Удосконалення технології закріплення укосів кар’єрів з видобутку пухких гірських порід
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Дзьоба М. В. Удосконалення технології закріплення укосів кар’єрів з видобутку пухких гірських порід. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 184 «Гірництво» (18 – Виробництво та технології). - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
В дисертаційній роботі представлено нове рішення актуальної науковотехнічної задачі з удосконалення технології закріплення укосів кар’єрів з видобутку пухких гірських порід на основі комплексної оцінки напруженодеформованого стану гірського масиву на усіх етапах проєктування захисних конструкцій шляхом постійного моніторингу значення коефіцієнта стійкості. Сучасний стан відкритих гірничих робіт у сфері видобутку будівельних корисних копалин відзначається ускладненням гірничо-геологічних і технологічних умов розробки. Додатковим чинником, що впливає на безпеку роботи підприємств, є також зосередження гірничих процесів у межах обмеженого простору через звуження фронту робіт. Такі обставини безпосередньо позначаються на стійкості укосів уступів і бортів кар’єрів, від яких залежить ефективність і повнота розробки родовища, а також технікоекономічні показники роботи підприємства. У зв’язку з цим важливим завданням відкритого способу видобутку є визначення оптимальних параметрів укосів, що гарантують їх довготривалу стійкість за мінімальних обсягів гірничих робіт. Надмірне збільшення кутів укосів уступів і бортів спричиняє розвиток зсувних процесів у кар’єрах, занадто малі кути укосів зумовлюють істотне зростання обсягів розкривних робіт, втрати корисної копалини в бортах кар’єру та нерідко стають причиною збитковості підприємства. Для забезпечення економічної ефективності робіт з видобутку корисних копалин і дотримання безпечних умов праці застосовують штучне укріплення уступів і бортів шляхом спорудження спеціальних захисних конструкцій. Крім запобіганню зсувам і забезпечення нормативної стійкості укосів, важливе значення має правильний вибір методів розрахунку стійкості гірського масиву з урахуванням конкретних гірничо-геологічних, технологічних умов і фізикомеханічних характеристик порід прибортової зони. Тому дослідження, які проведені в дисертаційній роботі, і отримані наукові та практичні результати є безумовно актуальними. У першому розділі дисертації проведено аналіз можливих деформацій укосів, виконано короткий огляд типів та конструкцій утримуючих споруд та встановлено, що стійкість укосів кар’єру визначається передусім напруженим станом прибортового масиву, який формується під дією статичних і динамічних навантажень, а також фізико-механічними характеристиками гірських порід, зокрема їх міцністю вздовж потенційної поверхні ковзання. У зв’язку з цим основними завданнями дослідження механізмів деформування гірського масиву є визначення геометрії та просторового положення поверхні ковзання, а також встановлення значення коефіцієнта стійкості укосу. Крім того, для обґрунтування безпечних параметрів стійкості укосів на кар’єрах важливе значення має вибір методу розрахунку, який повинен відповідати конкретним гірничо-геологічним і технологічним умовам. При локальній кількісній оцінці та прогнозуванні стійкості схилів зазвичай розв’язують плоску задачу. Найбільш поширеними для таких розрахунків є методи граничної рівноваги. Просторову постановку задачі застосовують у випадках, коли необхідно оцінити умови рівноваги всього об’єму зсувного масиву. Застосування тривимірного аналізу суттєво розширює можливості дослідження стійкості укосів і є особливо актуальним у випадках необхідності перевірки результатів, отриманих методами граничної рівноваги, при аналізі нетипових схем деформування масиву, прогнозуванні подальшого розвитку напружено-деформованого стану порід, врахуванні нелінійної поведінки гірських порід при різних схемах навантаження, а також при оцінюванні впливу динамічних факторів. У другому розділі обґрунтована доцільність і ефективність геопросторового моделювання родовищ корисних копалин для їх геологічної, технологічної і економічної оцінки, а також подальшої розробки. У програмному комплексі Surfer за геологічними даними розвідувальних свердловин створена цифрова геопросторова модель Сихівського родовища кварцових пісків, яка, на основі отриманих даних геoстатичнoгo аналізу покладу та розрахункових об’ємах розкриву і корисних копалин, дозволила обрати оптимальний напрям розвитку гірничих робіт. За результатами цифрового моделювання розраховані площі та об’єми гірських порід на загальній ділянці гірничого відводу родовища та на ділянці, визначеній Спеціальним дозволом на користування надрами. Після аналізу даних цифрової моделі родовища та визначення основного технологічного показника (мінімальної потужності розкривного горизонту), встановлено найбільш доцільним напрям просування фронту гірничих робіт. У третьому розділі наведені аналітичні дослідження та моделювання стійкості укосів уступів на кар’єрі Сихівського родовища. Запропонована методика встановлення стійкості укосу гірського масиву методом графічних побудов, яка базується на використанні критерію міцності масиву Кулона-Мора, з визначенням коефіцієнту стійкості уступу. Відповідно до неї, для технологічнонебезпечних умов розробки кварцових пісків, отримана кругло-циліндрична поверхня ковзання та розраховані усі необхідні параметри для подальшого обчислення коефіцієнту стійкості укосу. Для підтвердження результатів, отриманих методом графічних побудов, в Slide виконано розрахунки стійкості укосу аналітичними методами аналізу – Bishop, Janbu та Spencer. Порівняння результатів розрахунку за методом графічних побудов з результатами у Slide показує, що вони мають значну розбіжність отриманих даних. За результатами досліджень доведено безпосередній вплив кількості блоків розбивки (а відповідно, і їх ширини) зсувного клину на чисельні значення коефіцієнту стійкості, розрахованого методом графічних побудов. Отримана графічна залежність між шириною блоків розбивки зсувного клину та коефіцієнтом стійкості укосу уступу має лінійний характер – зі зменшенням ширини блоків зсувного клину зменшується чисельне значення коефіцієнту стійкості укосу гірського масиву. Досліджено вплив кута укосу уступу на коефіцієнт його стійкості для умов Сихівського родовища при використанні різних методів аналізу, в тому числі і нормативного. Встановлено, що характер зміни графічних залежностей коефіцієнту стійкості від кута укосу є однаковим як для методів аналізу у Slide, так і для методу графічних побудов. За результатами моделювання в PLAXIS 3D напружено-деформованого стану уступу кварцових пісків отримані значення коефіцієнтів стійкості укосів і максимально можливих переміщень гірського масиву. Порівнюючи результати усіх досліджень зі встановлення закономірностей зміни коефіцієнту стійкості робочого уступу від кута укосу встановлено, що значення, отримані в результаті чисельного моделювання напружено-деформованого стану гірського масиву в PLAXIS 3D, в цілому є еквівалентними показникам, що були визначені традиційними методами граничної рівноваги, а найбільше співпадіння результатів спостерігається з методом графічних побудов. В четвертому розділі виконані дослідження щодо поведінки укосу з утримуючими спорудами та розробки огороджувальних конструкцій для забезпечення стійкості гірського масиву. Запропоновано удосконалену методику розрахунку утримуючої конструкції з буронабивних паль для забезпечення стійкості уступів і бортів кар’єра, в основі якої закладена оцінка стану укосу, визначення зсувного зусилля можливої призми обрушення та розрахунок палі на спільну дію горизонтальної сили і моменту. Виконані дослідження впливу розташування буронабивної палі відносно нижньої бровки уступу на значення коефіцієнтів стійкості укосу у Slide і PLAXIS 3D та отримані графічні залежності розподілу коефіцієнту стійкості залежно від місця розміщення паль, які мають параболічний характер. Характер графічних залежностей зміни коефіцієнтів стійкості укосу від відстані розміщення палі відносно нижньої бровки уступу у PLAXIS 3D є ідентичним графікам, отриманим в Slide методами граничної рівноваги Bishop, Janbu та Spencer. Однак чисельні значення коефіцієнтів стійкості в цілому дещо вищі. Результати моделювання стійкості укосу гірського масиву із застосуванням комбінованої огороджувальної конструкції показують, що додаткове застосування, в якості захисного елемента конструкції, буроін’єкційних ґрунтових анкерів значно підвищує коефіцієнт стійкості укосу. В п’ятому розділі наведена технологія впровадження результатів досліджень у виробництво при розробці пухких порід та обґрунтована їх ефективність. Зокрема, запропоновано удосконалену технологію укріплення зсувонебезпечного борта кар’єра буронабивними палями і, при необхідності, ґрунтовими анкерами за рахунок застосування сучасних технічних засобів та спеціальних матеріально-технічних ресурсів. Для ділянки борта кар’єра, рекомендованої для укріплення, визначено припустимий нормативний вертикальний тиск на дорожнє покриття від автотранспорту та виконано моделювання у Slide та PLAXIS 3D поведінки борта кар’єра Сихівського родовища, що підлягає зміцненню, при дії на нього додаткового навантаження. Для забезпечення нормативної стійкості борта кар’єра запропоновано декілька варіантів огороджувальних конструкцій. За результатами моделювання напружено-деформованого стану борта кар’єру під дією додаткового навантаження, укріпленого різними типами огороджувальних конструкцій, і подальшого техніко-економічного їх порівняння обрано варіант укріплення борту трьома рядами буронабивних паль, який повністю окупає витрати на встановлення захисної конструкції.
Опис
Ключові слова
гірничі роботи, кар’єр, родовище, гірничо-геологічні фактори, напружено-деформований стан, моніторинг, технології, гірські породи, схил, коефіцієнт стійкості, цифрова модель, моделювання, стійкість укосу, захисні конструкції, укріплення масиву, mining operations, open-pit, deposit, geological and mining factors, stress–strain state, monitoring, technologies, rock mass, slope, factor of safety, digital model, modeling, slope stability, protective structures, rock mass stabilization
Бібліографічний опис
Дзьоба, М. В. Удосконалення технології закріплення укосів кар’єрів з видобутку пухких гірських порід : дис. … д-ра філософії : 184 Гірництво / Дзьоба Максим Вадимович. – Київ, 2026. – 221 с.