Московский экономический журнал 4/2020
УДК 622.1:622.271
DOI 10.24411/2413-046Х-2020-10245
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК (Ρ И K) И ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ОТВАЛЬНОЙ
МАССЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ В УСЛОВИЯХ ГОРЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
DETERMINATION OF PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS (Ρ AND K) АND ESTIMATION OF STABILITY OF DUMP MASS ON RESULTS OF NATURAL TESTS IN THE CONDITIONS OF GOREVSKY DEPOSIT
Боос И.Ю., Патачаков И.В., Латыпов В.Д., Руденкo Е.А., Актелова А.Ю., Черпакова А.А., ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» Институт горного дела, геологии и геотехнологий, Красноярск, Россия (660025 г. Красноярск, пр.Красноярский рабочий, 95),
Boos I.Y., Patachakov I.V., Latypov V.D., Rudenko E.A., Antelava A.Y., Cherpakova A.A.
Аннотация. Устойчивость породных отвалов,
образующихся при производстве горных работ, может оказывать большое влияние на
технологию отработки и отвалообразования, экономическую эффективность
предприятия, и главное на безопасность ведения горных работ. Для предупреждения
опасных ситуаций связанных с деформациями отвалов, необходимо производить
обоснование параметров формируемых отвалов. Для оценки устойчивости откосов
породных отвалов необходимо знать физико-механические свойства пород слагающих
отвал. Одними из важнейших физико-механических свойств влияющих на устойчивость
откосов являются сцепление (k) и угол внутреннего
трения (ρ). Отвалы представляют собой массу разрыхленных горных пород, поэтому
их прочностные свойства отличаются от прочностных свойств пород в массиве, и не
могут быть приняты по результатам испытания образцов горных пород в лабораторных
условиях. Поэтому для получения наиболее достоверных физико-механических свойств
пород, слагающих тело отвала, необходимо производить натурные испытания путём
сдвига нарезанных непосредственно в отвале
породных призм с помощью гидродомкратов. Для оценки устойчивости породных
отвалов Горевского свинцово-цинкового месторождения, были проведены натурные
испытания породных призм. По результатам испытаний были построены паспорта для
каждого испытания, по которым определены значения основных физико-механических
характеристик: сцепления (k), и угла
внутреннего трения (r), а так-же плотности
пород (γ) слагающих различные участки отвалов. По полученным данным произведена
оценка устойчивости отвалов и установлены предельные параметры результирующего
угла наклона и высоты одноярусных и многоярусных отвалов в условиях Горевского
месторождения.
Summary. The stability of rock dumps formed during mining operations can have a great influence on the technology of mining and dumping, the economic efficiency of the enterprise, and most importantly on the safety of mining operations.To prevent dangerous situations associated with the deformation of dumps , it is necessary to justify the parameters of formed dumps. To assess the stability of slopes of rock dumps, it is necessary to know the physical and mechanical properties of the rocks composing the dumps. For the estimation of stability of slopes of rock dumps it is necessary to know physical and mechanical properties of breeds composing a dump. One of the most important physical and mechanical properties affecting the stability of slopes is the coefficient of adhesion k and corner of internal friction r rocks. Dumps are mass consisting of loose rocks , therefore their strength properties differ from strength properties of rocks in the mass, and cannot be accepted based on the results of testing rock samples in the laboratory. To obtain the most reliable physical and mechanical properties of the rocks composing the body dump, it is necessary to perform full-scale tests by shifting rock prisms cut directly in the dump using hydraulic jacks. To assess the stability of rock dumps of the Gorevsky lead-zinc Deposit, full -scale tests of rock prisms were conducted. Based on the results of the tests, passports were constructed for each test, which determined the values of the main physical and mechanical characteristics: coefficient of adhesion k , corner of internal friction r and rock density composing various sections of dumps. Based on the obtained data, the stability of dumps was evaluated and the maximum parameters of the resulting slope angle and height of single-tier and multi-tier dumps were set in the conditions of Gorevsky deposit.
Ключевые слова: физико-механические характеристики, отвалы, Горевский ГОК, коэффициент сцепления, порода.
Keywords: the physical and mechanical characteristics, dumps, Gorevsky GOK ,coefficient
of adhesion, rocks.
Введение
Устойчивость
породных отвалов, образующихся при производстве горных работ, может оказывать
большое влияние на технологию отработки и отвалообразования, экономическую
эффективность предприятия, и главное на безопасность ведения горных работ. Поэтому,
при разработке проекта на отработку месторождение необходимо геомеханическое
обоснование параметров отвалов [1,2]. Для
обоснования устойчивых пареметров породных отвалов необходимо знать
физико-механические свойства пород слагающих отвал [3,4]. Одними из важнейших физико-механических свойств
влияющих на устойчивость откосов являются сцепление (k) и угол внутреннего
трения (ρ), которые для получения наиболее качественных характеристик
необходимо определять с помощью натурных испытаний[5,6].
Цель исследования
Для геомеханического обоснования
параметров внешних отвалов Горевского свинцово-цинкового месторождения,
необходимого для разработки проекта на отработку месторождения, были поведены
натурные испытания физико-механических свойств пород, на основании которых была
произведена оценка устойчивости одноярусных и многоярусных внешних отвалов.
Методика выполнения испытаний
Испытание пород производили по схеме
испытаний с одной прорезной щелью (рисунок 1) [7,8], данный способ позволяет из
одного опыта получить значения коэффициента сцепления k и угла внутреннего
трения r породы [9]. Схема реализуется при подготовке породной
призмы в откосе уступа или на берме. При создании гидродомкратом
горизонтального давления в массиве образуется напряженная область, которую по
форме можно принять за эллипсоид деформации. Деформирование рассматриваемой
области аналогично процессам, происходящим при вывалах части массива горных
пород на откосах от действия внешней нагрузки. При достижении максимального
сдвигающего усилия Qmaxпроисходит выпирание объемной породной призмы с максимальными размерами
по высоте cmax, ширине 2bmax и длине amax. Значения cmax и 2bmax обусловлены размерами прорезной щели, а длина amax определяется в процессе
испытаний [10,11]. Названные параметры призмы можно в первом приближении
принять за полуоси трехосного эллипсоида.
При обработке результатов испытаний породных призм вычисляют площадь поверхности среза S, фактическое сдвигающее усилие Qmax и Qmin через коэффициент тарировки гидродомкрата и массу срезанной породной призмы P. Используя полученные данные полевых измерений и вычислений, находят касательные t и нормальные sN напряжения и производят построение паспорта прочности пород, откуда графически определяют сцепление k и угол внутреннего трения r [12,13].
По результатам испытаний сцепление k и угол внутреннего трения r вычисляют аналитически по формулам (1) и (2).
где pi – вес
блока, Н;
di – угол наклона поверхности среза в пределах блока, град [4];
S – площадь поверхности среза, м2;
Qmax – сдвигающее усилие при котором
начинается сдвиг, т;
Qmin
– сдвигающее усилие при котором происходит пластическое течение в области
поверхности сдвига, т.
Проведение исследования На выбранных участках выполнили нарезку породных призм (рисунок 2) для испытания с выпором породного блока. Нарезку породных призм осуществляли с применением отбойного молотка, штыковых лопат и ломов [14,15].
Сдвиг подготовленных породных призм осуществляли гидродомкратом ДГ150П200 (рисунок 3) подключенным к специальной гидравлической установке НРГ-7080 снабженной манометром.
В
процессе сдвига по манометру фиксировали максимальное усилие
, соответствующее срезу породной призмы, и минимальное
, необходимое для преодоления силы трения при перемещении
призмы. Замер линейных и угловых параметров деформированной породной призмы
осуществляли рулеткой и горным компасом [16].
После сдвига породной призмы отбирались пробы
для определения плотности и влажности пород. Дополнительно определялся удельный
вес пород на каждом участке.
Обработка результатов испытаний
Для каждой породной призмы построен паспорт испытания рисунок 4.
Определение значения коэффициента сцепления k и угла внутреннего трения r породы выполнялось по формулам (1) и (2)
Всего на отвалах Горевского ГОКа было выполнено 9 натурных испытаний на трёх участках породных отвалов. Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Далее по результатам натурных испытаний выполнили оценку устойчивости одноярусных отвалов, отсыпаемых на устойчивое основание, угол естественного откоса принят 37°,для определения расчетных значений сцепления и угла внутреннего трения физико-механические характеристики для тела скального отвала приняты по натурным испытаниям (см. таблица 1). Для расчёта устойчивых параметров откосов отвалов использовалась программа «Stability analysis» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010614557, 2010г) [17,18,19]. Пример расчета в виде распечатки с ЭВМ приведен на рисунках 5 и 6. Результаты расчётов представлены в таблицах 2-4.
В таблицах 5-7 приведены параметры устойчивых многоярусных отвалов.
Заключение
По результатам натурных испытаний, в
условиях Горевского свинцово-цинкового месторождения, можно сделать вывод, что
наибольшее значение угла внутреннего трения наблюдается у пород отвала №1 сложенного чистыми известняками и составляет 36º,
наименьшее значение имеют породы отвала №2, для них угол внутреннего трения
составляет 33º, уменьшение угла внутреннего трения обусловлено содержанием
глинистой массы в отвале на данном участке. Значение сцепления на отвалах колеблется в
пределах от 1,59 до 3,89 т/м2. Наименьшее значение сцепления наблюдается
у отвала сложенного чистыми известняковыми породами.
По
результатам оценки устойчивости одноярусного отвала видно, что отвалы сложенные
скальными и смешанными породами способны сохранять устойчивость при
значительных высотах отвалов, их устойчивость будет определяться несущей
способностью оснований отвалов. Рекомендуемая предельная высота отвалов 50м.
Результаты
расчёта устойчивости многоярусных отвалов показывают, что многоярусные отвалы
сложенные скальными породами и отвалами смешанных будут сохранять устойчивое
состояние при значительной высоте отвала (200 м и более) при результирующем
угле (разноса ярусов) угол откоса отвала вплоть до 28º (таблицы 5-7).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Mark D. Zoback. Reservoir
Geomechanics. Cambridge University Press, 2010. 449 p.
2. Ameen, Mohammed S.
Operational Geomechanics – A Rock-Based Science for Environmental, Energy, and
Engineering Applications. EAGE Publication, 2018. 327 p.
3. Патачаков И.В., Фуртак А.А., Боос И.Ю
«Определение прочностных свойств горных пород методом обратных расчетов в
условиях Горевского свинцово-цинкового месторождения» // Маркшейдерия и
недропользование. 2018 №1(93). 41 с.
4. J.P. TURNER, R.R.
HILLIS, M.J. WELCH. GEOLOGICAL SOCIETY SPECIAL PUBLICATION NO. 458.
Geomechanics and Geology. Geological Society of London. Geomechanics and Geology,
2017, 458 p.
5. Шпаков П. С., Поклад Г. Г., Ожигин С. Г.,
Долгоносов В. Н. Выбор прочностных показателей пород для расчета параметров
устойчивых откосов // Маркшейдерия и недропользование. 2002. № 2. С. 37–41.
6. Livinskiy I. S.,
Mitrofanov A. F., Makarov A. B. Complex geomechanical modeling: structure,
geology, reasonable sufficiency. Gornyi Zhurnal. 2017. No. 8. pp. 51–55. DOI: 10.17580.2017.08.09
7. Попов В. Н., Шпаков П. С., Юнаков Ю. Л.
Управление устойчивостью карьерных откосов: учеб. для вузов. Москва.: Горная
книга, 2008. 683 с.
8. Фисенко Г. Л. Устойчивость бортов карьеров
и отвалов. Москва.: Недра, 1965. 378 с.
9. Козырев А. А., Рыбин В. В. Геомеханическое
обоснование рациональных конструкций бортов карьеров в тектонически напряженных
массивах // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2015. Т. 2. № 2.
С. 245–250.
10. Демин А. М. Устойчивость открытых горных
выработок и отвалов. Москва.: Недра, 1973. 232 с.
11. Kianoosh
Taghizadeh, Gael Combe, Stefan Luding. ALERT Doctoral School 2017 – Discrete
Element Modeling. The Alliance of Laboratories in Europe for Education, Research
and Technology, 2017. 218 p.
12. François Henri
Cornet, Université de Strasbourg. Elements of Crustal Geomechanics. Cambridge University Press, 2015, 490 p.
13. Гальперин, А.М. Геомеханика открытых
горных работ: учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению
подготовки дипломирования специалистов «Горное дело». – Москва. Горная книга,
2012. – 480 с.
14. Ляшенко В. И. Развитие научно-технических основ
мониторинга состояния горного массива сложноструктурных месторождений.
Сообщение 2 // ГИАБ. 2017. № 3. С. 123–141.
15. Курленя М.В. Научная школа. Геомеханика и
технологии освоения недр. Новосибирск: Наука, 2016. 268 с.
16. Попов В.Н., Шпаков П.С., Юнаков Ю.Л.,
Управление устойчивостью карьерных откосов: Учебник для вузов. – Издательство
Московского государственного горного университета, издательство «Горная книга».
2008. – 683 с.
17. Козлов Ю.С., Мочалов А.М., Пушкарев
В.И., Сапожников В.Т., Фисенко Г.Л. Методические указания по
определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и
эксплуатируемых карьеров. – Ленинград., ВНИМИ, 1972г.165 с.
18. Шпаков П.С., Юнаков Ю.Л., Шпакова М.В.
Расчет устойчивости карьерных откосов по программе STABILITY ANALYSIS. Горный
информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. № 8.
С. 56-63.
19. Левин Е. Л., Половинко А. В. Влияние
неопределенности физико-механических свойств пород прибортового массива на
коэффициент запаса устойчивости борта карьера, вероятность его обрушения и
оценка зоны развала обрушившихся масс // Горный журнал. 2016. № 5. С. 14–20
References
1. Mark D. Zoback.
Reservoir Geomechanics. Cambridge University Press, 2010. 449 p.
2. Ameen, Mohammed S.
Operational Geomechanics – A Rock-Based Science for Environmental, Energy, and
Engineering Applications. EAGE Publication, 2018. 327 p.
3. Patachakov I.
V., Furtak A. A., Boos I. Yu. “Determination of strength properties of
rocks by the method of reverse calculations in the conditions of the Gorevsky
lead-zinc Deposit” / / surveying and subsoil use . 2018. 1(93). 41 s
4. J.P. TURNER, R.R.
HILLIS, M.J. WELCH. GEOLOGICAL SOCIETY SPECIAL PUBLICATION. 458. Geomechanics
and Geology. Geological Society of London. Geomechanics and Geology, 2017, 458
p.
5. Shpakov
P. S., Poklad G. G., Ozhigin S. G., Dolgonosov V. N. Selection of rock strength
parameters for calculating parameters of stable slopes // Mine surveying and
subsurface use. 2002. № 2. pp. 37–41.
6. Livinskiy I.
S., Mitrofanov A. F., Makarov A. B. Complex geomechanical modeling: structure,
geology, reasonable sufficiency. Gornyi Zhurnal. 2017. №8. pp. 51–55. DOI:
10.17580/ 2017.08.09
7. Popov V.
N., Shpakov P. S., Yunakov Y. L. Managing the stability of career slopes: a
textbook for universities. Moscow:
Mining book, 2008. 683 p.
8. Fisenko
G. L. Stability of the sides of quarries and dumps. Moscow: Nedra, 1965. 378 p.
9. Kozyrev A. A.,
Rybin V. V. geomechanical substantiation of rational structures of quarry sides
in tectonically stressed massifs / / Fundamental and applied questions of
mining Sciences. 2015. № 2. p. 245-250.
10. Demin
A. M. Stability of open mine workings and dumps. Moscow: Nedra, 1973. 232 p.
11. Kianoosh
Taghizadeh, Gael Combe, Stefan Luding. ALERT Doctoral School 2017 – Discrete
Element Modeling. The Alliance of Laboratories in Europe for Education,
Research and Technology, 2017. 218 p.
12. François Henri
Cornet, Université de Strasbourg. Elements of Crustal Geomechanics. Cambridge University
Press, 2015, 490 p.
13. Galperin A. M. Geomechanics of open pit mining: textbook for
University students studying in the direction of training of certified
specialists «Mining». – Moscow. Mining book, 2012. – 480 p.
14. Lyashenko V.
I. Development of scientific and technical bases for monitoring the state of
the mountain massif of complex structural deposits of research institutes .
Message 2 / / GIAB. 2017. № 3. Pp.
123-141.
15. Kurlenya M. V.
Scientific school. Geomechanics and technology development of mineral
resources. Novosibirsk: Nauka, 2016. 268р.
16. Popov V. N., Shpakov P. S., Yunakov J. L., Managing the stability of
career slopes: textbook for universities. – Publishing house of Moscow state
mining University publishing house « Mining book ». 2008. – 683 p.
17. Kozlov Yu.
S., Mochalov a.m., Pushkarev V. I., Sapozhnikov V. T., Fisenko G. L. Methodical
instructions for determining the angles of inclination of sides, slopes of
ledges and dumps of quarries under construction and operated. – Leningrad.,
VNIMI, 1972 165 p.
18. Shpakov
P. S., Yunakov Y. L., Shpakova M. V. Calculating the stability of career slopes
using the STABILITY ANALYSIS program. Mining informational and analytical
bulletin(scientific and technical journal). 2011. № 8. pp. 56-63.
19. Levin E. L.,
Polovinko A.V. Influence of uncertainty of physical and mechanical properties
of rocks of the instrument array on the coefficient of stability of the quarry
side , the probability of its collapse and the assessment of the collapse zone
of collapsed masses / / Gorny Zhurnal. 2016. № 5. p. 14-20