Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее вромя на открытых работах используется крупное горнотранспортноа оборудованно - экскаваторы, отвалообразователи. транспортно-отвальныв мосты, вес которых достигает II тис.тонн, удельныо давлеїшя на грунт до 0,3 Ша,площадь опор - до 600 м .
На многих месторождениях, разрабатываемых открытым способом, в основаниях машин по трассам и на рабочих уступах 'залегают мягко-пластичные глинистые породы, несущая способность которых моньио удельных давлений, что приводит к просадкам ходовых устройств п снижению эффективности использования оборудования. Почти пояовя-на экскаваторного парка установлена на отвалах, где потори полезного времени от просадок достигают 20 %, Иногда на ликвидацию ава-рийных просадок крупных машин тратят по &-6 месяцев. Убытки.от простоя только одной машины составляют 300-S00 руб. в час и больоэ; потери от одной просадки могут превысить I млн.руб. (в ценах до ISS0 г.).
прогнозирование осадок и носуиой способности грунтов методами строительной механики, но учитывавшей специфических условии формирования прочности грунтов в бортах и отвалах карьеров, приводит к ошибкам, достигающим 100-150 %, а следовательно - к неправильным Енводам по использованию тяжелого оборудования и выборе технологии.
В связи с этим возникла необходимость повысить точность прогнозирования проходимости' машин на основа известных полокенпй механики грунтов и новой концепция формирования прочности грунтов 3 отвалах, с учетом особых условий их работы в нагруженном массиве и.индивидуальных особенностей машші,
Кроме разработки углубленных теоретических основ прогнозирования потребовались методические разработки, обеспечивающие получение надежных расчетных характеристик и новых технологий подготовки трасс для обеспечения эффективной и безопасной эксплуатации тяжелого оборудования в сложных- ишшнерно-гаологических условиях открытых работ, в том числе - разработка болео совершенных методов и средств исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) массива, способов закрепления слабых грунтовых оснований, инженерных методов расчета деформаций и несушай способности.
Необходимость создания теоретических и методических основ прогнозирования и обеспечения проходимости тяжелых горнотранспорт-
ннх машин вызвана возросшими объемами и темпами вскрышных работ, сложными инженерно-геологическими условиями, уваличонными параметрами открытых горных выработок, значительными размерами и весом горного оборудования, требованиями высокоэффективной и безопасной его эксплуатации.
Исследования выполнены по плановым темам института "УкрНКИ -проект" Шшутдапрама СССР, согласно осноеным направлениям развития угольной промышленности I980-I9S0 гг., а также работам из плана повышения технического уровня производстванных объединений, в которых автор являлся научным руководителем и исполнителем разделов.
Цель работы - разработка теоретических основ прогнозирования деформаций нагруженного массива в условиях сложного напряженно-деформированного состояния, способов и средств исследования и технологий укрепления грунтовых оснований для повышения эффективности использования тяжелого горного оборудования на открытых работах.
Основная идея тзаботн заклинается в повышении точности прогнозирования осадок и несушай способности грунтов на открытых работах и обеспечении эффективной и безопасной работы тяжелого оборудования на слабых грунтах, при этом точность прогнозирования обеспечивается путем разработки и реализации в расчетах осадок единой математической модели грунта, полстаний теории распределения фазовых напряжений в вбдонасишенішх грунтах при сложном НДС и новой исследовательской аппаратуры, а обеспечение проходимости - за счет новых технологий укрепления слабых грунтов, учитывающих взаимодействии системы "грунт-машина".
Методы исследований, Б работе использован комплекс методов, включающий: теоретические исследования с приманокием методов теории предельного равновесия и теории фильтрационной консолидации, аналитические и графоаналитические исследования, статистическио методы обработки фактических данных, экспериментальные, включающие физическое моделирование работы грунта в ячейках массива и натурные исследования ІЩС массива на карьерах.
Научные положения, защищаемые автором
I. Прочность и деформативность грунтового основания, определяющие проходимость оборудования, формируются в перемещающихся otkocsx горных выработок, в отвалах-и под машинами в условиях сложного напряженно-деформированного .состояния под действием нормальных-и касательных, статических и динамических напряжений по наклонным площадкам, в результате объемных и сдвиговых деформаций. При этом плотность и прочность породы за счет дилатансии в отвалах сук^стввкно увеличивается, в бортах - уменьшается; порода в рззішх точках ;..асс:'~
ва находится на разной стадии уплотнания по только в продольном, но главным образом, и допредельном состоянии; процесс формирования прочности в ячейках массива непрерывный или скачкообразный в зависимости от тохнологшготвалообразоваїшя /6,7.0,37,44/.
-
Известные прочностные и деформатившо характеристики Кулона и їорцаги представляют лишь предельное состояние грунтов и не выражают допредельного состояния в процессе уплотнения подавлявшего объема породи в отвалах, поэтому они но могут являться пеход-ішми дашшми для опродолонил фактической плотности - прочности массива под машинами, о в случае их использования в расчетах осадок приводят к ошибкам, достигающим 100-150 % /1,35.36,45/.
-
Для определения напряженно-деформированного состояния в разных ячейках массива в процесса отЕалообразования, вместо двух упомянутых характеристик предложена одинэя математическая модель грунта, представляющая пространственную доформативно-прочностнуга характеристику, которая описывает процесс деформирования во псом диапазоне нагрузок,.включая.предельные, и в которой сопротивление трению учитывается кок в.допредельном, так и в предельном состояниях; причем прочностные п деформатпвнне характеристики связаны мазду собой. Модель позволяет болео точно (до 10 %) прогнозировать осадки оборудования с учетом действительной (допредельной) плотности отвалов /I, 27. 37, 45/.
-
Расчетные характеристики для определения осадок и несущей способности водонасыгаенных оснований должны выражать непрерывный процесс перераспределения напряжений, меяду. твердой и жидкой фазами грунта, происходящий в результате объемных.и сдвиговых деформаций, в соответствии с разработанными теоретическими положениями, учитывающими возможность как увеличения прочности, так и ее падения по мере развития деформаций. Использование получению: многофакторных характеристик повышает точность прогнозирования несущей способности оснований при мгновенном приложении нагрузок ходовыми устройствами .vaaiiH /5, 8. 9, 10/.
-
Реализация единой модели грунта и учет перераспределения «газовых напряжений осуществляется путем физического моделирования работы грунта в ячейках отвалов, с помоиьга новой исследовательской аппаратуры, рлботаюиой на принципе простого сдвига и обеспечивание" одновременное испытание образцов на компрессия и.сдвиг з условиях плсс:;ой '.', объемной, деформации /2, 3, 14. 15/.
С. Пр."0ог:: и экспериментальные установки, разработанные на oM'f.r-'i тс<:;.'ст::-!С:і.-яі':го аналкса и гз."спер:::.*ег:талы!0'1 проверка споте-
мы "грунт-прибор", удовлетворяют 15 требований, приближавших условия работы модели к оригиналу, в том числе обеспечивают автоматическую стабилизацию образца в рабочей камере, наличие регулируемой системы водного режима, программное управление нагрузками» изменение направлваай касательных напряжений и др. Предложенные тесть моделей прибороЕ и устройств, взаимно дополняя друг друга, реализуют различные условия работы грунта в натура /4,12,13.16.17,18/.
7, Закономерносіи распределения напряжений в массиве от веса грунта и оборудования опрвделяквгся с учетом статических и динамических нагрузок, а также составляющих их нормальных и касательных компонентов, опытным путем, с помощью трех новых способов на основе статического зондирования массива и применения ноеых приборов, при этом для выражения сложного комплекса статических и циклических нагрузок предложено понятие эквивалентного, статического давления, равного по эффекту уплотнения грунта суммарному действию статических и" динамических, нормальных и касательных напряжений; для выражения комплекса знакопеременных циклических касательных напряжений - предложено понятие приведенных касательных напряжений, действующих в массиве по горизонтальным площадкам на разных глубинах /27,28,29.30/.
8; Проверка достоверности теоретических положений, контроль надежности аналитических расчетов, а также получение исходных"данных достигается комплексом натурных исследований ЩС и свойств грунтов с помощью новых способов, приборов и устройств, позволяющих определять эпюры распределения в массиве напряжений, деформз-тлвных свойств и плотности пород; использование этих данных в расчетах осадок оборудования на отвалах действующи карьеров дает наиболее точные прогнозы с ошибками не более 7-Ю % /IS.20,21,22,27
9. Прогнозирование осадок машин на невскрытых месторождениях, без натурных исследований, но с аналогичной точностью, достигается на базе новой концепции формирования прочности пород в отвалах, основанной на единой моделе грунта и положениях о распределении фазовых напряжений. При этом учитываются изменения НДС массива в пространстве и времени, в зависимости от технологии отвалообразовзния. что позволяет повысить точность прогнозов и определять средства активного воздействия на массив с целью управления ВДС /10. 35. 37. 38. 45. 46/.
10. Улучшение проходимости тяжёлых машин на слабых водонасы-щенных грунтах достигается осушением, естественным замораживанием, частичным или полным замешанием слабых грунтов более прочными ма-
тарналами в продолах зоны активного скатия по специальной технологии, при этом предложенные расчетные модели' технологических схем учитывают типоразмеры магаш, свойства и состояния грунта и материалов и устанавливают оптимальные их сочетания на основе взаимодействия ходовых устройств с грунтовым основанием.
Обеспечение проходимости машин по отвалам достигается повыие-HiiGM плотности-прочности верхнего слоя рабочих площадок путем уплот-пония статическими и динамическими нагрузками от машин и породы, отсыпки более прочных пород, применения рациональных технологических схем отвалообразования. Расчетные модели технологических параметров учитывают взаимосвязь параметров^ машин, свойств и состояния отвалов и формируемого верхнего слоя-пород. Разработанные мероприятия позволяют з 2-3 раза увеличить насушую способность или уменьшить деформации грунтовых оснований /35,39,48,45,51,52/.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов, сформулированных в работе, подтверждена сходимостью' результатов моделирования процессоз формирования прочности и разрушения пород с принятыми теоретическими положениями, сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований и прогнозов проходимости конкретных мапан с натурными' наблюдениями за напрядениями и деформациями в- различных природных условиях, использованием апробированных методов математической обработки опытных данных. . использованием результатсз работа при проектировании и в производстве.
Научная новизна заключается в следующем:-
1. Впервые предлояена," теоретически обоснована и практически
получена единая математическая модель грунта, представляющая прост
ранственную деформативно-прочностную характеристику в координатах:
напряжения нормальные ( 6 ) - касательные ( Т ) - относительные
осадки ( 9 - объемная деформация), которая позволяет более точно
прогнозировать просадки оборудования, с учетом действительчой
(допредельной) степени консолидации массива и процесса развития
ео в пространстве.
2. Разработаны реологические модели трехфазных грунтов и
основные положения теории перераспределения напряжений медпу твер
дой и ждкой фазами при сло::мом НДС в процессе объемных и сдвиго
вых деформаций; теория учитывает возможность как повышения плот
ности-прочности, так и резкое ео падения (до 2-3 раз) при мгновен
ном приложении нагрузок ходозкми устройствами масян.
-
На основа положений о перераспределении фазовых напряжений дано обоснование многофактррным характеристикам, выражающим связь состояния грунта по плотности и влажности с напряжениями как тотальными, так и в их отдельных фазах (твердой, газово-жидкостной). а также с обншми объемными и сдвиговыми деформациями на разных стадиях их развития. Характеристики, получаемые в результате физического моделирования в предложенных приборах и установках, позволяют определять действительную прочность водонасышонного грунта на разных этапах деформирования; они наглядно показывают какие параметры трехфазной системы (означающие физическое и напряженно-деформированное состояние) ив какой степени следует изменить, чтобы вывести систему из предельного неустойчивого в допредельное устойчивое состояние, повысив этим несущую способность основания или устойчивость откоса. Установленная связь между указанными и технологическими параметрами позволяет посредством многофакторных характеристик определять средства управления НДС отвалов в процессе их формирования.
-
Разработана концепция формирования прочности отвалов на основе единой модели грунта и положений о перераспределении фазовых напряжений, учитывающая изменение НДС и прочности элементов . массива во времени и проотранетве, в зависимости от параметров откосов, свойств пород и технологии отвалообразования. Реализация концепции в расчетах' осадок, несуаей способности и устойчивости отвалов позволяет повысить точность прогнозирования, определять способы и средства воздействия на НДС массива для повышения его устойчивости.
-
Разработаны способы определения напряжений в натурных условиях в откосах и под машинами и введены понятия "эквивалентные сжимающие" и ''приведенные касательные", напряжения для условий сложного НДЗ, учитывающих комплексно обшие статические и динамические нагрузки, нормальные и касательные их компоненты, которые могут действовать постоянно в одном или попеременно в разных направлениях. Эквивалентные сжимающие напряжения могут превышать вычисленные по формулам теории упругости до 8 раз, при этом использование их в расчетах осздок дает наибольшее приближенно к фактическим, с разницей
до 10 %. .
6. Разработанн расчетные модели осадок грунтов на основе прост
ранственных деформативно-лрочностных характеристик (единой модели
грунта), эквивалентных сжимающих и приведенных касательных напряжений
позволивших приблизить расчетные осадка к фактически'/ с разницей до
10 %. вместо известных методов, результаты расчетов которых отличаются от фактических на 100-150 %:
-
Разработаны ноше способы и средства'испытания грунтов на образцах и в массиве, а также способы выражения полученных результатов. Лабораторные приборы и установки (4 основные модели) обеспечивающие болео высокую точность испытания ооразцов на простой сдвиг в условиях плоской и объемной деформации, позволяют моделировать работу грунта в ячейках массива л реализовать основные теоретические положении о перераспределении фазовых напряжений, дофор-ыативно-прочностные п многофакторныо характеристики.грунта. Поле-выо приборы (3 модоли) и способы обеспечивают исследование свойстп и НДС массива, получение расчетных параметров и данных о достоверности теоретических положений.
-
Предлояегш новые перспективные технологии укрепления слабых грунтовых оснований под машинами и уплотнения отвалов; даны теоретические обоснования и расчетные модели, учитывающие взаимодействие ходових устройств машин с массивом. Предложение способы укрепления позволяют повысить несуиую способность водонаенгданных глинистых грунтов в 2-3 раза и обеспечить проходимость тяжелых машин по обводненным недоступным участкам, а на отвалах - соотвотст- венно уменьшить просадки ходовых устройств в допустимых пределах,
Личный вклад автора состоит:
в выборе задач, путей их решения и формулировке рабочих гипотез;
в разработке единой математической модоли грунта;
в разработке основных положений теории перераспределения фазовых напряжений водснасышзнных грунтов при слопном НДС;
в разработке концепции формирования прочности грунта в отвалах; - .
в теоретическом обосновании, проектировании, изготовлении и испытаниях образцов новых приборов и устройств;
в разработке методик, постановке лабораторных, и натурных экспериментов, непосредственном участии в'исследованиях, обрббот-ке опытных дрншх и их обобщении;
в разработки методов расчета осадок и несущей способности грунтовых оснований, с учетом новых теоретических и методических решений;
в разработке, обосновании и реализации новых технологий укрепления сл-чбнх грунтов к уплотнения отвалов, на рабочих площадках и трассах;
- Ео внедрении б практику открытых работ методов прогнозиро
вания и обеспечения проходимости тяжелого горнотранспортного обо
рудования.
Практическое значение работы состоит в том, что вб научные положения г метода, исследовательская аппаратура и технологические решения- позволяют:
более точно и обоснованно определять места (горизонты) установки машин на рабочих уступах и отвалах, где бы они могли быть использованы наиболее эффективно в данных природных условиях;
обоснованно выбирать оптимальные режимы отвалообразования и параметры отвалов, при которых были бы обеспечены наиболее благоприятные условия формирования прочности пород,, а следовательно устойчивость отвалов и проходимость машин;
разрабатывать проектные и технические решения по строительству наиболее надежных трасс перегона тяже-лого оборудования в сложных природных условиях;
устанавливать способы, средства и технологию укрепления-слабых водонасышонн'ых грунтов на рабочих уступах и уплотнения рабочих площадок на отвалах;
разрабатывать технологию ликвидации аварийных просадок (подъем) тякелого оборудования на обводненных участках:
повышать точность и функциональную возможность способов и средотв исследования грунтов.
. Реализация работ. Результаты выполненных автором в институте "УкрЕКпроект" 20-ти поисковых научно-исследовательских работ (Іп62-І990 гг.) послужили теоретической основой для разработки методов прогнозирования и обеспечения проходимости машин и устойчивости отвалов. Практические рекомендации, содержатся в 35-ти прикладных НИР» выполненных по заказам производственных объединений Минуглепрома и Минчермета для конкретных карьеров. Они без исключения использоезны б проектах институтами "УкрЮ'проект", "Сибгипрошахт". "Востсибгипрошахт", "Гнпрошахт" или непосредственно в производстве на 22 карьерах ПО "Красноярскуголь","Алек-сандрияуголь", "Востсибуголь", "КемероЕоуголь". По некоторым из них имеются акты, подтверждающие получение народно-хозяйственного экономического эффекта на общую сумму IS27 тыс.руб.
Примерами успешной реализации сло:шых технических решений являются: I) рекомендации по перегону сверхмощного зг.скаваторз ЭШ-100/100 (вес II тыс.тонн) по обЕодненнш трассам протяженностью 2500 м (1977 г.) и 8500 м (1985 г.), а тахг.е последуюо-
го строительства и эксплуатации нового карьера (уч."Чулымский" ПО "Краснолрскуголь", IS8G-S8 гг.) с размещением экскаватора на водонасыщенкых суглинках'; 2) рекомендации по укреплении обводненных илисты'.: отложений и извлечении из просадки ч речной пойме экскаватора ЗШ-І00/І00 методом шолоеых прорезой (там ::ш, 1285г.); 3) рекомендации по обеспечению проходимости опоры транспортно- . отвального моста "Скэдо" (вес 4,5 тне.тонн) Ш "Алохсандрняуголь" по свежеотсыпапным песчаноглинистым отвалам (1984г.); 4) новая технология укрепления рабочей площадки предотвала для обеспечения проходимости транспортно-отЕЗЛъного моста "Бормингофф" (вес 3,0,' тыс.тонн, там же 1278 г.) и др.
Разработанные автором приборы для испытания грунтов и НДС массива, изготовленные на опытно-экспернмонтальнсм завода института "УкрШ'Ппрсокт", распространены на 6 предприятиях и научно-производственных организациях. Приборы демонтировались на ВДНХ ССОР и на мзздународной выставке (ПНР. г.Познань, 1275г.).
По материалам исследований автором разработан ОСТ - руководящий документ по Минуглепрому СССР. РД. 12.16.125-83 ".Методические указания по определении условий проходимости тяжолых горных машин на разрезах!'
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсун-дались па м' уду народных, всесоюзных, республиканских, региона ль-, ных ::, отраслевых совещаниях, конференциях и семинарах, в том числе: на 20-м заспдєнии научно-технического совета СЭЗ (ПНР.1573г.). на всесоюзных и республиканских конференциях по механике горных пород-и инчзнорной геологии з институтах ЛПІ (Ленинград,І2Єі*>), МГИ (Москва, 1967),В::01Л: (Белгород,1933,1969), БШІ (Минск.1969), Географическое общество СССР (Ленинград, 1868), ИГД им.А.А.Ско-чинского (Люберцы, 1969. І9Р8). УкрЕКИпроокт (Киев, 1964.,1963.
1975, І97Є, 1985), ВНИПКСЕРА (Львов. 1980). КАТЭККИИуголь (Крас
ноярск, 1989), на Межвузовской научно-методической конфорнцкп
в киевском инженерно-строительном институте (1990), в Мкнуглопро-ме СССР (Москва, 1Ь2, 1935, 1988) в производственных объединениях "Алєксандрияуголь" (І96Ї. 1977, 1982. IS83), "Красноярск-уголь" (с 1270г. по 1980г. - ежегодно), "Зостспбуголь" (Иркутск,
1976, 1289, 1990). "Дальпостуголь" (Рапчпхинск, 1976). "Тулэуголь"-
(1976), "Коморозоуголь" (1970,1976). Орд?.они':пдзевсккй ГОК (1265,
J976, 1978).
Публикации." Список научных трудов автора содержит 145 наиме
нований, в том число 55 отчетов по НИР. По теме диссертации опуб
ликовано 78 научных работ, включая монографии, брошюры, статьи и
20 изобретений. г