CC BY
41
УДК [622.271.33:624.131.537].001.57
© А.С. Ковров, 2015
А.С. Ковров
ВЛИЯНИЕ СЛОЖНОЙ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ И ОБВОДНЕННОСТИ МАССИВА ПОРОД НА УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ КАРЬЕРОВ
Выполнено моделирование устойчивости борта карьера на Вольногорском горно-металлургическом комбинате в программе Phase2 по критерию Кулона-Мора. Определены коэффициенты запаса устойчивости откосов карьера с учетом сложной структуры массива пород и влияния гидрологических факторов. Ключевые слова: устойчивость откосов карьеров, метод конечных элементов, коэффициент снижения прочности на сдвиг, критерий прочности Кулона-Мора.
Введение
Управление природными и техногенными массивами при открытой разработке месторождений полезных ископаемых заключается в совокупности мероприятий по поддержанию уступов, бортов карьеров и отвалов в устойчивом состоянии путем изменения в процессе разработки геометрических параметров откосов, обеспечивающих экономичное и безопасное ведение горных работ [1]. При этом учитываются изменяющиеся в пространстве физико-механические свойства и структурные особенности массива пород, гидрогеологические и техногенные факторы.
Критерием оценки состояния как природных, так и техногенных массивов, в общем случае, является коэффициент запаса устойчивости (КЗУ). В наиболее общем виде, применительно к оценке устойчивости открытых горных выработок, величину КЗУ можно представить как отношение интегралов удерживающих и сдвигающих сил по предполагаемой линии (поверхности) скольжения.
Обоснование уменьшения коэффициента запаса устойчивости бортов карьера только на 5%, в конечном итоге, может позволить уменьшить объем извлекаемой горной массы и площадь карьера от 1,5 до 20% в зависимости
от горно-геологических условий разработки (при сохранении объемов извлекаемого полезного ископаемого) [2]. Также известно, что на карьерах с глубиной до 300 м увеличение результирующего угла наклона борта на 3-4° позволяет сократить объем вскрыши до 10-11 млн м3 на 1 км фронта работ, что повышает общую эффективность открытой разработки [3].
Особую важность проблема устойчивости откосов и бортов карьеров приобретает при отработке массивов мягких вскрышных пород. Так, например, разработка россыпных месторождений титано-циркониевых руд, являющихся ценным стратегическим сырьем Украины, осложняется комплексом геологических, гидрогеологических и техногенных факторов, влияющих на режим ведения горных работ. Наиболее мощное россыпное комплексное рутил-циркон-ильменитовое Малышевское месторождение разрабатывает Вольно-горский горно-металлургический комбинат (г. Вольногорск, Украина). Технологической особенностью данного месторождения является сложный и изменчивый характер горно-геологических условий разработки, а с учетом гидрогеологических условий возникает опасность образования сдвигов пород вскрыши.
Целью данной работы является оценка устойчивости откосов борта карьера № 7 «Север» для условий Мо-троновско-Анновского участка Малы-шевского месторождения в программе конечно-элементного анализа РЬаэе2. Для ее выполнения поставлены следующие задачи:
1. Определить коэффициент запаса устойчивости борта карьера с учетом сложной структуры массива пород по критерию Кулона-Мора.
2. Оценить влияние гидрогеологических показателей на устойчивость откосов.
Изложение основного материала. Вскрышные породы месторождения представлены пестрыми сарматскими зеленовато-серыми глинами и четвертичными красно-бурыми глинами, красно-бурыми и лессовидными суглинками. Характеристика вскрышных пород карьера № 7 «Север» Малышев-ского месторождения представлена в таблице.
Значения пределов прочности на одноосное сжатие и растяжение определены для каждой литологической разности по формулам (1) и (2):
ар = 2Сд\45° -|
(1)
аСж = 2Сд 45° + 2
(2)
где С - сцепление пород в массиве, МПа; ф - угол внутреннего трения, град [3].
Глины месторождения являются во-доупором и повышают влажность вышележащих красно-бурых суглинков, что способствует возникновению зон ослабления с последующим развитием деформаций уступов карьера.
Рудный пласт имеет мощность 2,024,0 м, сложен мелкими и тонкозернистыми песками и в водонасыщенном состоянии может обладать плывунными свойствами [5]. Средняя мощность вскрышных пород составляет 45 м.
Физико-механические характеристики пород [4]
Наименование вскрышных пород и их мощность Средняя мощность слоя Ь, м Плотность у, кг/м3 Сцепление С, МПа Угол внутр. трения ф, град Предел прочности на сжатие/растяжение псж/ор, МПа
Суглинки буровато-серые (0-5 м) 3 1,68 0,011 14 0,028 0,017
Суглинки палевые, местами бурые (0-12 м) 8 1,87 0,009 19 0,025 0,013
Суглинки желто-бурые (0-14 м) 8 1,955 0,0175 21 0,051 0,024
Суглинки красно-бурые (0-7 м) 6 1,89 0,029 14 0,074 0,045
Глины красно-бурые (0-20 м) 10 1,895 0,073 10,5 0,176 0,121
Глины серовато-бурые (0-10 м) 5 1,79 0,059 15 0,154 0,091
Глины зелено-серые (0-5 м) 5 2,2 0,0975 31 0,345 0,110
Пески (0-78 м) рудные нерудные - 1,58 1,72 0,015 0,005 32 30 0,054 0,017
Рис. 1. Профиль борта карьера № 7 «Север»
Передовой вскрышной уступ, мощностью 22 м, отрабатывается вскрышным комплексом ТК-2 в составе роторного экскаватора Ки-800, двух забойных, магистрального и отвального конвейеров, перегружателя РУ2-6600, отва-лообразователя 7Р-6600 с отсыпкой вскрыши в выработанное пространство. Ниже расположены три вскрышных уступа, мощностью по 8 м, которые отрабатываются экскаваторами ЭКГ-8(10)И по транспортной системе с погрузкой в автосамосвалы БелАЗ-7548 и вывозкой породы во внутренний отвал [4].
Для оценки устойчивых параметров откосов на карьере № 7 «Север» в программе конечно-элементного анализа РЬаэе2 были заданы геометрические
параметры борта (рис. 1) и заданы физико-механические характеристики сложноструктурного массива пород согласно данным таблицы. Принимаем следующие параметры эластичности пород: модуль Юнга - 20 МПа; коэффициент Пуассона - 0,35 для суглинков и 0,43 - для четвертичных глин. В качестве критерия прочности был выбран критерий Кулона-Мора, наиболее часто используемый для оценки прочности грунтов и мягких пород.
Результаты моделирования устойчивости откосов необводненного сложно-структурного массива представлены на рис. 2.
Откос верхнего вскрышного уступа находится в относительно устойчивом состоянии (КЗУ = 1,11), однако по-
[1 Л ' т- 1иП 1 ¡¿г ' ' :Л| ' з)- ' ' IV ' ¡1:
Рис. 2. Максимальные сдвиговые деформации откосе
Рис. 3. Смещения в необводненном массиве (КЗУ = 1,11)
лученного значения КЗУ может оказаться недостаточно для обеспечения устойчивости откоса, если учитывать в условиях моделирования влияние таких факторов, как гидрогеологические характеристики месторождения или внешние нагрузки оборудования на уступах.
Сочетанное действие этих факторов вместе с геологическими особенностями массива может существенно снижать сопротивление пород сдвигу. Поэтому, для бортов, сложенных мягкими породами, рекомендуемые значения КЗУ варьируют в диапазоне 1,1-1,3.
Верхние четыре слоя четвертичных суглинков при заданных условиях моделирования наиболее подвержены сдвиговым деформациям. Нижеле-
жащие слои глин как более плотные, в меньшей степени подвержены геомеханическим нарушениям.
Наибольшие деформации наблюдаются на уровне нижней бровки верхнего вскрышного уступа в слое красно-бурых суглинков (smax = 6,2-10-2), а также на расстоянии 4,3 м от подошвы самого нижнего вскрышного уступа (smax = 5,6-10-2), на границе зелено-серых глин с рудными песками. Аналогичным участкам прибортового массива соответствуют зоны максимальных горизонтальных и вертикальных смещений пород (рис. 3).
В верхнем вскрышном уступе максимальные смещения (d = 0,36 м)
v max ' '
возникают в верхних слоях палевых и желто-бурых суглинков. В самом ниж-
Рис. 4. Смещения в обводненном массиве (КЗУ = 0,9)
Рис. 5. Зависимость КЗУ от влажности вмещающих пород (суглинков)
нем добычном уступе участок максимальных смещений (d = 0,3 м) нахо-
v max ' '
дится на уровне нижней бровки.
Гидрогеологические условия месторождения характеризуются наличием двух водоносных горизонтов. Верхний приурочен к лессовидным суглинкам, имеет мощность 5-13 м, характеризуется низкими значениями коэффициента фильтрации (до 0,2-0,3 м3/сут), малой водообильностью. Нижний водоносный горизонт приурочен к тонкозернистым пескам полтавского горизонта.
Используя результаты зависимостей физико-механических характеристик суглинков от степени их влажности [6], можно определить коэффициент запаса устойчивости откосов с учетом обводненности горного массива по следующим уравнениям:
Ф = -0,06W02 + 0,12W0 + 39,86 , (3)
C = 0,07 W2 - 3,87W0 + 58,78
(4)
где ф - угол внутреннего трения, град.; W0 - влажность, %, С - сцепление, кПа. По результатам моделиро-
вания откоса для обводненного массива КЗУ равен 0,9 (рис. 4).
Максимальные смещения в обводненном массиве достигают значений d = 0,3 м, что обусловливает воз-
тах ' ' ^
никновение призмы обрушения.
На основании имеющихся и полученных закономерностей устойчивости обводненных откосов получена общая зависимость устойчивости прибортового массива от влажности вмещающих пород (суглинков), изображенная на рис. 5.
Зависимость имеет следующий вид:
КЗУ = -0,001И/02 + 0,003И/0 +1,538
(5)
где W0 - влажность пород, %.
Вывод
Для обеспечения устойчивости откосов верхних вскрышных уступов рассматриваемого карьера № 7 «Север» Вольногорского горно-металлургического комбината, сложенных суглинками, влажность пород не должна превышать 13,7-18,6%. При этом обеспечивается КЗУ в диапазоне 1,1-1,3.
1. Астафьев Ю.П., Попов Р.В., Никола-
шин Ю.М. Управление состоянием массива
горных пород при открытой разработке ме-
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
сторождений полезных ископаемых. - Киев; Донецк: Вища шк. Головное изд-во, 1986. -272 с.
2. Прогноз устойчивости и оптимизация параметров бортов глубоких карьеров / Под общ. ред. С.З. Полищука. - Днепропетровск: Изд-во «Полиграфист», 2001. - 370 с.
3. Шапарь А.Г. Механика горных пород и устойчивость бортов карьеров. - Киев: Вища школа, 1973. - 120 с.
4. Собко Б.Е. Усовершенствование технологии открытой разработки россыпных ти-тано-циркониевых руд: Монография. - Днепропетровск: Национальный горный университет, 2008. - 167 с.
5. Гамалинский А.И., Гамалинский И.А., Терещенко В. В. Выбор и обоснование технологических схем вскрытия и разработки
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Мотроновско-Анновского участка Малышев-ского местрождения в сложных горно-геологических условиях // Науковий вкник НГУ, 2009. - № 12. - С. 36-42.
6. Деревягина Н.И. Исследование влияния физического состояния лессовых грунтов на их механические свойства в условиях объемно-напряженного состояния / Материалы VII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «География, геоэкология, геология: опыт научных исследований» / Под ред. Л.И. Зеленской. - Днепропетровск: 1МА-прес, 2010. -Вып. 7. - С. 72-74. [¡223
Ковров Александр Станиславович - кандидат технических наук, доцент, Национальный горный университет, Днепропетровск, Украина, e-mail: kovrov@rambler.ru, kovrova@nmu.org.ua.
UDC [622.271.33:624.131.537].001.57
EFFECT OF COMPLEX GEOLOGY STRUCTURE AND WATER CONTENT OF ROCK MASS ON PIT WALL STABILITY
Kovrov A.S., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor,
e-mail: kovrov@rambler.ru, kovrova@nmu.org.ua,
National Mining University, 49005, Dnepropetrovsk, Ukraine.
Modeling of stability of open pit walls at Volnogorsky Mining and Metallurgy Integrated Works is performed based on Mohr-Coulomb criterion using Phase2 code. Stability factors are determined for pit walls, considering complex structure and hydrological characteristics of rocks.
Key words: pit wall stability, finite element method, shear strength reduction coefficient, Mohr-Coulomb criterion.
REFERENCES
1. Astaf'ev Yu.P., Popov R.V., Nikolashin Yu.M. Upravlenie sostoyaniem massiva gornykh porod pri ot-krytoy razrabotke mestorozhdeniy poleznykh iskopaemykh (Ground control in open pit mineral mining), Kiev, Donetsk, Vishcha shk. Golovnoe izd-vo, 1986, 272 p.
2. Prognoz ustoychivosti i optimizatsiya parametrov bortov glubokikh karerov. Pod red. S.Z. Polishchuka (Stability prediction and optimization of deep pit wall parameters. Polishchuk S.Z. (Ed.)), Dnepropetrovsk, Izd-vo «Poligrafist», 2001, 370 p.
3. Shapar' A.G. Mekhanika gornykh porod i ustoychivost' bortov karerov (Rock mechanics and pit wall stability), Kiev, Vishcha shkola, 1973, 120 p.
4. Sobko B.E. Usovershenstvovanie tekhnologii otkrytoy razrabotki rossypnykh titano-tsirkonievykh rud: Monografiya (Improvement of open pit mining technology for titanium-zirconium placers. Monograph), Dnepropetrovsk, NGU, 2008, 167 p.
5. Gamalinskiy A.I., Gamalinskiy I.A., Tereshchenko V.V. Naukoviy visnik NGU, 2009, no 12, pp. 36-42.
6. Derevyagina N.I. Materialy VII Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii studentov, aspirantov i molo-dykh uchenykh «Geografiya, geoekologiya, geologiya: opyt nauchnykh issledovaniy». Pod red. L.I. Zelenskoy. Vyp. 7 (Proceedings of VII International Scientific Conference of Students, Postgraduates and Young Scientists «Geography, Geoecology, Geology: Scientific Research Experience», Zelenskaya L.I. (Ed.), issue 7), Dnepropetrovsk, IMA-pres, 2010, pp. 72-74.
