Прогнозирование деформационных процессов в прибортовой зоне карьера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Изучение современных тенденций по обеспечению устойчивости уступов и бортов карьера и анализ факторов, влияющих на устойчивость

2. Определение и исследование наиболее устойчивых форм профилей откоса уступов, а также анализ параметров, влияющих на их формирование и устойчивость

3. Расчёт угла откоса борта вогнутого профиля

4. Расчёт углов откоса выпуклого профиля

Заключение

Список использованной литературы



Введение

В Республике Узбекистан горнодобывающая промышленность является одной из ведущих структурообразующих отраслей для развития экономики.

Увеличение производственных мощностей на месторождениях полезных ископаемых, разрабатываемых открытым способом, способствует к переходу к отработке более глубоких горизонтов. В связи с чем возрастает риск ухудшения устойчивости прибортового массива из-за постепенного углубления карьера, что в свою очередь вызывает риск потенциально опасных деформаций приконтурных уступов.

Открытый способ разработки полезных ископаемых в сравнении с подземным, обеспечивает высокую производительность труда, низкую себестоимость, лучшие и сравнительно безопасные условия работы. Увеличение удельного веса добычи полезных ископаемых открытым способом производится за счет ввода новых мощностей, реконструкции существующих горных предприятий, применения более совершенной технологии и систем разработки на базе новой техники, механизации и автоматизации производственных процессов. В настоящее время проектируются карьеры глубиной до 700 м и более. Стремление отработать месторождение открытым способом при минимальных объемах вскрышных работ зачастую приводит к оползням и обрушениям прибортовых горных массивов, а излишний разнос бортов - к большим неоправданным экономическим затратам.

Прогнозирование деформационных процессов в прибортовой зоне карьера возможно на основе комплексного подхода к анализу и обобщению данных, включающих изучение структурно-тектонического строения и прочностных свойств массива, инструментальные наблюдения за деформированием различных участков прибортового массива, оценку напряженно-деформированного состояния, а также проведение геомеханических расчетов устойчивости.

Актуальным, в данном случае, является разработка относительно новых и более эффективных способов формирования устойчивых бортов карьера, и не только глубоких, но и карьеров относительно меньшей глубины.

С целью увеличения угла откоса борта карьера, возможно увеличение угла откосов уступов, слагающих борт. Но и это, в свою очередь, повышает риск осыпаний, оползней и других деформационных процессов. Существуют достаточно много взысканий и исследований, касающихся данной тематики. В них рассматриваются различные стороны данной проблемы, включая и формирование относительно устойчивых форм профиля откоса уступов карьера. Однако, в данных работах большее внимание уделяется именно профилю откоса как единый цельный объект. В настоящей работе имеет место введение относительно нового способа формирования устойчивых бортов карьера - поуступным разделением.

Данный способ предполагает разделение откоса высокого уступа на более мелкие части с различными углами откоса. Каждый поуступный откос будет иметь определенное значение угла, определяемое соответствующими формулами. Такой подход позволит нам получить более устойчивую форму профиля откоса высокого уступа - вогнутую форму.

Вместе с тем, понижая риск потери устойчивости прибортового массива, что в свою очередь, предотвращает последующие потенциально-опасные деформационные процессы.

Одними из основных вопросов при отработке полезных ископаемых открытым способом являются обеспечение безопасности при ведении горных работ и достижение рациональной отработки месторождений. Увеличение глубины разработки месторождений открытым способом обычно ведет к разносу бортов карьера и увеличению объемов вскрыши. Другой вариант вовлечения в отработку глубоких горизонтов карьера без значительного увеличения себестоимости добычи полезного ископаемого является пересмотр первоначального проекта и увеличения конечного угла наклона борта. При этом варианте встает вопрос об обеспечении устойчивости борта карьера и выборе рациональных с точки зрения геомеханики параметров вновь проектируемых уступов на глубоких горизонтах.

Таким образом, обеспечение устойчивости бортов карьера путем формирования вогнутого профиля откоса высокого уступа с поуступным разделением является актуальной научно-технической задачей горного производства.



1. Изучение современных тенденций по обеспечению устойчивости уступов и бортов карьера и анализ факторов, влияющих на устойчивость

Для развития современных карьеров характерно значительное увеличение глубины и переход к разработке глубоко залегающих руд, глубина отработки месторождений открытым способом перешагнула отметку в тысячу метров от земной поверхности.

Для обоснования предельных параметров бортов и уступов глубоких карьеров необходимо проводить комплекс исследований наиболее значимых горно-геологических и горнотехнических факторов.

Истинными причинами появления деформаций являются: несоответствие углов наклона карьерных откосов геологическими условиям или недостаточная изученность этих условий (структурно тектонические особенности горного массива и его физико-механические свойства); отсутствие дренажа или его неэффективность; неправильное ведение горных работ (например, буровзрывных); неправильное представление о характере деформационного явления, его недооценка; применение неправильного метода расчета параметров откоса и оценки его устойчивости.

В практике ведения открытых горных работ все факторы, влияющие на устойчивость бортов карьеров, можно разделить на четыре группы: инженерно-геологические, гидрогеологические, физико-географические, горнотехнические [3].

Все факторы объединяются в две основные группы: природные и горнотехнические. Первая группа включает следующие факторы: климатические (температура воздуха, количество осадков, режим ветров, температурный режим массива горных пород); геологические (состав, строение, состояние и свойства горных пород); гидрогеологические (наличие поверхностных вод и водоносных горизонтов, обводненность контактов и структурных нарушений). Вторая группа характеризуется способом вскрытия карьерного поля, системой разработки, способом отбойки горной массы, отвалообразованием и геометрическими параметрами карьера. Совокупность всех этих факторов определяет напряженное состояние прибортового массива и условия его деформирования. Из всех вышеперечисленных факторов, влияющих на устойчивость откосов, основными являются: ? физико-механические свойства вмещающих пород и породных контактов; ? структурно-тектонические особенности прибортовых массивов; ? технология ведения горных работ при разработке месторождения открытым способом. Первые два фактора являются природными, присущими данному массиву, они первичны, их нельзя изменить, а можно только изучить и учитывать в расчетах устойчивости откосов. Третий же фактор есть результат производственной деятельности человека, и он должен быть управляем при решении проблемы обеспечения устойчивости карьерных откосов [3].

Рис. 1. Классификация факторов, влияющих на устойчивость уступов и бортов карьера

Инженерно-геологические факторы

Влажность - отношение заключенной в породе массы воды к массе сухой породы, %. Весьма важный показатель для пластичных пород, сухие глины ведут себя как твердые тела, а при увеличении влажности глина теряет свои свойства и переходит в текучее состояние. При изменении влажности всего на 6 % коэффициент сцепления песчано-глинистых пород изменяется с 0,05 до 0,02 МПа, глинистых - с 0,4 до 0,05 МПа, а угол внутреннего трения глинистых пород уменьшается с 14 до 6° [1].

Плотность - отношение массы горной породы к занимаемому объему. При этом следует различать плотность твердых частиц, природной и сухой породы.

Плотность твердых частиц зависит только от минералогического состава породы. Плотность одинакова для горной породы, состоящей из одних и тех же минералов, не зависит от пористости и влажности.

Плотность природной горной породы с - масса единицы объема породы с естественной влажностью и природным (ненарушенным) сложением. Эта величина переменная и зависит от пористости и влажности.

Плотность сухой породы - масса твердой компоненты (скелета) в единице объема породы при естественной (ненарушенной) структуре.

Прочностные свойства горных пород (сцепление и угол внутреннего трения) определяются генезисом, степенью литификации осадочных пород, их литолого-петрографическими особенностями (минералогическим и гранулометрическим составом, структурой и текстурой в образце, составом цемента скальных и полускальных пород, плотностью сложения рыхлых, несвязных пород, плотностью сложения и влажностью мягких связных пород). Прочностные свойства характеризуют поведение горной породы под нагрузками, равными или превышающими критические; их определяют при испытании образцов на сжатие, растяжение и срез.

Гидрогеологические факторы

В обводненных массивах горных пород напряженное состояние изменяется под воздействием гидростатических, гидродинамических сил, а также в результате увеличения плотности пород при росте их влажности. Гидрогеологические факторы для бортов карьеров проявляются прежде всего через водоносные комплексы четвертичных отложений. По дренируемости четвертичные отложения характеризуются слабой водоотдачей, размоканием и набуханием на фильтрующих участках. Воды четвертичных отложений инфильтрационного типа, водообильность этих пород низкая [3]. Гидростатическое взвешивание проявляется архимедовыми силами взвешивания, которые уменьшают давление столба горных пород и тем самым уменьшают силы трения. Гидродинамическое давление создается в результате сопротивления породы движению (фильтрации) воды. Оно объемно и направлено вдоль линии тока. Гидродинамическое давление может снижать устойчивость массива горных пород на десятки процентов.

Гидростатические и гидродинамические силы могут проявляться через поровое давление, которое возникает при уплотнении водонасыщенных глинистых пород. Поровое давление - одна из основных причин деформаций намывных сооружений - гидроотвалов. Здесь натурные замеры его являются обязательными.

Физико-географические факторы

Климат района оказывает существенное влияние на устойчивость грунтовых массивов через температурный режим, атмосферные осадки и розу ветров.

Температурный режим с многократно повторяющимися циклами замораживания и оттаивания, а также промерзанием грунтов в значительной степени усиливает процесс выветривания (разупрочнения) пород, способствует образованию осыпей. В большей степени нарушению устойчивости массива способствует резко континентальный климат, характеризуемый высокой температурой в летний период и низкой в зимний. Преобладающее направление ветра вкрест простирания борта отрицательно сказывается на устойчивости песчаных откосов, потому что усиливается процесс выветривания пород. Атмосферные осадки и неравномерное распределение толщины снежного покрова в период активного снеготаяния и сезонных паводков приводят к эрозии откосов, обводненности мягкосвязных пород и размыву песчано-глинистых разностей. Длительные дожди - причина деформаций отвалов и глинистых уступов. При изменении влажности глинистых пород с 20 до 34 %, угол внутреннего трения изменяется с 21 до 12°, а сцепление с 0,07 до 0,01 МПа. Попадая в трещины, атмосферные осадки ослабляют устойчивость скальных пород [3].

Рельеф местности оказывает отрицательное воздействие на горные выработки, когда склон способствует стоку поверхностных вод в выработанное пространство. Неблагоприятным считается также рельеф, способствующий образованию заболоченных территорий и небольших водоемов вблизи горных выработок, так как это способствует насыщению прибортового массива водой.

Нарушение устойчивости бортов карьеров

Развитие оползня часто происходит в несколько стадий, т. е. при отрыве первой призмы обрушения развитие деформаций не останавливается, вглубь массива развивается новая система трещин и процесс может продолжаться в течение нескольких лет. Деформирующийся массив передвигается по неподвижной поверхности скольжения. Особенностью оползней является медленное их развитие с последующим быстрым обрушением. Развивается оползень от десятков минут до нескольких лет. Массив оползающих пород называется телом оползня или призмой обрушения [2].

Нарушение условия предельного равновесия откоса вызывает развитие деформаций по следующему сценарию:

- в прибортовой зоне массива на расстоянии примерно (0,1-0,4)H (H - высота борта) появляются нарушения сплошности поверхности в виде трещин, заколов, просадок.



Рис. 2. Нарушение сплошности поверхности в виде трещин

- постепенно амплитуда трещин увеличивается и происходит отрыв призмы обрушения в верхней части практически вертикально до глубины, а затем породы сползают по поверхности скольжения.

Рис. 3. Отрыв призмы обрушения (вторая фаза оползня)

Анализ нарушений устойчивости бортов карьеров, выполненный в ВИОГЕМ, показал, что 75 % деформаций возникают в песчано-глинистых отложениях и только 25 % приходится на откосы твердых (скальных) и полутвердых (полускальных) трещиноватых пород. На двух третях карьеров наблюдаются нарушения устойчивости откосов объемом более 1000 м3, причем эти процессы интенсифицируются с увеличением глубины карьеров. Так, если при глубине карьеров до 100 м лишь на половине из них зафиксированы деформации откосов, то с переходом на большие глубины доля карьеров с нарушениями устойчивости откосов возрастает до 80 % [5]. Как видно из рис. 4. деформации откосов происходят в основном в виде оползней и обрушений. Для карьеров агрохимического сырья доля оползней составляет 85 %, в то время как на остальные деформации приходится всего 15 %. Это связано с распространением на карьерах этих отраслей комплексов преимущественно слабых и полускальных пород, в то время как на рудных карьерах до 80 % горной массы является скальной.

По форме поверхности скольжения, ее пространственному положению выделяют поверхностные оползни (контактный, покровный) и глубинные (выпирания, надвиг). Контактный оползень формируется при падении слоев в сторону выработанного пространства под углом, меньшим угла внутреннего трения. Прочность пород позволяет удерживать в равновесии откос достаточно долгое время. Однако при подрезке снизу горными работами ослабленных контактов между слоями, падающими в сторону выемки, а также при насыщении водой мягкосвязных и выветрелых пород происходит оползание верхнего, более слабого слоя пород по контакту с более прочными коренными породами [1].

Рис. 4. Виды деформаций откосов на карьерах (по данным ВИОГЕМ)



При формировании контактного оползня поверхность скольжения проходит по контактам пород, трещинам, нарушениям, по которым прочность значительно ниже, чем в других направлениях. Векторы 3 смещения пород параллельны поверхности скольжения 2.

Рис. 5. Контактный оползень: 1-откос до деформирования; 2-поверхность скольжения; 3-векторы смещения пород

Покровный оползень слабых пород является частным случаем контактного оползня. Как правило, происходит смещение сильно увлажненных мягкосвязных пород по контакту с коренными породами, имеющими наклон в сторону выработанного пространства [3].

Рис. 6. Покровный оползень слабых пород: 1-откос до деформирования; 2-откос после деформирования; 3-поверхность скольжения; 4-векторы смещения пород



Покровный оползень продуктов выветривания происходит в основном на нерабочем борту, где длительное время скапливаются выветрелые горные породы. При их сильном увлажнении происходит оползание водонасыщенных пород, при сильном насыщении пород водой такой оползень переходит в оплывину. борт карьер откос уступ

Рис. 7. Покровный оползень продуктов выветривания: 1-откос до деформирования; 2-откос после деформирования; 3-поверхность скольжения; 4-векторы смещения пород

Глубинные оползни захватывают большие объемы прибортовых массивов и достигают от нескольких тысяч до сотен миллионов кубических метров. Условием возникновения глубинного оползня является наличие на вскрытых карьером породах висячего бока слабых пластичных глин или слабых контактов между слоями, которые имеют наклонное или пологое падение в сторону выработанного пространства. Причинами глубинных оползней могут также являться напорные воды в слоистых породах висячего бока и крутые углы наклона борта [3].

Оползень выпирания возникает, когда в основании борта залегают слабые контакты или слои слабых пластичных глин, не пересеченные бортом. Поверхность скольжения опускается ниже подошвы выемки и в нижней части выходит на дневную поверхность на некотором расстоянии от нижней бровки откоса, образуя перед откосом вал выпирания [1].



Рис. 8. Оползень выпирания: 1-откос до деформирования; 2-откос после деформирования; 3-поверхность скольжения; 4-векторы смешения пород

Оползень-надвиг. В нижней части поверхность скольжения проходит по ослабленному контакту между слоями или слабому пластичному прослойку, полностью пересеченному бортом, а в средней и верхней - пересекает слои горных пород.

Рис. 9. Оползень-надвиг: 1-откос до деформирования; 2-откос после деформирования; 3-поверхность скольжения; 4-векторы смешения пород



Рис. 10. Три основных вида потери устойчивости скальных пород [3]

Рис. 11. Образование областей критических напряжений в откосе [5]

Рис. 12. Результаты моделирования устойчивости породного уступа [5]



2. Определение и исследование наиболее устойчивых форм профилей откоса уступов, а также анализ параметров, влияющих на их формирование и устойчивость

Месторождение Мурунтау расположено в северозападной части структурно-формационной зоны Кызылкумо-Алайской системы Юго-западного Тянь-Шаня и залегает в наиболее древних осадочно-метаморфических образованиях этой зоны. Главными разрывными нарушениями являются Южный, Структурный и Северо-Восточный (первый и второй) разломы. Постоянно производимые горно-добычные работы вызовают перераспределение напряжений в прибортовом массиве и, соответственно, дополнительные горизонтальные и вертикальные деформации. Решение вопросов обеспечения устойчивости бортов карьера и его уступов, своевременное предупреждение деформаций элементов открытых горных разработок невозможно без постоянного контроля за состоянием уступов бортов карьера и всего прибортового массива.

Наибольшая вероятность деформирования пород в уступах борта относится к выпуклой в плане части борта, высота которого в предельном положении 660 м.

Проблема устойчивости откосов вообще и бортов карьеров в частности опирается на решение четырех основных вопросов, касающихся [4]:

- обоснования метода расчета;

- выбора исходных данных для расчета;

- мониторинга устойчивости;

- разработки и внедрения противодеформационных мероприятий.

Основные характеристики массива, обуславливающие устойчивость бортов и уступов -- это прочность, геологическое строение, структура, тектоническая нарушенность и степень обводненности.



Рис. 13. Зависимость объема деформации от высоты деформированного слоя пород [5]

С целью обеспечения устойчивости откосов могут быть применены следующие методы и средства:

- заоткоска уступов;

- укрепление слабых участков откосов;

- выполаживание бортов;

- снятие напоров грунтовых вод при их наличии;

- своевременное осушение карьера.

Определение углов откосов борта карьера

На основании исходной информации производятся расчеты устойчивых углов откоса уступов на момент погашения, а также выбор профилей и расчет конструктивных углов погашения карьера для двух участков карьеров [4]:

1. на борту располагаются транспортные площадки (нагруженный);

2. на борту нет транспортных площадок (ненагруженный).

порода: скальная (известняки, доломиты, кварциты, гнейсы, мрамор, сиениты);

плотность пород: кг/м3;

угол внутреннего трения:

сцепление в монолите: кг/м2;

угол откоса отвала:

коэффициент запаса устойчивости:

1 Обоснование расчётных параметров (сцепление, коэффициент трения)

кг/м2 кг/м2

Где - коэффициент структурного ослабления; С - сцепление в монолите, кг/м2; - коэффициент запаса устойчивости; - угол внутреннего трения, градусы.

Расчёт угла откоса плоского профиля

Условную высоту откоса определяем по формуле:

,м

где - глубина карьера, м;

По полученному значению выбираем угол откоса борта.

3. Расчёт угла откоса борта вогнутого профиля

Высоту откоса ниже щели отрыва определяем по формуле:



,м

Высоту откоса делим на несколько промежуточных глубин (в нашем случае 6) , .Промежуточную глубина выбираем кратной высоте уступа.

Первая промежуточная глубина назначаться ниже отметки (ориентировочно на величину не менее высоты уступа). Последняя промежуточная глубина располагается на расстоянии, большем , отложенном от дна карьера.

Для каждой высоты рассчитываем безразмерную координату по формуле:

По значениям и выбирается безразмерная координата ;

После чего производим расчёт истиной координаты по формуле:

Полученные координаты откладываем на чертеже и определяем углы откосов по формулам:



4. Расчёт углов откоса выпуклого профиля

Для определения угла откоса выпуклого профиля от дна карьера откладываем . Оставшуюся часть борта карьера разделяем на несколько промежуточных горизонтов. Промежуточные горизонты для построения будут иметь значенияа отметки и так далее, то есть величины откладываем от дна карьера вверх. Для каждой точки определяем условную высоту откосов по формуле:

По значениям и расчётному углу внутреннего трения выбираем приведённое заложение борта карьера .

Истинное значение заложение борта определяем по формуле:

Значение углов откосов для выпуклого профиля определяем по формуле:



Анализ исследований инженерно-геологических явлений на карьерах позволяет сделать следующие выводы:

- 95 % всех деформаций составляют оползни, переходящие в оплывины;

- время существования уступов в устойчивом состоянии в зависимости от инженерно- и гидрогеологических условий и их параметров различно;

- деформациям подвержены отдельные уступы или несколько уступов, но не борт, сложенный песчано-глинистыми отложениями в целом;

- существует взаимосвязь между физико-механическими свойствами пород, геометрическими параметрами уступа и временем его существования в устойчивом состоянии [5].



Заключение

Характерной особенностью горнодобывающей промышленности в Узбекистане в настоящее время является преимущественно открытый способ добычи твердых полезных ископаемых.

Значительное увеличение глубины открытых горных выработок, разработка месторождений со сложными инженерно-геологическими условиями, повышение требований к сохранности территорий, прилегающих к открытым горным разработкам, рост цен земельных площадей, отторгаемых горными отводами, а также ряд других причин ставят производство перед необходимостью заниматься проблемой устойчивости бортов карьеров.

С устойчивостью откосов горнотехнических сооружений связаны вопросы безопасности ведения горных работ и экономические показатели работы горнодобывающих предприятий. Завышенные углы откосов приводят к возникновению разного рода нарушений и аварийных ситуаций, которые причиняют значительный ущерб горным предприятиям, а также представляют опасность для работающих в карьере людей и механизмов. В то же время уменьшение угла наклона борта всего на 3-4 приводит к увеличению объема вскрышных работ на миллионы кубометров.

Прогнозирование деформационных процессов в прибортовой зоне карьера возможно на основе комплексного подхода к анализу и обобщению данных, включающих изучение структурно-тектонического строения и прочностных свойств массива, инструментальные наблюдения за деформированием различных участков прибортового массива, оценку напряженно-деформированного состояния, а также проведение геомеханических расчетов устойчивости.

С целью увеличения угла откоса борта карьера, возможно увеличение угла откосов уступов, слагающих борт. Но и это, в свою очередь, повышает риск осыпаний, оползней и других деформационных процессов. Существуют достаточно много взысканий и исследований, касающихся данной тематики. В них рассматриваются различные стороны данной проблемы, включая и формирование относительно устойчивых форм профиля откоса уступов карьера. Однако, в данных работах большее внимание уделяется именно профилю откоса как единый цельный объект. В настоящей работе имеет место введение относительно нового способа формирования устойчивых бортов карьера - поуступным разделением.



Список использованной литературы

1. Основы геомеханики при открытой разработке месторождений полезных ископаемых: Учебное пособие / К.Ч. Кожогулов, С.В. Турсбеков, О.В. Никольская, и др. -- Алматы 2016. - 146 с.

2. Астафьев Ю. П. Управление состоянием массива горных пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых / Ю. П. Астафьев, Р. В. Попов, Ю. М. Николашин. - Киев: Вища шк. Головное изд-во, 1986. - 272 с.

3. Съедина С. А. Геомеханическое обеспечение устойчивости бортов карьера при его углубке. Диссертация на соискание степени доктора философии (PhD). Алматы 2019, 119 с.

4. Расчет устойчивости откосов при открытой геотехнологии. С. П. Бахаева. Кемерово, 2011.

5. Устойчивость бортов карьеров в сложноструктурном массиве мягких пород: моногр. / А.С. Ковров. - Д.: Национальный горный университет, 2013. - 131 с.

Размещено на Allbest.ru