авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 ||

Исследование напряженно-деформированного состояния пород в бортах глубокого карьера при действии тектонических напряжений (на примере карьера ковдорского гока)

-- [ Страница 2 ] --

где Е – модуль упругости, МПа; v – коэффициент поперечных деформаций; – объемный вес, г/см3; – угол внутреннего трения, град.; K – удельное сцепление в массиве, МПа; сж – предел прочности на сжатие, МПа; р – предел прочности на растяжение, МПа.

Граничные условия при моделировании задавались в соответствии с измеренными в массиве Ковдорского карьера напряжениями. Измерения напряжений были проведены сотрудниками лаборатории геомеханики Горного института КНЦ РАН методом разгрузки в варианте торцевых измерений. Сравнение измеренных величин напряжений с расчетными величинами напряжений исходя только из собственного веса пород показывает, что действующие значения максимальных компонент главных напряжений на всех станциях превышают максимальные расчетные напряжения от собственного веса вышележащих пород. При этом в большинстве случаев отношение max / верт > 2 (где max – максимальная компонента главных нормальных напряжений, верт – расчетная максимальная компонента главных нормальных напряжений исходя только из собственного веса пород). Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о соответствии напряженного состояния массива пород исследованного месторождения гравитационно-тектоническому типу.

С использованием разработанной модели рассчитывалось несколько вариантов задачи распределения параметров НДС в массиве, которые можно разделить на две группы по граничным условиям: чисто гравитационное напряженное состояние (1 = Н, 2 = 3 = Н, где , Н и - соответственно объемный вес, глубина и коэффициент бокового распора), и гравитационно-тектоническое напряженное состояние. Причем варианты с учетом тектонических сил были просчитаны как при условии действия их максимальной составляющей по короткой оси карьерной выемки (совпадающей с направлением оси Y модели), так и по ее длинной оси (совпадающей с направлением оси X модели). Схемы задания граничных условий представлены на рис. 2.

В вариантах с учетом действия тектонических сил заданная максимальная горизонтальная пригрузка составила на уровне дневной поверхности 1 МПа, а на уровне дна модели – 65 МПа. Коэффициент бокового отпора с учетом действия тектонической нагрузки Кб=0.5.

При задании боковой пригрузки до глубины H = 400 м была использована линейная зависимость максимальной компоненты напряжений от глубины. Далее, учитывая общие закономерности распределения тектонических напряжений с глубиной на основе ранее проведенных исследований (в частности работы Маркова Г.А., Козырева А.А. и др.), предположили, что на глубинах более 400 м зависимость max = f (Н) будет нелинейной. При этом рост напряжений с глубиной будет затухать. Распределение боковой пригрузки по высотным отметкам модели показано на рис. 3.

Основные результаты диссертационной работы отражены в научных положениях, выносимых на защиту.

1. Процессы техногенного трещинообразования и динамических проявлений горного давления в бортах карьера определяются его положением относительно направления максимального сжатия. Бльшая устойчивость прибортового массива обеспечивается в случае расположения вытянутого в плане карьера (D/d > 1, где D и d бльший и меньший линейный размер карьера в плане) в направлении максимального сжатия.

Расчеты НДС массива проводились для карьера с фактической глубиной выемки на 2008 год (H = 340 м) и для карьера с проектной глубиной выемки (H = 1000 м).

При анализе результатов расчетов НДС массива пород в окрестности карьерной выемки глубиной 340 м были сделаны следующие выводы.

  1. При любых типах нагружения в бортах карьера вероятность проявлений горного давления в динамической форме мала, так как во всех случаях max много меньше сж.
  2. При действии в массиве только гравитационных сил в бортах карьера возможны нарушения устойчивости вследствие наличия в бортах зон растяжения. В данном случае нарушения устойчивости возможны за счет раскрытия имеющихся в массиве трещин в условиях действия малых сжимающих напряжений max.
  3. При действии в массиве тектонических сил FТ, направленных по длинной оси карьера, зоны растяжений в бортах отсутствуют, из чего можно сделать вывод о том, что в данном случае борта карьера будут устойчивы.
  4. При действии в массиве тектонических сил FТ, направленных по короткой оси карьера, в длинном борту образуется небольшая зона растяжений со значениями растягивающих напряжений до 1 МПа, однако в данном случае нарушение устойчивости участка борта карьера маловероятно за счет действия в массиве другой компоненты высоких сжимающих напряжений max.

При анализе результатов расчетов НДС массива пород в окрестности карьерной выемки глубиной 1000 м были сделаны следующие выводы.

  1. При действии в массиве только гравитационных сил в бортах карьера возможны нарушения устойчивости вследствие наличия в бортах зон растяжения. В данном случае нарушения устойчивости возможны за счет раскрытия имеющихся в массиве трещин, которые раскрываются в условиях малых сжимающих напряжений max.
  2. Борта глубокого карьера будут наиболее устойчивыми при действии тектонических сил по его длинной оси. В данном случае значения сжимающих напряжений max много меньше предела прочности на сжатие, что предотвращает возможность динамических проявлений горного давления, и при этом они являются достаточно высокими, чтобы предотвратить раскрытие естественных трещин в зонах растяжений.
  3. Борта глубокого карьера будут наименее устойчивыми при действии тектонических сил по его короткой оси. В данном случае в коротких бортах возможны динамические проявления горного давления вследствие весьма высоких значений сжимающих напряжений max, приближающихся к пределу прочности пород на сжатие, а в длинных бортах возможно формирование и раскрытие трещин в зонах растяжений в условиях действия невысоких сжимающих напряжений.
  4. В глубоком вытянутом в плане карьере зоны растяжений возникают в его длинных бортах при действии тектонических сил как по длинной, так и по короткой оси карьера.

Таким образом, анализ результатов расчетов позволил выявить в бортах глубокого карьера наиболее опасные зоны в зависимости от направления действия в массиве максимальных сжимающих напряжений (рис. 4).

Рис. 4. Расположение характерных областей проявлений горного давления в бортах карьера в зависимости от направления max

При этом следует заметить, что существует предположение, подкрепляемое результатами исследований искривления стволов длинных геологоразведочных скважин, о действии тектонических сил в массиве пород Ковдорского месторождения в направлении по длинной оси карьера. Таким образом, борта Ковдорского карьера находятся в наиболее выгодном положении с точки зрения обеспечения их устойчивости.

2. В карьерной выемке при действии тектонических сил по ее длинной оси вертикальные уступы в целом будут устойчивы. Формирование трещин скола возможно в краевой части уступа на коротком борту карьера при многократном снижении прочностных характеристик массива. В уступах длинного борта могут образовываться техногенные трещины в центральной их части, однако раскрытие этих трещин маловероятно вследствие действия в массиве сжимающих напряжений, препятствующих их раскрытию.

С целью уточненного расчета НДС участков борта карьера, а также для исследования механизма формирования трещин отрыва в отдельных уступах были сформированы локальные конечноэлементные модели участков борта карьера с вертикальными уступами. Моделируемые участки расположены в коротком и длинном бортах карьера на глубине 520 м от дневной поверхности, их протяженность составляет 186 м.

Анализ результатов численного моделирования НДС в локальных моделях при гравитационно-тектоническом типе нагружения показал, что вертикальные уступы в целом будут устойчивы. При этом установлено, что растягивающие напряжения в уступах борта не превышают 1,5 МПа, что в несколько раз ниже предела прочности пород на растяжение. Уступы находятся под действием умеренных сжимающих напряжений max=3550МПа.

В уступах на участке короткого борта возможны локальные разрушения в краевой части бермы при многократном снижении прочностных характеристик пород вследствие воздействия взрывов и процессов выветривания, так как направление площадок растягивающих деформаций в этой зоне неблагоприятно (рис. 5 а).

В уступах на участке длинного борта вероятность разрушения краевой части бермы ниже. Большая по площади зона растяжений min расположена в центральной части уступа (рис. 5 б), где уровень сжимающих напряжений около 45 МПа, поэтому формирование техногенных трещин и их раскрытие маловероятно. Однако площадки деформаций растяжения как бы подсекают массив уступа, поэтому при наличии ослабленных или разломных зон, подсекающих уступ, опасность разрушения увеличивается.

Рис. 5. Распределение min в вертикальном уступе: а – по короткому борту; б – по длинному борту (белыми линиями показано направление возможных трещин отрыва)

С целью оценки адекватности полученных результатов было проведено сопоставление с данными визуального обследования берм и откосов уступов, проведенного сотрудниками Службы мониторинга устойчивости уступов ОАО «Ковдорский ГОК». По результатам визуального обследования в бортах карьера было выявлено пять характерных зон разрушения, приуроченных к разломным структурам I-го порядка.

Результаты расчета НДС массива показали, что во всех пяти зонах разрушений возникают области растягивающих напряжений с направлениями возможных трещин отрыва, подсекающих уступы карьера. К примеру, на рисунке 6 показано распределение напряжений min для участка восточного борта карьера, подсеченного разломом R2.

Также в зонах разрушений были оценены величины максимальных касательных напряжений max и рассчитан коэффициент запаса устойчивости n по формуле:

, (1)

где – угол внутреннего трения, град.; K – удельное сцепление в массиве.

Рис. 6. Распределение min в восточном борту карьера по Р -700 (черными штрихами показаны направления возможных трещин отрыва)

Результаты расчетов коэффициента запаса устойчивости показали, что во всех пяти зонах разрушений n1.

Таким образом, результаты расчетов НДС показали, что в выявленных в результате визуального обследования зонах разрушений действуют как высокие растягивающие напряжения, так и высокие касательные напряжения, что и стало причиной обрушений на данных участках.

Кроме того, было проведено сопоставление результатов расчетов с данными микросейсмического мониторинга, проведенного сотрудниками Горного института КНЦ РАН. В результате проведенных исследований в карьере были выявлены две зоны сейсмоактивности. Одна из них располагается под дном карьера и приурочена к зоне ведения горных работ, а вторая расположена в юго-восточном борту карьера и приурочена к ослабленной зоне.

Результаты расчетов НДС массива показали, что в районе ослабленной зоны действуют высокие растягивающие напряжения, которые способствуют формированию трещин отрыва на данном участке, что и было зафиксировано сейсмодатчиками.

Таким образом, результаты расчетов НДС массива пород в окрестности карьера Ковдорского ГОКа подтверждаются данными визуального обследования и микросейсмического мониторинга.

3. Методика прогноза устойчивости участков борта глубокого карьера, позволяющая проводить комплексную оценку влияния главных нормальных и максимальных касательных напряжений на устойчивость прибортового массива и отличающаяся учетом действующих в массиве избыточных тектонических напряжений.

По результатам проведенных исследований была разработана методика прогноза устойчивости участков бортов глубокого карьера (рис. 7). Суть разработанной методики заключается в следующем:

  1. С помощью численного моделирования проводятся расчеты НДС массива пород в окрестности глубокой карьерной выемки с учетом основных геологических и горнотехнических факторов.
  2. В рассчитанных вариантах рассматривается распределение векторов максимальной компоненты напряжений max. Высокие значения max в массиве могут привести к динамическим проявлениям горного давления. Таким образом, при |max| |0.5сж| велика вероятность разрушения участков борта карьера в динамической форме.
  3. Если |max| < |0.5сж|, то вероятность динамических проявлений горного давления в массиве невысока, однако остается угроза обрушения участков борта в результате действия напряжений сдвига, а также образования и раскрытия трещин отрыва. Поэтому следующим шагом в методике является проверка условия n<1.2, где n – коэффициент запаса устойчивости, рассчитанный для напряжений max. Если данное условие выполняется, то можно полагать, что велика вероятность обрушения участка борта карьера.
  4. Если n1.2, то на следующем этапе рассматривается распределение минимальной компоненты напряжений min. Если в массиве не возникает растягивающих напряжений, то есть min являются сжимающими, то можно полагать, что борт карьера на данном участке сохранит свою устойчивость.
  5. Если напряжения min являются растягивающими, то следующим этапом при прогнозе устойчивости участков борта карьера является оценка направления возможных трещин отрыва (так называемых площадок min). Площадки min располагаются в плоскости, перпендикулярной векторам действия напряжений min. Если площадки min не подсекают борт карьера, то можно полагать, что данный борт сохранит устойчивость, так как даже если в массиве образуются трещины отрыва, обрушения по ним не произойдет.
  6. Наиболее опасной для бортов карьера является ситуация, когда площадки растягивающих напряжений min подсекают борт. В этом случае необходимо рассматривать значения напряжений min и сравнивать их с пределом прочности массива на растяжение р. Если |min| |kр|, то велика вероятность обрушения участка борта. Здесь k – коэффициент, характеризующий степень трещиноватости массива. Чем более трещиноват массив, тем меньшее значение принимает k. Данный коэффициент необходимо определять эмпирически для различных участков массива.

 Блок-схема методики прогноза устойчивости участков бортов глубокого карьера -7

Рис. 7. Блок-схема методики прогноза устойчивости участков бортов глубокого карьера

Таким образом, разработанная методика позволяет делать предварительный прогноз устойчивости участков бортов глубокого карьера. Основным достоинством данной методики является то, что с ее помощью можно достаточно быстро выявить наиболее опасные участки борта карьера. Данная методика должна применяться в комплексе с другими методами исследования устойчивости массива пород (в первую очередь, натурными методами), что увеличит точность прогноза.

В качестве основного практического результата данной работы была проведена оценка влияния глубокой карьерной выемки и разломных структур на сохранение устойчивости массива пород в окрестности промплощадки Ковдорского карьера. Промплощадка с основными зданиями и сооружениями расположена в непосредственной близости от восточного борта Ковдорского карьера. В ходе проектирования глубокого карьера перед руководством предприятия встал вопрос о сохранения устойчивости промплощадки, даже рассматривались варианты о переносе промплощадки в сторону от карьера.

Результаты расчета НДС массива глубокого карьера в районе промплощадки показали, что растяжениям подвержены лишь локальные участки в борту карьера, которые не распространяются вглубь массива. Значения min не превышают 1 МПа. В районе расположения наземных объектов на востоке от карьера при выемке запасов открытым способом, изменения абсолютных величин напряжений не превышают 5%; зоны растяжений в приповерхностном слое по данным модельных расчетов приурочены непосредственно к границе карьерной выемки (рис. 8).

Как показано выше, на устойчивость восточного борта карьера оказывает существенное влияние разлом R2. Однако данный разлом не выходит за пределы борта карьера, а зона его влияния распространяется на расстояние не более 25 м и не захватывает границы промплощадки.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что при существующих знаниях о строении массива Ковдорского карьера можно полагать, что глубокая карьерная выемка глубиной 1000 м не окажет существенного влияния на устойчивость пород в районе промплощадки карьера.

 Распределение напряжений min в восточном борту карьера: а – в плане на уровне-8

Рис. 8. Распределение напряжений min в восточном борту карьера: а – в плане на уровне дневной поверхности; б – в вертикальном сечении по Р-300

Заключение

В диссертационной работе решена актуальная научная задача, связанная с исследованием напряженно-деформированного состояния тектонически напряженного массива пород для прогноза устойчивости участков бортов глубокого карьера (на примере карьера ОАО «Ковдорский ГОК»). Определены участки бортов карьера, где наиболее вероятны динамические проявления горного давления, формирование и раскрытие трещин отрыва, а также разрушения, вызванные напряжениями сдвига.

Основные научные выводы и практические результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

  1. Установлено, что в тектонически напряженном массиве пород борта карьера с увеличением глубины отработки пересекают несколько зон с различным соотношением гравитационных и тектонических сил.
  2. На основе численного моделирования напряженно-деформированного состояния массива пород установлено, что процессы техногенного трещинообразования и динамических проявлений горного давления в бортах карьера определяются его положением относительно направления максимального сжатия. Бльшая устойчивость прибортового массива обеспечивается в случае расположения вытянутого в плане карьера (D/d > 1, где D и d – бльший и меньший линейный размер карьера в плане) в направлении максимального сжатия.
  3. Установлено, что в карьерной выемке при действии тектонических сил по ее длинной оси вертикальные уступы в целом будут устойчивы. Формирование трещин скола возможно в краевой части уступа на коротком борту карьера при многократном снижении прочностных характеристик массива. В уступах длинного борта могут образовываться техногенные трещины в центральной их части, однако раскрытие этих трещин маловероятно вследствие действия в массиве сжимающих напряжений, препятствующих их раскрытию.
  4. Определены потенциально неустойчивые зоны в бортах карьера «Ковдорский ГОК», подверженные разрушениям, как вследствие действия высоких растягивающих напряжений, так и вследствие действия высоких касательных напряжений.
  5. Результаты численного моделирования напряжен

    Pages:     | 1 ||
     





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.