автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Обоснование технологии отвалообразования в сейсмоопасных районах с горным рельефом (На примере Удоканского месторождения)

гу /ъ

. -

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

ИРКУТСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

НИКИФОРОВ Андрей Валентинович

УДК 68.271.332.026.7(073.80)

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОТВАЛООБРАЗОВАНИЯ В СЕЙСМООПАСНЫХ РАЙОНАХ С ГОРНЫМ РЕЛЬЕФОМ

(На примере Удоканского месторождения)

Специальность 05.15.03 Открытая разработка месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск, 1391

Работа выполнена в Читинском институте природных ресурсов СО АН СССР.

Научные руководители:

доктор технических паук, с. н. с. Д. П, Сенук.

доктор технических паук, профессор В. А. Падуков.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А, В. Рашкии. кандидат технических паук И. Б. Шнонин.

Ведущее предприятие — ЧФ ГИПРОЦВЕТМЕТ.

Защита диссертации состоится 9 января 1992 г. в 10.00 часов па заседании Специализированного совета К 063.71.02 по присуждению ученых степеней при Иркутской Ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83, ауд. № И-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПИ.

Ученый секретарь специализированного совета, к. т. н., доцент Н. И, Страбыкнн.

Автореферат

байкалья» (Чита, октябрь 1987 г.), на 11 областной конференции молодых ученых Читинской области (Чита, январь 1988 г.), на рабочем совещании лаборатории «Проблемы устойчивости» (Ленинград, ВНИМИ, февраль 1989 г.), на заседаниях кафедр открытых горных работ ЛГИ (.май 1989 г.) и КазЦТИ (октябрь 1989 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе коллективная монография и изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и трех приложений, написана на 171 страницах машинописного текста, включает рисунков 43, таблиц 23 и списка использованной литературы из 79 наименований.

Основное содержание работы

При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом традиционным и весьма существенным вопросом является обоснование и выбор технологических схем отвалообразования. Применительно к Удоканскому месторождению данная задача должна решаться в уникально сложных горно-геологических условиях Северо-Восточного фланга Байкальской рифтовой зоны — высокогорного, аль-пинотипного рельефа; сильной тектонической нарушенности; 9—10-балльной сейсмической активности; высокой производительности карьера и большого объема пустых пород, подлежащих складированию в отвалы.

Анализ опыта отвалообразования на горных склонах (ПО «Апатит», Тырныаузский комбинат) показал на возможность ведения горных работ на больших высотных отметках. Необходимым условием о данном случае представляется обоснование параметров отвалов с позиции их устойчивости. Полученные в ходе исследований на данных предприятиях рекомендации по обеспечению устойчивости позволили выбрать параметры технологии отвалообразования: длину фронта отвалообразования, ширину отвала, интенсивность отсыпки горной породы; распределение грузопотоков и выбор площадок.

В то же время отсутствие на Удокане реальных отвалов с одной стороны, и специфические горно-геологические условия, в том числе наличие сейсмичности, с другой, потребовали постановки дополнительных исследований.

На первом этапе изучались особенности формирования отвала в каньоне. С этой целью проведено физическое моделирование распределения пустых пород при нескольких вари-

антах их отсыпки, Моделирование осуществлялось по методу эквивалентных материалов на модели каньона ручья Скользкий, выполненной в геометрическом масштабе 1:500. Модель имела размеры 4X4X1,5 м. Критерием для подбора породных смесей принимали значения коэффициента сцепления С и угла внутреннего трения ® • (См = 0,068 т/2; о м = 36-^39°).

Наблюдения за процессом отсыпки позволило установить порядок и уточнить механизм формирования отвала и разделить его на три этапа.

На первом этапе формируется рабочая площадка. В этот период пустая порода остается в верхней части склона на тех участках рельефа, где угол откоса меньше внутреннего трения пород. Ширина рабочей площадки (рис. 1) растет до тех пор, пока длина ее откоса не обеспечит подавляющему большинству породных частиц энергию, достаточную для преодоления сил трения. Установлено, что при крутизне основания (7>45°) первый этап может быть исключен из процесса отва-лообразования.

Второй этап — отсыпаемая порода преодолевает силы трения и перемещается в нижнюю часть каньона. Выделено наличие перераспределения отсыпаемой породы по крупности частиц на склоне. В результате чего угол естественного откоса по длине склона не остается постоянным изменяясь от 45° в верхней его части до 15° в нижней, что, в свою очередь, также влияет на устойчивость отвала.

Перераспределенная по крупности порода постоянно заполняет объем каньона снизу вверх.

Третий этап наступает при заполнении каньона до нижней границы рабочей площадки (точка 0, рис. 1), подпирая ее и тем самым создавая условия для увеличения ширины рабочей площадки. Процесс далее повторяется в условиях, более благоприятных по фактору устойчивости рабочей площадки ввиду удаления от зоны контакта пород отвала со скальным основанием. Полученные в ходе иследований на модели результаты позволяют в первом приближении осуществить прогноз поведения массива отвала при отсыпке его в каньон.

Поэтому, следующим этапом исследований являлась разработка методики оценки устойчивости отвала на разных стадиях его формирования.

Анализ работ Демина А. М., Цветкова В. Е., Сегерлин-да Л., Ержанова Ж. М., Фадеева А. Б. и др. посвященных данному вопросу, позволил сделать вывод, что основанный на

определении напряженно-деформированного состояния (НДС) §

горного массива расчет его устойчивости, в настоящее время является более достоверным. В свою очередь, достоверность прогноза НДС массива определяется в основном от того, с какой точностью л полнотой составлена модель рассматриваемой среды.

С этой целью кроме общих уравнений связи в модель вводятся дополнительные, отражающие особенности развития деформаций, уравнения.

Описание модели

Поскольку рассматриваемая среда в определенных пределах деформирования ведет себя как упругое, линейно-деформируемое тело, то представляется возможным в этих пределах связь напряжений и деформаций описать законом Гука. Достижение предельного состояния рассматриваемой среды, исходя из теории прочности, можно охарактеризовать ,как прекращение увеличения сопротивления, сдвиговым напряжениям с их возрастанием, т. е. среда не может воспринимать дополнительные сдвиговые напряжения. Согласно этой теории пластическое течение происходит по площадкам скольжения, определенно ориентированным в пространстве главных напряжений. Причем положение площадки определяется из различных условий, в том числе из условия выполнения закона Кулона.

Таким образом поведение рассматриваемой среды можно представить -в следующем виде:

— если напряжения в среде не превосходят заданного предела, связь напряжений и деформаций описывается законом Гука;

— предельные напряжения в области растяжения ограничиваются прочностью на растяжение Т (Т<0);

— в области сжатия — критерием Кулона.

Выбранный нами вариант реализации данной модели, основанный «а использовании метода конечных элементов, предполагает следующее.

В области допредельного состояния материал массива рассматривается как линейно-деформируемая среда, в то же время в уравнении закона Гука подставляются значения не упругих характеристик, а модуль общей деформации и .коэффициент поперечной деформации, являющиеся характеристиками полной деформации, состоящей из упругой и остаточной; в пластических зонах процедура расчета предусматрива-

ет использование метода «начальных напряжений», заключающегося в том, что разница между упругими и теоретическими напряжениями рассматривается как прирост начальных напряжений:

Прирост начальных напряжений пересчитывается в начальные узловые силы по формуле:

где Ку — коэффициент ускорения сходимости,

[В] — матрица жесткости системы.

Добавление узловых сил увеличивает упругие напряжения в элементе, однако на величину меньшую, чем начальные напряжения, по которым были рассчитаны узловые силы, поскольку добавленные начальные силы распределяются также и на другие элементы расчетной области. Если найденное таким образом упругое напряжение за вычетом начального не окажется достаточно близким к теоретическому, итерация повторяется.

В том случае, когда эта процедура не приводит к сходимости итерационного процесса значительная часть породного массива переходит в стадию прогрессирующей текучести.

По мнению ряда ведущих специалистов сходимость итерационного процесса возможно использовать как качественный показатель устойчивости исследуемого массива. Количественная оценка устойчивости обычно характеризуется коэффициентом запаса устойчивости (Кз.у.), который определяется соотношением удерживающих и сдвигающих сил по более вероятной ,поверхности скольжения. Положение этой поверхности в свою очередь определяется НДС массива, в частности многими авторами установлено, что начало разрушения связано с образованием трещин в зоне действия максимальных касательных напряжений ^ тах.

Нами разработан следующий алгоритм реализации данной модели:

Методом конечных элементов рассчитывается НДС массива. Учитываются дополнительные факторы — внешняя нагрузка, сейсмическое воздействие, уплотнение отсыпаемых пород.

Рис. 4. Зависимость коэффициента запаса устойчивости рабочей площадки от ее ширины поверху и угла наклона основания.

2. Определяется область с t шах. '

3. Выводится уравнение .кривой, описывающей распределение т max в выделенной зоне. Полученная кривая, отсеченная в верхней части линией вертикального обнажения (Hw>), принимается как линия поверхности возможного обрушения.

4. Сложение уравнений, описывающих линию поверхности возможного обрушения, кровлю и откос отвала позволяет определить параметры призмы возможного обрушения.

5. Методом «отсеков» рассчитывается Кз.у.

Составленный комплекс программ для ЭВМ (рис. 2) по

данному алгоритму позволил произвести многовариантные расчеты с последующим сравнением выбранных схем по значениям Кз.у.

Выбор рабочих схем ведения горных работ при отвалооб-разовании в каньоне основан на рассмотрении двух базовых вариантов с последующей их комбинацией. Вариант 1 — отсылка отвала производится снизу поярусно; вариант 2 — с горного склона производится отсыпка пионерной поперечной на-

Рис. 2. Блок-схема комплекса программ.

И

Рис. 5. Замисммость коэффициента запаса устойчивости отвала и основания от сейсмичесокго воздействия Нотв. = 150 м; Носи = 500 м.

сыпи (дамбы) с последующим продвигавшем фронта работ вдоль склонов каньона (рис. 3).

Анализ результатов исследований устойчивости различных схем с учетом внешних воздействий, представленных на рис. 4, 5, 6, позволил сделать следующие выводы:

— предельно допустимая высота отвала, без учета сил сейсмического воздействия, составила 190 м;

— при восьмибалльном землетрясении предельная высота отвала составила 160 м;

— при девятибалльном землетрясении возможно разрушение отвала;

— уменьшение устойчивости отвала при внешней нагрузке от автосамосвала грузоподъемностью 300 т не превышает 1%, что не выходит за рамки погрешности расчетного метода (1 класса — 10%) и практически может не учитываться;

— ширина бермы безопасности определяется шириной предохранительного вала и составляет 2,5-г2,7 метров;

— угол наклона основания отвала более 30° не обеспечивает его устойчивость с Кзу^1,2;

— угол наклона основания более 45° предполагает перемещение отсыпаемых пород по склону;

— устойчивость отвала, отсыпаемого поперек каньона

В)

вариант И

Рис. 3. Варианты отвалообразоваиия:

а) поярусная схема

б) схема с применением пионерной насыпи.

Рис. 6. Зависимость коэффициента запаса.устойчивости отпала от его высоты и силы' сейсмического воздействия.

(пионерная насыпь, дамба) повышается в 1,4 раза за счет подпора противоположным склоном.

Обоснование по фактору устойчивости параметров отвалов позволило разработать вариант отвалообразования в каньоне ручья Скользкий (рис. 7; 8). В предложенном варианте можно выделить следующие особенности:

1. Использование естественных условий (крутой угол откоса склона) для организации рабочих площадок в верхней части каньона с обеспечением перемещения отсыпаемых с них пустых пород в нижнюю часть за счет сил гравитации.

2. Комбинированная схема формирования отвала, позволяющая производить частичную отсыпку пустой породы непосредственно на скальное основание с верхней части каньона и последующего заполнения оставшегося объема каньона с применением съездов и поярусного формирования отвала. Отсыпка пустых пород с верхней части склона позволяет сократить дальность транспортировки (за счет отсутствия съезда) и соответственно уменьшить себестоимость отвалообразования.

цас\и

А-гьооо

Разр®4 2

Разрез 3

г ?

Ъаъре

1 - съелд

2 - пионерная нсеьпв

3 - кочтур второго «руса

4 - поправление развитие

огмьала

5-цоитур перього ррусо

Разрез Н

Рис. 7. Первый этап отвп.юобразовашш.

МасштаБ ) -.25000

РаЗр" ■

■Разрез 2

Разрез 5

Рсире»4

отвала ^

2 - раЙо^ю площодксд

~ Ч-иапргло." " ^^-.ггмр и *<рсг. ГО -О' ч

Согрел А

Рнс. 8. Второй этап отвалообразований.

3. Использование пионерной насыпи (дамбы) для поярус-ного формирования отвала — позволяющая изменить направление фронта отвальных работ с целью уменьшения влияния наклонного основания на устойчивость отвала и ее повышения за счет подпора со стороны противоположного склона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В дисссртационой работе дано решение актуальной научной задачи, состоящее в установлении зависимостей, оценивающих влияние горно-технических факторов на значение коэффициента запаса устойчивости отвала, что имеет важное значение для обоснованного выбора технических решений по оптимизации технологии отвалообразования при разработке нагорных месторождений в сейсмически активных районах.

Основные научные и практические результаты, полученные в работе, заключаются в следующем:

1. Исследован механизм формирования отвала в каньоне при отсыпке с его борта, позволяющий обосновать местоположение рабочих площадок, обеспечивающих свободное перемещение отсыпаемых пород в нижнюю часть склона.

2. Установлен градиент сил сейсмического воздействия по высоте горного склона и получено его количественное значение для района месторождения (+0,5 баллов на 100 метров).

3. Установлена зависимость коэффициента запаса устойчивости отвала от горно-технических и геологических факто ров: физико-механических свойств пород основания и отвала, геометрических параметров, сейсмического воздействия и нагрузки от горногранспортного оборудования.

4. Разработана методика оценки устойчивости отвала на разных стадиях его формирования, учитывающая инженерно-геологичсские, геомеханические и геометрические факторы, воздействие динамических и статистических нагрузок. Методика реализована в виде комплекса программ для ЭВМ.

5. Для района исследований проведена количественная оценка следующих природных факторов: гидрологический режим; снегонакопление, геологическое строение и нарушен-ность горных склонов, поле тектонических напряжений, физико-механические свойства пород и реакция горных склонов на динамические воздействия. Ввод полученных данных в расчетные схемы позволяет повысить достоверность расчета устойчивости отвалов.

2 За к. 503

] 7

6. Разработан технологический вариант огвалообразова-ния в каньоне ручья Скользкий, включающий частичную отсыпку пустой породы с верхней части склона и последующего заполнения каньона с применением съездов и поярусным формированием отвала. Эффективность данного варианта обеспечивается свободным перемещением пород в нижнюю часть каньона по склону, что сокращает затраты на ее транспортировку при верхнем расположении трассы грузопотока и формированием ярусов с предельно-допустимой, по фактору устойчивости, высотой.

7. Создана система автоматизированного контроля за устойчивостью отвала, включающая — устройство для измерения деформаций (заявка № 4237511 с положительным решением от 03.05.88 г.); соединительную магистраль; преобразователь и устройство сигнализации. Применение данной системы позволяет повысить безопасность ведения горных работ на отвале.

8. Фактический экономический эффект от внедрения мероприятий, разработанных на основе исследований, составил 216,7 тыс. руб/год.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Комплексная методика мерзлотно-геомеханического обоснования строительства и эксплуатации промышленных сооружений Севера Забайкалья на примере Удоканского ГОКа. — В кн.: Материалы конференции по геокриологическим проблемам Забайкалья. — Чита, 1984. (В соавторстве: Сену« Д. П., Тонайно А. С., Железняк И. И., Маркевич С. В., Ядрищен-ский Г. Е.).

2. Оценка устойчивости оснований нагорных отвалов Удо-канокого ГОКа. — В кн.: Материалы IX Всесоюзного семинара по измерению напряжений в массиве горных пород. — Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1985, с. 52—60 (В соавторстве Сенук Д. П. и др.).

3. Генезис систем трещин отвальных склонов Удоканского ГОКа по резеультатам их статистической обработки. — В кн.: Количественный анализ геологических явлений. Материалы 1-й Всесоюзной школы «Применение количественных методов в геологии». — Иркутск, ИЗК СО АН СССР, 1985, с. 32—40 (В соавторстве: Сенук Д. П., Маркевич С. В., Федотов С. А.).

4. Математическая модель скального массива с тектоническими разрывами и ее численная реализация методом конечных элементов. — В кн.: Количественный анализ геологичес-

ких явлений. Материалы 1-й Всесоюзной школы «Применение количественных ,методов в геологии». — Иркутск, ИЗК СО АН СССР, 1985, с. 40—45. (В соавторстве: Маркевич С. В.).

5. Ультразвуковой метод в решении геомеханических задач в условиях Забайкальского Севера. В сб.: Тезисы 1-й конференции по инженерно-геологическим проблемам Забайкалья. — Чита, 1987, с. 146—147. (В соавторстве: Мани-люк В. В., Ядршценский Г. Е.).

6. Комплекс программ для расчета устойчивости геотехнических сооружений и горных массивов. Информ, листок № 160—87, Чита, ЦНТИ 1987, с. 3. (В соавторстве: Дудинский Ф. В., Сорокин А. А.).

7. Устойчивые параметры отвалов и бортов вскрышных и добычных уступов. — Информ. листок № 154—87. — Чита, ЦНТИ, 1987, с. 4. (В соавторстве: Сенук Д. П. и др.).

8. Физическое моделирование процесса отвалообразова-ния на горных склонах Удокана. В сб.: «Тезисы II областной конференции молодых ученых Читинской области». — Чита, 1988, с. 74—75. (В соавторстве: Ивин И. А., Рыжих А. М.).

9. Устойчивость техногенных сооружении Забайкальского севера. — Новосибирск, Наука, 1988,с. 168. (В соавторстве. Сенук Д. Г1. и др.).

10. Устойчивость и оптимизация систем разработки. — Колыма, 1989, № 7, с. 7—8. (В соавторстве: Дудинский Ф. В.. Добрынин А. С.).

11. Заявка на изобретение № 4237511 от 28.04.87 с положительным решением от 03.05.88 г.

12. Устойчивые параметры отвалов и бортов вскрышных и добычных уступов. — Информ. листок № 103—89, — Чита, ЦНТИ, 1987, с. 4. (В соавторстве: Добрынин А. С., Железняк И. И., Рыжих А. М„ Маркович С. В.).

13. Вопросы обеспечения надежности геотехнических сооружений при освоении месторождений полезных ископаемых. В сб.: Тезисы докладов территориальной научно-технической конференции «Прогнозная оценка инженерно-геологических условий при открытой разработке месторождений Урала». — Свердловск, 1989, с. 13.

14. Выбор эффективного варианта технологии отвалообра-зования на горных склонах Удоканского месторождения. — В сб.: Проблемы горного производства Восточной Сибири. Новосибирск, Наука, 1991, с. 28—31. (В соавторстве: Паду-ков В. А.).