CC BY
18
© B.B. Рыбин, О.Г. Журавлева,
A.C. Калюжный, Д.А. Потапов, 2015
УДК 622.831
В.В. Рыбин, О.Г. Журавлева, А.С. Калюжный, Д.А. Потапов
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ПО ОЦЕНКЕ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ С УЧЕТОМ ГРАВИТАЦИОННО-ТЕКТОНИЧЕСКОГО ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ *
Описан программный комплекс для расчета коэффициента запаса устойчивости. Рассмотрены особенности разработки программного комплекса по оценке устойчивости бортов карьеров с учетом гравитационно-тектонического поля напряжений. Приведены примеры сравнения с другими программными комплексами и выявлены преимущества и недостатки. Ключевые слова: программный комплекс, устойчивость бортов карьеров, коэффициент запаса устойчивости, гравитационно-тектоническое поле напряжений.
Разработанная Горным институтом КНЦ РАН методика геомеханического обоснования параметров бортов карьеров в массивах скальных тектонически напряжённых пород (далее — методика ГоИ КНЦ РАН) в настоящее время применяется для оценки устойчивости крупных рудных карьеров северо-запада России (карьер рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК», карьеры Центрального и Восточного рудников АО «Апатит», карьер «Олений ручей» АО «Северо-западная фосфорная компания», карьеры АО «Олкон» и др.) [1—3].
Оценка устойчивости состоит в сравнении сдвигающих и удерживающих сил по граням выделенного расчётного блока с учётом нормативно заданного коэффициента запаса устойчивости. В пределах прикарьерного массива пород выделяются блоки, ограниченные земной поверхностью, открытым очистным пространством и поверхностями эффективных структурных неодно-родностей, т.е. тех структурных неоднородностей, которые определяют процессы деформирования и разрушения конкретного объёма пород или сооружения (в данном случае - борта карьера в целом). Нагрузка на выделенный расчётный блок определяется
Исследования выполнены в рамках гранта по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» № 14-17-00751.
совместным действием собственного веса и горизонтальных сил тектонической природы.
Производится расчёт устойчивости участка массива скальных пород, ограниченного со стороны карьера выработанным пространством, со стороны массива пород - структурными неодно-родностями I и II (или только II) иерархических уровней и с боков - структурными неоднородностями I иерархического уровня.
При этом в расчётных схемах принимаются следующие упрощения:
1. Подсекающая поверхность ослабления II иерархического уровня пересекает линию откоса борта в её сопряжении с дном карьера, а вертикальная поверхность ослабления I иерархического уровня пересекает дневную поверхность в точке сопряжения первоначального рельефа земной поверхности и карьерного пространства.
2. Боковые поверхности ослабления, ограничивающие выделяемый расчётный блок, принимаются взаимно параллельными друг другу и перпендикулярными борту карьера (рис. 1).
В зарубежной практике существуют различные методы расчета устойчивости, основанные на тех же физических принципах: метод Феллениуса (Fellenius), Бишопа (Bishop simplified), Янбу, обычный и модифицированный (Janbu simplified, Janbu corrected), два метода корпуса военных инженеров США (Corps of Engineers №1 и Corps of Engineers №2), Лоу-Карафиата (Love-Karafiath), Моргенштерна-Прайса (Morgenstern-Price), Спенсера (Spencer) и другие. Основная особенность заключается в том, что эти методики
I
II
н
Рис. 1. Схемы расчёта устойчивости борта карьера
реализуются в программных комплексах, которые позволяют смоделировать как откос, так и борт карьера в целом и в автоматическом режиме прогнозировать и просчитывать все возможные варианты образования опасных поверхностей скольжения. Существует около десятка программ по расчету устойчивости таких как: «Galena», «SVSlope», «Slide», «Flacslope», а также отечественная разработка «Устойчивость склона» и другие. В настоящее время данные программные комплексы нашли применение в практике оценки устойчивости бортов карьеров и отвалов на предприятиях Кольского региона [4-7].
Основное отличие методики ГоИ КНЦ РАН состоит в учёте действующего в массиве пород гравитационно-тектонического поля напряжений и решении задачи устойчивости откоса в объёмной постановке.
Выполнение оценки устойчивости с использованием методики ГоИ КНЦ РАН обладало существенным недостатком: приходилось большой объем времени затрачивать на выполнение непосредственно расчетов. В связи с этим возникла необходимость в создании программного комплекса, реализующего данную методику в автоматизированном режиме. Далее представлено описание разработанного программного комплекса.
Главное окно программного комплекса (рис. 2) отображает поля ввода исходных данных со схемой расчета устойчивости откоса. Основными характеристиками здесь являются следующие параметры:
у - объемный вес пород (т/м3);
Ф - угол внутреннего трения по поверхностям ослабления (град);
а - угол откоса конструкции (град);
Н - высота откоса конструкции (м);
Р - угол подсекающей поверхности, плоскости ослабления (град); 2
С' - сцепление по поверхностям ослабления (т/м );
Рбок - абсолютные значения горизонтальных нап2ряжений, приложенных к боковым граням структурного блока (т/м ).
На рис. 3 представлен пример результата расчетов.
В качестве примера для сравнения произведен расчет устойчивости проектного контура карьера «Куркенпахк» с использованием программных комплексов Galena 6.0, SVSlope 2D и ГоИ КНЦ РАН. Полученные коэффициенты запаса устойчивости (КЗУ) приведены в табл. 1 [8].
Щ Р.е5и11I I ^ | м
РЬок=0] РЬок=1ООО РЬок=2000 РЬок=3000 РЬок=4000 РЬок=5000
С=0 С=5 С=10 С=15 С=20
Ье1а=5 е,Б е,ез 6,76 6,84 6,92
Ье1а=10 3,27 3,32 3,36 3,4 3,44
Ье1а=15 2,15 2,13 2,21 2,24 2,28
Ье1а=20 1,59 1,е1 1,64 1,66 1,68
Ье1а=25 1,24 1,26 1,26 1,3 1,33
Ье1а=30 1 1,02 1,04 1,08 1,08
Ье(а=35 0,82 0,85 0,87 0,89 0,82
Ье1а=40 0,69 0,72 0,74 0,77 0,8
Ье(а=45 0,58 0,62 0,67 0,72 0,76
Рис. 3. Внешний вид программного комплекса: пример результата расчетов
Таблица 1
Значения КЗУ, полученные с использованием программ Galena 6.0, SVSlope 2D и программой, разработанной ГоИ КНЦ РАН
КЗУ Galena 6.0 (грав.) SVSlope 2D (грав.) ГоИ КНЦ РАН (грав.) ГоИ КНЦ РАН (гравит. - тект.)
1. Лежачий бок 1.53 1.55 1.84 2.24
2. Висячий бок 1.49 1.47 1.74 2.14
Из табл. 1 видно, что результаты по всем трем методикам схожи за исключением четвертого столбца, в котором учитывалось действие гравитационно-тектонических напряжений. Учет такого рода напряжений приводит к увеличению коэффициента запаса устойчивости, что подразумевает умеренное поджатие массива горных пород.
Таким образом, реализация в программном комплексе методики оценки устойчивости бортов карьеров с учетом гравитационно-тектонического поля напряжений позволила не только упростить работу специалистов, но и повысить точность и надежность расчетов коэффициента запаса устойчивости. Необходимо отметить, что несмотря на то, что вся последовательность расчетов реализована в программном комплексе, окончательный вывод об устойчивости/неустойчивости того или иного участка борта карьера остается за специалистом.
В настоящее время работа продолжается в следующих направлениях: задание геометрии уступов карьера; возможность добавления слоев горной породы; возможность спецификации материалов либо вручную, либо из базы данных; задание точного расположение грунтовых вод; возможность применения поверхностной нагрузки в любой точке на поверхности уступа; учёт крепления откосов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Козырев A.A., Рыбин В.В., Каспарьян Э.В., Решетняк С.П. Методика определения устойчивых углов откосов бортов карьеров на действующих и проектируемых к отработке месторождениях в скальных массивах при действии тектонических напряжений // Инновационные технологии и современные методы инженерного обеспечения горно-обогатительного производства: Сб. инновационных проектов / Под ред. Академика РАН Н.Н. Мельникова. - Апатиты; СПб., 2010, с. 17-23.
2. Козырев A.A., Решетняк С.П., Каспарьян Э.В., Рыбин В.В., Кампель Ф.Б. Обоснование рациональной конструкции конечного борта карьера
рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2004. — №3. - С.243-250.
3. Рыбин В.В. Оптимизация конструкций бортов карьеров в массивах скальных тектонически-напряженных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень, №7, 2008. - с.295-299.
4. Потапов Д.А., Калюжный А.С. Анализ отечественных и зарубежных методов расчета устойчивости бортов карьеров в массивах скальных горных пород // XVI Межрегиональная научно-практическая конференция (16-18 апреля 2013 г.). Тезисы докладов. Часть 1. - Апатиты: Изд. КФ ПетрГУ, 2013г. - с.47
5. Рыбин В.В., Калюжный A.C., Потапов Д.А. Геомеханическое обоснование параметров борта карьера на месторождении «Олений ручей» и мониторинг его устойчивости // Мониторинг природных и техногенных процессов при ведении горных работ: Тез.докл. Всерос. науч. — техн. конф. с междунар. участ. (г. Апатиты, 24-27 сентября 2013 г.). - Апатиты: ГоИ КНЦ РАН, 2013. — с. 22-23.
6. Рыбин В.В., Калюжный A.C., Потапов Д.А. Оценка устойчивости двухярусных отвалов с помощью программного комплекса «Galena» // Сетевое периодическое научное издание «Проблемы недропользования», электронный рецензируемый сборник научных статей. Выпуск 1 — Екатеринбург 2014г. Изд-во ФГБУН ИГД УрО РАН-38-44с.
7. Рыбин В.В., Архипов А.В., Земцовская Е.В., Потапов Д.А. Высокие отвалы рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК», их параметры и размещение // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 4, 2014. - с.41-45.
8. Потапов Д.А., Калюжный А.С., Кузнецов H.H. Оценка устойчивости борта карьера «Куркенпахк» АО «Олкон» при помощи программных комплексов «Galena 6.0» и «SVSlope 2D» // См. наст, издание. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Рыбин В.В. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, rybin@goi.kolasc.net.ru,
Журавлева О.Г. - кандидат технических наук, научный сотрудник, olja-zh@yandex.ru,
Потапов Д.А. - младший научный сотрудник, potapovda@goi.kolasc.net.ru, Калюжный А.С. - младший научный сотрудник, anton26@goi.kolasc.net.ru, Горный институт Кольского научного центра РАН.
UDC 622.831
SOFTWARE SYSTEM DESIGN FOR OPEN PIT SLOPE STABILITY ESTIMATION WITH REGARD TO GRAVITY-TECTONIC STRESS FIELD
Rybin V.V., candidate of technical Sciences, senior researcher, rybin@goi.kolasc.net.ru, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia,
Zhuravleva O.G., candidate of technical Sciences, research associate, olja-zh@yandex.ru, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia, Potapov D.A., Junior researcher, potapovda@goi.kolasc.net.ru, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia,
Kaluzhny A.S., Junior researcher, anton26@goi.kolasc.net.ru, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia.
The paper describes methods for stability factor calculation. The specificities of software system design have been considered for open pit slope stability estimation with regard to gravity-tectonic stress field. Examples of comparison with other software systems have been given. On the basis of this comparison the advantages and disadvantages of the software designed have been indicated.
Key words: open pit slope stability, software system, stability factor, gravity-tectonic stress field.
REFERENCES
1. Kozyrev A.A., Rybin V.V., Kasparyan E.V., Reshetnjak S.P. Metodika opredelenija ustojchivyh uglov otkosov bortov kar'erov na dejstvujushhih i proektiruemyh k otrabotke mestorozhdenijah v skal'nyh massivah pri dejstvii tektonicheskih naprjazhenij (Method of determination of stable slope angles of pit walls to existing and planned treatment fields in rock massifs under effect of tectonic stresses) // Innovacionnye tehnologii i sovremennye metody inzhenernogo obespechenija gorno-obogatitel'nogo proizvodstva: Sb. innovacionnyh proektov / Pod red. Akademika RAN N.N. Mel'nikova. Apatity; SPb., 2010, pp. 17-23.
2. Kozyrev A.A., Reshetnjak S.P., Kasparyan E.V., Rybin V.V., Kampel' F.B. Obosnovanie racional'noj konstrukcii konechnogo borta kar'era rudnika «Zheleznyj» OAO «Kovdorskij GOK» (Lift the grounding of the rational design of the final pit wall of the mine "Railways" JSC "Kovdor GOK") // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2004. No 3. pp. 243-250.
3. Rybin V.V. Optimizacija konstrukcij bortov kar'erov v massivah skal'nyh tektonicheski-naprjazhennyh porod (Optimization of structures of open pit hard rock in tectonically strained rocks) // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', No 7, 2008. pp.295-299.
4. Potapov D.A., Kaljuzhnyj A.S. Analiz otechestvennyh i zarubezhnyh metodov rascheta ustojchivosti bortov kar'erov v massivah skal'nyh gornyh porod (Analysis of Russian and foreign methods of calculating the stability of pit walls in arrays for hard rocks) // XVI Mezhregional'naja nauchno-prakticheskaja konferencija (16-18 aprelja 2013). Tezisy dokladov. Chast' 1. Apatity: Izd. KF PetrGU, 2013. p. 47
5. Rybin V.V., Kaljuzhnyj A.S., Potapov D.A. Geomehanicheskoe obosnovanie parametrov borta kar'era na mestorozhdenii «Olenij ruchej» i monitoring ego ustojchivosti (Geomechanical substantiation of the parameters of a pit at the Deposit "Oleniy Ruchey" and its stability monitoring) // Monitoring prirodnyh i tehnogennyh processov pri vedenii gornyh rabot: Tez.dokl. Vseros. nauch.-tehn. konf. s mezhdunar. uchast. (Apatity, 24-27 sentjabrja 2013). Apatity: Gol KNC RAN, 2013. pp. 22-23.
6. Rybin V.V., Kaljuzhnyj A.S., Potapov D.A., Ocenka ustojchivosti dvuhjarusnyh otvalov s pomoshh'ju programmnogo kompleksa «Galena» (Estimation of stability of two-level dumps with the help of program complex "Galena") // Setevoe periodicheskoe nauchnoe izdanie «Problemy nedropol'zovanija», jelektronnyj recenziruemyj sbornik nauchnyh statej. Vypusk 1. Ekaterinburg 2014. Izd-vo FGBUN IGD UrO RAN, 38-44 p.
7. Rybin V.V., Arhipov A.V., Zemcovskaja E.V., Potapov D.A. Vysokie otvaly rudnika «Zheleznyj» OAO «Kovdorskij GOK», ih parametry i razmeshhenie (High dumps of the mine "Railways" JSC "Kovdor GOK", their parameters and placement of) // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', No 4, 2014. pp. 41-45.
8. Potapov D.A., Kaljuzhnyj A.S., Kuznecov N.N. Ocenka ustojchivosti borta kar'era «Kurkenpahk» AO «Olkon» pri pomoshhi programmnyh kompleksov «Galena 6.0» i «SVSlope 2D» (Evaluation of stability of pit wall "Coursepack" JSC "Olkon" with the help of program complexes "Galena 6.0 and SVSlope 2D") // Sm. nast. izdanie.
