Влияние статической нагрузки от горнотранспортного оборудования на устойчивость уступов, расположенных в скальных породах

А.С. Калюжный
Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация
Горная Промышленность №3 / 2023 стр. 116-121

Резюме: Большинство предприятий, отрабатывающих месторождение открытым способом, при приближении борта карьера к конечному положению или снижении производительности сталкиваются с проблемами укручения бортов карьеров. Основной задачей при увеличении угла наклона борта является определение его устойчивости. Одним из способов укручения борта карьеров является увеличение угла откоса слагающих борт уступов. Устойчивость уступа определяется прежде всего его физическими свойствами и структурной нерешённостью. Чем выше прочностные свойства пород, тем более крутым может быть угол откоса, сформированного в этих породах уступа. В «Правилах обеспечения устойчивости…» предусмотрена возможность учета нагрузок от оборудования при оценке устойчивости, однако данная возможность предусмотрена для расчёта устойчивости уступов карьеров и разрезов, сложенных полускальными и дисперсными породами, отвалов, формируемых из глинистых или полускальных пород и (или) из смеси глинистых и скальных пород. В то же время представляет интерес оценить влияние статической нагрузки от размещенного горнотранспортного оборудования, находящегося в неподвижном состоянии, на устойчивость уступов, расположенных в скальных породах. Показано, что нагрузка от бульдозера, зачищающего бермы, оказывает влияние не более 6–7% на расстоянии примерно до 15 м от верхней бровки 30-метрового уступа с углом откоса 80° до края гусеницы, что в общем является незначительным для сохранения устойчивости уступа. Минимальное значение коэффициента запаса устойчивости уступа с нагрузкой от карьерного самосвала БЕЛАЗ-75306 находится на расстоянии от 8 до 10 м от верхней бровки уступа до края колеса, то есть на этом расстоянии самосвал оказывает максимальное влияние. Примерно на 30 м от верхней бровки уступа автосамосвал уже не оказывает влияния на устойчивость уступа. Максимальное влияние автосамосвала на устойчивость составляет от 22 до 25%.

Ключевые слова: карьер, борт, откос, уступ, оценка устойчивости, коэффициент запаса устойчивости, поверхность ослабления, Моргенштерн–Прайс, SVSlope

Для цитирования: Калюжный А.С. Влияние статической нагрузки от горнотранспортного оборудования на устойчивость уступов, расположенных в скальных породах. Горная промышленность. 2023;(3):116–121. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-3-116-121

Информация о статье

Поступила в редакцию: 11.04.2023

Поступила после рецензирования: 05.05.2023

Принята к публикации: 10.05.2023

Информация об авторе

Калюжный Антон Сергееви – научный сотрудник отдела геомеханики, Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук; г. Апатиты, Российская Федерация; e-mail: a.kalyuzhny@ksc.

Введение

Большинство предприятий, отрабатывающих месторождение открытым способом, рано или поздно сталкиваются с проблемами укручения бортов карьеров. Зачастую данные проблемы возникают из-за необходимости продления срока эксплуатации объекта открытых горных работ для сохранения рентабельности производства и, как следствие, самого предприятия.

Устойчивость уступа определяется прежде всего его физическими свойствами и структурной нарушенностью. Чем прочнее механические свойства пород, тем более крутым может быть сформирован угол откоса уступа в скальных породах в случае отсутствия в прибортовом массиве неблагоприятно ориентированных структурных нарушений.

Укручение бортов карьеров может происходить тремя основными способами: увеличением высоты уступа, уменьшением предохранительной бермы, увеличением углов откосов уступов. Первые два способа ограничиваются технологическими возможностями предприятия или нормативными требованиями, а третий – вертикальным углом откоса в 90°. Увеличение высоты, как и увеличение угла наклона откоса уступа, приводят к снижению устойчивости откоса, в результате чего формирование высоких и крутых уступов требует дополнительных обоснований, расчетов рисков [1] и контроля их устойчивости [2].

Помимо геометрических характеристик и свойств пород, слагающих массив, на устойчивость откосов также оказывают влияние внешние нагрузки: от зданий и сооружений, расположенных в непосредственной близости; от сейсмических событий природного и техногенного характера; от горнотранспортного оборудования и др. [3; 4].

В данной работе рассмотрена одна из актуальных проблем устойчивости уступов – влияние горнотранспортного оборудования – на примере участка прибортового массива пород Хибинской группы месторождений.

Вводные данные и методы

Разрез Хибинского массива в долинах зачастую сложен зональными уровнями горных пород с различной степенью дезинтеграции. Покрывающими породами являются моренные отложения, представляющие собой смесь обломков и измельченной породы различной фракции и состава, ниже залегают умеренно и значительно трещиноватые скальные породы, под которыми располагаются прочные слаботрещиноватые горные породы (рис. 1).

Рис. 1 Схема массива пород, слагающих прибортовой участок Хибинского массива

Fig. 1 A schematic view of the rocks composing the pit wall zone of the Khibiny massif

При проектировании борта карьера в таких условиях оценку устойчивости уступов целесообразно проводить в условиях каждого типа пород и подбирать параметры высоты и угла откоса уступа для конкретных условий. Для дальнейшего рассмотрения поставленной проблемы выбраны следующие параметры уступа: высота – 30 м, угол откоса 80°. Так как прибортовой массив сложен множеством литологических разностей, то для упрощения построения расчетных схем они были объединены в несколько литотипов. Свойства для каждого объединенного литотипа пород приведены в табл. 1.

Таблица 1 Принятые физические свойства объединенных литотипов

Table 1 Assumed physical properties of the combined lithotypes

В качестве горнотранспортного оборудования для оценки влияния на устойчивость уступов были выбраны бульдозер CAT D10T2 и карьерный самосвал БЕЛАЗ-75306.

Для учета нагрузки от бульдозера CAT D10T2 были приняты следующие параметры1:

– эксплуатационная масса бульдозера с полным топливным баком – 70 171 кг;

– ширина колеи – 2,550 м;

– ширина гусеницы – 0,742 м;

– длина гусеницы – 3,872 м;

– нагрузка на 2 гусеницы – 688 кН/м²;

– нагрузка на 1 гусеницу – 344 кН/м²;

– нагрузка на длину гусеницы в 1 м – 112 кН/м².

Для учета нагрузки от карьерного самосвала БЕЛАЗ-75306 были приняты следующие параметры²:

– полная масса – 376 100 кг;

– распределение нагрузки: 33% на переднюю ось, 67% на заднюю ось;

– ширина колеи – 5,340 м;

– ширина покрышки – 1,225 м;

– пятно контакта ≈ 1 м;

– нагрузка на 1 колесо – 1235 кН/м².

Учет влияния бульдозера CAT D10T2 был выполнен следующим образом. К поверхности уступа были приложены две равно распределённые нагрузки 344 кН/м2 на расстоянии друг от друга 2,550 м (рис. 2, а). Учет влияния самосвала БЕЛАЗ-75306 был выполнен аналогичным образом с приложением двух равно распределённых нагрузок в 1235 кН/м2 на расстоянии 5,340 м друг от друга (рис. 2, б). Направление движения транспорта указано вдоль бермы уступа.

Рис. 2 Схема учета влияния горнотранспортного оборудования: а – бульдозер CAT D10T2; б – автосамосвал БЕЛАЗ-75306

Fig. 2 A schematic representation of the impact from mining transport equipment: а – CAT D10T2 dozer, б – BELAZ-75306 dump truck

В качестве метода расчета был выбран один из методов предельного равновесия – Моргенштерн–Прайса [5; 6]. Данный метод учитывает все три уравнения равновесия: уравнение сил в горизонтальном направлении, уравнение сил в вертикальном направлении, уравнение моментов равновесия, что отвечает существующим нормативным требованиям безопасности при ведении открытых горных работ³. Метод Моргенштерн–Прайса широко применяется как в отечественной, так и в зарубежной практике при оценке устойчивости откосов [7–12].

Участок массива, в котором смоделирован уступ, предполагался однородным, поэтому форма наиболее напряженной поверхности ослабления задавалась в виде круглоцилиндрической дуги, вход которой располагался на поверхности бермы уступа, а выход – на поверхности откоса уступа. Поиск наиболее напряженной поверхности ослабления выполнялся в автоматическом режиме путем выбора и расчета из множества возможных.

Расчет коэффициента запаса устойчивости выполнялся в программном комплексе SVOffice пакет SVSlope. Данный программный комплекс предназначен для оценки устойчивости естественных откосов, откосов дамб, отвалов пустой породы, бортов карьеров и их уступов методом предельного равновесия в различных его вариантах (метод Феллениуса, Бишопа, Янбу, Спенсера, Моргенштерн– Прайса, Сарма и др.). В данном программном комплексе есть возможность задавать уровень грунтовых вод, поровое давление, сейсмические нагрузки, прикладывать различные нагрузки к поверхностям смоделированного объекта и др. Применение такого рода программных комплексов позволяет более полно учитывать влияющие факторы, а также форму и положение поверхности ослабления [13].

Критерием оценки устойчивости уступа является коэффициент запаса устойчивости (КЗУ, или FOS – Factor Of Safety). Данный коэффициент представляет собой отношение суммы всех сил, удерживающих потенциально неустойчивый блок, ограниченный снаружи дневной поверхностью и наиболее напряженной поверхностью внутри массива, к сумме всех сдвигающих сил. При этом, если коэффициент запаса устойчивости меньше единицы, то это означает, что откос находится в неустойчивом состоянии; если коэффициент запаса равен единице, значит откос находится в предельном состоянии; если значение коэффициента запаса устойчивости находится в промежутке между единицей и нормативно заданным значением, то такое состояние называется недостаточно устойчивым; если коэффициент запаса устойчивости больше нормативно заданного, то блок находится в устойчивом состоянии.

Таблица 2 Нормативные коэффициенты запаса устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов

Table 2 Normative safety factors for wall and bench stability in open-pit and strip mines

Предельное значение коэффициента запаса устойчивости при выполнении данного исследования принято в соответствии с «Правилами обеспечения устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов и откосов отвалов»4, разработанными и утверждёнными в России в конце 2020 г. [14]. Согласно табл. 2 для уступов, расположенных в скальных и полускальных породах и находящихся в эксплуатации, значение коэффициента запаса устойчивости составляет 1,5. Для оценки влияния горнотранспортного оборудования на устойчивость откоса уступа каждый расчет устойчивости был выполнен с шагом смещения транспорта в 1 м от верхней бровки уступа к нижней до тех пор, пока влияние не пропадет. Обсуждение результатов В результате выполненных исследований влияния горнотранспортного оборудования на устойчивость уступа высотой H = 30 м с углом откоса α = 80° полученные значения коэффициентов запаса устойчивости для всех обобщенных линотипов пород были сведены в табл. 3 и 4.

Таблица 3 Значения КЗУ для уступа H = 30 м, Δ = 80⁰ с учетом влияния бульдозера CAT D10T2

Table 3 Safety factor values for a bench with H = 30 m and Δ = 80⁰ considering the impact of the CAT D10T2 dozer

Таблица 4 Значения КЗУ для уступа H = 30 м, Δ = 80⁰ с учетом влияния карьерного автосамосвала БЕЛАЗ-75306

Table 4. Safety factor values for a bench with H = 30 m and Δ = 80⁰ considering the impact of the BELAZ-75306 dump truck

Последняя строчка табл. 3 и 4 в столбцах КЗУ означает такие коэффициенты запаса устойчивости, при которых на уступе отсутствует горнотранспортная техника. Столбец «Δ, %» означает изменение КЗУ уступа с нагрузкой от горнотранспортного оборудования относительно КЗУ уступа без внешней нагрузки. Закрашенные ячейки соответствуют минимальным значениям КЗУ и максимальным его изменениям. Из табл. 3 видно, что для уступа в скальном массиве в условиях Хибинского массива высотой 30 м и углом откоса 80° при учете нагрузки от бульдозера CAT D10T2 минимальное значение КЗУ находится на расстоянии от 1 до 15 м от верхней бровки уступа, и примерно с 16 м от верхней бровки уступа бульдозер перестает оказывать влияние на устойчивость уступа. Максимальное влияние бульдозера на устойчивость составляет от 1,3 до 6,3%, что является несущественным.

Анализ табл. 4 показывает, что для уступа с нагрузкой от карьерного самосвала БЕЛАЗ-75306 минимальное значение КЗУ находится на расстоянии от 8 до 10 м от верхней бровки уступа. Примерно на 30 м от верхней бровки уступа автосамосвал не оказывает влияния на устойчивость уступа, а максимальное влияние нагрузки от автосамосвала на устойчивость составляет от 22,63 до 26,19%, что является существенным.

Заключение

Таким образом, можно сделать вывод, что для уступа, расположенного в скальном массиве Хибинской группы месторождений высотой 30 м и углом откоса 80°, нагрузка от бульдозера CAT D10T2, расположенного на берме уступа на расстоянии от 1 до 15 м от верхней бровки до края гусеницы, оказывает влияние не более ≈ 6-7%, что является незначительным для сохранения устойчивости. При тех же параметрах уступа груженый карьерный самосвал БЕЛАЗ-75306, статически расположенный на берме, способен оказывать существенное влияние на устойчивость уступа, снижая при этом коэффициент запаса до ≈ 25% на расстоянии 8-10 м от верхней бровки до края колеса.

Список литературы

1. Спирин В.И., Ливинский И.С., Хормазаль Э. Оптимизация конструкций бортов карьеров на основе оценки рисков. Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2019;(3):317–331.

2. Рыбин В.В., Константинов К.Н., Каган М.М., Панасенко И.Г. Принципы организации комплексной системы мониторинга устойчивости объектов горнодобывающего предприятия. Горный журнал. 2020;(1):53–57. https://doi.org/10.17580/gzh.2020.01.10

3. Павлович А.А. Особенности геомеханического обоснования устойчивости бортов карьеров и откосов отвалов с учетом ФНП №439. Маркшейдерский вестник. 2022;(2):7–14.

4. Ушаков Д.К. Анализ факторов, влияющих на устойчивость скальных пород в бортах карьера. Вестник Забайкальского государственного университета. 2019;25(1):29–36. https://doi.org/10.21209/2227-9245-2019-25-1-29-36

5. Morgenstern N.R., Price V.E. The analysis of the stability of general slip surfaces. Géotechnique. 1965;15(1):79–93. https://doi.org/10.1680/geot.1965.15.1.79

6. Morgenstern N.R., Price V.E. A numerical method for solving the equations of stability of general slip surfaces. Computer Journal. 1967;9(4):388–393. https://doi.org/10.1093/comjnl/9.4.388

7. Yang S., Su L., Zhang C., Li C., Hu B. Analysis of seepage characteristics and stability of Xigeda Formation slope under heavy rainfall. Tumu yu Huanjing Gongcheng Xuebao / Journal of Civil and Environmental Engineering. 2020;42(4):19–27. (In Chinese).

8. Kumar V., Himanshu N., Burman A. Rock Slope Analysis with Nonlinear Hoek–Brown Criterion Incorporating Equivalent Mohr–Coulomb Parameters. Geotechnical and Geological Engineering. 2019;37(6):4741–4757. https://doi.org/10.1007/s10706-019-00935-9

9. Mhaske S., Kapoor I., Pathak K., Kayet N. Slope Stability Analysis of the Overburden Dump of Meghahatuburu Iron Ore Mines in Singhbhum Region of India. In: Lin J. (eds) Proceedings of the International Field Exploration and Development Conference 2019. IFEDC 2019. Singapore: Springer Series in Geomechanics and Geoengineering; 2020, pp. 3591–3605. https://doi.org/10.1007/978-981-15-2485-1_328

10. Read J., Stacey P. (eds) Guidelines for Open Pit Slope Design. Australia; 2009. https://doi.org/10.1071/9780643101104

11. Bushira K.M., Gebregiorgis Y.B., Verma R.K., Sheng Z. Cut soil slope stability analysis along National Highway at Wozeka–Gidole Road. Ethiopia Modeling Earth Systems and Environment. 2018;4(2):591–600. https://doi.org/10.1007/s40808-018-0465-6

12. Ярг Л.А., Фоменко И.К., Житинская О.М. Оценка факторов, определяющих оптимизацию углов заложения откосов при длительной эксплуатации карьера (на примере Стойленского железорудного месторождения КМА). Горный журнал. 2018;(11):76–81. https://doi.org/10.17580/gzh.2018.11.14

13. Фоменко И.К., Горобцов Д.Н., Новгородова М.А., Сироткина О.Н. Современные средства оценки устойчивости бортов карьеров и откосов отвалов. В кн.: Зырянов И.В., Бондаренко И.Ф. (ред.) Горнодобывающая промышленность в XX веке: вызовы и реальность: сб. тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. Мирный, 15–16 сентября 2021 г. Мирный: АЛРОСА; 2021. С. 29–32.

14. Макаров А.Б., Ливинский И.С, Спирин В.И., Павлович А.А. Управление устойчивостью бортов карьеров как основа обеспечения ответа на глобальные вызовы. Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2021;(3):188–202. https://doi.org/10.46689/2218-5194-2021-3-1-182-196