УДК 622.013:004

Мельников И.Т., Заляднов В.Ю., Шевцов Н.С., Павлова Е.В., Плотников Д.П.

КОНСТРУИРОВАНИЕ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ С ПОМОЩЬЮ ЭВМ

Истощение континентальных месторождений с высоким содержанием полезных компонентов приводит к увеличению глубины открытых горных работ, ухудшению горно-геологических условий и к необходимости формирования огромных внешних отвалов и хвостохранилищ. Так в железорудной промышленности России, Казахстана и Украины на 1 т концентрата коэффициент вскрыши изменяется от 2,05 до 9,9 т/т, а коэффициент выхода хвостов от 0,68 до 4,71 т/т [1].

При проектировании карьеров, отвалов, хвостохранилищ всегда актуальной остается задача определения оптимальных параметров откосов этих горнотехнических сооружений. С одной стороны параметры откосов должны обеспечить экономичность производства, с другой, безопасность горных работ. При оценке устойчивости откосов горнотехнических сооружений используют методику определения минимального коэффициента запаса устойчивости, равного отношению удерживающих сил к сдвигающим, которые возникают в приоткосном массиве. В основу математического алгоритма было принято допущение, что обрушение происходит по круглоцилиндрической поверхности, предложенное В. Феллениус [2] и усовершенствованное Фисенко Г.Л.[3]. Однако исследования, выполненные в работе[4] по сравнительному анализу различных поверхностей обрушения показали, что при одинаковых параметрах откосов и физико-механических свойствах пород значения коэффициентов запаса устойчивости отличаются не более чем на 3-5%. Коэффициент вариации при определении физико-механических свойств горных пород в приоткосных массивах превышает 20-30 %. Поэтому, по нашему мнению, программа для ЭВМ на основе допущения круглоциоиндрической поверхности обрушения, является надёжным инструментом конструирования и проектирования карьеров, отвалов, хвостохранилищ, дамб, насыпей и т.д. Но при этом особое внимание необходимо уделять определению физико-механических свойств в массиве горнотехнических сооружений, так как это позволяет вскрывать значительные резервы, повышать эффективность горного производства при обеспечении безопасных условий работы.

По нормативному значению коэффициента запаса устойчивости, а также исходя из физико-механических свойств пород слагающих массив возможно нахождение оптимальных высоты или угла откоса горнотехнических сооружений. Традиционный способ решения обозначенной задачи предполагает трудоемкий графоаналитический расчет, требующий большого количества времени (1 - 2 дня) даже для получения ориентировочных данных. Сотрудниками кафедры ОРМПИ ФГБОУ МГТУ им. Г.И. Носова создана программа для ЭВМ, в которой нахождение минимального коэффициента запаса устойчивости производится путём подбора наименее устойчивой поверхности скольжения изучаемого массива в результате многократных расчетов в течение нескольких секунд. Для ускоренного поиска наиболее вероятной поверхности обрушения в программе ЭВМ «Автоматизированный расчёт параметров устойчивости откосов горнотехнических сооружений» реализуется «метод падающего шарика»[5]. Данная программа апробирована в проектных и исследовательских работах, в том числе при выполнении научно-исследовательской работы по оценке общей устойчивости бортов Сибайского карьера при отработке законтурных запасов руды.

Программа позволяет произвести расчёт откоса изучаемого массива по введённым данным, получить отчёт о проделанном расчёте, нарисовать эскиз откоса с вертикальной трещиной отрыва и наиболее вероятной линией скольжения. Так же найти:

Ø коэффициент запаса устойчивости по заданным значениям высоты и угла откоса;

Ø угол откоса по заданным значениям коэффициента устойчивости и высоты откоса;

Ø высоту откоса по заданным значениям коэффициента устойчивости и угла откоса;

Ø высоту вертикальной трещины отрыва.

Диалоговое окно программы представлено на рисунке 1.

Рис. 1. - Диалоговое окно программы ЭВМ

Созданная программа предназначена для расчёта устойчивости откоса отвала или дамбы, формируемых на слабом или прочном основании, а также для расчета откоса борта карьера. При расчете отвала или дамбы программа учитывает, что массив откоса и основание могут быть сложены породами с разными физико-механическими свойствами. Таким образом, в окна программы «параметры основания», «параметры откоса» вносятся свойства пород характеризующих соответственно основание и массив откоса.

Для расчета откоса борта карьера в программе значения свойств окна «параметры основания» принимаются идентичными значениям окна «параметры откоса», так программа производит расчет, учитывая, что откос и основание составляет один тип пород. При расчете откоса массива борта карьера сложенного различными типами пород их свойства предварительно должны быть усреднены.

При выполнении научно-исследовательской работы по оценке общей устойчивости бортов Сибайского карьера произведены графические и аналитические расчеты коэффициентов запаса устойчивости традиционным способом и в программе ЭВМ. Расчеты производились по ряду разрезов соответствующих наименее устойчивым участкам карьера (участки с подземной отработкой запасов).

В таблице 1 представлены значения коэффициентов запаса устойчивости, полученные без использования программы ЭВМ и с ее использованием.

Таблица 1 – Значения коэффициентов запаса устойчивости,

Борт карьера	Значение КЗУ
	Графо- аналитическим методом	С использованием программы ЭВМ
Разрез Северного борта	1,53	1,51
Разрез Южного борта	1,58	1,56
Разрез Юго-Западного борта	1,38	1,36

Сопоставление результатов традиционного расчета и автоматизированного показывает сходимость результатов 98-99% при значительной экономии времени. В целом расчет общей устойчивости бортов Сибайского карьера показал, что борта карьера характеризуется достаточным запасом устойчивости более 1,3 т.е. находятся в устойчивом состоянии.

При проектировании отвалов и хвостохранилищ разработанная программа позволяет реализовывать методику построения зависимости высоты отвала H от результирующего угла откоса α (рис. 2, б) при безусловном обеспечении нормативного коэффициента запаса устойчивости (К_у).

Рисунок 2 – График зависимости устойчивых параметров горнотехнического сооружения при различных его конструкциях

Как видно из рис.2,а, существует бесконечное сочетание устойчивых параметров H и α, при котором будет обеспечена устойчивость сооружения. На основании разработанной программы разработана методика по определению оптимальных параметров откосов, при которых обеспечивается максимальная вместимость с учётом формы и площади земельного отвода [6]. По сравнению со стандартными методиками на тех же отведенных под отвалы площадях возможно увеличение вместимости отвалов до 30-35 %.

Выводы:

1. Использование разработанной программы для автоматизированного расчета устойчивости откосов горнотехнических сооружений позволяет снизить затраты времени на проведение инженерных расчетов с 1-2 дней до нескольких минут на одну задачу.

2. С использованием программы возможно решение прямой задачи - определение минимального коэффициента запаса устойчивости по заданным параметрам откоса и обратной задачи – нахождение высоты или угла откоса по заданному коэффициенту устойчивости, с учетом прочностных характеристик пород приоткосного массива.

3. Разработанная программа позволяет определять параметры не только уступов и бортов карьеров, но и отвалов, дамб хвостохранилищ, железнодорожных и других насыпей с учетом характеристик пород основания, на котором формируется горнотехническое сооружение, обеспечивая при этом максимальную вместимость подотвальных площадей с учётом их формы и площади .

4. Программа для автоматизированного расчета устойчивости откосов горнотехнических сооружений рекомендуется к использованию проектными организациями, исследовательскими группами, проектно-техническими отделами строительных и горных предприятий, а также к применению в учебном процессе при изучении дисциплин горных и строительных специальностей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Мельников И.Т., Гавришев С.Е., Пыталев И.А., Шевцов Н.С., Васильев К.П. Новый подход для оценки эффективности работы горно-обогати- тельных комбинатов. М., Горная промышленность, № 5 (105), 2012, с. 60-66.

2. Феллениус В. Статика грунтов. – М.: Госстройиздат, 1933. – 47 с.

3. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов.— М.: Недра, I965. — 378.

4. Мельников И.Т. Аналитико-машинный метод оценки устойчивости бортов карьеров. – Изв. вузов. Горный журнал. 1977, №5, с. 41-44.

5. Мельников И.Т., Суров А.И., Заляднов В.Ю. и др. Автоматизированный расчёт параметров устойчивости откосов горнотехнических сооружений. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613970 от 23.05.2011 г.

6. Мельников И.Т., Шевцов Н.С., Кутлубаев И.М., Суров А.И. и др. Разработка методики определения рациональных параметров намывных хвостохранилищ и отвалов вскрыши. Вестник МГТУ, 2011, № 1, с.9 – 13.

УДК 622.013:004

РЕФЕРАТ

К статье «КОНСТРУИРОВАНИЕ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ С ПОМОЩЬЮ ЭВМ»// Мельников И.Т., Заляднов В.Ю., Шевцов Н.С., Павлова Е.В., Плотников Д.П.

Приводятся результаты применения программы для ЭВМ при конструировании откосов горнотехнических сооружений-карьеров, отвалов и хвостохранилищ. Предлагаемый программный продукт позволяет значительно снизить время на проектирование сооружений различного назначения и решать широкий круг инженерных задач.

Ил.2. Табл.1. Библиогр. 6 названий

Ключевые слова.

Параметры откосов горнотехнических сооружений, коэффициент запаса устойчивости, автоматизированный расчёт устойчивости, программа для ЭВМ

Сведения об авторах

Мельников Иван Тимофеевич - канд. техн. наук, доцент кафедры открытой разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, проспек т Ленина 38, Тел: (3519)298556; E-mail: werty71@mail.ru;

Заляднов Вадим Юрьевич-- канд. техн. наук, доцент кафедры открытой разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, проспек т Ленина 38, Тел: (3519)298556; E-mail: zalyadnov@mail.ru;

Шевцов Николай Сергеевич – аспирант кафедры открытой разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, проспект Ленина 38, Тел: 8(3519)298466. E-mail: shevcov.nikolay@gmail.com;

Павлова Елена Витальевна- аспирант кафедры открытой разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, проспект Ленина 38, 8(3519)298556; E-mail: pavlova-mgn@rambler.ru;

Плотников Дмитрий Петрович- аспирант кафедры открытой разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, проспект Ленина 38, 8(3519)298556;

UDC 622.013:004

SUMMARY

On the paper "DESIGNING MINING CONSTRUCTIONS MINING COMPANIES WITH COMPUTER"// Melnikov I.T., Zalyadnov V.Y., Shevtcov N.S., Pavlova E.V., Plotnikov D.P.

The results of the computer program in the design of slopes mining constructions, dumps and constructions tailings. The proposed software can significantly reduce the time to designing structures for various purposes, and solve a wide range of engineering problems.

Illustrations 2, table 1, bibliographical list of 6 items.

Keywords.

Parameters slopes mining constructions, the safety factor, the automated calculation of stability, the computer program

The information about the authors

Melnikov Ivan Timofeyevich - Cand. Tech. Sci., the senior lecturer of the department of open mining of deposits of minerals of the FSEI HPE «Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov», 455000, Magnitogorsk, Lenin's 38 prospectus, Phone: (3519)298556. E-mail: werty71l@mail.ru;

Zalyadnov Vadim Yurevich - Cand. Tech. Sci., the senior lecturer of the department of open mining of deposits of minerals of the FSEI HPE «Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov», 455000, Magnitogorsk, Lenin's 38 prospectus, Phone: (3519)298556. E-mail: zalyadnov@mail.ru.

Pavlova Elena Vitalevna- post-graduate of the department of open mining of deposits of minerals of the FSEI HPE «Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov», 455000, Magnitogorsk, Lenin's 38 prospectus, Tel: (3519) 298466. E-mail: pavlova-mgn@rambler.ru.

Shevtcov Nikolay Sergeevich - post-graduate of the department of open mining of deposits of minerals of the FSEI HPE «Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov», 455000, Magnitogorsk, Lenin's 38 prospectus, Tel: (3519) 298466. E-mail: shevcov.nikolay@gmail.com;

Plotnikov Dmitry Petrovich - post-graduate of the department of open mining of deposits of minerals of the FSEI HPE «Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov», 455000, Magnitogorsk, Lenin's 38 prospectus, Tel: (3519) 298466.

Bibliografy

1. Melnikov IT, Gavrishev SE, Pitalev IA, Shevtcov NS, Vasilyev K.P. A new approach for evaluating the performance of mining works. M. Mining industry, №5 (105), 2012, р. 60-66.

2. Fellenius V. Statistics soil. – M. Gosstroiizdat, 1933. – 47 p.

3. Fisenko G.L. Stability of pit walls and waste dumps. - Nedra, I965. – 378р.

4. Melnikov IT Analytical-machine method sustainability assessment pit. - Proceedings of Higher Education. Mining Journal. 1977, № 5, p. 41-44.

5. Melnikov IT, Surov AI, Zalyadnov VY and other automated calculation of slope stability parameters of mining facilities. Certificate of state registration of computer programs № 2011613970 from 23.05.2011.

6. Melnikov I.T., Shevtsov N.S., Kutlubaev I.M., Surov A.I. and etc. Development of methods for determining the rational parameters of reclaimed tailings and overburden dumps. Bulletin MSTU named after G.I. Nosov. 2011. № 1. P.9 – 13.