Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния прибортового массива и подкарьерных залежей с породными прослоями

К.К. Абдылдаев, Иссык-Кульский государственный университет им. К. Тыныстанова, г. Каракол

Г.Д. Кабаева, Кыргызский государственный технический университет им. И. Раззакова, г. Бишкек

К.Ч. Кожогулов, Институт геомеханики и освоения недр НАН КР, г. Бишкек

С.Ж. Куваков, Институт геомеханики и освоения недр НАН КР, г. Бишкек

Геологическая среда в горном деле обычно рассматривается как сложная самоорга-низующаяся нелинейная система, в которой физические процессы в земной коре имеют определяющее значение. При этом за свою историю геологическая среда претерпела локальные и глобальные кризисы, проявляющиеся как медленно протекающими, так и скачкообразными процессами нарушения устойчивости под действием природных и техногенных факторов [1–3]. Геологическая среда, в которой ведутся горные работы, представляет собой неоднородный по составу, сложению и структуре массив горных пород, который является частью этой среды. Массив горных пород, как правило, представлен совокупностью нескольких видов горных пород, залегающих рядом или вмещающих друг друга.

Поэтому по механическим свойствам породный массив можно представить, как неоднородную анизотропную среду, хотя сами горные породы характеризуются более или менее однородным петрографическим составом, или состоянием, и состоят из одинаковых групп минералов.

При разработке нагорных месторождений открытым способом элементами геологической среды являются:

• склоны, на которых ведутся горные работы и развиваются гравитационные склоновые процессы;
• геологическое строение породного массива, залегание рудных тел;
• тектоника и тектонические нарушения на месторождении;
• физико-механические свойства вмещающих пород и руды;
• природное напряженное состояние породных массивов;
• уровень подземных вод.

Эти сложные условия создают аномальные дополнительные концентрации природных напряжений в прибортовом массиве, которые приводят к накоплению упругой энергии, изменяя природное поле напряжений. А это в свою очередь может привести к катастрофическим разрушениям бортов карьеров в виде горных ударов, внезапных обрушений откосов и т.д.

Из опыта разработки рудных месторождений известно, что различие породных слоев различной мощности в рудных телах усугубляет и без того сложное строение некоторых рудных месторождений. Как показывает анализ практики отработки сложных месторождений [4], большая часть породных прослоев мощностью от 3 до 10 м вынимается вместе с рудой, значительно разубоживая ее.

Основной причиной, не позволяющей эффективно выделять породные прослои в рудных телах при применяемых в настоящее время технологиях комбинированной разработки является высокая изменчивость их контуров и мощности. В этом случае большая часть породного прослоя будет отбита и вовлечена в добычу.

Отбойка рудного тела с породным прослоем с целью его выделения по геологическому контуру приводит к затяжке очистного пространства. При этом на каждом контуре породных прослоев формируются потери руды и прихват породы.

При включении породных прослоев в выемку дополнительные потери руды формируются за счет более раннего прекращения выпуска руды из-за снижения содержания полезных компонентов в отбитой руде. Разубоживание от включения породных прослоев зависит от их удельного веса. При существующих в настоящее время технологиях [5] как выделение породных прослоев, так и их включение в отработку приводят к значительным потерям и разубоживанию руды. Отработка рудных тел с породными прослоями, расположенными под дном карьера, сопровождается разрушением породных прослоев, которые извлекаются вместе с рудой. В этих условиях для повышения показателей извлечения руды оценка напряженно-деформированного состояния и устойчивости породных прослоев является очень важной научной задачей.

Поэтому исследование изменений природного напряженного состояния под воздействием горных работ в условиях постоянного увеличения глубины отработки с каждым го-дом приобретает все большую актуальность.

Решением задач моделирования геомеханических процессов прибортовых неоднородных массивов в условиях действия различных природных и техногенных факторов, раз-работкой компьютерных прикладных программ для ПК занимаются многие ученые [4–6]. Известны примеры использования программ Ansys, Sigma, Stress, Геомеханика, Plaxis, GenID, Geo5, SCad, SoilWorks, Adventure и др. [7–9].

Вышеперечисленные программы характеризуются своими особенностями и условиями применения. Следует отметить, что существующие на данный момент автоматизированные средства содержат устаревшую теоретическую часть и требуют нового, более комплексного подхода, с учетом разработки более совершенных способов съемок, горно-геометрического анализа структурно-тектонических особенностей массива горных пород и возможности передачи данных как в существующие геоинформационные системы, так и наоборот. С учетов вышеизложенного нами для моделирования напряженно-деформированного состояния моделирования прибортовых массивов и подкарьерных запасов, использована программа Plaxis (версия 8.6), расчеты в которой основаны на методе конечных элементов [10].

В работе проведено компьютерное моделирование напряженнодеформированного состояния прибортовых массивов и подкарьерных залежей с породными прослоями на примере одного из разрезов Макмальского месторождения.

Геометрическая схема с указанием номера горных пород, конечно-элементная сетка для выбранного разреза и деформированного состояния прибортового массива и подкарьерных запасов с породными прослоями показаны на рис. 1.

Рис. 1 Схематический разрез и деформационная сетка: а – геометрические параметры выбранного разреза с указанием нумерации горных пород; б – деформационная сетка бортов карьера и подкарьерных запасов.

Физико-механические свойства слагающих пород месторождения получены в лабораторных условиях в Институте геомеханики и освоения недр НАН КР (табл. 1) [11].

Геометрические параметры выбранного инженерно-геологического разреза составляют: максимальная высота борта карьера – 233 м; ширина – 298 м; угол бортов карьера 550–600 (рис. 1, а). Инженерно-геологический разрез месторождения разделен на 484 треугольных элементов, и их количество составляет 4049 узлов (рис. 1, б).

На основе компьютерного моделирования напряженнодеформированного состояния прибортового массива и подкарьерных залежей с породными прослоями установлено, что концентрация напряжений по оси ХХ отмечена в зонах контакта бортов с дном карьера. Причем, значения горизонтальных напряжений вблизи контакта левого борта с дном карьера изменяются от 39,54 до 349,87 kN/m2, а правого борта с дном карьера составили от 78,76 до 529,41 kN/m2. Выявлено также, что концентрация напряжений увеличивается в зонах контакта мраморной брекчии с породным прослоем по мере углубления от дна карьера и их значения изменяются от 461,16 до 4551,4 kN/m2 (рис. 2, а).

Рис. 2 Распределение напряжений в прибортовом массиве и подкарьерных залежах с породными прослоями: а – по оси ХХ; б – по оси YY; в – по оси ХY

Вертикальные напряжения с изменением глубины распределены равномерно и значения вертикальных сжимающих напряжений изменяются от 6,19 до 66,32 kN/m² (рис. 2, б).

Следует отметить, что в зоне перехода справа налево (мраморная брекчия породный прослой -мраморная брекчия) присутствуют небольшие изменения вертикальных напряжений. Изолинии касательных напряжений ярко выражены в зонах контакта бортов с дном карьера, а также вблизи породного прослоя на вертикальной отметке 5–15 м (рис. 2, в).

Выводы

1. Результаты компьютерного моделирования напряженнодеформированного состояния прибортовых массивов и подкарьерных залежей с породными прослоями показывают, что концентрации горизонтальных напряжений наблюдаются в зонах контакта бортов с дном карьера, причем значения напряжений дна карьера вблизи правого борта в 1,5 раза больше, чем вблизи левого борта. В зонах сочленения породных прослоев с рудной брекчией по мере углубления, значения горизонтальных сжимающих напряжений возрастают от 461,16 до 4551,4 kN/m².

2. Концентрации напряжений вблизи контактов породных прослоев и рудных тел являются одной из основных причин разрушения породных прослоев, которые извлекаются вместе с рудой, разубоживая добываемую руду.

3. Изолинии вертикальных сжимающих напряжений распределены равномерно, но можно заметить небольшие их изменения в зоне породных прослоев. Повышенные значения касательных напряжений наблюдаются на горизонтальной отметке 5–15 м в зоне породных прослоев.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:

1. Котлов Ф.В. Изменение геологической среды под влиянием деятельности человека. –М.: Недра. 1978. – 262 с.

2. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная геодинамика. – Л.: Недра, 1977.

3. Сергеев Е.М. Проблемы инженерной геологии в связи с охраной и рациональности использования геологической среды //Вестник МГУ: Серия 4. Геология. – 1987. – № 5. – С. 77–86.

4. Ярков А.В. Анализ применения системы подэтажного обрушения при отработке слож-ных руд Алтын-Топканского рудника //Горно-экономическая оценка параметров под-земной разработки рудных месторождений. – Фрунзе: Илим, – 1980. – С. 39–45.

5. Яковлев М.А., Ярков А.В. Булгаков Г.Т. Способ отработки рудных тел с породными прослоями. А.С. № 720162. – М.: 1981 – Бюллетень № 23.

6. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. – М.: Мир, 1975. – 395 с.

7. Фадеев А.В. Метод конечных элементов в геомеханике. – М.: Недра, 1987. – 224 с.

8. Чебаков А.В. Моделирование напряженно-деформированного состояния в бортах глубоких карьеров // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решение: Труды 7-ой межрег. науч.-практ. конф., 9–10 апреля 2009 г. Т. 1 – Воркута: Филиал СПГГИ (ТУ) Воркутинский горный институт. – 2009 – С. 210 – 213.

9. Усманов С.Ф. Прогнозирование устойчивости бортов высокогорных карьеров на основе моделирования напряженно-деформированного состояния. – Бишкек: КРСУ, 2009. –172 с.

10. Кожогулов К.Ч., Куваков С.Ж. Моделирование напряженного состояния подкарьерных запасов при комбинированной разработке рудных месторождений // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. Вып. 2. – Новосибирск – 2015. – С. 14–18.

11. Куваков С.Ж., Кыдыралиева Г.А., Джакупбеков Б.Т. Физико-механические свойства горных пород глубоких горизонтов месторождения Макмал // Вестник КРСУ. – 2016. – Т.16. – № 5. – 2006. – С. 151–153.

Ключевые слова: геологическая среда, массив горных пород, напряжение, моделирование, породные прослои

Журнал "Горная Промышленность" №3 (139) 2018, стр.92