Введение к работе
Актуальность проблемы.
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. Вследствие этого в настоящее время многие предприятия рассматривают варианты углубления карьеров с увеличением угла наклона бортов, что является одним из наиболее радикальных путей минимизации затрат на разработку глубокозалегающих месторождений полезных ископаемых открытым способом. Такой способ отработки успешно применяется на карьерах Palabora (ЮАР), Cleveland Cliffs (США), Flintkote Mine, Westfrobe Mine (Канада), Aitik (Швеция), в которых углы наклона бортов на конечном контуре составляют 50 – 70. В России на карьерах, отрабатывающих якутские алмазные месторождения, «Айхал», «Мир», «Интернациональный», «Удачный», на карьере Целиноградского горно-химического комбината сформированы участки бортов высотой до 120 м с углами более 50.
При проектировании глубоких карьеров с крутыми откосами бортов необходимо геомеханическое обоснование параметров карьерной выемки и ее конструктивных элементов. Одним из методов, который позволяет учесть влияние основных геологических и горнотехнических факторов на распределение напряжений в массиве пород, является трехмерное численное моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС).
Анализ работ по данной тематике показал, что проблема обеспечения устойчивости участков бортов глубоких карьеров до конца не решена. Это связано, в первую очередь, с тем, что в большинстве работ не учитываются действующие в массиве тектонические напряжения и изменение их значений с глубиной.
В связи с вышеизложенным, исследование напряженно-деформированного состояния пород в бортах глубокого карьера при действии тектонических напряжений является важной научно-технической задачей.
Цель диссертационной работы состоит в прогнозе устойчивости участков бортов глубокого карьера, находящегося в неоднородном массиве под действием гравитационно-тектонического поля напряжений.
Основная идея заключается в учете изменения типа напряженно-деформированного состояния массива горных пород с глубиной для выявления потенциально опасных участков борта карьера.
Задачи исследований:
-
Выявление и анализ наиболее значимых горно-геологических и горнотехнических факторов, оказывающих влияние на устойчивость бортов и уступов глубокого карьера.
-
Разработка трехмерных конечноэлементных моделей массива горных пород, включающего глубокую карьерную выемку, позволяющих проводить расчет поля напряжений на разных масштабных уровнях.
-
Исследование особенностей напряженно-деформированного состояния массива пород в окрестности глубокой карьерной выемки при наличии ослабленных зон, разломных структур и действии в массиве тектонических напряжений.
-
Разработка методики прогноза устойчивости участков борта глубокого карьера в высоконапряженном скальном массиве.
Методы исследований:
-
Анализ и обобщение опыта исследований напряженно-деформированного состояния в бортах и уступах карьеров в стране и за рубежом.
-
Анализ данных визуальных обследований берм и откосов уступов, данных измерений напряжений и свойств пород методами разгрузки, телесъемки, ультразвукового каротажа, контроля разрушения скважин, данных микросейсмического мониторинга.
-
Численное моделирование напряженно-деформированного состояния массива пород методом конечных элементов в объемной постановке.
Научная новизна работы:
-
Установлена зависимость между устойчивостью бортов и уступов глубокого карьера и направлением действия в массиве тектонических напряжений.
-
Выявлены особенности напряженно-деформированного состояния массива пород в окрестности карьера глубиной 1000 м, обусловленные нелинейным ростом тектонических напряжений с глубиной.
-
Определены величины и направления векторов тектонических напряжений, оказывающих положительное влияние на устойчивость прибортового массива.
-
Обоснованы условия сохранения устойчивости вертикальных уступов глубокого карьера при действии в массиве пород тектонических напряжений.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
-
Процессы техногенного трещинообразования и динамических проявлений горного давления в бортах карьера определяются его положением относительно направления максимального сжатия. Бльшая устойчивость прибортового массива обеспечивается в случае расположения вытянутого в плане карьера (D/d > 1, где D и d – бльший и меньший линейный размер карьера в плане) в направлении максимального сжатия.
-
В карьерной выемке при действии тектонических сил по ее длинной оси вертикальные уступы в целом будут устойчивы. Формирование трещин скола возможно в краевой части уступа на коротком борту карьера при многократном снижении прочностных характеристик массива. В уступах длинного борта могут образовываться техногенные трещины в центральной их части, однако раскрытие этих трещин маловероятно вследствие действия в массиве сжимающих напряжений, препятствующих их раскрытию.
-
Методика прогноза устойчивости участков борта глубокого карьера, позволяющая проводить комплексную оценку влияния главных нормальных и максимальных касательных напряжений на устойчивость прибортового массива и отличающаяся учетом действующих в массиве избыточных тектонических напряжений.
Практическая значимость работы:
-
Разработана методика прогноза устойчивости участков борта глубокого карьера, основанная на численном моделировании напряженно-деформированного состояния массива пород с учетом основных геологических и горнотехнических факторов.
-
Оценено влияние глубокой карьерной выемки и разломных структур на сохранение устойчивости массива пород в окрестности промплощадки Ковдорского карьера.
Достоверность научных положений, выводов и результатов, изложенных в диссертации, подтверждается большим объемом проанализированной и обобщенной исходной информации, обоснованностью подхода к выбору методов исследования, удовлетворительной сходимостью результатов исследований численным методом с данными визуального обследования и микросейсмического мониторинга.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, проведении расчетов напряженно-деформированного состояния массива пород методом конечных элементов, сравнении результатов численных и натурных исследований, разработке методики прогноза устойчивости участков борта глубокого карьера по результатам численного моделирования.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:
-
На Всероссийской научной конференции с международным участием «Компьютерные технологии при проектировании и планировании горных работ», г. Апатиты, 2008.
-
На III Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования: вопросы комплексного освоения глубокозалегающих месторождений полезных ископаемых», г. Екатеринбург, 2009.
-
На Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 50-летию Горного института КНЦ РАН «Проблемы и тенденции рационального и безопасного освоения георесурсов», г. Апатиты, 2010.
-
На Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Глубокие карьеры», г. Апатиты, 2012.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 – в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 153 страницы машинописного текста, включая 65 рисунков, 7 таблиц и список использованной литературы из 96 наименований.
Автор благодарен проф., д.т.н. Козыреву А.А., д.т.н. Савченко С.Н., д.т.н. Епимахову Ю.А., к.т.н. Семеновой И.Э., к.т.н. Рыбину В.В., Шестову А.А. и всем сотрудникам Горного института за внимание к работе и всестороннюю помощь в процессе ее выполнения.
Похожие диссертации на Исследование напряженно-деформированного состояния пород в бортах глубокого карьера при действии тектонических напряжений : на примере карьера "Ковдорского ГОКа"
-
