Обоснование устойчивых параметров бортов карьера Жирекенского ГОКа Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© А.В. Рашкин, Е.А. Федорова, П.Б. Авдеев, 2007

УДК 622. 271.3

А.В. Рашкин, Е.А. Федорова, П.Б. Авдеев

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТОЙЧИВЫХ БОРТОВ КАРЬЕРА ЖИРЕКЕНСКОГО ГОКа

Обоснование устойчивости временно законсервиро-ванных бортов и бортов в предельных контурах Жирекенского карьера представляет актуальную научно-практическую задачу (см. статью П.Б. Авдеева и А.В. Рашкина «Опыт ведения горных работ на карьере Жирекенского ГОКа» в настоящем сборнике).

Расчетный метод. При решении задач устойчивости был использован программный комплекс «Геомеханика», разработанный в ЛИСИ под руководством профессора А.Б. Фадеева [1]. Комплекс программ для персональных компьютеров (ПК) предназначен для моделирования напряженно-деформирован-ного состояния массивов, анализа прочности и деформируемости оснований, оценки устойчивости откосов. Математический аппарат комплекса программ реализован одним из численных методов - методом конечных элементов (МКЭ). МКЭ позволяет работать с массивами любого очертания при любых граничных условиях и выделять в пределах расчётной области зоны, отличающиеся по физико-механическим свойствам. В данном случае реализована модель поведения идеальной упругопластической среды, в которой использованы следующие критерии перехода породы в предельное состояние: в области сжатия - критерий прочности Кулона-Мора; в области растяжения - прочность породы на растяжение. Программный комплекс позволяет решать упругопластическую задачу в плоской или осесимметричной пространственной постановке и успешно используется при решении различных геомеханических задач, в том числе при определении геометрических параметров устойчивых и неустойчивых бортов карьеров, уступов и отвалов.

При работе с комплексом «Геомеханика» в память ПК вводятся данные по геометрическим параметрам расчетных зон, значения физико-механических свойств пород в каждой зоне - плотность,

сцепление, угол внутреннего трения, модуль деформации, коэффициент Пуассона - и информация об узловых силах или перемещениях, с помощью которых можно вводить разного рода дополнительные воздействия на массив.

Комплекс программ на первом шаге расчёта разбивает сет-ку треугольных элементов, на втором шаге формирует матрицу жёсткости системы, на третьем шаге решает упругопластическую задачу. Информация о результатах расчёта выводится в табличной и графической форме. В последнем случае в пределах расчётной области строятся линии одинаковых напряжений, деформаций или перемещений, и выводится на печать сетка треугольных элементов. На сетке выделяются элементы, в пределах которых напряжения достигают своих предельных значений. Области, объединяющие такие элементы, называют областями пластических деформаций.

Устойчивость бортов и отдельных уступов оценивается по их напряженному состоянию. Уступ или борт считается неустойчивым, если в пределах поверхности скольжения сформировалась зона пластических деформаций.

Подготовка расчетных схем. С учётом проектной и текущей отметок дна карьера были составлены расчётные схемы, предусматривающие выделение в пределах расчётной области двух зон. Элементам первой зоны на основании данных по физикомеханическим свойствам вмещающих пород заданы характеристики (плотность пород, сцепление и угол внутреннего трения) среднетрещиноватых гранитов, а элементам второй зоны - свойства сильно трещиноватых гранитов. Расчетные значения прочностных характеристик в массиве приняты с учетом коэффициента запаса устойчивости 1,4 и 1,2. В таблице приведены использованные в расчетах деформационные характеристики гранитов - модуль деформации и коэффициент поперечной деформации по [2].

Варианты расчётных схем отличаются по глубине карьера и углу откоса уступов. При проектной глубине карьера 390 м и при текущей его глубине 180 м рассмотрено по четыре варианта схемы отстройки временного борта карьера, предусматривающей использование сдвоенных и строенных уступов с углами откосов 70° и 60°.

Во всех вариантах ширина берм безопасности принята равной 10 м, при этом по верхней бровке откоса задана нагрузка Р, эквива-

Физико-механические характеристики горных пород

лентная нагрузке на один погонный метр откоса от груженого автосамосвала БелАЗ -75191 массой 195 т и базой 5,3 м:

Р

2 Б

где ^ = 1,2 - коэффициент динамичности; Р - масса груженого автосамосвала, т; Б - его база, м.

Анализ результатов расчетов показал, что при коэффициенте запаса устойчивости 1,4 для проектной глубины карьера решение упругопластической задачи не получено, вследствие распространения зоны пластических деформаций на большую часть элементов области, т.е. борт нельзя считать устойчивым как при строенных, так и сдвоенных уступах при углах откосов 600 и 700.

Для текущей глубины карьера для строенных уступов с углом откоса 700 зона пластических деформаций сформирована в пределах поверхности скольжения борта, два нижних уступа не сохраняют устойчивость и только при угле откоса 600 зона пластических деформаций начинает формироваться

Рис. 1. Картины изолиний касательных напряжений е бортах Жирекенского карьера при глубине 180 м, отстроенных по схемам: а - строенные уступы с углом откоса 60°; б - сдвоенные уступы с углом откоса 70°

в пределах поверхности скольжения борта, все уступы сохраняют устойчивость. Для сдвоенных уступов их устойчивость сохраняется также при угле откоса 700. Характерные картины изолиний касательных напряжений в бортах карьера представлены на рис. 1. Как видно, конструкция борта сдвоенных уступов с углом откоса 700 для глубины 180 м имеет более равномерное распределение касательных напряжений и меньшие их значения. При этом в нижней части откоса максимальные значения отличаются всего на 4 %.

При коэффициенте запаса устойчивости 1,2 для проектной глубины карьера получены аналогичные результаты, а для текущей глубины все строенные уступы сохраняют устойчивость при угле откоса 700.

Для повышения устойчивости временно законсервированных бортов карьера целесообразно буровзрывные работы в приконтур-ной зоне шириной не менее 50 м производить по щадящей технологии с предварительным щелеобразованием (рис. 2). При этом общую массу контурного заряда в щелевых скважинах принимают из расчета: расстояние между контурными скважинами а = 2 м -расход ВВ на 1 п.м. скважины q = 1,5...1,7 кг, а = 2,5 м - q = 2,1...2,3 кг, а = 3,0 м - q = 2,7...3,0 кг. Расстояние между скважинами а = 2 м принимают в породах с размером отдельностей

0,5...0,7 м, а = 3,0 м - в породах с размером отдельностей 1,5 и более метров.

На участках бортов с преобладанием крутых продольных трещин с падением в выработанное пространство рекомендуются схемы без предварительного щелеобразования. При угле откоса до 600 применяется схема с оформлением откоса уступа двумя прикон-турными скважинами и тремя вспомогательными укороченными скважинами в ряду.

Сетка вспомогательных скважин - 3,5 х 3,0 м, первых при-контурных скважин - 5,0 х 4,0 м, вторых - по типовому проекту 7,0 х 6,5 м. Во всех скважинах, кроме первых вспомогательных, применяются рассредоточенные заряды массой не более (по порядку от контура, кг): 1 - 55; 2 - 100; 3 - 170; 4 - 400; 5 - 450; далее по типовому проекту - 550. Глубина вспомогательных скважин (м): 1 - 4,5; 2 - 9,8; 3 - 14,5; далее по типовому проекту - 18. При угле откоса более 750 применяется аналогичная схема с корректировкой по массе зарядов и, соответственно, по глубине первых двух вспомогательных

Рис. 2. Схема размещения зарядов при отбойке приконтурных зон с предварительным щелеобразованием (по ВНИИпроцветмет, 1988)

скважин: 1 - 70/6,5; 2 - 110/11,5 (числитель - масса, знаменатель -глубина).

В неустойчивых сильнотрещиноватых породах и выветрелых породах, в зонах тектонических разломов возможно использование экскаваторной заоткоски с разделением уступа на два подуступа.

Выводы

1. Борта карьера, отстроенные на проектную его глубину по схемам со сдвоенными и строенными уступами при ширине берм 10 м и углах откоса уступов 70-60°, не сохраняют устойчивость.

2. При коэффициенте запаса устойчивости 1,4 и глубине карьера до 180 м сохраняют устойчивость борта, отстроенные по схеме со сдвоенными уступами при угле откоса 70° и по схеме со строенными уступами при угле откоса 60°.

3. При коэффициенте запаса устойчивости 1,2 и глубине карьера до 180 м сохраняет устойчивость борт, отстроенный по

схемам со сдвоенными и строенными уступами при угле откоса 70°.

4. При временной консервации бортов вскрышных уступов при глубине карьера более 180 м целесообразно увеличивать ширину берм на выше расположенных уступах до ширины рабочих площадок, необходимых для разноса временно законсервированных бортов, и организовать регулярный маркшейдерский контроль состояния горного массива.

5. Для повышения устойчивости временно законсервированных бортов карьера целесообразно буровзрывные работы в при-контурной зоне шириной не менее 50 м производить по щадящей технологии с предварительным щелеобразованием. На участках бортов с преобладанием крутых продольных трещин с падением в выработанное пространство рекомендуются схемы без предварительного щелеобразования с оформлением откоса уступа двумя приконтурными скважинами и тремя вспомогательными укороченными скважинами в ряду.

------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - М.: Недра, 1987. - 221 с.

2. Инженерно-геологические исследования при гидротехническом строительстве. - М.: Недра, 1981. - 352 с.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------

Рашкин А.В. - доктор технических наук, профессор,

Авдеев П. Б. — кандидат технических наук, доцент, директор Горного института,

Федорова ЕА.. — кандидат технических наук, доцент,

Читинский государственный университет.

Л,_____________

------ © Е.Т. Воронов, К.Ц. Найданов,

2007