Оценка устойчивости бортов карьера при открыто-подземной отработке полезных ископаемых

© В В. Зубков, А.К. Бычин, В.И. Экгарт, 2015

УДК 622.831

В.В. Зубков, А.К. Бычин, В.И. Экгарт

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРА ПРИ ОТКРЫТО-ПОДЗЕМНОЙ ОТРАБОТКЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Представлены результаты численных экспериментов по оценке устойчивости прибортового массива при открыто-подземной отработке полезных ископаемых.

Ключевые слова: прибортовой массив, карьер, методы расчета, напряженное состояние, фактор безопасности.

Вопросам оценки устойчивости бортов карьера при открыто-подземной отработке полезных ископаемых посвящено много работ, например, [1-5]. С другой стороны, известно, что при оценке устойчивости бортов карьера, спроектированного в соответствии с нормативными документами [6-7], не учитываются особенности породного массива - упругие и прочностные его свойства и напряженное состояние прибортового массива. Использование методов численного моделирования позволяет проводить оценку устойчивости бортов карьера с учетом реальной геометрии карьерной выемки, физико-механических свойств породного массива и структурных особенностей месторождения.

Класификация месторождений, подлежащих комбинированной разработке. Известно, что комбинированной разработкой называется отработка месторождения открытым и подземным способами, когда независимо от временного фактора является обязательный учет их взаимного влияния из-за изменения площади отрабатываемых полей подземных и открытых горных работ и степени их взаимного влияния. Особенно в случае одновременной разработки месторождения открытым и подземным способами в течение продолжительного времени.

Однако, комбинированная разработка месторождений имеет ряд недостатков. Например, поддержание бортов

карьера в устойчивом состоянии осложнено наличием выработанных пространств внутри борта и под дном карьера, которые вызывают перераспределение напряжений в породном массиве и приводит к снижению его прочности и устойчивости бортов. С другой стороны, возможны повышенные потери руды, из-за необходимости оставления барьерных целиков.

Численные методы анализа устойчивости бортов карьеров. Численные методы, используемые для анализа устойчивости бортов карьера, можно разделить на три направления: методы расчета для сплошной среды, методы расчета для дискретной среды и гибридные модели. Мы выбрали метод отдельных элементов [8], а именно, программу иОБС [9]. При использовании метода отдельных элементов породный массив может быть представлен как совокупность жестких или деформируемых блоков. Возможен анализ скольжения по контактам блоков, открытие/закрытие разрывных нарушений за счет контролируемых нормальной и сдвиговой жесткости контактов. В программе иОБС используют закон сила-смешение в специальном итерационном процессе между деформируемыми блоками и второй закон движения Ньютона, обеспечивая смешения, возникаюшие в борту карьера. Влияние внешних факторов, таких как подземная добыча, землетрясения и давление грунтовых вод на скольжение и деформацию породных блоков также может быть смоделировано.

Оценка фактора безопасности. Первая характеристика оценки устойчивости бортов карьера - фактор безопасности. Он вычисляется как отношение действуюших напряжений в прибортовом массиве к напряжениям, приводяшим к разрушению породного материала.

Например, в табл. 1 приведены результаты сопоставления оценки фактора безопасности и коэффициента запаса для разрезов карьера Центральный ОАО «Апатит» (рис. 1).

Таблица 1

Разрез 1-5 Разрез 2 Разрез 3 Разрез 4 Разрез 6 Разрез 7

Инструкция 1.52 1.39 1.35 1.36 1.44 1.39

иОБС 1.38 1.64 1.54 1.47 1.55 2.65

Рис. 1. Разрез 2 по карьеру Центральный

Из табл. 1 видно, что рассчитанные по программе иОБС значения фактора безопасности для рассмотренных схем конфигурации карьера согласуются с инструктивными расчетами. Поэтому можно считать, что данная программа может использоваться для практических расчетов.

Открыто-подземная отработка угольных пластов. По времени открыто-подземная разработка месторождений может быть одновременной и последовательной. При одновременной разработке горные работы ведутся параллельно с соблюдением всех мер по обеспечению безопасного ведения работ в карьере и в подземном руднике.

Одна из задач этого направления - определение минимального расстояния от забоя подземной выработки до борта карьера. С использованием программы иОБС [9] нами проведена серия вариантов моделирования изменения напряженного состояния породного массива при отработке угольного пласта в зоне влияния карьерной выемки. В качестве примера рассмотрен карьер высотой 105 м при увеличении длины выработки и изменении мощности междупластья от дна карьера до отрабатываемого пласта.

Рис. 2. Прогнозная карта напряженного состояния породного массива при длине выработанного пространства 380 м и междупластьи 50 м

Например, на рис. 2 приведена прогнозная карта напряженного состояния породного массива при длине выработанного пространства 380 м и междупластьи 50 м. в данном случае концентрация напряжений в краевой части пласта достигает 30 МПа.

Заключение

Проведенный анализ методов оценки фактора безопасности показал, что расчеты по программе UDEC можно считать приемлемыми для практических расчетов.

Результаты расчетов показали, что при больших пролетах выработанного пространства происходит восстановление на-

грузки на почве выработки, что приводит к снижению концентрации напряжений и уменьшению размеров зоны повышенных напряжений в краевой части пласта.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шнайдер М.Ф., Вороненко В.К. Совмещение подземных и открытых разработок рудных месторождений. М.: Недра, 1985. -132с.

2. Мухтаров Т.М. Комбинированный способ разработки месторождений полезных ископаемых. — М.: Наука, 1988. — 231 с.

3. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах: Учебное пособие для вузов. М. — .Недра, 1989. — 270с.

4. Михайлов А.Ю. Шахты угольных разрезов - новые тенденции развития комбинированной (открыто-подземной) геотехнологии. Материалы международной научно-практической конференции: Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. СибГИУ. Новокузнецк, 2005. с. 260-265.

5. Федорин В.А., Михайлов А.Ю. Ивершина Г.Е. Геотехнологические аспекты открыто-подземного (совмещенного) способа освоения угольных месторождений Кузбасса. ГИАБ № 11, Москва, 2008. с. 261-269.

6. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. — Ё. ВНИМИ 1972. 166 с.

7. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. С-Петербург, ВНИМИ 1998. 208 с.

8. Cundall, P. A. «A Computer Model for Simulating Progressive Large Scale Movements in Blocky Rock Systems», in Proceedings of the Symposium of the International Society of Rock Mechanics (Nancy, France, 1971), Vol. 1, Paper No. II-8, 1971

9. Itasca Software Products — FLAC, FLAC3D, UDEC, 3DEC, PFC2D/3D. 2001. Itasca Consulting Group Inc.: Minneapolis. EE

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Зубков В.В. — доктор технических наук, VVZubkov@yahoo.com, Бынин А.К. — аспирант, bychin@spmi.ru,

Экгарт В.И. - доктор технических наук, профессор, e-mail : v.ekgardt@me.com Научный центр геомеханики и проблем горного производства, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

UDC 622.831

EVALUATION OF STABILITY IN OPEN PIT AT OPEN-UNDERGROUND MINING MINERALS

Zubkov V.V., VVZubkov@yahoo.com, National mineral resources university «University of Mines», Russia,

Bychin A.K., postgraduate student, bychin@spmi.ru, National mineral resources university «University of Mines», Russia,

Eckhart Viktor Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, e-mail: v. ekgardt@me.com, National mineral resources university «University of Mines», Russia.

The article presents the results of numerical experiments to assess the stability working pit when open-underground mining of minerals.

Key words: working pit, methods of calculation, stress state, the safety factor.

REFERENCES

1. Shnajder M.F., Voronenko V.K. Sovmeshhenie podzemnyh i otkrytyh razrabotok rudnyh mestorozhdenij (Combination of underground and open-cast minings of ore fields). Moscow: Nedra, 1985. 132p.

2. Muhtarov T.M. Kombinirovannyj sposob razrabotki mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh (The combined way of development of mineral deposits). Moscow: Nauka, 1988. 231 p.

3. Bulychev N.S. Mehanika podzemnyh sooruzhenij v primerah i zadachah (Mechanik of underground constructions in examples and tasks): Uchebnoe posobie dlja vu-zov. Moscow. Nedra, 1989. 270 p.

4. Mihajlov A. Ju. Shahty ugol'nyh razrezov - novye tendencii razvitija kombinirovan-noj (otkryto-podzemnoj) geotehnologii (Mines of coal mines - new tendencies of development of the combined (open and underground) geotechnology). Materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii: Naukoemkie tehnologii razrabotki i ispol'zovanija miner-al'nyh resursov. SibGlU. Novokuzneck, 2005. pp. 260-265.

5. Fedorin V.A., Mihajlov A.Ju. Ivershina G.E. Geotehnologicheskie aspekty otkryto-podzemnogo (sovmeshhennogo) sposoba osvoenija ugol'nyh mestorozhdenij Kuzbassa (Geo-technological aspects of the open and underground (combined) way of development of coal fields of Kuzbass). GlAB No 11, Moscow, 2008. pp. 261-269.

6. Metodicheskie ukazanija po opredeleniju uglov naklona bortov, otkosov ustupov i otvalov strojashhihsja i jekspluatiruemyh kar'erov (Methodical instructions by definition of tilt angles of boards, slopes of ledges and dumps of the under construction and operated pits). Leningrad. VNIMI 1972. 166 p.

7. Pravila obespechenija ustojchivosti otkosov na ugol'nyh razrezah (Rules of ensuring stability of slopes on coal mines). S-Peterburg, VNIMI 1998. 208 p.

8. Cundall, P. A. «A Computer Model for Simulating Progressive Large Scale Movements in Blocky Rock Systems», in Proceedings of the Symposium of the International Society of Rock Mechanics (Nancy, France, 1971), Vol. 1, Paper No. ll-8, 1971.

9. Itasca Software Products — FLAC, FLAC3D, UDEC, 3DEC, PFC2D/3D. 2001. Itasca Consulting Group Inc.: Minneapolis.