий открытых горных работ зшслшзется в районировании карьерного толя -наделении и графическом изображении границ участков шля, характерна уетщосея статистически одинаковыми значениями показателей устойчивости откосов н рирабатывасмости породного массива. Комплексные показатели районирования долины теть статистические или детерминированные свази с фкаичесгскми свойствами горньи пород.

Главньш результатом геометризации ЫГШ является геометрическая (графическая) модель шахтного ими карьерного поля, отражающая изменение величины выбранного показателя в пространственных координатах. В зависимости от назначения модели геометризуе-мыэ показатели могут быть частными или комплексными.

Частные показатели характеризуют какое-либо одно свойство залежи полезного ископаемого или породного массива: содержание полезного компонента, мощность залежи, плотность породы и т. п. В ряде случаев геомзтрической модели размешэния частного показателя достаточно для решения производственных задач. Так, широкое использование при проектировании и эксплуатации месторождений нашли гипсометрические планы залежи, планы изосодержаний полезных и вредных компонентов, карты трещноватости и др.

Комплексные показатели представляй? собой функции от частных показателей, которые в этом случае будем называть информативными параметрами. В практике геометризации полезного ископаемого строят геометрические модели линейных запасов, коэффициента вскрыш, мощности залежи к др. Комплексными показателями при геометризации условий открытой разработки ММ являются характеристики устойчивости уступов и боргов карьеров, показатели буримости, взрывае-мости и зкскавируемости горных пород.

Основным методом геометризации геотехнических условий открытой разработки МПИ является районирование карьерного поля, т.е. разделение его на участки с одинаковыми геотехническими условиями, олредедякщими единый подход к проектированию и организации горных работ. В состав операций (элементов) районирования входят: выбор показателя районирования;. установление информативных параметров и изучение их пространственной изменчивости; исследование влияния информативных параметров на показатель районирования; оптимизация объемов измерений информативных параметров; сбор и оценка информации; расчет показателя районирования и его погрешности; выбор критерия районирования;составление прогнозной карты.

Практически районирование выполняется в следующем порядке. Первой, к весьма ответственной задачей, является выбор показателя районирования - некоторой интегральной величины, в совокупности отражающей объект геометризации.

В качестве показателей горно-геометрического районирования лучке всего принимать параметры (характеристики) геометризуемого процесса. Например, при геометризации карьерного поля по геомеха-

ническим условиям районирующая: показателями могут быть геометрические параметры уступов иди бортов карьера, коэффициент устойчивости откоса и т. п. В этом случае прогнозная карта может использоваться для решения различных технологических задач как при проектировании, так и при эксплуатации месторождения.

Расчет показателя районирования производится по известному аналитическому выражению, отражающему установленные функциональные или статистические связи показателя с физико-механическими свойствами породного массива и его структурой. Так, для расчета коэффициента устойчивости откоса необходимо знать объемный вес, сцепление и угол внутреннего трения для всех типов горных пород в составе призмы возможного обрушения, а также элементы залегания поверхностей ослабления и их прочностные свойства. „ Сведения о пространственном размещении информативных пара-

^ метров (аргументов функции показателя районирования) получают по данным инженерно-геологических изысканий и специальных научных исследований, выполняемых по заявкам предприятий. Планирование объемов изысканий и обработка полученного материала производится по специальной методике, предусматривающей выявление характера пространственной изменчивости показателей физико-механических свойств горных пород и оценку составляющих этой изменчивости (закономерной и случайной).

Исследование пространственной изменчивости показателей физико-механических свойств пород (основных информативных параметров

объекта гвометризации) - ответственный элемэнт горно-геометрического районирования. При стационарном характере размещения показателей свойств в пределах лктотипа в составе породного массива, принимается модель локально-однородного случайного поля, в противном случае (нестационарное размещений) принимается модель локально-коррелированного поля. Локальность полей размещения показателей свойств горных пород указывает на возможную статистическую неоднородность показателей для различных литотипов и наличие контактного эффекта, который выражается в разрыве изолиний показателя или скачкообразном изменении параметров его распределения при переходе от одного литотипа к другому.

При геометриэации условий разработки ЫПИ используются математические метода- дифференциальный анализ влияния информативных параметров на изменение величины показателя районирования, статистические методы оценки показателей изменчивости информативных параметров, конфлюентный анализ связей между информативными параметрами, оптимизация объемов полевых и лабораторных работ на основе вероятностных критериев, оценка точности показателя районирования.

Влияние информативных параметров на изменение показателя районирования можно оценить с помощью баллов. В этом случае показатель районирования выражается суммой баллоЕ (аддитивной балльной

оценкой), которая характеризует суммарное влияние различных факторов на объект геокзтриззции.

Районирование по балльным показателям отличается простотой, возможностью шире использовать метод изолиний, но имеет пониженную точность вследствие потери части информации об изменении показателей фиаико-механических свойств, заключенной в первичных данных, а также из-за линеаризации функции показателя районирования. Балльное районирование часто используется в инженерной геологии, однако при этом сумма баллов не связывается функционально с параметрами технологических процессов и лишь в относительной мере характеризует выделенные участки по сложности инженерно-геологических условий.

На заключительном этапе геометривации производится построение прогнозных карт. Основой для их составления служат маркшейдерские планы, геологические карты и разрезы месторождения, а такда результаты инженерно-геологических изысканий.

Функция изменения показателя районирования изображается в зависимости от характера размещения информативных параметров. При нестационарном размещении используется метод изолиний, в случае локально-однородных случайных полей для каждого литотипа породного массива указывается среднее значение показателя и его погрешность. Литотшы с равными в статистическом смысле значениями показателя районирования объединяются.

Для ввделэния однородных по условиям разработки участков карьерного поля используются специальные критерии районирования, величина которых определяется погрешностью геометризации и назначением прогнозной карты. Например, при районировании карьерного поля по условиям устойчивости откосов, целесообразно выделить участки, для которых показатель районирования, с учетом погрешности его оценки, окажется меньше нормативного значения. Для таких потенциально неустойчивых участков карьера в процессе эксплуатации требуется постановка маркшейдерских инструментальных наблюдений за деформациям! откосов, разработка мероприятий по укреплению, либо внесение изменений в проект.

Величина погрешности картирования зависит от. качества положенной в основу геометризации функции показателя районирования и вариации информативных параметров. Бри нестационарном режиме изменчивости погрешостью геометризации определяется высота сечения изолиний показателя районирования.

Щзи геометризации параметров технологических процессов горного производства, когда целесообразно выделять породные комплексы с одинаковой категорийностью по условиям разработки, погрешность геометризации определяется достоверностью отражения контактов горных пород на геолого-структуркых разрезах в контуре прошдшенных: запасов.

3. При изучении пространстиеикой изменчивости пшааате.вей фкаико-иеханичесюа свойств горяш пород следует наделить ькявдн-тервальнун (закшомернун) и ннутрюап'ериалыгуи (случайную) составлякцие изменчивости, соотношение мсмду которыми определяет тип юхемэтической модели размещения геометриауешго показателя в недрах и методику районирования карьерного таля.

Показателифизико-механических свойств горных пород являются основными информативными параметрами объектов геометризации. Успешое применение статистических методов для их моделирования во многом определяется законом распределения, знание которого позволяет использовать при построении интервальных оценок, в дисперсионном и конфлюентном анализе методы и критерии параметрической статистики, существенно более мощще, чем непараметрические. В свою очередь, на теории интервального оценивания базируется планирование необходимого объема экспериментальных определений физико-механических свойств в зависимости от требуемой относительной погрешности решающей функции в геомехакических и горнотехнических расчетах.

Для установления закона распределения основных показателей физико-механических свойств горных пород (плотности, сцепления, утла внутреннего трения, пределов прочности при сжатии, растяжении и срезе) автором исследованы 166 выборок по 50 типам гарных пород - магматических, метаморфических и осадочных. Выборки содержали от 10 до 500 элементов. Исходные данные принимались из литературных источников и по результатам выполненных на ряде месторождений исследований.

Проверка по критерию Дейвида показала, что гипотеза о нормальном законе распределения не отклоняется ка 52-ном уровне для 98 % выборок магматических пород, 93 X метаморфических пород , 83 % осадочных пород, и может быть принята за основу при дальнейших исследованиях. Диапазоны изменения коэффициентов вариации: для плотности породы Ч^ = 3... 6 %, для угла внутреннего трения Ч^ -около 10 для сцепления V = 30... 50 для пределов прочности Ге = 30... 50 %.

Показатели относительной изменчивости сеойств для магматических пород оказались меньше,чем для осадочных. Для последующих расчетов в качестве "нормативных" коэффициентов вариации принимались по всем типам пород: ^ = 5 X, = 10 X, Гс = 40 %.

Основной информацией для изучения пространственной изменчивости физико-механических свойств горных пород являются результаты лабораторных испытаний образцов, изготавливаемых из столбиков керна (проб), извлеченных при бурении геологических скважин. Длина пробы (интервал) редко превышает 1 м, число образцов в пробе -от 2 до 12, расстояние между пробами - от первых до десятков метров.

В общем разбросе результатов испытания отдельных обраэцов от

генеральной средней предложено выделять три составляющих: показатели мэжинтервалькой бк и внутриинтервальной изменчивости ©в , а также погрешность лабораторных исследований пл. Межинтервальная изменчивость обнаруживается по разбросу средних значений информативного параметра в отдельных пробах, ее наличие указывает на нестационарный характер размещения параметра в границах литотипа. Под внутриинтервальной изменчивостью понимается разброс результа-' тов испытаний образцов, взятых из одной пробы, относительно среднего значения. Наличке внутриинтервальной изменчивости указывает на неоднородность строения породы в объеме пробы.

Соотношение между показателями изменчивости определяет тип математической модели размещения информативного параметра в пределах литотипа: локально-однородное случайное поле (вм = 0), локально-коррелированное случайное поле * 0). Для исследования пространственной изменчивости показателей физико-механических свойств пород предложено применять однофакторный дисперсионный . анализ результатов лабораторных испытаний образцов, в котором дисперсия средних значений показателя для каждой пробы описывается моделью:

62= 6* +( <5* + тл)/ п , (1)

i г а

где 6 - наблюдаемая межинтервальная дисперсия; б и ба - "природная" межинтервальная и внутргоштервалъная дисперсии; и - число

О^»« ГТ^Г! Г» ПППЙЛ

ииусьоцихэ Д И^уи^сГ.

Наличие межинтервальной изменчивости устанавливается при выполнении неравенства:

О / 0 > Р

<р ОСТ

(2)

где к - число проб; N - общее число образцов; ¥ - квантиль распределения Фишера; и

соответственно факторная и остаточная дисперсии в классическом 'изложении дисперсионного анализа.

Для оценки показателей внутри- и межинтервальной дисперсии принят нормальный закон распределения свойств и использован метод максимального правдоподобия. В случае равного числа образцов в пробах:

ез = О

в ОСТ

= (в

ф

О )/П

ост

(3)

При неравном объеме образцов л ■

оценки средних значений , а такие внутри-

показателя в ] - ой пробе XJ и литотипе х и межинтервальных стандартов рассчитываются по формулам:

</ ¿=» ^ <1

2

6 = 8

■ к 2:

<и

¡г. ■ 4

-X (*-

А

/ И . (4)

1»Гг*б!)/2:б.г, бг - ег + ег / п., (5)

<1 ^ J </ м * л

е2 - б2 - £ {[(х -х)г~в* (6)

Дисперсионный анализ использован автором при изучении изменчивости показателей физико-механических свойств на уровнях: образца, пробы, литотипа и породного комплекса. За редким исключением основной составляющей изменчивости на уровне образца является внутриинтервальная изменчивость; на уровнях пробы и литотипа обе составляющие встречаются в различных соотношениях, хотя возможно отсутствие межинтервальной изменчивости. Как правило, подтверждается нестационарность информативных параметров для породных комплексов.

Результаты дисперсионного анализа хорошо подтверждаются методами, основанными на использовании аппарата формул теории случайных функций. Однако применение теории случайных функций для обработки геомеханической информации осложняется по ряду причин. Во-первых, требуются достаточно большие, объемом в несколько десятков проб, реализации случайных процессов по различны),! направлениям или скважинам. Бо-вторых, приходится осреднять результаты испытаний образцов по пробам и при этом терять основную часть без того скудной информации о внутриинтервальной дисперсии.

В диссертации рассмотрены алгоритмы обработки случайных процессов, стационарных как по значениям, так и по приращениям. Предложены критерии для определения радиуса корреляции этих процессов, необходимые для оптимизации интервалов опробования. Составлен график для оценки параметров структурной функции при неравномерном опробовании породного массива.

При наличии межинтервальной изменчивости физико-механических свойств предлагается использовать взвеиенный регрессионный анализ для построения модели пространственного изменения геометризуемого показателя. Вектор параметров модели необходимо оценивать параметрическим способом МНК-уравнивания:

а = (ХТ Р X)'ХТР с , (7)

где * - матрица значений частных производных модели по параметрам; с - вектор значений геометризуемого показателя в точках опробования. Элементы диагональной матрицы весов Р вектора с рассчитываются с учетом показателей внутри- и межинтервальной изменчивости:

р - ( 6* + в/ / п.).' (8)

</ е <1

Мзтодика регрессионного анализа включает также проверку значимости вектора параметров модели а и расчет погрешности геометризации.

4. Статистические связи медду показателями физико-механических свойств горньк парод необходимо исследовать с помсщью конфгавезтюго анализа, шзволктарго учитывать случайный характер всех перемеккьк регрессионной модели. При анализе паспорта прочности горных пород следует определять коэффициент корреляции между показателями сцепления и угла внутреннего трения.

Классический регрессионный анализ, используемый при описании пространственного размещения геометризуемых показателей, оказывается непригодным для моделирования многомерных систем случайных векторов исходных данных. Такая ситуация возникает при геометризации факторных полей, когда все переменные регрессионной модели. оказываются случайными величинами. Примеры поиска зависимостей между случайными переменными встречаются как при геометризации показателей полезного ископаемого (связь между содержаниями различных компонентов руды), так и при геометризации показателей геотехнических условий разработки ЫПИ (связи между параметрами свойств горных пород, построение паспорта прочности).

Сложность конфлюентного анализа (так называют регрессионный анализ моделей со случайными переменными) определяется числом параметров модели, ее видом (линейная или нелинейная по параметрам) , а также числом переменных. Автором предложен и программно реализован следующий алгоритм многопараметрического конфлюентного анализа.

Например, для нелинейной по параметрам модели с двумя случайными переменными X к У составляется вектор ошибок:

Л - Г ... , , х ) - у , (9)

о о

где а/ , ... , ак - приближенные значения параметров модели, предварительно получаемые по формуле (7).

При условии некоррелированности ошибок векторов л и у весовая матрица вектора д представляется диагональной матрицей, ненулевые элементы которой рассчитываются по формуле:

г -<

р=рр[р+р ({¡л/Ох) 3 . (10)

л зс а у

Вектор поправок к приближенным значениям параметров оценивается из выражения:

« = - Д V

(11)

где Г = й (&Рь )/ба ,

л

18

А = ОГ/аа .

Стандартные отклонения оценок параметров та и прогнозных значений модели в у рассчитываются с использованием ковариационной матрицы <2

Л

г „ г 4 7

1 • • -у

и = д< <2 , ш = /« г (? г , (12)

« а V а

где <? = (АТ)~'(ГГР~'Р + гУ1'гч )А ,

« ж X ос У У У

Г = ЛУсйг , Р = , г = ¿У/йа , /иг ^ (А Р й )/(Ы-к)

гг я а

Особенность алгоритма заключается в численном дифференцировании при определении элементов матриц г , Г , И , , ^ , что стало возможным с использованием ЭВМ. Частным случаем конфлю-ентного анализа при = 0 является классический регрессионный

анализ, а при ~ следует говорить об ортогональной рег-

рессии, которая иногда применяется в горно-геометрическом акали-ве. В случае множественного конфдюентного анализа, когда число случайных переменных более двух, формулы (9)-(12) известным образом усложняются.

С помощью конфдюентного анализа установлены статистические связи между показателями прочностных свойств горных пород, в дальнейшем использованные при геометризации технологических процессов:

е - (о,озв ± о^ооб) е

VI6)

т = (0,198 ± 0,014) ©

где , , - соответственно пределы прочности пород

при растяжении, сжатии и срезе.

Предложено применять конфдюентный анализ для оценки показателей прочности породы по результатам испытаний в срезных приборах. Стандартные методы обработки данных основаны на иЬпользова-нии классического регрессионного анализа, при этом не учитывается случайный характер касательной составлявшей рагрувшщгй нагрузки. Получены формулы для оценки точности показателей сцепления и угла внутреннего трения, а также для расчета коэффициента корреляции между этими показателями.

Установлено, что регрессионный анализ может приводить к завышенным на 20 % оценкам показателя и к заниженным до 10 % оценкам угла внутреннего трения и показателей изменчивости прочностных свойств. Коэффициент корреляции между показателями сцепления и угла внутреннего трения изменяется в пределах от -0,80 до -0,95, неучет этого обстоятельства приводит к существенному завышению фактических погрешностей коэффициента устойчивости откосов.

Разработана методика оценки внутри- и ме»интервальной изменчивости показателей сцепления и угла внутреннего трения по результатам испытаний образцов на срез. Расчет показателей изменчивости- производится по формулам:

для сцепления

£ (п - п £ п(С-С/

в2 ., -, = '•> *- ; (14)

® ¿П.-г к м к-1

г< <>

для угла внутреннего трения

-

, 2Г (п.- 2)в* п-вь 57.3 соз ? -Ш£-

Ъ = Б7,3 соз и> и

п - 2к

(15)

к-1

где к - число"построенных для литотипа паспортов прочности; п ^ - число испытаний для построения j -го паспорта прочности; С, , ^ значения показателей прочности для ./ -го паспорта прочности; С , у - средние показатели прочности для литотипа;

, ¡а^ . - средние квадратические отклонения показателей прочности, рассчитанные для з -го паспорта

Показатели изменчивости свойств породного массива используются для планирования объемов инженерно-геологических изысканий и лабораторных исследований. Обычно этот вопрос решается на основе максимизации суммарной приведенной прибыли. Однако такой подход ке позволяет рационально распределить объемы работ по отдельным информативным параметрам показателя районирования и не учитывает изменчивость объектов геометризации.

Предложена методика оптимизации объемов исследований информативных параметров, обеспечиваю-зая минимум трудовых и материальных затрат при заданной надежности статистических оценок функции показателя районирования и предусматривающая учет внутри- и межинтервальной изменчивости показателей физико-механических свойств горных пород.

Суть метода заключается в минимизации суммы затрат на буре-кие, отбор проб и испытание образцов

Гп я =«1Л (16)

при дополнительном условии:

а 0 а - А / г2 = О , (17)

с*

где л£ - искомое количество определений по -ому информативному параметру;з - стоимость однократного определения параметра; а - вектор частных производных функции показателя районирования по информативным параметрам; $ - матрица обратных весов информативных параметров; А - заданная погрешность оценки показателя районирования; гы - принятый квантиль нормального распределения для доверительной вероятности ог .

Элементы матрицы <? рассчитываются по формулам:

ц - б2 + / п. , (18)

и I

Ч..= Г. д/ч ..с?.. , (19)

V У» " Л

гпыши

где бв. , вм; - показатели внутри- и межинтервальной измен сти для 1 -го информативного параметра; а г , а^ - элементы

вектора а ; г.. - коэффициент корреляции между параметрами х. к *</ ' У

° В наиболее распространенном частном случае при ви = 0 и некоррелированных информативных параметрах решение системы (16)-(17) методом Лаг ранда относительно л. приводят к оценкам:

(20)

. 2«* №75

л. ~--,

г г

где е = (а х д, ) = ( а. х. V. ) , (21)

< <■ с и 1 г 4

У1 - коэффициент вариации 1 -го .параметра.

Алгоритм оптимизации объемов инженерно-геологических изысканий по определению свойств горных пород программно реализован для использования ЭВМ.

иетоднка геометризации геомехаиических условий разработки на карьерах

5. В качестве показателей районирования карьерного поля по геомеханическмм условиям следует принимать геометрические параметры устойчмвьк откосов или коэффициент устойчивости откоса, вд-раженный через систему балльных оценок влияния природных и горна технических факторов на состояние горнж выработок.

Геометризация геомеханических условий разработки на карьерах заключается в районировании карьерного поля по факторам, определяющим устойчивость уступов и бортов. Существенный вклад в разработку этого вопроса внесли: КЕШпов, Ю. II Турияцев, В. Г. Затеей,

А. И. Ильин, П. С. Шпаков, Б. Н. Новожилов, В. Г. Лукичев и др.

Наиболее разработанными являются методики районирования карьерного поля по условиям устойчивости уступов. В этом случае оснонное внимание уделяется геометризации геолого-структурных особенностей породного массива - трещиноватости, крупных тектонических нарушений. Е основу других Методик положены группы частных показателей районирования, в том числе выраженные балльными оценками, отражайте совокупное влияние на устойчивость" откосов различных, иногда до десятка, факторов. Отличительная особенность всех методик геометризации заключается в отсутствии связи показателей районирования с геометрическими параметрами бортов и уступов, что не позволяет использовать результаты геометризации при проектировании карьера и существенно ограничивает их применение в

Е диссертации реиена задача районирования карьерного поля по условиям устойчивости бортов рудных карьеров. В качестве показателей районирования приняты:

на стадии разведки месторождения и проектирования горных работ - угол устойчивого откоса о( при заданной (проектной) глубине разработки Я ;

на стадии эксплуатации месторождения и к моменту погашения борта - индекс устойчивости

/ = Н / И . (22)

п *

где В - предельно допустимая по условиям устойчивости высота борта.

Расчет показателей районирования производится по известным методикам с помощью ЭВМ.

Для оперативного прогноза геомеханической обстановки на карьерах нами разработана балльная система оценки устойчивости (ЕСОУ), в основу которой положены установленные зависимости мещу величиной коэффициента устойчивости откоса к различными факторами: физико-механическими свойствами породного массива, характеристиками поверхности ослабления, гидрогеологическими условиями разработки, сейсмичностью района и геометрическими параметрами борта (рис.1).

Оценка суммарного воздействия факторов производится по аддитивной модели:

Б ~ Б + Б , (23)

где Бя - суша баллов, оценивающих природные условия разработки месторождения; Бг - сумма баллов, оценивающих проектные или фактические значения геометрических параметров борта (угол и высоту) .

-6 -5 -4 -3 1 1 2 -1 i_ i. 0 | 1 2 3 4 5 Р 1 1 1 Бг

г < < < а Н , м <х, град.

с. * £ 1-о о 'ббо' 300 200 150 100

о |_ 1 1 70 60 1 50 I 1 40 1 1 30 25

.^балл к о

1! 1 1 10 I 1 8 1 6 •

Q> ю о о 1»о 1 0,5 1 0

«р' град. с! т/м* ^, град.

0 а СМ V «а. 1 10 1 15 20 25 30

1 1 0 1 10

1 1 15 1 5

-Ч»'град. * 2 С ,т/м ß . град.

• О lA 1 30

Л «О, / 1 0 1 5 1 10

Г 1 1 50 60 70 1 1 80

SP. град. С ,т/мг м /' 5'/м *

>5 ja ls 8-i о л ü6 Ж зА з£ 4Ä

0 16 20 30 40 50 60

I ° § 1 1 4,0 3 I 0 1 2,0 1 5

-( 1 3 -5 . .. . ,.. -4 -3 1...... "Г -2 -1 .....г 0 1 1 1 2 1 I ' 1 3 4 5 « 5

Рис. 1. Сопряженные шкалы баллов для районирования карьерного поля по условиям устойчивости откосов

Система ЕСОУ может быть использована и для геометризации карьерного поля. В этом случае в качестве показателя районирования следует принимать:

Вп - на стадии разведки и проектирования;

Б - на стадии эксплуатации месторождения.

Показатель Б функционально связан с коэффициентом устойчивости откоса л : У

п ~ 1 + 0,1 Б. ' (24)

Использование принятых- показателей районирования позволяет не просто выделять различные по условиям устойчивости бортов участки поля, но и способствует принятию проектных решений, а также выбору мероприятий по предупреждению деформаций породного массива.

Информативными параметрами принятых показателей районирования являются лишь те характеристики физико-механических свойств горных пород, структурных и других особенностей породного массива, которые используются в рекомендованных нормативными документами расчетных схемах оценки устойчивости карьерных откосов: объемный вес у , сцепление Си , угол внутреннего трения у , прочностные характеристики по поверхности ослабления с' и у' , угол падения поверхности ослабления р . Кроме того, для учета гидрогеологических условий принят коэффициент обводненности к0 , разный отношению высотной отметки уровня подземных вод к высоте борта (или глубине разработки). Сейсмичность района разработки выражается в баллах ( 3 ).

Взаимосвязи между показателями районирования и информативными параметрами для условий однородного откоса описываются обобщенной формулой О. Т. Токмурзина:

см 1 - \Jtff с(<х+ п/гз/ьв*

(25)

Л % В 2 tg С(я /2 + FJ/2J

где F - états (Й? у> /п^).

Для слоистых' и обводненных откосов, а также откосов, находящихся под сейсмодинаыическим воздействием, оценка влияния различных факторов на изменение величины коэффициента устойчивости производилась с помощью имитационного моделирования на ЭВМ.

В диссертации подробно рассмотрен вопрос оценки погрешности показателей районирования, возникающей вследствие природной изменчивости информативных параметров. Шлучены аналитические выражения и приведены графики для оперативной оценки этих погрешностей. Анализ выполненных исследований позволил сделать следующие выводы:

погрешность в оценке угла устойчивого откоса не превышает 20% от величины утла откоса и воерастает при малых {-значениях .угла внутреннего трения (20-25°);

относительная погрешность оценки индекса устойчивости равняется 25. ..30% и значительно возрастает при у /<х > 0,8;

погрешность БСОУ для однородных откосов составляет около 1 балла (0,1 в коэффициенте устойчивости), для откосов в сложных горно-геологических условиях - 2 балла (0,2 в коэффициенте устойчивости) .

Доказано, что, известные методы оценки точности коэффициента устойчивости и параметров устойчивых откосов (в том числе имитационное моделирование) не учитывают взаимную корреляцию мееду показателями сцепления и угла внутреннего трения пород, поэтому соответствующие погрешности оказываются завышенными в среднем на 30... 507..

Разработана методика оптимизации объемов полевых и лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород при заданной погрешности оценки показателя районирования. В качестве вводимого в прочностные свойства пород коэффициента запаса следует принимать лишь составлявшую, которая отражает влияние фактора времени и погрешности расчетной схемы.

Если в качестве показателя районирования принят угол устойчивого откоса, то выделяются участки проектного контура карьера с одинаковыми в статистическом смысле значениями углов. С этой целью объединяются геомеханические разрезы, для которых рассчитанные значения углов устойчивых откосов варьируют в пределах 2°. Результаты районирования используется для принятия обоснованных решений по проектным углам бортов, а также для проверки принятых на ранних стадиях освоения месторождения значений углов.

Если в качестве показателя районирования принят индекс устойчивости, то выделение участков проектного контура производится из условий: зона устойчивых откосов (Г >1,2), зона возможной устойчивости (1,0 < I < 1,2), зона неустойчивых откосов ( I < 1,0).

Цри использовании балльной системы оценок строится план карьерного поля в иаобаллах Б„ , Сечение изобаллов следует принимать равным 2. На построенный план наносится контур карьера либо на период текушэй оценки, либо на период погашения. На контуре указываются, в зависимости от задачи геометризации, проектные ил; фактические углы бортов, глубина разработки. Оценивая с помощью ЕСОУ значения параметров бортов в баллах Вг , выполняют действия с полученными топофункциями для расчета углов устойчивых откосов или полной балльной оценки Б .

Участки карьерного поля, для которых -2 < Б < 4, следует отнести к зоне неопределенности. Для_этих участков необходимо провести поверочные расчеты устойчивости и уточнить балльные оценки

по рассчитанному коэффициенту устойчивости. Участки, для которых Б < -2, относятся к потенциально неустойчивым. Здесь необходимо организовать инструментальные маркшейдерские наблюдения за деформациями откосов, по результатам которых разрабатываются проти-водеформационнне мероприятия. Для потенциально устойчивых участков ( В > 4) ^разрабатываются мероприятия, направленные на повышение эффективности горных работ (изменяются геометрические параметры борта).

Опит районирования карьеров комбината • "Ураласбест", Сорского молибденового комбината и СП "Эрдзнзт" показал, что разработанная методика позволяет существенно сократить число наблюдательных станций и сконцентрировать внимание геотехнической и ыаркиэйдэрской слузяб на потенциально неустойчивых участках, а не вести наблюдения по всему контуру карьерного поля.

Методика геоыетризацин горнотехнических условий разработки на карьерах

6. Гесметриаацкв горютехническнх условий на карьерах долина прободаться из. основе классификаций породные шссивов по степени р^рзбатжаейоетн (буршости, вгрываешкти и зкскавкруеиости), взашоунзаашаьа со значениями гежааателей физико- механических свойств пород и гаоаволвщих резать техжмюпмеские н актинические задачи горного производства.

Основной задачей геометризации горнотехнических условий разработки является районирование карьерного поля по условиям произ-. водства буровзрывных и выемочно-погрузочных работ. Выбор показателей районирования должен обеспечивать однозначное отнесение распространенных на месторождении горных пород в известные классификации пород по буримости, взрываемости и экскавируемости, на основе которых осуществляются планирование горных работ и охрана труда.

Предложено 51спользовагь в качестве основы для районирования классификации горных пород по буримости и экскавируемости, разработанные Центральным бюро промышленных нормативов по труду при НККтруда (ЦБШГГ), а также классификацию пород по взрываемости

{ 1 /ПМ ям вг\гг\ \ пчтлттч тггу ^

V, ли. ги I тс А / . АХЛЛЛОЛ оо^ачо гюи.иедь'осктш оагмАЛ/^сыАа^и о пиД

боре показателей, обеспечивающих отнесение различных литотипов в соответствующие категории выбранных классификаций.

Рекомендуется применять следующие показатели районирования, полученные в результате обобщения 'результатов исследований а В. Ржевского, И. А. Тангаеза, Б. Е Кутузова, Б. Р. Ракишева, К И. Молчанова, Е И. Белякова и др.:.

буримость горных пород -

Л - О,ОТ (1,2 6 + 10/ ) ;

(26)

взрываемость горных пород -9 - 0,00177 (1,2 1 + 0,2) & +0,125 У, (27)

р СР сз«- "

% -2'66 + е^/ПЗ/Г/- 1Л ; (28) экскавируемость горных пород -к - (О.ОЗв + 0,77)/(18 - 3 <г ), (29)

Г еж Р

Я - 1,6 (0,4 1 6 + 2У (30)

ам ся ез»с о

(31)

л - 0.022 ( х л + 0,ге )(1 + ю/и ),

ар О ср СЛК р

А^ - 0,28 * + 0,08; (32)

где П ^ , Пгм , Пэр ~ относительные показатели трудности бурения и экскавации пород (в массиве и разрыхленных взрывом); - расчетный удельный, расход ВВ, кгЛг*; Укр - критическая скорость разрушения массива, м/с ; кР - удельное сопротивление копанию, МПа;

X - плотность породы, т/м1; беак - предел прочности породы при сжатии, ЫПа; 1ер , ¿С/0 - соответственно средние размеры отдельности в массиве и куска взорванной горной массы, м ; к р - коэффициент разрыхления горной массы; с - удельная энергоемкость бурения, кВг-ч/м; А - удельная энергоемкость экскаваторных работ, кВт • ч/м\

Можно использовать также установленные статистические связи между показателями 1 , в и к

ср ср р

йе - т (1,15 + о,31 1с, (зз)

к = (16,77 й - 2,95) . (34)

р ср ■

Настроены сопряженные классификационные шкалы для различных показателей районирования, позволяющие сопоставить категории пород по условиям технологических процессов (рис.2).

Разработанная система показателей районирования может использоваться:

для составления частных классификаций горных пород на конкретных месторождениях;

для сравнительной оценки условий разработки как на различных участках одного карьера, так и для нескольких месторождений;

для построения прогнозных карт изменения условий разработки на месторождении.

Прогнозные карты составляются на заключительном этапе райо-

15 i 25 1

1 14 i........... i " 16 18 20

0,08 0,11 0,' 14 0,16 0,19 . i.,., W,

0,02 0,10 1 0,20 1 0,30' 0,38 0,50

I —) 1 II категории пород • i III IV по экскавируемости V VI

1.0 1,5 2,0 2,6 3,2 3,9 i 4,5 5,0 5, 3 5,6 6,6

0,12 0*18 i 0,2? '0,!38 0,'52 0,'68 0,'в8 1,Чо 1, 37 1,68 1 2,03

I 1 II i III i i i i i IV V VI VII VIII категории пород по взрываемости IX 1 X

0,5 i 0,7 0, 9 i! i i 1,1 1,3 1,5 1,8 i 2,1 2, 5 2,9 3,'б 4 2 5,0

i 4,1 i 4,7 5, 4 1 Г I I 11 1 1 6,3 7,3 8,5 10,0 11,6 13,6 15,9 18,6 21 7 26,5 i

i i VIII IX i 1 1 1 1 1 1 1 X ' XI lXII 'хш' XIV1 XV 1 XVI XVII1 XVIII категории пород по буримости XIX (■ XX

■эр

А , квт ч/м к

к , МЛа

F

V , м/с "Р

q , кг/м V

е, китч/м

И-

Рис. 2. Сопряженные шкалы показателей районирования породного массива по условиям бурения, взрывания и экскавации

нирования. На них в систематизированном виде отражается информация о выделенных породных комплексах, характеризующихся одинаковыми условиями производства работ.

При стационарном характере изменчивости информативных параметров породные комплексы выделяются объединением литотипов, имеющих статистически равные оценки показателей районирования в пределах граничных значений категорий частных классификаций. При нестационарном характере изменчивости используется метод изолиний и породные комплексы оконтуривавтся изолиниями указанных граничных значений.

Вид проекции выбирается в зависимости от залегания вмещающих пород. При крутом ( >55°)падении составляются погоризонтные прогнозные планы на период до 3... 5 дет разработки. При наклонном и пологом залегании вмещающих пород составляются прогнозные вертикальные разрезы вкрест простирания бортов. На разрезах указывается проектный контур борта на калине з... 5 дет разработки. Расстояние между разрезами устанавливается в зависимости от сложности строения породного массива и выделенных породных комплексов.

Срок упреждения (3...5 лет) обеспечивает краткосрочное прогнозирование условий разработки МПИ открытым способом при среднем годовом понижении работ 10... 15 м. При большей или меньшей скорости разработки срок упреждения может быть соответственно уменьшен (до 1. ..3 лет) или увеличен (до 5. ..10 лет).

Комплексы пород одинаковой категорийности по условиям разработки выделяются в графической документации цветом или условными обозначениями (в черно-белом варианте). Кроме основных обозначений могут использоваться дополнительные условные знаки, указывающие на особое состояние породного массива или горной массы, понижающие или повышающие категорийность комплекса (обводненность массива, криогенные условия, выветрелость и трещноватость пород).

В дополнение к прогнозным картам районирования могут быть составлены специальные карты, облегчающие оценку трудовых и материальных затрат на отдельные технологические процессы. На специальных картах выделяются зоны по рекомендуемому буровому и выемочному оборудованию, типам ВВ и др.

Разработанная методика ориентирована на использование как ручных, так и автоматизированных способов составления горной графической документации, что позволяет включить информацию по районированию в банк данных АСУ горными работами и ее подсистемы -автоматизированной системы маркшейдерского обеспечения карьеров (АСЖЖ).

Использование прогнозных карт районирования по условиям бурения, взрывания и экскавации горных пород на карьерах комбината "Ураласбест" позволило повысить достоверность оперативного планирования горных работ и облегчить работу геологической службы предприятия по отнесению) разрабатываемых участков карьерного поля

в соответствующие категории для оплаты труда горняков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Е диссертационной работе осуществлено теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы - геометризации горнотехнологических и геомеханических условий открытой разработки месторождений полезных ископаемых, имеющей важное народно-хозяйственное значение, которое заключается в обеспечении горного производства надежными оценками и прогнозами состояния геологической среды на карьерах, что позволяет повысить безопасность и эффективность выемки полезного ископаемого.

Наиболее существенные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Геометризация условий разработки месторождений полезных ископаемых может рассматриваться как самостоятельное' научное и прикладное направление горно-геологических наук, предметом которого является математическое описание и графическое изображение свойств и состояния разрабатываемого породного массива. Цель геометризации - обеспечить проектирование и технические службы горного предприятия достоверными оценками и прогнозами состояния породного массива, определягщэго эффективность физических процессов добычи полезного ископаемого.

2. Научные и прикладные задачи геометризации геотехнических условий открытой разработки месторождений:

развитие математических методов исследования характера пространственной изменчивости показателей горнотехнологических и физико-механических свойств руд и вмещающих горных пород;

исследование законов распределения и разработка математической модели размещения в недрах показателей свойств горных пород;

исследование количественного влияния факторов, определяющих условия технологических и геомеханических процессов на карьерах;

оптимизация объедав инженерно-геологических изысканий и лабораторных испытаний для надежной оценки геометризуемых показателей;

совершенствование способов оценки и прогноза изменения гор-нотехкологической и геомеханической ситуации в процессе эксплуатации месторождения;

разработка методик районирования карьерного поля по условиям устойчивости бортов карьеров и отвалов, основным процессам горного производства (буровзрывным и выемочно-погрузочным работам);

построение прогнозных графических моделей месторождения для оперативного планирования горных работ и решения горнотехнических и геомеханических задач.

3. Для решения вопросов геометризации месторождений в работе

получили дальнейшее теоретическое развитие и практическое приложение:

дисперсионный анализ изменчивости показателей физико-механических свойств горных пород, позволяющий выделят! из общей наблюдаемой изменчивости межинтервальную (пространственную) и знутри-интервальную составляющие;

множественный регрессионный анализ пространственного размещения в недрах геометризуемых показателей, позволяющий учесть характер изменчивости и оценить погрешность прогнозной математической модели;

множественный конфлюентный анализ взаимосвязей факторных полей показателей, позволяющий учесть случайный характер всех переменных регрессионной модели;

способ нормированного распределения объемов измерений, позволяющий при заданной погрешности функции показателя районирования оценивать объемы лабораторных и полевых исследований свойств горных пород с учетом их изменчивости.

4. Основные результаты теоретических исследований, математического моделирования и практики геометривации условий разработки месторождений сводятся к следующему:

для большинства горных пород различного происхождения установлен нормальный закон распределения показателей прочностных свойств;

обнаружены два вида полей размещения физико-механических свойств - стационарные (при отсутствии межинтервальной составляющей изменчивости) и нестационарные в пределах одного или нескольких литологических типов пород (породного комплекса);

получены общие для всех типов горных пород статистические зависимости между показателями прочностных свойстб, использование которых позволяет без существенной потери точности оценивать горнотехнологические условия разработки;

исследовано влияние на основные показатели устойчивости карьерных откосов различных факторов: геолого-структурной изученности породного массива, физико-механических свойств горных пород, поверхностей ослабления, гидрогеологических условий и сейсмодинамических воздействий;

разработана балльная система оценки устойчивости карьерных откосов в сложных инженерно-геологических условиях;

найдены новые аналитические зависимости между показателями горнотехнологических условий разработки и физико-механических свойств горных пород;

исследованы погрешности оценок показателей устойчивости карьерных откосов, решены вопросы оптимизации объемов испытаний физико-механических свойств пород;

даны рекомендации по составлению горно-графической документации при районировании карьерных полей.

5. На основании выявленных закономерностей разработан комплексный подход к оценке и прогнозированию геотехнической ситуации на карьерах, включающий в себя:

выбор количественных показателей, интегрально отражающих все стороны геометризуемого процесса;исследование влияния различных ■факторов "на величину выбранного показателя и погрешность его определения;

построение прогнозных карт районирования карьерного поля по условиям разработки месторождения.

6. Результаты теоретических исследований и методические разработки по дисперсионному и конфлюентному анализам геомеханической информации могут найти применение как при геомегризации свойств полезного ископаемого, так и при геометризации геотехнических условий разработки месторождений подземным способом.

Основные положения диссертации опубликованы в следующх работах:

1. Туркнцев 50.1С , Гордеев В. А. Районирование карьерного поля по факторам устойчивости откосов //Изв. вузов. Горный журнал. 1981, N ю; - С. 34-37.

2. Гордеев Е А. Определение необходимого количества испытаний физико-механических свойств горных пород для расчета устойчивости карьерных откосов // Вопросы рационализации маркшейдерской слуябы на горных предприятиях. - Вып. 2. - Свердловск, 1981.- С. 69-73.

3. Гордеев В. А. Определение интервала опробования в случае локально-коррелированного случайного поля размещения геомеханических показателей // Вопросы рационализации маркшейдерской службы на горных предприятиях. - Вып. 3. - Свердловск, 1983. - С. 84-87.

4. Гордеев В. А. Геометризация геомеханических условий разработки полезных ископаемых // Применение математических методов и ЭВМ в геологии / Тез. докл. III обл. семин. - Новочеркасск,1983.-С. 99.

5. Гордеев В. А.. Геометризация карьерного поля по факторам устойчивости откосов // Научно-технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны / Тез. докл. Всес. науч. -техн. совещания -Свердловск, 1984. - С. 58-59.

6. Геомеханические процессы на открытых горных работах / й. И. Туркнцев, Е Д. Полозов, В. А. Гордеев и др. - Свердловск: НТГО. - 1984. - 55 с.

7. Гордеев В. А., Самарин А. В. Опыт районирования карьеров по условиям физических процессов горного производства // Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья / Тез. докл. I Всес. семинара. - Орунзе, 1987. - С. 84-85.

8. Гордеев В. А. Математическая обработка маркшейдерско-гео-дезических измерений : Учеб. пособие.-Свердловск: СГИ, 1987. - 88 с.

9. Sardeev V.A. Zur Schätzung beliebiger ausgleichender Funktionen // Berg- und hüttenmännischer Tag 1988 / Referate. -Heft A - Freiberg: BAF, 1988. - S. 66-67.

10.. Гордеев В. А., Самарин А. В. Районирование карьерных полей по физ икс- технологии с ккм параметрам горных пород. - Свердловск НГГО. - 1988. - 59 с.

11. Гордеев В. А. Особенности геометризации и районирования геомеханических условий разработки месторождений открытым способом // Проблемы повышения эффективности маркшейдерских работ на горных предприятиях. - Свердловск, 1938. - С. 41-47.

12. Sordeev V. А. Zur Parameterschätzung ausgleichender Funktionen ohne "freie" Variable // Vermessungstechnik. - 1989, H. 9 -S. 310-313.

13. Гордеев В. А. О построении эмпирических формул при наличии ошибок в аргументах // Проблемы повышения эффективности маркшейдерских работ на горных предприятиях. - Свердловск, 1989. - С. 10-17.

14. Гордеев В. А. Пакет программ для расчета устойчивости бортов карьеров в различных инженерно-геологических условиях // Механика горных склонов, откосов и подземных сооружений. Освоение подземного пространства / Материалы IX Всес. конф. по механике горных пород. - Фрунзе, 1990. - С. 171-174.

15. Гордеев В. А. Конфлюентный анализ прямолинейной зависимости // Проблемы повышения эффективности маркшейдерских работ на горных предприятиях. - Свердловск, 1990. - С. 7-10.

15. Гордеев В. А. Дисперсионный анализ изменчивости свойств горных пород // Вопросы совершенствования маркшейдерско-геодези-ческих работ. - Санкт-Петербург, 1991. - С. 21-25.

17. Гордеев В. А., Диденко И. Ы. Статистические методы обработки маркшейдерско-геологической информации : Учеб. пособие. - Екатеринбург, УТИ. - 1992. - 86 с.

18. Гордеев В. А. Геометризация условий разработки месторождений полезных ископаемых /У Изв. вузов. Горный журнал. - 1992, N 9. - С. 87-91.

19. Гордеев а А., Самарин А. В. Балльная система оценки устойчивости карьерных откосов // Проблемы повышения эффективности маркшейдерских работ на горных предприятиях. - Екатеринбург, 1992. - С. 30-38.

20. Гордеев В. А., Самарин А. В. Балльная оценка устойчивости карьерных откосов // Тез. докл. X Мэждунар. конф. по механик горных пород. - М., 1993. - С. 59.

21. Гордеев В. А., Самарин А. В. Критерий районирования карьерного поля по устойчивости откосов // Изв. Уральского горного ик-та. Сер.: Горное дело. - Шп. 3. - Екатеринбург, 1993 - С.70-72.

22. Гордеев В. А. График для оценки коэффициента устойчивости плоского однородного откоса // Изв. вузов. Горный журнал. - 1994, N 4. - С. 62-63.