Міністерство освіти і науки України

Національна гірнича академія України

УДК 622.271.012

Ніколашин Юрій Михайлович

МАРКШЕЙДЕРСЬКИЙ КОНТРОЛЬ ДЕФОРМАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ ДЛЯ ПРОГНОЗУ СТІЙКОСТІ БОРТІВ ГЛИБОКИХ КАР'ЄРІВ

Спеціальність 05.15.01-“Маркшейдерія”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора

технічних наук

м. Дніпропетровськ

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі "Маркшейдерська справа" в Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Федоренко Павло Йосипович завідувач кафедри маркшейдерської справи Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, пофесор Креніда Юрій Федорович, професор кафедри геоінформатики та геодезії Донецького державного технічного університету Міністерства освіти і науки України;

доктор технічних наук, професор Четверик Михайло Сергійович, завідувач відділу геомеханічних основ технології відкритої розробки родовищ корисних копалин Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ);

доктор технічних наук, професор Чорний Гелій Іванович, головний науковий співробітник відділу надійності будівельних конструкцій Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Держбуду України (м. Київ)

Провідна установа – Донбаський гірничо-металургійний інститут (м. Алчевськ) Міністерства освіти і науки України, кафедра маркшейдерської справи і геодезіі

Захист дисертації відбудеться “_16__”__березня__2001 року о__14__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України (490027, Дніпропетровськ, пр. К.Маркса,19)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної гірничої академії України (490027, Дніпропетровськ, пр. К.Маркса,19)

Автореферат розісланий “_10_”__лютого___2001 року.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, доктор технічних наук,

старший науковий співробітник А.М.Роєнко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Одним із перспективних напрямків розвитку гірничо-металургійного комплексу України в складних економічних умовах та при проведенні реконструкції гірничовидобувних підприємств в Кривбасі є підтримка промислових потужностей гірничо-збагачувальних комбінатів завдяки досягненню економічно доцільних глибин кар'єрів і стійких граничних кутів нахилу бортів, сумісного ведення відкритих і підземних робіт, поступового переходу до підземного засобу розробки залізорудних родовищ. В цих умовах високий рівень безпеки ведення гірничих робіт виявляється вирішальним. Рішення цієї задачі можливе шляхом управління станом прибортового масиву гірських порід.

В основу управління закладена розробка комплексу геолого–маркшейдерських наукових і гірничотехнічних заходів, спрямованих на досягнення обгрунтованих параметрів уступів і бортів глибоких кар'єрів, за допомогою яких створюється безпечне проведення гірничих робіт та їх максимальна економічна ефективність.

На сьогодні, експлуатація глибоких кар'єрів досягла таких масштабів впливу на верхню частину земної кори, що її реакція порівняна з рівнем інтенсивності прояву геологічних процесів. Борта глибоких кар'єрів набувають складних обрисів в плані і розрізі, які слід розглядати як тривимірні елементи конструкції інженерної споруди, яка вимагає принципово нових рішень з інженерно-геологічного обгрунтування, використання геомеханічних розрахунків, виявлення і контролю зсувних деформацій бортів і застосування засобів управління прибортових масивів на різноманітних етапах освоєння родовищ. Ефективність використання засобів управління стійкістю бортів глибоких кар'єрів у стадіях будівництва, експлуатації і погашення залежить від прогнозу інженерно-геологічних умов, рівнів технологічного і техногенного впливів на прибортові масиви, попереджувальної протиаварійної сигналізації про небезпечні зсувні деформації, що характеризуються кінематичними параметрами геомеханічних процесів.

Отже, розробка і удосконалення методики оцінки і наукового прогнозування технологічного і техногенного впливів на стійкость бортів глибоких кар'єрів для створення безпеки і підвищення ефективності гірничих робіт на глибоких горизонтах є актуальною проблемою, що має важливе народногосподарське значення для України. Саме вирішенню цієї важливої проблеми присвячена дисертаційна робота.

Дослідження в цьому напрямку виконувалися автором як керівником науково-дослідних робіт у поєднанні з науковими програмами та тематичними планами інститутів ВІОГЕМ, НДГРІ, ДНВП МЕГДД, затвердженими МЧМ СРСР та УРСР, Міністерством промислової політики України ( № держ. рег. 77006539, 79009664, 01802276615, 01826010234, 01840080057, 01840080059, 01850009959,

01860017305, 01880021068, 39879114, 0193U039713, 0193U039715, 0194U024728, 0194U026617, 0194U026620, 0194U035725, 0195U016722, 0195U022577, 0195U022585, 0195U02280, 0197U010173, 0198U008091, 0198U008096).

Мета роботи полягає в розвитку основ наукового обгрунтування та удосконалення прогнозу стійкості укосів і управління станом бортів глибоких кар'єрів з урахуванням технологічного та техногенного впливів, для створення безпечного ведення гірничих робіт на залізорудних кар'єрах України.

Для досягнення поставленої мети в дисертації були сформульовані слідуючі задачі досліджень:

·

·

·

·

·

·

Основна ідея роботи полягає в комплексному використанні взаємодоповнюваних маркшейдерських, геомеханічних і інженерно-геологічних методів прогнозу стійкості укосів з метою забезпечення управління станом бортів глибоких кар'єрів з урахуванням техногенного та технологічного впливів на прибортовий масив гірських порід.

Об'єктом дослідження являються деформації бортів глибоких кар'єрів залізорудних родовищ Кривбасу та системи геолого-маркшейдерського забезпечення управлінням станом стійкості укосів.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1.

2.

3.

4.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій заснована на узагальнених положеннях механіки скельних масивів гірських порід, значним об’ємом експериментів в натурних умовах глибоких кар’єрів, достатньою збіжністю результатів цих досліджень з отриманими теоретично і при впровадженні основних науково-практичних розробок у виробництво.

Наукове значення роботи полягає в розвитку наукових основ визначення стану прибортових масивів і його впливу на усталеність бортів глибоких кар'єрів в умовах технологічного і техногенного впливів, що є значним внеском у пізнання геомеханічних процесів у прибортовому масиві гірських порід і управлінняння станом бортів глибоких кар'єрів для створення безпеки і підвищення ефективності відкритих гірничих робіт.

Практичне значення роботи полягає в розробці геолого-маркшейдерських рекомендацій з керуванню станом масиву гірських порід і прогнозу стійкості бортів і уступів глибоких кар'єрів для конкретних гірничотехнічних умов відкритої розробки родовищ.

Реалізація результатів досліджень здійснена:

·

·

·

Фактичний економічний ефект від впровадження і використання технічних рішень становить понад 1,5 млн. гривень.

Крім цього, Криворізьким технічним університетом основні результати дослідження включені в програму згідно спеціальній дисципліні “Осушення кар'єрних полів і управління станом масиву” для студентів усіх форм навчання за фахом 7.090.301.03. “Відкриті гірничі роботи”, для якої в співавторстві видана “Вищою школою” у 1986 р. монографія “Управління станом масиву гірських порід при відкритій розробці родовищ корисних копалин”.

Особистий внесок автора в отриманні наукових результатів, які захищаються в роботі, полягає: у формулюванні мети, наукових положень і задач дослідження; в одержанні аналітичних виразів для опису експериментальних результатів спостережень за деформаціями і визначенні параметрів бортів глибоких кар'єрів Кривбасу; у розробці технологічних інструкцій заукоски уступів на граничному контурі і маркшейдерському забезпеченні технології погашення виробленого простору глибоких кар'єрів.

Апробація результатів работи. Основні положення дисертації та результати досліджень доповідались та обговорювались на спеціалізованих нарадах з питань маркшейдерської справи і стійкості укосів на кар’єрах (ВІОГЕМ, Бєлгород, 1969; ВІОГЕМ-НДІКМА, Україна 1974); на V Всесоюзній конференції по інженерній геології “Проблеми інженерної геології в поєднанні з промислово-цивільним будівництвом і розробкою родовищ корисних копалин” (АН СРСР, Свердловськ, 1984); на II Міжнародній Орловській конференції “Вивчення Землі як планети методами геофізики, геодезії та астрономії” (Інститут геофізики АН УРСР, Полтава, 1986); у Всесоюзній науковій школі “Деформування і руйнування матеріалів з дефектами та динамічні явища в гірських породах і виробках” (Держ. університет, Сімферополь, 1987); на VII Міжнародному конгресі по маркшейдерській справі (Ленінград, 1988); на Міжнародних симпозіумах “Освоєння родовищ мінеральних ресурсів та підземне будівництво в складних гідрогеологічних умовах” (ВІОГЕМ, Бєлгород, 1991, 1997, 1999); на V Національній маркшейдерській конференції з міжнародною участю “Маркшейдерське забезпечення на порозі ХХI століття” (Національний комітет по маркшейдерії, Несебир, Болгарія, 1997); на Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні шляхи розвитку маркшейдерсько-геодезичних робіт на базі передового вітчизняного та закордонного досвіду” (НГА України, Дніпропетровськ, 1998); на технічних радах та нарадах в концерні “Укррудпром”, ГЗКів України та проектних інститутах “Кривбаспроект” і “Укрдіпроруда”.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 41 наукових працях, у тому числі в двох монографіях, 19 статтях наукових в фахових виданнях, 1 патенті України і трьох авторських свідоцтв, двох галузевих інструкціях. Крім того, 13 галузевих всесоюзних і міжнародних наукових нарадах, конференціях та симпозіумах і конгресі, і одному препринті.

Усього по темі дисертації опубліковано більше 100 наукових праць.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновку, списку використаної літератури, який нараховує 259 найменувань, додатку. Дисертація викладена на 304 сторінках тексту електронної розпечатки і містить: 42таблиці, 64 рисунки, додатка на 20 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі виконаний аналіз розвитку наукової думки по проблемі прогнозу усталеності укосів та управління станом бортів глибоких кар'єрів.

При досягненні залізорудними кар'єрами глибоких горизонтів неприпустима можливість виникнення значних порушень стійкості уступів і бортів. Статистичні дані свідчать про те, що на глибоких кар'єрах Кривбасу не рідше одного разу в 5-10 років виникають значні оповзи обсягом у декілька млн. куб. м і щорічно відбуваються до двох десятків випадків зсувних явищ обсягом у декілька сотень куб. м, що приносять народному господарству значний матеріальний збиток.

Відкриті гірничі роботи супроводжуються розвитком разущільнення та нетривкості прибортових масивів гірських порід. У зв'язку з цим підвищується роль досліджень у напрямку прогнозу, контролю і забезпечення стійкості укосів, управління станом бортів глибоких кар'єрів.

Значний внесок у розвиток наукового напрямку з проблеми стійкості укосів та управління станом бортів кар'єрів зробили фундаментальні дослідження вітчизняних та закордонних учених, опубліковані в працях Ю.П.Астаф’єва, В.П.Будкова, Ю.М.Гавриленка, Э.Л.Галустяна, А.М.Гальперіна, В.Г.Зотеєва, А.І.Ілліна, Ю.Ф.Креніди, Є.О.Несмашного, А.М.Мочалова, В.А.Мироненка, Р.П.Окатова, Л.Я.Парчевського, М.Є.Певзнера, Є.Г.Петрука, С.З.Поліщука, Б.Д.Половова, В.Н.Попова, І.І.Попова, М.О.Ревазова, В.В.Ржевського, В.Т.Сапожникова, В.Д.Сидоренка, В.І,Стрельцова, Ю.І.Туринцева, П.Й.Федоренка, Г.Л.Фесенка, М.С.Четверика, Г.І.Чорного, А.Г.Шапаря, О.М.Шашенка, П.С.Шпакова, В.С.Ямщикова, Б.С.Беста, Х.Бока, Р.Гудмана, Ч.Джегера, П.С.Мечкарські, Є.Хоєка, Я.Х.Хуана та інших.

Результати досліджень цих учених заклали теоретичні основи для широкого впровадження в практику управління станом бортів кар'єрів інженерних методів оцінки стійкості укосів та способів спрямованої зміни стану масивів гірських порід.

Разом з тим, необхідно відзначити, що розглянута проблема стійкості бортів глибоких кар'єрів надзвичайно складна, не вичерпана, потребує подальшого розвитку та уваги дослідників.

Все більше дослідників висловлюють свою думку про необхідність організації в районах великомасштабних гірничих розробок маркшейдерсько-геодезичних центрів, необхідних для визначення деформаційного режиму прибортових масивів глибоких кар'єрів з метою оперативного контролю стійкості укосів, сучасної організації протизсувного захисту та створення безпечного ведення гірничих робіт.

Сумісна дія впливаючих на стійкість укосів факторів, призводить до зміни напруженого стану та фізико-механічних властивостей, з’явленню зон залишкових деформацій, поверхонь послаблення, зміщень прибортового масиву.

Без оцінки факторів, що впливають на стійкість бортів глибоких кар'єрів в реальних гірничотехнічних умовах, та встановлення причин руйнування масиву неможливо обгрунтовано опрацювати прогноз стійкості укосів, міркувати про надійність проектних параметрів укосів та вибрати доцільні способи захисту від зсувних явищ.

До теперішнього часу урахування факторів, що впливають на стійкість укосів у т.ч. техногенної і технологічної дії на зміну стану бортів глибоких кар'єрів, недостатньо вивчені.

Найбільш доцільний підхід до рішення проблеми управління стійкістю бортів глибоких кар'єрів повинен міститися в комплексному використанні

взаємодоповнюючих маркшейдерських, геомеханічних та інженерно-геологічних оцінок стану прибортових масивів гірських порід.

Такий підхід потребує проведення великомасштабного промислового експерименту по вивченню деформаційного режиму борту глибокого кар'єру.

Аналіз сучасних тенденцій, перспектив ведення відкритих гірничих робіт і стану проблеми стійкості бортів глибоких кар'єрів дозволяє підкреслити слідуюче:

- безпечне ведення гірничих робіт на глибоких горизонтах, в зонах зсування гірських порід, при переході до відкрито-підземного способу розробки родовищ може буде забезпечене завдяки застосуванню комплексних методів спостережень та прогнозу стійкості укосів;

-

-

-

-

Завдяки об’єктивній оцінці фактичного стану бортів глибоких кар'єрів в перемінних інженерно-геологічних та гірничотехнічних умовах під впливом техногенних та технологічних факторів, сформульовані і вирішені задачі досліджень.

У другому розділі обґрунтований вибір напрямку і розробка загальної методики досліджень.

Принципову можливість прогнозування початку мікроруйнувань прибортового масиву гірських порід обгрунтовує концепція міцності твердого тіла. Висновок полягає у тому, що руйнування відбувається при навантаженнях, які перевищують межу міцності гірських порід, а макроруйнування наступають при критичному накопиченні тріщин у зоні формування розривів, сколів і зсувів, які утворять загальну або локальну поверхню ковзання деформованого борту чи його ділянки. Тому безперервні спостереження зможуть виявити процес накопичення залишкових деформацій у масиві, реакцію прибортового масиву на технологічні та техногенні впливи в широких межах деформацій від місячно-сонячних припливів земної кори до сейсмодинамічних навантажень при проведенні буро-підривних робіт. При цьому можливо виявити приховану стадію процесу руйнування і можливість настання граничного стану стійкості борту, що дозволить відібрати доцільні протизсувні заходи для захисту бортів кар'єру від руйнування.

Основними задачами великомасштабного експерименту в прибортовому масиві були встановлення ходу накопичення залишкових деформацій та виявлення характеру дограничної стадії деформування.

Дослідження закономірностей деформування борту глибокого кар'єру при техногенному і технологічному впливах виконані під час рішення технічної задачі по розконсервуванню тимчасово неробочого підробленого східного борту кар'єру № 1 ВАК"Центральний ГЗК" глибиною до 300 м, протяжністю по поверхні до 4000 м і кутами нахилу до 36° (проектні граничні значення до 30°). Сприятливими умовами для проведення великомасштабного експерименту в глибині масиву була наявність двох штолень та з'єднуючого їх штреку.

На створеному наземно-підземному геодинамічному полігоні вивчено наступні геомеханічні процеси:

-

-

-

- сейсмічні коливання тривалістю від декілька секунд до декілька годин, викликані масовими вибухами в кар'єрі № 1 і № 2 ВАК"Центральний ГЗК" і шахтах рудоуправлінь “Суха балка”, ім. Комінтерну.

Для дослідження геомеханічних процесів використані такі методи: в штольнях на трьох пунктах для безперервної реєстрації – фотоелектричні нахиломіри конструкції ІФЗ РАН; для дискретних спостережень зміщення поверхні борту – світловіддалеміри типу ЄОК 2000, 2СН2 в комплексі з високоточними кутомірними інструментами типу Тhео 010 і нівеліра типу Hi 002; в глибині масиву – по довжині підземного полігону – система робочих реперів, закладених в підошві, покрівлі і боках виробки для вимірювання осідання, горизонтальних деформацій та конвергенції стінок виробок; в штольні – миттєві зміщення і швидкості деформацій за допомогою лазерного інтерферометра конструкції Московського гірничого інституту; в штольні – метод розвантаження керна в бурових свердловинах для визначення рівня природних напружень.

Тривалість похиломірної безперервної реєстрації геомеханічних процесів складає майже 1500 діб, протягом яких зроблено 8 серій світловіддалемірних спостережень за зміщенням 30 робочих реперів, розташованих на запобіжних бермах борта кар'єру, по трьох профільних лініях і 40 робочих реперах, розміщених по довжині підземного полігону.

Під прогнозом стійкості бортів глибоких кар'єрів слід розуміти науково обгрунтоване судження про перспективи, про можливий стан прибортових масивів в безперервно змінних інженерно-геологічних комплексах гірських порід і способах управління їх станом протягом терміну стояння укосів.

Багатофакторний характер геомеханічних процесів зумовлює їх прогнозування на основі використання маркшейдерії, геометрії надр, гірничої геомеханіки та інженерної геології, розроблених в працях П.К.Соболевського, П.Н.Панюкова, П.О.Рижова, В.І.Борщ-Компонійця, В.Д.Ломтадзе, Г.Г.Скворцова, Г.А.Голодковської, І.О.Турчанинова, В.М.Раца, Г.Л. Фесенка та інших.

Обгрунтоване судження про стан борту кар'єру формується на основі використання декількох видів прогнозів: геомеханічних, інженерно-геологічних, гідрогеологічних і гірничотехнічних.

В залежності від вивчення родовища корисних копалин і активності виникаючих техногенних змін в геологічному середовищі, оцінка стійкості бортів глибоких кар'єрів виконана на наступних стадіях: розвідка родовища і проектування; будівництва, експлуатації і погашення. Прогноз стійкості укосів ділиться за часом, методом, характером та етапами прогнозування.

Створення безпечного ведення гірничих робіт в перемінних інженерно-геологічних і гірничотехнічних умовах здійснюється шляхом геомеханічного контролю за станом укосів з використанням похиломірної, лазеро-інтерферометричної, світловіддалемірної, сейсмоакустичної та ін. техніки.

У третьому розділі приведені результати натурних обстежень відносних прихованих деформацій прибортових масивів з крутопадаючою верствуватістю.

Безперервна реєстрація деформаційного режиму борту глибокого кар'єру виконана похиломірним методом. Цей метод використовується на ранніх стадіях виявлення пружних та руйнівних деформацій борту глибокого кар'єру.

В основу похиломірних спостережень покладений метод запропонований проф. П. К. Соболевським (1922р.).

Автоматична реєстрація нахилів прибортового масиву здійснюється одночасно в трьох пунктах підземного геодинамічного полігону (рис.1).

Вертикальна складова зміщення Z масиву гірських порід по запису похиломіру гірських порід по його похилі під кутом ? визначалась з виразу:

Z=BCШ , (1)

де: В – фотоелектричне збільшення похиломіру, яке залежить від електротехнічних параметрів гальванометрів, фотоелементів і оптико-механічної системи приладу, безрозмірний; С – чутливість оптичного похиломіру, 1000 мм./кут.с.

Розмір похилу вимірювальної площадки бетонного постаменту визначається по формулі:

, (2)

де: д, д1, д2, д3 - похили вимірювальної площадки: загальний, в напрямку північ-південь, схід-захід і контрольного похиломірів.

Виявлення, спостереження і контроль реакції масиву на розущільнення, зсув борту і вирвоутворення, а також обробка вимірювань виконані по розробленій автором методиці (А.с. 1010271, 1121430, 1196506) з використанням планшета “Ехо” та ЕОМ.

Цілковита величина похилу прибортового масиву , вимірювана на пунктах, містить складові:

4

дi =д0 + д1 ± д2 ± д3 - д4, (3)

0

де:?0-сумарний похил площадки пункту вимірювання; ?1, д2, д3, д4 – нахили за рахунок сейсмічної дії вибуху; виймання гірської маси; вирвоутворення; місячно-сонячного припливу.

Для рівнозначної оцінки впливу зазначених похилів масиву на величину деформації зсуву борту виконувалась ідентифікація геомеханічного процесу за допомогою похиломірних засічок та побудова векторних діаграм, що вказують місце розташування об'єкту “обурення”.

Сутність вперше застосованої похиломірної засічки полягає в тому, що, використовуючи результати векторних діаграм від декількох вимірювальних площадок (пунктів спостережень), одержують перетинання векторів у деякій зоні, яка є місцем розташування джерела, що викликало аномалію в похилах прибортового масиву.

Виділений на запису аномальний хід похилів дозволив оцінити збільшення відносної деформації масиву гірських порід і швидкість її розвитку:

А= 4,85дl, (4) V= A / t, (5)

де: А – вертикальний зсув країв площадки пункту виміру нахилів щодо один одного, мкм; 4,85 - коефіцієнт переходу з кутової міри в радіану; – кут нахилу вимірювальної площадки, кут.с; l – лінійні розміри вимірювальної площадки, м; t–час аномального ходу, доба; V-швидкість зміщення, мкм/добу.

Відносна деформація зсуву ? за період i–го циклу спостереження визначається по формулі:

гi = bi / L, (6)

де bi – зсув по поверхні ковзання за період i–го циклу спостереження, м; L – довжина поверхні ковзання, м.

Ступінь небезпеки деформації зсуву визначається по часу до руйнування борту по швидкості деформування на стадії незатухаючої повзучості: m

t > (е np - е i) / Vconst , (7)

1

де: t – час до настання руйнації борту; ?np – гранична повна деформація зсуву, встановлена в результаті експерименту, м; ?i – деформація зсуву, встановлена по похиломірним спостереженнях, м; Vconst – стала швидкість зміщення, м/сут.

Виконаний аналіз результатів тривалих (3,5 річних) автоматичних похиломірних спостережень за відносними кутовими ? зміщеннями приробленого борту в дограничному напруженому стані, дозволяє встановити наступне:

а) дограничний деформаційний режим призми можливого обвалення борту глибокого кар'єру складається з декількох етапів мікроруйнувань, які характеризуються чергуванням послідовних зміщень у вигляді перекидання і зсуву масивних блоків;

б) за мінімальну величину накопиченої відносної деформації зсуву масиву по стрімкопадаючих поверхнях послаблення, що визначає початок формування поверхні ковзання та сталу приховану стадію повзучості гірських порід, можна прийняти значення, рівне 20 кут.с у рік (по досвіду спостережень Інституту фізики Землі РАН за деформаціями високих бетонних плотин і бортів глибоких каньйонів);

в) прогностичними прикметами стадії сталої повзучості прибортового масиву гірських порід є односпрямовані навхрест простяганню борту азимути похилів декількох пунктів (не менше двох) призми можливого обвалювання і збільшення швидкостей відносних похилів.

Встановлені експериментально кінематичні параметри дограничного деформування прибортового масиву у вигляді кутових деформацій зсуву в межах 3,7–9,7 кут.с у рік з азимутами , що безупинно змінюються, зміщення характеризують фактичний стан опуклого приробленого борту з коефіцієнтом запасу стійкості рівного не менше нормативного значення (n=1,2).

У результаті застосування розробленої методики (А.с. 1559148) похиломірних спостережень за деформаціями поверхні борту кар'єру в процесі вирвоутворення встановлено, що “випливання пустоти” і утворення вирви обвалювання супроводжується багатостадійним руйнуванням налягаючої товщі, визначеною довготривалістю розвитку процесу, залежної від тріщинуватості і міцності масиву, положення порожності на глибині, можливості перепуску обвалень порід на нижчележачі горизонти і активності технологічних впливів, що дозволяють контролювати хід розвитку геомеханічного процесу і здійснювати ведення гірничих робіт в потенційно небезпечній зоні (рис.2).

У четвертому розділі приведені результати дослідження деформацій зсуву борту глибокого кар'єру.

Характер зміни напруженого стану приробленого борту з крутопадаючою шаруватістю убік кар'єру встановлений на моделях з електропровідного паперу (методом ЕГДА) оптичних активних матеріалів і методом кінцевих елементів. З результатами аналізу розподілу нормальних і дотичних напружень в полі моделей укосів виділені зони розвантаження (розущільнення), які використовувались для обгрунтування закладення спостережних станцій та інтерпретації цих натурних спостережень.

За результатами семирічних інструментальних (світловіддалемірних, нівелювання, конвергенції грунту, покрівлі і стін штолень) спостережень на наземно-підземному полігоні східного борту кар'єру №1 ВАТ (ЦГЗК) встановлена (рис. 3):

·

·

·

·

·

На підставі комплексних інструментальних спостережень за деформаціями борту встановлений механізм зруйнування прибортового масиву з стрімким заляганням шарів, що складається з послідовного розвитку деформацій розущільнення, перекидання і зсуву блоків по поверхням нашарування і системам тріщин за участю розривів суцільності в налягаючій товщі, від підземної розробки.

В дограничному стані підробленого борта процес зруйнування в призмі активного тиску характеризується різнонаправленим зміщенням робочих реперів, а в призмі опору значення цілковитих зміщень, як правило, знаходяться в межах вимірів з виявленою тенденцією зміщень в бік масиву.

Розвиток деформацій зсуву борта в регресивній стадії і надалі її перехід у прогресуючу встановлюється за упорядкуванням векторів зміщень в одній площині в бік кар'єру і за величиною швидкостей зміщення.

Аналіз деформаційного режиму підробленого борту глибокого кар'єру за даними інструментальних вимірів дозволяє встановити:

а) залежність ступеня стійкості борту і безпечного ведення гірничих робіт на глибоких горизонтах від кінематичних параметрів дограничного деформування масиву;

б) стан борта з кутами нахилу, які гранично досягнуті ускладнюється процесами зсуву гірських порід в налягаючій товщині відпрацьованих стрімкопадаючих покладів, техногенного розвантаження у вигляді піднімань і перекидань блоків скельних порід, які складають прибортовий масив.

Дослідженнями дограничного деформування підробленого прибортового масиву встановлено наступне:

·

·

·

·

·

Зареєстровані у результаті інструментальних спостережень підняття масиву узгодяться з теоретичним визначенням зміщень точок Un (R) однорідного пружного напівпростору, на який діє за нормаллю сила Fn (R), одержані Л.Д. Ландау. Проте з натурних спостереженнях, крім вертикальних зміщень, відмічені горизонтальні зміщення як у бік кар'єру, так і у бік масиву в залежності від просування фронту гірничих робіт на верхніх і нижніх горизонтах, що дозволяє визначити дійсні величини деформацій зсувів, спостерігати за їх накопиченням в процесі виїмки гірської маси і порівнювати з критичними значеннями зміщень.

У п'ятому розділі розглянута система геомеханічного обґрунтованого визначення безпечного стану бортів глибоких кар'єрів.

Складний характер деформування підробленого східного борту кар'єру №1 ВАТ (ЦГЗК) підтверджується результатами аналізу вимірюваних напружень в штольні методом розвантаження:

- напружений стан прибортового масиву відрізняється за характером від геостатичного і гідростатичного полів;

- виміряне вертикальне напруження (бz = - 4,4 MПа) дорівнює розрахунко-вому напруженню від тиску налягаючої товщі порід (бв) ;

- виміряне горизонтальне напруження (бу = - 6,0 MПа) орієнтоване з простягання борту і тектонічної структури в 3 рази перевищують величину розрахункового напруження від бокового розпору під час тиску налягаючої товщі порід;

- виміряне горизонтальне напруження (бх = - 0,5 MПа) орієнтоване вхрест простягання борту на величину меншу розрахункового бокового розпору (бт = - 1,9 MПа).

Розрахункові розміри головних нормальних напружень характеризуються стискальними (б2 і б3) і розтягуючими (б1) їх значеннями, які пов'язані з механізмом перекидання стрімкопадаючих шарів і обертання структурних блоків в зоні формування поверхонь ковзання (рис. 4).

На формування напруженого стану бортів глибоких кар'єрів з стрімкопадаючим заляганням шарів тріщинуватих порід впливає складова тектонічного аномального поля напружень, діюча протягом всієї Криворізько–Кременчуцької структурно–тектонічної зони Українського кристалічного щита і посилююча свою дію за рахунок техногенних деформацій, виникаючих внаслідок спільного ведення гірничих робіт на глибоких горизонтах. Так, внаслідок спільної дії відкритих та підземних робіт на В. Глеюватському залізорудному родовищі (кар'єр № 1 ЦГЗК), шахти ім. Фрунзе, Жовтнева, Більшовик) під впливом тектонічних напружень сформувалася тріщина розтягнення довжиною до 800 м.

Багаторічні звукометричні спостереження на борту кар'єру № 1 ЦГЗКа в 15 вертикальних свердловинах, розташованих у призмі опору і в 6 пунктах штолень, розташованих у призмі активного тиску, виявляють фон звукової активності порід у межах 2–5 імпульсів за хвилину, що зростає до 20–35 і зберігається протягом трьох діб після проведення масового вибуху, потім знову поновлюється установлений раніше фон.

Аналіз амплітуд звукових імпульсів і частоти їхньої появи на безупинних записах акустичної емісії дозволяє виявити тенденцію розвитку мікротріщин в призмі можливого обрушення борту глибокого кар'єру.

В формуванні дограничного напруженого стану призми активного тиску прибортового масиву, що визначає механізм і приховану стадію руйнування, великі значення діючих напружень порівняно з розрахунковими величинами, які перевершують граничний опір порід зрізу і зсуву вздовж поверхонь послаблення.

В глибині масиву при наявності гірничих виробок є можливість виявити ділянки з тріщинами великої довжини, вздовж стався зсув масиву. Тоді, використовуючи умову граничної рівноваги за В.В. Соколовським (звичайне і спеціальне), можливо визначити величину зчеплення в масиві з виразу

,(8)

де: Стр – зчеплення по поверхнях тріщини, МПа; ? – кут внутрішнього тертя гірських порід, град.; ? – кут між поверхнею тріщини і поверхнею ковзання (розрахунковий), град.; б1,2,3 – діючі головні напруження в масиві, які визначаються методом розвантаження, МПа.

Для обчислення величин діючих напружень використано модуль деформації масиву гірських порід методом польових дослідних навантажень з виразу

Ем=(1-м2) Р/?WR, (9)

де: Р – навантаження від штампу на поверхню масиву, МПа; W – вертикальне зміщення вимірювальної похиломірної площадки на відстані R від штампа, мкм.

Вертикальне зміщення вимірювальної площадки виконано під час використанні фотоелектричного похиломіру при ступенях навантаження на круглий штамп діаметром 0,5 м у межах 0,05–1,00 МПа і дорівнює 0,5–14,1 мкм (для кварц-карбонат-біотитовых сланців із прошарками кварцитів – SX22S) Розрахункове значення Eм дорівнює 5,63 х 103 МПа.

Стійкість обводнених бортів глибоких кар'єрів за рахунок затоплення суміжних з ними відпрацьованих шахтних або кар'єрних полів залежить від геолого-структурних, гідрогеологічних та гірничотехнічних умов родовищ, на які негативно впливають обводнені тріщини, що падають у бік кар'єру, водопровідні тріщин зон зсуву гірських порід від підземної розробки, обводнюваності блоків, які підлягають підриванню, і ціликів на граничних контурах кар'єрів, які залишаються під водяними об'єктами.

В умовах сумісної розробки Інгулецького залізорудного родовища на базі моделювання і режимних гідрогеологічних спостережень виявлена можливість затоплення шахтного поля (шахт “Центральна” і № 10) з урахуванням протифільтраційного захисту глибокого кар'єру від підземних вод.

Мінливість тектонічного порушення прибортових масивів з стрімкопадаючою шаруватістю Криворізьких залізорудних родовищ посилюється завдяки структурному послабленню міцності гірських порід в залежності від занурення шарніра регіональної синкліналі з півдня (Інгулецьке родовище) на північ (Ганнівське родовище), що зумовлює вибір параметрів і конструкцію бортів глибоких кар'єрів.

Тривалі маркшейдерські спостереження за зсувами поверхонь берм, робочих площадок в ближніх зонах і сейсмометричні в дальніх зонах кар'єрів Кривбасу дозволили навести графіки залежності швидкостей зсувів від відстані до місця вибухів і їх маси ВР.

Сейсмічні спостереження на глибині прибортового масиву (у штольні) на відстанях 10, 100 і 300 м. від поверхні борту (по горизонталі) і на висоті 150 м від дна кар'єру при вибухах в підошві борту до 5000 кг на ступінь затримання дозволили отримати залежності зниження інтенсивності коливань масиву в його глибині при розміщенні блоку, що підлягає підриванню на одному горизонті з вимірювальними пунктами і при різниці позначок між ними

Vм=Vе0,012b, (10)

Vм=Vе-0,004h, (11)

де: Vм – швидкість коливань в масиві, см/с; е – основа натурального логарифма;

b – горизонтальна відстань між пунктами виміру і підривним блоком, м;

h – різниця позначок горизонтів вимірювальних пунктів і підривного блоку, м;

сталі 0,012 та –0,004 мають розмірність м-1.

Під час вимірах реакції прибортового масиву на технологічні вибухи виявляються його коливання на розривах суцільності більш значне, ніж в цілику (рис.5).

В шостому розділі на базі виконаних досліджень розроблені технологічні і спеціальні способи управління стійкістю укосів на глибоких кар'єрах.

Автором виконана оцінка ефективності технологічних і спеціальних способів управління стійкістю укосів на різних етапах освоєння родовищ і формування контурів глибоких кар'єрів.

Рис.5. Швидкості зміщення прибортового масиву на глибині 100 м: 1 – в зоні розривів суцільності; 2 - в цілику; деформаційний розрив – 3 – до вибуху, 4 – після вибуху

Безпечне ведення відкритих гірничих робіт досягається завдяки застосуванню наступних, розроблених автором, способів управління станом бортів глибоких кар'єрів. Для зниження високої концентрації тектонічних напружень на глибоких горизонтах запропонована розробка дна кар'єру з застосуванням деформаційного шва, параметри якого залежать від ширини дна, напрямку дії і коефіцієнта концентрації тектонічних напружень, модуля пружності масиву гірських порід (А.с. 1316328).

Відробка в кар'єрному полі масивів, порушених підземними гірничими роботами: затоплених зон обвалення; пустот, які виходять під наноси, і вирв обвалень, які не досягли поверхні кар'єру, базується на використанні теорії дренажу, граничного стану порід слабкої основи, закономірностей вирвоутворення від відроблених покладів підземним способом, а також – на взаємопогодженості геомеханічних процесів з технологічними операціями (рис. 6). Така відробка обводненої зони обвалення (А.с. 1134714) проведена на верхніх горизонтах Першотравневого кар'єру (ПівнГЗК).

Погашення порожнин (А.с. 1281670) з використанням залежності

Q < 4/3агlh, (12)

де: Q – маса порід призми можливого обвалення, т.; а – довжина з потягом призми м; ? – щільність порід слабкої основи, кг/м 3; l – ширина призми випирання основи, м; h – потужність слабкої основи, м; використано під час формування відвалів, розташованих біля бортів кар'єру №3 НКГЗКу (див. рис. 6,а).

Можливість вибухового погашення “випливаючої” порожності (А.с. № 1292405) показано на прикладі підробленого борту кар'єру №1 ВАТ(ЦГЗК) ( див. рис. 6,б). Закріплення глибоких бортів кар'єрів механічними засобами з використанням ростверків, контрфорсів, заміни слабких порід скельними і сумішами, що твердіють, розроблені автором для умов масивів зі стрімкопадаючими тектонічними порушеннями і шарами маломіцних порід великої протяжності(см. рис.6,д).

У способах закріплення укосів, захищених А.с. 1587138, 1323713, 1327716, 1716138, використовуються закономірності напруженого стану укосів “аркового ефекту” при експлуатації зведених протизсувних споруджень: під час укріплення дайки, що являє собою вивітрені діабази, на ділянці будівництва відводного каналу р. Інгулець (район кар'єру №2, НКГЗК); при заміні талько-хлоритових сланців великої товщини скельним розкривом на кар'єрі (ІнГЗК); для захисту транспортного горизонту від руйнування пальною конструкцією на кар'єрі “Чегарники”