INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF TOPOGRAPHY ON THE STABILITY OF PIT WALLS

Пархимчик М.В.

 Аспирант кафедры маркшейдерского дела, Санкт-Петербургский Горный университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИБОРТОВОГО РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТОВ КАРЬЕРОВ

Аннотация

Обеспечение устойчивости бортов карьеров является сложной инженерной задачей, зависящей от многих факторов. Наличие дополнительных, пусть и не значительных, притоков влаги действует на призму скольжения, уменьшая силу трения. В данной работе рассмотрены условия формирования потенциально опасных зон в приконтурном массиве карьера, приведено обоснование необходимости учета рельефа местности при определении мест расположения наблюдательных станций, так как такие зоны аккумулируют в себе влагу и, соответственно, отрицательно воздействуют на устойчивость.

Ключевые слова: Маркшейдерское дело, устойчивость, карьер, рельеф, маркшейдерский контроль, гидрогеология.

Parkhimchik M.V.

Postgraduate student, Department of Mine Surveying, Saint Petersburg Mining University.

INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF TOPOGRAPHY ON THE STABILITY OF PIT WALLS

Abstract

Ensuring the stability of pit is a complex engineering task that depends on many factors. The presence of additional, though not significant, the tributaries of the moisture acts on the prism slide, reducing friction. In this paper, the conditions for the formation of potentially dangerous zones in the marginal array career, the substantiation of the necessity of taking into account of the terrain when determining the locations of observation stations, as these areas accumulate moisture and, accordingly, adversely affect the stability.

Key words: mine surveying, slope stability, quarry, topography, mine monitoring, hydrogeology.

Одной из важнейших проблем при добыче полезных ископаемых открытым способом является обеспечение устойчивости бортов карьеров. Решение этого вопроса базируется, в основном, на существующих общих методах расчёта устойчивого борта и стандартной инструкции по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости.

Расчету устойчивости бортов карьеров уделено большое внимание в работах таких ученых, как Фисенко Г.Л., Мочалов А.М., Мустафин М.Г., Борщ-Компаниец В.И., Пустовойтова Т.К., Певзнер М.Е., Куваев Н.Н., Макаров А.Б., Низаметдинов Ф.К. и других. Разработанные методики позволили повысить как безопасность, так и рациональность ведения горных работ. Тем не менее, методы имеют большой запас устойчивости, что может привести к увеличению объема вскрышных работ и снижению величины извлечения полезных ископаемых.

Благодаря совершенствованию компьютерных технологий и, в частности, программных комплексов, стало возможно рассчитать, как влияет строение прилегающего к борту рельефа на устойчивость массива: получить зависимости распределения напряжений в породах борта и выявить отличия между разными формами рельефа. Таким образом, на сегодняшний день, существуют хорошие условия для решения вопроса устойчивости бортов карьеров с учетом рельефа местности.

Различия в строении месторождений создают многообразие горно-геологических условий, учет которых позволит повысить экономическую эффективность ведения горных работ и безопасность на карьерах как во время их эксплуатации, так и после завершения работ. Накопленный опыт является хорошей базой для дальнейших исследований и совершенствования существующей системы маркшейдерского контроля устойчивости в соответствии с текущей ситуацией в горном деле.

На устойчивость откоса оказывает влияние множество факторов: прочность пород, угол и высота откоса, структурные особенности массива и др. Эти характеристики, в свою очередь, влияют на величины сопротивления сдвигу горных пород в массиве и положение в массиве поверхностей скольжения.

Нарушение устойчивости (сдвижение) бортов карьеров связано с изменением напряженного состояния нетронутого массива в результате проведения открытых горных работ. При этом еще в работах у Г.Л. Фисенко  отмечено, что на прочность пород существенное влияние оказывают условия накопления осадков и процессы последующего их изменения [4, С. 36]. Таким образом, следует ожидать, что наличие зон просачивания в виде углублений в прибортовом рельефе, является существенным фактором воздействия на массив.

Гидрогеологические факторы напрямую зависят от климата и современного рельефа местности. Они оказывают существенное влияние на устойчивость откосов, сложенных несвязными и слабосвязанными осадочными и сильно  выветрелыми скальными породами. [4, С. 43].

Не резко выраженный рельеф, содержащий в себе бессточные впадины, препятствует стоку атмосферных осадков и,  соответственно, способствует увеличению обводненности пород. Кроме того, такое препятствие стоку котлованным микрорельефом способствует заболачиванию территории и образованию поверхностных водоемов [4, С. 44].

Прибортовой рельеф можно классифицировать по форме на три большие группы:

1. плоский,
2. бургистый,
3. котлованный.

При строении приконтурного рельефа 1 и 2 типа, сток дождевых и талых вод осуществляется беспрепятственно. Влага частично фильтруется через массив, в зависимости от типа пород, однако просачивание происходит равномерно по всей площади массива.

Если в прибортовом рельефе присутствуют локальные понижения (3 тип), это приводит к аккумулированию дождевых и талых вод, просачиванию их через зоны повышенной проницаемости (верхние участки плоскости скольжения с высокими растягивающими напряжениями). Влажность существенно изменяет прочностные характеристики массива горных пород, места скопления влаги следует относить к потенциально опасным.

Для решения поставленной задачи хорошо подходит программный комплекс Phase2 [5], основанный на методе конечных элементов, способный рассчитать коэффициент запаса устойчивости откоса с учетом физико-механические свойств горных пород.

Данная задача ставилась уже не раз у разных авторов, занимавшихся решением вопросов устойчивости откосов в годы становления данной области исследований. Стоит отметить, что сложность расчетов и большой объем исходных данных не позволил исследователям решать подобные задачи в прошлом. Поэтому их научный интерес сконцентрировался вокруг разработки методик определения положения поверхности скольжения. Но с развитием технологий и появлением современных программных комплексов эти трудности исчезли.

Использовались упрощенные модели карьеров, сформированные в однородном массиве горных пород (в данном случае сложенными из песка мелкозернистого).

Коэффициент поперечной деформации Пуассона определяется при испытании грунтов методом трехосного сжатия (ГОСТ 12248-96). СНиП 2.02.01-83 рекомендует в случае отсутствия данных лабораторных определений значение коэффициента Пуассона принимать равным для песков и супесей – 0,30.

Механические характеристики приняты по СНиП 2.02.01-83, Приложение Б «Нормативные значения удельного сцепления с_n, кПа, угла внутреннего трения j_n, град., глинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений» (рис. 1).

Рис. 1 – Значения механических характеристик

Высота результирующего уступа принята равной 100 метрам. Максимально допустимый угол для данного типа пород посчитан с помощью программного комплекса Phase2.

Для обеспечения необходимого коэффициента запаса устойчивости для бота сложенного песками тонкозернистыми угол откоса должен составлять 34°, что видно из интерпретации результатов расчета (рис. 2).

Рис. 2 – Интерпретация результатов расчета устойчивости плоского борта

Для составления наглядной картины влияния рельефа прибортовой местности на устойчивость была взята за основу полученная модель устойчивого однородного борта и в нее были добавлены произвольные углубления в зоне предполагаемого влияния призмы скольжения.

Рис. 3 – Интерпретация расчета уступа с локальным понижением 1:2м при фиксированном коэффициенте запаса устойчивости n=1.25

На рисунках 2 и 3 видно, что при одинаковых исходных механических параметрах грунта и разной геометрии борта, для ровного в плане борта условие устойчивости было соблюдено, а для борта с незначительным понижением 1 м глубиной и 2 м шириной видно формирование плоскости скольжения.

 Дальнейшие исследование показывают, что выявленная тенденция сохраняется при варьировании ширины и глубины «ямы». Тем не менее, степень влияния разных форм локальных понижений рельефа, их геометрических параметров и пространственного расположения может оказывать разное влияние на различные литологические разности.

Изучив существующие схемы позиционирования наблюдательных станций и факторы, влияющие на устойчивость, можно сделать вывод, что до сих пор недостаточное внимание уделено форме приконтурного рельефа и наличия зон увлажнения.

Необходимо дополнительно рассмотреть данные участки, как  потенциальные накопители влаги и провести следующий этап моделирования.

Автором работы предполагается также построить зависимости изменения коэффициента устойчивости борта в зависимости от увлажненных зон. Разработать методику прогноза потенциально опасных зон в прибортовом массиве карьера.

Список литературы / References

1. Гусев В. Н. Сдвижения и деформации горных пород: Учеб. пособие. / В. Н. Гусев, Е. М. Волохов // Санкт-Петербургский государственный институт (технический  университет). – 2-е изд., исправленное. – СПб.:  СПГГИ, – С. 64-80.
2. Мустафин М. Г. Геомеханическое обеспечение маркшейдерского контроля сдвижения пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых / М. Г. Мустафин, Т. К Пустовойтова, А. Н. Гурин и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: МГГУ, 2006. – № 6. – С. 45 – 48.
3. Панченко А. В. Моделирование деформаций борта карьера с разными свойствами горных пород и геометрией в плане / А. В. Панченко // Наука и Мир. – 2014. – № 4 (8). – С. 160-162.
4. Фисенко Г. Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов / Г. Л. Фисенко – М.: Недра, 1965. – С. 40-47.
5. Phase2 Finite Element Analysis for Excavations and Slopes. Support [Электронный ресурс] / Rocscience inc. - Ресурс доступа: http://www.rocscience.com/products/3/support.pdf

Список литературы на английском языке / References in English

1. Gusev V. N. Sdvizhenija i deformacii gornyh porod: Uchebnoe posobie [Displacement and deformation of rocks: textbook] / V. N. Gusev, E. M. Volohov // Sankt-Peterburgskij gosudarstvennyj institut  (tehnicheskij  universitet) [Saint Petersburg state institute (technical university)]. – 2nd ed. fixed. – SPb.:  SPGGI, 2008. – P. 64-80. [In Russian]
2. Mustafin M. G. Geomehanicheskoe obespechenie markshejderskogo kontrolja sdvizhenija porod pri otkrytoj razrabotke mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh [Geomechanical surveying of the control of the displacement of rocks in surface mining of mineral deposits ] / M.G. Mustafin, T. K Pustovojtova, A. N. Gurin and others // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' [Mining information-analytical bulletin]. – M.: MGGU, 2006. – № 6. – P. 45 – 48. [In Russian]
3. Panchenko A. V. [Modeling of the deformation of the side of the pit with different rock properties and geometry in terms] / A. V. Panchenko // Nauka i Mir [Science and the World]. – 2014. – № 4 (8). – 160-162. [In Russian]
4. Fisenko G. L. Ustojchivost' bortov kar'erov i otvalov [Stability of pit walls and dumps] / G. L. Fisenko – M.: Nedra, 1965. – P. 378-382. [In Russian]
5. Phase 2 finite element analysis for excavations and slopes. Support [Electronic resource] / Rocscience Inc. Resource access: http://www.rocscience.com/products/3/support.pdf