Обоснование конструкции и параметров бортов карьера для разработки сложноструктурных месторождений в суровых климатических условиях
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………………………………… 5
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИЙ В
СУРОВЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ………………………………………………………………………. 8
1.1 Основные виды деформаций карьерных откосов …………………………………………………………… 10
1.2 Факторы, оказывающие влияние на устойчивость откосов …………………………………………….. 11
1.2.1 Физикo-мехaнические характеристики массива горных пoрод и способы их
oпределения…………………………………………………………………………………………………………………….. 13
1.2.2 Структурно-тектонические особенности прибортовых массивов карьеров ………………… 15
1.3 Методы расчета устойчивости карьерных откосов ………………………………………………………… 17
1.4 Геомеханические модели прибортовых массивов ………………………………………………………….. 21
1.5 Мониторинг устойчивости бортов карьеров ………………………………………………………………….. 22
1.6 Цель и задачи исследования ………………………………………………………………………………………….. 24
2 ОБОСНОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД
СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ В СУРОВЫХ
КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ …………………………………………………………………………………….. 26
2.1 Изучение прочностных характеристик горных пород …………………………………………………….. 26
2.2 Методика проведения лабораторных испытаний …………………………………………………………… 26
2.3 Определение физико-механических свойств горных пород методом обратных расчетов … 34
2.4 Результаты исследований свойств горных пород Кия-Шалтырского нефелинового
рудника …………………………………………………………………………………………………………………………….. 36
2.5 Результаты исследований свойств горных пород карьера «Эльдорадо» ………………………….. 39
2.6 Результаты исследований свойств горных пород Мазульского известнякового рудника. … 44
2.7 Результаты исследований свойств горных пород Горевского месторождения ………………… 45
2.8 Выводы ………………………………………………………………………………………………………………………… 55
3 ИЗУЧЕНИЕ ТРЕЩИНОВАТОСТИ ПРИБОРТОВЫХ МАССИВОВ КАРЬЕРОВ ……………….. 57
3.1 Совершенствование методов съемки структуры прибортового массива …………………………. 57
3.2 Методика изучения трещиноватости горных пород ……………………………………………………….. 58
3.3 Съемка трещиноватости горного массива ……………………………………………………………………… 60
3.4 Изучение трещиноватости горного массива на карьере Горевского месторождения ……….. 67
3.5 Изучение трещиноватости горного массива на карьере «Эльдорадо» …………………………….. 72
3.6 Трещиноватость бортов карьера Кия-Шалтырского нефелинового рудника …………………… 75
3.7 Изучение структуры прибортового массива «Мазульского известнякового рудника» …….. 76
3.8 Выводы ………………………………………………………………………………………………………………………… 79
4 АНАЛИЗ ПРИЧИН ДЕФОРМИРОВАНИЯ КАРЬЕРНЫХ ОТКОСОВ
СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ В СУРОВЫХ
КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ …………………………………………………………………………………….. 82
4.1 Деформация карьерных откосов Кия-Шалтырского нефелинового рудника …………………… 82
4.2 Деформация карьерных откосов месторождения «Эльдорадо» ………………………………………. 88
4.3 Анализ современного состояния откосов уступов и бортов карьера Мазульского
известнякового рудника …………………………………………………………………………………………………….. 91
4.4 Анализ современного состояния откосов уступов и бортов карьера Горевского
месторождения ………………………………………………………………………………………………………………….. 96
4.5 Выводы ………………………………………………………………………………………………………………………. 102
5 ОБОСНОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ СХЕМ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОТКОСОВ
УСТУПОВ И БОРТОВ КАРЬЕРОВ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ,
РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ В СУРОВЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ………………………….. 103
5.1 Устойчивость откосов уступов и бортов карьеров в анизотропном массиве …………………. 103
5.2 Обоснование расчетных показателей физико-механических свойств пород в массиве
сложноструктурных месторождений ………………………………………………………………………………… 104
5.3 Методика расчета параметров устойчивого борта карьера …………………………………………… 106
5.4 Расчет устойчивых параметров бортов Кия-Шалтырского нефелинового рудника, карьера
«Эльдарадо», Мазульского известнякого рудника и Горевского месторождения ……………107
5.5 Исследование влияния прочностных свойств массивов горных пород и погрешности их
определения на предельные параметры откосов бортов карьеров ……………………………………… 114
5.6 Выводы ………………………………………………………………………………………………………………………. 136
6 ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ КАРЬЕРНЫХ
ОТКОСОВ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ В
СУРОВЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ …………………………………………………………………… 139
6.1 Научно – методические основы концепции геомеханического мониторинга ………………… 140
6.2 Создание системы геомеханического мониторинга прибортовых массивов на
сложноструктурных месторождениях, разрабатываемых в суровых климатических
условиях ………………………………………………………………………………………………………………………….. 141
6.3 Совершенствование способов мониторинга устойчивости прибортовых массивов ………. 147
6.3.1 Анализ существующих методов наблюдения за деформациями бортов карьера ………. 147
6.3.2 Маркшейдерско – геодезические методы определения деформаций бортов
сложноструктурных месторождений ………………………………………………………………………………. 148
6.3.3 Методика измерений и камеральной обработки при наблюдениях за сдвижением и
деформациями земной поверхности сложноструктурных месторождений, разрабатываемых в
суровых климатических условиях ………………………………………………………………………………….. 159
6.4 Выводы ………………………………………………………………………………………………………………………. 160
7 АПРОБАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ РЕШЕНИЙ ПРИ ОБОСНОВАНИИ КОНСТРУКЦИИ
БОРТОВ КАРЬЕРА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ «ГОРЕВСКОГО” МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОД
ЗАЩИТОЙ ДАМБЫ ВТОРОЙ ОЧЕРЕДИ ………………………………………………………………………….. 162
7.1 Проектные решения по параметрам Горевского месторождения…………………………….162
7.2 Оценка прочностных свойств массива Горевского месторождения.…… …………….…..…163
7.3 Обоснование конструкции бортов карьера для разработки Горевского месторождения под
защитой дамбы второй очереди……………………………………………………………………………..167
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………………………. 174
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ………………………………………………………………………………….. 176
Приложение А …………………………………………………………………………………………………………………… 187
Приложение Б ……………………………………………………………………………………………………………………. 190
Приложение В ……………………………………………………………………………………………………………………. 191
Приложение Г ……………………………………………………………………………………………………………………. 192
Приложение Д……………………………………………………………………………………………………………………. 193
Приложение Е ……………………………………………………………………………………………………………………. 194
Приложение Ж …………………………………………………………………………………………………………………… 195
Приложение И …………………………………………………………………………………………………………………… 196
Приложение К ……………………………………………………………………………………………………………………. 200
Приложение Л……………………………………………………………………………………………………………………. 202
Приложение М …………………………………………………………………………………………………………………… 206
Приложение Н …………………………………………………………………………………………………………………… 207
Приложение П …………………………………………………………………………………………………………………… 211
Приложение Р ……………………………………………………………………………………………………………………. 214
Приложение С ……………………………………………………………………………………………………………………. 216
Приложение Т ……………………………………………………………………………………………………………………. 217
Приложение У …………………………………………………………………………………………………………………… 218
Приложение Ф …………………………………………………………………………………………………………………… 219
Приложение Х …………………………………………………………………………………………………………………… 220
Приложение Ц……………………………………………………………………………………………….221
Актуальность исследования. Настоящий уровень развития открытых горных работ оп-
ределяется освоением месторождений со сложными горнотехническими и горно-
геологическими условиями, интенсификацией добычи в суровых климатических условиях. На
открытых разработках сложноструктурных месторождений характерны увеличение глубины,
сроков освоения карьеров, интенсификация и концентрация горных работ, а также появление
высокопроизводительной техники и высокотехнологичных способов ведения последних. Раз-
нообразие горно-геологических и горнотехнических условий привело к возникновению боль-
шого количества способов расчета устойчивости карьерных откосов. Поэтому при решении за-
дач устойчивости выбор оптимальной расчетной схемы, соответствующей конкретным услови-
ям и обеспечивающей необходимую точность результата, выступает важнейшей задачей.
Безопасная и экономически эффективная разработка сложноструктурных месторожде-
ний обусловлена правильностью определения конструктивных параметров бортов карьера, ко-
торые зависят от степени достоверности определения физико-механических характеристик,
структурно-тектонических особенностей горных пород, механизма деформирования откосов, а
также правильности выбора методов расчета устойчивости и мероприятий по ее (устойчивости)
обеспечению на всех стадиях освоения месторождений. Наиболее крупные сложноструктурные
месторождения находятся в Сибири, где преобладают суровые климатические условия с мини-
мальными температурами в декабре-январе до минус 60 °С и максимальными в июле до плюс
45 °С, зима длинная, с большим количеством снегопадов, а лето короткое, с ливнями. Именно
для таких условий необходимо проанализировать современный уровень развития и предложить
решения для определения устойчивых параметров карьерных откосов.
Цель диссертационной работы – повышение эффективности и безопасности разработ-
ки сложноструктурных месторождений полезных ископаемых в суровых климатических усло-
виях.
Идея работы заключается в том, что для повышения эффективности и безопасности раз-
работки месторождения, параметры бортов карьера следует определять в соответствии с про-
странственной изменчивостью прочностных свойств и структурных особенностей массива.
Основные задачи исследования:
анализ факторов, определяющих устойчивость и рациональные параметры карьеров;
изучение причин нарушения устойчивости карьерных массивов в суровых климатиче-
ских условиях;
проведение лабораторных исследований по изучению прочностных свойств сложно-
структурных месторождений;
исследование пространственной изменчивости прочностных и структурных особенно-
стей массивов;
обоснование расчетных схем, соответствующих условиям разработки.
Методы исследований:
обобщение и анализ результатов научных и инженерных изысканий;
лабораторные и натурные испытания с использованием инженерно-геологических,
гидрогеологических и маркшейдерско-геодезических методов;
численно-аналитические и графоаналитические расчеты с использованием методов
предельного равновесия.
Научная новизна:
1. Выявлена пространственная изменчивость прочностных свойств и структурных осо-
бенностей массивов горных пород сложноструктурных месторождений в суровых климатиче-
ских условиях.
2. Установлена динамика временной устойчивости бортов карьеров на разных стадиях
их формирования в увязке с механизмом развития геомеханических процессов при разработке
сложноструктурных месторождений.
3. Получены зависимости для расчета предельных параметров откосов бортов карьеров с
учетом пространственной изменчивости прочностных характеристик массива пород.
4. Обоснован численный критерий оценки устойчивости уступов карьера по вероятности
их деформирования.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Рациональную конструкцию борта карьера для разработки сложноструктурного ме-
сторождения в суровых климатических условиях следует определять на основе выбора геоме-
ханической модели массива, адекватной условиям разработки, и использования численно-
аналитических методов расчета устойчивых параметров бортов карьера.
2. Для увеличения эффективности открытой разработки сложноструктурного рудного
месторождения в суровых климатических условиях необходимо принимать конструкцию бор-
тов карьера, рациональные параметры которых учитывают пространственную изменчивость
физико-механических и структурных особенностей массива месторождения.
3. Повышение безопасности разработки сложноструктурных месторождений в суровых
климатических условиях возможно за счет конструкции борта карьера и системы его монито-
ринга, позволяющих контролировать проявления деформационных процессов для прогнозиро-
вания устойчивости.
Практическая значимость работы. Построены номограммы для оперативного опреде-
ления конструктивных параметров откосов бортов карьеров с учетом прочностных свойств
массивов и их пространственной изменчивости. Предложены методы контроля и прогноза со-
стояния и свойств карьерных массивов, позволяющие управлять параметрами бортов карьера в
период проектирования, строительства, эксплуатации и ликвидации, а также обеспечивающие
промышленную и экологическую безопасность горных работ в суровых климатических услови-
ях.
Реализация результатов работы. Полученные результаты использованы в проектах
разработки следующих месторождений: «Горевское»; «Эльдорадо»; «Кия-Шалтырское»; «Ма-
зульское».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывалось на
следующих конференциях: X Юбилейная Всероссийская научно-техническая конференция сту-
дентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, посвященная 80-летию об-
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (285 отзывов)
5 (44 отзыва)
4.7 (82 отзыва)
4.2 (13 отзывов)
4.9 (343 отзыва)
4.8 (1033 отзыва)
5 (14 отзывов)
4.8 (2878 отзывов)
4.2 (5 отзывов)
