На правах рукописи - Горный институт КНЦ РАН
advertisement
На правах рукописи Аветисян Иван Михайлович ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОД В БОРТАХ ГЛУБОКОГО КАРЬЕРА ПРИ ДЕЙСТВИИ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ (на примере карьера «Ковдорского ГОКа») Специальность 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Апатиты - 2013 Работа выполнена в ФГБУН Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук Научный руководитель: Заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор А.А.Козырев Официальные оппоненты: доктор технических наук Ю.А.Епимахов кандидат технических наук А.В.Яковлев Ведущая организация: Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» Защита состоится 14 июня 2013 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.029.01 в ФГБУН Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук по адресу: 184209, г. Апатиты Мурманской области, ул. Ферсмана, д.24. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института КНЦ РАН Автореферат разослан мая 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. О.Е.Чуркин ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 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 напряженнодеформированного 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. 3 Основная идея заключается в учете изменения типа напряженнодеформированного состояния массива горных пород с глубиной для выявления потенциально опасных участков борта карьера. Задачи исследований: 1. Выявление и анализ наиболее значимых горно-геологических и горнотехнических факторов, оказывающих влияние на устойчивость бортов и уступов глубокого карьера. 2. Разработка трехмерных конечноэлементных моделей массива горных пород, включающего глубокую карьерную выемку, позволяющих проводить расчет поля напряжений на разных масштабных уровнях. 3. Исследование особенностей напряженно-деформированного состояния массива пород в окрестности глубокой карьерной выемки при наличии ослабленных зон, разломных структур и действии в массиве тектонических напряжений. 4. Разработка методики прогноза устойчивости участков борта глубокого карьера в высоконапряженном скальном массиве. Методы исследований: 1. Анализ и обобщение опыта исследований напряженнодеформированного состояния в бортах и уступах карьеров в стране и за рубежом. 2. 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. 3. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния массива пород методом конечных элементов в объемной постановке. Научная новизна работы: 1. Установлена зависимость между устойчивостью бортов и уступов глубокого карьера и направлением действия в массиве тектонических напряжений. 2. Выявлены особенности напряженно-деформированного состояния массива пород в окрестности карьера глубиной 1000 м, обусловленные нелинейным ростом тектонических напряжений с глубиной. 3. Определены величины и направления векторов тектонических напряжений, оказывающих положительное влияние на устойчивость прибортового массива. 4. Обоснованы условия сохранения устойчивости вертикальных уступов глубокого карьера при действии в массиве пород тектонических напряжений. 4 Научные положения, выносимые на защиту: 1. Процессы техногенного трещинообразования и динамических проявлений горного давления в бортах карьера определяются его положением относительно направления максимального сжатия. Бóльшая устойчивость прибортового массива обеспечивается в случае расположения вытянутого в плане карьера (D/d > 1, где D и d – бóльший и меньший линейный размер карьера в плане) в направлении максимального сжатия. 2. 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. 3. 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: 1. Разработана методика прогноза устойчивости участков борта глубокого карьера, основанная на численном моделировании напряженнодеформированного состояния массива пород с учетом основных геологических и горнотехнических факторов. 2. 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. 5 Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: 1. На Всероссийской научной конференции с международным участием «Компьютерные технологии при проектировании и планировании горных работ», г. Апатиты, 2008. 2. На III Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования: вопросы комплексного освоения глубокозалегающих месторождений полезных ископаемых», г. Екатеринбург, 2009. 3. 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. 4. 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. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Исследованиями НДС в окрестности карьерной выемки занимались: Э.Л. Галустьян, А.М. Демин, Н.К. Звонарев, В.Г. Зотеев, А.В. Зубков, Д.М. Казикаев, Э.В. Каспарьян, А.А. Козырев, В.В. Рыбин, С.Н. Савченко, Г.Л. Фисенко, А.В. Яковлев и др. Из зарубежных исследователей можно выделить работы Е. Хука, Д. Хадсона, Т. Стэйси, Д. Стэдда и др. При этом основная масса проведенных ранее численных исследований для оценки НДС в окрестности карьерных выемок проводилась в двумерной постановке, что искусственно завышает уровень напряжений. Методика ВНИМИ, применяемая для расчета устойчивости прибортового массива на основе многовариантного вычисления угла наклона борта карьера при различных вероятных положениях поверхности скольжения, не учитывает 6 возможное наличие тектонических напряжений. Действие же горизонтальных сжимающих напряжений, не превышающих определенного уровня, в ряде случаев является фактором, оказывающим положительное влияние на устойчивость борта карьера. Еще одной важной особенностью массива пород, включающего глубокую карьерную выемку, не учитываемой большинством исследователей, является изменение типа НДС с глубиной, когда вблизи поверхности максимальные сжимающие напряжения субгоризонтальны, а с увеличением глубины постепенно становятся субвертикальными. При этом переход от одного типа НДС к другому может происходить на разных глубинах в зависимости от абсолютной величины тектонической составляющей поля напряжений. Вследствие этого вероятна трансформация характера разрушения массива горных пород в окрестности очистных пространств с увеличением глубины разработки месторождения. На основе вышесказанного можно сделать вывод о том, что исследование НДС пород в бортах глубокого карьера при действии тектонических напряжений является актуальной научно-технической задачей. Методика проведенных исследований. Исследование НДС массива пород было проведено для условий карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК». Особенностями данного объекта являются: действие в массиве тектонических напряжений, значительная проектная глубина карьерной выемки (около 1000 м), а также наличие разломных структур разных порядков. В соответствии с целью работы была разработана трехмерная численная модель НДС массива горных пород в окрестности карьера рудника «Железный». Границы модели были выбраны в соответствии с принципом Сен-Венана. Применительно к данной работе принцип Сен-Венана определяет зону влияния карьерной выемки, распространяющуюся на расстояние не более трех ее характерных размеров (в нашем случае радиусов карьера по длинной (R 1150 м) и по короткой (r 830 м) оси, а также его максимальной проектной глубины Нmax=1000м). В итоге размер области моделирования составил: 8000 м 7500 м 3000 м (рис.1). В сформированной модели учтены следующие типы пород: породы вмещающего массива, рудное тело, разломные структуры I-го порядка и ослабленная зона в юго-восточном борту карьера. Физико-механические свойства пород представлены в табл.1. 7 Рис. 1. Сетка конечных элементов: а) в плане; б) по вертикальному разрезу 8 Таблица 1. Физико-механические свойства типов пород, учтенных при моделировании Тип породы Е v K σсж σр ρ 1,001162Вмещающая порода 1·105 0,2 3,0 42 15 1,217 350 0,571Рудное тело 0,5·105 0,35 3,5 36,7 91 9,6 0,697 Разломные структуры I порядка 18- 0,5и ослабленная зона в юго0,1·105 0,4 3,0 32,2 0,079 20 2 восточном борту карьера где Е – модуль упругости, МПа; v – коэффициент поперечных деформаций; – объемный вес, г/см3; ρ – угол внутреннего трения, град.; K – удельное сцепление в массиве, МПа; σсж – предел прочности на сжатие, МПа; σр – предел прочности на растяжение, МПа. Граничные условия при моделировании задавались в соответствии с измеренными в массиве Ковдорского карьера напряжениями. Измерения напряжений были проведены сотрудниками лаборатории геомеханики Горного института КНЦ РАН методом разгрузки в варианте торцевых измерений. Сравнение измеренных величин напряжений с расчетными величинами напряжений исходя только из собственного веса пород показывает, что действующие значения максимальных компонент главных напряжений на всех станциях превышают максимальные расчетные напряжения от собственного веса вышележащих пород. При этом в большинстве случаев отношение σmax / σверт > 2 (где σmax – максимальная компонента главных нормальных напряжений, σверт – расчетная максимальная компонента главных нормальных напряжений исходя только из собственного веса пород). Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о соответствии напряженного состояния массива пород исследованного месторождения гравитационно-тектоническому типу. С использованием разработанной модели рассчитывалось несколько вариантов задачи распределения параметров НДС в массиве, которые можно разделить на две группы по граничным условиям: чисто гравитационное напряженное состояние (σ1 = γН, σ2 = σ3 = λγН, где γ, Н и λ - соответственно объемный вес, глубина и коэффициент бокового распора), и гравитационнотектоническое напряженное состояние. Причем варианты с учетом тектонических сил были просчитаны как при условии действия их максимальной составляющей по короткой оси карьерной выемки (совпадающей с направлением оси Y модели), так и по ее длинной оси (совпадающей с направлением оси X модели). Схемы задания граничных условий представлены на рис. 2. 9 В вариантах с учетом действия тектонических сил заданная максимальная горизонтальная пригрузка составила на уровне дневной поверхности 1 МПа, а на уровне дна модели – 65 МПа. Коэффициент бокового отпора с учетом действия тектонической нагрузки Кб=0.5. При задании боковой пригрузки до глубины H = 400 м была использована линейная зависимость максимальной компоненты напряжений от глубины. Далее, учитывая общие закономерности распределения тектонических напряжений с глубиной на основе ранее проведенных исследований (в частности работы Маркова Г.А., Козырева А.А. и др.), предположили, что на глубинах более 400 м зависимость σmax = f (Н) будет нелинейной. При этом рост напряжений с глубиной будет затухать. Распределение боковой пригрузки по Рис. 2. Схемы задания граничных высотным отметкам модели показано условий для расчетных на рис. 3. вариантов: а) гравитационная Основные результаты постановка; б) с учетом диссертационной работы отражены в тектонических сил FTX FTY; в) с научных положениях, выносимых на учетом тектонических сил FTX защиту. FTY 1. Процессы техногенного трещинообразования и динамических проявлений горного давления в бортах карьера определяются его положением относительно направления максимального сжатия. Бóльшая устойчивость прибортового массива обеспечивается в случае расположения вытянутого в плане карьера (D/d > 1, где D и d – бóльший и меньший линейный размер карьера в плане) в направлении максимального сжатия. Расчеты НДС массива проводились для карьера с фактической глубиной выемки на 2008 год (H = 340 м) и для карьера с проектной глубиной выемки (H = 1000 м). 10 При анализе результатов расчетов НДС массива пород в окрестности карьерной выемки глубиной 340 м были сделаны следующие выводы. 1. При любых типах нагружения в бортах карьера вероятность проявлений горного давления в динамической форме мала, так как во всех случаях σmax много меньше σсж. 2. При действии в массиве только гравитационных сил в бортах карьера возможны нарушения устойчивости вследствие наличия в бортах зон растяжения. В данном случае нарушения устойчивости возможны за счет раскрытия имеющихся в массиве трещин в условиях действия малых сжимающих напряжений σmax. 3. При действии в массиве тектонических сил FТ, направленных по длинной оси карьера, зоны растяжений в бортах отсутствуют, из чего можно Рис. 3. График распределения сделать вывод о том, что в данном случае заданных тектонических сил FТ борта карьера будут устойчивы. 4. При действии в массиве по абсолютным высотным тектонических сил F , направленных по Т отметкам H (где Fg – короткой оси карьера, в длинном борту гравитационные силы) образуется небольшая зона растяжений со значениями растягивающих напряжений до 1 МПа, однако в данном случае нарушение устойчивости участка борта карьера маловероятно за счет действия в массиве другой компоненты высоких сжимающих напряжений σmax. При анализе результатов расчетов НДС массива пород в окрестности карьерной выемки глубиной 1000 м были сделаны следующие выводы. 1. При действии в массиве только гравитационных сил в бортах карьера возможны нарушения устойчивости вследствие наличия в бортах зон растяжения. В данном случае нарушения устойчивости возможны за счет раскрытия имеющихся в массиве трещин, которые раскрываются в условиях малых сжимающих напряжений σmax. 2. Борта глубокого карьера будут наиболее устойчивыми при действии тектонических сил по его длинной оси. В данном случае значения 11 сжимающих напряжений σmax много меньше предела прочности на сжатие, что предотвращает возможность динамических проявлений горного давления, и при этом они являются достаточно высокими, чтобы предотвратить раскрытие естественных трещин в зонах растяжений. 3. Борта глубокого карьера будут наименее устойчивыми при действии тектонических сил по его короткой оси. В данном случае в коротких бортах возможны динамические проявления горного давления вследствие весьма высоких значений сжимающих напряжений σmax, приближающихся к пределу прочности пород на сжатие, а в длинных бортах возможно формирование и раскрытие трещин в зонах растяжений в условиях действия невысоких сжимающих напряжений. 4. В глубоком вытянутом в плане карьере зоны растяжений возникают в его длинных бортах при действии тектонических сил как по длинной, так и по короткой оси карьера. Таким образом, анализ результатов расчетов позволил выявить в бортах глубокого карьера наиболее опасные зоны в зависимости от направления действия в массиве максимальных сжимающих напряжений (рис. 4). Рис. 4. Расположение характерных областей проявлений горного давления в бортах карьера в зависимости от направления σmax 12 При этом следует заметить, что существует предположение, подкрепляемое результатами исследований искривления стволов длинных геологоразведочных скважин, о действии тектонических сил в массиве пород Ковдорского месторождения в направлении по длинной оси карьера. Таким образом, борта Ковдорского карьера находятся в наиболее выгодном положении с точки зрения обеспечения их устойчивости. 2. 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. С целью уточненного расчета НДС участков борта карьера, а также для исследования механизма формирования трещин отрыва в отдельных уступах были сформированы локальные конечноэлементные модели участков борта карьера с вертикальными уступами. Моделируемые участки расположены в коротком и длинном бортах карьера на глубине 520 м от дневной поверхности, их протяженность составляет 186 м. Анализ результатов численного моделирования НДС в локальных моделях при гравитационно-тектоническом типе нагружения показал, что вертикальные уступы в целом будут устойчивы. При этом установлено, что растягивающие напряжения в уступах борта не превышают 1,5 МПа, что в несколько раз ниже предела прочности пород на растяжение. Уступы находятся под действием умеренных сжимающих напряжений σmax=35÷50МПа. В уступах на участке короткого борта возможны локальные разрушения в краевой части бермы при многократном снижении прочностных характеристик пород вследствие воздействия взрывов и процессов выветривания, так как направление площадок растягивающих деформаций в этой зоне неблагоприятно (рис. 5 а). В уступах на участке длинного борта вероятность разрушения краевой части бермы ниже. Большая по площади зона растяжений σmin расположена в центральной части уступа (рис. 5 б), где уровень сжимающих напряжений около 45 МПа, поэтому формирование техногенных трещин и их раскрытие маловероятно. Однако площадки деформаций растяжения как бы подсекают массив уступа, поэтому при наличии ослабленных или разломных зон, подсекающих уступ, опасность разрушения увеличивается. 13 Рис. 5. Распределение σmin в вертикальном уступе: а – по короткому борту; б – по длинному борту (белыми линиями показано направление возможных трещин отрыва) С целью оценки адекватности полученных результатов было проведено сопоставление с данными визуального обследования берм и откосов уступов, проведенного сотрудниками Службы мониторинга устойчивости уступов ОАО «Ковдорский ГОК». По результатам визуального обследования в бортах карьера было выявлено пять характерных зон разрушения, приуроченных к разломным структурам I-го порядка. Результаты расчета НДС массива показали, что во всех пяти зонах разрушений возникают области растягивающих напряжений с направлениями возможных трещин отрыва, подсекающих уступы карьера. К примеру, на рисунке 6 показано распределение напряжений σmin для участка восточного борта карьера, подсеченного разломом R2. Также в зонах разрушений были оценены величины максимальных касательных напряжений τmax и рассчитан коэффициент запаса устойчивости n по формуле: ( min ) tg 2K , (1) n max 2 max где ρ – угол внутреннего трения, град.; K – удельное сцепление в массиве. 14 Рис. 6. Распределение σmin в восточном борту карьера по Р -700 (черными штрихами показаны направления возможных трещин отрыва) Результаты расчетов коэффициента запаса устойчивости показали, что во всех пяти зонах разрушений n≤1. Таким образом, результаты расчетов НДС показали, что в выявленных в результате визуального обследования зонах разрушений действуют как высокие растягивающие напряжения, так и высокие касательные напряжения, что и стало причиной обрушений на данных участках. Кроме того, было проведено сопоставление результатов расчетов с данными микросейсмического мониторинга, проведенного сотрудниками Горного института КНЦ РАН. В результате проведенных исследований в карьере были выявлены две зоны сейсмоактивности. Одна из них располагается под дном карьера и приурочена к зоне ведения горных работ, а вторая расположена в юго-восточном борту карьера и приурочена к ослабленной зоне. Результаты расчетов НДС массива показали, что в районе ослабленной зоны действуют высокие растягивающие напряжения, которые способствуют формированию трещин отрыва на данном участке, что и было зафиксировано сейсмодатчиками. Таким образом, результаты расчетов НДС массива пород в окрестности карьера Ковдорского ГОКа подтверждаются данными визуального обследования и микросейсмического мониторинга. 3. Методика прогноза устойчивости участков борта глубокого карьера, позволяющая проводить комплексную оценку влияния главных нормальных и максимальных касательных напряжений на 15 устойчивость прибортового массива и отличающаяся учетом действующих в массиве избыточных тектонических напряжений. По результатам проведенных исследований была разработана методика прогноза устойчивости участков бортов глубокого карьера (рис. 7). Суть разработанной методики заключается в следующем: 1. С помощью численного моделирования проводятся расчеты НДС массива пород в окрестности глубокой карьерной выемки с учетом основных геологических и горнотехнических факторов. 2. В рассчитанных вариантах рассматривается распределение векторов максимальной компоненты напряжений σmax. Высокие значения σmax в массиве могут привести к динамическим проявлениям горного давления. Таким образом, при |σmax| ≥ |0.5σсж| велика вероятность разрушения участков борта карьера в динамической форме. 3. Если |σmax| < |0.5σсж|, то вероятность динамических проявлений горного давления в массиве невысока, однако остается угроза обрушения участков борта в результате действия напряжений сдвига, а также образования и раскрытия трещин отрыва. Поэтому следующим шагом в методике является проверка условия n<1.2, где n – коэффициент запаса устойчивости, рассчитанный для напряжений τmax. Если данное условие выполняется, то можно полагать, что велика вероятность обрушения участка борта карьера. 4. Если n≥1.2, то на следующем этапе рассматривается распределение минимальной компоненты напряжений σmin. Если в массиве не возникает растягивающих напряжений, то есть σmin являются сжимающими, то можно полагать, что борт карьера на данном участке сохранит свою устойчивость. 5. Если напряжения σmin являются растягивающими, то следующим этапом при прогнозе устойчивости участков борта карьера является оценка направления возможных трещин отрыва (так называемых площадок σmin). Площадки σmin располагаются в плоскости, перпендикулярной векторам действия напряжений σmin. Если площадки σmin не подсекают борт карьера, то можно полагать, что данный борт сохранит устойчивость, так как даже если в массиве образуются трещины отрыва, обрушения по ним не произойдет. 6. Наиболее опасной для бортов карьера является ситуация, когда площадки растягивающих напряжений σmin подсекают борт. В этом случае необходимо рассматривать значения напряжений σmin и сравнивать их с пределом прочности массива на растяжение σр. Если |σmin| ≥ |kσр|, то велика вероятность обрушения участка борта. Здесь k – коэффициент, характеризующий степень трещиноватости массива. Чем более трещиноват массив, тем меньшее значение принимает k. Данный коэффициент необходимо определять эмпирически для различных участков массива. 16 Рис. 7. Блок-схема методики прогноза устойчивости участков бортов глубокого карьера 17 Таким образом, разработанная методика позволяет делать предварительный прогноз устойчивости участков бортов глубокого карьера. Основным достоинством данной методики является то, что с ее помощью можно достаточно быстро выявить наиболее опасные участки борта карьера. Данная методика должна применяться в комплексе с другими методами исследования устойчивости массива пород (в первую очередь, натурными методами), что увеличит точность прогноза. В качестве основного практического результата данной работы была проведена оценка влияния глубокой карьерной выемки и разломных структур на сохранение устойчивости массива пород в окрестности промплощадки Ковдорского карьера. Промплощадка с основными зданиями и сооружениями расположена в непосредственной близости от восточного борта Ковдорского карьера. В ходе проектирования глубокого карьера перед руководством предприятия встал вопрос о сохранения устойчивости промплощадки, даже рассматривались варианты о переносе промплощадки в сторону от карьера. Результаты расчета НДС массива глубокого карьера в районе промплощадки показали, что растяжениям подвержены лишь локальные участки в борту карьера, которые не распространяются вглубь массива. Значения σmin не превышают 1 МПа. В районе расположения наземных объектов на востоке от карьера при выемке запасов открытым способом, изменения абсолютных величин напряжений не превышают 5%; зоны растяжений в приповерхностном слое по данным модельных расчетов приурочены непосредственно к границе карьерной выемки (рис. 8). Как показано выше, на устойчивость восточного борта карьера оказывает существенное влияние разлом R2. Однако данный разлом не выходит за пределы борта карьера, а зона его влияния распространяется на расстояние не более 25 м и не захватывает границы промплощадки. Таким образом, можно сделать вывод о том, что при существующих знаниях о строении массива Ковдорского карьера можно полагать, что глубокая карьерная выемка глубиной 1000 м не окажет существенного влияния на устойчивость пород в районе промплощадки карьера. 18 Рис. 8. Распределение напряжений σmin в восточном борту карьера: а – в плане на уровне дневной поверхности; б – в вертикальном сечении по Р300 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе решена актуальная научная задача, связанная с исследованием напряженно-деформированного состояния тектонически напряженного массива пород для прогноза устойчивости участков бортов глубокого карьера (на примере карьера ОАО «Ковдорский ГОК»). Определены участки бортов карьера, где наиболее вероятны динамические проявления горного давления, формирование и раскрытие трещин отрыва, а также разрушения, вызванные напряжениями сдвига. 19 Основные научные выводы и практические результаты проведенных исследований заключаются в следующем: 1. Установлено, что в тектонически напряженном массиве пород борта карьера с увеличением глубины отработки пересекают несколько зон с различным соотношением гравитационных и тектонических сил. 2. На основе численного моделирования напряженнодеформированного состояния массива пород установлено, что процессы техногенного трещинообразования и динамических проявлений горного давления в бортах карьера определяются его положением относительно направления максимального сжатия. Бóльшая устойчивость прибортового массива обеспечивается в случае расположения вытянутого в плане карьера (D/d > 1, где D и d – бóльший и меньший линейный размер карьера в плане) в направлении максимального сжатия. 3. Установлено, что 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. 4. Определены потенциально неустойчивые зоны в бортах карьера «Ковдорский ГОК», подверженные разрушениям, как вследствие действия высоких растягивающих напряжений, так и вследствие действия высоких касательных напряжений. 5. Результаты численного моделирования напряженнодеформированного состояния массива в окрестности Ковдорского карьера подтверждаются данными визуального обследования состояния берм и откосов уступов, а также данными микросейсмического мониторинга. 6. Установлено, что зоны растяжений в приповерхностном слое приурочены непосредственно к границе карьерной выемки и не выходят за пределы карьера, что позволяет полагать, что массив пород в районе промплощадки карьера сохранит свою устойчивость. 7. Разработана 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. 20 Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России: 1. Козырев А.А., Семенова И.Э., Рыбин В.В., Аветисян И.М. Оценка численным методом поля напряжений и деформаций в окрестности крупной карьерной выемки при последовательном учете геомеханических, геологических и горнотехнических факторов. – Записки Горного института. Современные проблемы геомеханики и горного производства и инновационные технологии в горном деле. – Т.185, Санкт-Петербург, 2010. – с.55-60. 2. Козырев А.А., Семенова И.Э., Рыбин В.В., Аветисян И.М. Исследование напряженно-деформированного состояния массива пород численными методами на основе данных натурных измерений в окрестности крупной карьерной выемки. – Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2011, №11. – с. 78-89. В прочих изданиях: 1. Козырев А.А., Рыбин В.В., Семенова И.Э., Аветисян И.М. Напряженно-деформированное состояние массива пород в окрестности крупной карьерной выемки. – Компьютерные технологии при проектировании и планировании горных работ. Сб. тр. Всероссийской научной конференции с международным участием, 23-26 сентября 2008 г. – Апатиты; СПб.: Реноме, 2009. – с. 257-263. 2. Аветисян И.М. Исследование численным методом напряженнодеформированного состояния борта глубокого карьера на Ковдорском месторождении. – Проблемы недропользования. Материалы III всероссийской молодежной научно-практической конференции, 10-13 февраля 2009 г. – Екатеринбург: УрО РАН, 2009. – с. 203 – 209. 3. Козырев А.А., Рыбин В.В., Семенова И.Э., Аветисян И.М. Исследование особенностей напряженно-деформированного состояния массива пород в окрестности крупной карьерной выемки. – Вестник МГТУ. Труды Мурманского государственного технического университета. – 2009, том 12, №4. – с. 661-669. 4. Козырев А.А., Семенова И.Э., Рыбин В.В., Аветисян И.М. Численное моделирование техногенных полей напряжений в упругом неоднородном массиве, включающем карьерную выемку. – Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды. Сб. тр. конференции с участием иностранных ученых, 28 июня – 2 июля 2010 г. Том 1. – Новосибирск, 2010. – с. 78-84. 5. Аветисян И.М. Моделирование методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния массива пород в бортах глубокого карьера. – Проблемы и тенденции рационального и безопасного 21 освоения георесурсов: сб. докладов Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 50-летию Горного института КНЦ РАН. – Апатиты; СПб.: Реноме, 2011. – с. 309-313. 6. Семенова И.Э., Козырев А.А., Рыбин В.В., Аветисян И.М. Закономерности перераспределения полей напряжений при формировании глубокой карьерной выемки. – Третья тектонофизическая конференция в ИФЗ РАН. Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле: сб. докладов Всероссийской конференции в 2-х томах. Том 2. М.: ИФЗ РАН; 2012, с. 326 – 330. 7. Козырев А.А., Семенова И.Э., Аветисян И.М. Прогноз местоположения опасных участков борта глубокой карьерной выемки по данным численного моделирования напряженного состояния массива Ковдорского месторождения. – Глубокие карьеры: сб. докл. Всеросс. науч.техн. конф. с междунар. участием 18-22 июня 2012 г. – Апатиты; СПб.: Реноме, 2012. – с. 396–402. 22
