CC BY
21
- © Д.А. Потапов, A.C. Калюжный,
H.H. Кузнецов, 2015
УДК 622.831
Д.А. Потапов, А.С. Калюжный, H.H. Кузнецов
ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ БОРТА КАРЬЕРА «КУРКЕНПАХК» АО <ОЛКОН> ПРИ ПОМОЩИ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ «GALENA 6.0» И «SVSLOPE 2D>*
Приведена результаты расчетов устойчивости борта карьера «Куркенпахк» с помощью программных комплексов Galena 6.0 и SVSlope 2D, а также с использованием подхода ГоИ КНЦ РАН. Приведены физико-механические свойства пород, а также произведена оценка устойчивости в двух вариантах состояния массива: обводнённом и необводненном. Ключевые слова: устойчивость борта карьера, коэффициент запаса устойчивости, программный комплекс, физические свойства, состояние массива.
При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом очень важно обеспечить устойчивость как отдельных уступов, так и борта карьера в целом, и не допустить их деформации и обрушения в течение всего периода эксплуатации карьера.
Устойчивость борта карьера зависит от большого числа факторов, таких как: геолого-структурные особенности месторождения (в том числе и трещиноватость), физико-механические свойства пород, напряженно-деформированное состояние, конструкция борта карьера, гидрогеология, технология взрывания, выветривание, сейсмичность и т.д.
С устойчивостью бортов карьеров связаны вопросы технологии и безопасности работ в карьерах, а также определения предельных углов наклона бортов, предельной глубины карьеров и возможности дренирование месторождений.
Для оценки устойчивости борта карьера «Куркенпахк» были применены два лицензированных программных комплекса — Galena 6.0 и SVSlope 2D. Также использован методический подход расчета устойчивости, разработанный Горным институтом КНЦ РАН и апробированный применительно к условиям горно-
Исследования выполнены в рамках гранта по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» № 14-17-00751.
добывающих предприятий, отрабатывающих рудные месторождения открытым способом в массивах скальных пород [1—2].
Программы Galena 6.0 и SVSlope 2D представляют собой комплексы методов для решения задач по оценке устойчивости бортов карьеров. В программах могут применяться различные виды критической поверхности скольжения (круглоциллиндрическая, линейная, кусочно-линейная и др.) Для установления местоположения критической поверхности скольжения применяется метод последовательных приближений (рис. 1-4 (см. Приложение, с. 444-445).
Коэффициент запаса устойчивости определяется исходя из размеров и формы откоса, физических свойств слагающих массив пород, уровня сейсмичности и обводнённости массива, с учетом внешних нагрузок (сосредоточенные, распределенные силы) и возможности крепления.
В настоящее время программные комплексы Galena 6.0 и SVSlope 2D нашли широкое применение как за рубежом (Австралия, Канада, США, ЮАР и др.), так и в России и странах СНГ. В частности, данные программные комплексы были применены для оценки устойчивости высоких отвалов [2-3]. Также данные программные комплексы применяются для оценки устойчивости бортов карьеров в массивах скальных пород.
Месторождение железистых кварцитов «Куркенпахк» расположено в центральной части Кольского полуострова в 16 км на запад от г. Оленегорск и относится к Заимандровскому железорудному району. Разработка месторождения начата несколько лет назад. На текущий момент глубина карьера составляет порядка 90 м. Проектная глубина карьера составляет более 200 метров. Рудные тела падают субвертикально до 500 м от поверхности.
Исходной информацией для расчета устойчивости борта карьера «Куркенпахк» АО «Олкон» служит «Отчет о результатах проведения разведочных работ на северном участке месторождения железных руд «Куркенпахк» с подсчетом запасов», ОАО «ЦКЭ» и по результатам предыдущих работ [4-5] и лабораторных испытаний.
• Средняя плотность гнейсов различного состава ув = 2,8 т/м3.
• Средняя плотность железистых кварцитов ур = 3,25 т/м3.
• Сцепление в массиве C = 0,635 МПа.
• Угол внутреннего трения в массиве ф = 34°.
Расчеты выполнены для следующих технологических параметров.
• Высота борта карьера H = 210 м.
• Угол откоса уступов ay = 60°.
• Генеральный угол ал ~ 45° по лежачему боку и ал ~ 47° по висячему.
• Подземные воды в карьере фиксируются, вскрыт водоносный горизонт.
Во время оценки устойчивости считалось, что при расчётных значениях коэффициента запаса устойчивости (КЗУ) менее 1,0 участок борта карьера неустойчив, при значениях КЗУ больше или равно 1,0, но меньше 1,3 - участок борта карьера недостаточно устойчив, при значениях КЗУ больше или равно 1,3 - участок борта карьера устойчив.
Анализ полученных результатов
Как показывает оценка устойчивости, выполненная с использованием программ Galena 6.0 и SVSlope 2D, проектный контур карьера является устойчивым. Так по висячему боку карьера расчётный КЗУ равен 1,49 (Galena 6.0) и 1,47 (SVSlope 2D), а по лежачему боку расчётный КЗУ — 1,53 и 1,55 соответственно (табл. 1). По результатам оценки влияния отвала на устойчивость борта карьера установлено, что оно не выходит за пределы погрешности расчетов.
Оценка устойчивости с использованием подхода ГоИ КНЦ РАН
На следующем этапе работы проведен расчет устойчивости борта карьера с использованием похода, разработанного в ГоИ КНЦ РАН. Данный подход заключается в сравнении сдвигающих и удерживающих сил по граням выделенного расчётного блока с учётом нормативно заданного коэффициента запаса устойчивости. На основании имеющейся информации выделены блоки в границах прикарьерного массива пород, ограниченные дневной поверхностью, открытым очистным пространством и поверхностями эффективных структурных неоднородностей (т.е. тех структурных неоднородностей, которые определяют процессы деформирования и разрушения конкретного объёма пород или сооружения). Методика Горного института КНЦ РАН достаточно детально опубликована в открытых научно-технических источниках [3-6]. Варианты расчётных схем приведены на рис. 5.
В качестве исходных данных для оценки коэффициента запаса устойчивости используются следующие параметры:
• Средняя плотность гнейсов различного состава ув = 2,8 т/м3.
• Средняя плотность железистых кварцитов ур = 3,25 т/м3.
I II
борта карьера
• Сцепление по поверхностям ослабления С' = 30 т/м2.
• Угол внутреннего трения по поверхностям ослабления ф' = 34°.
• Углы падения структурных нарушений р определены с шагом 5°.
• Абсолютные значения горизонтальных напряжений Рбок = = 125 т/м2 (соответствует боковому отпору от веса вышележащих пород при высоте борта карьера 210 м). Дополнительно взяты значения Рбок равные 0 т/м2 и 50 т/м2.
• Значения ширины выделяемого расчётного блока, т.е. расстояние между структурными нарушениями со стороны висячего бока рудного тела Ь = 250 м (для данного месторождения соответствует расстоянию между разломом № 4 и № 5).
Полученные значения КЗУ приведены в табл. 2 и 3.
По результатам анализа значений в табл. 2 и 3 установлено, что при Рбок = 0 т/м2 и С' = 0 т/м2, когда массив горных пород представлен дезинтегрированной массой и коэффициент запаса устойчивости <1.0, то его состояние будет неустойчивым. Однако при Рбок = 125 т/м2, когда на массив действуют силы бокового отпора от вышележащих горных пород и коэффициент запаса устойчивости не опускается ниже 1,10, массив будет находится в недостаточно устойчивом состоянии. При реальных же условиях, т.е. Рбок> 0 и С > 0 (последние два столбца таблиц), коэффициент запаса устойчивости >2,14, массив будет находиться в устойчивом состоянии.
Для более наглядного представления все полученные результаты оценки устойчивости проектного контура карьера «Куркен-пахк» занесены в табл. 3 [6].
В результате оценки устойчивости проектного контура карьера «Куркенпахк» по всем методикам были получены КЗУ, приведенные в табл. 3.
Из табл. 3 видно, что расчеты по методике ГоИ КНЦ РАН имеют повышенные КЗУ, что связано с учетом действия напряжений в массиве и решением задачи в объемной постановке.
Таблица 2
Значения КЗУ, полученные с использованием методики Горного института КНЦ РАН для участка борта карьера со стороны лежачего бока рудного тела сс=45 "
Рбок= 0 т/м2 Рбок = 125 т/м2
С', т/м2 С', т/м2
0 30 60 0 30 60
Угол падения структурного нарушения (Р), град 5 7,71 9,98 12,25 10,6 12,63 14,91
10 3,82 5,04 6,26 5,16 6,38 7,59
15 2,52 3,41 4,29 3,41 4,30 5,19
20 1,85 2,60 3,34 2,53 3,28 4,03
25 1,45 2,15 2,84 1,99 2,70 3,40
30 1,17 1,90 2,63 1,63 2,36 3,09
35 0,96 1,84 2,71 1,37 2,24 3,11
40 0,80 2,23 3,65 1,16 2,58 4,01
Таблица 3
Значения КЗУ, полученные с использованием методики Горного института КНЦ РАН для участка борта карьера со стороны висячего бока рудного тела о=47°
Рбок=0т/м 2 Рбок =125т/м2
С', т/м2 С', т/м2
0 30 60 0 30 60
Угол падения структурного нарушения (Р), град 5 7,71 9,97 12,24 10,6 12,63 14,89
10 3,82 5,03 6,23 5,16 6,36 7,57
15 2,52 3,39 4,27 3,41 4,29 5,16
20 1,85 2,58 3,32 2,53 3,26 3,99
25 1,45 2,12 2,79 1,99 2,67 3,34
30 1,17 1,85 2,52 1,63 2,31 3,99
35 0,96 1,74 2,51 1,37 2,14 2,91
40 0,80 1,88 2,98 1,16 2,25 3,34
45 0,67 3,81 6,97 1,10 4,15 7,29
Таблица 3
Значения КЗУ, полученные с использованием программ Galena 6.0, SVSlope 2D и методики Горного Института КНЦ РАН
КЗУ Galena 6.0 SVSlope 2D ГоИ КНЦ РАН(грав.) ГоИ КНЦ РАН (гра-вит. - тект.)
1. Лежачий бок 1,53 1,55 1,69 2,11
2. Висячий бок 1,49 1,47 1,61 2,03
Основные выводы и рекомендации
Таким образом, в результате оценки устойчивости по данным физико-механических свойств рассматриваемого участка борта карьера, можно в первом приближении сделать вывод, что во всех случаях массив является устойчивым. По результатам расчета программными комплексами Galena 6.0 и SVSlope 2D, где поверхность ослабления имеет круглоцилиндрическую форму, КЗУ составляет примерно 1,5. По методике ГоИ КНЦ РАН, при условии действия только гравитационной составляющей (Рбок = 0 т/м2), КЗУ составляет 1,61 - 1,69, при условии действия в при-бортовой части массива пород горизонтальных тектонических напряжений, соответствующих боковому отпору от веса вышележащих пород (Рбок = 125 т/м2), КЗУ составляет 2,03 - 2,11
Уточнённую оценку величины возможного генерального угла откоса борта карьера «Куркенпахк» можно будет провести после дополнительного изучение физико-механических свойств массива горных пород и его напряжённо-деформированного состояния, т.к. эти факторы сказываются на достоверности и точности конечного результата (ГоИ КНЦ РАН проводит подобные исследования на месторождениях Кольского региона [7]). В качестве первоочередных мер, повышающих устойчивость борта карьера, следует обратить внимание на осушение массива пород либо предотвращение обводнения и применение щадящих технологий ведения взрывных работ. В случае выполнения этих условий, массив пород будет необводнён, а прибортовая зона - сохранена.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Потапов Д.А., Калюжный A.C. 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, 2013. - с. 47.
2. 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. 44 с.
3. Рыбин В.В., Архипов A.B., Земцовская Е.В., Потапов Д.А. Высокие отвалы рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК», их параметры и размещение // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 4, 2014. -
4. Потапов Д.А. Возможности увеличения угла наклона бортов Комсомольского карьера ОАО «Олкон» // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых: сб. науч. тр. - Москва: ИПКОН РАН, 2012. - Т. 2 - С.101-103. (0.3 а.л.)
5. Потапов Д.А. Оценка рейтинга массива горных пород Кировогорско-го месторождения ОАО «Олкон» по классификации проф. Д. Лобшира //XV Межрегиональная научно-практическая конференция (17-19 апреля 2012 г.). Тезисы докладов. Часть 1. - Апатиты: Изд. КФ ПетрГУ, 2012г. - с.35
6. Рыбин В.В., Журавлева О.Г., Калюжный А.С, Потапов Д.А. Разработка программного комплекса по оценке устойчивости бортов карьеров с учетом гравитационно-тектонического поля напряжений // См. наст. издание.
7. Рыбин В.В., Калюжный А.С., Константинов К.Н., Старцев Ю.А., Потапов Д.А., Панин В.И. Результаты определения параметров деструкции борта карьера комплексом геофизических методов // Горный информационно-аналитический бюллетень, №4, 2015. —с.113-118. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Потапов Д.А. - младший научный сотрудник, [email protected], Калюжный А.С. - младший научный сотрудник, [email protected], Кузнецов Н.Н. - младший научный сотрудник, [email protected], Горный институт Кольского научного центра РАН.
UDC 622.831
OPEN PIT «KURKENPAHK» («OLKON» JSC) SLOPE STABILITY ESTIMATION BY USING GALENA 6.0 AND SVSLOPE 2D SOFTWARE SYSTEMS
Potapov L.A., junior researcher, [email protected], Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia,
C.41-45.
Kaluzhny A.S., junior researcher, [email protected], Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia,
Kuznetcov N.N., junior researcher, [email protected], Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia.
The results of the open pit «Kurkenpahk» slope stability calculation have been given by using Galena 6.0 and SVSlope 2D software systems and an approach developed by MI KSC RAS. The rock's physical properties determined also have been given. Two variants of the rock mass state (water saturated and unsaturated) have been estimated.
Key words: open pit slope stability, stability factor, software system, physical properties, rock mass
state.
REFERENCES
1. 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. pp. 47
2. 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. Issue 1. Ekaterinburg 2014, Izd-vo FGBUN IGD UrO RAN, 38-44 pp.
3. 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) // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', No 4, 2014. pp. 41-45.
4. Potapov D.A. Vozmozhnosti uvelichenija ugla naklona bortov Komsomol'skogo kar'era OAO «Olkon» (Possibility of increasing the angle of inclination of the sides of the Komsomol career of JSC «Olkon») //Problemy osvoenija nedr v XXI veke glazami molodyh: sb. nauch. tr. Moscow: IPKON RAN, 2012. V. 2, pp. 101-103. (0.3 a.l.)
5. Potapov D.A. Ocenka rejtinga massiva gornyh porod Kirovogorskogo mestorozhdenija OAO «Olkon» po klassifikacii prof. D. Lobshira (Estimation of the rating of rock mass Kirovogorsk Deposit of JSC «Olkon» for the classification of Professor D. Lobser) // XV Mezhregional'naja nauchno-prakticheskaja konferencija (17-19 aprelja 2012). Tezisy dokladov. P.1. Apatity: Izd. KF PetrGU, 2012, p. 35.
6. Rybin V.V., Zhuravleva O.G., Kaljuzhnyj A.S, Potapov D.A. Razrabotka programmnogo kompleksa po ocenke ustojchivosti bortov kar'erov s uchetom gravitacionno-tektonicheskogo polja naprjazhenij (Development of software for the evaluation of stability of pit walls taking into account the gravitational tectonic stress field) // Sm. nast. izdanie.
7. Rybin V.V., Kaljuzhnyj A.S., Konstantinov K.N., Starcev Ju.A., Potapov D.A., Panin V.I. Rezul'taty opredelenija parametrov destrukcii borta kar'era kompleksom geofizicheskih metodov (Results of determination of parameters of the destruction of a pit complex of geophysical methods) // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', No 4, 2015. pp. 113-118.
