CC BY
30
DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.4.10-15 УДК 622'17:004.923
4D-МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНСОЛИДАЦИИ ГРУНТОВ ХВОСТОХРАНИЛИЩА АО «КОВДОРСКИЙ ГОК»
Н. А. Калашник
ФГБУН Горный институт КНЦ РАН, г. Апатиты
Аннотация
Приведены результаты 4D-моделирования (с учетом фактора времени) консолидации грунтов хвостохранилища АО «Ковдорский ГОК». Выявлены тенденции уплотнения грунтов насыпной дамбы и хвостовых отложений во времени в период до 80 дней. Установлено, что характер консолидации насыпных и намывных грунтов идентичен, но количественно различается. Обнаружена зависимость уплотнения грунтов насыпной и намывной частей ограждающей дамбы от времени консолидации, что предоставляет научно-техническую основу для оценки ее механического состояния и устойчивости и последующего наращивания ярусов дамбы. Ключевые слова:
4D-моделирование, консолидация, хвостохранилище, дамба, устойчивость.
4D SIMULATION OF SOIL CONSOLIDATION
OF TAILINGS STORAGE FACILITIES OF JSC "KOVDORSKY GOK"
Abstract
Keywords:
Nadezhda A. Kalashnik
Mining Institute of FRC KSC RAS, Apatity
The results of the 4D simulation (taking into account the time factor) of soil consolidation of the tailings storage facility of JSC "Kovdorsky GOK" are presented. Trends of compaction of soil of bulk dam and tail deposits in time up to 80 days have been revealed. It has been established that the character of consolidation of bulk and fill soils is identical, but quantifiably differs. The dependencies of soil compaction of the bulk and fill parts of the enclosing dam against the consolidation time have been identified, which provides a scientific and technical basis for assessing its mechanical condition and stability, and the subsequent growth of the dam tiers.
4D modeling, consolidation, tailings storage, dam, sustainability.
Введение
Строительство хвостохранилищ обогатительных фабрик горнорудных предприятий Кольского п-ова производилось, как правило, на относительно слабых грунтах (в оврагах или котловинах рек) [1]. При их эксплуатации гидрогеологический режим как в силу высокого уровня естественных грунтовых вод, так и постоянных водонасыщенных пульповых складирований хвостов обогатительных фабрик обусловливает формирование повышенного порового давления воды в грунтах всех гидротехнических сооружений хвостохранилища. В результате эффективное напряжение в грунтах оказывается низким и для надежной эксплуатации хвостохранилища и обеспечения устойчивости дамбы должны быть приняты периоды времени, в течение которых происходит промежуточное уплотнение грунтов за счет их консолидации [2, 3]. Вследствие консолидации, за счет уплотнения грунтов, избыточное поровое давление воды рассеивается и снижается, а грунт может приобрести «скелетную» жесткость, обеспечивающую сдвиговую прочность, необходимую для эксплуатации дамбы [4-6].
Для оценки степени консолидации грунтов и выявления зависимостей их уплотнения вследствие рассеивания избыточного порового давления в водонасыщенных грунтах хвостохранилища как функцию времени (автоматическая дискретизация по времени) в данной работе было выполнено компьютерное моделирование деформационно-фильтрационных
процессов (консолидация грунтов) с использованием программного комплекса PLAXIS 3D на примере хвостохранилища АО «Ковдорский ГОК». Моделирование процессов консолидации было выполнено с использованием программных модулей, позволяющих имитировать реалистичный процесс путем введения различных граничных условий для нагрузок и порового давления и заданием дополнительного параметра — временного интервала [7], то есть фактически было выполнено 4В-моделирование процессов консолидации грунтов. При этом исследовались закономерности изменения гидрогеомеханического состояния гидротехнической системы с течением времени от 1 до 80 дней.
Было выполнено сценарное моделирование 12 вариантов гидрогеомеханического состояния хвостохранилища:
• исходное состояние при текущих параметрах эксплуатации (1);
• повышение уровня водонасыщенных хвостовых отложений (2);
• последующая консолидация грунтов: в течение 1 дня (3), 2 дней (4), 3 дней (5), 5 дней (6), 10 дней (7), 15 дней (8), 20 дней (9), 30 дней (10), 50 дней (11), 80 дней (12).
Для проведения исследований в среде PLAXIS была создана 3 D-модель фрагмента расположенного на подстилающем геологическом основании хвостохранилища, включающая ограждающую насыпную дамбу и намывные хвостовые отложения и адекватная геометрическим размерам, показанным на рис. 1. Для последующего анализа процессов уплотнения грунтов был выбран поперечный разрез (указан на рис. 1, в выноске). Параметры физико-механических характеристик грунтов дамбы, намывных отложений и подстилающих пород геологического основания, используемые для расчетов, были приняты согласно работам [8-10].
Рис. 1. 3Б-модель фрагмента хвостохранилища Fig. 1. 3D model of tailings storage fragment
На рис. 2 показаны наиболее контрастные картины консолидации грунтов в модели, иллюстрирующие тенденции изменения гидрогеомеханического состояния хвостохранилища с течением времени. Уплотнение грунтов в течение 1-го дня захватывает практически всю насыпную часть ограждающей дамбы с постепенным затуханием к 10 -му и далее к 50-му дню. Однако общие приращения перемещений грунтов все-таки в большей степени приурочены к намывным хвостовым отложениям, которые являются сильно водонасыщенными. Консолидация грунтов здесь в течение 10 дней имеет интенсивный характер, а затем стабилизируется (рис 3-5).
Рис. 2. Тенденции изменения общих приращений перемещений грунтов с течением времени вследствие их консолидации
Fig. 2. Trends in the overall increments of soil movements over time due to their consolidation
Рис. 3. График зависимости общих перемещений грунтов от времени консолидации на различных участках дамбы
Fig. 3. Dependence of total soil movements on consolidation time at different dam sections
а
0,35
0,30 ■
OJQO
Гребень BepkdedH dtkde HHBDEDH DTKDC V ^_Х.БРГТС-ВЫ Е- РТЛ РЖ&НИ Д
I I I—I I I I I—I I I I I—I I I I I—I I 'I I—I I I I I—I I I I I—I I I I I—I I I I1 I I I—I I—I I I I I—I I I I I—I I I I—I I I I I
50 100 150 200 250 300 350 ¡100 450 500 550 600 650
б
o,jo
Поперечный разрез дамбы, м
0,00 | | | |—| | | | |—| | | |—| | | | |—| | | | |—| | | |—| | | | |—| | | | |—| | | | |—| | | |—| | | | |—| | | | |—| | | | |—| | | |—| | | | | О 5С НИ 150 20Ü 250 300 ЗЕО 400 450 500 550 500 650
в
0,00
-До кон с с л и да циии ■ Консолидация 5 дней Консолидация 20 дней
■ Консолидация 1 день
■ Консолидация 10 дней Консолидация 30 дней
Консолидация 3 дня Консолидация 1В дней Консолидация 5<0дней
Рис. 4. График зависимости уплотнения грунтов по центральному сечению хвостохранилища от времени консолидации: а — общих (полных) Ц,бщ; б — вертикальных Uz; в — горизонтальных Ux Fig. 4. Dependence of soil compaction on tailing tank central section on consolidation time: а — total (complete) Utotal; б — vertical Uz; в — horizontal Ux
Рис. 5. График зависимости скорости консолидации грунтов от времени Fig. 5. Soil consolidation rate versus time
Заключение
На основе компьютерного 4D-моделирования (с учетом фактора времени) установлена зависимость фильтрационно-деформационных процессов в гидротехнической системе хвостохранилища от времени консолидации грунтов, что предоставляет детерминированную основу для оценки механической устойчивости ограждающих дамб и надежности ГТС хвостохранилища как открытой сложной водонасыщенной природно-технической системы. Выявлено, что основное упрочнение грунтов происходит в первые 1-5 дней, в течение которых скорость уплотнения структурных частиц снижается от 3-6 до 1 см/сут, с последующим затуханием и соответствующим снижением фильтрационных процессов. Установлено, что полное затухание фильтрационно-деформационных процессов происходит до 80 дней, что предопределяет основу для практических рекомендаций по срокам следующего этапа наращивания дамб.
ЛИТЕРАТУРА
1. Научно-технический прогресс на горнорудных предприятиях Заполярья / Н. Н. Мельников [и др.]. Л.: Наука, 1988. 239 с. 2. Калашник А. И., Калашник Н. А. Исследования ограждающего насыпного гидротехнического сооружения как прототипа дамбы хвостохранилища горно-обогатительного предприятия // Вестник Кольского научного центра РАН. 2013. № 1 (12). С. 27-30. 3. Калашник А. И., Калашник Н. А., Запорожец Д. В. Исследование состояния насыпного гидротехнического сооружения на моренном основании // Ученые зап. Петрозаводского гос. ун-та. 2014. № 6 (143). С. 92-98. 4. Шестаков В. М. Гидрогеомеханика. М.: Изд-во МГУ, 1998. 72 с. 5. Применение современных методов для комплексных исследований состояния гидротехнических сооружений региона Баренцева моря / Н. Н. Мельников [и др.] // Вестник МГТУ. 2017. Т. 20, № 1-1. С. 13-20. 6. Калашник А. И., Запорожец Д. В., Калашник Н. А. Идентификация фильтрационно-деформационных процессов в теле ограждающей дамбы хвостохранилища // Вестник Кольского научного центра РАН. 2013. № 2 (13). С. 13-16. 7. Голуб С., Войтюк К. Опыт применения 4D-моделирования для реализации технического перевооружения // Конференция GOING DIGITAL (Москва, 19 сентября 2019 г.). URL: https://www.bentley.com/ru/global-events/going-digital-events/2019/moscow (дата обращения: 25.11.2019). 8. Калашник Н. А. 4D компьютерное моделирование фильтрационно-деформационных
процессов в ограждающей дамбе хвостохранилища // Горн. информ.-аналит. бюлл.: [науч.-техн. журн.]. 2019. С. 393-400. 9. Опыт применения георадарных подповерхностных исследований в западной части российского сектора Арктики / Н. Н. Мельников [и др.] // Проблемы Арктики и Антарктики. 2016. № 1 (107). С. 39-49. 10. Мониторинг состояния ограждающей дамбы в зоне отработки техногенного месторождения Ковдорского ГОКа / А. А. Данилкин [и др.] // Горн. информ.-аналит. бюлл.: [науч.-техн. журн.]. 2014. № 7. С. 344-351.
Сведения об авторе
Калашник Надежда Анатольевна — научный сотрудник Горного института ФИЦ КНЦ РАН E-mail: [email protected]
Author Affiliation
Nadezhda A. Kalashnik — Researcher of the Mining Institute of FRC KSC RAS E-mail: [email protected]
Библиографическое описание статьи
Калашник, Н. А. 4D-моделирование консолидации грунтов хвостохранилища АО «Ковдорский ГОК» / Н. А. Калашник // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2019. — № 4 (11). — С. 10-15.
Author Affiliation
Kalashnik Nadezhda A. 4D Simulation of Soil Consolidation of Tailings Storage Facilities of JSC "Kovdorsky GOK". Herald of the Kola Science Centre of RAS, 2019, vol. 4 (11), рp. 10-15. (In Russ.).
