Развитие методов оценки физико-механических свойств горных пород в массиве для геомеханического обеспечения открытой угледобычи

• Автор: Бабелло, Виктор Анатольевич
• Шифр специальности: 25.00.20
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 297 с. : ил. + Прил. (70 с.: ил.)

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Состояние проблемы геомониторинга процесса
открытой разработки месторождений
1.1. Обоснование перспективности разработки системы оценки физико-механических свойств нескальных горных пород на разных этапах отработки угольных месторождений с учетом изменяющихся условий
1.2. Изучение изменения физико-механических свойств горных пород под влиянием естественных и искусственных факторов применительно к оценке долговременной устойчивости
бортов разрезов и отвалов
1.3. Оценка методов определения механических свойств
горных пород для использования в системе геомониторинга
1.3.1. Лабораторные методы оценки прочности горных пород
1.3.2. Полевые методы оценки прочности горных пород
1.3.3. Методы оценки деформационных характеристик
горных пород
1.3.4. Оценка и прогноз показателей механических свойств
пород на всех этапах отработки месторождения
1.4. Обоснование выбора методов исследования пород в системе геомониторинга на основе оценки особенностей применяемых расчетно-теоретических моделей
1.5. Выводы
ГЛАВА 2. Геомониторинг и система оценки физико-механических
свойств горных пород в процессе открытой угледобычи
2.1. Логическая организация геомониторинга и системы оценки свойств пород
2.2. Метод вертикального обрушения призм
2.3. Метод среза целиков горной породы
2.4. Метод среза целиков отвальных пород с применением кольцевой пригрузки
2.5. Устройство для изучения фильтрационных, суффозионных и кольматационных процессов в горных породах с последующей оценкой их прочности :
2.6. Метод натурного определения деформационных свойств отвальных пород
2.7. Выводы

ГЛАВА 3. Исследование закономерностей изменения механических свойств горных пород в связи с трансформацией напряженно-деформированного состояния
3.1. Обоснование необходимости проведения исследований для реализации задач оперативной оценки
механических свойств пород
3.2. Компрессионные испытания горных пород
3.3. Стабилометрические испытания горных пород
3.4. Испытания горных пород в приборе трехосного сжатия с независимым регулированием величин
главных напряжений
3.5. Стендовые исследования горных пород
3.6. Выводы
ГЛАВА 4. Аналитическое и экспериментальное исследование закономерностей изменения н.д.с. отвалов и насыпных массивов, сформированных в натурных и стендовых условиях
4.1. Аналитическая оценка н.д.с. отвалов
4.2. Экспериментальная оценка н.д.с. насыпных массивов
горных пород
4.3. Выводы
ГЛАВА 5. Разработка методов прогноза деформаций техногенных массивов горных пород, основанных на результатах оперативной оценки их свойств и практическая реализация исследования
5.1. Разработка и совершенствование методик расчета осадок горнотранспортного оборудования
при его работе на отвалах
5.2. Разработка методики оценки надежности результатов
расчета осадок горнотранспортного оборудования
5.3. Результаты оперативной оценки свойств горных пород, использованные для повышения эффективности
открытых горных работ
5.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Современный уровень развития открытых горных разработок характеризуется освоением месторождений с разнообразными горно-геологическими условиями, высокой интенсивностью горных работ, значительным увеличением глубины карьеров. Одновременно с интенсификацией добычи полезных ископаемых наблюдается рост случаев появления недопустимых деформаций бортов и отвалов, что приводит к значительным дополнительным затратам на ликвидацию их последствий. Забайкальский край является одним из крупных угледобывающих регионов России. Условия разрабатываемых здесь буроугольных месторождений -Харанорского, Татауровского, Уртуйского, Кутинского и Тарбагатайского -являются весьма сложными, так как они находятся в зонах крупных тектонических разломов и депрессий с высокой водообильностью водоносных горизонтов, распространением прерывистой многолетней мерзлоты и глубоким зимним промерзанием горных пород, сложными и недостаточно изученными условиями взаимосвязи водоносных горизонтов. Эффективное управление процессом открытой угледобычи в рассматриваемых условиях, уменьшения объема вскрышных работ и площадей, занятых отвалами, требует надежного геомеханического обоснования проектных и оперативно принимаемых решений на основе достоверной информации о физикомеханических свойствах пород, оценки и прогноза изменения их показателей на разных этапах разработки месторождений с учетом трансформации напряженно-деформированного состояния (н.д.с) массивов.
Оформление бортов под максимально возможными углами и увеличение приемной емкости отвалов связано с преодолением затруднений, главными из которых являются: использование расчетных методов, не позволяющих учесть изменчивость прочностных и деформационных свойств горных пород в зависимости от действия природно-техногенных факторов;

Исследование кинематики твердых частиц породы, примыкающих к «площадке среза», показало, что действительные площадки среза в различных точках «площадки среза» по направлению взаимно не совпадают [82; 83; 84; 95]. Отмеченные затруднения при исследовании прочности дисперсных горных пород в лабораторных условиях значительно возрастают для пород, содержащих крупные обломки. Выполненные В.И. Федоровым, В.В. Семеновым, A.B. Конвиз и H.H. Шевариной [155; 185] исследования показали, что механические характеристики обломочно-глинистых пород существенно зависят от процентного содержания (по массе) крупных включений и заполнителя, а также от числа пластичности и показателя текучести глинистого заполнителя. При существующих размерах рабочих камер стандартных лабораторных приборов невозможно испытывать породы, содержащие фракции, размер которых превышает регламентированный зазор между подвижной и неподвижной частями срезной коробки [206].
В этой связи были предприняты попытки исправить сложившуюся ситуацию с испытаниями крупнообломочных пород. Так, в работе [234] рассмотрено влияние включений неоднородной осадочной породы с низкой прочностью на среднюю прочность. Предлагаемый автором подход заключается в определении параметров прочности включений с последующим осреднением прочности по всему объему горной породы. Следует отметить, что рассматриваемый метод раздельного определения прочности включений и остального объема породы, как правило, применяется в случаях, когда прочность включений выше прочности основной массы породы. Назначение расчетных характеристик породы, содержащей крупные включения, по свойствам наиболее слабого компонента - заполнителя, приводит к необоснованному их занижению.
Такой подход следует рассматривать как вынужденную меру в случае отсутствия оборудования для проведения опытов с образцами пород достаточно больших размеров в условиях их естественного залегания, либо изъятых из массива. Здесь уместно привести одну особенность классификации лабораторных методов [106], важную для понимания мотивов выбора тех-