Удосконалення технології закріплення укосів кар’єрів з видобутку пухких гірських порід
| dc.contributor.advisor | Фролов, Олександр Олександрович | |
| dc.contributor.author | Дзьоба, Максим Вадимович | |
| dc.date.accessioned | 2026-07-16T11:28:25Z | |
| dc.date.available | 2026-07-16T11:28:25Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Dzoba M. V. Improvement of slope stabilization methods in open-pit mining of unconsolidated deposits. – Qualifying scientific work submitted as a manuscript. Dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 184 «Mining» (Field 18 – Production and Technologies). – National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, 2026. The dissertation presents a novel solution to a relevant scientific and engineering problem: improving slope stabilization methods in open-pit mining of unconsolidated deposits by basing design on a comprehensive assessment of the rock mass's stress–strain state at all stages of protective structure design, through continuous monitoring of the factor of safety. The current state of open-pit mining in the field of construction mineral extraction is characterized by increasing complexity of geological and technological conditions of mining operations. An additional factor affecting operational safety is the concentration of mining processes within a confined space as the mining front narrows. Such conditions directly influence the stability of bench slopes and overall pit slopes, which determine the efficiency and completeness of deposit extraction, as well as the technical and economic performance of the enterprise. In this context, an important task in open-pit mining is determining optimal slope parameters that ensure long-term stability while minimizing the volume of mining operations. Excessive steepening of bench and pit slope angles leads to the development of slope instability processes. In contrast, overly gentle slope angles result in a significant increase in overburden volumes, loss of mineral resources within the pit walls, and often make mining operations unprofitable. To ensure the economic efficiency of mineral extraction operations and maintain safe working conditions, artificial stabilization of benches and pit slopes is implemented through the construction of specialized protective structures. In addition to preventing slope failures and ensuring the required level of stability, particular importance is attached to the appropriate selection of methods for stability analysis of the rock mass, taking into account specific geological and mining conditions, as well as the physical and mechanical properties of rocks within the near-slope zone. Therefore, the research conducted in this dissertation, along with the scientific and practical results obtained, is undoubtedly highly relevant. In the first chapter of the dissertation, an analysis of possible slope deformation mechanisms is carried out, a brief review of types and designs of retaining structures is presented, and it is established that the stability of pit slopes is primarily governed by the stress state of the near-slope rock mass formed under the influence of static and dynamic loads, as well as by the physical and mechanical properties of the rocks, particularly their shear strength along the potential slip surface. In this regard, the main objectives in studying the deformation mechanisms of the rock mass are to determine the geometry and spatial position of the slip surface and to evaluate the factor of safety of the slope. In addition, selecting an appropriate calculation method is crucial for substantiating safe slope stability parameters in open-pit mining and must correspond to specific geological and technological conditions. For local quantitative assessment and prediction of slope stability, a two-dimensional problem is typically considered, with limit equilibrium methods being the most widely used. A three-dimensional formulation is used when evaluating the equilibrium conditions of the entire potential sliding mass. The application of three-dimensional analysis significantly enhances slope stability assessment capabilities. It is particularly relevant when verifying results obtained by limit equilibrium methods, analyzing non-standard deformation patterns of the rock mass, predicting the further development of the stress–strain state, accounting for the nonlinear behavior of rocks under different loading conditions, and evaluating the influence of dynamic factors. In the second chapter, the feasibility and effectiveness of geospatial modeling of mineral deposits for their geological, technological, and economic assessment, as well as for subsequent development, are substantiated. Using geological data from exploration boreholes, a digital geospatial model of the Sykhiv quartz sand deposit was developed in the Surfer software environment. Based on the results of geostatistical analysis of the deposit and the calculated volumes of overburden and mineral resources, the model enabled the determination of the optimal direction for advancing mining operations. Based on digital modeling results, the areas and volumes of rock masses were calculated for the entire mining allotment of the deposit and for the area defined by the Special Permit for subsoil use. Following the analysis of the digital deposit model and the determination of the key technological parameter (the minimum thickness of the overburden horizon), the most rational direction for advancing the mining front was established. In the third chapter, analytical studies and modeling of bench slope stability at the Sykhiv deposit open pit are presented. A method for determining slope stability using graphical constructions is proposed, based on the Mohr–Coulomb failure criterion, with the evaluation of the bench factor of safety. According to this approach, for technologically hazardous mining conditions in quartz sands, a circular-cylindrical slip surface was obtained, and all necessary parameters for subsequent calculation of the slope factor of safety were determined. To verify the results obtained by the graphical method, slope stability analyses were performed in Slide using analytical methods, including the Bishop, Janbu, and Spencer methods. A comparison of the results obtained by the graphical method with those from Slide indicates a significant discrepancy between the calculated values. The study results demonstrate a direct influence of the number of slices (and, consequently, their width) of the sliding mass on the numerical values of the factor of safety calculated using the graphical method. The graphical relationship between the slice width of the sliding mass and the factor of safety of the bench slope is linear: as the slice width decreases, the factor of safety of the rock mass decreases. The influence of the bench slope angle on its factor of safety was investigated for the Sykhiv deposit using various analytical methods, including standard (codebased) approaches. It was established that the nature of the variation in the graphical relationships between the factor of safety and the slope angle is consistent for both the analysis methods implemented in Slide and the graphical construction method. Based on the results of numerical modeling of the stress–strain state of the quartz sand bench in PLAXIS 3D, the values of slope factors of safety and the maximum possible displacements of the rock mass were obtained. A comparison of all research results concerning the established relationships between the factor of safety of the working bench and the slope angle shows that the values obtained from numerical modeling of the stress–strain state of the rock mass in PLAXIS 3D are generally consistent with those determined by conventional limit equilibrium methods, with the closest agreement observed for the graphical construction method. In the fourth chapter, studies were carried out on the behavior of slopes reinforced with retaining structures and on the development of protective systems to ensure the stability of the rock mass. An improved method for the design of retaining structures composed of bored piles is proposed to ensure the stability of benches and pit slopes, based on the assessment of slope conditions, determination of the sliding force of the potential failure prism, and the calculation of the pile under the combined action of horizontal force and bending moment. The influence of the position of bored piles relative to the toe of the bench on the slope factor of safety was investigated in Slide and PLAXIS 3D, and graphical relationships describing the distribution of the factor of safety with respect to pile location were obtained, showing a parabolic trend. The nature of the graphical relationships between the factor of safety and the distance from the pile placement to the bench toe in PLAXIS 3D is consistent with the curves obtained in Slide using limit-equilibrium methods (Bishop, Janbu, and Spencer). However, the numerical values of the factor of safety are generally higher. The results of slope stability modeling of the rock mass using a combined protective system indicate that the additional use of grouted ground anchors as a structural protective element significantly increases the slope factor of safety. In the fifth chapter, the technology for implementing the research results in practice during the development of unconsolidated deposits is presented, and their effectiveness is substantiated. In particular, an improved technology for stabilizing landslide-prone pit slopes using bored piles and, where necessary, ground anchors is proposed, based on modern technical equipment and specialized materials. For the section of the pit slope recommended for stabilization, the permissible vertical load on the road surface from haul trucks was determined, and the behavior of the Sykhiv deposit pit slope under additional loading was modeled in Slide and PLAXIS 3D. To ensure the required stability of the pit slope, several design options for protective structures were proposed and, based on modeling results, reinforced with different types of protective structures. Based on their subsequent technical and economic comparison, the option of reinforcing the slope with three rows of bored piles was selected, fully offsetting the costs associated with installing the protective system. | |
| dc.format.extent | 221 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/82255 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | гірничі роботи | |
| dc.subject | кар’єр | |
| dc.subject | родовище | |
| dc.subject | гірничо-геологічні фактори | |
| dc.subject | напружено-деформований стан | |
| dc.subject | моніторинг | |
| dc.subject | технології | |
| dc.subject | гірські породи | |
| dc.subject | схил | |
| dc.subject | коефіцієнт стійкості | |
| dc.subject | цифрова модель | |
| dc.subject | моделювання | |
| dc.subject | стійкість укосу | |
| dc.subject | захисні конструкції | |
| dc.subject | укріплення масиву | |
| dc.subject | mining operations | |
| dc.subject | open-pit | |
| dc.subject | deposit | |
| dc.subject | geological and mining factors | |
| dc.subject | stress–strain state | |
| dc.subject | monitoring | |
| dc.subject | technologies | |
| dc.subject | rock mass | |
| dc.subject | slope | |
| dc.subject | factor of safety | |
| dc.subject | digital model | |
| dc.subject | modeling | |
| dc.subject | slope stability | |
| dc.subject | protective structures | |
| dc.subject | rock mass stabilization | |
| dc.subject.udc | 622.271 | |
| dc.title | Удосконалення технології закріплення укосів кар’єрів з видобутку пухких гірських порід | |
| dc.title.alternative | Improvement of slope stabilization methods in open-pit mining of unconsolidated deposits | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: