Геомеханическая модель неоднородных прибортовых массивов сложноструктурных месторождений

К.К. Абдылдаев, к.т.н., доц., Иссык-Кульский государственный университет им. К. Тыныстанова,

К.Ч. Кожогулов, д.т.н., член-корр. НАН КР, Институт геомеханики и освоения недр Национальной академии наук Кыргызской Республики,

Курманбек уулу Т., к.т.н., доц., Кыргызский государственный университет им. И. Арабаева

Формирование расчетной модели геологического объекта имеет большое значение в моделировании геомеханических процессов при разработке сложноструктурных месторождений. При этом основная роль отводится изучению строения всей толщи пород, условий залегания отдельных слоев, прослоев, контактов, трещин, положения депрессионных кривых, конструктивных особенностей борта, наличия внешней нагрузки, которые определяют положение поверхности скольжения. Наиболее известными работами по изучению структуры массива горных пород являются труды М.В. Раца и С.Н. Чернышева[1], А.Ж. Машанова [2], И.И. Попова, Ф.К. Низаметдинова, Р.П. Окатова [3], Л. Мюллера [4] и других исследователей. При этом в последних работах трещиноватость рассматривается с точки зрения влияния ее на устойчивость откосов уступов и бортов карьеров.

В работах [5–7] указывается, что в неоднородных массивах горных пород обычно имеют место различные поверхности контактов пород, по которым в определенных условиях могут происходить оползание или обрушение пород на карьерах. При изучении структуры обычно ограничиваются определением элементов залегания поверхностей контактов пород в отдельно взятой точке, не придавая значения горногеометрическому анализу. При этом в ряде случаев поверхности контактов горных пород в пределах даже отдельно взятых уступов не представляют собой плоскость.

Наличие в прибортовом массиве поверхностей контактов различных пород в виде трещин большого протяжения, залеченных поверхностей сместителей тектонических нарушений, слоистости пород обычно ухудшает устойчивое состояние откосов. Это связано с тем, что при значительной прочности куска скальной породы сдвиговые характеристики трещиноватого массива всегда в несколько раз меньше. От ориентировки поверхностей контактов пород в массиве относительно поверхности откоса зависят положения и форма поверхностей скольжения, следовательно, и выбор схемы расчета.

В настоящее время для получения информации о состоянии прибортовых массивов на карьерах в развитых странах широко используют лазерно-цифровые технологии. Это стало возможным благодаря широкому внедрению 3D сканеров в горную практику, которые позволяют при съемках получить объект изучения в электронном виде. При этом лазерное сканирование – технология, с помощью которой можно создать цифровую трехмерную модель объекта, представив его набором точек с пространственными координатами.

Рис. 1 Лазерный 3D сканер

Рис. 1 Лазерный 3D сканер

Она основана на использовании новых геодезических приборов – лазерных сканеров, которые измеряют координаты точек поверхности объекта с высокой скоростью, порядка нескольких десятков тысяч точек в секунду (рис.1) [7]. При построении геомеханической модели породных массивов наибольшие затруднения вызывает обоснование расчетных значений прочностных характеристик, определяемых в лабораторных и натурных условиях, которые из-за несовершенства методики их определения и большой изменчивости результатов могут не согласовываться ни с механической, ни с геометрической моделями массива. Поэтому в первую очередь необходимо совершенствовать методики проведения как лабораторных, так и натурных экспериментов, и обработки результатов исследований.

При открытой разработке сложноструктурных месторождений прочностные свойства горных пород в большинстве случаев могут оказать решающее влияние на устойчивость откосов уступов и бортов карьеров.

Цифровая трехмерная модель объекта, выполенная 3D сканером

Цифровая трехмерная модель объекта, выполенная 3D сканером

Исследованием прочностных свойств горных пород занимаются давно – как в лабораторных, так и в натурных условиях. Анализ литературных источников по изучению прочностных свойств горных пород также указывает на необходимость дальнейшего совершенствования способов проведения испытаний.

При этом совершенствование заключается в комплексном подходе к изучению прочностных характеристик горных пород на основе разумного использования преимуществ лабораторных и натурных исследований. Необходимо при обследовании на карьерах состояния рабочих уступов, сложенных полускальными и скальными породами, выявить участки, имеющие обрушения, и провести их съемку с целью определения параметров блоков и элементов залегания поверхностей контактов, и, как уже указывалось, желательно использовать 3D сканер. Затем с этих участков отбираются образцы горных пород с целью их изучения в лабораторных условиях. Геомеханическая модель должна состоять из структурной модели массива различных горных пород с соответствующими прочностными характеристиками, являющимися элементами этой геомеханической модели. При этом структурная модель отражает природные и техногенные условия залегания массива горных пород. Она характеризует объект: строение всей толщи пород, условия залегания отдельных слоев, тектонические нарушения, конструктивные особенности борта, наличие внешней нагрузки. Моделирование горно-геологических условий необходимо производить по координатам узловых точек, отражающих положение инженерно- геологических элементов. Формирование интерполяционной модели массива производится на основе исходной информации по дискретной нерегулярной модели. Обоснование механической модели среды и гипотезы о возможном характере смещения или деформирования прибортового массива для соответствующих горно-геологических условий производится на основе исследования особенностей механизма его деформирования.

Технические характеристики Leica HDS4400

Для правильного вывода расчетных показателей рекомендуется определение характеристик прочности с учетом фактического напряженного состояния горных пород в зоне поверхности скольжения в объеме, необходимом и достаточном для статистической обработки. Поэтому нет необходимости идти по пути разработки сложной геометрической и механической модели в связи с невозможностью установления адекватных расчетных характеристик. При этом следует разрабатывать геомеханическую модель прибортового массива с использованием инженерного подхода, основанного на соответствующих упрощениях, которые позволили бы получить удовлетворительные результаты для практики.

На основании многолетних исследований, анализа литературных источников и фактического состояния откосов при разработке сложноструктурных месторождений, результатов инструментальных маркшейдерских наблюдений за состоянием прибортовых массивов на карьерах, теоретических исследований и производственного опыта , а также данных физического моделирования предложена геомеханическая модель приоткосного массива неоднородного строения, соответствующая сложноструктурным месторождениям (рис. 2).

Рис. 2 Характерная геомеханическая модель неоднородных массивов

Рис. 2 Характерная геомеханическая модель неоднородных массивов

Наиболее широкое распространение получила механическая модель, основанная на достижении одновременного предельного равновесия для всей поверхности скольжения. При этом показатели физико-механических свойств пород устанавливаются на основе как лабораторных, так и натурных испытаний. В зависимости от горно-геологических условий разработки сложноструктурного месторождения выбирается геомеханическая модель, а затем после тщательного горно-геометрического анализа – расчетная схема, по которой производится расчет параметров предельного откоса или откоса с заданным коэффициентом запаса устойчивости. Для однозначного выбора расчетной схемы принимаются несколько наиболее подходящих схем, и расчеты производятся по каждой из них. Результаты расчета по схеме с минимальными параметрами откоса или наименьшим запасом устойчивости являются окончательными.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. Рац М.В. Чернышев С.Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. М.: 1970 –159 с.
2. Машанов А.Ж. Механика массива горных пород. –Алма-Ата: 1961-166 с.
3. Попов И.И. Низаметдинов Ф.К. Окатов Р.П. др.] Природные и технические основы управления устойчивостью уступов и бортов карьеров. –Алматы: Гылым, 1997. –216 с.
4. Мюллер Л. Механика скальных массивов. –М.: Мир, 1971. –254 с.
5. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. –М.: 1965. –378 с.
6. Галустьян Э.Л. Геомеханика открытых горных работ: Справочное пособие. –М.: Недра, 1992. –272 с.
7. Кожогулов К.Ч., Турсбеков С.Б., Никольская О.В.[ и др.]. Основы геомеханики при открытой разработке месторождений полезных ископаемых, Бишкек–Алматы: 2016. –176 с.
8. Карташов Ю.М. Матвеев Б.В., Михеев Г.В. Прочность и деформируемость горных пород. М. 1979-269 с.
9. Ставрогин А.Н., Протосеня А. Механика деформирования и разрушения горных пород. –М.: Недра, 1992. –224 с.
Ключевые слова: сложноструктурные месторождения, моделирование, геомеханика, геомеханическая модель, приоткосные и породные массивы, деформирование.

Журнал "Горная Промышленность"№6 (130) 2016, стр.86