CC BY
52
горных пород, представленных гранодиорита-
ми X категории по СНиП.
1. Шевкун Е.Б., Мирошников В.И. Прогрессивная технология открытой разработки месторождений скального типа. Владивосток - Хабаровск: ДВО РАН, 1997. 88 с.
2. Miroshnikov V.I., Shevkun E.B., Sekisov G.V. Numerical modelling of interaction in the «Rock mass - damper shield» system.//Computer applications and operations research in the mineral industries:2nd Regional sympo-sium.(August 24-28,1997). - The Moscow state mining university publishing center, - Moscow, Russia: - 1997. - p. 334-339.
3. Мирошников В.И. Численное моделирование процессов перемещения при взрыве горных пород, ограничиваемых щитом. Эффективные способы добычи и переработки полезных ископаемых Дальневосточного региона. Владивосток: Дальнаука, 1998, С. - 153-160.
4. Мирошников В.И., Шевкун Е.Б. Экспериментальное исследование демпфирующих элементов от-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ражающего щита. // Эффективные способы добычи и переработки полезных ископаемых Дальневосточного региона. Владивосток: Дальнаука, 1998. - С. 98-103.
5. Шевкун Е.Б., Мирошников В.И., Леоненко Н.А., Павлова НА. Методика экспериментальных исследований элементов укрытия на взрывном полигоне. // Добыча и переработка минерального сырья дальнего востока. Владивосток: Дальнаука, 2002. - С. 125-131.
6. Гладырь А.В. Программная система «К-контроль», № ОФАП - 2025, № госрегистрации -50200200338, от 12. 07. 2002. № 155.
7. Гладырь А.В. Мирошников В.И. Экспериментальная установка для изучения динамических нагрузок на демпфирующее укрытие разрушаемого взрывом массива горных пород. Электронный журнал “Исследовано в России”, 2002, т.91, С. 999-1004.
— Коротко об авторах ----------------------------------
Секисов Г.В., Мирошников В.И., Гладырь А.В. - ИГД ДВО РАН, Хабаровск. Викторов С.Д. - ИПКОН РАН, Москва.
-------------------------------------------- © А.Н. Каюмова, 2004
УДК 622.83 А.Н. Каюмова
ПРОГНОЗ ПОСЛЕДСТВИЙ КАМНЕПАДА В КАРЬЕРАХ
Семинар № 12
ГТ ри разработке месторождений полез-М.А. ных ископаемых открытым способом решается множество геомеханических задач, важная роль среди которых принадлежит обеспечению необходимых мер безопасности. В этот комплекс проблем входят: обеспечение устойчивости бортов карьера, оптимальное конструирование бортов и другие. Решение этих проблем открывает новые перспективы для горнодобывающих предприятий, предос-
тавляя большие экономические возможности за счет увеличения угла откоса бортов, а соответственно, и уменьшения коэффициента вскрыши. Снижение затрат на вскрышные работы при достижении более крутых углов откоса карьера может повлечь за собой негативные последствия в виде обрушений кусков горной породы с верхних горизонтов, а также и в целом нарушение устойчивости борта карьера. Успешное решение этой проблемы зависит от
* Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента Российской Федерации
надежности прогноза последствий камнепада. В настоящее время явление камнепада, как проявление нарушения отдельных фрагментов уступов, сопровождающееся движение падающих камней, изучено недостаточно. Изучение явления камнепада позволяет решить задачи, связанные с защитой людей и горной техники от уничтожающего действия падающих камней, а соответственно, и решить вопрос обеспечения устойчивости технологического процесса. Устойчивость технологической цепочки при добыче полезных ископаемых необходима для горнодобывающего производства, которую можно обеспечить за счет применения мер безопасности для защиты людей и горного оборудования, работающих в карьере.
Интерес к проблеме защиты от камнепада испытывают не только горнодобывающие предприятия, но и другие отрасли народного хозяйства. Например: строительство и эксплуатация железнодорожных путей, строительство и эксплуатация автомагистральных дорог, строительство зданий и сооружений в горной местности и др. отрасли, там где есть возможность срыва как небольших, так и значительных по объему масс горных пород, парализующих нормальную жизнедеятельность человека, а иногда и представляющих непосредственную угрозу для жизни и здоровья. Проблемы защиты людей от негативных факторов природного и техногенного характера всегда актуальны и представляют собой особый интерес, вне зависимости от сферы деятельности человека.
Основным регламентирующим документом при разработки карьеров являются "Единые правила при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом"[1]. В настоящее время появилась возможность обеспечивать безопасность проведения горных работ на стадии проведения научных исследований и проектирования, рассматривая характеристики борта карьера (геометрия, физические свойства, и т.д.). Оптимальные параметры уступов позволяют решить сразу несколько задач: обеспечить безопасное ведение горных работ в карьере и повысить конкурентноспособность горнодобывающих предприятий.
Исследования параметров камнепада проводились разными методами: путем сбора фактического материала, теоретическими исследованиями и методом моделирования. Наиболее трудоемким оказался способ изучения, осно-
ванный на анализе фактического материала, полученного при экспериментах на модели уступа карьера, конструкция которой позволила варьировать высотой уступа и углом его откоса и при проведении промышленных экспериментов. Экспериментальные работы на уменьшенной модели с применением киносъемки позволило определить характер движения камней и время их пробега на отдельных участках откосов уступов и площадок. Определение основных показателей движения камней проводилось на основе промышленных экспериментов на заоткошенных участках, и на участках, где поверхность откоса образована технологическими взрывами, с наличием осыпи в нижней части уступа и с зачищенными площадками [2].
Физическое моделирование дает нам информацию о многообразии траекторий и различном характере движения падающих камней по откосам, осыпям и бермам. Применение математических методов к физической модели камнепада позволяет рассчитать коэффициент трения камней при движении и коэффициент восстановления нормальной составляющей скорости при изменении направления движения камня. Коэффициент трения камней при движении зависит главным образом от скорости движения, а коэффициент восстановления нормальной составляющей скорости при изменении направления движения камня по откосам, осыпям и уступам зависит от фракционного состава пород, слагающих массив, и плотности пород, определяемой временем стояния осыпи и временем года, во время которого проводились экспериментальные наблюдения [2].
Недостатком метода изучения явления камнепада путем сбора фактического материала является весьма ограниченные пределы входящих параметров, определяемые набором серий экспериментов. Проведение промышленных экспериментов позволяет сформировать модель камнепада применительно к условиям данного карьера, учитывая его специфику. Что же касается изучения этой же проблемы на другом карьере с другими геомеханическими характеристиками и свойствами, то возникает необходимость повторить сбор фактического материала, анализ, необходимые расчеты для построения физической модели.
Наибольшие возможности в познании процесса камнепада представляет компьютерное моделирование, сочетающее в себе достоинства моделирования и теоретических исследований. Первые компьютерные модели обрушения горных пород появились почти четыре десятилетия назад. Компьютерные программы, моделирующие процесс камнепада, предоставляют нам возможность вводить данные без ограничений в геометрии откоса и варьировать свойствами горных пород, из которых сложен массив, в широком диапазоне. Во всех программах, моделирующих движение падающих камней, профиль поверхности откоса формируется из непрерывных участков линейных сегментов, ячеек, областей, образованных при пересечении поверхности откоса вертикального откоса, в котором движется порода. Для расчета поверхностей движения и столкновения горной породы с поверхностью откоса используются математические уравнения, основанные на законах кинематики, механики и энергии. При моделировании на компьютере появляется возможность задать первоначальные параметры движения породы (например: приложить механические усилия для того, чтобы кусок породы начал двигаться, или кусок породы начнет движение из состояния покоя) и исследовать дальнейшее движение, в зависимости от внешних условий (геометрия откоса, температура окружающего воздуха, поверхностные воды, породное расклинивание и т.д.). Но даже компьютерные программы, моделирующие обрушение горных пород, не могут учесть и показать на модели влияние внутренних факторов на характер поведения падающей горной породы. К числу внутренних факторов следует отнести такие, как ориентация и местораспо-
ложение структурных нарушений, схема напластования, зоны напластования и зоны ослабления, давление воды и остаточные напряжения, обусловленные геологическим влиянием [3].
Изучение закономерностей камнепада позволяет разработать конкретные рекомендации по оптимальному конструированию бортов карьера, удовлетворяющих современным требованиям безопасности.
Прогноз последствий камнепада в зависимости от параметров борта карьера проводились для северо-западного борта Качканарского ГОКа в связи с развитием в массиве горных пород современных геодинамических движений и возможной интенсификацией проявлений камнепада. Полученные результаты представлены в таблице. С точки зрения фактора камнепада рассматривалось 2 варианта конструкции борта карьера, соответствующие заданному предельному углу наклона борта - 39° [4].
1. Н = 15 м, а = 60°, А= 10 м
2. Н = 7,5 м, а = 75°, А= 7 м
Исследования закономерностей камнепада
были выполнены при помощи компьютерной программы ЯОХ1М [3]. Программа позволяла моделировать процесс камнепада, варьируя главными параметрами профиля откоса без каких-либо ограничений в геометрии. Обрушение одного или нескольких камней происходит в результате выведения из состояния равновесия отдельного изолированного блока горной породы на поверхности откоса. В начале движения кусок породы скользит или катится по наклонной поверхности. Дальнейшее движение куска породы под действием собственного веса состоит из комбинации вращательного движения, сопровождаемого поступательным движе-
Количественные параметры проявления наиболее существенных факторов при различных вариантах конструкции борта карьера
Параметры борта, соответственно: высота уступа Н; угол заоткоски а; ширина бермы А Фактор влияния камнепада
Скорость камня при выходе на берму/ на краю бермы, м/с Максимальная высота первичного отскока, м Максимальная дальность первичного отскока, м (% от ширины бермы) Максимальная высота отскока при достижении края бермы, м
Вариант 1 Н = 15 м; а = 60°; А = 10 м 10 - 13,5 / 9 1,7 8 (80%) 0,26
Вариант 2 Н = 7,5 м; а = 75°; А = 7 м 8 - 9,5 / 5,2 1 3,2 (46%) 0,025
Рис. 1. Парс конструкции пами Н = 7,5 хранительнь
м: а - траектс уступу, б - ю ление камней
б)
ниєм камня вниз по откосу с учетом сил сопротивления (качения или скольжения), и надземного движения, состоящего из траектории (параболической, в случае д)
свободного падения по действием гравитации), разделенной отскоками при ударе куска породы об откос или горизонтальную площадку. Направления движения камней и их отскоков рассчитываются по математическим уравнениям, основанным на классических законах кинематики. В конечном итоге получаем вероятностные траектории движения камней по поверхности откоса.
При моделировании в качестве прогнозируемых последствий рассматривали основные поражающие факторы камнепада:
- параметры первичного отскока,
- дальность отката камней по горизонтальной площадке.
На рисунках представлены полученные в результате моделирования траектории движения камней и диаграммы количественного распределения по уступам после полной остановки движения.
Проведенные модельные исследования для условий вариантов 1 и 2 показали, что в обоих случаях максимальная дальность отката камней по горизонтальной площадке оказывается недопустимо большой, составляя 50 м (вариант 1) и 34 м (вариант 2), соответственно, что в несколько раз превышает ширину берм. И в том и в другом варианте большая часть камней перелетает на нижележащие горизонты, представляя опасность для людей и оборудования. Решить проблему возможно путем создания предохранительного вала. Однако, если в варианте 2 для 100-процентного улавливания камнепада достаточ- б)
но небольшой насыпи высотой 0,5 м (рис. 1), то в условиях варианта 1 высота предохранительного вала должна быть не менее 2 м (рис. 2, 3). Анализ количествен-
5 10 15 20 25 30 35 40 45
Дальность откатывания камня по горизонтальной берме, м
10 15 20 25 30 35 40
Дальность откатывания камня по горизонтальной берме, м
ных параметров камнепада, проведенных в таблице, показывает, что главным образом это обстоятельство объясняется менее интенсивным затуханием скорости и высоты отскоков
а)
Рис. 2. Параметры камнепада при конструкции борта карьера с уступами Н = 15 м , а = 60° с предохранительным валом высотой 0,5 м, а - траектория движения камней по уступу, б - количественное распределение камней по берме
Дальность отьдшвлмія ьямін по гсртонгаїшоП бсрмс. м
5 10 15 20 25 30 35 40
Дальность откатывания камня по горизонтальной оерме, м
камней при более пологом угле заоткоски уступа. Это же является причиной того, что в варианте 1 до 80% ширины бермы находится в зоне первичного отскока, в то время как в варианте 2 этот показатель составляет менее половины бермы [4].
Обобщающий анализ последствий обрушений при различных параметрах уступов и берм позволяет спроектировать предельный контур борта карьера, безопасный по фактору камнепада. Таким образом, по совокупности выше
Рис. 3. Траектория движения кусков породы по уступам Н = 15 м , а= 60°с предохранительным валом высотой 2
представленных факторов для участков борта в предельном проектном положении Главного карьера Качканарского ГОКа рекомендуются уступы высотой 7,5 м с углом заоткоски 75° и шириной бермы 7 м. Обязательным условием при этом является наличие предохранительного вала высотой не менее 0,5 м (рис. 1).
Разработанная геомеханическая модель камнепада позволяет теоретически спрогнозировать последствия проявления камнепада на любом карьере, учитывая возможность оптимизировать параметры бортов по фактору камнепада не только на стадии вывода борта на предельный контур на основе данных о фактических проявлений камнепада, но и в процессе проектирования с использованием технологий компьютерного моделирования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Единые правила безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом: Утв.21.07.92 Госгортехнадзором России. — М.: Недра, 1992. - 102 с.
2. Разработка и экспериментальные исследования по установлению параметров камнепада, выдача технических решений по обеспечению безопасности работ на временно нерабочих бортах карьеров, типовым инструкциям камнезащитных устройств и параметров временно нерабочих бортов: Отчет о НИР. / ИГД ММ СССР. Рук..
Саканцев Г.Г. Инв.№ 02910009097-Свердловск, 1990. -127с.
3. Вильсон М. Руководство пользователя ЯОХГМ. Компьютерная программа, моделирующая обрушение пород. Дарем, Великобритания (версия 5.1 Январь 1995).
4. Выявление причин оползневых явлений в бортах Главного карьера и разработка рекомендаций по их стабилизации: Отчет о НИР / ИГД УрО РАН. Рук. Сашурин АД. - Екатеринбург, 2003. - С.47-55.
— Коротко об авторах ----------------------------------
Каюмова Альфия Наиловна - младший научный сотрудник ИГД УрО РАН.
-А
УДК 622.271.:235
Г.Д. Зайцев, А.А. Зайцева
© Г.Д. Зайцев, А.А. Зайцева, 2004
