Методика оперативного определения трещиноватости пород и ее применение для оценки прочности при расчете устойчивости бортов карьеров

Современный этап развития технологии добычи полезных ископаемых открытым способом характеризуется значительными глубинами извлечения, которые могут составлять несколько сотен метров. В этих условиях возрастают требования к обеспечению устойчивости бортов карьеров. Оползневые деформации уступов приводят к большим финансовым затратам на устранение последствий аварийных ситуаций, но, главное, они могут происходить с человеческими жертвами. Вместе с тем обоснованное увеличение угла борта карьера даже в пределах градуса ведет к существенной экономии горных работ.

В этой связи весьма актуальными являются исследования по уточнению как исходных расчетных параметров, так и методик расчета устойчивости борта карьера. Значительный вклад в решение этой проблемы внесли следующие ученые: Г. Л. Фисенко, И. И. Попов, В. В. Соколовский, С. С. Голушкевич, Ю. И. Туринцев, А. Б. Фадеев, Э. Л. Галустьян, A.M. Гальперин, A.M. Мочалов, Т. К. Пустовойтова, П. С. Шпаков, В. В. Ржевский, М. Е. Певзнер, Г. Г. Поклад, Ф. К. Низаметдинов и многие другие.

При расчетах устойчивости борта карьера, как правило, используют методику расчета, базирующуюся на теории предельного равновесия. На ее основе разработано множество решений для различных горнотехнических и горно-геологических условий освоения месторождений полезных ископаемых.

Вместе с тем остается не в полной мере изученным механизм разрушения пород при формировании оползневого процесса. Решение этого вопроса требует применения модельного подхода с реализацией нелинейной задачи о напряженно-деформированном состоянии прибортового массива. Здесь возникают сложности, связанные с определением физико-механических свойств массива горных пород.

Дело в том, что прочностные показатели ряда литотипов, которыми сложены породные комплексы, в достаточной мере известны применительно к размеру образцов. Какие коэффициенты использовать при расчетах массива горных пород — весьма актуальный вопрос.

В специальной технической литературе приводится ряд разработок, где на основе многочисленных экспериментов (в основном, ВНИМИ) определены коэффициенты структурного ослабления пород. Изложенная методика требует тщательного изучения конкретного породного массива и на основе анализа его трещиноватости выявляется искомый коэффициент.

На наш взгляд, коэффициент структурного ослабления пород можно определять с использованием фотоснимков обнажений пород (поверхностей уступов) и далее по уточненным показателям прочности пород решать вопрос об устойчивости борта карьера.

Несмотря на значительные достижения в области оценки устойчивого состояния бортов карьеров, до настоящего времени не разработана методика оперативной оценки интенсивности трещиноватости приконтурного массива и ее учета при расчете коэффициента устойчивости борта.

При наличии мощных программных комплексов, позволяющих многовариантное моделирование напряженно-деформированного состояния приконтурного карьерного породного массива, применение экспресс-методик оценки степени трещиноватости пород обеспечивает уточнение параметров устойчивого борта карьера.

Актуальность настоящей работы обоснована наличием ряда исследований по установлению существенного влияния трещиноватости на прочностные свойства массива горных пород, существованием современных мобильных цифровых средств визуализации горных обнажений, разработанностью математического аппарата моделирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород с многообразием компьютерных технологий его реализации, а также недостаточной проработкой рассматриваемого вопроса в нормативных документах.

Тема диссертации соответствует тематике направлений исследований по факультету освоения подземного пространства и паспорту научной специальности 25.00.16. — Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр в следующей области исследований: «разработка и совершенствование методов и систем обработки геологической, маркшейдерской и геофизической информации, а также методов моделирования месторождений, прогнозирования горногеологических явлений и процессов, создание основ управления ими при горных работах» .

Цель работы состоит в повышении надежности определения устойчивости бортов карьеров на основе разработки методики дистанционного определения трещиноватости пород.

Идея работы заключается в использовании цифровой фотоаппаратуры для съемки карьерных обнажений, компьютерной технологии обработки данных о трещиноватости и их интерпретации для получения скорректированных прочностных параметров, используемых при моделировании устойчивости бортов карьеров.

Задачи исследования:

1. Анализ нормативной и технической литературы;

2. Разработка технического способа дистанционного определения трещиноватости обнажений;

3. Разработка методики компьютерной обработки результатов измерений;

4. Разработка алгоритма учета трещиноватости при оценке устойчивости борта карьера;

5. Моделирование НДС прибортового массива с учетом его трещиноватости;

6. Реализация дистанционного способа оценки трещиноватости в натурных условиях.

Научная новизна:

1. Разработана компьютерная технология обработки материалов фотографической съёмки прибортового массива горных пород, позволяющая существенно ускорить определение интенсивности трещиноватости.

2. Установлены зависимости сцепления прибортового массива горных пород от степени его трещиноватости, на основе которых определяются исходные параметры для оценки устойчивости борта карьера.

Практическая значимость состоит в развитии методов расчета устойчивости бортов карьера на основе учета трещиноватости пород.

Методика исследований. При выполнении исследований использовался комплекс методов: анализ и обобщение результатов ранее выполненных исследований, в том числе представленных в нормативно-методических документахинструментальные наблюдения в натурных условиях, математическая обработка результатов экспериментальных данных, компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния прибортового массива.

Защищаемые научные положения:

1) При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом оценку трещиноватости пород как фактора, существенно влияющего на прочностные свойства пород, эффективно выполнять с использованием цифровой фотосъемки породных обнажений. При этом за счет применения разработанной методики компьютерной обработки снимков достигается оперативность получения прочностных величин, которые сопоставимы по точности с традиционными трудоемкими и затратными по времени способами.

2) Оперативный учет трещиноватости на основе использования разработанной методики позволяет проводить оценку прочности пород и текущего состояния устойчивости борта карьера.

Основное содержание работы:

Во введении обосновывается актуальность диссертации, определены цель и задачи исследования, приводятся защищаемые научные положения, изложены научная новизна и практическое значение работы.

В первой главе говорится о состоянии изученности вопроса, поставленного в исследовании, изложены методы расчета устойчивости бортов i карьера, даны общие сведения о генезисе и методах изучения трещиноватости, структурном ослаблении горных пород, обусловленном наличием естественных и техногенных трещин в массиве.

Во второй главе описана методика исследований по получению параметров трещиноватости дистанционным методом, предложены способы обработки снимков и технологии компьютерной обработки полученной информации (использованы материалы, предоставленные P.A. Такрановым, а т.ж. снимки, полученные автором в ходе стажировок на предприятиях), описаны алгоритмы обработки изображений и их применение в целях повышения степени дешифрируемости фотоматериала.

В третьей главе описывается методика оценки устойчивости, рассматривается вопрос перехода от фотоинформации к корректировке прочностных показателей породного массива, которые далее используются в расчетах. Осуществлено компьютерное моделирование при помощи различных программных комплексов, проведен анализ полученных моделей, приведены соответствующие выводы.

В четвертой главе описывается реализация изложенного подхода в условиях карьера, прогнозируются затраты на ликвидацию чрезвычайных ситуаций, и, соответственно — экономическая эффективность применения разработанной методики, приводятся перспективы дальнейших исследований, а именно, совместное осуществление лазерно-сканирующей и фотоцифровой съемки, которое позволит в значительной мере повысить эффективность геолого-маркшейдерского контроля горных работ в условиях карьеров.

Реализация результатов работы. Полученные результаты могут быть использованы в проектных организациях горного профиля, учебных учреждениях и на карьерах (разрезах), а так же в специализированных организациях, изучающих свойства трещиноватости горных пород.

Апробация работы. Основное содержание диссертации докладывалось на Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса 2009 г. (г.Санкт-Петербург), Международной научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.), на Научно-практической конференции «Инновационное развитие горно-металлургической отрасли» (г. Москва, 2009 г.), на 5-й международной научно-практической конференции на базе АвН (Краков, 2011) и на заседаниях кафедры «Маркшейдерское дело». Элементы теоретических и методических разработок диссертации внедрены в учебный процесс в Санкт-Петербургском государственном горном университете для студентов специальности 130 402-Маркшейдерское дело.

Личный вклад автора. Автор самостоятельно выполнил постановку задач и разработку общей методики исследований, анализ научно-технической литературы по теме диссертации, разработку методики аналитических и экспериментальных исследований, проведение полевых работ.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 5 публикациях, из них 2 в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определяемый ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (70 литературных источников), изложенных на 151 странице машинописного текста, содержит 12 таблиц, 64 рисунка.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

Применение разработанной методики повышает безопасность и эффективность ведения горных работ за счет повышения надежности прогноза устойчивости пород и исключения трудозатрат на ликвидацию последствий возможных аварий.

Повышение надежности прогноза устойчивости пород, которое предлагается осуществлять посредством разработанной методики, позволит исключить трудозатраты на ликвидацию последствий возможных аварий, избежать возможных потерь прибыли в условиях открытой разработки. Для количественной оценки расходов предприятия на ликвидацию возможной аварии в случае возникновения обрушения были выполнены расчеты на примере карьерной техники разреза Новосергеевский.

Так как документации подлежат нарушения устойчивости уступов, бортов и отвалов, рабочих площадок, предохранительных и транспортных.

3 2 берм, объемом свыше 1 тыс. м и захватывающие площадь более 500 м для расчетов были принят именно такой — минимальный объем вывала, соответственно, рассчитан минимальный ущерб, обусловленный подобной аварией.

Средние убытки на каждую тысячу кубических метров объема вывала составили порядка полутора миллионов рублей. А, к примеру, оползень площадью 108 ООО м2 на карьере Медвежий ручей мог вызвать срыв скальных о пород объемом 6,5 млн. м, что помимо возможных человеческих жертв и повреждений карьерной техники привело бы к финансовым потерям как минимум в 10 млрд. рублей за счет недополучения прибыли от реализации продукции.

Уточнение параметров устойчивого борта с учетом структурного ослабления массива, выраженного через параметры трещиноватости горного массива, является необходимым условием обеспечения безопасного ведения горных работ на карьере, повышающим надежность прогноза устойчивости пород и позволяющим избежать затрат на ликвидацию последствий возможных аварий.

Таким образом, предложенная технологическая цепочка, включающая в себя сбор и обработку информации о нарушенности массива и ее последующий учет при моделировании напряженно-деформированного состояния прибортового массива и определения коэффициента запаса устойчивости борта в условиях открытой разработки месторождений полезных ископаемых, повышает безопасность и эффективность ведения горных работ.

Дальнейшее развитие методики, подразумевающее совместное использование фотоизучения массива горных пород и технологий наземного лазерного сканирования позволит существенно расширить область изучения, осуществлять наглядную оперативную привязку параметров блочно-трещиноватого строения горного массива к актуальной трехмерной модели карьера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи повышения безопасности и эффективности ведения открытых горных работ за счет уточнения параметров физической модели при расчете устойчивости бортов карьеров.

Разработка методики оценки устойчивости борта карьера с учетом его трещиноватости является важной задачей, решение которой может способствовать сокращению затрат и повышению уровня безопасности в условиях открытой разработки месторождений полезных ископаемых.

В работе решаются задачи разработки способа дистанционного определения интенсивности трещиноватости карьерных обнажений, методики компьютерной обработки результатов измерений, алгоритма учета трещиноватости при оценке устойчивости борта карьерамоделирования напряженно-деформированного состояния прибортового массива с учетом полученных данных о его трещиноватости, а так же реализация дистанционной оценки трещиноватости в условиях карьера.

В данной работе предлагается оперативный метод учета трещиноватости массива горных пород при расчете устойчивости бортов карьера, который позволяет оперативно определять прочностные величины, которые сопоставимы по точности с данными, получаемыми посредством традиционных трудоемких и затратных по времени способов.

Также предложены рекомендации по нахождению параметров трещиноватого борта карьера по фотоснимкам при помощи популярных программных «продуктов AutoCad и Maplnfo.

Повышение надежности прогноза устойчивости пород, которое предлагается осуществлять посредством разработанной методики, позволит исключить трудозатраты на ликвидацию последствий возможных аварий, избежать возможных потерь прибыли в условиях открытой разработки за счет повышения надежности прогноза устойчивости пород и исключения трудозатрат на ликвидацию последствий возможных аварий.

Прогноз устойчивости откосов при проектировании базируется, как правило, на весьма приближенном фактическом материале, и поэтому он нуждается в корректировке в процессе строительства и эксплуатации карьеров.

Нарушения устойчивости откосов влекут за собой увеличение объемов вскрыши, а значит — расходы на дополнительную переэкскавацию, вызывают аварии горнотранспортного оборудования, снижают общий уровень безопасности работ на карьере и приносят значительный материальный ущерб.

Для количественной оценки расходов предприятия на ликвидацию возможной аварии в случае возникновения обрушения были выполнены расчеты на примере карьерной техники разреза Новосергеевский.

Уточнение параметров устойчивого борта с учетом структурного ослабления массива, выраженного через параметры трещиноватости горного массива, является необходимым условием обеспечения безопасного ведения горных работ на карьере, повышающим надежность прогноза устойчивости пород и позволяющим избежать затрат на ликвидацию последствий возможных аварий.

Эффективность и информативность работ так же повышается за счет расширения области изучения — в отличие от традиционных измерений рулеткой непосредственно по откосу уступа, когда работы выполняются в пределах роста исполнителя, исследование по фотоснимкам позволяет изучать откос уступа полностью, вне зависимости от его высоты.

Фотоснимки позволяют оперативно и безопасно определить степень трещиноватости обнажений для последующего учета полученных данных для уточнения параметров устойчивого борта с учетом блочного строения массива.

Такое уточнение возможно при условии введения в расчетные схемы коэффициента структурного ослабления, описывающего изменение сцепления в массиве относительно сцепления в образце с учетом степени трещиноватости породного массива.

Предложенные методы компьютерной обработки результатов съемки позволяют оптимизировать процесс обработки фотодокументации.

На основе данных о блочно-трещиноватом строении горного массива устанавливаются коэффициенты структурного ослабления, при помощи которых становится возможным переход к прочностным показателям в массиве.

При помощи такого моделирования можно проанализировать коэффициент запаса устойчивости, принять решение о возможности увеличения угла борта разреза для его рационального режима работы.

Таким образом, предложенная технологическая цепочка, включающая в себя сбор и обработку информации о нарушенности массива и ее последующий учет при моделировании напряженно-деформированного состояния прибортового массива и определения коэффициента запаса устойчивости борта в условиях открытой разработки месторождений полезных ископаемых повышает безопасность и эффективность ведения горных работ, а так же позволяет сделать оперативным ведение данных работ без ущерба точности получаемых данных.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

— предложена схема учета трещиноватости массива горных пород при помощи цифровой фотосъемки с целью уточнения параметров устойчивого борта,.

— описана методика обработки фотоснимков для повышения их дешифрируемости, а так же даны рекомендации по нахождению параметров трещиноватого борта карьера по фотоснимкам при помощи популярных программных продуктов AutoCad n Maplnfo с целью изучения строения трещиноватого массива горных пород в условиях карьеров,.

— дистанционный способ изучения трещиноватости опробирован в условиях карьеров Новосергеевский и Печурки, произведена обработка полученной информации,.

— на основе полученных данных о трещиноватости горных пород на карьере производилось уточнение параметров устойчивого борта с учетом структурного ослабления трещиноватого массива, рассмотрена возможность совместного применения лазерно-сканирующей и фотоцифровой съемки в условиях карьеров для повышения эффективности и качества геолого-маркшейдерского обеспечения.

Таким образом, уточнение устойчивости и структурной нарушенное&tradeс применением фотометода позволяет при помощи моделирования позволяет определять параметры устойчивого борта для рациональной работы в условиях карьеров.

Уточнение параметров устойчивого борта с учетом структурного ослабления массива, выраженного через параметры трещиноватости горного массива, является необходимым условием обеспечения безопасного ведения горных работ на карьере, повышающим надежность прогноза устойчивости пород и позволяющим избежать затрат на ликвидацию последствий возможных аварий.

Повышение надежности прогноза устойчивости пород, которое предлагается осуществлять посредством разработанной методики, позволит исключить трудозатраты на ликвидацию последствий возможных аварий, избежать возможных потерь прибыли в условиях открытой разработки.