|
В настоящее время в Кузбассе из всех отраслей промышленности наибольшую техногенную нагрузку на окружающую среду создает угледобывающая отрасль. Поскольку на ближайшие 5-10 лет планируется увеличение доли открытых горных работ до 70% от всего объема добычи угля, то воздействие угледобывающей отрасли на окружающую среду и область хозяйственной деятельности человека в значительной степени будет определяться последствиями открытых горных разработок. Существенным негативным фактором ведения открытых горных работ является создание значительных объемов дисперсных несвязных природных перемещенных насыпных образований (отвалов коренных пород вскрыши) или, в общем случае, техногенных породных массивов.
Один из наиболее существенных факторов, определяющих физические свойства техногенных породных массивов - это геометрическая структура порового пространства и минеральной фазы, т.е. состояние системы твердых частиц определяется ее геометрией: крупностью частиц, их формой и способом упаковки. Причем параметры взаимного расположения частиц (межцентровые расстояния, ориентация, углы между отрезками, соединяющими центры частиц, координационное число и др.) оказывают решающее влияние на макроскопические характеристики среды (насыпную плотность, удельную поверхность, фильтрационные характеристики, несущую способность и пр.) В связи с этим возникает вопрос определения указанных параметров с целью оперативной оценки и управления состоянием насыпных техногенных массивов коренных пород вскрыши.
Инструментальные методы исследования структурных и физико-технических характеристик массивов, состоящих из кусков породы сравнительно больших размеров, в большинстве случаев неприменимы из-за своей дороговизны. В связи с этим возникает необходимость обратиться к математическим моделям зернистых сред. С помощью математических моделей можно прогнозировать и оперативно оценивать структурные и механические параметры, которые весьма проблематично или невозможно исследовать инструментально. К таким параметрам можно отнести, например, распределение плотности и удельной поверхности, фильтрационные характеристики, устойчивость насыпного породного массива. Следовательно, изучение внутренней геометрии (структуры и текстуры) насыпных породных массивов на математических моделях в значительной мере является решением проблемы определения их физических свойств.
Известные модели ряда отечественных и зарубежных авторов имеют ряд недостатков, к которым можно, например, отнести одинаковый размер частиц либо относительно высокую однородность моделируемой среды, упорядоченность упаковки.
Данное исследование направлено на изучение и анализ существующих моделей и алгоритмов моделирования зернистых сред, создание математической модели, описывающей формирование и структуру техногенных породных массивов с непрерывным гранулометрическим составом, образующихся при ведении открытых горных работ, и разработку рекомендаций по применению разработанных моделей в горном деле.
Цель работы - разработка математических моделей и методов расчета физических параметров насыпных отвальных массивов для оперативной оценки и управления их состоянием.
Идея работы заключается в учете технологии формирования техногенных породных массивов при построении их математических моделей и расчете физико-технических параметров.
Задачи исследования:
- обосновать горно-технические и технологические параметры для имитационно-математического моделирования насыпных массивов коренных пород вскрыши;
- разработать математическую модель, алгоритм и компьютерную программу имитационного моделирования структуры насыпных породных массивов и расчета их структурных и физических параметров;
- разработать рекомендации по использованию структурных моделей для инженерных расчетов физических параметров насыпных породных массивов.
Методы исследований: физическое, математико-имитационное моделирование, натурные исследования; обработка экспериментального материала и результатов моделирования методами математической статистики; методы объектно-ориентированного программирования в среде Visual Basic.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
• применение экскаваторных и бульдозерной периферийной технологий отвалообразования приводит к разделению пород по крупности частиц, причем нижняя треть отвалов формируется из крупных кусков породы (cfCp = 0,8 м), средняя - средних (сУср = 0,4 м), а верхняя - мелких (dcp = 0,05 м). При этом степень неоднородности гранулометрического состава для нижних слоев составляет Си = 2,2-2,4, а верхнего слоя -более 20.
• насыпные массивы коренных пород вскрыши адекватно моделируются квазидинамической укладкой частиц изометричной формы с непрерывно заданным гранулометрическим составом (размеры частиц от 0,1 до 2 м) и с учетом технологии формирования массива.
• значения физических параметров насыпных породных массивов находятся в степенной зависимости от весового содержания определяющих классов крупности пород: для плотности - фракции 0,25-1,0 м и более 1,7 м; для удельной поверхности - фракции 0,25-1,5 м и менее 0,1 м; для коэффициента фильтрации - фракции 0,7-1 м, 0,25-0,5 м и менее 0,1 м.
Научная новизна работы заключается:
- в установлении влияния экскаваторной и бульдозерной периферийной технологии отсыпки на разделение крупности частиц породы по высоте отвала;
- в разработке математической модели, алгоритма и программы имитационного моделирования насыпных породных массивов, образующихся при ведении открытых горных работ; в установлении зависимости плотности, удельной поверхности, коэффициента фильтрации от весового содержания отдельных классов крупности частиц породы в отвальных массивах.
Достоверность научных результатов подтверждается
- применением апробированных методов теории вероятностей и математической статистики;
- достаточным по статистическим критериям объемом выборок, определяющих структурные параметры массива разрушенных горных пород;
- сходимостью расчетных значений структурных и физико-технических параметров массива разрушенных горных пород с полученными экспериментальными данными и данными других исследователей.
Личный вклад автора заключается:
- в систематизации и научном обобщении методов исследования структурных, физико-технических и механических параметров техногенных породных массивов;
- в экспериментальных исследованиях и теоретических расчетах, направленных на изучение внутренней структуры техногенных породных массивов и изучение закономерностей ее изменения;
- в разработке математической модели, алгоритма и программы имитационного моделирования формирования и расчета структурных и физико-технических параметров техногенных породных массивов;
- в обработке экспериментальных данных и получении регрессионных зависимостей структурных и физико-технических параметров.
Практическая ценность работы. Результаты выполненных исследований позволяют использовать разработанную методику и программное обеспечение для изучения структурных, физико-технических и механических параметров техногенных породных массивов с учетом гранулометрического состава слагающих их пород и технологии их формирования для прогнозирования и оперативного управления их фильтрационными и прочностными свойствами.
Реализация работы. Разработанные методики и программное обеспечение используются при проектировании искусственных фильтрующих массивов на ОАО "Разрез Кедровский".
Апробация работы. Основные научные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. СИБРЕСУРС-99" (Кемерово, 1999 г/); Всероссийской научно-технической конференции "Экологические проблемы горнометаллургического комплекса" (Красноярск, 2000 г.); IV Международной научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности в угольных регионах" (Кемерово, 2000 г.); VI Международном научном симпозиуме "Проблемы экологии и освоения недр" (Томск, 2002 г.); Научной конференции "РИО-10: Экологическая безопасность как ключевой фактор устойчивого развития" (Москва, 2002 г.); V Международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Кемерово, 2002 г.); заседании технического совета ОАО "Разрез Кедровский" (пос. Кедровка, 2003 г.); научно-практических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава КузГТУ (1999-2003 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 34 рисунка и список литературы из 83 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю д.т.н., проф. Ю.В. Лесину; д.т.н., проф. В.А. Гоголину; д.т.н., проф. Ю.А. Рыжкову; с.н.с, к.т.н. Е.В. Игнатову за помощь в проведении исследований, ценные советы и замечания, а также работникам ОАО "Разрез Кедровский": генеральному директору, к.т.н. В.Н. Данильченко, гл. инженеру В.Р. Вегнеру, гл. геологу А.В. Подтяжкину, гл. технологу А.В. Козубенко за помощь во внедрении результатов исследований.
| 
