Геомеханическое обоснование устойчивости бортов карьера с учетом влияния крупных техногенных трещин и подземной отработки прибортовых запасов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат наук Бычин Андрей Константинович

• Бычин Андрей Константинович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Бычин Андрей Константинович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

1.1 ОБЗОР МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

1.2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

1.3 ИСПЫТАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРОД МЕСТОРОЖДЕНИЙ АО АПАТИТ

1.4 СВЯЗЬ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД В ОБРАЗЦЕ И МАССИВЕ

1.5 ВЫВОД ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ ОТКРЫТОЙ И ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

2.1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА УСТОЙЧИВОСТИ УСТУПОВ И БОРТОВ КАРЬЕРОВ

2.2 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

2.3 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КРИТЕРИЕВ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ

2.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ЗОН НАРУШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТА КАРЬЕРА В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ КРУПНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ТРЕЩИН

3.1 КЛАССИФИКАЦИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПО ТРЕЩИНОВАТОСТИ

3.2 ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕХОДА ОТ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД В ОБРАЗЦЕ К СВОЙСТВАМ В МАССИВЕ

3.3 ВЛИЯНИЕ УГЛА НАКЛОНА УСТУПА НА УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТА КАРЬЕРА

3.4 ВЛИЯНИЕ КРУПНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ТРЕЩИН НА УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТОВ КАРЬЕРА

3.5 ВЛИЯНИЕ КРУПНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ТРЕЩИН НА УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТОВ КАРЬЕРА ЦЕНТРАЛЬНЫЙ АО "АПАТИТ"

3.6 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 4 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ЗОН НАРУШЕНИЙ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРА ПРИ ОТКРЫТО-ПОДЗЕМНОЙ ОТРАБОТКЕ ПРИБОРТОВЫХ ЗАПАСОВ

4.1 ОСОБЕННОСТИ ОТРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ОТКРЫТО-ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ

4.2 МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИБОРТОВОГО МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ РУДЫ КАМЕРНЫМ СПОСОБОМ

4.3 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОТКРЫТО-ПОДЗЕМНОЙ ОТРАБОТКИ РУДНОЙ ПЛАСТОВОЙ ЗАЛЕЖИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТОВ КАРЬЕРА

4.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геомеханическое обоснование устойчивости бортов карьера с учетом влияния крупных техногенных трещин и подземной отработки прибортовых запасов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы: Управление состоянием массива горных пород и прогнозирование устойчивости откосов и бортов карьеров является одной из важнейших инженерных задач для обеспечения безопасности и эффективности работ при открытом и комбинированном способах разработки месторождений.

Несмотря на многочисленные исследования, проблема обеспечения устойчивости бортов карьеров, в силу своей сложности и разнообразия горно-геологических и гидрогеологических особенностей месторождений, остается актуальной. Практика показывает, что почти все открытые горные работы во всех странах мира сопровождаются оползневыми явлениями.

Стремление предприятий при доработке карьера извлечь законтурные запасы руды обусловлено тем, что позволяет сократить потери полезного ископаемого, увеличить срок деятельности карьера и получить дополнительную прибыль. Анализ литературных источников по применению комбинированной разработки показал, что около 18% предприятий разрабатывают прибортовые запасы, а 25% рудников осуществляют добычу локальных залежей, расположенных в бортах карьеров.

Исследованию причин, вызывающих обрушение уступов и бортов карьеров, и методов определения параметров устойчивости уделено большое внимание. Наибольший вклад в развитие научного направления геомеханика открытых горных работ внесли А.И. Арсентьев, Э.Л.. Галустьян, А.М. Гальперин, А.М. Демин, А.И. Ильин, Н.Н. Маслов, Н.В. Мельников, Е.А. Несмашный, Ю.М. Николашин, М.Е. Певзнер, С.3. Полищук, И.И. Попов, В.В. Ржевский, В.В. Соколовский, К. Терцаги, К.Н. Трубецкой, Г.Л. Фисенко, В.К. Цветков, П.М. Цимбаревич, Н.А. Цытович, Г.И. Черный, А.Г. Шапарь, П.С. Шпаков и другие ученые.

На практике большее распространение нашли методы, основанные на нахождении предельной поверхности ослабления лежащей в борту карьера.

Наиболее универсальным для оценки устойчивости бортов и откосов в реальных горно-геологических условиях является метод векторного сложения сил, учитывающий реакции между блоками, на которые по определенным признакам разбивается призма возможного обрушения. При этом в расчетных моделях принимаются определенные допущения.

Следует отметить, что в инструкции по устойчивости бортов карьеров сказано, что метод алгебраического сложения сил не учитывает реакции между блоками и исходит из того, что призма возможного обрушения деформируется как единое целое. Поэтому рассчитанный этим методом коэффициент запаса отличается от фактического. Величина этого несоответствия зависит от высоты карьера, угла падения борта и угла внутреннего трения пород. Максимальная разница между расчетным значением коэффициента запаса и фактическим может достигать 20%.

Одним из мало учитываемых факторов при проектировании карьеров, является формирование в прибортовом массиве крупных техногенных трещин, существенно влияющих на устойчивость уступов и бортов. Исследованию причин вызывающих обрушение уступов и бортов карьеров, и методов определения параметров устойчивости уделено большое внимание в отечественной и зарубежной литературе. В них отмечается, что оценку устойчивости уступов и бортов карьера в породах с мегатрещинами необходимо оценивать по методу, в котором учитывается расстояние трещины от бровки борта, угол ее наклона к поверхности борта, физико-механические свойства породного массива и геометрические параметры конструкции борта.

Анализ научно технической литературы показывает, что влияние крупной техногенной трещины на устойчивость уступов и бортов карьера исследовано не в полной мере. Поэтому необходимо установить степень ее влияния на предельные параметры устойчивости бортов карьера при различном ее расположении, что, в конечном счете, напрямую влияет на безопасность ведения горных работ.

Считаем, что крупная техногенная трещина это разрывное нарушение породного массива, образовавшееся в процессе ведения карьерной выемки. Ее длина сопоставима с наклонным размером уступа или нескольких уступов. Природа образования такой трещины зависит от структурных особенностей строения прибортового массива, физико-механических свойств пород, раскрытия природных трещин или тектонических нарушений.

Несмотря на значительные достижения в методах оценки устойчивости прибортового массива, в настоящее время не разработаны надежные методы их расчетов при наличии в породном массиве крупных техногенных трещин. Отсутствие методики оценки степени влияния крупных техногенных трещин, произвольно ориентированных относительно поверхности борта карьера, не всегда приводит к принятию оптимальных параметров устойчивых уступов и бортов.

Поэтому исследование, направленное на установление влияния крупных техногенных трещин на борт карьера, а так же влияния подземной отработки полезного ископаемого в прибортовом массиве, является актуальной задачей.

Цель работы - Обеспечение устойчивости бортов карьеров с учетом влияния крупных техногенных трещин и подземной отработки прибортовых запасов.

Идея работы - Устойчивость бортов карьеров обеспечивается учетом горно-геологических условий и физико-механических свойств горных пород, в том числе в зонах влияния крупных техногенных трещин и подземной отработки прибортовых запасов.

Основные задачи исследований:

- определить физико-механические свойства пород прибортового массива, для построения математической модели;

- выявить закономерности влияния крупных техногенных трещин на устойчивость бортов карьера;

- определить безопасное расстояние, от камер до борта карьера, для ведения горно-добычных работ комбинированным способом;

- определить безопасное расстояние от очистной выработки до кромки борта карьера, при которой возможна комбинированная отработка полезного ископаемого.

Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающего анализ отечественной и зарубежной литературы, проведение испытаний по определению физико-механических свойств пород прибортового массива, численное моделирование напряженно-деформируемого состояния прибортового массива.

Научная новизна:

1. Установлены закономерности влияния крупных техногенных трещин на устойчивость, как в отдельных уступах, на борт карьера, в зависимости от геометрии расположения и расстояния от трещины до борта карьера.

2. Выявлены закономерности влияния подземных горных работ на устойчивость борта карьера, при отработке полезного ископаемого комбинированным способом.

Основные защищаемые положения:

1. Расположенные в породном массиве крупные техногенные трещины параллельные линии наклона борта оказывают влияние на устойчивость борта карьера при их расположении до 40 м от борта.

2. Параметры системы камерной отработки мощных рудных залежей в прибортовом массиве зависят от удаленности отрабатываемого слоя от дна карьера, причем при минимальном расстоянии 50-100 метров от первой камеры до борта карьера на любом горизонте, максимальные горизонтальные смещения не превышают 5 см, что является безопасным значением смещений для обеспечения устойчивости борта карьера.

3. Параметры отработки пластовых рудных залежей в прибортовом массиве зависят от удаленности отрабатываемого пласта от дна карьера,

причем при расстоянии 240-520 метров от фронта очистных работ до борта карьера на любом горизонте, максимальные горизонтальные смещения не превышают 35 см, что является безопасным значением смещений для обеспечения устойчивости борта карьера.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики расчета параметров напряженно-деформированного состояния прибортового массива, находящегося в условиях влияния крупных техногенных трещин и подземной отработки полезных ископаемых в прибортовом массиве.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов использованием новейшего прессового оборудования лаборатории физико-механических свойств и разрушения горных пород Научного центра геомеханики и проблем горного производства Национального минерально-сырьевого университета «Горный» при выполнении испытаний образцов горных пород; моделированием напряженно-деформированного состояния прибортового массива в рамках сертифицированного программного комплекса для ЭВМ ЦОЕС 5.0.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на заседаниях кафедры безопасности производств, на заседаниях научно-технического совета по работе с аспирантами Национального минерально-сырьевого университета «Горный», а также трех конференций:

• Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в ХХ1 веке, С.-Петербург, 2014; Глубокие карьеры, Апатиты, 2015. Тема доклада "Геомеханический анализ устойчивости бортов карьера при отработке рудных залежей камерными системами"; заседаниях Научного центра геомеханики и проблем горного производства Горного университета;

• Глубокие карьеры, Апатиты, 2015. Тема доклада "Геомеханический анализ устойчивости бортов карьера при отработке рудных залежей камерными системами";

• II Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием. Тема доклада "Геомеханический анализ устойчивости бортов карьера при отработке рудных залежей камерными системами";

• Международная научно-практическая конференция, посвященная 110-летию горного факультета. Тема доклада "Влияние крупной техногенной трещины на устойчивость борта карьера".

Личный вклад автора заключается в анализе существующих методов оценки устойчивости бортов карьера; в проведении испытаний по определению физико-механических свойств пород карьера Центральный АО «Апатит»; в разработке дискретно-элементных моделей; выполнении численных экспериментов и анализе полученных результатов и формулировке выводов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи, в изданиях рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 101 наименования, 156 рисунков и 42 таблицы.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н. В.В. Зубкову, проф. В.П. Зубову, к.т.н. М.Д. Ильинову, сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства Национального минерально-сырьевого университета "Горный" и специалистам АО "Апатит" за помощь в проведении исследований, полезные советы и конструктивные замечания при обсуждении результатов исследований.

ГЛАВА 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ГОРНЫХ ПОРОД

1.1 ОБЗОР МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

Определение плотности и влажности горных пород.

Плотность и влажность горных пород определяют в соответствии с ГОСТ 5180-84 [1].

Плотность р в лабораторных условиях определяют методом непосредственных измерений. Для этого цилиндрические образцы, изготовленные из отобранного кернового материала, обмеряют и взвешивают, после чего вычисляли их плотность.

Влажность горной породы W определяют как отношение массы воды, удаленной из породы высушиванием до постоянной массы, к массе высушенной породы.

Для определения влажности отбирают пробу породы массой 15-50 г, помещают в заранее высушенный и пронумерованный стаканчик и плотно закрывают крышкой. Затем пробу в закрытом стаканчике взвешивают, после чего стаканчик открывают и вместе с крышкой помещают в нагретый сушильный шкаф. Высушивание пробы производят при t = 105оС до получения разности масс породы со стаканчиком при двух соседних взвешиваниях не более 0,02 г.

Влажность породы W, %, вычисляли по формуле:

m — m

W = 100 • m " , (1.1)

m0 — m

где m - масса пустого стаканчика с крышкой, m1 - масса влажной породы со стаканчиком и крышкой, m0 - масса высушенной породы со стаканчиком и крышкой.

Определение предела прочности при одноосном растяжении.

Метод предназначен для массовых испытаний с целью определения предела прочности горной породы по заданному сечению образца при одноосном растяжении в направлении, заданном относительно сложения (слоистости) породы.

Сущность метода заключается в проведении испытаний цилиндрических образцов. Испытание каждого образца заключается в измерении значения разрушающей силы, приложенной через стальные встречно направленные плиты или клинья нагрузочного устройства к образующим образца на его диаметральном сечении, ориентированном заданным способом относительно сложения (слоистости) породы.

Образцы изготовляют из штуфов или кернов, составляющих пробу, выбуриванием на буровом станке или вырезанием на камнерезной машине с ориентировкой длины образца относительно слоистости породы в соответствии с целью проведения испытания.

Размеры образцов выбирают по Таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Размеры образцов подготавливаемые для испытания

Параметр образца Размеры

предпочтительные допускаемые

Цилиндры, диаметр й? , мм 42±2 От 30 до 60 включ.

Призмы, сторона квадрата а , мм 40±1 От 20 до 60 включ.

т, не менее 2 1

Примечание. т - отношение длины рабочей части образца (между обоймами нагрузочного устройства) к его диаметру (с1) или стороне квадрата

И-

Количество образцов должно быть не менее 6 и обеспечивать относительную погрешность результатов испытания не более 20% при надежности не ниже 0,8.

Испытания проводятся на гидравлической универсальной машине ЦД 40.

Рисунок 1.1 - Гидравлическая универсальная испытательная машина ЦД 40 Плиты стальные толщиной не менее 0,3 диаметра образца с плоскими рабочими поверхностями (отклонение от плоскостности не более 0,02 мм); клинья стальные с радиусом закругления, равным (5±1) мм. Длина плит и клиньев - на 3-5 мм больше длины образца. Класс шероховатости рабочих поверхностей плит и клиньев - не ниже 7 по ГОСТ 2789-73 [2], твердость ИКС, 55-60; цилиндрический сегментный шарнир по рисунку 1.2 или любой другой конструкции применяют как обязательный при отсутствии на испытательной машине верхней подвесной сферической плиты и располагают между опорой испытательной машины и плитой (клином).

Рисунок 1.2 - Цилиндрический сегментный шарнир; 1 - нижняя плита (нижний клин); 2 - образец; 3 - верхняя плита (верхний клин); 4 - сегмент

Образующая боковой поверхности образца должна быть прямолинейной по всей длине. Отклонения от прямолинейности - не более 0,2 мм. Допускаемая шероховатость поверхности - не более 0,5 мм. На каждом образце должно быть намечено карандашом сечение задаваемого раскола образца (разрыва породы).

Образцы, подготовленные для испытания, должны иметь одинаковые размеры. Допускаются отклонения расчетных значений диаметра и длины каждого образца от их средних арифметических значений по всем образцам выборки не более 1 мм.

Образец размещают в центре опорной плиты испытательной машины (пресса) между плитами-прокладками либо между клиньями.

Образец между клиньями (плитами) размещают так, чтобы ось образца и линии касания к нему клиньев (плит) находились в плоскости задаваемого раскола (разрыва породы). Отклонение от плоскостности не более 0,5 мм. Образец нагружают до разрушения равномерно со скоростью 1-5 МПа/с.

Предел прочности при одноосном растяжении в заданном

относительно строения породы направлении ) в МПа для каждого образца выборки вычисляют по формуле

ц Р

=

р Я

где Р - разрушающая сила, кН;

10, (1.2)

£ - площадь разрыва образца, равная произведению его диаметра, на длину, см2.

Обработку результатов испытаний " образцов производят в следующем порядке.

Вычисляют среднее арифметическое значение по пробе предела

прочности а?5, среднее квадратичное отклонение Л и коэффициент

р

вариации V'.

Вычисления производят с точностью округления: частных значений и среднего арифметического значения, а также среднего квадратичного отклонения предела прочности - до 0,01 МПа, при этом значения менее 10 МПа оставляют без изменения, а значения более 10 МПа округляют до 0,10 МПа; значений коэффициента вариации - до 1%.

Испытания на прямой сдвиг по плоскости распила и по естественной трещине.

Испытания на сдвиг по плоскости распила и по естественной трещине проводятся в соответствии с требованиями Международного Геомеханического Общества КЯМ [3] с использованием сервогидравлической испытательной системы МТБ 816, общий вид которой приведен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Сервогидравлическая испытательная система МТБ 816 в варианте с модулем

на прямой сдвиг

Сущность метода заключается в приложении и измерении сдвиговой и нормальной к поверхности распила или естественной трещины сил и в определении зависимости сдвигающей силы от прикладываемых нормальных напряжений. Данный вид испытаний включал в себя следующие этапы:

- изготовление составных образцов, содержащих плоскость распила или естественную трещину;

- заливку составных образцов специальным цементом в стальных обоймах (кольцах);

- установку в срезные матрицы стальных обойм с залитыми образцами;

- проведение испытаний при 3-х заданных значениях нормальной силы: 2 кН, 5 кН и 8 кН.

—я

н° '¡и

¡щ

Рисунок 1.4 - Вид сдвиговых матриц в сервогидравлической испытательной системе

МТБ 816

Сервогидравлическая система MTS с модулем прямого среза предназначена для исследования процесса разрушения горных пород при перемещении (подвижке) блоков пород. Система обеспечивает создание в автоматическом режиме сдвигающего (касательного) до 260 кН и вертикального (нормального) давлений до 450 кН на испытываемый образец.

При испытании образца на прямой сдвиг, закрепленный в матрицах-держателях составной образец непрерывно подвергают сдвигающей нагрузке со скоростью сдвигового смещения около 0,1 мм/мин до стабилизации

сдвигающей силы, после чего задают следующую ступень вертикальной нагрузки и продолжают прикладывать сдвигающее усилие до стабилизации его на новом уровне. Испытания каждого образца проводятся при трех заданных уровнях вертикальной нагрузки.

Испытания сопровождаются непрерывным измерением нагрузок (сдвигающей и вертикальной) и бокового (касательного) смещения при помощи системы сбора и обработки информации, входящей в состав системы МТБ 816.

Касательное напряжение (напряжение сдвига) т, МПа, и нормальное (вертикальное) напряжение оп, МПа, рассчитывали по формулам:

ап = Рп/А, (1.6)

т = Р/А, (1.7)

где Ps - суммарная сила сдвига, кН; Рп - суммарная вертикальная сила, кН; А - площадь перекрытия поверхностей сдвига, см .

Результаты испытаний на прямой сдвиг дополняются экспериментальными кривыми зависимости касательного напряжения (напряжения сдвига) от касательных (продольных) перемещений вдоль направления сдвига.

Я <».7 ■ «г. а о,б • * 0.5 ■ * с. | 0.4 ■ з 0.3 • | (».2 ■ II

г ---

/

7 г 1 )

1

- 1

1

1 и 2

VI 1 < 1 0.2 0.4 0,6 0.8 Касательные леформаипн, мм 1

Рисунок 1.5 - Экспериментальная кривая деформирования при прямом сдвиге по

плоскости распила

По результатам каждого испытания на прямой сдвиг по плоскости распила или естественной трещине строили диаграмму зависимости касательного напряжения (напряжения сдвига) от нормального (вертикального) напряжения, по линии наилучшего соответствия на которой определяли величины остаточных сцепления и угла внутреннего трения породы.

. 2,50

О!

о

0,00 -■-1-1

0,00 1,00 2,00 3,00

Нормальные напряжения, МПа

Рисунок 1.6 - Зависимость касательного напряжения от нормального напряжения при испытании на прямой сдвиг по плоскости распила

Рисунок 1.7 - Образец до испытаний на направленный сдвиг по поверхности искусственной трещины (по распилу)

Рисунок 1.8 - Образец после испытаний на направленный сдвиг по поверхности

искусственной трещины ( по распилу)

Рисунок 1.9 - Образец до испытаний на направленный сдвиг по поверхности естественной

трещины

Рисунок 1.10 - Образец испытаний на направленный сдвиг по поверхности естественной

трещины

Определение предела прочности при объемной нагрузке.

Испытания по определению предела прочности при объемной нагрузке проводят в соответствии с ГОСТ 21153.8-88 [4].

Сущность метода заключается в измерении разрушающей силы, приложенной к торцам образца через стальные плоские плиты при боковом сжатии его гидростатическим давлением.

Для проведения испытаний была использована: сервогидравлическая система МТБ 815.

При подготовке к испытаниям образец для предохранения от проникновения в его поры рабочей жидкости (технического масла) помещали в резиновую трубчатую оболочку. Торцы образца изолировали от жидкости плоскими стальными подкладками.

Рисунок 1.11 - Образец подготовленный к испытаниям Испытания проводятся на сервогидравлической системе МТБ 815, общий вид которой представлен на рисунке 1.12.

Рисунок 1.12 - Сервогидравлическая система МТБ 815

Подготовленный образец помещается в камеру трехосного сжатия (стабилометр), рассчитанный на реализацию оссесимметричного нагружения вида а1 > а2 = а3. или а1 < а2 = а3. Камеру с установленным образцом герметизируют и заполняют рабочей жидкостью. После задания требуемого значения всестороннего давления, прикладывают к торцам образца (через стальные накладки) осевую нагрузку до достижения предельного значения. Скорость роста осевой нагрузки составляет 1 МПа /сек. Постоянство скорости нагружения обеспечивается системой автоматического управления прессом.

При испытаниях изолированный образец устанавливают в рабочую полость камеры объемного сжатия в сборе со стальными прокладками и экстензометрами поперечной деформации, закрепляемыми на боковой поверхности образца.

Герметизируют рабочую полость камеры и подают в нее рабочую жидкость доводят боковое давление на образец до значения, предусмотренного согласованной программой испытаний. Затем, поддерживая заданное значение бокового давления с погрешностью ±3%, нагружают образец прессом вдоль оси до разрушения равномерно со скоростью нагружения 1-5 МПа/с. Момент разрушения фиксировали по максимальному значению осевой нагрузки.

Рисунок 1.13 - Размещение экстензометров поперечной деформации на образце

Предел прочности при объемном сжатии аос, в Мегапаскалях, при заданном значении бокового давления для каждого образца вычисляют по формуле:

сг° = 10 •

Р

разр

Б

МПа,

(1.8)

где Рразр - разрушающая сила, приложенная к торцам образца, кН; 5 - площадь поперечного сечения образца, см .

Результаты объемных испытаний дополняют экспериментальными кривыми деформирования образцов - графиками зависимости продольной или поперечной деформации от осевого давления (напряжения).

Рисунок 1.14 - Экспериментальные кривые деформирования при боковом давлении

35 МПа

Рисунок 1.15 - Образец после испытаний на объемное сжатие

1.2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ СВОЙСТВ

ГОРНЫХ ПОРОД

Изготовление образцов горных пород.

Подготовка образцов горных пород к лабораторным испытаниям включает операции разгерметизации проб (извлечения из оболочки), очистку их поверхностей, изготовление цилиндрических образцов требуемых размеров путем обработки на специальном керноотрезном и шлифовальном оборудовании и укладку изготовленных образцов в эксикаторы на хранение.

Для подготовки образцов к испытаниям используется следующее оборудование:

1) камнерезный станок DIMAS TS 350 E;

2) шлифовальный станок STRASSENTEST Baustoff-Prufsysteme;

3) шлифовальная планшайба МС-1.

Камнерезный станок DIMAS TS 350 E применяли для высокопроизводительной поперечной разрезки кернов горных пород на цилиндрические образцы с плоскими торцами.

Рисунок 1.16 - Камнерезный станок DIMAS TS 350 E

Шлифовальный станок STRASSENTEST Baustoff-Prufsysteme применяли для шлифовки поверхностей образцов пород после разрезки кернов на камнерезном станке DIMAS TS 350 E.

о • • #

Рисунок 1.17 - Шлифовальный станок ЗТКАБЗЕКТЕБТ Ваш1ой-РгиГ8у81ете

Размеры изготавливаемых образцов пород выбирали с учетом требований стандартов на методы испытаний и наличия разнообразных по составу и ориентации поверхностей ослабления.

Подготовка поверхностей образцов производилось с удовлетворением стандартных требований: отклонение от плоскостности торцевых поверхностей - не более 0,02 мм; отклонение от перпендикулярности длинной оси образца - не более 0,06 мм на 60 мм длины; отклонение от прямолинейности боковых поверхностей - не более 0,3 мм по всей длине образца.

Для последующей обработки результатов испытаний (расчета значений поперечной деформации и площади поперечного сечения образца) использовали величину среднего диаметра. Для этого диаметр образца измеряют электронным штангенциркулем в трех местах по высоте (в середине и у торцов) в двух взаимно перпендикулярных направлениях, с точностью не более 0,1 мм. За средний диаметр принимают среднее арифметическое результатов всех измерений. Высоту образца измеряют с точностью не более 1 мм.

Определение деформационных показателей горных пород.

Деформационные показатели (модуль упругости Еу и коэффициент Пуассона /) определяли в соответствии с ГОСТ 28985-91 [5] одновременно с определением прочности при одноосном сжатии.

Сущность метода заключается в измерении сжимающей силы, приложенной к торцам цилиндрического образца, продольных и поперечных деформаций его, вызванных этой силой.

Деформационные характеристики определялись в обязательном (для данного вида механических испытаний) диапазоне осевых напряжений от 5 до 50% от величины предела прочности при одноосном сжатии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бычин Андрей Константинович, 2016 год

— —

V КС Кс У

—

- 3.5— < 1 Я

(2.12)

Критерий прочности Парчевского-Шашенко [58] можно записать в следующем виде:

—-—О

V Кс ЯС у < 1

-1 +-3

(2.13)

V К К у

Следующий метод построения границы зоны предельного состояния

предложен в [59]:

БШ--

(°1 -03 V2

(2.14)

с ■ соб^ + 0,5(° + о3)вт^ Еще один метод построения границы зоны предельного состояния предложен в [60]:

(-1 +-3 )

2

— --3

с■соб^

(2.15)

2

Если провести некоторые простые преобразования, то будет видно, что критерии (2.14) и (2.15) это видоизмененный критерий Кулона-Мора. Поэтому, далее построение границы зоны предельного состояния будем проводить по критерию (2.10).

Первая характеристика оценки устойчивости бортов карьера -коэффициент запаса или фактор безопасности. Он вычисляется как отношение действующих напряжений (сил) в прибортовом массиве к напряжениям (силам), приводящим к разрушению породного материала.

Для сопоставления возьмем данные оценки фактора безопасности, выполненные различными авторами по разным методикам [60-63].

Расчет фактора безопасности буем выполнять по программам UDEC [47], которых для его вычисления реализована методика, предложенная Dawson [64], которая основана на методе предельного состояния по критерию Кулона-Мора (Coulomb-Mohr).

В качестве примера рассмотрим схему условного карьера в однородной среде (рис. 4.2). Расчетные параметры: высота карьера Н=20 м, коэффициент

-5

Пуассона v=0.2, объемный вес пород у=2500 кг/м , модуль упругости пород £=10 МРа, сцепление с=42 кРа, угол внутреннего трения ф=17°. В таблице 4.3 приведены расчетные значения фактора безопасности для разных углов наклона борта карьера.

Видно, что рассчитанные по UDEC значения фактора безопасности, наиболее близки к данным, полученным Spenser [63]. С другой стороны, отличие от наиболее используемого метода Bishop [62] для углов 30° и 35° не превосходит 8%. Для углов больших 40° различие составляет менее 13%.

Известно, что в [62 - 63] основой методов расчета устойчивости откосов является теория предельного равновесия сыпучей среды. В нем предполагается, что призма возможного обрушения смещается как единое целое. Такой подход приводит к занижению рассчитываемого соотношения удерживающих и сдвигающих сил, т.е. к занижению коэффициента запаса

А

н

у

Рисунок 2.4 - Расчетная схема Следует отметить, что согласно данным ряда исследователей, например, [65], для карьеров значение фактора безопасности, превосходящее 1.25 считается удовлетворительным. В российских практике для бортов действующих карьеров при постановке в конечное положение принято значение 1.3.

Таблица 2.1 -Расчетные значения фактора безопасности

Метод оценки фактора безопасности Угол наклона борта карьера

30° 35° 40° 45° 50°

ANSYS [41] 1.78 1.62 1.48 1.36 1.29

Bishop [42] 1.39 1.26 1.15 1.06 0.99

Spenser [43] 1.46 1.32 1.21 1.12 1.04

UDEC [2] 1.49 1.36 1.28 1.16 1.12

3DEC [2] 1.63 1.47 1.47 1.36 1.36

Принимая во внимание, что при оценке фактора безопасности основными параметрами являются сцепление и угол внутреннего трения, можно утверждать, что упругие характеристики породного массива не оказывают большого влияния на его значение. Расчеты величины фактора безопасности, рассчитанные по программе UDEC, для однородной среды

Проект отработки месторождения Chuquicamata mine. На рисунке 2.5 приведено типовое вертикальное сечение карьера "Chuquicamata mine" [66].

Расчеты проводились для однородной среды при следующих

"5

параметрах: плотность р=0.026 МН/м , коэффициент Пуассона v=0.25, модуль упругости E=4600 МПа, сцепление с=0.22 МПа, угол внутреннего трения ф=380.

Рисунок 2.5 - Контур карьера "Chuquicamata mine" Результаты оценки фактора безопасности по программе UDEC для данного карьера составляет 1.81. В статье Hoek, E. (2009) по программе Phase2 он установлен на уровне 1.83 и утверждается, что борт карьера устойчив. Наши расчеты подтверждают это заключение. Проведенные численные эксперименты показали: + упругие характеристики породного массива, играющие существенную роль при оценке напряженно-деформированного состояния, оказывают небольшое влияние на расчет фактора безопасности;

+ рассчитанные по UDEC и 3DEC значения фактора безопасности для простых схем конфигурации карьера согласуются с известными решениями, выполненными разными авторами и другими методами. Проведенные исследования показали, что с использованием программ UDEC и 3DEC мы можем проводить расчеты фактора безопасности для анализа устойчивости бортов карьеров (разрезов).

2.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 Существует множество методик прогноза устойчивости уступов и бортов карьеров. В основном в данное время используют две из них: метод алгебраического сложения сил, который основан на алгебраическом сложении удерживающих и сдвигающих сил по потенциальной поверхности скольжения) и метод векторного сложения сил (метод многоугольника сил), учитывающий реакции между блоками, на которые по определенным признакам разбивается призма возможного обрушения. Оба метода являются чисто геометрическими задачами. Они не учитывают напряженно деформированного состояния горного массива и связаны с весом вышележащих пород. Так же с помощью этих методов нельзя провести оценку устойчивости уступов и борта карьера в условиях влияния крупной техногенной трещины, и оценку влияния подземной отработки полезных ископаемых на прибортовой массив.

Проведя анализ методик оценки напряженного состояния породного массива при отработке месторождений полезных ископаемых, было выделено две наиболее перспективных методики оценки НДС:

• метод расчета для сплошной среды (метод конечных элементов)

• метод расчета для дискретной среды (метод отдельных элементов). Оба этих метода имеют свои недостатки и преимущества, которые

описаны в главе. Так как объектом наших исследований является карьер Центральный АО Апатит, а его массив в основном имеет блочную и трещиноватую структуру, мы выбрали метод расчета для дискретной среды

(метод отдельных элементов). Он дает возможность моделирования сложного взаимодействия (сочетание материалов и разрывов, гидромеханический и динамический анализ); возможность оценить степень влияния отдельных параметров на устойчивость системы породных блоков. Данный метод реализован в программе UDEC.

Программа ЦОЕС особенно хорошо подходит для задач, связанных с разрывными средами, и широко используется в расследовании оползней и устойчивости бортов разрезов. Влияние внешних факторов, таких как подземная добыча, землетрясения и давление грунтовых вод на скольжение и деформацию породных блоков также может быть смоделировано.

Так же важен выбор критерия разрушения горных пород. Сравнительный анализ показал, что многие критерии это видоизмененные критерии Кулона-Мора, поэтому, далее построение границы зоны предельного состояния будем проводить по данному критерию. Нужно отметить, что критерий Кулона-Мора, для наших задач, лучше всего описывает поведение горных пород в массиве.

Проведенные примерочные расчеты показывают, что использование программы UDEC, в которой реализован метод отдельных элементов, позволяет нам проводить расчеты фактора безопасности для анализа устойчивости бортов карьеров (разрезов).

3.1 КЛАССИФИКАЦИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПО

ТРЕЩИНОВАТОСТИ

Трещины в горных породах составляют сложные пространственные сети. Строение сетей трещин определяет деформационные, прочностные, фильтрационные свойства массивов горных пород и слоистых толщ, закономерности размещения и технологию разработки месторождений многих полезных ископаемых.

Трещиноватость горных пород - это совокупность трещин различного происхождения и различных размеров, формы и пространственной ориентировки. Трещиной называют разрыв сплошности среды, величина которого на порядок и более превосходит межатомные расстояния в кристаллической решетке (т.е. более 10 - 9 м).

По происхождению трещиноватость горных пород разделяется на нетектоническую, тектоническую и планетарную. Нетектоническая трещиноватость горных пород - это следствие растрескивания горных пород в процессе охлаждения (для магматических пород), уплотнения, дегидратации (для осадочных ГП). К нетектонической трещиноватости относится также технологическая трещиноватость, вызванная ведением горных работ, трещиноватость горных пород в зоне влияния горной выработки, вызванная БВР, горным давлением и т.д.

Тектоническая трещиноватость развивается в горных породах в связи с тектоническими процессами, т.е. вызывается горо- и складкообразованием, глубинными подвижками платформ.

Планетарная трещиноватость связана с напряжениями, вызванными изменением частоты вращения Земли и ее формы. Существует большое количество классификаций трещиноватости горных пород.

Так, Н.М. Проскуряков [67] и Н.С. Булычев [68] выделяет естественную трещиноватость, т.е. трещины, возникшие в горных породах без влияния горных работ, и технологические или эксплуатационные, т.е. трещины, образовавшиеся в боковых породах под влиянием очистной выемки. При этом естественная трещиноватость включает трещины кливажа и тектоническую трещиноватость.

В.В. Ржевский и Г.Я. Новик [69] классифицируют трещины по следующим пяти признакам: степени раскрытия, размерам, форме, геометрическому взаимоотношению трещин со слоистостью и углу наклона к горизонтали. В справочниках взрывника и по креплению горных выработок приводятся также несколько отличные классификации горных пород по трещиноватости.

В указаниях ВНИМИ [70-72] приводится классификация горных пород в зависимости от интенсивности трещиноватости, то есть от размеров кусков, на которые делится керн или что то же - от расстояния между трещинами. Чем интенсивнее трещиноватость, тем меньше значение коэффициента структурного ослабления массива.

Геомеханическое состояние массива определяется, прежде всего, отношением нагрузки на горную породу к ее прочности. При одной и той же прочности пород это отношение, в зависимости от глубины, может меняться в несколько раз, что необходимо учитывать, особенно при современных глубинах разработки месторождений полезных ископаемых.

При проектировании параметров бортов карьеров с одной стороны необходимо обосновать угол откоса, который позволит сократить объем вскрышных пород, а с другой стороны он должен соответствовать требованиям устойчивости. В настоящее время углы нерабочих бортов карьеров составляют 20-40 градусов, однако анализ литературных источников показывает, что углы нерабочих бортов карьеров, сложенных скальными породами, могут составлять до 55 градусов.

Обосновать такие углы существующими методиками расчета устойчивости невозможно. Например, инженерные методики ВНИМИ, которые широко используются при проектировании открытой и комбинированной разработки месторождений, не учитывают напряженное состояние породного массива и, следовательно, не позволяют обоснованно выбирать оптимальные параметры бортов карьера.

Общеизвестно, что структурно-геологические особенности, снижающие прочность и устойчивость откосов бортов карьеров в скальных породах, невозможно выявить с необходимой детальностью на стадии проектирования. Детальное изучение неблагоприятных для устойчивости карьеров структурно-геологических элементов производится в период строительства и эксплуатации месторождения.

С другой стороны, некоторые стадии проектирования карьеров можно проанализировать с использованием численного моделирования вариантов отработки.

В настоящее время для оценки устойчивости откосов с учетом их напряженного состояния применяются строгие математические подходы с некоторыми допущениями о виде напряженного состояния, определения формы и положения поверхности скольжения.

Среди наиболее близких к теме диссертации исследований можно выделить следующие. Например, в работе Красножена И.В. [73] представлены результаты влияния мегатрещин на устойчивость бортов карьера. В ней отмечается, что оценку устойчивости уступов и бортов карьера в породах с мегатрещинами необходимо оценивать по методу, в котором учитывается расстояние трещины от бровки борта, угол ее наклона к поверхности борта, физ.-мех. свойства породного массива и геометрические параметры конструкции борта.

Работа Красножена И.В. достаточно близка к теме диссертации, а наша работа будет направлена на изучение влияния крупных техногенных трещин на устойчивость борта карьера.

В работе Осокина Д.Н. [74], посвященной исследованию трехмерного поля напряжений около сдвигового тектонического разрыва в связи с задачей изучения механизмов деформирования слоя в зоне разрыва. В ней обсуждались две группы вопросов. Первая касалась изучения величин всестороннего давления для прогноза областей разупрочнения и локализации вторичных нарушений. Вторая была посвящена разделению слоя с разрывом на объемы с различными типами локального поля. Эта работа актуальна в тектонофизике, геотектонике, физике землятресений и сейсмологии. К сожалению, влияние зон разрыва на оценку устойчивости бортов карьеров не исследовалось.

В правилах обеспечения устойчивости откосов [75] представлены рекомендации для использования горными предприятиями, проектными, научно-исследовательскими организациями угольной промышленности. Они содержат методы оценки устойчивости откосов, определения максимальных параметров устойчивых бортов, уступов и отвалов на разрезах, а также рекомендации инженерно-технических мероприятий для повышения устойчивости откосов. Так же приведены графики предельных параметров бортов, уступов и отвалов, примеры необходимых расчетов и каталоги физ.-мех. свойств вмещающих пород. В пункте 3.3 данной работы представлены методы расчетов для бортов карьеров в условиях природных поверхностей ослабления (контакты слоев, трещины большого протяжения, тектонические нарушения и др.).

3.2 ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕХОДА ОТ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД В ОБРАЗЦЕ К СВОЙСТВАМ В МАССИВЕ

Для оценки НДС прибортового массива горных пород используются

следующие параметры:

+ предел прочности на сжатие, + предел прочности на растяжение, + модуль деформации, + угол внутреннего трения,

+ коэффициент сцепления, + объемный вес пород.

В механике горных пород хорошо известен тот факт, что лабораторные

испытания физ.-мех. свойств породного массива не моделируют его поведение в целом. Другими словами, результаты лабораторных испытаний образцов керна пород не характеризуют прочность и упругость всего массива горных пород в целом. Влияние слоистости, трещиноватости и других структурных особенностей приводит к тому, что прочность и модуль упругости массива могут быть значительно меньше соответствующих величин в образце. Поэтому, для перехода от свойств в образце к свойствам в массиве используется так называемый коэффициент структурного ослабления Кстр. Он показывает степень уменьшения прочности в массиве по сравнению с образцом. Величину коэффициента структурного ослабления можно оценить по результатам испытаний на прочность породных образцов различных размеров. Обширный материал по этому направлению имеется в работах З. Бенявски [76], а необходимые нам результаты приведены, например, в работе [70]. Асимптотическая зависимость уменьшения прочности в массиве по отношению к прочности образца, составленная по данным З. Бенявски, имеет вид:

Кстр = 2 + "~2 , (3.1)

"сж

Например, в таблице 3.1 приведены физ.-мех. свойства с учетом руд и пород месторождений ОАО Апатит, полученные ОАО Мурманская ГРЭ [77], и коэффициенты структурного ослабления, рассчитанные по формуле З. Бенявски (рисунок 3.1).

Принимая во внимание определенную сложность в оценке коэффициента структурного ослабления, для перехода от данных о физико-механические свойствах для образцов к породному массиву следует ввести дополнительный коэффициент запаса. По данным литературных источников и интернет ресурсов минимальное значение коэффициента запаса составляет 20%.

Исходное поле напряжений массива горных пород исходя только из собственного веса определяется по известным зависимостям: аверт=уН, агор=ХуН (аверт и агор - вертикальное и горизонтальные напряжения; у -удельный вес пород, X - коэффициент бокового отпора).

7,00 6,50 6,00 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Рисунок 3.1 - Коэффициент структурного ослабления (красная линия формула Бенявски, синяя линия - данные ОАО Мурманская ГРЭ)

Таблица 3.1 - Сводная таблица физико-механических свойств вмещающих горных пород и рудной толщи месторождений АО Апатит

Горные породы Модуль упругости, ГПа Предел прочности сцепление, МПа Угол внутреннего трения ТУ* Кстр

на растяжение, МПа на сжатие, МПа

Руда пятнисто-полосчатая 129.6/60.6 13.0 167.9 26.9/12.6 57.0/26.6 2.14

Руда пятнистая 132.2/63.0 14.5 189.7 30.2/14.4 57.7/27.3 2.11

Руда блоковая 115.5/53.7 12.2 161.8 25.6/11.9 57.6/26.8 2.15

Руда массивная 112.4/52.8 12.8 178.1 27.6/13.0 56.3/26.4 2.13

Руда брекчевидная 100.6/45.3 11.2 133.5 21.7/9.8 57.1/25.7 2.22

Рисчоррит ср-з массивный 70.8/29.7 8.6 102.3 41.0/17.2 37.0/15.5 2.38

Луяврит 84.0/39.6 14.6 180.9 65.0/30.7 35.0/16.5 2.12

В ряде работ по оценке прочностных свойств породного массива отмечается, что из-за длительности периода карьерной выемки необходимо вводить коэффициент структурного ослабления на физ.-мех. свойства

прибортового массива для учета фактора времени. Анализ интернет ресурсов и публикаций по данному вопросу, например, [71-72, 78-82] показал, что коэффициент структурного ослабления по фактору времени составляет к'со=0.75.

Предельное значение фактора безопасности устанавливаем по двум параметрам - по коэффициенту запаса или по высокоточным измерениям смещений борта карьера.

Коэффициент запаса устойчивости в каждой точке прибортового массива вычисляется по формуле:

2Ссо$ф+(о1+оз)$тф , Л

Лу —-, (3.2)

У 01-03

При этом значения Ку < 1 характеризуют область запредельного деформирования породного массива.

3.3 ВЛИЯНИЕ УГЛА НАКЛОНА УСТУПА НА УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТА

КАРЬЕРА

Проблема оптимизации конструкций бортов карьеров всегда актуальна для открытых горных работ, так как неразрывно связана с возможностью радикального сокращения затрат на эксплуатацию месторождения в целом за счёт снижения объёмов вскрышных работ, либо роста доли отработки запасов месторождения эффективным открытым способом при экономически приемлемом коэффициенте вскрыши.

Одной из важнейших характеристик карьеров, влияющей на многие другие и общую экономичность открытых горных работ, является угол наклона борта. Например, увеличение угла наклона борта карьера с 400 до 50° приводит к увеличению выемки запасов руды на 40% при сохранении прежних размеров карьера в плане. Поэтому необходимо проводить геомеханическое обоснование угла наклона борта карьера.

Схема 1. В качестве примера рассмотрим конструкцию борта карьера Вуручуайвенч (рисунок 3.2) со стороны висячего бока рудного тела [83-84].

Рисунок 3.2 - Конструкция борта карьера Вуручуайвенч

Сначала рассмотрим вариант построения борта карьера при угле падения в уступе 700. Расчеты по программе ЦОЕС [47] показали, что величина фактора безопасности составляет Б8=4.54 (сетка 10 м). Максимальные горизонтальные смещения при этом достигают 6 см, а вертикальные - 4.5 см.

Авторами [83-84] установлено, что при угле падения в уступе 750 фактор безопасности достигает значения Б8=4.84 (сетка 5 м) и Б8=4.32 (сетка 10 м), т.е. после сгущения сетки значение фактора безопасности увеличилось в 1.12 раза.

Расчеты этой же ситуации по программе ЦОЕС показали - Б8=4.34 (сетка 10 м) и Б8=4.26 (сетка 5 м), т.е. после сгущения сетки значение фактора безопасности уменьшилось в 1.02 раза. Следует отметить, что смещения при этом возросли - горизонтальные от 6 см до 16 см, а вертикальные от 5 см до 9 см, т.е. в 2.7 и 1.8 раза соответственно. Следовательно, при увеличении угла падения уступа на 50 фактор безопасности снизился в 1.05 раза, но общее состояние борта карьера остается устойчивым.

Рассмотрим вариант построения борта карьера при угле падения в уступе 800. Расчеты по программе UDEC показали, что величина фактора безопасности составляет FS=4.14 (сетка 10 м), т.е. в 1.1 раза меньше чем при угле падения 700. Максимальные горизонтальные смещения при этом достигают 2 см, а вертикальные - 2.5 см.

X соМоига

СоМои» 4 ОООЕОЗ

•2 ОО0ЕО2 <о 0 ОООЕ^ОО

5-2.000Е02 •1ЛООЕЮ2 • 1 200Е02 •8 ООО Е-03 •4 ОООЕ-ОЗ О.ОООЕ'ОО ск р1«|

Рисунок 3.3 - Горизонтальные смещения борта карьера Вуручуайвенч

Схема 2. По результатам геомеханических исследований [83-84] было подтверждена и обоснована принципиальная устойчивость бортов с углами наклона 60° в случае отсутствия неблагоприятно ориентированных плоскостей ослабления. Для высокопрочных пород авторами предложена схема карьера с вертикальными откосами уступов (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 - Конструкция борта карьера с вертикальными откосами уступов

Известно, что при анализе состояния прибортового массива в реальных условиях следует учитывать некоторые факторы, которые снижают значения этих показателей. К ним относятся, например, природные условия, взрывная отбойка руды и другие факторы. Поэтому, при оценке фактора безопасности следует проводить расчеты для некоторого диапазона изменения свойств породного массива. В первую очередь это касается сцепления.

В таблице 3.2 приведены значения фактора безопасности для трех типов пород в прибортовом массиве (таблица 3.2).

Результаты расчетов показали, что при увеличении угла внутреннего трения фактор безопасности возрастает, а при снижении сцепления он уменьшается. При этом модуль упругости существенного влияния на его величину не оказывает.

Порода Модуль упругости, ГПа Сцепление, МПа Фактор безопасности

Рисчоррит средне-зернистый массивный 70.8 10.6 4.18

5.3 3.16

3.6 2.47

2.5 1.89

1.1 1.15

Луяврит 84.0 10.6 5.21

5.3 3.17

3.6 2.48

2.5 2.01

1.1 1.29

Руда брекчевидная 100.6 10.6 4.87

5.3 2.88

3.6 2.48

2.5 1.77

1.1 1.09

Руда пятнистая 132.2 10.6 3.89

5.3 2.85

3.6 2.47

2.5 1.74

1.1 1.07

Следует отметить, что фактор безопасности для данной конфигурации борта карьера и рассмотренных типов пород имеет одно и тоже значение при С=3.6 МПа. Кроме того при этом значении коэффициента сцепления наблюдается резкий скачок по смещениям. Можно предположить, что значение сцепления С=3.6 МПа и фактора безопасности Б8=2.48 являются критическими для данной конфигурации борта карьера.

Рассмотрим, как зависит устойчивость борта карьера по фактору безопасности при изменении угла его падения в диапазоне 500 - 600. Результаты расчетов показали, что при уменьшении угла падения борта карьера фактор безопасности монотонно возрастает (рисунок 3.5), а именно, при угле падения 500 фактор безопасности Б8=2.80, а при угле падения 600 фактор безопасности Б8=2.48.

2,85 2,8 | 2,75

о

§■ 2,6

& 2,55 2,5 2,45

48 50 52 54 56 58 60 62

угол падения борта

Рисунок 3.5 - Зависимость фактора безопасности от угла наклона борта карьера Вывод: Изучение программного обеспеченья, а так же анализ полученных результатов в ходе решения расчетных схем, является важным этапом в изучении проблем математического моделирования. На примерах, приведенных в разделе 3.3 видно как меняется результат при изменении тех или иных параметров. С уверенностью можно сказать, что многократное решение примеров перед изучением главной задачи, поставленной в данной диссертации, дает оптимальную ясность в понимании главных проблем связанных с устойчивостью бортов карьера и выбором оптимальных параметров бортов карьера.

Ведение безопасных горнодобывающих работ, одна из главных задач в горнодобывающей промышленности. Проводя математическое моделирование, мы получим характеристики, с помощью которых сможем дать оценку оптимизации параметров конструкции бортов карьера, для обеспечения безопасного ведения горнодобывающих работ.

Устойчивость бортов глубоких карьеров, сложенных скальными породами, определяется природными и техногенными факторами, главными из которых являются:

> ориентировка крупных техногенных трещин относительно борта карьера;

> расположение основных систем техногенных трещин относительно друг друга;

> изменение напряженного состояния прибортового массива в процессе образования карьерной выемки;

> разрушение прибортового массива взрывными работами;

> порядок отработки месторождения и время существования отдельных уступов и борта в целом.

Анализ интернет источников показывает, что на карьерах глубиной до 100 м деформации уступов и бортов наблюдаются на 50% карьеров, а при увеличении их глубины до 200 м этот показатель возрастает до 75%.

Крупные трещины в бортах карьера, обусловленные техногенной деятельностью, обычно являются трещинами отрыва и оказывают решающее влияние на устойчивость прибортовых массивов.

Сильное влияние на устойчивость тех или иных уступов и бортов карьера оказывают не все системы трещин, а только те, которые по условиям залегания могут служить возможными поверхностями скольжения при деформации уступов и бортов.

Понятно, что охватить все многообразие систем расположения техногенных трещин невозможно, поэтому мы рассмотрим лишь некоторые из них.

Анализ интернет источников показал, что критическая величина горизонтальных смещений борта карьера составляет 20-40 см, например, [8591].

150 г—*

100

50

0 г-

Рисунок 3.6 - Конструкция борта карьера и техногенная трещина, параллельная средней

линии падения борта в первом уступе

Результаты расчетов при смещении трещины от борта карьера в массив через 10 м приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Фактор безопасности и горизонтальные смещения

Fa Фактор безопасности Горизонт альные смещения, см

Fa1- 0 м 1.84 Более 1 метра

Fa1-10 м 2.40 25

Fa1-20 м 2.46 30

Fa1-30 м 2.44 30

Карьер 2.48 Устойчив

Из приведенных данных по таблице 3.3 видно, что борт карьера будет устойчив если техногенная трещина параллельная борту карьера будет расположена от 10 до 30 м. Если техногенная трещина расположена ближе чем 10 м, уступ и часть борта карьера будет разрушена.

Рисунок 3.7 - Конструкция борта карьера и техногенные трещины во втором уступе Результаты расчетов при смещении трещины от борта карьера в массив через 10 м приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Фактор безопасности и горизонтальные смещения

Fa Фактор безопасности Горизонт альные смещения, см

Ба1- 0 м 1.70 Более 1 метра

Ба1-10 м 2.12 30

Ба1-20 м 2.46 30

Ба1-30 м 2.46 25

Карьер 2.48 Устойчив

Из приведенных данных по таблице 3.4 видно, что борт карьера будет устойчив если техногенная трещина параллельная борту карьера будет расположена от 10 до 30 м. Если техногенная трещина расположена ближе чем 10 м, уступ и часть борта карьера будет разрушена.

Рисунок 3.8 - Конструкция борта карьера и техногенные трещины в третьем уступе Результаты расчетов при смещении трещины от борта карьера в массив через 10 м приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Фактор безопасности и горизонтальные смещения

Fa Фактор безопасности Горизонт альные смещения, см

Ба1- 0 м 1.75 Более 1 метра

Ба1-10 м 2.46 20

Ба1-20 м 2.43 20

Ба1-30 м 2.46 20

Ба1-40 м 2.45 20

Карьер 2.48 Устойчив

Из приведенных данных по таблице 3.5 видно, что борт карьера будет устойчив если техногенная трещина параллельная борту карьера будет расположена от 10 до 30 м. Если техногенная трещина расположена ближе чем 10 м, уступ и часть борта карьера будет разрушена.

Рисунок 3.9 - Конструкция борта карьера и техногенные трещины в четвертом уступе Результаты расчетов при смещении трещины от борта карьера в массив через 10 м приведены в таблице 3.6.

Таблица 3.6 - Фактор безопасности и горизонтальные смещения

Fa Фактор безопасности Горизонт альные смещения, см

Ба1- 0 м 1.72 Более 1 метра

Ба1-10 м 2.31 15

Ба1-20 м 2.00 16

Ба1-30 м 2.36 14

Ба1-40 м 2.40 20

Карьер 2.48 Устойчив

Из приведенных данных по таблице 3.6 видно, что борт карьера будет устойчив если техногенная трещина параллельная борту карьера будет расположена от 10 до 30 м. Если техногенная трещина расположена ближе чем 10 м, уступ и часть борта карьера будет разрушена.

150----

120----

90—[---

60 30

о

-30-

Рисунок 3.10 - Конструкция борта карьера и техногенные трещины в первом

и втором уступах

Результаты расчетов при смещении трещины от борта карьера в массив через 10 м приведены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 - Фактор безопасности и горизонтальные смещения

Fa Фактор безопасности Горизонт альные смещения, см

Fa1-0 м 1.68 Более 1 метра

Fa1-10 м 2.40 20

Fa1-20 м 2.49 35

Fa1-30 м 2.49 30

Карьер 2.48 Устойчив

Из приведенных данных по таблице 3.7 видно, что борт карьера будет устойчив если техногенная трещина параллельная борту карьера будет расположена от 10 до 30 м. Если техногенная трещина расположена ближе чем 10 м, уступ и часть борта карьера будет разрушена.

/ / / / / / / / /

/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / /

Рисунок 3.11 - Конструкция борта карьера и техногенные трещины в первом, втором и

третьем уступах

Результаты расчетов при смещении трещины от борта карьера в массив через 10 м приведены в таблице 3.8.

Таблица 3.8 - Фактор безопасности и горизонтальные смещения

Fa Фактор безопасности Горизонтальные смещения, см

Ба1- 0 м 0.44 Более 1 метра

Ба1-10 м 2.43 Более 1 метра

Ба1-20 м 2.49 40

Ба1-30 м 2.47 30

Ба1-40 м 2.49 40

Карьер 2.48 Устойчив

Из приведенных данных по таблице 3.8 видно, что борт карьера будет устойчив если техногенная трещина параллельная борту карьера будет расположена от 20 до 40 м. Если техногенная трещина расположена ближе чем 20 м, уступы и часть борта карьера будет разрушены.

■ ТГ-

К

Щ

Рисунок 3.12 - Конструкция борта карьера и техногенные трещины в первом,

втором и третьем уступах

Результаты расчетов при смещении трещины от борта карьера в массив через 10 м приведены в таблице 3.9.

Таблица 3.9 - Фактор безопасности и горизонтальные смещения

Fa Фактор безопасности Горизонтальные смещения, см

Ба1- 0 м 0.18 Более 1 метра

Ба1-10 м 1.66 Более 1 метра

Ба1-20 м 2.03 50

Ба1-30 м 2.33 50

Ба1-40 м 2.43 40

Карьер 2.48 Устойчив

Из приведенных данных по таблице 3.9 видно, что борт карьера будет устойчив если техногенная трещина параллельная борту карьера будет расположена в 40 м от него. Если техногенная трещина расположена ближе чем 40 м, уступы и часть борта карьера будет разрушены.

(рисунок 3.13).

150

100

50

о--

-50-100-1-1-,-1-j—

О 50 100 150 200

Рисунок 3.13 - Конструкция борта карьера и техногенные трещины в первом уступе Результаты расчетов при смещении трещины от борта карьера в массив через 10 м приведены в таблице 3.10.

Таблица 3.10 - Фактор безопасности и горизонтальные смещения

Fa Фактор безопасности Горизонт альные смещения, см

Fa2-10 м 2.43 50

Fa2-20 м 2.37 40

Fa2-30 м 2.44 35

Fa2-40 м 2.43 45

Карьер 2.48 Устойчив

Из приведенных данных по таблице 3.10 видно, что борт карьера будет устойчив если техногенная трещина параллельная борту карьера будет расположена в 30 м от него. Уступ и часть борта карьера будут находиться в критическом состоянии если такая трещина будет располагаться в 10, 20 и 40 м от него.

(рисунок 3.14).

Рисунок 3.14 - Конструкция борта карьера и техногенные трещины во втором уступе Результаты расчетов при смещении трещины от борта карьера в массив через 10 м приведены в таблице 3.11.

Таблица 3.11 - Фактор безопасности и горизонтальные смещения

Fa Фактор безопасности Горизонт альные смещения, см

Ба2-10 м 3.12 35

Ба2-20 м 2.43 50

Ба2-30 м 2.37 30

Ба2-40 м 2.42 30

Карьер 2.48 Устойчив

Из приведенных данных по таблице 3.11 видно, что борт карьера будет устойчив если техногенная трещина параллельная борту карьера будет расположена в 10 м и от 30 до 40 м. Если техногенная трещина расположена в 20 м, уступ и часть борта карьера будет разрушена.

(рисунок 3.15).

Рисунок 3.15 - Конструкция борта карьера и техногенные трещины в третьем уступе Результаты расчетов при смещении трещины от борта карьера в массив через 10 м приведены в таблице 3.12.

Таблица 3.12 - Фактор безопасности и горизонтальные смещения

Fa Фактор безопасности Горизонт альные смещения, см

Ба2-10 м 2.33 30

Ба2-20 м 2.38 30

Ба2-30 м 2.36 25

Ба2-40 м 2.37 20

Карьер 2.48 Устойчив

Из приведенных данных по таблице 3.12 видно, что борт карьера будет устойчив если техногенная трещина параллельная борту карьера будет расположена от 10 до 40 м.

Выводы по разделу 3.4:

В данном разделе были рассмотрены разного расположения техногенные трещины возникающие в уступах и бортах карьера в ходе ведения горнодобычных работ. Анализ интернет источников показал, что критическая величина горизонтальных смещений борта карьера составляет 20-40 см, например, [85-91]. Учитывая данные по интернет источникам мы

провели оценку полученных результатов горизонтальных смещений, полученных в ходе проведения численного моделирования.

Данные по горизонтальным смещениям показали, что наиболее опасные трещины те, что расположены параллельно относительно уступа и борта в целом. Смещения достигают более 1 м, если такого рода трещины располагаются ближе чем 10 м до борта карьера. Образовавшиеся в уступах и бортах карьера вертикальные трещины не сильно влияют на устойчивость в целом, так как горизонтальные смещения достигают лишь 50 см.

3.5 ВЛИЯНИЕ КРУПНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ТРЕЩИН НА УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТОВ КАРЬЕРА ЦЕНТРАЛЬНЫЙ АО "АПАТИТ"

План фактического состояния горных работ на 28.01.2013 с границами Центрального карьера с нанесенными расчетными профилями представлен на рисунке 3.16.

Рисунок 3.16 - План расположения расчетных инженерно-геологических

профилей карьера Центральный По инженерно-геологическим условиям в прибортовом массиве карьера выделены следующие литологические разности:

+ вмещающие перекрывающие породы: луявриты, малиньиты, ийолиты,

рисчорриты массивные (северный борт карьера); + вмещающие подстилающие породы: ювиты и уртиты (южный борт карьера).

Прибортовой массив интенсивно трещиноватый с размером отдельностей от долей метра до первых метров. Трещиноватость пород может быть причиной возникновения разрушения уступов при условии наличия в массиве сплошных трещин (Рисунок 3.17 - 3.18), падающих согласно с откосом уступов под углом более 35 градусов [92-94].

Рисунок 3.17 - Техногенные трещины в борту карьера Центральный

Рисунок 3.18 - Техногенные трещины в борту карьера Центральный

Надежность оценки устойчивости бортов карьеров зависит, прежде всего, от достоверности принятых в расчете свойств массива горных пород. Физико-механические свойства горных пород, слагающие прибортовой массив проектируемого карьера, приняты в соответствии с проектом отработки запасов месторождения Плато Расвумчорр открытыми горными работами [95]. Поверочные расчеты устойчивости бортов карьера и его участков проводились [96] по характеристикам, приведенным в [95].

Известно, что при отсутствии в прибортовом массиве поверхностей ослабления, способных реализоваться в поверхности скольжения, его разрушение по достижении предельного равновесия происходит в виде обрушения или оползания по поверхности, близкой по форме к круглоцилиндрической. Если в прибортовом массиве имеются ослабленные участки, сопротивляемость по которым существенно слабее окружающих пород, то поверхность разрушения частично или полностью может совпадать с этими участками.

Расчет устойчивости борта карьера в зоне влияния техногенных трещин проведем на примере разреза 5 карьера Центральный ОАО Апатит, для которого коэффициент запаса составляет п=1.52. Наблюдениями за смещениями бортов карьера в 2000 - 2011 годы [96] установлено, что максимальные смещения реперных точек составляют 2.5 см. Согласно данным предварительных расчетов, для условий данного карьера можно принять значение сцепления С=3.2 МПа и угла внутреннего трения ф=350, при которых фактор безопасности Б8=1.54 близок к коэффициенту запаса.

Рисунок 3.19 - Конструкция борта карьера и техногенная трещина, параллельная средней линии падения борта в пределах горизонтов 400 м - 545 м

Результаты расчетов при смещении трещины от борта карьера в массив (через 10 м) приведены в таблице 3.13.

Таблица 3.13 - Фактор безопасности и горизонтальные смещения

Та Фактор безопасности Горизонтальные смещения, см

Ба1-10 м 1.40 Более 1 метра

Ба1-20 м 1.42 Более 1 метра

Ба1-30 м 1.53 3.5

Ба1-40 м 1.54 5.0

Ба1-50 м 1.48 3.5

Карьер 1.54 1.6

Если техногенная трещина такого типа (параллельна борту карьера), то максимальное снижение фактора безопасности 10% если трещина расположена в 15 м от 1 уступа [97]. Однако максимальные горизонтальные смещения в этом случае достигают 40 см, т.е. при таком размере техногенной трещины второй и третий уступы в пределах горизонтов 400 м - 545 м разрушатся (рисунок 3.20).

/

еоп1ои1 ¡г1ег»й1- 5 000Е-02 -4 000Е-01 1о 0.0X000

/

В "1-000 Е ОI •3.600Е О1 .3 000= 01

- -2 400Е-01

- -2 000Е01 ■ -1 500 В01 = -1 000Е01 _ -Г\ 000Е 02 4 О.ОСОЕ-ЮО >1оск р1с1

I

4

15

16

17

Рисунок 3.20 - Горизонтальные смещения при наличии техногенной трещины в пределах горизонтов 400 м - 545 м на расстоянии 15 м от 1 уступа

Аналогичная ситуация в случае если техногенная трещина расположена в 20 м от 1 уступа.

Если техногенная трещина расположена в 30 м от 1 уступа (или более), то максимальные горизонтальные смещения не превосходят 5 см на некоторых кромках бортов карьера.

На рисунок 3.20 приведено распределение горизонтальных смещений в прибортовом массиве на разрезе 5 при наличии техногенной трещины параллельной средней линии падения борта в пределах горизонтов 400 м -545 м и расположенной в 30 м от первого уступа на горизонте 400 м. Видно, что максимальные значения смещений приурочены к линии падения техногенной трещины.

лссгг сп: ос п1:игс с инкоис 2ОСОЕ-0(3

♦1 4С0С СГ2 1о 2.С03Е-03 И .1.430Е 02

У -1 яоор-Г,? п СООЬ 02 и| -3 ОООЕОЗ

[4 -вооос со у 1 (МОЕГО

В -ЗОЭОЕ-РЗ

У о.соос^со

[-4 2.000Е-03 ЬТрск |■ I I

Рисунок 3.21 - Горизонтальные смещения в прибортовом массиве при наличии техногенной трещины в 30 м от первого уступа на горизонте 400 м

Если техногенная трещина располагается в 40 м от первого уступа на горизонте 400 м (рисунок 3.23), то максимальные горизонтальные смещения приурочены не только к линии ее падения, но и выходят на кромку уступов.

Схема 12. Расчетная схема конструкция борта карьера (разрез 5) приведена на рисунке 3.22.

Рисунок 3.22 - Конструкция борта карьера и техногенная трещина, параллельная средней линии падения борта в пределах горизонтов 545 м - 745 м

Fa Фактор безопасности Горизонт альные смещения, см

Ба2-10 м 1.31 Более 1 метра

Ба2-23 м 1.37 Более 1 метра

Ба2-30 м 1.45 Более 1 метра

Ба2-40 м 1.50 Более 1 метра

Ба2-50 м 1.50 16

Карьер 1.54 1.6

Если техногенная трещина такого типа (параллельна борту карьера во второй его части), то максимальное снижение фактора безопасности 15% если трещина расположена в 10 м от 1 уступа. Однако максимальные горизонтальные смещения таковы, что при таком размере техногенной трещины часть борта в пределах данного этажа разрушится (рисунок 3.23).

я

И /

Рисунок 3.23 - Горизонтальные смещения при наличии техногенной трещины в пределах горизонтов 545 м - 745 м на расстоянии 10 м от 1 уступа

Аналогичная ситуация в случае если техногенная трещина расположена в 20 м, 30 м и 40 м от 1 уступа (рисунок 3.24-3.25).

Рисунок 3.24 - Горизонтальные смещения в прибортовом массиве при наличии техногенной трещины в 30 м от первого уступа на горизонте 545 м

Рисунок 3.25 - Горизонтальные смещения в прибортовом массиве при наличии техногенной трещины в 40 м от первого уступа на горизонте 545 м

Если техногенная трещина расположена в 50 м от 1 уступа, то максимальные горизонтальные смещения достигают 16 см на всех кромках борта карьера в пределах данного этажа (рисунок 3.26).

Рисунок 3.26 - Горизонтальные смещения в прибортовом массиве при наличии техногенной трещины в 50 м от первого уступа на горизонте 545 м

Схема 13. Оценка устойчивости борта карьера в зоне влияния техногенной трещины проведена на примере разреза 5 карьера Центральный АО Апатит. Трещина из точки, расположенной в 190 м от уступа на горизонте 400 м, достигает правой точки каждого уступа борта в пределах горизонтов 400 м - 545 м. Расчетная схема приведена на рисунке 3.27.

Результаты расчетов при смещении трещины в край каждого уступа борта карьера в пределах горизонтов 400 м - 545 м приведены в таблице 3.15. Таблица 3.15 - Фактор безопасности и горизонтальные смещения

Fa Фактор безопасности Горизонтальные смещения, см

Ба3-У415 1.46 10.0 во 2 уступе

Ба3-У445 1.48 6.0 в 3 уступе

Ба3-У475 1.47 3.0 в 4 уступе

Ба3-У505 1.46 4.0 в 2-4 уступах

Ба3-У535 1.50 5.0 в 2-5 уступах

Ба3-У545 1.50 4.0 в 2-5 уступах

Карьер 1.54 1.6

<юо

800

700-

600

500 400 -300- г-1--

-Г" 7 Т -Г 1 -Г Т -Г

1500 1600 1700 1ЭОО 1900 2000 2100 2200 2300

Рисунок 3.27 - Расчетная схема для оценки устойчивости борта карьера в зоне влияния

техногенной трещины

Если техногенная трещина такого типа (от борта карьера в массив), то максимальное снижение фактора безопасности 5%, а максимальные горизонтальные смещения возрастут до 10 см. Следовательно, техногенные трещины такого типа не оказывают существенного влияния на устойчивость борта карьера в пределах горизонтов 400 м - 545 м (Рисунок 3.28-3.29).

Рисунок 3.28 - Горизонтальные смещения в прибортовом массиве при наличии техногенной трещины из точки, расположенной в 190 м от уступа на горизонте 400 м, до

правой точки второго уступа борта

Г

Ж