Инженерно-геологическое обоснование конструкции карьерных откосов при разработке перекрывающей толщи Ломоносовского месторождения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.16, кандидат технических наук Кольцова, Елена Ильинична

• Кольцова, Елена Ильинична
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кольцова, Елена Ильинична

Введение.

Глава I. Анализ инженерно - геологических и гидрогеологических условий месторождения.

§ 1. Состояние изученности объекта.

§ 2. Предварительная оценка предлагаемых технических решений по разработке карьера «Трубка Архангельская»

§ 3. Требования к формированию техногенных массивов и отвалов (насыпных и намывных).

Глава II. Оценка влияния обводненности массива на устойчивость карьерных откосов.

§ 1. Методы расчета устойчивости откосов.

§ 2. Расчетные характеристики физико-механических свойств перекрывающей толщи.

§ 3. Мероприятия по обеспечению устойчивости.

Глава Ш. Инженерно — геологическое обоснование конструкции откосных сооружений и порядка формирования техногенных массивов.

§ 1. Бортовые массивы.

§ 2. Отвальные насыпи и намывные массивы.

Глава IV. Разработка рекомендаций по гидрогеомеханическому мониторингу.

§ 1. Бортовые массивы.

§ 2. Техногенные массивы.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Инженерно-геологическое обоснование конструкции карьерных откосов при разработке перекрывающей толщи Ломоносовского месторождения»

Актуальность работы. Открытие на территории Архангельской области месторождения алмазов имени М.В. Ломоносова определило роль области как важнейшего потенциального источника минерального сырья алмазодобывающей отрасли промышленности России.

В то же время необходимо иметь в виду, что разведанные месторождения алмазов характеризуются сложными горно-техническими и геоэкологическими условиями. Они расположены на заболоченной территории, перекрыты мощными наносами. Вмещающие и перекрывающие породы имеют низкие прочностные характеристики, обильно обводнены, что создает серьезные проблемы для промышленной разработки открытым способом, не имеющем аналогов в практике отечественных открытых горных работ.

Поэтому разработка методов управления устойчивостью откосов уступов, борта карьера и отвалов, отсыпаемых на слабые основания является актуальной научной и технической задачей.

Необходимость проведения работ указанного направления вытекает из Федеральных законов «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (№ 116-ФЗ) и «О безопасности гидротехнических сооружений» (№ 117-ФЗ), введенных в действие в 1997 г, а также в в соответствии с «Едиными правилами безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом» (Постановление № 57 от 9 сентября 2002 г.).

Целью работы является инженерно-геологическое обоснование геометрических параметров бортов и отвалов для обеспечения безопасного и эффективного ведения открытых горных работ при освоении месторождения алмазов на севере Архангельской области.

Идея работы заключается в том, что высота и углы наклона карьерных откосов обосновываются результатами оценки инженерно-геологических условий по данным разведки месторождения (на стадии разведки) и затем уточняются с помощью гидрогеомеханического мониторинга при горностроительных и горно-эксплуатационных работах.

Научные положения и их новизна:

1) выбор технологии отработки песчано-глинистых обводненных отложений следует осуществлять с учетом характера возможных гидрогеомеханических процессов в обводненных бортовых массивах и при формировании намывных и насыпных отвалов на слабых водонасыщенных грунтах естественных заболоченных оснований;

2) породы рудного тела (различные типы брекчий) имеют прочностные и плотностные характеристики, незначительно отличающиеся от вмещающих пород. Прогнозные расчеты устойчивости карьерных откосов следует осуществлять по схемам подтопленного и фильтрующего откосов с применением методов алгебраического суммирования и многоугольника сил;

3) при формировании бортовых и отвальных массивов необходимо функционирование гидрогеомеханического мониторинга, предусматривающего закладку датчиков - пьезодинамометров в обводненных бортовых и отвальных массивах. Показания датчиков (давление воды) приводятся к вероятным поверхностям скольжения и используются для оперативного определения текущих значений коэффициента запаса устойчивости откосов через площадь эпюры давления воды.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

Результатами экспериментов по изучению состояния и свойств пород покровных отложений, а также гидрогеомеханических процессов на первоначальном этапе горно-строительных работ на карьере трубки "Архангельская"; сходимостью результатов расчетов и натурных наблюдений.

Методы исследований.

В работе применены методы теории предельного равновесия сыпучих сред, теории нелинейной фильтрационной консолидации, инженерно-геологической схематизации бортовых и отвальных массивов и инженерно-геологических аналогий.

Научное значение работы: предложена методика определения геометрических параметров обводненных откосов в покровных отложениях и полускальных породах бортового массива применительно к различным типам технологического оборудования;

- рассмотрен механизм взаимодействия намывных техногенных отложений со слабыми основаниями, представленными озерно-болотными отложениями;

- дана оценка несущей способности и возможных деформаций (осадок) намывных оснований при размещении на них отвальных насыпей.

Практическая ценность работы.

Обоснование горно-технологических решений по определению параметров углубочной системы разработки при освоении алмазоносных месторождений Архангельской группы, а также выбору режима формирования массивов внешних отвалов на слабых основаниях.

Объектами исследований являются бортовые и отвальные массивы карьеров группы алмазоносных месторождений на севере Архангельской области.

Реализация выводов и рекомендации работы.

Материалы выполненных исследований использованы при корректировке проектных решений по карьеру трубки "Архангельская", а также при планировании опытно-промышленных гидромеханизированных работ.

Апробация работы. Отдельные положения работы докладывались и обсуждались: на конференциях «Неделя горняка» (2002, 2004 гг.), на научных семинарах кафедры ОГР АГТУ и кафедры геологии МГГУ, на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, инженерно - технических работников и аспирантов АГТУ (7.02.2002 г.).

Автор выражает глубокую признательность за помощь, оказанную в процессе исследований и постоянное внимание к работе своему научному руководителю - доктору технических наук профессору Гальперину A.M.

Заключение диссертации по теме «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр», Кольцова, Елена Ильинична

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В диссертационной работе решена актуальная научная задача, заключающаяся в инженерно-геологическом обосновании конструкции карьерных откосов при разработке перекрывающей толщи Ломоносовского месторождения, что способствует повышению эффективности и безопасности разработки месторождения.

Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основании анализа инженерно-геологических и гидрогеологических условий месторождения дана оценка влияния обводненности массива на устойчивость карьерных откосов, расчеты выполнены при различных углах откосов уступов (30, 40 и 45°). Установлено, что при понижении уровня подземных вод в пределах призмы возможного оползания, коэффициент запаса устойчивости увеличивается на 20-25 %.

2. Знание закономерностей развития во времени деформаций рабочих уступов обеспечивает надежное производство вскрышных работ с использованием управляемого обрушения пород. Приведены расчеты параметров обрушения уступа для четвертичных суглинков Определены параметры обрушения уступа за счет подработки нижней части уступа гидромониторной струей.

3. Основными геомеханическими критериями при оценке безопасности техногенных массивов являются коэффициент запаса устойчивости откосных сооружений (т0, несущая способность техногенных отложений (Рдоп) и их осадки (8) на различные периоды времени, а также величина порового давления в намывных тонкодисперсных отложениях с учетом которых должна производиться эксплуатация объекта. Выполнены расчеты устойчивости отвалов и гидроотвалов на различные моменты их формирования.

4. Оперативный контроль устойчивости горно-технических сооружений следует осуществлять с использованием предложенных методов и схем получения натурной информации, обеспечивающих безопасную эксплуатацию карьеров и отвалов в сложных инженерно-геологических условиях группы алмазоносных месторождений на севере Архангельской области.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кольцова, Елена Ильинична, 2004 год

1. Абелев М.Ю. Строительство промышленных и гражданских сооружений на слабых водонасыщенных грунтах. М., Стройиздат, 1983.

2. Амарян J1.C. Свойства слабых грунтов и методы их изучения. — М.: Недра, 1990.

3. Антонов В.Й., Копенкин В.Д. Технология и комплексная механизация торфяного производства. М, Недра, 1983.

4. Арсентьев А.И., Букин И.Ю., Мироненко В.А. Устойчивость бортов и осушение карьеров. -М.: Недра, 1982.

5. Астафьев Ю.П., Попов Р.В., Николашин Ю.М. Управление состоянием массива горных пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых. Киев-Донецк, Вища школа, 1986.

6. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных работ. -.М.: Недра, 1975.

7. Валуев Е.П. Этапы освоения месторождения имени М.В. Ломоносова //Перспективы освоения минерально-сырьевой базы Архангельской области: Сб. науч. тр. междунар. науч.-практ. конф. Архангельск, 2002. С.31-35.

8. Васильев А.Б., Мгалобелов Ю.Б. Норматирование безопасности гидротехнических сооружений при проектировании // Гидротехническое строительство, 1993, № 12, с. 14-41.

9. Вахтанова А.Н., Черняев В.Ф., Литвинова В.М. Управление техногенным литогенезом при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом. Инженерная геология., 1986, № 1,с. 23-31.

10. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М., Высшая школа, 1978.

11. Галустьян Э.Л. Управление геомеханическими процессами в карьерах. -М.: Недра, 1980.

12. Галустьян Э.Л. Геомеханика открытых горных работ. Справочное пособие. М., Недра, 1992.

13. Гальперин A.M. Геомеханика открытых горных работ. М.: Изд-во МГГУ, 2003.

14. Гальперин A.M. Инженерно-геологическое изучение техногенных слабых грунтов намывных горнотехнических сооружений. Изв. ВУЗов "Геология и разведка"- 1987, № I, с.59

15. Гальперин A.M. Материалы Всесоюзного совещания по совершенствованию способов и средств защиты карьеров от подземных вод в сложных горногеологических условиях. ЦНИИ Горосушение, Белгород, 1965, с. 235-243.

16. Гальперин A.M. Специальные вопросы инженерной геологии при гидромеханизации открытых разработок. — М.: МГИ, 1974

17. Гальперин А.М. Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях. М., Недра, 1988.

18. Гальперин A.M. Устройство для комплексного зондирования водонасыщенных грунтов. A.C. 1174525 СССР, Б.И. 1985, № 31.

19. Гальперин A.M., Дьячков Ю.Н. Гидромеханизированные природоохранные технологии. — М.: Недра, 1993

20. Гальперин A.M., Зайцев B.C., Норватов Ю.А. Гидрогеология и инженерная геология. М., Недра, 1989.

21. Гальперин A.M., Стрельцов В.И. Литомониторинг на железорудных карьерах КМА. Инженерная геология. 1987, № 3, с.3-17.

22. Гальперин A.M., Фёрстер В., Шеф Х.-Ю. Техногенные массивы и охрана окружающей среды. М., изд. МГГУ, 1997.

23. Гальперин A.M., Шафаренко Е.М. Реологические расчеты горнотехнических сооружений. М., Недра, 1977.

24. Геомеханика отвальных работ на карьерах. М., Недра, 1972. Авт.: Ржевский В.В., Панюков П.Н., Истомин В.В., Гальперин A.M.

25. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. М., Строй-издат, 1973.

26. Горькова И.М. Физико-химические исследования дисперсных осадочных пород в строительных целях. М., Стройиздат, 1975.

27. Грунтоведение. Под ред. Сергеева Е.М. М.,МГУ, 1983.

28. Грязнов Т.А. Оценка показателей свойств пород полевыми методами. М.: Недра, 1984.

29. Дашко Р.Э. Механика грунтов. М., Недра, 1987.

30. Демин A.M. Устойчивость открытых горных выработок и отвалов. М., Недра, 1973.

31. Демченко А.И. Технология возведения дренажных элементов во внутренних зонах гидроотвала. Уголь, 1997, №11.

32. Дмитриенко Ю.Д., Левченко И.М. Гидроотвалы из глинистых грунтов. М., Стройиздат, 1975.

33. Дудлер И.В. Инженерно-геологический контроль при возведениии эксплуатации намывных сооружений. М,, Стройиздат, 1987.

34. Жданов С.Е. Организация литомониторинга намывного массива. Изв. ВУЗов "Геология и разведка" № 5, 1987.

35. Зарецкий Ю.К. Вязкопластичность грунтов и расчеты сооружений. М., Стройиздат, 1988.

36. Зарецкий Ю.К. Теория консолидации грунтов. М., Наука, 1967.

37. Зарецкий Ю.К., Вялов С.С. Вопросы структурной механики глинистых грунтов. Основания, фундаменты и механика грунтов. 1971, № 3, с. 1-5.

38. Ильин А.И., Гальперин A.M., Стрельцов B.C. Управление долговременной устойчивостью откосов на карьерах. М., Недра, 1985.

39. Инженерно-геологические изыскания при гидротехническом строительстве. Дзеваньский Я., Комаров И.О., Молоков JI.A., Ройтер Ф.М., Недра, 1981.

40. Крячко О.Ю. Управление отвалами открытых горных работ. М.: Недра, 1980.

41. Кустов В.П., Руппенейт К.В. Экспериментальное определение порового давления в намывных грунтах. Основания, фундаменты и механика грунтов. 1978, л 5, с. 23-25.

42. Кутепов Ю.И., Кутепова H.A. Техногенез намывных отложений. М.: Геоэкология, 2003, № 5, с. 405-413.

43. Кутепов Ю.И., Кутепова H.A., Ермошкин В.В. Обеспечение безопасных условий эксплуатации гидроотвалов и хвостохранилищ. В кн.: Проблемы геодинамической безопасности. С.-П., ВНИМИ, 1997, с. 164-169.

44. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология месторождений полезных ископаемых. Л.,Недра, 1986.

45. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Специальная инженерная геология. Л.,Недра, 1978.

46. Малюшицкий Ю.Н. Устойчивость насыпей-отвалов. Киев, Будивельник. 1975.

47. Маслов H.H. Основы инженерной геологии и механики грунтов. ; М., Высшая школа, 1985.

48. Мелентьев В.А., Колпашников Н.П., Волнин Б.А. Намывные горнотехнические сооружения. М., Энергия, 1973.

49. Мельников Б.Н., Нестеров А.И., Осипов В.И. Геотехногенные массивы как новый вид оснований инженерных сооружений. Инженерная геология. 1985, №2, с. 11-21.

50. Месчан С.Р. Начальная и длительная прочность глинистых грунтов. М., Недра, 1978.

51. Методика и технические средства геоиндикационного дешифрирования аэро- и космоснимков. Под ред. Б.А.Попова, Свердловск, 1986.

52. Методические указания по применению аэрофотограмметрии для маркшейдерских наблюдений за деформациями земной поверхности, бортов карьеров и отвалов. Белгород, ВИОГЕМ, 1983.

53. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. Л.: ВНИМИ, 1972.

54. Методическое пособие по изучению инженерно-геологических условий угольных месторождений, подлежащих разработке открытым способом. Л, Недра, 1986.

55. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. М., Изд-во МГГУ, 2001.

56. Мироненко В.А., Норватов Ю.А., Сердюков Л.И. и др. Гидрогеологические исследования в горном деле. М.: Недра, 1976.

57. Мироненко В.А., Писанец Е.П. Водопонижение на карьерах КМА. М.: Недра, 1968.

58. Мироненко В.А., Стрельский Ф.П. Практическое применение принципов гидрогеомеханики в целях повышения промышленной и экологической безопасности горных работ. Инж. геология, 1989, № 5, с. 3-14.

59. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Основы гидрогеомеханики. М., Недра, 1974.

60. Михайлов A.M. Охрана окружающей среды при разработке месторождений открытым способом. М., Недра, 1981.

61. Норватов Ю.А. Изучение и прогноз техногенного режима подземных вод. Л., Недра, 1988.

62. Нурок Г.А. Процессы и технология гидромеханизации открытых горных пород. М.: Недра, 1979.

63. Нурок Г.А., Лутовинов А.Г., Шерстюков А.Д. Гидроотвалы на карьерах. М., Недра, 1977.

64. Обеспечение устойчивости бортов карьеров цветной металлургии. В.Н. Попов, В.И. Зобнин, В.Д. Морозов и др. Цниицветмет экономики и информации, вып. 5, 1987.

65. Падуков В.А. Горная геомеханика. Изд. СпбГИ, 1997.

66. Панюков П.Н. Инженерная геология. М., Недра, 1978.

67. Панюков П.Н., Ржевский В.В., Истомин В.В., Гальперин A.M. Геомеханика отвальных работ на карьерах. М., Недра, 1972.

68. Певзнер М.Е. Горная экология — новое направление в горной науке. Тр.

69. ГИГХС. Вып. 41, т.1. М, 1977, о.6-11,

70. Певзнер М.Е. Деформации горных пород на карьерах. М., Недра, 1992.

71. Певзнер М.Е., Костовецкий В.П. Экология горного производства. М., Недра, 1990.

72. Попов В.Н., Байков Б.Н. Технология отстройки бортов карьеров. М.: Недра, 1991.

73. Попов В.Н., Несмеянов Б.В., Попова О.В. Конструкции нерабочих бортов карьеров. М.: НИА-Природа, 1999.

74. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. -СПб., ВНИМИ, 1998.

75. Разработка грунтов обрушением /Г.В. Родионов, В.М. Владимиров, Э.Г. Чайковский и др. Новосибирск, Наука, 1970.

76. Рекомендации по инженерно-геологическому обоснованию параметров отвалов сухих пород, отсыпаемых на гидроотвалах. Д., ВНИМИ, 1985.

77. Рекомендации по испытанию грунтов лопастными прессиометрами и прессиометрами-сдвигомерами. Амарян Л.С., Пичкунов А.П., Васильев A.B. и др. М,ПНИИИС, 1985.

78. Ржевский В.В. К проблеме расчета давления горных пород. Горный журнал, 1982, № 5, с. 49-52.

79. Ржевский В.В. Физико-технические параметры горных пород. М.: Наука, 1975.

80. Ржевский В.В., Болотова Л.Е. Экология горного производства. М, МГИ, 1988.

81. Ржевский В.В., Ревазов М.А. Принципы управления состоянием бортов глубоких карьеров. Горный журнал, 1975, № 1, с. 38-40.

82. Санглер Г. Исследования грунтов методом зондирования.1. М.,Стройиздат, 1971.

83. Сапожников В.Т. Устойчивость бортов карьеров выпуклых в плане. Тр. ВНИМИ,сб. 104, с 84-87.

84. Сергеев Е.М. Инженерная геология. М., МГУ, 1978.

85. Справочник по механике и динамике грунтов. Под ред. В.Б.Швеца.Киев, "Будивельник", 1987.

86. Стрельцов В.И. Литомониторинг при пользовании недрами. Тр. ВИОГЕМ, 1985.

87. Сысоев Ю.М., Кузнецов Г.Н. Проектирование и строительство золоотвалов. М., Энергоатомиздат, 1990.

88. Терцаги К. Теория механики грунтов. М., Госстройиздат, 1966.

89. Томаков П.И., Коваленко B.C. Рациональное землепользование приоткрытых горных работах. М., Недра, 1984.

90. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Л., ВНИМИ, 1989. Авт.: Кутепов Ю.И., Норватов Ю.А., Кутепова Н.А.

91. Федоров И.С., Захаров М.Н. Складирование отходов рудообогащения. М., Недра, 1985.

92. Ферронский В.И., Грязнов Т.А. Пенетрационный каротаж. М., Недра, 1979.

93. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М., Недра, 1965.

94. Фисенко Г.Л., Мироненко В.А. Дренаж карьерных полей. М.: Недра, 1972.

95. Фисенко Г.Л., Ревазов М.А., Галустьян Э.Л. Укрепление откосов в карьерах. М., Недра, 1974.

96. Флорин В.А. Основы механики грунтов. M.-JI. Госстройиздат, т.1 иП, 1959.

97. Цытович H.A. Механика грунтов. М., Высшая школа, 1983.

98. ЮО.Цытович H.A., Зарецкий Ю.К., Малышев М.В. и др. Прогноз скорости осадок оснований сооружений. И., Изд-во литературы по строительству, 1967.

99. Методические указания по наблюдениям за деформациями бортов разрезов и отвалов и интерпретация их результатов и прогноз устойчивости. Л.: ВНИМИ, 1987.

100. Внедрены следующие результаты диссертационной работы Е.И. Кольцовой

101. Инженерно-геологическое обоснование применения гидромеханизированной технологии для разработки покровной толщи месторождения имени М.В. Ломоносова.

102. На основании сопоставления экскаваторно-автомобильной разработки покровных отложений с вариантом гидромеханизированной (с применением гидромониторно-землесосных комплексов) разработки определен следующий расчетный годовой экономический эффект

103. Э=(Сс+ЕКс)-(Сн+Е-Кн). • А, где Сс себестоимость экскаваторной разработки вскрыши, руб/м , Сс=50 руб/м (по данным ОАО «Севералмаз»);

104. Сн себестоимость гидромеханизированной разработки вскрыши, руб/м3, С„=25 руб/м3 (по данным АО «ОЖОН»);

105. Е отраслевой нормативный коэффициент эффективности капвложений, Е=0,15;

106. Кс и Кн старые и новые удельные капвложения, руб/м3; (Кс= 3,45 руб/м3), К„=0

107. А годовой объем работ, м (500 тыс. м ).

108. Э=(50,52-25)-500000=12760 тыс.руб.