CC BY
40
УДК 622.83:[528.2:629.78]
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И СТРУКТУРЫ ПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ ОТКРЫТОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ
А. А. Панжин, Н. А. Панжина
Рассмотрена роль геомеханического обеспечения технологии разработки месторождений полезных ископаемых. Основным источником данных об исходном и техногенно измененном напряженно-деформированном состоянии массива горных пород являются натурные измерения параметров процесса сдвижения прибортового массива. Инструментальным путем возможно получение двух основных видов информации: параметров интегрального движения массива, вызванных природными и техногенными факторами, а также данных об иерархически блочной структуре горного массива и его изменениях во времени. Эти данные возможно получить как прямыми маркшейдерско-геодезическими методами, так и косвенными геофизическими. Среди прямых методов необходимо отметить дистанционные, при которых не происходит непосредственного контакта с исследуемым объектом.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, структура массива, поле деформаций, вектор сдвижения, дивергенция.
Введение. Одним из приоритетных направлений развития горнодобывающего комплекса является повышение эффективности и безопасности извлечения полезных ископаемых, компенсирующее постоянное ухудшение горногеологических условий их добычи из недр. Важная роль в решении этой проблемы принадлежит геомеханическому обеспечению технологии разработки месторождений полезных ископаемых, поскольку от обоснованного выбора оптимальных параметров систем разработки и стратегии ведения очистных работ зависят и эффективность горного производства, и безопасность занятого на добыче персонала, а нередко и окружающего населения [1].
При этом основным, а зачастую единственным источником данных об исходном и техногенно измененном напряженно-деформированном состоянии массива горных пород являются натурные измерения параметров процесса сдвижения [2]. В данном случае под сдвижением горных пород -явлением, сопровождающее добычу полезного ископаемого, понимается весь комплекс деформационных процессов, протекающих в массиве горных пород, в данном случае в прибортовом массиве), при формировании исходного напряженно-деформированного состояния за пределами области влияния горных разработок и его трансформации внутри нее.
Основными факторами, определяющими формирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород, являются:
- иерархически блочное строение;
- постоянная подвижность;
- вторичное структурирование;
- концентрация современных геодинамических движений на границах вторичных структурных блоков.
При разработке месторождений полезных ископаемых комбинированным способом необходимо учитывать влияние нарушения геодинамического равновесия, вызванное совместным воздействием факторов от открытого и подземного способа разработки [3].
Методы исследования. Под воздействием вышеуказанных факторов в реальном массиве горных пород формируется мозаичное, относительно однородное по своим усредненным интегральным параметрам, напряженно деформированное состояние.
Таким образом, для горнодобывающих предприятий актуальной проблемой геомеханического обеспечения эффективного и безопасного освоения месторождений твердых полезных ископаемых является выявление параметров и закономерностей формирования исходного напряженно-деформированного состояния массива горных пород, как это было реализовано при геодинамическом мониторинге современными геодезическими методами на карьерах Качканарского ГОКа, особенно при визуализации деформационных полей (рис. 1) геоинформационными методами [4, 5], а также в виде дивергенции - одной из дифференциальных характеристик векторного поля деформаций, определяемой аналитическим путем (рис. 2).
Для разработки геомеханических моделей массива горных пород в области влияния карьеров и отвалов вышеуказанных месторождений были выполнены инструментальные геодезические измерения с использованием комплексов спутниковой геодезии по пунктам государственной геодезической сети (ГГС) и опорной маркшейдерской сети (ОМС) указанного района. При этом были выполнены повторные определения пространственных координат геодезических пунктов на площади до 30х30 км. Сопоставление современных пространственных координат сети с координатами, определенными до начала разработки месторождения, позволило определить полные вектора сдвижения - трендовые сдвижения.
Рис. 1. Поле деформаций на Качканарском геодинамическом полигоне по результатам моделирования методом конечных элементов
Рис. 2. Дивергенция поля деформаций в районе Киембаевского месторождения хризотил-асбеста
Для решения задачи обеспечения безопасности открытой и комбинированной геотехнологии необходимо:
- оценить экспериментально уровень современных геодинамических движений и параметры формируемого ими напряженно-деформированного состояния, изменяющегося во времени;
- исследовать степень неоднородности напряженно-деформированного состояния, обусловленную вторичным структурированием массива горных пород под влиянием современных геодинамических движений и формирования вторичного поля напряжений в области влияния горных работ.
Таким образом, необходимо получение инструментальным путем двух основных видов информации: параметров интегрального движения массива, вызванных природными и техногенными факторами, а также данных об иерархически блочной структуре горного массива и его изменениях во времени [6].
Результаты исследований. Данные о параметрах интегрального движения горного массива возможно получить только прямыми маркшей-дерско-геодезическими методами с использованием комплексов спутниковой (ГНСС), традиционной (тахеометры и нивелиры) геодезии и комплексов трехмерного лазерного сканирования. При этом в основу методики заложены многократные мониторинговые измерения сдвижений: либо специально оборудованных реперов, включающих пункты ГГС (Государственной геодезической сети), ОМС (Опорной маркшейдерской сети) и наблюдательных станций, в том числе специальных (рис. 3), либо облака точек непосредственно поверхностей горного массива и охраняемых объектов (рис. 4).
Сопоставление исходных и переопределенных в результате мониторинга пространственных координат реперов и трехмерных поверхностей позволяет математически построить как векторы интегральных сдвижений, так поле главных деформаций в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При этом охват измерениями маркшейдерско-геодезическими измерениями изменяется от десятков и сотен километров, до первых метров [7].
Далее, путем группировки данных о процессе сдвижения выделяются основные кластеры деформируемых структурных блоков и определяются границы между ними. Также, по результатам геомеханического моделирования, производится сопоставление теоретической и фактической моделей деформирования массива, нарушенного техногенной выемкой и определяются параметры не только вторичного, но и исходного поля напряжений. Сопоставление моделей, в которых массив представлен упругой однородной средой с моделями МКЭ (метода конечных элементов) и фактическими данными, полученными прямыми деформационными измерениями, показало их адекватность для решения ряда геомеханических задач.
Рис. 3. Величины горизонтальных перемещений и их направления на оползневом участке Качарского карьера
Поскольку при проведении маркшейдерско-геодезических измерений на первом этапе определяются вектора пространственных сдвижений, одной из важных задач является определение «условно неподвижных» пунктов, по которым центрируются и ориентируются в пространстве геометрические построения. В горном массиве, постоянная подвижность которого является одной из форм существования геологической среды, такие исходные пункты выделить невозможно [8]. Для решения задачи центрирования и ориентирования геодезических сетей применяется их привязка к сетям постоянно действующих станций IGS (International GNSS-service) или CORS (Continuously operating reference station), что позволяет при многократных сериях мониторинговых измерений выявить трендовые движения реперов в общеземной системе глобальных координат ITRF (International terrestrial reference Frame) и выделить опорные пункты, которые можно принять за «условно неподвижные» [9-10].
Рис. 4. Результаты исследования на локальных участках структуры породного массива методами трехмерного лазерного сканирования
Другим путем решения указанной задачи, позволяющим произвести центрирование и ориентирование геодезической сети в условиях отсутствия многократных серий мониторинговых измерений, является формирование «равновесной системы» с соблюдением принципа МНК (метода наименьших квадратов) для векторов сдвижений. При этом в формировании «равновесной системы» принимаются пункты ГГС, расположенные на удалении от крупных геологических структур и, по результатам геомеханического моделирования техногенного воздействия, вне областей значительного нарушения изостатического равновесия.
Данные об иерархически блочной структуре горного массива и его изменениях во времени возможно получить как прямыми маркшейдерско-геодезическими методами, так и косвенными геофизическими. Среди прямых методов необходимо отметить дистанционные, при использовании которых не происходит непосредственного контакта с исследуемым объектом. Наиболее хорошо для решения указанной задачи себя зарекомендовали методы лазерного сканирования, локальных наземной и воздушной аэрофотосъемки.
В результате данных видов съемки формируется трехмерное облако точек заранее заданной плотности, каждая точка которого имеет определенные с высокой точностью пространственные координаты, цветовые и отражающие характеристики [11-12]. При однократном получении трехмерной модели исследуемого объекта, который может быть представлен геологическим обнажением, карьером или его локальным участком, отвалом, зоной обрушения, охраняемым объектом и проч., выявляются графически или с помощью математических фильтров выделения граней и нарушения сплошности, элементы залегания и размеры иерархических блоков, слагающих массив. При исследовании дистанционными методами состояния охраняемых объектов полученная фактическая трехмерная модель здания или сооружения сопоставляется с его исходными геометрическим параметрами, при этом проверяются размеры конструктивных элементов, их выдержанность в вертикальной и горизонтальной плоскостях и проч. Это позволяет определить значения коэффициентов трещиноватости и структурного ослабления породного массива, которые используются в качестве основных исходных данных при оценке устойчивость бортов и уступов карьеров аналитическими методами.
В случае организации мониторинговых исследований дистанционными методами, по результатам сопоставления трехмерных моделей выявляется динамика трансформации геологической и техногенной среды во времени, в том числе скорости и пространственные направления смещений иерархических блоков, раскрытие или смыкание трещин, закономерности формирования оползневых участков и прочие характеристики [13].
Заключение. Таким образом, комплексные исследования условий отработки месторождений, выполненные с использованием геодезических и геоинформационных методов, позволяют повысить безопасность ведения горных работ приоткрытой и комбинированной геотехнологиях и сделать следующие основные выводы.
1. В структурном строении массива горных пород всегда имеет место значительная неоднородность, определяющее мозаичное формирование напряженно-деформированного состояния. В бортах карьера, как правило, присутствуют зоны с повышенной трещиноватостью пород, в подавляющем большинстве согласующиеся с тектоническими нарушениями.
2. Комплексное рассмотрение структурных особенностей массива горных пород и закономерностей распределения параметров вторичного напряженно-деформированного состояния позволяет провести теоретические расчеты устойчивости проектных параметров бортов карьера и выполнить их пространственное геоинформационное моделирование.
3. Для обеспечения устойчивости бортов карьеров и реализации имеющегося, как правило, резерва по устойчивости необходимо проведение действенного регулярного контроля за деформационными процессами
современными методами инструментального контроля и геоинформационного моделирования.
4. Для обеспечения безопасности горных работ предполагается задействовать три уровня контроля за развитием деформационных процессов в прибортовом массиве и откосных сооружениях карьеров:
- дискретные наблюдения за трендовыми смещениями реперов существующей наблюдательной станции, представленной, как правило, реперами ГГС и ОМС;
- объемные наблюдения за деформированием откосных сооружений методом лазерного сканирования;
- мониторинг изменений параметров среды прибортового массива геофизическими методами;
- геоинформационное моделирование геомеханической обстановки.
Приведенные выше комплексные методы исследования напряженно-деформированного состояния массива и его геоинформационного моделирования были апробированы и успешно внедрены на ряде горнодобывающих предприятий Урала и Казахстана: железорудных карьерах ССГПО, асбестовых карьерах Урала и Казахстана (Киембаевском и Джи-тигаринском).
Работа выполнена в рамках реализации государственного задания № 075-00581-19-02 по теме № 0328-2019-0005.
Список литературы
1. Панжин АА., Сашурин А.Д. Опыт решения задач геомеханики на горных предприятиях // Инженерная защита. 2016. № S2 (13). С. 88-99.
2. Панжин А.А., Сашурин А. Д., Панжина Н.А. Устойчивость бортов карьеров в условиях формирования напряженно-деформированного состояния под воздействием современных геодинамических движений // ГИАБ. 2017. № S24. С. 59-67.
3. Особенности формирования напряженно-деформированного состояния породного массива при комбинированной разработке месторождений / А.Д. Сашурин, А.А. Панжин, Ю.П. Коновалова, Н.А. Панжина // Горный журнал. 2018. № 5. С. 43-49.
4. Панжин А. А., Панжина Н.А. Методика и результаты геодинамического мониторинга на карьерах Качканарского ГОКа // ГИАБ. 2015. № S30. С. 338-348.
5. Панжин А.А., Мазуров Б.Т., Силаева А.А. Визуализация характеристик деформационных полей по данным геодезических наблюдений // Проблемы недропользования. 2015. № 3 (6). С. 13-18.
6. Геодезическое обеспечение геодинамического мониторинга объектов недропользования / А.А. Панжин, А.Д. Сашурин, Н.А. Панжина, Б.Т.
Мазуров // Вестник СГУГиТ (Сибирского государственного университета геосистем и технологий). 2016. № 4 (36). С. 26-39.
7. Исследование геомеханических условий разработки Киембаев-ского месторождения открытым способом / Е.Ю. Ефремов, А.А. Панжин, Т.Ф. Харисов, О.Д. Харисова // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2018. № 4. С. 35-45.
8. Кузьмин Ю. О. Современная геодинамика опасных разломов // Физика Земли. 2016. № 5. С. 87-101.
9. Панжин А.А. Исследование геодинамических движений CORS для обоснования методики контроля процесса сдвижения на месторождениях Уральского региона // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. № 1 (49). С. 22-26.
10. Gao Jing-Xiang, Hu Hong Advanced GNSS technology of mining deformation monitoring // Procedia Earth and Planetary Science. 2009. Vol. 1. Iss. 1. P. 1081-1088.
11. Исследование трещиноватости локальных массивов с помощью средств наземного лазерного сканирования / В.Н. Рождественский, А.А. Панжин, С.Р. Пьянзин, К. А. Кочнев // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2014. № 5. С. 75-79.
12. Лукичёв С.В., Дьяков А.Ю., Шишкин А.С. Геоинформационные методы анализа результатов геодезических и геофизических исследований при оценке результатов карьерных массовых взрывов // Проблемы недропользования. 2016. № 3 (10). С. 89-95.
13. Каспарьян Э.В., Кожуховский А.В., Розанов И.Ю. Опыт организации мониторинга устойчивости бортов и уступов карьера // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2015. № 5. C. 67-74.
Панжин Андрей Алексеевич, канд. техн. наук, ученый секретарь, panzhin@igduran.ru, Россия, Екатеринбург, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук,
Панжина Наталия Александровна, мл. науч. сотр., panzhina@,bk.ru, Россия, Екатеринбург, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук
STUDY OF THE STRESSED-DEFORMED STATE AND STRUCTURE OF ROCK MASSIF
WITH OPEN GEOTECHNOLOGY
A. A. Panzhin, N. A. Panzhina
The paper discusses the important role of geomechanical support technology for the development of mineral deposits. The main source of data on the initial and anthropogenic altered stress-strain state of the rock massif is field measurements of the parameters of the process of displacement of the near-side massif. Instrumentally, it is possible to obtain two
basic types of information: parameters of the integral movement of the massif, caused by natural and man-made factors, as well as data on the hierarchically block structure of the mountain massif and its changes over time. These data can be obtained using direct surveying and geodetic methods, as well as indirect geophysical methods. Among the direct methods, it is necessary to point out remote methods, at which direct contact with the object under study does not occur.
Key words: stress-strain state, rock massif structure, strain field, displacement vector, divergence.
Panzhin Andrey Alekseevich, candidate of technical sciences, scientific secretary, panzhin@,igduran.ru, Russia, Ekaterinburg, Institute of Mining of Ural branch of RAS,
Panzhina Nataly Alexandrovna, researcher, panzhina@,bk.ru, Russia, Ekaterinburg, Institute of Mining of Ural branch of RAS
Reference
1. Panzhin A. A., Sashurin A. D. Experience in solving geomechanics problems at mining enterprises // Engineering protection. 2016. No. S2 (13). P. 88-99.
2. Panzhin A. A., Sashurin A. D., Panzhina N. A. Stability of quarry sides under the conditions of formation of stress-strain state under the influence of modern geodynamic movements. 2017. No. S24. P. 59-67.
3. Features of formation of the stress-strain state of the rock mass in the combined development of sites / A.D. Sashurin, A. A. Panzhin, Yu. P. Konovalova, N. A. Panzhina // Gorny Zhurnal. 2018. No. 5. P. 43-49.
4. Panzhin A. A., Panina N. And. The methodology and results geodynamo cal monitoring in quarries Kachkanar GOK, GORN. 2015. No. S30. P. 338-348.
5. Panzhin A. A., Mazurov B. T., Silaeva A. A. Visualization of characteristics of deformation fields according to geodetic observations // Problems of subsoil use. 2015. № 3 (6). P. 13-18.
6. Geodesic support of geodynamic monitoring of objects of subsurface use / A. A. Panzhin, A. D. Sashurin, N. And. Panina, B. Mazurov // Bulletin of SSGA (Siberian state University of geosystems and technologies). 2016. № 4 (36). P. 26-39.
7. The study of geomechanical conditions of development Kiembai-sky open-cut mining / E. Yu. Efremov, A. A. Panzhin, T. F. Kharisov, O. D. Kharisova // news of higher educational institutions. Mining journal. 2018. No. 4. P. 35-45.
8. Kuzmin Yu. O. Modern geodynamics of dangerous faults, Izv. 2016. No. 5. P. 87101.
9. Panzhin A. A. Study of geodynamic movements of CORS for substantiation of methods of control of the process of displacement in the places of the Ural region // Bulletin of the Magnitogorsk state technical University. G. I. Nosov. 2015. № 1 (49). P. 22-26.
10. Gao Jing-Xiang, Hu Hong Advanced GNSS technology of mining deformation monitoring // Procedia Earth and Planetary Science. 2009. Vol. 1. Iss. 1. P. 1081-1088.
11. Study of fracturing of local arrays by means of ground laser scanning / V. N. Rozhdestvensky, A. A. Panzhin, S. R. Pyanzin, K. A. Kochnev // proceedings of higher educational institutions. Mining journal. 2014. No. 5. P. 75-79.
12. Lukichev S. V., Dyakov A. Yu., Shishkin A. S. Geoinformation methods of the analysis of results of geodetic and geophysical researches at an assessment of results of career mass explosions // Problems of subsoil use. 2016. № 3 (10). P. 89-95.
13. Kasparyan E. V., Kozhukhovsky A.V., Rozanov I. Yu. Experience in monitoring the stability of the sides and ledges of the quarry // proceedings of higher educational institutions. Mining journal. 2015. No. 5. C. 67-74.
УДК 622.83, 622.271.33
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ БОРТОВ КАРЬЕРОВ НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ РИСКОВ
В.И. Спирин, И.С. Ливинский, Э. Хормазабаль
Представлен подход к оценке рисков на основе вероятностного анализа устойчивости карьерных откосов различного масштаба. Вероятностный подход используется как для обоснования проектных параметров откосов, так и для управления устойчивостью откосов по результатам качественной или количественной оценки вероятности и тяжести возможных последствий. Матрица рисков является инструментом по оценке уровня риска и выработки необходимых мер реагирования.
Ключевые слова: риск, вероятность обрушения, последствия, масштаб откосов, неопределенность данных, эффективная ширина бермы, анализ чувствительности, вероятностный анализ, матрица рисков.
Введение. Любое нарушение устойчивости в карьере должно быть контролируемым в разных масштабных уровнях - уступы, группы уступов между транспортными съездами, борт карьера в целом, так как это влияет на технологические процессы, экономическую эффективность предприятия и безопасность труда. Для прогнозирования потенциальных деформаций проектных параметров карьерных откосов, обоснованных геомеханическими исследованиями, вводится понятие риска. По результатам анализа рисков и сопоставления их с приемлемыми значениями разрабатываются мероприятия по предотвращению или снижению его последствий.
Риск возникновения деформаций откосов возникает из-за недоизу-ченности и высокой неоднородности факторов, учитываемых при обосновании устойчивости откосов: природная изменчивость геологических и тектонических структур, геомеханические характеристики породного массива и поверхностей ослабления, гидрогеологические условия, а также допущения, присутствующие в расчетных методах и моделях.
При классическом детерминированном подходе к оценке устойчивости откосов, неопределенность прочностных свойств отчасти компенсируется нормативным (проектным) коэффициентом запаса устойчивости. Другие случайные факторы и допущения при этом не учитываются.
Количественная оценка риска основывается на вероятностном подходе [1], который может применяться как дополнительный к детерминированному, для учета влияния изменчивости факторов на любом этапе проектирования карьера. Вероятность обрушения откоса может определяться
