Розроблення методу розрахунку стійкості зовнішніх відвалів з урахуванням неоднорідності розкривних порід і слабкої основи

 

 

У вступі обґрунтовано вибір теми та її актуальність, сформульовано мету, ідею, завдання дослідження, визначено наукові положення, що виносяться на захист, наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, наведено відомості про достовірність отриманих результатів, дані щодо публікацій, апробації й упровадження результатів досліджень. 

У першому розділі зроблено аналіз сучасного стану зовнішнього відвалоутворення на прикладі залізорудних кар’єрів Кривбасу, аналіз розвитку методів розрахунків стійкості та обрано напрямки й методи досліджень. 

Гідрогеологічний комплекс Кривбасу, у якому проводяться відкриті гірничі розробки, характеризується складними інженерно-геологічними умовами. Основу відвалів складають породи з низькою несучою здатністю. Аналіз результатів гідрогеологічних вишукувань, проведених протягом всього часу відвалоутворення, засвідчує, що слабкі обводнені основи великої потужності, характерні для більшості відвалів Кривбасу, вивчені недостатньо або зовсім не вивчені. Тому проектні параметри відвалів у одних випадках занижені, а в інших – завищені. Практично всі відвали гірничо-збагачувальних комбінатів схильні до зсувних явищ, а деякі ділянки знаходяться в деформованому стані. 

Підтвердженням цьому є катастрофічний підпідошовний зсув, що відбувся у квітні 2001 року на зовнішньому відвалі № 2 ВАТ «ІнГЗК» (об'єм зсувних мас склав близько 2 млн. м3, а об'єм призми випору 336 тис. м3). Переміщення відвальних мас західного борту відвалу № 3 ВАТ «ІнГЗК» у листопаді 1993 року об'ємом 4, 9 млн. м3 у робочу зону східного борту кар'єру загальмувало роботу кар’єру на декілька місяців. Розвиток відвалів у висоту, підвищення рівня водоносних горизонтів активізує зсувні процеси. Тому питання оцінки стійкості з точки зору обґрунтованості, надійності, точності й оперативності використовуваних методів має переважне значення для безпеки відвалоутворення. 

Проведений аналіз свідчить, що питання стійкості гірничих масивів вивчене досить повно. Але недостатньо розробленою є методика розрахунків техногенних масивів (відвалів, хвостосховищ) на слабкій основі. 

Незважаючи на загальний методологічний підхід щодо питання стійкості породних укосів, геомеханіка техногенних масивів, до яких належать відвали, має свою специфіку. По-перше, відвали є динамічними системами, які змінюють свої геометричні параметри й літологічний склад відвальних порід у просторі та часі. По-друге, гірничі породи, які складають тіло відвалу, мають порушену структуру, на відміну від бортів кар’єрів і породних укосів, у яких породи знаходяться в стані природного залягання. Враховуючи ці обставини та багатофакторність процесів відвалоутворення, в дисертаційній роботі має розвиток імовірнісний підхід щодо вирішення задач оцінки стійкості. 

На основі аналізу ґрунтовних і науково-дослідних праць провідних вчених у галузі стійкості в гірництві: О.І. Арсентієва, В.Ф. Бизова, Л.І. Барона, Е.Л. Галустьяна, А.М. Гальперіна, А.М. Дьоміна, О.С. Зеленського, В.І. Зобніна, О.І. Ільїна, П.І. Копача, В.О. Мироненка, Є.О. Несмашного, Ю.М. Ніколашина, Р.П. Окатова, В.О. Падукова, Г.Г. Поклада, С.З. Поліщука, І.І. Попова, В.В. Соколовського, П.Й. Федоренка, Г.Л. Фісенка, М.С. Четверика, А.Г. Шапара, П.С. Шпакова, а також існуючого стану зовнішнього відвалоутворення на сучасних кар’єрах Кривбасу обґрунтовано актуальність та сутність наукових завдань, сформульовано мету досліджень. 

В другому розділі дисертації наведено аналітичні дослідження і сформовано групи ризикоутворюючих факторів, які впливають на стійкість зовнішніх багатоярусних відвалів. Ризики деформування зовнішніх відвалів пропонується розглядати як систему факторів, що проявляються комплексно й індивідуально для кожного родовища. 

Ризик, породжений невизначеністю інформації унаслідок відсутності регулярних гідрогеологічних спостережень території відвалоутворення, трансформується в ризик непередбачених коливань рівня підземних вод, виникнення високого порового тиску й далі в ризик виходу напірних підземних вод з подальшим осіданням призми активного тиску. Можна спрогнозувати й кількісно оцінити вплив додаткових умов і зміну параметрів, які визначають величину коефіцієнта запасу стійкості (Kст) та його зміну. До них відносяться: наявність, потужність і розташування водоносних горизонтів, зміни величини порового й гідростатичного тиску, неоднорідність фізико-механічних властивостей розкривних порід і ґрунтів основи. Усі ці параметри розглядаються як випадкові величини, що не дозволяє з точністю до одиниці передбачити вплив того або іншого фактора у майбутньому. Названі параметри складають необхідний комплекс вихідних даних для розрахунків стійкості зовнішніх відвалів і прогнозування стійкого стану в процесі відвалоутворення. 

Аналіз умов зовнішнього відвалоутворення, схем деформування та методів розрахунків відвалів показав доцільність використання інженерно-геологічної схеми на слабкій основі великої потужності, яка враховує утворення валу випирання порід основі перед відвалом. 

Точність та надійність методу розрахунку стійкості залежить від правильності встановлення положення й форми потенційної поверхні сковзання. 

На відміну від існуючих методів визначення поверхонь сковзання, у роботі запропоновано потенційну поверхню сковзання в бортах зовнішніх відвалів представити комбінацією частин кривих другого порядку, а на певних ділянках – кусково-лінійними функціями. При значній потужності слабкого шару (m ≥ 0, 15Н) в основі відвалу, потенційна поверхня сковзання скривляється і захоплює значний об’єм порід основи. Загальний вигляд лінії сковзання з позначеннями її складових частин показано на рис. 1. 

Починаючи з глибини Н90 потенційна поверхня сковзання формується з частин кривих другого порядку, які описуються в загальному вигляді рівнянням

 , (1)

 

де а11, а12, а22, а12, а23, а33 – коефіцієнти рівняння другого порядку, що мають бути будь-якими дійсними числами й не дорівнювати нулю водночас. Запропонована методика моделювання поверхонь сковзання дозволяє формувати лінію сковзання з різних типів кривих або їх частин (еліпсу, кола, параболи), рівняння