Моделирование потенциальной поверхности скольжения в неоднородных прибортовых массивах сложноструктурных месторождений

Моделирование потенциальной поверхности скольжения в неоднородных прибортовых массивах сложноструктурных месторождений

К.К. Абдылдаев, к.т.н., доц., Иссык-Кульский государственный университет им. К. Тыныстанова,

К.Ч. Кожогулов, д.т.н., член-корр. НАН КР, Институт геомеханики и освоения недр Национальной академии наук

Кыргызской Республики,

Курманбек уулу Т., к.т.н., доц., Кыргызский государственный университет им. И. Арабаева_

При решении различных задач геомеханики на основе компьютерных технологий основным звеном является обоснование и построение математических моделей, адекватно отражающих физические и механические процессы, происходящие в массиве горных пород. При этом под адекватностью математической модели изучаемому объекту понимается правильное качественное и количественное описание объекта по выбранным характеристикам.

Наиболее полно разработанные и строгие с математической точки зрения механические модели деформирования среды породных массивов [1-3] в механике горных пород применяются только для относительно простых горно-геологических условий. В связи со сложностью механизма деформирования прибортового массива для различных горно-геологических условий его строгое описание механико-математической моделью вызывает серьезные затруднения.

В настоящее время применяются два способа математического описания инженерно-геологических объектов породных массивов [4]: вероятностный и детерминированный. На основе их использования в задачах геомеханики разработан широкий диапазон методов математического моделирования природных массивов: а) детерминированные; б) статистические; в) конечно-разностные; г) разност-но-статистические; д) стационарные; е) нестационарные; ж) анизотропные. При этом выделены различные уровни описания следующими функциями: постоянными; линейными; полиноминальными; дробно-полиноминальными; гармоническими; топофункциями.

Математическое описание поведения породного массива и происходящих в нем геомеханических процессов является сложной и не до конца решенной в настоящее время проблемой. Следовательно, при разработке методов расчета устойчивости откосов допускаются существенные упрощения. Для математического описания наблюдаемых в массиве геомеханических процессов прибегают к схематизации рассматриваемых явлений и свойств породного массива. В результате создается геомеханическая модель, приближенно отражающая действительную природу рассматриваемых явлений и процессов в массиве горных пород. Поэтому в разработке механической модели деформирования прибортового массива широко используется инженерный подход, основанный на определенных упрощениях, но позволяющий получить с точки зрения практики удовлетворительные результаты [5, 6].

При описании поведения породных массивов основные проблемы связаны не с процедурой и техникой решения сложных задач, не с разработкой моделей и алгоритмов, которых разработано в настоящее время достаточно много - от простых до весьма сложных, учитывающих многочисленные факторы, а в выборе адекватной модели в каждом конкретном случае и достоверном определении входящих в них расчетных характеристик среды. Этого можно достичь только при полном и весьма критическом понимании воз-

можностей расчетной модели и достоверности результатов лабораторных и натурных исследований.

Так как объекты, изучаемые в горном деле, являются системными по своей сущности и внутреннему строению, методологическую основу при моделировании геомеханических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых составляет системный подход [7]. При исследовании устойчивости приоткосного массива изучаются только те качества слагающих элементов и только те взаимосвязи между ними, которые определяют устойчивость борта как единого целого. Каждая подсистема должна быть рассмотрена с детальностью, необходимой и достаточной для оценки той системы, куда они входят как составной элемент. Это относится не только к прибортовому массиву, но и к его геомеханической модели, которая также является системой и состоит из частей. Структурная модель массива и гипотеза прочности горных пород с соответствующими прочностными характеристиками являются элементами геомеханической модели.

Системный подход к исследованию прибортового массива показывает, что детальное изучение одного или двух элементов при грубом рассмотрении остальных элементов создает лишь видимость математической точности решения задачи, не гарантируя достоверности конечных результатов [7].

Исследования показывают, что процесс деформирования и разрушения прибортового массива может протекать различно в зависимости от состава и свойств пород, слагающих борт карьера, как в виде хрупкого разрушения, так и путем пластического деформирования. При этом может существовать поверхность скольжения или определенная зона разрушения. Поверхность разрушения может пересекать различные разновидности пород или проходить по наиболее ослабленному контакту. Поэтому для математического анализа геомеханических процессов разрушения используют различные геомеханические модели, соответствующие определенным горно-геологическим условиям.

Одной из основных задач при расчете устойчивости бортов карьеров, является выявление формы и местоположения поверхности скольжения. При этом поверхности скольжения могут быть трех типов [8].

1. Естественного происхождения - поверхности ослабления массива, обусловленные геологическим строением месторождения, структурой и степенью нарушенности горных пород.

2. Гипотетические (расчетные), образующиеся в процессе разрушения массива. Форму поверхности скольжения принимают в зависимости от предполагаемого механизма разрушения массива.

3. Комбинированные, образующиеся в результате частичного сдвига призмы обрушения по естественной и вновь образованной поверхности.

Положение поверхности скольжения в массиве устанавливается по результатам геологоразведочных работ и изучения

84 | «Горная Промышленность» №6 (130) / 2016

геологического строения массива. При этом одним из главных факторов, определяющих потенциальную поверхность скольжения, является принятая гипотеза прочности породного массива. Для этого может быть принята теория предельного равновесия, основанная на уравнении Кулона. Форма и положение поверхности скольжения определяют соотношение между удерживающими и сдвигающими силами.

От достоверности изучения структурных особенностей геологического разреза откоса зависит и надежность выбранной расчетной модели. При этом элементы геомеханических моделей должны находиться в тесной взаимосвязи друг с другом. Для получения наиболее надежных результатов требуется учет механизма деформирования приборто-вого массива. Причем при выполнении расчетов необходимо придерживаться одного и того же механизма деформирования. Тогда механическая модель и прочностные характеристики пород будут рассмотрены на одинаковом уровне с точки зрения системного подхода.

Математическое описание поверхности скольжения в массиве может производиться с целью расчета устойчивости бортов карьеров. В настоящее время разработано множество моделей поверхности скольжения в массиве, нашедших применение в различных способах расчета. При этом поверхности скольжения могут приниматься плоскими, ломаными, круглоцилиндрическими, параболическими, логарифмическими сложными составными. Поверхность скольжения в неоднородных прибортовых массивах имеет сложное строение и обычно состоит из элементов круглоцилин-дрических поверхностей, логарифмической спирали, прямолинейных участков. Для описания поверхности скольжения должна быть сформирована дискретная первичная модель, представляющая массив узловых точек, в которой

должны быть отражены все наиболее характерные особенности данной поверхности.

При моделировании геомеханических процессов в неоднородных массивах формирование потенциальной или реальной поверхности скольжения должно производиться исходя из конкретных горно-геологических условий. Причем для обеспечения корректности использования в расчетных схемах описываемых потенциальных поверхностей скольжения их формирование в массиве должно удовлетворять основным положениям теории предельного равновесия.

В неоднородных прибортовых массивах довольно часты случаи, когда установление реального положения поверхности скольжения является достаточно сложной задачей. В таких случаях формирования дискретных моделей поверхности скольжения производят для нескольких положений, в которых удовлетворяются основные условия разрушения в массиве горных пород. При этом при оценке устойчивости борта карьера наиболее опасной считается та поверхность скольжения, по которой величина расчетного коэффициента запаса устойчивости будет минимальна.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:

1. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. -М.: Недра, 1988. -271 с.

2. Reyes S.F., Deere D.V. Elastic-plastic analysis of inderground openings by the finite element metod. Proc.ist Congr.int.Soc.RocrMech.Lisboa, 1966, vol. 2,p. 477-481.

3. АбдылдаевК.К. Асанкалиева A.K. АбдылдаевЭ.К. [и др]. Модельупругопластической среды // Вестник КазНТУ им. К.И. Сатпаева -№4(86) -Алматы-2011. -С.169-173.

4. Долгоносов В.Н. Шпаков П.С. Низаметдинов Ф.К. [и др]. Аналитические способы расчета устойчивости карьерных откосов. - Караганда «Санат-Полиграфия», 2009. -332 с.

5. Попов В.Н. Шпаков П.С. Юнаков Ю.Л. Управление устойчивостью карьерных откосов М.: Горная книга, 2008. -683 с.

6. Гальперин А.М. Геомеханика открытых горных работ. -М.: Изд-во. МГГУ, 2000.- 473 с.

7. Бондарик Г.К. Системный подход при инженерно-геологических прогнозах. 27МГК. Инж.геол. секция. Т. 17. 1984 - 17 с.

8. Галустьян Э.Л. Геомеханика открытых горных работ: Справочное пособие. -М.:Недра, 1992. - 272 с.

«Горная Промышленность» №6 (130) / 2016 | 85