CC BY
11
8. Garelina S.A., Davlatshoev S.K., Safarov M.M. Salt reservoir protection system of the Rogun HPP dam // Fire safety: problems and prospects. 2018. Vol. 1. No. 9. - pp. 135138.
9. Garelina S.A., Davlatshoev S.K., Safarov M.M. The system of monitoring the protection of the salt layer of the base of the Rogun HPP dam // Sb. nauch. tr. XIII International scientific and Practical conference dedicated to the Year of the Culture of Safety. 2018. pp. 25-27.
10. Davlatshoev S.K., Kobuliev Z.V., Safarov M.M. Measurements of the range of changes in the degree of mineralization of groundwater at the base of the Rogun HPP dam // Collection of scientific tr. V International scientific and Technical conf.: Modern methods and means of research of thermophysical properties of substances. Saint Petersburg: ITMO, 2019. pp. 302-309.
УДК 528.837
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СДВИЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА
Р.А. Друзь, А.С. Корытов, А.В. Протасова, А.П. Жгилев
Приведена краткая геологическая характеристика объекта исследования. Изучено состояние уступа угольного разреза и построена геомеханическая модель аварийного участка по физико-механическим свойствам горных пород, которые взяты из справочного материала. Рассмотрен метод конечных элементов, который является основой геомеханического моделирования. Проведен анализ состояния массива на основе модели геомеханического состояния борта. Сделан вывод о том, что результаты моделирования соответствуют данным, полученным с помощью измерений.
Ключевые слова: метод конечных элементов, геомеханическая модель, физико-механические свойства, Plaxis 2D, угольный разрез.
В гонке за производительность угольного разреза и уменьшению количества вскрыши, параметры разреза, в частности углы откосов борта приводят в предельные значения, а иногда и переступают эту черту, поэтому часто случаются аварийные ситуации и работающий персонал подвергается опасности. Разработка угольных месторождений открытым способом требует уделять особое внимание к безопасному ведению горных работ. Важными направлениями при решении этой проблемы является своевременная оценка геомеханического состояния откосов бортов и уступов разрезов.
Маркшейдерские инструментальные наблюдения являются необходимой составной частью комплексных мер по изучению устойчивости бортов карьеров. Инструментальные маркшейдерские наблюдения за деформациями бортов должны проводиться одновременно с началом развития
горных работ. Для этого на поверхности и бортах карьера закладываются специальные наблюдательные станции [9, 10].
С развитием технологий моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород появилась возможность заблаговременно предсказывать аварии на участке и принимать меры по укреплению борта разреза.
Моделирование состояния горного массива позволяет:
-оценить влияния трещиноватости горного массива на его устойчивость;
-прогнозировать напряженно-деформированного состояния геологической среды и изменение этого состояния в ходе отработки месторождения на всех стадиях жизненного цикла проекта;
-выбрать рациональные параметры для построения технологического пространства;
-определить системы организационных и технологических методов управления геомеханическими и геодинамическими процессами в горном массиве для обеспечения эффективного и безопасного освоения ресурсов недр.
На геомеханические процессы и характер распределения действующих напряжений в массиве влияют множество факторов, включая: физико-механические свойства (ФМС) горных пород, их структурную целостность, уровень нарушенности массива, его трещиноватость. Трещиноватость влияет на прочность и устойчивость горных пород; деформируемость, характер проявления деформаций и их величину; водоносность, влагоемкость, водо- газопроницаемость; глубину проникновения агентов выветривания и интенсивность развития процессов выветривания; температурный режим пород; скорость распространения сейсмических волн и сейсмостойкость пород; крепость, трудность разработки и с другой - определяет направления движения забоев и т.д.
К основным ФМС горных пород, используемым в качестве исходных данных при решении геомеханических задач, относятся деформационные и прочностные свойства горных пород, определяющие характер и условия их трансформации и разрушения под нагрузкой. К деформационным характеристикам относятся модули упругости и коэффициенты Пуассона. Прочностные характеристики, подлежащие оценке, определяются используемой при моделировании теорией прочности; для теории прочности Кулона-Мора, получившей наибольшее распространение в механике горных пород, такими характеристиками являются сцепление и угол внутреннего трения [1]. В качестве исходных данных для моделирования выступают модуль Юнга, коэффициент Пуассона, угол внутреннего трения.
Объектом исследования является Ишинское каменноугольное месторождение.
Ишинское месторождение каменного угля расположено в 90 км к северо-востоку от г. Иркутска. Площадь месторождения составляет 130 км кв., детально разведанный Хадайский участок находится в его северовосточной части. Площадь участка составляет 4 км кв. Абсолютные высоты колеблются от 600 до 732 м.
Среднегодовая температура отрицательная (-2,7С). Глубина сезонного промерзания грунта достигает 2,7 м и сохраняется до августа. Многолетняя мерзлота на Хадайском участке не встречена.
Стратиграфия. В геологическом строении Ишинского месторождения каменного угля получили развитие осадочные породы Кембрийской, Юрской, Неогеновой и четвертичной систем.
Тектоника. В начале погружение пород пологое (2...50), затем за пределами площади детальной разведки угол падения увеличивается до 15.20°. Кроме разрывных нарушений широтного простирания при изучении борта Харанутского разреза выявлены зоны дробления меридионального направления с амплитудой смещения от 1,0 до 4,5 м.
Угленосность. Практический интерес имеет пласт III, который отрабатывается Харанутским разрезом. Во всех пластопересечениях имеет рабочую мощность, которая изменяется от 1,35 до 7,9 м. Количество породных прослоев в пласте III в основном составляет 1 - 2. Мощность породных прослоев в подавляющем большинстве не превышает 0,2 м. Пласт имеет падение на юго-запад и северо-восток под углом 2.5°.
Характеристика полезного ископаемого. Угли III пласта в основном полублестящие, в разной степени полуматовые и матовые со штрихо-ватой и полосчато-штриховатой структурой. Излом углей угловатый, редко округлоугловатый. Зона физического и химического выветривания углей пласта III прослеживается полосой 10 - 15 м вдоль выхода пласта под четвертичные отложения. Среднее значение максимальной влагоемкости (Wmax) составляет 9,6 %, влаги гидроскопической (Wa) - 3,4 %. Угли месторождения являются среднезольными. Угли пласта III являются малосернистыми. Угли месторождения в основном труднообогатимы.
Физико-геологическая характеристика. Рыхлые отложения распространены по всей площади участка и представлены элювиально -делювиальными суглинками. Средняя мощность отложений - 2,7 м, что составляет 9,5 % от мощности вскрышных пород. Влажность рыхлых отложений находится в пределах 7,1...37,6 %. Объемный вес пород изменяется в пределах 1,48...4,82 г/см3. Породы относятся к группе мягких. Суглинкам присущи коэффициенты трения 0,538-0,70, сцепления - 0,183-0,533. При этом угол внутреннего трения находится в пределах 27...35 °.
Сцементированные юрские отложения представлены песчаниками, алевролитами, аргиллитами и углями. Песчаники составляют 56 % от мощности вскрышных пород, значительная часть мощности отложений
представлена алевролитами (23,9 %). Мощность вскрышных пород изменяется от 2,5 до 40,0 м, составляя в среднем 25 м.
Все породы трещиноватые, большинство трещин почти вертикальные, перпендикулярно наслоению.
Основные физико-механические показатели пород и угля приведены в табл. 1. [2]
Таблица 1
Физико-механические показатели вскрышных пород и угля
Название породы Удельный вес г/см3 Сцепление кг/см2 Угол внутреннего трения, град Модуль Юнга Коэффициент Пуассона Мощность, м
Суглинки 1,7 20-60 27-35 0,5 0,1-0,2 2,7
Песчаники глинистые 2,3 61-170 37 3,3-7,8 0,13 13,4
Алевролиты 2,72 35-70 38 0,56-0,83 0,2-0,28 6,7
Аргиллиты 2,80 40 29 0,5-0,9 *10"10 0,26-0,4 0,2
Песчаники известково-глинистые 2,4 20-60 27-32 3,3-7,8 0,3-0,35 3,1
Песчаники известкови-стые 2,5 20-60 27-32 3,3-7,8 0,3-0,35 2,3
Предметом исследования является геомеханическое моделирование НДС массива горных пород.
Для создания цифрового двойника объекта исследований используются данные, полученные с помощью аэрофотосъёмки, используя беспилотный летательный аппарат DJI Mavic 2 Pro. Характеристика полёта представлена в таблице 2. Полевые измерения в последующем подлежат обработке в Agisoft Metashape Professional. В результате обработки получается плотное облако точек и ортофотоплан, которые понадобятся для моделирования геомеханической ситуации карьера.
Таблица 2
Характеристика полета
Параметры Значение
Высота полета (с учетом глубины карьера) 173 м
Время полета 40 мин
Сезон Осень
Скорость ветра 5,2 м/с
Разрешение съемки 3,96 см/пикс
Моделирование напряжено-деформационного состояния горного массива будет производиться в программном обеспечении Plaxis 2D, которое осуществляет прогнозирование на основе метода конечных элементов.
Метод конечных элементов является продуктом и в то же время мощным, движущим средством современного научно-технического прогресса. Большие возможности МКЭ особенно ярко проявились в механике грунтов и горных пород с их многообразием механических свойств материалов и условий нагружения.
Суть этого метода заключается в замене исследуемого объекта дискретной моделью в виде множества (совокупности) отдельных подобластей с известными свойствами, называемых конечными элементами (КЭ), которые связаны между собой в отдельных точках - узлах [3].
Достоинствами, обеспечивающими популярность МКЭ, являются: простота получения конкретных решений по имеющейся готовой программе; возможность сгущения сети элементов в ожидаемых местах высоких градиентов, исследуемого параметра; возможности задания любых граничных условий; принципиальная возможность реализации в программах произвольных, механических свойств материала, любой последовательности нагружения и т.д.
Также для мониторинга устойчивости бортов карьера используется воздушное лазерное сканирование при помощи БПЛА Geoscan 401 «Ли-дар». В последующем обработка точек лазерного отражения выполняется при помощи ПО AGM ScanWorks/PosWorks [4].
Произведем анализ геомеханического состояния горного массива.
Проанализировав данные, полученные с помощью аэрофотосъемки, был сделан вывод, что на разрезе имеется неустойчивый борт, который имеет перспективу обрушения. На верхней фотографии показан борт с аэрофотосъемки августа 2020 года (рис. 1, а). На нижней фотографии тот же борт, снятый в начале августа 2022 года (рис. 1, б). Схема обрушения борта представлена на рис. 2. Из сравнения снимков можно сделать вывод, что за период, прошедший между двумя наблюдениями, произошло обрушение уступа. Данный факт послужил причиной для проведения исследования и построения геомеханической модели.
Для прогнозирования возможного обрушения борта, необходимо смоделировать борт в специализированном программном обеспечении [5, 8]. Создание геомеханической модели откоса уступа будет производится в программном обеспечении Plaxis 2D по физико-механическим свойствам пород, слагающих массив (табл. 1). Очертание откоса уступа берется с данных аэрофотосъемки с применением БПЛА.
Для начала в программном обеспечении Plaxis 2D отдельно для каждой породы создаются слои, в которых будут вбиваться физико-механические свойства (рис. 3).
Рис. 2. Схема обрушения борта угольного разреза
В каждом слое задаются параметры, представленные в табл. 1. Расшифровка обозначений параметров в ПО Р1ах1Б 2Э представлена в табл. 3 [6].
Таблица 3
Расшифровка обозначений физико-механических свойств горных пород
в р ?1ах1Б 2В
Параметр Расшифровка
Е'г* Модуль Юнга
V (пи) Коэффициент Пуассона
С'геГ Сцепление
ф'(рЬ1) Угол внутреннего трения
Yunsat Объемный вес
После создания горного массива произведено прогнозирование обрушения (рис. 4). График расчета коэффициента запаса устойчивости показывает, что данный параметр вышел на плато со значением 0,6. Основываясь на данном показателе можно сделать вывод, что борт имеет неустойчивое состояние [7]. Исходя из анализа градиента геомеханической модели борта (рис. 5), можно сделать вывод о том, что причиной обрушения является конфигурация уступа, а также наличие угольных слоев. Результат моделирования подтверждается данными полевых измерений.
Рис. 3. Пласты горных пород и контур борта
ч
.........................................................
....... ' ' ' ......т..........
^— ..... .....,
......................................................... .........................................................
...................... ......................................................... ! ;
......................................................... ......................................................... .........................................................
А
Рис. 4. График расчета коэффициента запаса устойчивости
Рис. 5. Градиент деформации геомеханической модели борта:
а - исследуемой; б - контрольной
Для проверки полученных данных прогнозирования была смоделирована геомеханическая ситуация борта по другому профилю, который не имеет обрушение (рис. 5б). По результатам исследования контрольная модель профиля борта показала, что уступ подвержен деформациям, это противоречит реальной ситуации, так как он устойчив и не вызывает аварийной ситуации. Но градиент деформаций на контрольной модели меньше в абсолютных значениях в 1,5 раза, что может свидетельствовать о более стремительном развитии деформаций внутри массива горных пород. Данные факты говорят о необходимости корректировки модели и дополнительного исследования геомеханических свойств массива.
Заключение
Геомеханическое моделирование является перспективным методом обеспечения устойчивости бортов карьера, который возможно использовать на всех этапах жизненного цикла предприятия. С помощью статистических математических моделей карьера создаётся цифровой двойник на основе реальных данных, который будет практически идентичен.
Однако необходимо отметить, что для полного описания геомеханической обстановки предприятия необходимо производить сложнейший цикл геомеханических, геологических, и гидрогеологических изысканий, а также произвести калибровку геомеханической модели. Что на практике является весьма трудноосуществимым либо даже невозможным. Поэтому хоть данный метод и кажется весьма перспективным в применении на горном предприятии, но он не может вытеснить или заменить другие методы обеспечения устойчивости борта карьера, и методы предсказания неблагоприятных геодинамических явлений. Данную методику, возможно, рас-
сматривать только как дополнения ко всем остальным существующим методам.
Геомеханическое моделирование позволяет производить расчет устойчивости по проектным данным, и в случае недостаточной устойчивости, даёт возможность скорректировать параметры карьера во время разработки технического проекта;
Моделирование позволяет заблаговременно прогнозировать зоны бортов карьера, склонных к обрушению.
Метод конечных элементов компьютерной программой PLAXIS является одним из удобных методов решения задач геомеханики, где дифференциальные уравнения решаются численно. Суть состоит в минимизации некоторого функционала.
Оценка устойчивости компьютерной программой PLAXIS борта угольного разреза показала, что коэффициент устойчивости Куст близок к 0,6, из этого следует, что борт находится в неустойчивом состоянии, что проявляется в периодических вывалах.
По результатам моделирования борта угольного разреза можно рекомендовать предприятию изменить параметры разреза либо дополнительно укреплять борта для снижения деформации.
Список литературы
1. Немова Н. А., Гаврилов В. Л. О геомеханическом моделировании при ведении горных работ на эльгинском месторождении // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2020. Т.2. С. 117-128. 001: 10.33764/2618-981Х-2020-2-117-128
2. Справочник. Открытые горные работы / Б.Г. Алешин [и др.]. М.: Горное Бюро, 1994. 590 с.
3. Коряков А.Е., Копылов А.Б., Савин И.И. Применение метода конечных элементов при моделировании сдвижения элементов горного массива // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. Вып. 4. С. 344-354.
4. Сравнительная оценка воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки с беспилотных летательных аппаратов / Р. А. Друзь, А. В. Протасова, Р Ш. Охунов, А. В. Кшановская // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023. № 5. С. 130-141. Б01: 10.25018/0236_1493_2023_5_0_130.
5. Гоголин В.А., Лесин Ю.В. Обзор методов исследования устойчивости природных и техногенных массивов горных пород // Техника и технология горного дела. 2018. № 3. С. 42-56. Б01: 10.26730/2618-7434-20183-42-55.
6. PLAXIS 2D CE V22.01: учеб. пособие / под ред. R.B.J. Brinkgreve. Отпечатано ООО "НИП-Информатика", 2022. 100 с.
7. Приказ Ростехнадзора от 13.11.2020 N 439 Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила обеспечения устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов и откосов отвалов».
8. . Сопоставление результатов математического моделирования геомеханических процессов и шахтных измерений в угольном пласте / А.М. Никитина, Д.М. Борзых, С.В. Риб, О.А. Петрова // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2022. Вып. 2. С. 452466. DOI 10.46689/2218-5194-2022-2-1-452-466.
9. Мониторинг за устойчивостью бортов карьера с применением ГНСС оборудования / И.А. Асафьев [и др.] // Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований. Иркутск, 2022. №22. С. 197-202.
10. , Haijun Zhao, Yamin Zhang, Jie Guo, Aihua Wei GPS monitoring and analysis of ground movement and deformation induced by transition from open-pit to underground mining / Fengshan Ma [et al.] // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2012. Vol. 4 (1). P. 82-87.
Друзь Руслан Александрович, мл. науч. сотр. ЦМГИ, [email protected], Россия, Иркутск, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Корытов Александр Сергеевич, мл. науч. сотр. ЦМГИ, [email protected], Россия, Иркутск, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Протасова Ангелина Вячеславовна, мл. науч. сотр. ЦМГИ, aprota-sova435@gmail. com, Россия, Иркутск, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Жгилев Александр Павлович, инженер НИЧ, [email protected], Россия, Иркутск, Иркутский национальный исследовательский технический университет
ANALYSIS OF THE RESULTS OF GEOMECHANICAL MODELING OF THE DISPLACEMENT OF THE SURFACE OF A COAL QUARRY
R. A. Druz', A.S. Korytov, A.V. Protasova, A. P. Zhgilev
A brief geological description of the object of study is given. The condition of the ledge of the coal quarry has been studied and a geomechanical model of the emergency site has been constructed based on the physical and mechanical properties of rocks, which are taken from the reference material. The finite element method, which is the basis of geome-chanical modeling, is considered. The analysis of the state of the array based on the model of
the geomechanical state of the board is carried out. It is concluded that the simulation results correspond to the data obtained by measurements.
Key words: finite element method (FEM), geomechanical model, physical and me-chanicalproperties, Plaxis 2D, coal quarry.
Druz' Ruslan Aleksandrovich, junior researcher of the CSGI, [email protected], Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University,
Korytov Aleksandr Sergeevich, junior researcher of the CSGI, [email protected], Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University,
Protasova Angelina Vyacheslavovna, junior researcher of the CSGI, [email protected], Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University,
Zhgilev Aleksandr Pavlovich, engineer SRP, alexsandr_zhgilev@,mail.ru, Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University
Reference
1. Nemova N. A., Gavrilov V. L. On geomechanical modeling during mining operations at the Elginsky deposit // Interexpo Geo-Siberia. 2020. Vol.2. pp. 117-128. DOI: 10.33764/2618-981X-2020-2-117-128
2. Reference book. Open-pit mining / B.G. Alyoshin [et al.] // Mining Bureau, Moscow. 1994. 590 p.
3. Koryakov A.E., Kopylov A.B., Savin I.I. Application of the finite element method in modeling the movement of elements of a mountain massif // Proceedings of Tula State University. Earth sciences. 2017. Issue 4. pp. 344-354.
4. Comparative assessment of aerial laser scanning and aerial photography from unmanned aerial vehicles / R. A. Druz, A.V. Protasova, R. S. Okhunov, A.V. Kshanovskaya // Mining information and analytical bulletin. 2023. No. 5. pp. 130-141. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_5_0_130.
5. Gogolin V.A., Lesin Yu.V. Review of methods for studying the stability of natural and man-made rock massifs // Technique and technology of mining. 2018. No. 3. pp. 42-56. DOI: 10.26730/2618-7434-2018-3 -42-55.
6. PLAXIS 2D CE V22.01: study. consent / edited by R.B.J. Brinkgreve. Printed by NIP-Informatics LLC, 2022. 100 p.
7. Decree of the President of the Russian Federation of 13.11.2020 n 439 "On approval of the Federal Law and regulations in the field of industrial safety ". stable sides and ledges of quarries, cuts and slopes of dumps".
8. Comparison of the results of mathematical modeling of geomechanical processes and mine measurements in a coal seam / A.M. Nikitina, D.M. Borzykh, S.V. Rib, O.A. Petrova // Proceedings of Tula State University. Earth sciences. 2022. Issue. 2. pp. 452- 466. DOI 10.46689/2218-5194-2022-2-1 -452-466.
9. Monitoring the stability of quarry sides using GNSS equipment / I.A. Asafyev [et al.] // Geology, prospecting and exploration of minerals and methods of geological research, Irkutsk. 2022. No. 22. pp. 197-202.
10. , Haijun Zhao, Yamin Zhang, Jie Guo, Aihua Wei GPS monitoring and analysis of soil movements and deformations caused by the transition from open to underground mining / Fengshan Ma [et al.] // Journal of Mining Mechanics and Geotechnical Engineering. 2012. Volume 4 (1). pp. 82-87.
