автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Развитие теоретических основ расчета устойчивости и рациональных параметров открытых горных выработок

рг Б ОД

« у М:-Ч

1 НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ГИДРОМЕХАНИКИ

На правах рукописи

ПОЛ ИЩУ К Сергей Зиновьевич

РАЗВИТИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ И РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Киев 1994

Работа выполнена в Институте проблем природопользования и экологии HAH Украины. •

Научный консультант:

доктор технических надк, профессор,

академик Украинской экологической

академии наук ШАЛАЕВ А.Г.

Официальные оппоненты:

доктор технических нзук «профессор ФЕДОШКО П.И.

доктор технических наук, профессор ШАШЕНКО А.Н.

доктор технических н£|ук ШОЕГЬКО В.П.

Ведущая организация: Марганецкий Государственный Горнообогатительный комбинат министерства промышленности Украины

Зашита состоится " W " Q&i^M 1994 г. в " IQ, " часов на заседании Специализированного совета Д.016.56.02 Института гидромеханики HAH Украины по адресу: 252057, г. Киев-57, ул. Желябова, 8/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института гидромеханики HAH Украины. ^ Л

Автореферат разослан tö« 1994 г. ■

Учёный секретарь Специализированного совета, кандидат технических наук, ст.научн. сотрудник /А / ПЛУШК В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальностидроблемц. Дальнейшее развитие открытого способа разработки месторождений, позволявшего удовлетворить основные потребности общества в минеральном сырье,1более 3/4 объёма горных работ на Украине и в других странах СНГ выполняется в карьерах), связано с увеличением глубины и простирания карьеров, усложнением горно-геологических условий разработки. Это происходит на фоне возрастающих требований к охране окружавшей среды и рациональному использованию природных ресурсов.

При достигнутых масштабах разработки изменение конструкции бортов даже в незначительных пределах оказывает существенное влияние на её эффективность. Например, для карьеров глубиною порядка 300 м повышение результирующего угла наклона бортов только на 3° приводит к уменьшению объёмов вскрышных работ на 7-Ю млн.м3 на каждый километр фронта горнах работ.

В этой связи совершенствование конструктивных параметров открытых горных выработок приобретает всё большее значение.

В конечном итоге масштаб разработки и оказываемое техногенное воздействие характеризуется площадью изымаемых земель и объёмом вовлекаемых в разработку пород. Значением этих показателей определяется степень и интенсивность воздействия всех технологических процессов открытых горных работ на окружающую природную среду и человека. Вместе с тем, анализ предшествующего опыта показывает, что сдерживающими факторами для разработки новых технических решений, существенно рационализируших геометрические параметры бортов карьеров, являются недостаточная изученность и учёт закономерностей состояния горного массива в процессе ведения горных работ, несоверпенство методов прогноза и расчёта параметров откосов,'особенно в трёхмерной ^остановке.

Следовательно»разработка и совершенствование методов расчёта устойчивости и конструктивных параметров открытых горных ффаботок является актуальной научной проблемой. ' Решению указанной проблемы, имевшей важное социальное и 1рроднохозяйственное значение, посвящена настоящая диссертационная работа. В основу диссертации положены результаты, поду-

- г-

ченные автором в процессе теоретичеспсж "йссяеро^мвА >шяря-жённого состояния и устойчивости бортов карьеров, геомеханических аспектов нетрадиционных и ресурсосберегающих технологий, занимающих важное место в планах научно-исследовательских работ ИШ1Э HAH Украины.

Целы? работу является разработка и развитие теоретических основ расчёта устойчивости,рациональных параметров и формы горных выработок для повышения эффективности открытой разработки на основе совершенствования существующих инженерных методов и разработки новых численно-аналитических способов оценки состояния горного массива.

Цпея работы заключается в комплексном использовании взаимодополняемых инженерных и численно-аналитических методов оценки напряжённого состояния и устойчивости горного массива ^ для расчёта рациональных параметров открытых горных выработок.

Мдторц доследований. Применен комплекс современных ыето- ' дов исследований, отвечавший поставленным цели и задачам дис-оертации. В диссертационной работе использовались: методы математического анализа при аналитическом описании и исследовании геомеханических объектов и процессов; методы теории упругости, включая метод конечных элементов, для анализа напряженного состояния горного массива и обоснования нетрадиционных технологических решений; методы механики горных пород при разработке расчётных критериев оценки состояния горного массива; методы вычислительной техники и программирования при численной реализации поставленных задач; общенаучные методы анализа и синтеза при оценке влияния объёмного фактора на напряжённое состояние и устойчивость горного массива; экспериментальный метод моделирования на эквивалентных материалах и натурных наблюдений для проверки достоверности результатов теоретических исследований.

Автор защищает следующие научные положения:

I. Комплексный подход к обоснованию и выбору рациональных параметров бортов карьеров предусматривает выполнение- геомеханических исследований по взаимосвдзантам „направлениям: оптимизация конструктивных параметров и формы открытых горных

выработок, управление состоянием горного массива, обоснование нетрадиционнее малоотходных и ресурсосберегающих технологий и способов на основе анализа напряжённого состояния, устойчивости и параметров карьерных массивов в их взаимо -связи.

2. Задачу оптимизации конструктивных параметров бортов карьеров ступенчатого профиля наиболее целесообразно рассматривать по отношению к основным структурным элементам борта, включающим одиночные уступы, их парные сочетания, а также весь борт в целом . Глобальным критерием оптимальности решения является достижение равномерно-нормативного распределения прочности по всем структурным элементам конструкции.

3. Преобладавшая тенденция роста абсолютных значений компонент напряжённого состояния массива при одновременном снижении неравномерности поля напряжений предопределяет, в целом, более благоприятные условия устойчивости объёмных откосов по сравнению с плоскими аналогами. Количественным показателем положительного влияния фактора объёмности служит, главным образом, отношение инварианта тензора напряжений

Ij к максимальном касательным напряжениям Vтах .

4. Влияние фактора объёмности на параметры горных выработок носит существенный характер при значениях коэффициента Цуассона пород V не менее 0,2; углов откосов оС не менее 30° и углов внутреннего трения $ не менее 10-15°, а также при отношениях радиуса кривизны & или Длины участка сопряжения L к высоте борта Н не менее 1,5-2 , возрас-тар с ростом параметров ot , V , $ , Н и убыванием параметров О. ъ L . При этом относительные величины поправок к углам откосов уступов, определённым из решения плоской задачи, мопут достигать 20-25 %.

5. Эффективность технологических воздействий в процессе управления состоянием горного массива возможно характеризовать интегральным изменением коэффициентов запаса устойчивости за счёт изменения геометрических параметров выработки

(Н , ос ), прочностных показателей пород ( С, $ ) и напряжённого состояния массива.

- А -

Обоснованность и достоверность научшст цоложоний.

Научные результаты диссертационной работы получены на основе фундаментальных положений механики горных пород и теории упругости с использованием аппарата математического анализа. Их достоверность подтверждается применением апробированиих методов исследований, экспериментальными исследованиями на эквивалентных материалах и оценкой степени соответствия теоретических и экспериментальных данных (отклонение в результатах не превысило 15 %); исследованиями, связанными с оценкой погрешности при использовании численного метода (погрешность не более 5 %); сопоставимостью результатов исследований с данными других авторов и соответствием результатов теоретических расчётов о данными теории и практики горных работ, а также результатами практического использования рекомендаций диссертационной работы на карьерах Украины.

Научная новизна, В диссертационной работе впервые предметно рассмотрен и развит комплексный геомеханический подход к расчёту рациональных параметров и формы открытых горных выработок.

Впервые дана общая постановка оптимизационной задачи и разработана методика оптимизации конструктивных параметров бортов карьеров и отвалов по различным критериям. Подучены частные аналитические решения зцпачи.

Установлены основные закономерности пространственного напряжённого состояния и устойчивости открытых горных выработок, на этой основе изучен и впервые аналитически описан механизм влияния фактора объёмности на напряжённое состояние, устойчивость и параметры горного массива. .

Предложен критерий оценки устойчивости откосов, обобщающий известные выражения на случай пространственного деформирования горных пород. Разработана методика решения объёмных задач устойчивости бортов карьеров с учётом их конри-. ГУрации. Впервые аналитически описаны условия устойчивости круговых вертикальных выработок.

Установлено, что при дифференциальном и интегральном подходах к оценке устойчивости откосов значения предельной высоты вертикального обнажения различаются в 2 раза. Пока-

зана нецелесообразность введения запаса устойчивости в прочностные характеристики пород, так как это приводит к необоснованно^ занижению запаса прочности.

Практцчесцац.ценность работы 1 в целом,состоит в возможности применения результатов исследований для рационализации параметров открытых горных выработок. Эти исследования направлены на уменьшение изъятия земель под горный отвод и объёмов горных пород, подлежащих выемке, снижение вероятности оползневых явлений и,в целом - снижение отрицательного влияния открыли горных работ на окружающую среду и повышение их эффективности, Наиболее практически ценные результаты, подученные автором, заключаются в следующем:

- разработано прикладное многоцелевое программное обеспечение по расчёту устойчивости и параметров открытых горных выработок на ПЭВМ в различных горно-геологических условиях;

- разработаны рекомендации по оценке влияния объёмного фактора на устойчивость и параметры карьерных массивов и определены условия, при которых это влияние существенно;

- оценены погрешности инженерных расчётов, возникающие при использовании "метода отсеков" и введении коэффициента устойчивости в прочностные показатели пород,и даны рекомендации по учёту этих погрешностей при расчётах устойчивости откосов;

- определена взаимосвязь между радиусом кривизны и глубиной вертикальной выработки, при которой её интегральная устойчивость сохраняется без крепления;

- даны рекомендации по расчёту оптимальных конструктивных параметров бортов ступенчатого профиля;

- разработаны рекомендации по рациональшм параметрам открытых горных выработок в различных технологических ситуациях.

Реализация работы,

Результаты работы использованы институтом "Кривбасспро-ект" при выполнении рабочего проекта вскрытия и разработки нижних горизонтов карьера ИнГСКа, а также при обосновании проектных решений по карьерам месторождения им. Ломоносова ПО "Поморалмаз" (Архангельская область).

Рекомендации диссертационной работы использованы на Ин-

гулецком ГШе при разработке противооползневых мероприятий и на Грушевском карьере МГОКа при обосновании способа повышения устойчивости торцовых участков бортов карьеров (фактический экономический эффект от внедрения способа за 1987-1988 г.г. составил 328 тыс.руб.).

Пакет инженерных прикладных программ по расчёту устойчивости откосов внедрен на Верхнеднепровском 1Ш. Результаты исследований по оптимизации.параметров бортов карьеров внедрены на Марганецком ГШе (фактический экономический эффект от внедрения рекомендаций в 1992 г. составил свыше 2 млн.крб., в 1993 г. - более 900 млн.крб.).

Апробация ^работы. Содержание работы и её отдельные положения докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование технологии, механизации и организации производства при добыче угля" (г. Люберцы, 1983 г.), ряде го-'-'родских, областных и республиканских научно-технических конференциях молодых учёных и специалистов (г.Днепропетровск, 1983-1985 г.г.), на Ш Всесоюзном семинаре по горной геофизике (г. -Батуми, 1985 г.), Всесоюзном совещании "Малоотходные и ресурсосберегающие технологии открытой разработки месторождений (Мельниковские чтения)" (г.Днепропетровск, 1988 г.),. на 1У Всесоюзной конференции "Проблемы механики горных пород" (г,Фрунзе, 1989 г.), Международной конференции "Экология и рынок" (г.Днепропетровск, 1992 г.), Всеукраинской научно-практической конференции "Теория и практика решений экологических проблем в горнодобывающей и металлургической промышленности" (г.Днепропетровск, 1993 г.), Международной конференции "Проблемы промышленной экологии и безопасности" (г.Севастополь, 1993 г.), на X Международной конференции по механике горных пород (г.Москва, 1993 г.), технических совещаниях институтов "Кривбасспроект", "Хкгипроруда", Марганецкого, Орпжоникидзев-ского и Ин^улецкого ГСКов, Верхнеднепровского ГШ (гг.Кривой Рог, Харьков, Марганец, Орджоникидзе, Вольногорск, 1985-1993пЦ на научных семинарах Института геотехнической механики АН Украины (г.Днепропетровск, 1985-1987 г.г.), Всесоюзного научно-исследовательского института горной геомеханики л маркшейдерии (г.Ленинград, 1986-1987 г.г.), Института проблем природопользования и экологии АН Украины (г.Днепропетровск, 1992-

1993 г.г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 33 печатных трудах соискателя, в т.ч. одной монографии и одном авторском свидетельстве.

Объём работы^ Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, изложенных на 364 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 9 таблиц, список литерацуры из 176 наименований и 3 приложения.

Автор выражает'гдубоцую признательность проф.А.Г.Шапарю за научные консультации в процессе подготовки работы.

СОДЕШНИЕ РАБОТЫ

При ведении открытых горных работ только от 2 До 50 % вовлекаемой в разработку горной массы используется как полезное ископаемое. Следствием этого является повреждение отдельных или всех компонентов окружающей среды. Естественно, что интенсивность воздействия на среду любого из сопутствующих техногенных факторов определяется масштабом открытой разработки. С этих позиций именно совершенствование конструктивных параметров открытых горных выработок обеспечивает снижение уровня техногенного воздействия всех технологических процессов открытых горных работ на окружающую среду и человека.

Очевидно, что решение этой проблемы условно возможно разделить на три взаимосвязанных направления: геомеханическое, технологическое и технолого-геоМеханическое.

Первое из них предусматривает расчёт и выбор оптимальных (рациональных) геометрических параметров открытых горных вы- • работок в различных горно-геологических условиях. Второе -обоснование и разработку новых ресурсосберегающих, нетрадиционных и малоотходных технологий. Технолого-геомеханическое направление связано с теорией и практикой управления состоянием горного массива.

Для практической реализации этих направлений исследова- , нйй необходимо, кроме непосредственного метода расчёта устойчивости откосов, располагать взаимосвязанными методами расчёта их напряжённого состояния , конструктивных параметров и формы.

Болыпой вклад в развитие научного направления по проблеме управления устойчивостью бортов карьеров и отвалов внесли: Астафьев Ю.П., Березанцев В.Г., Гадустьян Э.Л., Гальперин A.M., Гольдштейн М.Н., Демин A.U., Зотеев В.Г., Ильин А.И, Крячко О.Ю., Николашин D.M., Певэнер М.Е., Попов С.И., По -пов Р.В., Ревазов М.А., Резников М.А., Вкевский В.В., Сапожников В.Т., Соколовский В.В., $исенко Г.Л., Цветков В.К., Цим-баревич П.М., Шапарь А.Г., Шашенко А.Н., Шпортько В.П.

Актуальность исследований в этом направлении не ослабевает, тем более, что проблема расчёта оптимальных параметров открытых горных выработок до последнего времени не получила должного внимания в теории. По выполненной укрупнённой оценке уточнение коэффициента запаса устойчивости бортов карьера только на 5 %,в конечном итоге.может позволить уменьшить объем извлекаемой горной массы и плошадь карьера от 1,5 до 20 % в зависимости от горно-геологических условий разработки.

Большинство исследователей сходится во мнении, что разработка научных основ управления состоянием массивов является весьма перспективным путём решения проблемы создания малоотходных и ресурсосберегающих технологий открытой разработки месторождений. Решение проблем управления состоянием природных и техногенных массивов включает исследования эффективности и закономерностей влияния различных воздействий и разработку методов оценки этого влияния на состояние уступов и бортов карьеров.

Осуществляемое технологическое воздейсш ие может характеризоваться совокупным действием следующих факторов; изменением геометрических параметров бортов и отвалов; изменением конфигурации массива в плане; изменением физико-механических свойств пород. Причём действие любого из этих факторов связано, как правило, и с изменением первичного напряжённого состояния горного массива. Поэтому задачу оценки влияния различных технолргических воздействий на массив, по мнению автора, следует рассматривать в плане оценки изменения коэффициента запаса устойчивости массива при изменении его напряжённого состояния, прочностных характеристик и геометрических показателей.

Количественно оценка эффективности того или иного спосо-

ба управления состоянием горного массива невозможна без установления закономерностей взаимосвязи изменения напряжённого состояния и устойчивости. Точно также определение параметров того или иного технологического воздействия на массив невозможно без оценки влияния заданного поля напряжений (вызванного этим воздействием) на устойчивость массива. Конкретные теоретические проработки этого вопроса до настоящего времени отсутствовали.

Предпосылки такой постановки задачи особенно отчётливо проявляются сейчас, когда для оценки устойчивости откосов всё шире применяются решения, полученные численными методами механики сплошной и дискретной среды. Эти решения эффективно использованы при анализе напряжённого состояния и устойчивости горного массива. Возможность получения численного (а в некоторых случаях и аналитического) решения о распределении напряжений в откосах открывает широкие перспективы в плане использования выявленных закономерностей напряжённо-деформированного состояния горного массива. Вместе с тем, до настоящего времени именно вопросы взаимосвязи изменения запаса прочности массива с изменением его напряжённого состояния недостаточно изучены.

Таким образом, идея комплексности и универсальности при постановке и решении задач управления состоянием массива, в свою очередь.приводит к выводу о том, что наиболее приемлемый подход к оценке эффективности управляющих воздействий должен быть основан на исследовании напряжённого состояния устойчивости и параметров горного массива в их взаимосвязи. Такая постановка задачи предъявляет особые, специфические требования к используемым расчётным методам устойчивости. Реализация таких задач в полной мере возможна только на основе объединения численно-аналитических и инженерных методов расчёта устойчивости при условии соверпенствования как тех, так и других.

Вопросы совместного расчёта устойчивости и напряжённого состояния откосов в плоской постановке подучили численно. аналитическое развитие в работах д.т.н. Цветкова В.К. Для условий объёмной задачи такие решения до настоящего времени отсутствовали. Известные рекомендации ВНШИ по оценке влияния

фактора объёмности не учитывают напряжённого состояния массива и позволяют оценить интегрально прирашение к результирующему углу наклона борта карьера, не рассматривая его конфигурацию.

Учитывая современное ооотояние исследований в области геомеханики открытых горных выработок, нельзя уже признать достаточными те разработки, которые ограничиваются лишь рекомендациями относительно результирующего угла наклона борта карьера.

Рассмотрение реальной конфигурации (формы) борта карьера позволяет Перейти к постановке задачи определения его оптимальных конструктивных параметров. Основные результаты здесь подучены для условий глубоких карьеров. Методика построения рационального профиля в этом случае заключается в том, чтобы вписаться видеализированный профиль (выцуюшй, двугранный, в форме циклоиды и др.). Значения параметров бортов с определённой погрешностью приближаются к оптимальным. Эта же задача рассматривалась д.т.н. М.А.Резниковым с использованием вариационного метода. Однако,отсутствие аналитического реше-. Ния и дополнительные Погрешности расчётов, связанные с использованием вариационного метода, не позволяют однозначно рекомендовать эти численные решения в инженерной практике.

С учётом вышеизложенного в работе сформулированы следующие задачи исследований:

1. Выполнить аналитические исследования по совершенствованию инженерное методов расчёта устойчивости откосов и разработать прикладное программное обеспечение, реализующее инженерные методики.

2. Выполнить численно-аналитический анализ объёмного напряжённого состояния открытых горных выработок и разработать способы расчёта их конструктивных параметров.

3. Разработать аналитические способы оценки изменения параметров горных выработок при изменении напряжённого состояния и запаса устойчивости горного массива.

4. Сформулировать задачу оптимизации геометрических параметров бортов карьеров и разработать численно-аналитическую методику их расчёта.

5. Осуществить теоретико-экспериментальное обоснование и

практическую проверку достоверности подученшх результатов.

6. Обосновать рациональные параметры открытых горных выработок в конкретных геотехнологических ситуациях на базе разработанных численно-аналитических способов и методов их расчёта.

Упор в исследованиях сделан на использование и разработку аналитических и численно-аналитических методов, базирующихся на основных положениях механики горных пород и использующих аппарат математического анализа.

Исторически в теории расчёта устойчивости откосов можно вцаелить два различных подхода к оценке состояния массива, условно "метод сил" и "метод напряжений". "Метод напряжений" ( 1н ) в основе своей исходит из дифференциальной оценки прочности массива в точке. "Метод сил" ( ) предполагает интегральную оценку устойчивости с вычислением сдвигаших и удеркиваюпщх усилий для призмы возможного обрушения. Математические выражения для коэффициентов запаса устойчивости Чн и >2 д в самом обшем случае имеют вид:

ь--гМ*%1М (к

где С - сцепление в массиве;

2 - угол внутреннего трения пород; (5л, Ти. - нормальная и касательная составляющие напряжения на плошадке с нормалью Л- ;

N - результирующая сила нормального давления от веса призмы возможного обрушения по линии (поверхности) " скольжения;

Т - сдвигавшее усилю.

В диссертационной работе показана целесообразность совместного использована выражений ( I ) )шя более обоснованной и полной оценки состояния массива. В этой связи был проведен сопоставительный анализ этих методик. Установлено, что наибольшую степень достоверности результатов при использовании выражения для ^S следует ожидать при достаточно больших значениях Ы , i и c/fH , а также при значениях oi , относительно близких к S . При относительно небольших значениях о(. к £ , а также при значительной разнице ( о( - 2 ) "метод сил" дает , как правило, завышенные зна-

чения коэффициентов устойчивости. Это обстоятельство необходимо .учитывать на практике.

В плане совершенствования инженерных методов автором показано, что при расчётах устойчивости по методу алгебраического сложения сил ("метод сил") в расчётные зависимости целесообразно вводить величину Ус , определяющую угол наклона касательной линии к линии скольжения под центром тяжести призмы возможного обрушения. Установлено, что значение этой величины с достаточной для практики точностью еозможно принять равным ( + $ ) / 2

В процессе проведенных теоретических исследований автором показано, что при интегральной оценке прочности вертикального откоса предельная высота его обнажения Едвое превосходит величину Ндф= 2С/У£ /2), характеризующую дифференциальный подход к оцзнке прочности массива. В этой связи при оценке длительной устойчивости вертикальных откосов по методу алгебраического сложения сил (плоская задача) следует пользоваться величиной 2Ндд.

Отдельное внимание в Диссертационной работе уделено оценке погрешностей инженерных методов расчёта устойчивости. Определены услоеия, при которых дополнительные погрешности, заложенные "внутри" инженерных методов существенным образом влияют на точность получаемых результатов. Установлено, что использование разбиения на отсеки вместо точного интегрирования и введение запаса прочности в прочностные показатели всегда занижает фактическое значение коэффициента устойчивости откоса. Отклонения могут достигать 40-50 %. Таким образом, при расчётах коэффициентов устойчивости по методу алгебраического сложения сил для получения более достоверных результатов следует использовать результаты точного интегрирования по призме возможного обрушения и не вводить априори запас проч. ности в величины сцепления и угла внутреннего трения пород. Этот теоретический результат имеет существенное практическое значение, т.к. позволяет исключить дополнительно необоснованный разнос боргов карьеров.

В рамках используемых инженерных подходов в диссертационной работе разработаны достаточно универсальные методики по расчёту устойчивости слоистых и нагруженных откосов, реа-

лизованные на ПЭВМ. Установлено, что замена слоистого откоса однородным при расчётах устойчивости в большей степени влияет на величину призмы возможного обрушения, чем на значение коэффициента запаса устойчивости.

Полученные автором численно-аналитические результаты по исследованию и совершенствованию инженерных методов расчёта устойчивости,с одной стороны,посдужили основой для постановки и реализации задач оптимизации конструктивных параметров открытых горных выработок, а с другой - имеют самостоятельное практическое значение.

Комплекс инженерных вычислительных программ по расчёту устойчивости слоистых откосов на ПЭВМ внедрён на Верхнеднепровском ГШ. Разработанные программы позволяют оперативно определить по заданным параметрам борта карьера или отвала величину запаса прочности, а также решить обратную задачу устойчивости.

Как известно, традиционно используемые инженерные методы оценки устойчивости откосов не предусматривают нахождения рациональной конструкции борта карьера многоступенчатого профиля. Естественно, что такое положение вешей ни в коей мере не может удовлетворить запросам инженерной практики. Основные затруднения здесь связаны с необходимостью совместного решения двух вариационных задач: при оценке устойчивости бортов карьеров и нахождении его рациональной формы.

Как следствие, анализ большинства проектных и фактических конструктивных решений по параметрам уступов и бортов карьеров свидетельствует о том, что принятые параметры далеки от оптимальных. В этой связи,в диссертационной работе предложен обший подход к постановке и решению задач оптимизации (рационализации) конструктивных параметров бортов карьеров ступенчатого профиля. В геомеханическом и технологическом аспектах предложенный подход в наибольшей степени адекватен условиям, характерным для карьеров с мягкими покрывавшими породами и горизонтальным залеганием полезных ископаемых (например, карьеры Никопольского марганцеворудного бассейна), в то же время не исключено его применение и в других горно-геологических условиях, в частности, - Кривбасса. В диссертационной работе сформулированы следующие принципи-

альные положения.

Во-первых, борт карьера следует рассматривать как систему взаимосвязанных структурных элементов; во-вторых, при расчётах устойчивости борта и обосновании его рациональных параметров необходимо располагать данными о запасе прочности по всем его структурным элементам; в-третьих, алгоритм поиска рациональной конструкции борта должен предусматривать перераспределение запаса прочности по его структурным элементам с целью выравнивания значений всех структурных коэффициентов запаса устойчивости.

Если коэффициенты запаса устойчивости всех структурных элементов борта будут строго соответствовать принятым нормативным значениям, то принимается, что борг карьера будет находиться в идеально равномерно нормативном устойчивом состоянии. Таким образом, при таком выборе параметров борта (отвала) нет возможности дальнейшего совершенствования его конструктивных параметров для принятых нормативов устойчивости. Следовательно, подученное решение будет оптимально и максимально используюшим ресурс несушай способности конструкции. Степень приближения фактического распределения прочности по структурным элементам борта к равномерно-нормативному распределению устойчивости возможно оценить с помошью известшх приёмов математической статистики и теории вероятностей. Следовательно, представление борта карьера как системы структурных элементов предопределяет введение нового коэффициента - средне-нормативного коэффициента запаса устойчивости конструкции.

Установлено, что из всех структурных элементов борта в качестве базовых целесообразно выделять только основные, включающие обособленные уступы, борт в целом и все попарно 'сочетающиеся уступы. Сформулированная оптимизационная задача в математическом плане эквивалентна нахождению экстремума функции многих переменных с ограничениями (задача Лаг-ранжа). Разработан детальный алгоритм численной реализации 'задачи на ЭВМ. Установлено, что в общем сдучае невозможно рационализировать конструкцию борта карьера, отвечающую одновременно двум критериям: достижения максимального результирующего угла наклона борта карьера и минимума объёмов

вскрлпных работ по его формированию. Попутно доказано, что максимальные значения ширины берм и результирующего угла наклона борта достигаются, в большинстве случаев, при равшх значениях высот и углов откосов уступов, слагавших борт.

Для 2п ступенчатого борта, образованного парными сочетаниями уступов с высотами Н^ £ , получено аналитическое решение задачи. Например, для случая 2-х ступенчатого борта минимальный объём вскрышных работ по формированию борта будет иметь место при условии

н,/н

- у +(&*+ 3('/+&))'А • ( 2 )

3(1**>)

где ¿р.

. . ßA -Я)

CiL* И +ß/Z

- коэффициенты аппроксимации зависимостей

, определяемые

значениями физико-механических свойств пород и принятыми нормативными значениями прочности;

Н~Н<* Нг - высота борта;

Hi - высота нижнего уступа.

Исследованиями установлено, что решение уравнения ( 2 ) всегда лежит в интервале (1/3, 2/3).

Как уже отмечалось выше, решение объёмных задач о распределении напряжений в массиве является одним из основных направлений исследований поугравлению состоянием горного массива. В этой связи , актуальным является исследование закономерностей пространственного напряжённого состояния горных выработок.

В качестве инструмента исследований в диссертационной работе использован эффективный и достаточно широко апробированный численный метод расчёта напряжённого состояния горного массива - метод конечных элементов. С помошью специальных приёмов удалось разработать экономичный вычислительный алгоритм как с точки зрения объёма памяти, так и времени расчета. Это позволило,в свою очередь, исходя из целей работы, провести многовариантные сопоставительные расчёты плоских и

объёмных геомеханических моделей уступов и бортов карьеров. В качестве основных использованы две расчётные схемы: модель сопрягавшихся бортов и модель кругового в плане борта (карьера). Анализ этих двух полярных моделей позволяет интерполировать получаемые сопоставительные результаты на случай произвольной реальной конфигурации борта карьера в плане.

Показано, что реализованная методика с большей эффективностью может быть использована для сопоставительного анализа напряжённого состояния в плоских и объёмных моделях, т.е. скорее для оценки фактора объёмности, чем для непосредственной количественной оценки напряжений в массиве. Такая постановка задачи,тем более,актуальна в связи с необходимостью оценки влияния технологических воздействий на состояние массива. Для рассмотренных объёмных моделей (по отношению к плоским аналогам) выявлена преобладающая тенденция роста абсолютных значений напряжений при одновременном снижении их неравномерности. Выявлены устойчиво ориентированные локальные области массива, где следует прогнозировать отрицательное влияние объёмного фактора на устойчивость горного массива. Количественную и качественную картину изменения напряжённого состояния возможно проследить о помощью введенных коэффициентов влияния объёмного фактора, определявших относительное изменений компонент напряжений в объёмной задаче по отношению к плоской. Разнородная картина изменения напряжённого состояния предопределила необходимость интегральной оценки фактора объёмности. В этой связи установлены удобные для практического использования графические и аналитические зависимости, интегрально описывавшие влияние объёмного фактора. Различные компоненты напряжённого состояния характеризуются своими диапазонами изменения. Наиболее значительно могут изменяться наименьшие главные напряжения <Тт'п . . Менее всего изменяются максимальные касательные напряжения Ттах • В большинстве случаев их изменением возможно пренебречь. Промеасуточные главные напряжения <5ср также изменяются существенным образом. В некоторых случаях их изменение преобладающе. Установлено существенное влияние коэффициента Пуассона на характер изменения напряжений. В целом,наблюдается тенденция к возрастанию величины относи-

тельного изменения главных нормальных напряжений и к убыванию аналогичных величин для максимальных касательщх напряжений при возрастании V и оС .

На основании проведенного анализа обоснован расчётный критерий оценки устойчивости в объёмной задаче ( Чо£ ), учитывающий промежуточное главное напряжение посредством введения в расчётные зависимости первого инварианта тензора напряжений 11 . Известное аналитическое выражение, основанное на критерии Кулона-Мора и используемое для оценки устойчивости массива в условиях плоской задачи ( ), является частным случаем рекомендованного в диссертационной работе. Показано, что напряжённое состояние оказывает влияние на величину запаса устойчивости массива посредством следующих параметров: //Ттсн , Gm.it/Тгпах , % Причём два последних параметра могут быть заменены более общим Т, /Тпюх • имеюшим определяющее значение.

Для определения величины приращения устойчивости за счёт изменения напряжённого состояния массива установлены удобные для практического использования аналитические выражения. Приращение запаса прочности Л /£ сложнш образом зависит от совокупности величин С, $, У, И, о(, , А/Н, б*

(б* угол сопряжения бортов). Наиболее существенно влияние на значение &1 углов и ' $ , а также величины V . Однозначно показано, что в исследуемом интервале исходных величин с ростом параметров § , и

происходит возрастание величины ^ 1 .В частности, существенное положительное влияние сопряжения на устойчивость отмечается при значениях величин V не менее 0,2 И углов § не менее 10-15°.

Совокупность проведенных исследований позволила вскрыть и численно-аналитически описать механизм влияния фактора объёмности на состояние открытых горных выработок.

На основе подученных выше результатов в диссертационной работе разработана методика решения объёмных задач устойчивости, позволяющая учесть в расчётах реальную конфигурацию борта карьера, а не ограничиться лишь вычислением поправки к результирующему углу откоса борта, как это принято в существующих методиках. Её сущность заключается в последова-

тельной выполнении следующих этапов:

а) определяется резерв устойчивости за счёт влияния объёмного фактора

„ Ш- (Ж - Л )' 1»>

где Т<) Т/пал. - усреднённые по расчётной области значения первогоинввриантатензора напряжений и максимального касательного напряжения Т/пах в плоской (индекс "пл.") и объёмной (индекс "об.") задачах;

б) определяется суммарное прирашение ЛоС^ к результирующему углу наклона борта сЦ , определяемое величиной А -

олп (4)

^= (1.4?*. ъ»

в) вычисляется верхняя граница возможного сокращения ширины бери ¿8>

7 ( 5 )

Л& = ~ С^(сЦ ^ М.5) 1 ,

ЯсГ - высота борта;

г) для бортов, где влияние объёмного фактора не распространяется на высоту по всей протяжённости, определяем высоту к- влияния объёмного фактора. В частном случае карьера, кругового в плане Ь, - Н£ . Йзходя из технологических соображений,выделяем уступы по высоте к, , изменять параметры которых возможно и изменяем берыы соответствующих уступов. При этом величина суммарного изменения не должна превышать Л Ь ;

д) если по каким-либо соображениям суммарное изменение ширины берм 4 6 меньше ^ 8 , то определяем изменение результирующего угла наклона борта Л

( 7 )

е) по значению А<^5 определяем величину Л^' и остаточный резерв прочности АГ[

я) определяемся с теми уступами, углы откоса которых возможно изменить и для каждого уступа с измененным углом откоса на величину А Ы.I определяем снижение запаса прочности А >11 по формулам, аналогичным вышеприведенным;

з) проверяем выполнение условия ¿А^ и в случае его невыполнения уменьшаем значения ДсЬс Для выполнения неравенства; отстраиваем новый профиль борта и проверяем выполнение условия £ <¿6 * А оСГ ( - ре-

зультирующий угол наклона борта карьера). Если это условие не соблюдено, то производится вторичная корректировка параметров борта.

Все построения следует производить при условии, чтобы изменение параметров вышележащих уступов было не значительней изменения параметров нижележащих уступов.

Автором исследованы и определены условия, при которое влияние фактора объёмности на степень возможной корректировки геометрических параметров бортов наиболее существенно. Установлено, что относительные величины поправок к углам откосов могут составлять 20-25 %, Выражение Для определения прирашения к углу откоса сС за счёт кривизны борта в плане представимо в виде

2 (I, /Тта* )0<Г- (Т< /Утах) "Л (8)

" з ' сац^с^ар +1)

На основании подученных в диссертационной работе результатов следует ожидать, что наибольшая степень влияния фактора объёмности будет иметь место для вертикальных кру-

товых выемок.

В этой связи ^аналитическому исследование этого вопроса з работе посвяшен отдельный раздел. Такое исследование предполагает существование зависимости Цлл — £Н) при

ск = 90° в явном виде. Для случая прямолинейной линии скольхения автором установлены следующие аналитические выражения

Таким образом, при 1 = I величина Н = 2Ндд.

Основываясь на идее соединения численно-аналитического и инженерного подходов , установлена следующая взаимосвязь

• <10 >

Показано, что с ростом величины 2 и V область существования взаимосвязи R. (H) расширяется, смещаясь при этом в сторону больших значений Н. Величина Нпр , определяющая предельную гдубичу выработки, до которой ешё возможно компенсировать падение устойчивости с глубиной путём соответствующего выбора радиуса кривизны выработки, определяется из выражения ( 10 ) при условии R. = 0. Для реальных значений tyн > С, Yt § величина Hnp мо_ жет превосходить величину Hqq на порядок и более. При экстремальной оценке для 2 ~ 45°, = I, У = 0,5, Отношение Нпр /Нэо достигает Ю3.

Обоснованию достоверности подученных результатов посвящен самостоятельный раздел диссертационной работы.

С использованием эквивалентных материалов моделировалось пространственное напряженное'состояние сопрягающихся бортов карьеров. Изпользованная в работе методика лабораторного эксперимента позволила в значительной степени уменьшить ожидаемые погрешности за счёт сопоставления относительных

величин изменения напряжений в объёмной модели по отношению к условно плоской. Максимальное отличие в значениях коэффициентов влияния объёмного фактора для вертикальных сжимающих напряжений по данным численных расчётов на. ЭВМ и эксперимента не превысило 15 %.

Качественным теоретическим анализом распределения напряжений в плоской и осесимметрической задачах подтверждены основные выводы о влиянии фактора объёмности на устойчивость горного массива, сделанные выше. Аналитически установлена следующая взаимосвязь

АП.( 1<А (П)

где у// - отношение горизонтальных (радиальных) напряжений к вертикальным.

Из выражения ( II ) следует, что максимальное влияние фактора объёмности на величину запаса прочности для осесим-кетричных выемок составляет 20 %, что согласуется с ранее подученными результатами.

Проведена серия сопоставительных расчётов по установленным в работе зависимостям для условий, имевших место при моделировании на объёмных моделях во ВНШИ. По условиям экспериментов для определённого состава эквивалентного материала с заданными свойствами проводилась серия испытаний при различных значениях геометрических параметров оС, И, %, / .

, Цутём обратных расчётов для фиксированного состава эквивалентного материала определялся коэффициент Пуассона смеси.

В таблице приведены результаты расчётов для одной из серии эквивалентных материалов.

Результаты проведенных теоретических исследований позволили перейти к обоснованию рациональных параметров открытых горных выработок в различных горно-геологических условиях и технологических ситуациях. За период с 1905 по 1993 годы с участием автора разработан целый ряд рекомендаций, использованных на карьерах Марганецкого и Орпжоникидзейского ГСКов,

Таблица

Результаты ооратных расчётов коэффициента для смеси эквивалентного материала (состав: кварцевый песок - 97 %, машинное масло - 3 %\ свойства : -сцепление - 5 г/см^, угол внутреннего трения - 25°, плотность у ■= 1,6 г/см3)

т ПП I 2 3 4 5 6 7 8

Ы. 63 63 63 63 55 55 55 55

йг/. б 12 16 2? 12 16 21 35

т 67 30 22 Ж 67 30 ¿0

74 74 74 74 84 84 84 84

V» 0,20 0,22 0,21 0,21 0,22 0,23 0,23 0,22

Кривбасса, Верхнеднепровского ГМК и ряда других.

Характерная особенность современного этала ведения гор- . ных работ на карьерах МГСКа состоит в проявлении комплекса взаимовлияших факторов, определявших горно-геологические условия разработки месторождения. Например, формирование Северного борта Грушевского карьера осуществляется в слабоустойчивых, переотложенных породах балки Грушевской в зоне влияния подземных горш. работ. В этой связи, на ооновании проведенных исследований был предложен способ повышения устойчивости торцовых участков бортов карьеров в оползнеопасном районе. Дополнительный резерв для увеличения устойчивости торцов достигается за счёт уменьшения протяжённости уступов между рабочим бортом и отвалом, создания призмы упора из отвальных пород и сокращения времени стояния борга в непригруженном состоянии. Параметры нерабочего борта и призмь£ упора определены с учётом объёмного фактора.

В гораздо более благоприятных условиях устойчивости находится Южный борт карьера. Расчётами было установлено, что существует принципиальная возможность увеличения результирующего угла наклона борта карьера на.1-2°. Проведенный анализ показал, каким образом наиболее целесообразна реализация этой возможности. При этом,в качестве основополагающего использовался критерий обеспечения наиболее равномерного запаса проч-

ности по всем структурным элементам борта. В каждом из рекомендованных вариантов обеспечивается возможность дополнительного извлечения не менее 15 тыс.т марганцевой руды в год при уменьшении обшего коэффициента вскрыши по карьеру. Кроме того, возможно уменьшение земельного отвода под карьер на 0,2 га/год.

Основываясь на установленных закономерностях напряжённого состояния массива,обоснованы основные параметры способа приконтурной выемки полезного ископаемого, основанного на идее кратковременной подработки борта на небольшом участке без нарушения обшей его устойчивости, выемки на этом участке руды и последующей компенсации ослабления путём пригру-зки борта вскрышными породами.

. Определена аналитические взаимосвязи между длиной и шириной Ап подработки борта

кЩт) ■ <1г>

/\„ = с^Щг- ¿/Ц)] Г 0,5&пг* , » зф^ _

где

//¡^ о1у - высота и угол откоса уступа;

#<г - коэффициент влияния объёмного фактора.

Выражения (12) определяют максимально допустимые параметры , при которых устойчивость обнажения может сохраняться за счёт действия объёмного фактора без пригрузки подработанного участка вскрышными породами.

Установлено, что при выборе параметров приторцовой выемки необходимо различать четыре различные технологические ситуации, определяемые значением длины подработки. Практическое использование подученных результатов позволило повыоить точность расчётов, их соответствие меняющимся горно-техни-

цеским условиям и эффективность реализации способа.

К настоящему времени применение способа на Ыарганецком ГОКе позволило извлечь дополнительно более 300 тыс.т ранее безвозвратно теряемой высококачественной марганцзвой руды.

Результаты диссертационной работы использованы и при обосновании технологии разработки крутопадаших месторождений с внутренним отвалообразованием. Наряду со многими технологическими аспектами, присущими этой технологии, существует один немаловажный геомеханический аспект, связанный с существенным положительным влиянием фактора объёмности на условия устойчивости бортов карьера. В результате проведенного теоретического анализа оценена степень этого влияния на глубин карьёра. Определено, что предельная глубина карьера, до которой объёмный фактор компенсирует ухудшение устойчивости с глубиной, определяется из выражения

где

Нто* = Но (</2 + % + ]/(</*.+&-р/Но) ,

У - ^^ О)

/ ЗСЖ '

( 13 )

Но - первоначальная глубина карьера; $ - протяжённость карьера по дну.

Проведенный анализ показал, что при наиболее реальных значениях определявших параметров значение отношения Иглах /На составляет 1,1 - 1,5.

Таким образом, определение предельных параметров карь- . ера необходимо производить на основе решения пространственной задачи. Учёт подученного результата на практике позволит существенно повысить эффективность использования датой технологии на глубоких карьерах.

Анализ, проведенный для условий Крквбасса, позволил установить, что приращение углов наклона бортов за счёт влияния объёмного фактора при соответствующих параметрах карьера может достигать 10°.

Таким образом, использование закономерностей пространственного напряжённого состояния горного массива открывает

широкие перспективы для повышения эффективности технологических решений.

Открытая разработка месторождений карьером предусматривает, как правило, выемку вскрьтанмх пород по объёму во много раз превышающем объём добываемого полезного ископаемого. Это предопределяет значительные затраты на производство вскрышных работ и отчуждение больших площадей земли под отвалы, что оказывает отрицательное влияние на окружающую среду. В этой связи,в работе выполнено геомеханическое обоснование безвскрышного способа разработки крутопадаших месторождений на примере отработки кимберлитовых трубок месторождения им. Ломоносова (Архангельская область). Обоснована принципиальная возможность его реализации, определены основные параметры крепления выработки диаметром 300 м и глубиной 500 м. Проведенные исследования показали, что в настояшее время не существует достаточно универсальной методики расчёта крепи вертикальных стволов, тем более, что имеет место следующий парадокс. Ряд известных в литературе методов расчёта давления на крепь ствола даёт расчётную нагрузку, отличную от нуля, и в случае,когда устойчивость будет обеспечена и без крепления выработки.

В этой связи,автором предложено аналитическое выражение для определения давления Р на крепь вертикальных стеолов с учётом того обстоятельства, что выработка может сохранять устойчивость и без крепления

Q при Д^св & >

где &fjo5 - приращение устойчивости за счёт влияния объёмного фактора (определяется из выражения (3)).

Величина Р является сложной функцией переменных Чн, С., У, Ц , R j v> • Этот набор переменных является более полным, чем в традиционно используемых расчётных выражениях для определения величины Р.

Проведенный в работе комплекс численно-аналитических

исследований явился теоретической основой для разработки способов оценки изменения состояния массива в процессе осуществления целенаправленных технологических воздействий, а также определения степени эффективности воздействия и возможных направлений оптимизации параметров воздействия.

В плане развития теоретических положений управления состоянием горного массива разработаны методы оценки влияния технологических воздействий на состояние массива. Для оценки изменения состояния массива при изменении его геометрических параметров и прочностных характеристик рекомендуется использовать установленные в диссертации аналитические выражения

Таким образом, влияние технологического воздействия на массив посредством изменения геометрических параметров откосов, прочностных показателей пород и напряженного состояния массива может быть оценено по выражении

где ц Н показатели начального и конечного состояния * массива, соответственно;

/1* - показатель, характеризующий требуемое состояние массива, достигаемое технологическим воздействием. Очевидно, значение может

быть меньше I при переводе массива в неустойчивое состояние, равняться I при управлении массивом в состоянии предельного равновесия и равняться нормативному значению коэффициента запаса устойчивости Чи при переводе массива в устойчивое состояние. По близости значений ^ и возможно судить об эффективности данного технологического воздействия.

Выражения (15) могут быть также непосредственно использованы и при оценке погрешностей в определении коэффициента запаса устойчивости за счёт вариации геометрических параметров и прочностных характеристик массива.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны и обоснованы ноше теоретические положения расчёта напряжённого состояния, устойчивости, рациональных конструктивных параметров и форм уступов и бортов карьеров, являвшиеся значительным достижением в области геомеханики, управления состоянием горного массива и рационального природопользования при открытых горных работах, включавшие развитие и совершенствование численно-аналитических методов расчёта устойчивости и параметров откосов, закономерности пространственного напряжённого состояния массива, методы оценки изменения состояния горного массива в процессе осуществления технологического воздействия и методику решения объёмных задач устойчивости откосов, геомеханическое обоснование нетрадиционных и малоотходных ресурсосберегающих технологий и способов открытой разработки месторождений. Разработанные положения позволили осуществить комплексный и научно-обоснованный подход к постановке и решению целого ряда научно-практических задач рационализации параметров открытых горных выработок на основе применения методов геомеханики и обеспечить повышение эффективности открытой разработки месторождений с учётом требований рационального природопользования. Практическая реализация результатов диссертационной работы обеспечивает: повышение устойчивости открытых горных выработок и снижение вероятности оползневых явлений бортов, наносимого ими ушерба; увеличение результирующих углов откосов и уменьшение изъятия под горный отвод остродефицитных земельных ресурсов; уменьшение объёмов вскрышных и отвальных работ за счёт выбора рациональных параметров карьерных массивов, затрат на их производство; уменьшение изъятия земель под отвалы; снижение отрицательного влияния открытых горных работ на окружающую природную среду.

Основные научные и практические результаты, полученные

автором, заключаются в следующем:

1. На базе основных положений механики.горных пород и теории упругости с привлечением аппарата математического анализа в результате выполненных теоретическими экспериментальных исследований установлены закономерности пространственного напряжённого состояния и устойчивости открытых горных выработок. Аналитически описано изменение напряжённого состояния и устойчивости массива при переходе от плоской к объёмной задаче и выявлено влияние объёмного фактора на геометрические параметры открытых горных выработок, а также разработаны и обоснованы расчётные критерии оценки устойчивости в условиях объёмного деформирования. Установлено, что в боль-, шинстве случаев определяющим параметром, характеризующим фактор объёмности, является отношение 2"/ /Тток «

2. На основании полученных аналитических зависимостей разработана методика решения объёмных задач устойчивости откосов, учитывающая реальную конфигурацию борта карьера. Исследованы и определены условия, при. которых влияние фактора объёмности на возможность корректировки геометрических параметров бортов карьеров наиболее существенно. Установлено, что относительные величины поправок к углам откосов могут составлять 20-25 %.

3. Разработана методика расчёта пространственного напряжённого состояния горного массива, основанная на методе конечных элементов и позволяющая существенно расширить возможности численной реализации больших объёмных моделей и определены условия, при которых обеспечивается достоверность получаемых численных результатов. Показано, что реализованная методика с большой эффективностью может быть использована для сопоставительного анализа напряжённого состояния в геомеханических моделях, что является весьма актуальным при оценке влияния технологических воздействий на состояние массива и его параметры.

4. На основе разработки и совёршенствования методов расчёта устойчивости откосов предложен обший аналитический подход к оценке влияния технологических воздействий на массив и развиты теоретические положения управления состоянием массивов при открытой разработке месторождений. Качест-

венно степень эффективности технологических воздействий на массив целесообразно характеризовать степенью изменения неравномерности поля напряжений, а количественно- величиной изменения запаса прочности массива.

Установлены аналитические зависимости, описывающие изменение состояния массива при изменении его геометрии и поля напряжений. Определено, что при дифференциальном и интегральном подходах к вычислению предельной высоты вертикального обнажения откоса, получаемые величины отличаются в 2 раза.

5. Доказана принципиальная возможность постановки и численной реализации оптимизационных задач устойчивости для неоднородных боргов ступенчатого профиля. Получено аналитически точное решение оптимизационной задачи для однородного Двухступенчатого борта. Показано, что степень рациональности конструкции целесообразно характеризовать среднеструк-турным коэффициентом запаса прочности конструкции и отклонением от этой величины коэффициентов устойчивости всех структурных элементов борга. Доказано, что в обшем случае невозможно построить, оптимальную конструкцию борга карьера, отвечающую одновременно критерию максимального результирующего угла откоса и минимума объёмов вскрышных работ по формированию борта.

6. Доказаны большие возможности приложения методов геомеханики для рационализации открытых горных работ и даны конкретные примеры применения проведенных геоыеханических исследований для обоснования нетрадиционных и ресурсосберегающих технологий открытой разработки месторождений. В процессе проведения этих исследований аналитически описаны основные параметры способа приторцовой выемки полезного ископаемого, основанного на эффекте объёмного напряжённого состояния. Установлено, что значение устойчивой глубины карьера, определённое с учётом влияния фактора объёмности может превосходить эту величину, определённую без учёта этого влияния в 1,1 - 1,5 раза. Показана особая значимость данного вывода при обосновании параметров разработки кдгтопадаюших месторождений с внутренним отвалообразованием. Выполнено геомог-ханическое обоснование безвскрышного способа разработки месторождений на примере отработки кимберлитовых трубок и пока-

зана принципиальная возможность его реализации. Поцутно ана- 1 дитически доказано, что в прочных горных породах вертикальная круговая выработка малого радиуса может сохранять свор интегральную устойчивость без крепления до очень больших глубин, на порядок и более превышающих величину Нэд. В этой связи,предложены аналитические выражения для определения давления на крепь вертикальных стволов, учитывающие положительное влияние фактора объёмности.

Разработан обший подход к оценке влияния технологических воздействий на массив в процессе управления его состоянием и приведены конкретные примеры расчёта рациональных параметров дополнительных полей напряжений.

7. Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждена проведенным комплексом теоретико-экспериментальных исследований, данными их практического использования на карьерах Украины. Результаты исследований использованы институтом "Кривбасспроект" при выполнении рабочего проекта вскрытия и разработки нижних горизонтов карьера ИнГСКа (экономический эффект 860 тыс.руб.),. Ингулецким ГОКом при разработке противооползневых мероприятий (экономический эффект 132 тыс.руб.), послужили теоретической основой для расчётов -устойчивости и рационализации параметров бортов карьеров и отвалов Верхнеднепровского ГМК и Марганецкого ГОКа. Пакеты прикладных программ по расчёту устойчивости откосов в составе программного обеспечения по планированию горных работ с учётом требований рационального природопользования внедрены на ВДГМК.

На МГСКе внедрены способ повышения устойчивости торцовых уступов бортов карьеров (фактический экономический эф- . фект за 1987-1988 г.г. составил 328 тыс.руб.) и предложения по совершенствованию конструкции южного борта Грушевского карьера (фактический экономический эффект от внедрения предложений за 1992 г. составил свыше 2 млн.крб. , в 1993 г.-более 900млн.крб.).

Основные положения диссертации-.опубликованы в следующих работах:

I. Применение метода конечных элементов для оценки устойчивости откосов горных пород // Совершенствование технологии и организации производства при добыче угля, - М.,

1983, - С. 125-126.

2. Реализация объёмной модели борта карьера на ЭВМ / ИПШ АН УССР. - Днепропетровск, 1985. - 7 с. - Дел. в ВШИГИ * 7456.

3.■Оценка влияния объёмного фактора на напряжённое состояние и устойчивость горного массива / ИГТМ АН УССР. - Днепропетровск, 1985. - 13 с. - Деп. в ВШИГИ № 7457.

4. Влияние объёмного фактора на напряжённое состояние бортов карьеров я возможности нетрадиционных технологических решений // ФЯ1Н1И. - 1986. - № I. - С. 37-43 (Соавт. Шапарь А.Г., Хазан В.Б.).

5. Оценка устойчивости уступов и бортов карьеров при изменении напряжённого состояния горного массива / ИПМ АН УССР, - Днепропетровск, 1988. - 12 с. Деп. в ВШИГИ

№ 6773.

6. О влиянии физико-механических свойств горных пород на состояние и устойчивость массива при открытой разработке / Сб. науч.тр.: Разрушение горных пород. - Киев, 1988. - С. 73-77 (Соавт. Шапарь А.Г., Хазан В.Б.).

7. Экспериментальное моделирование пространственного напряжённого состояния бортов карьеров / Изв.ВУЗов Горный журнал, - Сверпловск, 1988. - № 8. - С. 25-30. (Соавт. Шапарь А.Г., Хазан В.Б., Новожилов С.М.).

8. Расчёт устойчивости откосов методом алгебраического сложения сил // Основания, фундаменты и механика грунтов. -1988. - » 4. - С. 23-25. (Соавт. Шапарь А.Г., Хазан В.Б., МИзшский Д.В.).

9. Оценка погрешности одного способа расчёта устойчивости откосов / ИГТМ АН УССР. - Днепропетровск, 1988. - 8 с. Деп. в ВШИГИ № 1720. (Соавт. Ткаченко И.В.).

10. Управление состоянием массивов на открытых разработках / Киев: Наук.думка, 1988. - 248 с. (Соавт. Шапарь А.Г., Копач П.И., праснопольский И.А.).

11. Оценка устойчивости круговых в плане выемок с учётом напряжённого состояния горного массива / ИГТМ АН УССР. - Днепропетровск, 1989. -7с.- Деп. в ВИНИТИ № 1335: (Соавт. Панин К.В,).

12. Расчёт устойчивости круговых в плане карьеров с исполь-

зованием метода конечных элементов // Сб.науч.тр.: Вопросы прочности и пластичности. - Днепропетровск, ДГУ, 1989. - С. 107-112.

13. Развитие гипотезы возникавших напряжений на случай пространственного деформирования горных пород / СПЛЮ ИМ АН УССР. - Днепропетровск, 1991. - 9 с. Деп. в ВШИГИ №518 (Соавт. Шаларь А.Г., Усаченко Б.М.).

14. Геомеханические аспекты расчёта устойчивости откосов

и склонов на основе данных о пространственном напряженном состоянии горного массива // Механика горных склонов, откосов и подземных сооружений. Фрунзе, 1991. - С. 134-139.

15. К вопросу о взаимодействии статических и динамических полей напряжений в породах с различными свойствами//По-вышение эффективности разрушения горньос пород: Сб.науч. тр. / ИПМ АН Украины. - Киев: Наук .думка, 1991. -С.18-24. (Соавт. Краснопольский И.А.).

16. Способ совершенствования конструктивных параметров бортов карьеров и'отвалов / ШПЭ АН Украины. - Днепропетровск, 1992. - 7 с. - Деп. в УкрЩТЭИ № 761. (Соавт. Шапарь А.Г., Кириченко Г.А., Надточенко Н.М.).

17. Дути совершенствования конструктивных параметров бортов карьеров с мягкими покрывающими породами / ШПЭ АН Украины. - Днепропетровск, Препринт 92-1. - II с. (Соавт. Шапарь А.Г., Кириченко Г.А., Надточенко Н.М.).

18. Совершенствование конструктивных параметров карьерных массивов для повышения эффективности землепользования в сложных горно-геологических условиях // В кн. Теория и практика решений экологических проблем в горнодобывающей и металлургической промышленности,- Днепропетровск, 1993. - С. 2Ь (Соавт. Барсуков Й.М.).

19. Совершенствование планирования горных работ на карьерах ВДГМК на базе ПЭВМ с учётом требований рационального природопользования / ИШЭ АН Украины. - Днепропетровск, 1992. - 12 с. Деп. в УкрШТЭИ № 180 (Соавт. Лелю-хина Е.В., Дедова Е.Ю.).

20. Геомеханические аспекты ¡национализации открытой разработки месторождений / ШШ АН Украины. - Днепропетровск, Препринт, 1993. - 10 с.

21. Задачи геомеханики при обосновании ресурсосберегающих технологических решений открытой разработки месторождений / В кн. Теория и практика решений экологических проблем в горнодобывающей и металлургической промышлен-

. ности. - Днепропетровск, 1993. - С. 24.

22. Возможности нетрадиционных геотехнологических решений по снижению землеемкости открытых горных работ / ИШЭ АН Украины. - Днепропетровск, 1993. - 15 с. Деп. в УкрШТЭИ » 1069 .

23. Геомеханические вопросы разработки ресурсосберегающих • технологий открытых горных работ / ИШЭ АН Украины .

- Днепропетровск, 1993. - II с. Деп. в УкрШТЭИ №1070.

24. Геомеханическое обеспечение задач экологизации открытых горных работ / Проблемы промышленной экологии и безопасности: Матер, конференции. - Москва, 1993. -

- С. 46.

25. Геомеханические направления экологизации открытых горных работ / Матер. X Междунар. кокф. по механике горных пород. - Москва, 1993. - G. 122-123. (Соавт. Шаларь А.ГД

26. Геомеханическая оптимизация геометрических параметров открытых горных выработок / Горный журнал, 1993. - № 7,-С. 12-13 (Соавт. Шаларь А.Г., Надточенко Н.М., Кириченко Г.А.>.

27. А.С. 1507970, СССР, МКИ Е 2IC 39/00. Способ определения прочностных свойств горных пород / Ю.М.Николашин, В.Б.Хазан, С.З.Полищук (СССР). - № 4344174/24-03, Заявлено 17,12.87; Онубл. 15.09.89. Еюл. » 34 // Открытия. Изобретения. - 1989. - » 34. - С. 125.

Всего по теме диссертации опубликовано 33 работы.

Лщ1щй_.вклад_.автора в работах, опубликованных в соавторстве: (4, 7 8, 9, I(J, II, 16, 17, 26) - постановка и решение задач, разработки методики исследований, анализ результатов; (6, 12, 15, 18, 19, 25) - обработка научных данных, решение задач, анализ результатов решений; (27) - разработка существенных признаков изобретения.

ANNOTATION

Polischuk S.Z. Development of theoretikal fundamentals on calculation of stability and rational parameters for the degree of doctor of technical sciences in speciality 05.15.11 "Physical processes in mining". Institute of Problems on Nature Management & Ecology, National Academy of Sciences of Ukraine, Dniepropetrovsk, 1994.

The theoretical concepts on calculation of stressed state, stability, rational constructive parameters and form of surface mine benches and waels are defended. Complex geomec-hanical approach to problem solution on parameter rationalization for surface mining workings was substantiated and realized. Numerical-analytical methods on bench stability calculation were developed, regularities of ' volumetric stressed masslv's state were described, geomechanical substantiation for resource-saving technological solutions Is given. The dissertation results are implemented at Marganetsky and Ingu-letsky mining-and-processing integrated works, Verkhnednep-rovsky state mining-and-metallurgical Integrated works. The actual economic efficiency due to recommendations utilization at arushevsky surface mine of Marganetsky state mining-and-processing Integrated works in 1993 formed about 1 mlrd. krb.

33 scientific works are published, 1 monograph and author's sertificate included.

АШОТАЦИЯ

*

Полицук С.З. Развитие теоретических основ расчёта устой- • чивости и рациональных параметров открытых горных выработок. Диссертгция на соискание учёной степени доктора технических паук по специальности 05.15.11. "Физические процессы горного производства", Институт проблем природопользования и экологии HAH Украины, Днепропетровск, 1994.

. Защищаются теоретические положения расчёта напряженного состояния, устойчивости, рациональных конструктивных параметров и формы уступов и бортов карьеров. Обоснован и реализован комплексный геомеханический подход к решению задач рационализации параметров открытых горных выработок. Развиты численно-аналитические методы расчёта устойчивости откосов, описаны закономерности объёмного напряженного состояния массива, дано геомеханическое обоснование ресурсосберегающих технологических решений. Результаты диссертации внедрены на Марганецком и Ингулецком ГГСКах, Верхнеднёпровском ГГМКе. Фактический экономический эффект от использования рекомендаций на Грушевском карьере МТГШа в 1993 году составил около I млрд.карбованцев. Опубликовано 33 научных труда, в т.ч. I монография и I авторское свидетельство.

Ключов! слова: в!дкритий вироб!ток, борт кар'еру, ст1й-к1сть, напружений стан, показники м1ц-HoctI,. об'смний фактор, оптим1зац1я, ресурсозбереження, масив, управл1ння станом.