CC BY
36
4. Zaslavskij Ju.Z. Issledovanie projavlenij gornogo davlenija v kapi-tal'nyh vyrabot-kah glubokih shaht Doneckogo bassejna. M.: Nedra, 1966. 180s.
5. Tehnologija provedenija i podderzhanija gornyh vyrabotok bol'shogo sechenija ugol'nyh shaht - Novokuzneck/ A.Ju. Ermakov, V.P. Vasil'ev, V.N. Frjanov, V.V. Senkus// NFI KemGU, 2015. 135 s.
6. Modelirovanie v geomehanike / F.P. Glushihin, G.N. Kuznecov, M.F. Shkljarskij, V.N. Pavlov, M.S. Zlotnikov// M.: Nedra, 1991. 240 s.
7. Basov V.V., Petrov A.A., Vasil'ev P.V. Sravnitel'naja ocenka soot-vetstvija raschjotnyh i izmerennyh v naturnyh uslovijah smeshhenij porod krovli podzemnyh vyrabotok // Naukoemkie tehnologii razrabotki i ispol'zovanija mineral'nyh resursov: sbornik nauchnyh statej po materialam Mezhdunar. nauchno-prakt. konf., 7-10 ijunja 2016 g. pod ob-shh. red. V.N. Frjanova. Novokuz-neck: Izd. centr SibGIU, 2016. №2. S. 136-140.
8. Modelirovanie projavlenij gornogo davlenija / G. N. Kuznecov, M. N. Bud'ko, Ju. I. Vasil'ev, M.F. Shkljarskij, G.G. Jurevich// L.: Nedra, 1968. 279 s.
9. Kuznecov G.N., Ardashev K.A., Filatov H.A. Metody i sredstva reshe-nija zadach gornoj mehaniki / pod red. G.N. Kuznecova. M.: Nedra, 1987. 248 s.
10. Basov V.V., Rib S.V. Podbor jekvivalentnogo materiala dlja fiziche-skogo mode-lirovanija geomehanicheskih processov v okrestnosti podgotovi-tel'nyh vyrabotok ugol'nyh shaht // Vestnik SibGIU. Novokuzneck: Izd. centr SibGIU, 2016. № 4 (18). S. 32-35.
11. Tsvetkov A. B., Pavlova L.D., Fryanov V. N. Construction of the approx-imant of complete diagram for rock deformation [Jelektronnyj resurs] // IOP Con-ference Series: Earth and Environmental Science. 2016. Vol. 45. P. 1-7 (012009). URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/45/1/012009/pdf.
УДК: 622.271
ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ УСТАНОВЛЕНИЯ КРИТЕРИЕВ ПОТЕРИ УСТОЙЧИВОСТИ
ПРИБОРТОВГО МАССИВА
С.В. Цирель, А.А. Павлович, Н.Я. Мельников
Рассмотрен процесс физического моделирования прибортового массива методом эквивалентных материалов. На основе результатов моделирования, проведен анализ деформационных процессов, возникающих при моделировании открытой отработки, установлены критерии устойчивости откоса борта на каждом этапе, определена зона смещений в массиве перед обрушением и во время обрушения борта, произведено сравнение реальной и расчетной поверхности скольжения.
Ключевые слова: устойчивость борта карьера, напряженное состояние горных пород, деформационные процессы, обрушение, открытая разработка, физическое моделирование, коэффициент запаса устойчивости, поверхность скольжения.
Введение
При оценке устойчивости бортов, необходимо изучать типы, зоны распространений, и закономерности развития деформационных процессов в массиве, образующихся по мере понижения горных работ, на различных этапах отработки карьеров. Существует целый ряд подходов к анализу де-
формационных процессов в прибортовом массиве [6], в первую очередь -эмпирические, среди которых надо отметить классификацию Мочалова, критерий Демина и др.
Современные аналитические подходы обладают недостаточной точностью из-за сложностей учета временных закономерностей, включающих, как влияние вязкости, так и трещинообразования, затрудняющих расчет деформаций, а также больших погрешностей обратного пересчета при оползнях. Поэтому весьма эффективным методом, на наш взгляд, было и остается физическое моделирование. Данная статья посвящена вопросу прогнозирования потери устойчивости с помощью физического моделирования методом эквивалентных материалов при поэтапной отработке при-бортового массива.
Физическое моделирование
Физическое моделирование проводилось на примере глубокого карьера. Для подбора физико-механических свойств использовалась формула механического подобия (1), позволяющая подбирать свойства модели на основе свойств натуры [3],
nm = NH-^-L^, (1)
Ун lH
где NM , N H - физико-механические характеристики модели и натуры, имеющие размерность сила/ площадь; yM, yH - объемные веса в модели и в натуре; LM, lH - размеры в модели и в натуре.
Для подбора рецептуры были проведены испытания на одноосное сжатие и растяжение, и на одноосный срез [4, 5]. В результате данных исследований для эквивалентных материалов был выбран следующий состав: чугунная дробь -60 %, кварцевый песок - 38 %, солидол - 2 %.
Полученная смесь эквивалентных материалов укладывалась в матрицу, с последующим уплотнением каждого слоя при помощи стального катка с удельным давлением 2,5 Н/см2, 7 циклов. Оценка процессов деформаций в массиве по всей глубине проводилась при помощи фото-видео фиксации пронумерованных марок, прикрепленных к внешней дискообразной поверхности каждой стяжки. Каждая марка имела квадратную форму, что позволяло надежно фиксировать ее перемещение.
Моделирование поэтапной отработки производилась путём увеличения высоты и изменение угла откоса борта, до обрушения. На рис. 1 показана модель прибортового массива со схемой моделирования отработки.
После каждого этапа производилась фотосъемка модели. Обработка фотоматериалов проходила на базе программного обеспечения TEMA Motion 2D, отслеживающая координаты маркеров и их перемещение. Полученные данные были проанализированы в программе Trimble Business Center.
н ф в 1 ^ Ö О нг* га ш Я га р] ■в 9 Fi; s Й- jf & а а а а в а а а а а Ф а а ® а а а а ö Ф а а а а а а а
а " ч 7 'а и о/а о л £ < . > i f у а а а в в а а ® ф ® в а а а ❖
а с в в ' в ** а а в 7 а а в а а а а а в Ф а а а а а а
а 0--frfy 0 ti" в р а а К1 Ф У а Ф а В а а в а е а в Ф
9 а // и а О 4 © я в Ф а ф ❖ 4? а в в ® Ф а Ф а а в
^—^'"ЕГ'ЕЗ i ■-а а & а а в в я а а а а а в а а в а в
Е Л 0 if В/и i а Й © а а а а а а 0 а а а в а 0 0 ф в
1 а. а Л у а £ О га а а а е- а а в а в в $ Ф Ф а а а
В В s 9 0 а а а □ а а а а а а а а а Ф а в в а а в в
а а в а а в \ а в а а в В а в ф в ф в ф а а а а а а а
Рис. 1. Схема отработки модели
Результаты моделирования
Для каждого этапа моделирования произведена оценка устойчивости откоса, а так же изучены деформационные процессы, которые были зафиксированы в результате обработки координат в программном обеспечении TBC.
На рис. 2,3 представлен анализ наблюдений максимальных смещений по поверхности откоса.
Рис. 2. Перемещение точки массива на разных этапах
Рис. 3. Смещение точки в зависимости от коэффициента запаса
устойчивости
Как показали результаты наблюдений, на первых этапах отработки модели при высоких коэффициентов запаса устойчивости, в местах выемки происходила разгрузка поверхности, приводящая к поднятию грунта на некоторых участках до 0,2 мм ( до 200 мм в натуре). Так же наблюдались «релаксационные» процессы внутри массива, в средних и нижних слоях, в областях под выемкой, имеющие пятнисто-хаотичный характер, достигающих 0,01-0,05 мм (10-50 мм в натуре).
При обработке данных особое внимание было уделено этапу, предшествующему разрушению. Когда коэффициент запаса устойчивости п опускался ниже 1, 2, начиналась активизация деформационных процессов, т. е. анализ смещений в модели показал, что еще задолго до разрушения в прибортовом массиве наблюдались деформации, которые в дальнейшем спровоцировали разрушение откоса.
Таким образом, анализ смещений и их сопоставление с коэффициентом запаса устойчивости позволяет прогнозировать падение устойчивости бортов карьера. На рис. 4, 5 приведена зона смещений на этапе перед разрушением и при самом разрушении откоса борта. Наблюдения показали, что понижение горных работ и рост напряжений в массиве приводит к увеличению смещений на значительные расстояния от наиболее напряженной поверхности.
Рис. 4. Распределение зон смещений в теле модели на этапе перед разрушением (оранжевая линия - наиболее напряжённая
поверхность скольжения)
^ А И И 0 0
в ф й а ® ф ф и © и
0 Е © и Фи©
й^еэ $ в 0
©000 0<>0ф0
00000000 0 ^ и © а и 00 э га ® © ^ © © © 00000^00 00^^00000 0000000 00©0©0©000 00
□ 130-200 мм ■ 16-20 мм П7-12мм ■1,5-3,5 мм ЫО,1-0,9 мм I 0,05 мм
Рис. 5. Разрушение массива (оранжевая линия - поверхность
скольжения)
Также было установлено, что на этапе предшествующему разрушению зона смещений по поверхности распространяется на величину 1,5*Н (Н - высота откоса). Однако при разрушении откоса, зона смещений уменьшилась и составила 0,8*^ Уменьшение зоны смещений, связано с тем, что при разрушении, происходит уменьшение напряженного состояния массива из-за разгрузки.
По результатам разрушения, произведено сравнение реальной поверхности скольжения (пс), с поверхностями скольжения, построенными методом алгебраических сложения сил [7] и методом Спенсера [8] (рис. 6). На рисунке видно, как местонахождение расчетных наиболее напряжений
поверхностей достаточно точно совпадает с реальной линией обрушения. Коэффициент запаса устойчивости в момент обрушения, рассчитанный алгебраическим методом составлял 1,01, а методом Спенсера - 1,15.
Рис. 6. Сравнение поверхностей скольжения (зеленая - реальная пс, красная - алгебраический метод, оранжевая - метод Спенсера)
Заключение
На примере моделирования глубокого карьера показано, что с помощью физического моделирования, используя современные методики и оборудование для обработки результатов, можно устанавливать критерии потери устойчивости, перехода от стадии нарастании нарастания деформации и подготовки обрушения, а также получить представление о деформационных процессах внутри прибортового массива на стадиях близких к разрушению. На основании выполненных исследований планируется провести более широкий анализ условий потери устойчивости бортов карьеров и получить для разных условий численные значения критериев, учитывающих как расчетные коэффициенты запаса устойчивости, так и измеряемые деформации.
1. Технологические возможности увеличения глубины карьеров/ Б.Н. Заровняев, А.Д. Андросов, А.Н. Акишев, А.Г. Журавлёв // Рудник будущего. Научно-технический журнал. 2011. №3(7). С. 58-61.
2. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М.: Недра, 1965. 378 с.
3. Моделирование в геомеханике/ Ф.П. Глушихин [и др.]. М.: Недра, 1991. 240 с.
4. Козлов Ю.С. Исследование методов расчета устойчивости откосов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Свердловск: Горный институт им. В.В. Вахрушева; Л, 1969. 31 с.
Список литературы
5. Мочалов А.М. Исследование деформаций бортов карьеров при оценке их устойчивости: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Л.: ВНИМИ. 198 с.
6. Демин А.М. Оползни в карьерах: анализ и прогноз. М.: ГЕОС, 2009. 79 с.
7. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. Л.: ВНИМИ, 1972.
8. Хуан Я. Х. Устойчивость земляных откосов / под ред. В. Г. Мельника. М.: Стройиздат, 1988. 240 с.
Цирель Сергей Вадимович, д-р техн. наук, главный научный сотрудник, tsirel58@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Павлович Антон Анатольевич, канд. техн. наук, зав. лаборатории, dandy332@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Мельников Никита Ярославович, асп., инженер, melnikyar@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
APPLICATION OF PHYSICAL MODELING FOR ESTABLISH CRITERIA OF LOSS
OF PIT WALL'S STABILITY
S.V. Tsirel, A.A. Pavlovich, N.Y. Melnikov
Process of physical modeling of pit wall by the method equivalent materials was considered. Based on the simulation results, deformation processes arising in modeling of open pit mining was analyzed, stability's criteria of pit wall at each stage were established, zones of displacements were determined, which appeared in massif before rock fall and during rock fall, and also comparison between real and calculated sliding surfaces was shown.
Key words: stability of pit wall, stressed condition of mountain rock, deformation processes, rock fall, open pit mining, factor of safety of stability, sliding surface.
Tsirel Sergey Vadimovich, doctor of technical sciences, chief scientist, tsirel58@,mailru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University,
Pavlovich Anton Anotolyevich, candidate of technical sciences, head of laboratory, dandy332@mail.ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University,
Melnikov Nikita Yaroslavovich, postgraduate, engineer, melnikyar@yandex.ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University
Reference
1. Tehnologicheskie vozmozhnosti uvelichenija glubiny kar'erov/ B.N. Zarovnjaev, A.D. Androsov, A.N. Akishev, A.G. Zhuravljov // Rudnik budushhego. Nauchno-tehnicheskij zhurnal. 2011. №3(7). S. 58-61.
2. Fisenko G.L. Ustojchivost' bortov kar'erov i otvalov // M.: Nedra, 1965. 378 s.
3. , Kuznecov G.N., Shkljarskij M.F. Modelirovanie v geomehanike/ F.P. Glushihin [i dr.]// M.: Nedra, 1991. 240 s.
4. Kozlov Ju.S. Issledovanie metodov rascheta ustojchivosti otkosov: avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk. Sverdlovsk: Gornyj institut im. V.V. Vah-rusheva. L, 1969. 31 s.
5. Mochalov A.M. Issledovanie deformacij bortov kar'erov pri ocenke ih ustojchivosti: avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk. L.: VNIMI. 198 s.
6. Demin A.M. Opolzni v kar'erah: analiz i prognoz. M.: GEOS, 2009. 79 s.
7. Metodicheskie ukazanija po opredeleniju uglov naklona bortov, otko-sov ustupov i otvalov strojashhihsja i jekspluatiruemyh kar'erov. L.: VNIMI. 1972.
8. Huan Ja. H. Ustojchivost' zemljanyh otkosov / pod red. V. G. Mel'nika. M.: Stro-jizdat, 1988. 240 s.
