Введение к работе
Актуальность работы. Рост добычи полезных ископаемых сопровождается увеличением объемов отбиваемой горной массы, в том числе вскрышных пород. Складирование вскрышных пород требует больших подотвальных площадей, выключенных из хозяйственного оборота, что приводит к значительному экономическому и экологическому ущербу, особенно на территориях с высокой стоимостью и продуктивностью земли, например в районе Курской магнитной аномалии. Наиболее рациональными способами повышения емкости отвалов являются увеличение их высоты и исключение строительства отвалов на слабых грунтовых основаниях. Однако по мере формирования высоких отвалов, даже на прочном основании, в последних происходят деформации, которые могут привести к нарушению устойчивости отвальных откосов и оползням (например, на отвалах Михайловского ГОКа). Основной причиной потери устойчивости откосов отвалов на прочном основании является несоответствие их параметров физико-механическим свойствам отвальной массы, в том числе недостаточный учет гранулометрического состава и вариаций прочности разрушенных пород.
Существенный вклад в изучение процессов разрушения, свойств разрушенных пород и процессов формирования насыпных откосов внесли В.В. Адушкин, А.И. Арсеньев, С.Д. Викторов, А.М. Гальперин, В.Г. Зотеев, Ю.А. Кашников, Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, Е.Н. Лаптев, М.Г. Менжулин, А.М. Мочалов, Г.П. Парамонов, О.А. Пахомов, В.Н. Попов, Б.Р. Ракишев, СП. Решетняк, В.В. Ржевский, Н.Н. Розанов, А.Д. Сашурин, Е.А. Федорова, Г.Л. Фисенко, СИ. Фомин, Г.А. Холодняков, СВ. Цирель и другие. Установлено, что свойства разрушенных пород определяются, с одной стороны, свойствами исходной породы, а с другой стороны, ее гранулометрическим составом. Знание зависимостей разрыхления, угла естественного откоса и характеристик сопротивления сдвигу от параметров кусковатости и других характеристик разрушенных пород весьма важно для прогнозирования свойств отвальных пород. На основе таких зависимостей прогноз деформаций и устойчивости отвалов может быть выполнен еще на стадии производства взрывных работ. Эти зависимости также существенны для повышения эффективности ведения горных работ, включая не только само отвалообразование, но и процессы форми-
рования отвальной массы: взрывоподготовку, экскавацию и т.д. В то же время влияние гранулометрического состава на свойства отвальной массы недостаточно изучено, что затрудняет расчеты устойчивости отвалов. Поэтому исследование устойчивости отвалов с учетом характеристик разрушенных пород различного гранулометрического состава является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы. Повышение устойчивости отвалов на основе учета зависимостей физико-механических свойств разрушенных пород от их гранулометрического состава.
Основные задачи исследований:
-
Исследования физико-механических свойств разрушенных горных пород различного гранулометрического состава;
-
Определение разрыхления взорванных горных пород при высоких удельных расходах ВВ;
-
Исследование устойчивости отвалов на прочном основании в зависимости от свойств разрушенной горной массы, разработка метода учета влияния гранулометрического состава на свойства разрушенной горной массы при оценке устойчивости;
-
Разработка рекомендаций по учету гранулометрического состава взорванных пород при отвалообразовании с целью повышения устойчивости отвалов.
Идея работы. Управление гранулометрическим составом нижней части породных отвалов на прочном основании для обеспечения их устойчивости.
Научная новизна:
установлены зависимости коэффициента разрыхления и степени уплотнения под нагрузкой разрушенных пород от однородности их гранулометрического состава;
выявлены закономерности изменения углов внутреннего трения разрушенных пород от однородности их гранулометрического состава и прочностных свойств.
Защищаемые положения:
-
При формировании породных отвалов необходимо учитывать, что коэффициент разрыхления и степень уплотнения под нагрузкой разрушенной породы зависят от однородности её гранулометрического состава, причем при значениях показателя однородности, близких к единице, наблюдается резкое изменение коэффициента разрыхления и степени уплотнения за счет изменения основного механизма уплотнения.
-
При ведении буровзрывных работ на карьерах следует
учитывать, что при высоких удельных расходах ВВ (от 1,2-1,5 кг/м3 и выше) коэффициент разрыхления взорванных пород имеет практически постоянное значение в интервале 1,25-1,4.
3. Для повышения устойчивости породного отвала на прочном основании необходимо размещать в его нижней части вскрышные породы, сложенные разнопрочными минералами и структурными блоками, или перемешивать вскрышные породы различной крепости.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований: анализ и обобщение данных, опубликованных в научной и горнотехнической литературе по проблемам формирования насыпных откосов; анализ натурных наблюдений; экспериментальные лабораторные исследования проб разрушенных пород; статистическая обработка результатов наблюдений и экспериментов; расчеты устойчивости отвалов методом предельного равновесия и численное моделирование методом конечных элементов (МКЭ).
Практическая значимость работы:
разработаны рекомендации по выбору рационального значения удельного расхода ВВ при отбойке пород высокой крепости;
дана оценка запаса устойчивости отвалов в зависимости от свойств разрушенной горной массы;
разработаны рекомендации по формированию высоких отвалов на прочном основании.
Исследования выполнены в рамках договорных работ по теме: Государственного контракта № 14.515.11.0022 «Разработка ресурсосберегающих технологий высокоэффективного освоения рудных месторождений с вовлечением в отработку балансовых запасов, сосредоточенных в охранных целиках» и «Разработка регламента формирования отвала при смешанной отсыпке фильтрованных хвостов обогатительной фабрики и вскрышных пород карьера Черногорского месторождения».
Достоверность н обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждаются совпадением результатов испытаний на различном оборудовании и согласованностью результатов расчетов устойчивости отвалов, выполненных с помощью численного моделирования и методов предельного равновесия.
Личный вклад автора заключается в анализе геологических и горно-технологических условий отсыпания техногенных массивов, в проведении экспериментальных исследований, обработ-
ке полученных результатов, проведении численного моделирования процессов отвалообразования, в составлении рекомендаций.
Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на конференции в Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2010 г); научно-технических конференциях молодых ученых «Проблемы недропользования» (Горный университет, Санкт-Петербург, 2010, 2011 гг.); на заседании Горной лаборатории в ООО «Институт Гипроникель» (2013 г.); на научных семинарах НЦ геомеханики и проблем горного производства и научно-технического совета по работе с аспирантами университета (2010-2014 гг.).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 5 работах, том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получены 2 патента на изобретение РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 57 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 105 наименований и 5 приложений. Общий объем диссертационной работы изложен на 198 страницах машинописного текста.
Автор выражает благодарность научному руководителю СВ. Цирелю за помощь и поддержку на всех этапах работы, сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства Горного университета и Центра инженерных исследований за помощь в проведении испытаний.