автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Оценка точности предрасчета устойчивости карьерных откосов для целей проектирования

Министерства образования Республики Казахстан Карагандинский политехнический институт

РГ6 ОД

- 5 ИЮН 1995 ;

На правах рукописи

!

ОЙАРОВ Сапар Толеубаеаич

УДК 622.1 : 622.271

ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ПРЕДРАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ КАРЬЕРНЫХ ОТКОСОВ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность 05.15.01 - "Маркшейдерия"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени. кандидата технических наук

I I

I

' |

I

I

1'

Караганда 1995

Работа выполнена в Карагандинском политехническом институте

Научный руководитель: член-корреспондент HAH PK,

доктор технических наук,профессор ПОПОВ Клан Иннокентьевич

Бедукдя организация: Государственное акционерное общество

"КАРАГАНДШШРОШАХТ"

Официальные оппоненты; доктор технических наук, профессор

ХАЛМЛНОВ Хабил Каш'оешм

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФЕДОРОВ Владимир Гаврилович

\

Защита диссертации состоится < 22 > июня 1395 г. в 1000 часов на заседании специализированного совета Д.14.22.01 при Карагандинском политехническом институте по адресу:/ 470075, Караганда, Бульвар Мира, 56, главный корпус, кокцеренцеал-.

С диссертацией мсжно ознакомиться в библиотеке Карагандинского политехнического института.

Автореферат разослан < 16 > мая 1995 г.

¿ченш секретарь специализированного соЕета кандидат технических наук,

доцент Ут\ . КЫЗЫРОВ К. Б

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность рзбош. Б связи с увеличением глубины открытых гор-работ, вовлечением в разработку новых месторождений и участков со жными горно-геологическими условиями, применением новых технологий '' использованием мощного вскрышного к добычного оборудования особое ! чение приобретают вопросы, связанные с обеспечением устойчивости ; осов открытых горных выработок. Степень устойчивости бортов карь- ; в обуславливает основные параметры открытой разработки: глубину | ьера, углы погашения бортов, схему вскрытия, систему разработки и ; емы вскрышных работ. Учитывая, . что удельный вес открытого способа . работки превышает 70%, становится понятным, какое значением присб-ает проблема устойчивости бортов карьеров и отвалов для развития ! но-добывающей промышленности. '

Одним из основных вопросов, оказывающих существенное влияние на ение проблемы устойчивости карьерных откосов, является вопрос о собах расчета параметров устойчивых откосов, оценки их точности и. , ежнссти в соответствующих горно-геолсгических условиях разработки тородденик. Актуальность этого вопроса для открытых торных раарабо- | ;, особенно на стадии проектирования карьеров и разрезов, определи- | я двумя основными факторами:

- необходимостью обеспечения устойчивости бортов карьеров, кото-.< могут формироваться в самых разнообразных горно-геологических к

но-технических условиях разработки,от простых дс сложных и весьма ^ лных. когда существующими методами расчета оценить степень устойчи-

тн бортсв и их надежность сколько-нибудь достоверно практически !

ьзя; !

- возможностью увеличения экономически целесообразной предельной ; бины открытой разработки месторождений до 600-700 м со сроком служ-нерабочих бортов карьеров до 50-70 лет на баае использования совре- ; кого горно-добывающего и горно-транспортного обсрудоиания. - .

В .этих уг,-зов::лх точность и надежность определением параметров ус- ;

чивых карьерных откосов шеет первостепенное значение,поскольку I

,е незначительное (1-2°) увеличение угла наклона бортов приводит к ! женига объемов Ескрыии на десятки .млн.м3, а с другой стороны может

ысить вероятность возникновения оползней и обрушений откосов, что ;

зывает существенное влияние на безопасность ведения горных работ и ' ноту извлечения полезных ископаемых.

Актуальность исследований по данной теме подтверждается непосредственной их связью с отраслевыми научно-техническими программами: задание 03.01.Н , этап Н1 "Разработать к Енедрить надежные научные методы управления устойчивостью карьерных откосов" - постановление ГКНТ от 10.03.86 г. N 56; отраслевая научно-техническая программа МП-20Г "Создать расчетные методы, инженерные решения и технические средства, обеспечивающие надежное управление устойчивостью бортов карьеров" (письмо вам.министра цветной металлургии СССР АК-12497/40 от 9.08.94 г.); координационные планы АН КазССР (постановление Президиума АН КззССР N 202 от 14.1Е.83г.) и НАН Республики Казахстан по государственной программе ГП05 "Создание научных основ прогрессивных технологических систем и агрегатов для разработки месторождений полезных ископаемых, адаптивных к внешней среде" (постановление Президиума НАН РК N 33 от 7.04.93 г.).

Цалью работ является создание вероятностного способа решения задач устойчивости карьерных откосов, применение которого позволит обеспечить заданную точность и надежность определения параметров карьерных откосов, необходимых для эффективной и безопасной отработки месторождений открытым способом.

Идея работы заключается в переходе от. детерминированных способов оценки устойчивости карьерных откосов к вероятностным, позволяющим определять надежность коэффициента запаса устойчивости с учетом коррелируемое™ прочностных показателей сцепления и углз внутреннего трения и получать параметры предельных откосов при заданном уровне риска.

Задачи исследований;

1. Определить предмет, объекты и методы оценки устойчивости карьерных откосов.

2. Создать основы вероятностного способа решения задач устойчивости карьерных откосов, позволяющих определять параметры предельного откоса с заданным уровнем риска- (надежности) и коэффициент запаса, устойчивости с оценкой его погрешности.

а, газработать методику иГ^*»"---"" погрешности параметров сопротивления пород сдвигу по результатам лабораторных, натурных испытав; и на стайилометрах.

4. Установить влияние погрешности параметров сопротивления пород сдвигу на коэффициенты запаса устойчивости и уровень риска обрушения карьерных откосов.

5. Обосновать необходимый коэффициент запаса устойчивости для

»ктного откоса в зависимости от уровня риска.

Мотни исследований включали: анализ и обобщение литературных ис-шиков; лабораторные и натурные испытания горных пород, обратные ¡четы оползней обрушений откосов при обосновании расчетных показате-[ физико-механических свойств пород; теоретические исследования, вы- ; ¡ненные с использованием математического аппарата теории предельного ; ¡новескя при разработке методов расчета, теории логрезностеи, мате- ; •ической статистики и корреляционного анализа при обработке ревуль- ; ■ов измерений, теории вероятностей при разработке вероятностного юоба решения задач устойчивости; натурные маркшейдерско-гесдеэичес- ; > наблюдения за деформациями горных пород в- карьерных откосах; ана-■ика-математические методы с применением ЭВМ; технико-экономический шиз и промышленко-экспериментальная проверка результатов исоледова- ; [ на карьерах.

Научные положения, выносимые на защиту: I

1. Учет коррелируемости показателей прочности (сцепления к так- ; :са угла внутреннего трения) пород при определении погрешности соп-'ивления пород сдвигу позволяет достоверно обосновать границы дове- I 'ельного.интервала сопротивления пород сдвигу для любых значений | мэльнсй нагрузки при заданной доверительной вероятности.

2. Минимальный коэффициент запаса устойчивости для реального Сор-карьера определяется с учетом коррелируемости показателей прочности ;. од по нижней границе доверительного интервала при заданной довери- ;' гной вероятности (надежности;, а параметры предельного откоса - при ; .чении нижней границы этого коэффициента, равном единице. !

3. Надежность устойчивости реального борта карьера оценивается по ффициенту запасз устойчивости, определяемому как. отношение среднего , ротивления пород.сдвигу (рассчитанного с использованием нормативных чностных характеристик пород) по потенциальной поверхности скольже- ,

в откосе, приведенном в предельное состояние, к среднему каса- |

ьному напряжению, действующему по той же поверхности скольжения; !

ленное значение этого показателя определяется как отношение расчет- 1 прочностных характеристик к предельным их значениям.

Обоснованность и достоверность научных положения, выводов и

- о -

рекомендаций подтверждена:

доказательством научных положений теоретическими выкладками, аналитическими решениями и сопоставительным" анализом конкретны/; примеров;

результатами многочисленных экспериментов в лабораторных и натурных условиях; маркшейдерскими наблюдениями за состоянием карьерных от-кссое;

положительными результатами промышленного внедрения методик, программных средств, рекомендаций и выеодов. полученных в диссертационной работе.

Новое ваучвие результат.

1. Разработан способ оценки устойчивости реального борта карьера и методика расчета параметров предельных откосов численно-аналитическим способом с реализацией решения на ЭЕМ, что по сравнению с существующим графо-аналитическим способом позволяет существенно повысить объективность и точность расчетов и снизить их трудоемкость.

2. Создана более совериекная методика определения погрешности сопротивления пород сдвигу на основе статистико-вероятностного метода.

3. Установлена взаимосвязь мелду характером изменчивости показателей прочностных сбойсте горных пород, слагающих прибортовой массив, и уровнем надежности определения коэффициента, запаса устойчивости для однородного и многослойного откоса.

Личяый вклад автора в получение научных результата;

- в разработке способа оценки .устойчивости реального борта карьера;

- в рагрзботке основ вероятностного способа решения задач устойчивости карьерных откосое-,

- в разработке алгоритмов и программ длл реализации решения задач пз оценке устойчивости карьерных откосов на ЭВМ;

- б экспериментальной проверке инженерных методов расчета и управления устойчивостью карьерных откосов и внедрении их в практику проектирования и ведения горных работ- на месторождениях разрабатываемых открытым способом.

Прагвямеское авачвте иыет:

1. Расчетная схема для оценки устойчивости реальных карьерных откосов .

2. Обоснование расчетных показателей прочностных свойств горных пород (сцепления и угла внутреннего трения) с учетом их коррелируемое-

Tit» X «* •

3. Алгоритмы и пакет прикладных программ решения задач по оценке гойчивости карьерных откосов и надежности этих расчетов. Внедрение гавных рекомендаций осуществлено включением их в отраслевые методи-;кие указания и путем обоснования рациональных параметров бортов , зьероз и отватов на ряде рудных и угольных месторождений Казахстана ; подтвержденным экономическим эффектом 70,0 тыс.рублей в ценах 1988

1а. -

Реализация работы. Результаты исследований внедрены в практику ; зектирсванкя .и разработки открытым способом ряда месторождений Ка- ;

сстана. !

Методика, расчета параметров- реальных бортов карьера включена во эеменные методические указания по управлению устойчивостью бортов 1 эьеров ЦЕетной металлургии" (Москва, 1989 г.). .

Программы 5Р5Р01, БРЗРбЗ, БРОгаЗЗЗ, 5Р12УУ по расчету устойчивое-карьерных откосов используются научно-исследовательскими и проект- | т институтами: ВКОГЕМ и ГИЛРОцветмет;- внедрены в учебный процесс 1 специальности "Маркшейдерское дело" в учебных вузах КарПТИ и ;

ГУ). |

Программы ТАМ01У31 . и ГАМПУБг использованы при установлении рас- 1

гных показателей прочностных свойств и определении параметров пре- )

льных откосов на карьерах и отвалах Кзчарсксго ГОКа, Тургайского |

кситового рудоуправления, рудника Алпыс, Шубаркольского угольного ;

зреза.. |

Результаты расчетов,по опенке устойчивости карьерных откосов ис- ¡,

льзованы при составлении рабочего проекта реконструкции карьера Ал- :

с в связи с приростом запасов (1991 г.), разработке паспорта отвало- |

разовачия на карьере Алпыс (1991 г.), при разработке ТЭС кондиций и :

ставлении рабочего проекта на отработку Чиганакского месторождения ; рита (1991 г.), составлении проекта реконструкции Акжаяского карьера

988 г.), ■ разработке паспорта отвалообразования на Акжалском.руднике ;

987 г.), при разработке проекта реконструкции Шубзркольского разреза :

994- г.). _ |

Апробация работ. Основные положения диссертационной работы док- |

дывались и обсуждались на научно-технических конференциях Караган- ;

некого политехнического института (1965-1992 г.г.), на территориаль- _

й научно-технической конференции "Прогнозная оценка инженерно-геоло- | чес-ких условий при открытой разработке месторождений Урача"

.Свердловск, 1989 г.); У Всесоюзной конференции молодых ученых "Ин- •

тенсификация горнорудного производства" (г.Екатеринбург, 1991 г.); Международном симпозиуме "Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях" (СССР, Белгород, 20-24 мая 1991 г.); технических совещаниях в институте "СРЕДАЗНИПРОцветмет" (г. Ташкент, 198? г.); институте "КаеГИНалмаз-золото" (г.Алматы, 1991 г) и ИГО "Южказгеология" (г. Алматы, 1991 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 185 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунков, 14 таблиц, список использованных источников из 82 наименований и приложения.

Автор выражает глубокую признательность чл.-корр. АН РК Попову И.И., проф. Шпакову Б,С., Докладу Г.Г, ва постоянное внимание к работе и ценные советы, благодарит сотрудников кафедры маркшейдерского дела КарПТИ за помощь при проведении экспериментальных исследований и обсуждении отдельных этапов работ, работников предприятий и институтов, способствовавшим промышленной апробации и внедрению результатов исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Устойчивость откосов открытых горных выработок определяется двумя основными факторами: напряженным состоянием приоткосного массива и физико-механическими свойствами пород. По В.В.Ржевского напряженное состояние характеризует действующие нагрузки по наиболее слабой линии откоса (потенциальной поверхности скольжения), а физика-механические свойства пород определяют сопротивляемость пород сдвижению по этой поверхности. Первый фактор обуславливает создание методов расчета. В настоящее время из-sa многочисленности предложенных методов, способов и методик расчета при решении задач устойчивости карьерных откосов выбор оптимальной расчетной схемы, соответствующей конкретным горно-гео-логичеоким условиям и методики расчета, обеспечивающей необходимую точность решения, зачастую вызывает большие затруднения.

Исследования, выполненные рядом научно-исследовательских институтов, проектно-конструкторских и учебных институтов (ВНИМЙ и его филиалы, КааНИМИ, ВИОГЕМ, УНИПРОмедь, ИГД им. А.А.Скочинского, Уральский горный, КарПГИ и др.) и отдельными исследователями (Н.В.Мельников, В.В.Ржевский, В.В.Соколовский, Г.Л.Фисенко, П.Н.Панюков, Ю.Н.Малюшиц-

ий, И.И.Попов, С.И.Попов, М.А.Ревазов, Ю.И.Туринцев, В.Н.Попов, .М.Гальперир, В.Т.Сапожников, А.М.Демин, М.Е.„Певзнер, А.Б.Фадеев, .Л.Галустьян, В.Г.Зотеев, В.И.Пушкареь,Р.П. Окатов, П.С.Шпаков, .Д.Половов, А.И.Ильин, В.И.Стрельцов, Б.Г.Афанасьев, Б.П.Будков, .А.Гордеев, Б.Б.Несмеянов, Г.Г.Поклад и др. зарубежные ученые Е.Фел-гнице, Д.Тейлор, К.Терцаги, О.Фрейлих. М. Како, • Н.Моргенштерн, ; .Хюльтин, А.Бишоп, Е.Спенсер, В.Прайс, К. Дданбу, Г.Крей, Я.Хуан и ?.), позволили заложить научные основы решениям задач устойчивости : зрьерных откосов, разработать и внедрить на практике инженерные метол их расчета. * | 'Наиболее обобщающе работы в этой области выполнены Г.Л.Фисенко, : яод расчета которого получил широкое практическое применение и дальнее развитие в работах последователей.

Фактически большинство применяемых на практике способов расчета зтойчиеости откосов базируются на теории предельного равновесия и яв- ' датся графо-аналитическими-, к общим их недостаткам следует отнести ; !ачительную трудоемкость и известную субъективность, обусловленную ; гизбежнымл ошибками графических построений и измерений; при оценке , 1т0йчив0сти реальных откосов рзечету подвергается откос, находящийся ? в предельном состоянии. )

3 последние годы в КарПТЛ под руководством проф. П.С.Шпакова соз- | зна достаточно универсальная методика численно-аналитического способа [ « ючета параметров устойчивых откосов на базе ЭЕМ для широкого диапа- I )н.". изменения' горно-геологических условий, разработка некоторых рас- ! >теых схем (оценка устойчивости реального борта карьера для геомеха-гческих моделей однородного и неоднородного массивов, отеэлы скальных : >род на слабом основании неограниченной мощности) выполнена при непоо-1 >дственном участии автора.

В настоящее Бремя продолжается поиск более совершенных способов ; юения задач устойчивости . Одним из таких направлений является соз-шие вероятностных способов расчета параметров и оценки степени ус- ; ¡йчивости карьерных откосов. Разработка этих способов находится в на-1льной. стадии и не нашли еще достаточного практического применения. В , > же время решение данного'вопроса представляется весьма актуальным, | к как открывает большие перспективы в части надежного обоснования * фаметров карьерных откосов и принятия оптимальных с социально-эконо-¡ческой точки зрения инженерных решений на различных стадиях проекти- ■: 1Езния и разработки месторождений. '

- хи -

При расчете устойчивости карьерных откосов предполагается , что в момент предельного равновесия призмы обрушения в каждой точке на поверхности скольжения касательное напряжение для любой элементарной площадки вычисляется по формуле Кулона-Мора

^пред = Рпрвд'^рпвад + ¡Ч1рад > ^

где Р - нормальное напряжение для рассматриваемой элементарной площадки;'р - угол внутреннего трения массива; К - удельная сила сцепления массива.

Индекс "пред" показывает, что параметры Р , р и К являются предельными, т.е. такими, которые относятся к моменту предельного равновесия. Необходимо отметить, что откос может рассчитываться по формуле (1) только в том случае, если он находится в состоянии предельного равновесия.' На практике это условие далеко не всегда выполняется.

При оценке устойчивости карьерных откосов часто приходится рассчитывать фактический (проектный) откос, который находится не в предельном состоянии, а с каким-то коэффициентом запаса устойчивости. В таких случаях' непосредственному расчету необходимо подвергать не проектный откос, "а его предельную схему ,тоесть уравнение предельного равновесия (2) должно рассчитываться только при п=1.

' ь I

п = |тус1Ь / [т:сс1Ь , (2)

• О о

где Ту - сопротивление сдвигу на элементарной площадке с!Ь

. Хс ~ касательные напряжения, действующие на этой площадке.

При решении задачи по оценке устойчивости реального борта карьера, описание ступенчатого Борта, карьера выполняется "скользящим" интерполяционным многочленом Лагранжа (СИМЛ). Местоположение поверхности скольжения в приоткосном массиве устанавливается на основе задачи теории предельного равновесия в пределах наиболее напряженной области пс минимальному коэффициенту запаса устойчивости, согласно которому в результате решения интегрального уравнения равновесия (2) методом последовательных приближений на' ЭВМ отыскиваются параметры откоса при коэффициенте запаса п=1. Для учета ступенчатости борта в числителе и знаменателе уравнения (2) добавляются по два дополнительных члена, представляющих суммы удерживающих и сдвигающих сил, обусловленных гравитационными силами за счет разницы контуров плоского откоса и ступенчато-

го (фактического) профиля борта карьера. .

Для приведения расчетного откосз в предельное равновесие с сохра-

нинием при этом физического смысла коэффициента ззласа устойчивости,

заключающийся в учете погрешностей определения к и р .используется соотношение

Кнорм ^й'ркорм • !■

П =------------- . О) ;

Кпред Ь^рпрад - ;

1

Реализация приведенного способа расчета коэффициента, запаса ус- ; гойчивости в однородном массиве выполняется по программе 5РТЬ2У7. На зе основе разработана методика оценки устойчивости карьерных откосов в

," I

:ложных горно-геологических условиях (для геомеханическои модели неод- ; юродного массива). Данная методика позволяет учитывать профиль борта

карьера, геологическое строение прибортового массива, влияние гидрос- ; гатических и гидродинамических сил и степень подтопленности откоса.

Зпределение коэффициента запаса устойчивости борта карьера в неодно- 1

юдком массиве выполняется исходя ив выражения ;

I

кср ^ерсрад К1 ь^р! . 1

п =------- -------------=------- =----------- . (4) |

пред. ^§Рсрад.г.рад. Кх пред. пред. |

?

Подробно методика решения рассмотренных выше задач приведена в !'

:ашх работах /2,3,3/. :

При отсыпке скальных и полускальных пород на слзбсе основание |

олмпой либо неограниченной мощности механизм деформирования откосов :

бладает специфическими особенностями . Под действием веса пород отва- ■

. поб*е\.ет,

а несущая способность основания может оказаться исчерпанной, чтсгза обей деформацию пород в основании; затем начинает деформироваться и I роседать сам отвал. К этому времени уже сформирована обшдя поверх-ость- скольжения с обязательным выпором пород основания. Коэффициент | апаса устойчивости отвала определяется как отношение удерживающих и | двигающих сил с использованием принципа суперпозиций, определяемым ! уммированием соответственно удерживающих и одвигэших сил от собс-венного веса призмы обрушения отвала и внешней нагрузки. Предлагаемая I етодика позволяет определить параметры предельного отвала, при кото- 1 их не будет происходить выпор основания и деформации откоса отвала; •

решение задачи выполняется по программе SP52Q/1/.

Определение численного значения коэффициента запаса устойчивости по формулам (3,4) это толькс? первая часть задачи. Вторая часть задачи состоит в том чтобы оценить надежность и погрешность полученного результата. ' Воспользоваться для этого формулами (3,4) нельзя, так как отношения прочностных характеристиках в этих формулах численно равны, а погрешности коэффициентов сцепления и трения различны.

Для получения другой формулы по определению коэффициента запаса устойчивости формулу (2) запишем следующим образом

fía« + aiPi)li / ё^сдв'li = n", (5)

где пел - число блоков; ao«k; ai= tgp; 1 i-длина элементарного блока.

Как уже отмечалось ранее, при п * 1 использование формулы (1) неправомочно, поэтому, используя соотношения (3,4), приводим откос в предельное состояние и получаем следующее выражение формулы (5):

(ао + aiP)/ Хсдв'п =1, (6)

где Р -.среднее нормальное напряжение действующее по поверхности скольжения ;ТСдв - среднее сдвигающее напряжение действующее по поверхности скольжения откоса находящегося в предельном состоянии. Отсюда легко вычислить- коэффициент запаса устойчивости:

п = (ао + aiP) / ?Сдв . (?)

Если массив неоднородный и поверхность скольжения проходит в нем

по нескольким слоям, в этом олучае каждый слой горной породы имеет

свои физико-механические характеристики, а сопротивление пород сдвигу

для каждого слоя определим следующей зависимостью:

(I) (I) m„ (II) (II) (II) (п) Сп) (п) х =ао +ai Р; t = ао +ai Р.....х =ао +ai Р. (8)

Тогда уравнение (2) с учетом (8) запишется относительно п в виде

, (I) (I)- ч_ , (II) UI)_ , (п) (п)_ , .

n«(ao +ai Pi)/ío+(ao +ai Рц)/Тр+.. .+(ао +ai Pa)/t0 , (9)

ПАЛ П&Л,'

где Pn = iTPili/ Е Ц - среднее нормальное напряжение,

i=l i=l действующее в пределах каждого

слоя;

1,11,...,п - номер слоя;

Пбл - число элементарных блоков в данном слое.

Таким образом, численное значение коэффициента запаса устойчивое-

л следует определять по формуле (3,4), а оценку надежности произво- | таь по формулам (7,9). Физический смысл выражений (7,9) состоит в ! эм, что коэффициент запаса устойчивости есть отношение среднего каса-зльного напряжения, действующего по поверхности скольжения в откосе, сходящемся в предельном состоянии, и вычисленное по нормативным проч-эстным характеристикам пород, к среднему касательному напряжению, шствующему по той же поверхности скольжения.

Как видно из выражений (7,9), погрешность коэффициента запаса ус-иачивости будет определяйся исходными характеристиками прочностных юйств горных пород, полученных при обработке результатов испытаний I сдвиг (а следовательно, и их погрешностями) и геометрией откоса, ¡уславливавщей действующие' касательные напряжения.

Как отмечалось ранее, основным фактором, определяющим устойчи-¡сть карьерных откосов, являются физико-механические свойства пород «откосных массивов. Надежность определения их показателей во многом ¡уславливает и точность расчета, так как они являются исходными годными) параметрами в любом методе расчета. При обработке результа-® испытан!® физико-механических свойств пород с целью получения их 'рмативных либо расчетных показателей последние рассматриваются как терминированные величины, хотя по своей природе их распределение нога- случайный характер. Это свидетельствует о необходимости перехода к роятностным способам решения задзч устойчивости откосов в условиях ска на основе статистических оценок совокупности определяющих фактов, которые позволяют повысить точность и надежность конечных резуль-.тов расчета.

Методическую основу для решения задач устойчивости карьерных от-сов в условиях риска составляют нормальный закон распределения слу-йных аргументов; этим достигается возможность и простота оценки ма-матических ожиданий и средних квадратических отклонений большинства учайных функций.'

Существующие методы определения погрешности прочностных характе-стик основаны на предположении, что они распределены по нормальному кону .поэтому их расчетные-значения принимаются по нижней границе верительного интервала (ГОСТ 20522-75,А.И.Арсентьев,Б.Д.Поло-в.Н.К.Звонарев, В.И.Зобнин, С.Г.Христов и др.). Все эти работы имеют ин существенный недостаток, они предполагают независимость величин к р в уравнении (1). В диссертации показано, что эти величины являются висимыми и коррелируют между собой.

Доверительные границы, образующие полосу, которая с заданной вероятностью Р0 , содержит график неизвестной истинной зависимости х - f (Р) определяется неравенствами (см.рис.1)

■сСРО - бг(Р1)ЧРо < х(Р>) < т(р,) + Мр^Ч^ (10)

где б?(Р1) - оценка дисперсии величины " , определяемой зависисимоси (1) и зависит от случайных величин оценок коэффициентов % В случае линейной зависимости

&с2ср) - + + 2 Чл*1 • (11)

Таким образом, можно считать, что наилучшая прямая покачивается вокруг центра тяжести экспериментальных точек - точки Б (рисЛ). В величину 6% вносят независимый вклад ошибка в ординате г' точки вращения и ошибка 6а ( бгрр ) в наклоне прямой. Поэтому уравнение наилучшей прямой следует записывать в виде

х = (ах ± ба1) • (Р - Р) + (т ± б_) , (12)

з не

х = (аг + ба,) -Р + (ап ± ба„) . (13)

X и

Из уравнения (13) следовало бы, что наилучшая прямая покачивается вокруг точки , а это неверно.

Как следует из уравнения (12) ошибка бх2 в наилучшем ена- ' чении х при любом Р дается выражением

б-с2 = б| + (Р - Р)2 6&1 . (14)

Выражение (14) тождественно выражению (11). • Для некоторых типов пород зависимость х = f ( Р ) криволинейна, что необходимо учитывать при расчетах устойчивости карьерных откосов.В диссертации рассмотрены такие зависимости как многочлен второй степени и зависимости приводящиеся к Линейным." Кроме этого определены погрешности сопротивления пород сдвигу по результатам испытаний на стабилометрах и с учетом коэффициента структурного ослабления.Эти ездачи решаются впервые.

Из формул (7) и (9) видно, что коэффициент' запаса устойчивости можно вычислить по формуле

п = А • "Судерж. _ (15)_

где А=1/-Ссдвиг;если массив многослойный то под %держ и Тсдьиг подразумеваются средневзвешеные величины.

Из формулы п = А -х можно найти дисперсию и среднеквадратическое отклонение коэффициента запаса устойчивости.

—__ -уг _„_»_ А i

< , А ' "1 1 i i

I 1 I i i

ю

rs

го

25

50

35 40 45 Pt Р /0~*МПа

Рис.1.График х = С:(Р) зависимости сопротивления сдвигу от норда ного давления: 1-прямая максимального правдоподобия т(Р)=фд;(Р)] = , + ааР; 2-график неизвестной истинной зависимости х = Ц(Р); 3 4- дп-(рительные границы для неизвестной истинной зависимости т ='ц(Р) при ¡верительной вероятности «=0,95 и а=0,99 соответственно

On" =

; еп = / б'-- = |А|б

(16)

Коэффициент запаса устойчивости зависит от двух коэффициентов А и . В свою очередь коэффициент А - зависит только от длины поверхнос-[ скольженияд сдвигающих сил; коэффициент Аа = Т зависит от вида 'ккции х = f(p) , то есть от точности исходных данных.

Строго говоря, х зависит и от числа блоков разбиения, но при уверении числа блоков х стремится к const. Поэтому при интегрировании а по поверхности скольжения эта погрешности не сказывает влияние на еультаты расчетов.

Дисперсия для линейной функции определится по формуле 6 € = Н * + 2Ка . (17)

Теперь по формуле (16) можно определить дисперсию и погрешность п.

В диссертации приводятся результаты исследований и для других функций аппроксимирующих результаты испытаний пород на сдвиг.

Общий алгоритм решения задачи выглядит следующим образом:

"1. Расчетный откос приводится в предельное состояние методом последовательных приближений путем изменения оценок коэффициентов до предельных значений ai«, пред-í

2. Определяется численное значение коэффициента запаса устойчивости

п - ак.норм/ а«.пред

3. Определяется погрешность вычисления коэффициента запаса устойчивости по формулам (16) или аналогичной в зависимости от вида аппроксимирующей функции сопротивления пород сдвигу;

4. Находятся доверительные границы, которые с заданной доверительной вероятностью содержат истинный коэффициент запаса устойчивости

n - tpo6n < n < n + tp06n . (18)

Если нижняя граница доверительного интервала окажется меньше 1, то с заданной доверительной вероятностью нельзя утверждать, что откос будет устойчиЕ.

Устойчивому состоянию откоса будет соответствовать нижняя граница доверительного интервала равная 1, т.е.

n - tpo6n = 1 ■ (19)

Отсюда определим величину tD соответствующую устойчивому состоянию откоса °

tpQ = ( п - 1)/ бп-

Из таблицы распределения Стьюдента по числу степеней свободы можно определить, какой доверительной вероятности р соответствует найденное значение tp . Эта величина р дает вероятность устойчивого состояния откоса. Уровень риска обрушения откоса г определится как разница между единицей и вероятностью устойчивого состояния откоса, т.е.

г = 1 - р .

Гак как при расчетах учитываются только минусовые ошибки неподтверждения исходных дзнных, и если при определении величины использовалась таблица двухсторонней доверительной вероятности, то уровень риска обрушения откоса уменьшается вдвое, т.е.

г =(1-р)/2.

Таким образом, определив погрешности показателей сопротивления пород сдвигу и с- учетом коррелированное™ этих показателей вычисляется коэффициент запаса устойчивости и уровень риска обрушения реального

ткоса.

Исходя из полученных зависимостей разработана методика определе-кя параметров предельных откосов при'заданном риске обрушения.

Б диссертационной рзботе приведена сравнительная оценка методов асчета^коэффициента запаса устойчивости и установлено, что погрешать бп коэффициента запаса устойчивости при использовании расчетных арактеристик Кр и получается наибольшей, а кеучет корректирован-лети показателей ао и ах приводит к завышению величины бп ■ Следовательно, при прочих равных условиях нижняя граница коэффициента запаса зтоичивости пн при использовании в расчетах Кр и будет наимень-?и, и величина п - Ьробп будет несколько занижена, если считать, что ззффкцменты Зо и аа независимы.Эта зависимость описывается так'

!ас + агР) > А/ баг + ¿аг(р)2 > '¿^ + ба*(Р)2+ гКа^Р .

В работе приведены результаты расчетов устойчивости карьерных от-юов и отвалов на ряде карьеров Казахстана, выполненных с испольэова-1ем разработок автора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа является на данном этапе законченной науч- исследовательской работой, содержащей новое решение актуальной за-чи создания вероятностного.способа решения задач устойчивости карь-ных откосов, позволяющего обеспечить заданную точность расчетов и дежность назначения параметров откосов уступов, бортов и породных от лов, необходимых для эффективной и безопасной разработки месторожде-й полезных ископаемых открытым способом.

Наиболее существенные научные и практические результаты исодедо-кий заключаются в следующем:

1. Применяемые до настоящего времени способы решения задач устой-вости откосов рассматриваются при детерминированных входных парамет-(, в то время как показатели сопротивления пород сдвигу, обуславли-эщие устойчивость карьерных откосов, косят вероятностный характер, з вызывает необходимость перехода к вероятностному способу расчета, имуществом которого является возможность оценки уровня значимости содных параметров и необходимости их уточнения, установление точнос-и надежности получаемых результатов, определения необходимых затрат получение заданной точности и др.

2. Устойчивость реального борта карьера оценивается коэффициентом

I

? ■

запаса устойчивости, определяемым как отношение среднего сопротивления пород сдеигу рассчитанного с использованием нормативных прочностных характеристик пород по потенциальной поверхности скольжением в откосе, приведенном в предельное состояние, к среднему касательному напряжению, действующему по той же поверхности скольжения; численное значение этого показателя определяется как отношение расчетных прочностных характеристик пород к и р к предельным их значениям.

3. Для геомехзкической модели неоднородного массива разработан численно-аналитический способ оценки устойчивости откоса путем приведения в предельное состояние реальных карьерных откосов,который позволяет учитывать неоднородность массива, ступенчатый профиль борта карьера, влияние на устойчивость откоса гидростатических и гидродинамических сил.

4. Разработана методика численно-аналитического способа оценки устойчивости отвалов скальных пород на слабом основании неограниченной мощности, позволяющая определить допустимые нагрузки любого закона распределения на горизонтальное слабое основание.

5. Для геомеханических моделей однородного и неоднородного массивов установлена зависимость между коэффициентом запаса устойчивости откоса и исходными прочностными характеристиками пород, создавшая предпосылки для перехода к статистико-вероятностным методам оценки надежности расчетов устойчивости карьерных откосов.

5. Разработана методика определения погрешности сопротивления пород сдвигу иа основе статистико-вероятностного подхода к результатам обработки испытаний пород на сдвиг з натурнах условиях и стабиломет-рах, а также с учетом коэффициента структурного ослабления пород.

7. Предложен принципиально новый подход к оценке устойчивости однородных и неоднородных карьерных откосов, позволяющий устанавливать доверительные граничь- коэффициента запаса устойчивости откоса при заданной доверительной вероятности (надежности) с учетом коррелированное™ показателей сопротивления пород сдвигу к и р. Неучет коррелиро-ваности показателей к и р приводит к завышению погрешности сопротивления пород сдвигу, а использование расчетных значений этих показателей еще более увеличивает эту погрешность.

8. Минимальный коэффициент запаса устойчивости реального карьерного откоса оценивается по нижней границе доверительного интервала при заданной доверительной вероятности (надежности) с учетом коррелирован-ности показателей прочности к и р пород прибортового массива.

9. Разработана методика расчета параметров предельных откосов с . ;етом погрешности определения.сопротивления пород сдвигу и заданного 'овня риска обрушения откосов, позволяют^ более обоснованно подхо- : ;ть к назначению параметров проектируемых кзрьеров и отвалов; при ¡-ом нижняя граница доверительного интервала коэффициента запаса ус- ■ 'йчивости откоса пн должна соответствовать 1.

10. Неучет коррелированное«? показателей сопротивления пород сдви-' к и р в применяемых методах расчета по сравнению с предлагаемой ме- ;

дикой приводит к существенному занижен™ коэффициента запаса устой- '

вости и, как следствие, параметров предельного, откоса (высоты или |

ла откоса). ;■'

11. При назначении параметров устойчивых откосов уступов, бортов , рьеров и породных отвалов допустимый уровень риска должен опреде- ! ться для конкретных горно-геологических и горно-технических условий

зработки месторождений на основе исследования целевой функции, осно- '

нной на сопоставлении возможной прибыли при отсутствии оползней и .

терями горного предприятия в случае оползнепроявлений. '

12. Для геомеханических моделей "реальный борт карьера" и "отвалы альных пород на слабом основании" на основе единой методики числен- | -аналитического способа расчета разработаны алгоритмы и пакет прик- | дных программ для решения задач устойчивости карьерных откосов нз | М. |

Расчетные схемы и способы расчета параметров устойчивых карьерных '

косое использованы в отраслевом нормативном документе "Еременные ме- !.

дические указания.,.". Пакет прикладных программ для решения задач ';

тойчивости откосов используются институтами ВИОГЕМ и ГИПРОцветмет; I

дельные программы используются в учебном процессе. Основные рекомен- :

ции работы использованы при составлении рабочих проектов отработки ' рьеров и проектов отвзлообразования на ряде месторождений Казахстана

подтвержденным годовым экономическим эффектом 77.8 тыс. руб. (в ценах ! 88г.).

•Результаты исследований могут быть использованы на проектируемых |

действующих горных предприятиях, ведущих разработку рудных и уголь- |

х месторождений открытым способом. I

Освоение положения диссертации опублановавы в работах:

1. Расчет устойчивости отвалов скальных пород на слабом основании ограниченной мощности//Рациснальное использование недр и рекультива-

ция земель нагорных предприятиях: Сб.науч.тр./КарПТК. - Караганда, 1988. - с. 29 - 40 (соавторы: ШпакоЕ П.С., Поклад Г.Г.).

2. Оценка устойчивости бортов карьеров в сложных горно-геологических условиях//Там же. - с. 4D-49.(соавтор Ожигин С.Г.).

3. Оценка устойчивости реальных откосов//Сдвижение горных пород и земной поверхности при разработке месторождений полезных ископаемых: Сб. науч. тр./КарПТИ. - Караганда, 1989. - с. 21 - 2б(соавтор Шпаков П.С.).

4. Влияние сейсмического действия взрывов на показатели сопротивления пород сдвигу//Механика горного массива и свойства горных пород: Сб.научн. тр./КарПТИ - Караганда, 1990. - с. 12 - 17(соавтор Ожигин С.Г.).

5. Построение доверительных границ для коэффициента запаса устойчивости откоса при заданной вероятности/'/Механика горного массива и свойства горных пород: Сб.науч.тр./КарПТИ. - Караганда, 1990. •- с. 41

- 45 (соавторы: Шпаков П.С., Поклад Г.Г.).

6. Основы вероятностного способа решения задач устойчивости откосов уступов и бортов карьеров//Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических- условиях. - Материалы Международного симпозиума. Том 2. - Белгород, СССР, 20-24 мая 1991. с. 148 - 155 (соавторы: Шпаков П.С., Поклад Г.Г.).

7. Вероятностный способ решения задач устойчивости карьерных от-косов//Изв.вузов. Горный журнал. - 1991. - Ы 6. - с. 45 - 52 (соавторы: Шпаков П.С., Поклад Г.Г.).

8. Расчет устойчивости реальных карьерных откосов для геомеханической модели неоднородного массива//Изв.вузов. Горный журнал. - 1991.

- N 9 - с. 51 - 54 (соавторы: Шпаков П.С., Ожигин С.Г.,Поклад Г.Г.).

9. Влияние погрешности определения прочностных свойств пород на параметры предельных откосовУ/Совершенствование технологических процессов и методов их контроля: С5. научн. тр./КарПТИ. - Караганда, 1С:С1. - и. 10 - 15 (соавторы: Ожигин С.Г., Франк Г.Е.).

Личный вклад соискателя в опубликованных в соавторстве работах заключается :/1/- в составлении расчетной схемы и интегрального уравнения равновесия;/2,3.6 / в разработке алгоритма и анализа результатов рйочета ; /4/- в создании программы и проведении сопоставительных расчетов; /5,6,7/-в разработке теории, вероятностного способа решения задач устойчивости карьерных откосов; /9/- в разработке алгоритма, выполнена расчетов и анализе установленных зависимостей.

CAШ ТйШ'БМЖ ОМАР

КАРьЕР ЕрНЕУЛйР! ТУРАКТШШГЫЬ ЖОБАЛАУ

¡»лксатыка м/шхш ьдашда /рлдшяь

БАГМАУ. ;

Бул диссертацкялык; жумкста ашыд кенхш ернеулерх турацтылыгын .

.щтималдап багалау усынылып отыр. кундай тэсхл кен. орнын ааы.ч эдхс- i

юн игерудщ ^ayxnci3fliri мен тихмдглirine кдаеттг карьер ернеуле- ;

)1Н1Ц тура^ты елшеэдерхнщ дэл жэне ппттх анхдталуын ндытамасыз j !таеш1.

Автор öipTeKTi жэне 6ipreKTi емес жыныстык; сЪшмнщ геомехани- j алы к моделхне лайьш;ты, есептеулт ернеудх аектеул i тепе-тевдхк :уЙ1не келт ipy ардылы шынайы карьерл ш ернеудщ туращтылыц норы

:оэффициентш аньщтаудыц, сокдай-ак;, шектеуснз калыцдьщпен берыген i epiKTMiri элс13 жер ндбаты устхндеГ1 Уйвдхлердщ турактылыгын агалаудьщ эдхстемелерг жете зерттелген.

Tay жыныстарыныц ысырылуга карсы кедерг!С1не тэн зр^иды теуелд1- ;

1ктхц ^TeciH жыныстыц берхктЬпк керсетк1штер1 арасындагы езара j

орреляциондык; моментттц ескерхлухмен аньи?гаудьщ здхстемесх де жете j

ерттелген, бер1НТ1Л1к керсеткхштерш жынысты стабилометрде сынау J

этижес1 бойынша айн;ындау жэне н;урылымдын; алс1реу коэффициент ih i

зкеру жагдайлары карастырылган. •

Карьердщ шынайы ернеухнгц тура^тыльщ к;оры коэффициентihih ;

iTeciH есептеуде тау шнкстарыныц ысырылуга кареи кедерг1с i ,

эрсетк11иер1нхц езаралык; корреляциялануы ескерхлген. Турак;тыльш; !

эры коэффициент inщ kieii мэн1 берглген сен1мдхл1к ьцтималдыгына ; эйкестелш, сенхвдхлхк аралыгынщ тэкенгх иеггиен аньщталыл', осы

)эффициентт1ц "I" ге тец болуы шактеулх ернеудщ турак;ты елшемдерш ■. ?рмэкшх. Ерн'еу куйшщ турак;тылыгына умхтт1Л1К пен опырылуына

»уекелдхк турацтьшык; коры коэффициентihih н;атес1н багалау аркдлы ;

1ык;талган. j

Ашын; кенш ернеулерхнщ турак;тылыгын зерттеуден туындаган ! 'жырывдар мен усынымдар Кдзацстандагы бхрталай кен орындарындагы

[flipxcKe енг131Л1П, эртурл1 гылыми-зерттеу жэне жобалау мекемелерш- .

' к;абылданды. i

SflPflR TOLEUBfiEtflCH OMAROU

PRECISION ESTIMATION OF PRELIMINARY OPENCAST SLOPE ANALYSIS FOR DESIGNING

In the present thesis a probability method to solve the problens of opencast slope stability is proposed. The use of the method will allow to supply the precision reuirsd and the reliability to define the parameters af opencast slopes ahich are necessary to work out deposits effectively and safely with the"opencast sethod.

The author has uorksd out the Esthodiss to define the safe factor of stabilit» of real opencast- siones for geosechanical ¡¡¡odels of homogeneous and inhosogeneous masses by Beans of bringing the calculated slope to the state of limit equilibrium,the nethodies to estimate the Stability of spoil banks made on the weak base of unlimited power has been aorked out as well.

For different types of dependence of rock shear strength the net-bodies to define its error taking into account the correlation aoaents between the rock strength indecies has been worked out.The problems of defining these indecies on the result of testing rocks by means of meters of stability and taking into account the structural reduction factor have been considered'as yell.

The error of the stability margin factor of a real flank of an opencast is calculated taking into account the cross-correlation of •the rock shear strength indecies. The jainimuiD stability sargin factor is defined on the lower confidence interval liait at the confidence level given, and the parameters of limit slopes,' at this factor value equal to one. The reliability of the stable slope state and the level of caving risk are defined by the error of the stability margin factor, The results of investigations on the problems of opencast slope stability have been handed over to various scientific research and deSigning institutions and introduced in a nunber of deposits of Kazakhstan.