Геомеханический анализ устойчивости бортов карьера при отработке рудных залежей камерными системами

© В.В. Зубков, А.К. Бычин, 2015

УДК 622.273.26

В.В. Зубков, А.К. Бычин

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРА ПРИ ОТРАБОТКЕ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ КАМЕРНЫМИ СИСТЕМАМИ

Известно, что устойчивость подрабатываемого борта карьера зависит не только от размеров, глубины и размещения в откосе подземных выработок. Существенным в этом случае является направление развития фронта подземных работ: от откоса, в сторону откоса, параллельно ему и т.д. Следует заметить, что большой комплекс технологических вопросов при совместно работающих рудника и карьера определяется решением задач о порядке развития горных работ. Напряженное состояние подработанного борта карьера в весьма сложной форме зависит от множества факторов, в том числе от размеров и количества подземных выработок. Изучение особенностей развития сдвижения и обрушения пород при подземных разработках в бортах карьеров весьма сложно в условиях совместной разработки, когда эти зоны выходят на поверхность в пределах действующего карьера. С.Г. Авершин рекомендует во всех случаях осуществлять подработку откосов в направлении от массива. Эта схема предпочтительна, но она не гарантирует от деформации и обрушения подрабатываемого откоса. Следовательно, во всех случаях необходимо оценивать устойчивость подработанных откосов расчетными методами. Использование методов численного моделирования позволяет проводить оценку устойчивости бортов карьера с учетом реальной геометрии карьерной выемки, физико-механических свойств породного массива, структурных особенностей месторождения и систем отработки. Представлены результаты численных экспериментов по оценке напряженного состояния породного массива и устойчивости борта карьера при камерной отработке рудной залежи в зоне влияния карьерной выемки.

Ключевые слова: породный массив, борт карьера, расчетные методы, напряженное состояние, камерные системы отработки, устойчивость бортов карьера.

Известно, что комбинированной разработкой называется отработка месторождения открыпым и подземным способами, когда независимо от временного фактора является обязательным учет их взаимного влияния. Особенно в случае одновременной разработки месторождения открытым и подземным способами в течение продолжительного времени.

Анализ способов отработки прибортовых запасов показывает, что ввиду большого разнообразия геологических условий рудных месторождений для комбинированной разработки применяются

много систем и их вариантов [1—8]. Например, системы этажно-принудительного обрушения, камерные системы с временным оставлением прочных опорных целиков, подэтажное обрушение, системы горизонтальными слоями с твердеющей закладкой, системы подэтажных штреков с последующей закладкой камер, камерно-столбовая система с последующим извлечением целиков и закладкой выработанного пространства, системы подэтажных штреков с торцевым выпуском руды и другие.

Использование методов численного моделирования позволяет проводить оценку устойчивости бортов карьера с учетом реальной геометрии карьерной выемки, физико-механических свойств породного массива, структурных особенностей месторождения и систем отработки.

Особенности геомеханических задач при комбинированной разработке месторождений. При открыто-подземной отработке месторождений возникает ряд специфических особенностей оценки напряженного состояния. Например, напряженно-деформированное состояние опорных целиков в зоне влияния карьера будет отличным от состояния аналогичных целиков вне зоны карьера. Условия прочности и устойчивости таких целиков в отдельных случаях будут совершенно иными.

Известно, что устойчивость подрабатываемого борта карьера зависит не только от размеров, глубины и размещения в откосе подземных выработок. Существенным в этом случае является направление развития фронта подземных работ: от откоса, в сторону откоса, параллельно ему и т.д. Следует заметить, что большой комплекс технологических вопросов совместно работающих рудника и карьера определяется решением задач о порядке развития горных работ. Напряженное состояние подработанного борта карьера в весьма сложной форме зависит от множества факторов, в том числе от размеров и количества подземных выработок.

Необходимо отметить, что изучение особенностей развития сдвижения и обрушения пород при подземных разработках в бортах карьеров весьма сложно в условиях совместной разработки, когда эти зоны выходят на поверхность в пределах действующего карьера. Например, С.Г. Авершин рекомендует во всех случаях осуществлять подработку откосов в направлении от массива. Эта схема предпочтительна, но она не гарантирует от деформации и обрушения подрабатываемого откоса. Следовательно, во всех случаях необходимо оценивать устойчивость подработанных откосов расчетными методами.

Особенности напряжённого состояния камерных систем в зоне влияния карьера. Подземные опорные и потолочные целики при комбинированной разработке испытывают сложное напряженное состояние, которое является результатом взаимодействия трех полей напряжений: естественного, от влияния карьерной выемки и подземных горных выработок.

Определение устойчивости целиков в зоне влияния борта карьера является актуальной задачей и приобретает особое значение, в первую очередь, в связи с устойчивостью борта карьера выше горизонта подземной разработки.

Принципиальную картину формирования и развития напряженного состояния породного массива в таких условиях позволяют выявить современные компьютерные модели.

Численные методы анализа устойчивости бортов карьеров. Численные методы, используемые для анализа устойчивости бортов карьера, можно разделить на три направления: методы расчета для сплошной среды (МКЭ, МГЭ), методы расчета для дискретной среды и гибридные модели. Мы выбрали метод отдельных элементов (DEM) [9], а именно, программу UDEC [10]. При ее использовании 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 UDEC 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.

Отработка рудной залежи. 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 - оценка устойчивости борта карьера при подземной отработке рудной залежи.

С использованием программы UDEC нами проведено моделирование изменения напряженного состояния породного массива при камерной отработке рудной залежи в зоне влияния карьерной

выемки. Например, на рис. 1 (см. Приложение, с. 442) приведена прогнозная карта смешений породного массива и вектора смешений после отработки 9 камер размером 35x55 м в рудной залежи на уровне дна карьера.

Результаты расчетов показывают, что в данном случае смешения в прибортовом массиве не достигают критических значений. Горизонтальные смешения не превосходят 3 см, а вертикальные -10 см. А вектор смешений указывает направление движения параллельное борту карьера.

Максимальные смешения (до 1.2 м) наблюдаются в интервале от правого борта первой камеры до левого борта девятой камеры и достигают дневной поверхности на расстоянии более 100 м от кромки карьера.

На рис. 2 (см. Приложение, с. 442) приведена прогнозная карта напряжений в породном массиве после отработки 9 камер размером 35x55 м в рудной залежи на уровне дна карьера.

Программа иЭБС позволяет отображать все компоненты смешений, напряжений, деформаций, вектора смешений и скоростей смешений, главные напряжения, деформации и другие характеристики породного массива в зоне влияния карьерной выемки и отрабатываемой рудной залежи.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Казикаев Д.М. Геомеханические процессы при совместной и повторной разработке руд. — М.: Недра, 1981. — 288 с.

2. Черный Г. И. Устойчивость подрабатываемых бортов карьеров. М.: Недра, 1980. -216 с.

3. Шнайдер М.Ф., Вороненко В.К. Совмешение подземных и открыпых разработок рудных месторождений. М.: Недра, 1985. -132 с.

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

5. Агошков М.И., Терентьев В.И., Казикаев Д.М. и др. Комплексный открыто-подземный способ разработки мошных крутопадаюших рудных месторождений. В сб. «Основные направления развития открыто-подземного способа разработки месторождений». М.: ИПКОН АН СССР, 1987.

6. Васильев П.Н. Классификация комбинированной разработки месторождений полезного ископаемого. // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2001. № 8. С. 172-174.

7. Цветков В.К. Расчет устойчивости бортов карьера, ослабленный подземными выработками// Горный журнал. 2001. №1. С. 40-43.

8. Козырев A.A., Павлов В.В., Савченко С.И. Об оценке устойчивости бортов глубоких карьеров в высоконапряженных скальных массивах. // Комплексная разработка рудных месторождений мощными глубокими карьерами. - Апатиты, изд. КНЦ РАН, 1995. 79-89 с.

9. 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.

10. Itasca Software Products — FLAC, FLAC3D, UDEC, 3DEC, PFC2D/3D. 2001. Itasca Consulting Group Inc.: Minneapolis. Е5Ш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Зубков Виктор Васильевич - доктор технических наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник, Научный центр геомеханики и проблем горного производства, VVZubkov@yahoo.com, Бычин Андрей Константинович -аспирант, bychin@spmi.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

UDC 622.273.26

GEOMECHANICAL ANALYSIS OF SLOPE STABILITY WHEN DEVELOPING ORE DEPOSITS WITH CHAMBER MINING SYSTEMS

Zubkov V.V., Science Center of Rock Mechanics and problems of mining, main researcher, Doctor of science, VVZubkov@yahoo.com, National Mineral Resources University «Mining University», Russia,

Bychin A.K., graduate student, cathedra Safety of Production, bychin@spmi.ru, National Mineral Resources University «Mining University».

It is known that the stability of undermined pit wall doesn't only depend on the size, depth and location in the slope of underground workings. An essential factor in this case is the underground works front direction: from the slope, to the slope, or parallel to it, etc. It should be noted that a large complex of technological issues in a case of joint work of a mine and an open-pit is determined by solving the tasks concerning the order of mining operations. Stress state of undermined pit wall depends complexly on many factors, including the size and numbers of underground workings.

Study of development features of rocks movement and collapse in underground workings in the pit walls is very difficult under conditions of combined mining operations, when these zones come to the surface area within a running open-pit. S.G. Avershin recommends in all cases to undermine slopes in the direction from the rock mass. This scheme is preferable, but it does not prevent deformation and collapse of an undermined slope. Therefore, in all cases it is necessary to assess the stability of slopes undermined with calculation methods.

The use of numerical simulation allows assessing the slope stability taking into account actual geometry of an open pit, physical and mechanical properties of the rock mass, structural features of the deposit, and mining systems.

The article presents the results of numerical experiments on evaluating the stress state of the rock mass and the slope stability when using the chamber mining for ore deposits in the zone of open pit excavation impact.

Key words: rock mass, pit wall, calculation methods, stress state, chamber mining system, slope stability.

REFERENCES

1. Kazikaev D.M. Geomehanicheskie processy pri sovmestnoj i povtornoj razrabotke rud (Geomechanical processes when sharing and re-designing ores). Moscow: Nedra, 1981. 288 p.

2. Chernyj G.I. Ustojchivost' podrabatyvaemyh bortov kar'erov (Undermined the Stability of pit walls). Moscow: Nedra, 1980. 216 p.

3. Shnajder M.F., Voronenko V.K. Sovmeshhenie podzemnyh i otkrytyh razrabotok rudnyh mestorozhdenij (Combination of underground and open mining of ore deposits). Moscow: Nedra, 1985. 132 p.

4. Muhtarov T.M. Kombinirovannyj sposob razrabotki mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh (Combined method of mining). Moscow: Nauka, 1988. 231 p.

5. Agoshkov M.I., Terent'ev V.I., Kazikaev D.M. i dr. Kompleksnyj otkryto-podzemnyj sposob razrabotki moshhnyh krutopadajushhih rudnyh mestorozhdenij (Complex of opened-underground way of developing a powerful steeply dipping ore deposits). V sb. «Osnovnye napravlenija razvitija otkryto-podzemnogo sposoba razrabotki mestorozhdenij». Moscow: IP-KON AN SSSR, 1987.

6. Vasil'ev P.N. Klassifikacija kombinirovannoj razrabotki mestorozhdenij poleznogo iskopaemogo (Classification of combined development of mineral deposits) // Gornyj infor-macionno-analiticheskij bjulleten'. 2001. No 8. pp. 172-174.

7. Cvetkov V.K. Raschet ustojchivosti bortov kar'era, oslablennyh podzemnymi vyrabotkami (Calculating the stability of pit walls, underground workings weakened) // Gornyj zhurnal. 2001. No 1. pp. 40-43.

8. Kozyrev A.A., Pavlov V.V., Savchenko S.N. Ob ocenke ustojchivosti bortov glubokih kar'erov v vysokonaprjazhennyh skal'nyh massivah (On the assessment of the stability of deep open pit mines in highly stressed rock massifs) // Kompleksnaja razrabotka rudnyh mestorozhdenij moshhnymi glubokimi kar'erami. Apatity, izd. KNC RAN, 1995. pp. 79-89.

9. 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.

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