Геомеханічне обґрунтування параметрів стійких укосів кар’єрів в складноструктурному масиві м’яких порід

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі вдосконалення геомеханічної оцінки стійкості укосів уступів на кар’єрах, що складаються з м’яких розкривних порід, з урахуванням складної геологічної структури, гідрогеологічних характеристик родовища й навантажень від гірничо-транспортного устаткування. У роботі виконаний аналіз впливу фізико-географічних, природно-геологічних, гідрогеологічних, інженерно-геологічних і гірничо-технічних факторів на геомеханічну стійкість укосів і бортів кар’єрів. Результати моделювання на еквівалентних матеріалах та чисельного моделювання методом кінцевих елементів дозволило проаналізувати геомеханічні процеси у породних уступах і встановити закономірності порушення їх стійкості. Отримані експериментальним шляхом фізико-механічні характеристики розкривних порід (суглинки, глини) для гірничо-геологічних умов кар’єрів №7 "Північ" й №7 "Південь" Вільногірського ГМК використані для геомеханічної оцінки стійкості укосів уступів залежно від фізико-механічних характеристик, вологості порід і навантажень від гірничо-транспортного устаткування. Закономірності, отримані в результаті експериментальних досліджень зразків гірських порід і чисельного моделювання використані для розробки рекомендацій із забезпечення геомеханічної стійкості укосів розкривних уступів для гірничо-геологічних та гірничотехнічних умов Мотронівсько-Анновської ділянки Малишевського комплексного циркон-рутил-ільменітового родовища, що планується до введення в експлуатацію на ВГМК.

Диссертация посвящена усовершенствованию геомеханической оценки устойчивости откосов уступов на карьерах, сложенных мягкими вскрышными породами, с учетом сложной геологической структуры, гидрогеологических характеристик месторождения и нагрузок от горно-транспортного оборудования. В работе выполнен анализ влияния физико-географических, природно-геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических и горно-технических факторов на геомеханическую устойчивость откосов и бортов карьеров; рассмотрены основные подходы к расчету потенциальных поверхностей скольжения в прибортовом массиве пород, а также аналитические и эмпирические критерии прочности, которые наиболее часто используются в практике геомеханических исследований. Для моделирования устойчивости откосов и бортов карьеров, сложенных мягкими вскрышными породами, принят критерий прочности Кулона-Мора. В качестве инструмента численного моделирования использована программа конечно-элементного анализа Phase2 компании Rocscience Inc. широко используемая в практике инженерного анализа как в Украине, так и за рубежом. Использование метода моделирования на эквивалентных материалах позволило проанализировать геомеханические процессы, происходящие при сдвижении массива пород, слагающих породный уступ, и установить закономерности нарушения его устойчивости. Выполнены серийные испытания образцов на одноплоскостном срезном приборе П10-С и определены физико-механические характеристики вскрышных пород (суглинки, глины) для горно-геологических условий карьеров №7 «Север» и №7 «Юг» Вольногорского ГМК. Полученные экспериментальным путем значения сцепления и угла внутреннего трения использованы для геомеханической оценки устойчивости откосов уступов действующих и проектируемых карьеров ВГМК. Разработана гидрогеомеханическая модель, описывающая распределение деформаций и напряжений в откосах уступов карьера с учетом физико-механических характеристик верхнего слоя вскрыши и влагонасыщения пород за счет инфильтрации атмосферных осадков. По результатам моделирования определены коэффициенты запаса устойчивости борта карьера в зависимости от физико-механических характеристик, влажности вмещающих пород и внешних нагрузок горно-транспортного оборудования. Закономерности, полученные в результате экспериментальных исследований образцов горных пород и численного моделирования использованы для разработки рекомендаций по обеспечению геомеханической устойчивости откосов вскрышных уступов для горно-геологических и горнотехнических условий Мотроновско-Анновского участка Малышевского комплексного циркон-рутил-ильменитового месторождения, которое планируется к введению в эксплуатацию на ВГМК. Разработан алгоритм оценки долговременной геомеханической устойчивости откосов и бортов карьеров, учитывающий геометрические параметры уступов, сложную геологическую структуру породного массива, гидрогеологические характеристики месторождения и нагрузки от горно-транспортного оборудования. Рассчитаны зависимости угла откоса уступа от влажности верхнего вскрышного горизонта суглинков. Установлено, что для существующих гидро-геологических условий с учетом физико-механических свойств пород рекомендуемые значения КЗУ=1,1…1,3 будут обеспечены при угле наклона откоса α=37…47°. В результате комплексной оценки геомеханической устойчивости откосов разработана номограмма для расчета КЗУ и рациональных геометрических параметров вскрышных уступов, сложенных суглинками. Установлено, что при средней высоте вскрышного уступа 20 м и изменении угла наклона откоса с проектных 37º до рекомендуемых 47º для условий Вольногорского горно-металлургического комбината сокращение объемов вскрышных работ на 1 км длины фронта работ составит ∆V=78,91тыс.м3. В результате корректировки угла наклона откоса и формировании более крутого геометрического профиля уступа, при его высоте Н=20 м, на 10° (α1-α2=47°-37°) рассчитан экономический эффект Сэ=0,72…0,90 млн. грн на 1 км длины фронта горных работ при средней себестоимости вскрыши Св=10,85…13,40 грн/м3.

The dissertation is devoted to solving an actual scientific and technical task of improving geomechanical evaluation of slope stability in open-pit benches composed of soft rocks with consideration of complex geological structure, deposit hydro-geological characteristics and loads of mining-transportation equipment. Analysis of influence of physiographic, geological, hydro-geological, geotechnical and mining-technical factors on geomechanical stability of slopes and pitedges is carried out. Results of simulation of equivalent materials and FEM numerical modeling allowed analyze geomechanical processes in rock benches and ascertain laws of their instability. Experimentally derived physical and mechanical characteristics of overburden rocks (loams, clays) for geological conditions of open-pits №7 "Sever" and №7 "Yug" of Vil’noghirs’k Mining and Metallurgical Plant (VGMK) are used for geomechanical evaluation of slope stability depending on physical and mechanical characteristics, rock moisture, and external loads from mining and transport equipment. Regularities obtained in experimental research of rock samples and numerical modeling are used to develop recommendations for ensuring geomechanical slope stability of overburden benches for geological and mining conditions of Motronivs’ko-Annovs’kyi section of Malyshevs’ke complex zircon-rutile-ilmenite placer deposit which is planned to put into exploitation on VGMK.