CC BY
18
© A.A. Козырев, И.Э. Семенова, И.М. Аветисян, 2013
УДК 622.271.3 + 622.833.5.004.942
А.А. Козырев, И.Э. Семенова, И.М. Аветисян
ОСОБЕННОСТИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БОРТОВ ПРОТЯЖЕННОЙ В ПЛАНЕ КАРЬЕРНОЙ ВЫЕМКИ В ТЕКТОНИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННОМ МАССИВЕ
Представлены результаты моделирования напряженного состояния массива пород методом конечных элементов в окрестности глубокой вытянутой в плане карьерной выемки. Определены зоны возможного образования трещин в вертикальных уступах карьера.
Ключевые слова: геомеханика, напряженное состояние, устойчивость бортов карьеров, математическое моделирование, разработка месторождений полезных ископаемых открытым способом.
В последние несколько десятилетий в мире наблюдается устойчивая тенденция к увеличению глубины отработки месторождений полезных ископаемых. Это происходит по двум причинам. Во-первых, большинство богатых месторождений, расположенных на небольшой глубине от дневной поверхности, уже полностью отработаны, либо будут отработаны в ближайшем будущем. Во-вторых, технологии добычи руды непрерывно развиваются и совершенствуются, что ведет к пересчету балансовых запасов на месторождении. Так запасы, считавшиеся забалансовыми при первоначальном проектировании систем разработки, в процессе отработки месторождения могут перейти в категорию балансовых, если появляется технология, позволяющая добыть эти запасы с получением прибыли. Вследствие этого в настоящее время перед многими горнодобывающими предприятиями встает вопрос о разработке глубокозалегаю-щих месторождений. При этом предприятия, отрабатывающие рудные
месторождения открытым способом, сталкиваются с проблемой выбора способа дальнейшей отработки месторождения при достижении карьером своей проектной глубины. Здесь есть два пути: либо переход к подземному способу отработки, либо углубление существующего карьера. Оба варианта оцениваются по затратам и безопасности.
Углубление карьера, вставшего на конечный контур, является весьма затратным из-за резкого увеличения объемов вскрыши. Одним из путей минимизации затрат на отработку глубоких месторождений является увеличение углов наклона бортов карьера, так как при этом значительно уменьшаются объемы вскрышных работ. Однако в данном случае остро стоит проблема обеспечения устойчивости бортов и уступов карьера, поэтому при проектировании глубоких карьеров с крутыми откосами уступов необходимо геомеханическое обоснование параметров карьерной выемки и ее конструктивных элементов. Одним из методов, кото-
Рис. 1. Мелкомасштабная модель карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК»
рый позволяет учесть влияние основных геологических и горнотехнических факторов на распределение напряжений в массиве пород, является трехмерное численное моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС).
Учитывая высокую значимость правильного определения углов наклона бортов в предельном положении, Горный институт КНЦ РАН с начала 1990-х годов проводит исследования в этой области с учетом фактического НДС вмещающего массива горных пород и параметров нарушенной зоны в приконтурной зоне карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» [1].
Особенностями данного объекта являются: возможная значительная глубина карьерной выемки (около 1000 м); вытянутая форма карьера в плане по одной из его осей; действие в массиве пород тектонических напряжений; наличие ослабленных зон и разломных структур разных порядков.
С использованием программного комплекса Б1дта3О, разработанного в Горном институте КНЦ РАН, была создана геомеханическая модель карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдор-ский ГОК» [2] (рис. 1). Моделирование проводилось методом конечных элементов в упругой постановке.
С использованием разработанной модели рассчитывалось несколько вариантов задачи распределения параметров НДС в массиве, которые можно разделить на две группы по граничным условиям: чисто гравитационное напряженное состояние О = уН, 02 = оз = ЛуН, где у, Н и Л — соответственно объемный вес, глубина и коэффициент бокового распора), и гравитационно-тектоническое напряженное состояние. Причем варианты с учетом тектонических сил были просчитаны как при условии действия их максимальной составляющей по короткой оси карьерной выемки (совпадающей с направлением оси У модели), так и по ее длинной оси (совпадающей с направлением оси X модели).
Для каждого вида граничных условий рассчитывали НДС: для исходного состояния массива пород; при выемке карьерных запасов, соответствующей его реальной глубине 340 м; при проектной глубине карьерной выемки 1000 м.
В результате расчетов были изучены особенности распределения напряжений в окрестности глубокой вытянутой в плане карьерной выемки, находящейся в массиве пород с гравитационно-тектоническим типом НДС, которые связаны, прежде всего, с тем,
Н, м
0 } и,| стт»стд
-500 -1000 ф 50 0,5сгт<сгд^стт
-1500
стт=стд \
-2000
-2500 ат<стд \ 0 55
,-ЗШ-
-20
60 80 ат, МПа
Рис. 2. График зависимости тектонических сил от глубины
что борт карьера пересекает несколько зон с различным соотношением гравитационных и тектонических сил (рис. 2).
С увеличением глубины происходит изменение типа НДС от гравитационно-тектонического к условно гидростатическому (когда ат = %). При этом переход от одного типа НДС к другому может происходить на разных глубинах в зависимости от абсолютной величины тектонической составляющей поля напряжений. Вследствие данной особенности НДС вероятна трансформация характера разрушения массива горных пород в окрестности очистных пространств от образования преимущественно горизонтально ориентированных техногенных трещин вблизи поверхности до проявления субвертикальной трещиноватости на больших глубинах, а также формирова-
ние трещин отрыва на отдельных участках борта.
Кроме этого было определено местоположение зон концентраций сжимающих напряжений (рис. 3, а) в зависимости от направления действующих в массиве пород тектонических сил при наличии или отсутствии ослабленной зоны, расположенной в пределах юго-восточного борта карьера. Было показано, что наличие ослабленной зоны приводит к росту в 1,7 раза сжимающих напряжений и увеличению размеров области их концентрации.
С помощью разработанной модели были определены зоны действия растягивающих напряжений атп в бортах карьера (рисунок 3б) с проектной глубиной 1000 м, что дает возможность сделать предварительные выводы об устойчивости отдельных участков борта. Было отмечено, что области растяжения наблюдаются в основном на длинных участках борта карьера (рис. 4). Минимальные значения предела прочности вмещающих пород: на сжатие осж = 210 МПа; на растяжение ор = 9 МПа. Расчетные значения растяжений не превышают 2 МПа, что в несколько раз ниже предельной величины ор.
С целью уточненного расчета НДС участков борта карьера, а также для исследования механизма формирования трещин отрыва в отдельных уступах были сформированы локальные конечноэлементные модели участков борта карьера с вертикальными уступами. Автоматическое задание граничных условий осуществлялось путем интерполяции расчетных значений перемещений из предыдущего (мелкомасштабного) этапа моделирования и их задания на всех гранях модели, кроме свободной поверхности.
Сетка конечных элементов такой модели может содержать различное количество типовых вертикальных сечений, которые располагаются в зависимости от крутизны изгиба интересующего исследователя участка
борта. То есть высота и глубина локальных моделей стандартны и составляют 300 м и 260 м соответственно, третий же размер зависит от протяженности моделируемого участка борта.
Рис. 4. Распределение минимальной компоненты главных напряжений: а — по
короткому участку борта карьера; б — по длинному участку борту карьера
а)
Рис. 5. Локальные геомеханические модели: а — локальных моделей в плане; б — модель участка короткого борта (отмечена цифрой 1 на схеме а); в — модель участка длинного борта (отмечена цифрой 2 на схеме а)
Были сформированы две локальные модели: в коротком и длинном борту карьера (рис. 5). Модели расположены на глубине 520 м от дневной поверхности, их протяженность 186 м.
Сетка конечных элементов содержит 23 вертикальных сечения, в каж-
дом из которых 1677 узлов и 1596 элементов, общая размерность модели — 38571 узел и 35112 элементов. Сгущения сетки приурочены к местам, где градиент изменения расчетных величин поля напряжений предполагается максимальным. Действие тектонических сил в исходном
варианте задано по длинной оси карьерной выемки. В соответствии с графиком на рис. 2 эти модели находятся на глубине, где гравитационные силы сопоставимы с тектоническими: 0,5ат < ад < ат.
Анализ результатов численного моделирования НДС в локальных моделях при гравитационно-тектоническом типе нагружения показал, что вертикальные уступы в целом будут устойчивы. При этом установлено, что растягивающие напряжения в уступах
борта не превышают 1,5 МПа, что в несколько раз ниже предела прочности пород на растяжение. Уступы находятся под действием умеренных сжимающих напряжений отах = =35^50 МПа (рис. 6).
В уступах на коротком участке борта возможны локальные разрушения в краевой части бермы при многократном снижении прочностных характеристик пород вследствие воздействия взрывов и процессов выветривания, так как направление площадок растягивающих деформаций в этой зоне неблагоприятно (рис. 7, а).
В уступах на длинном участке борта вероятность разрушения краевой части бермы ниже. Большая по площади зона растяжений отп расположена в центральной части уступа, уровень сжимающих напряжений около 45 МПа (рис. 7, б), поэтому формирование техногенных трещин и их раскрытие маловероятно. Однако площадки деформаций растяжения как бы подсекают массив уступа, поэтому при наличии ослабленных или разломных зон, подсекающих уступ, опасность разрушения увеличивается.
По результатам проведенных исследований были сделаны следующие выводы:
1. Концепция формирования нерабочих бортов глубоких карьеров Кольского Заполярья / H.H. Мельников, A.A. Козырев, С.П. Решетняк, Э.В. Каспарьян, В.В. Рыбин, B.C. Свинин, A.H. Рыжков // Горный журнал, 2004, № 9, с. 45—50.
1. Изучены особенности распределения напряжений в окрестности глубокой вытянутой в плане карьерной выемки, находящейся в массиве пород с гравитационно-тектоническим типом НДС, которые заключаются в том, что борта карьера с увеличением глубины пересекают несколько зон с различным соотношением гравитационных и тектонических сил.
2. С помощью мелкомасштабной модели определены зоны растягивающих напряжений в бортах карьера. Области растяжения наблюдаются в основном на длинных участках борта карьера.
По данным численного моделирования НДС массива в локальных моделях участков бортов карьера можно сделать вывод о том, что вертикальные уступы в целом будут устойчивы. Формирование трещин скола возможно в краевой части уступа на коротком борту карьера при многократном снижении прочностных характеристик массива вследствие воздействия взрывов и процессов выветривания. В уступах длинного борта могут образовываться техногенные трещины в центральной их части, однако раскрытие трещин маловероятно в условиях действия другой компоненты сжимающих напряжений.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Козырев A.A., Семенова Н.Э., Рыбин В.В., Аветисян И.М. Исследование напряженно-деформированного состояния массива пород численными методами на основе данных натурных измерений в окрестности крупной карьерной выемки. — ГИАБ, 2011, № 11. — с. 78—89. ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Козырев Анатолий Александрович — доктор технических наук, профессор, заместитель директора, [email protected],
Семенова Инна Эриковна — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, [email protected],
Аветисян Иван Михайлович — научный сотрудник, [email protected], Горный институт Кольского научного центра.
