Прогнозирование деформационных процессов на глубоких карьерах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Днепропетровский национальный университет

Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины

Прогнозирование деформационных процессов на глубоких карьерах

С.З. Полищук, В.В. Голуб,

К.В. Панин, О.Н. Мальгин,

П.А. Шеметов, П.В. Кольцов

Аннотация

Проведены анализ, систематизация и обобщение методов прогноза деформационных процессов на глубоких карьерах. Предложена новая методика прогнозирования деформаций бортов и отвалов.

Анотація

Проведено аналіз, систематизацію та узагальнення методів прогнозу деформаційних процесів на глибоких кар'єрах. Запропоновано нову методику прогнозування деформацій бортів та відвалів.

Annotation

The analysis, ordering and generalization of methods of the forecast of deformation processes on deep open casts was carried out. The new technique of forecasting of deformations of boards and dumps is offered.

Современный уровень развития технологии горных работ характеризуется освоением месторождений со сложными горно-геологическими условиями, интенсификацией горных работ, значительным увеличением параметров карьеров. При этом возрастает риск развития деформаций приконтурного массива горных пород из-за неблагоприятных горно-геологических и инженерно-геологических условий, изменения напряженно-деформированного состояния горного массива и воздействия сейсмических волн природного и техногенного происхождения.

В настоящее время при проектировании и строительстве карьеров применяются упрощенные методики расчета параметров бортов. Такой подход приемлем для небольших глубин разработки, поскольку экономический ущерб от неточного определения границ и формы выработанного пространства невелик. Глубокие и сверхглубокие карьеры представляют собой инженерные сооружения, со своими во многом уникальными особенностями. Недостаточный учет этих особенностей может приводить к нежелательным экономическим последствиям. Этим и объясняется необходимость разработки методик для прогнозирования оползневых процессов бортов и отвалов, которые учитывали бы как общие черты глубоких карьеров, так и допускали бы модификацию с целью привязки к особенностям конкретного карьера.

Постановка проблемы. Анализ, систематизация и обобщение существующих на сегодняшний день методик [1-12] позволил сформулировать проблему прогнозирования деформационных процессов на глубоких карьерах в виде структурно-логических схем. Такая наглядность позволила среди многообразия методов решения указанной проблемы обнаружить единство различных методов и на этой основе создать новую методику, обладающую как общими с другими чертами, так и имеющую особенности, связанную с условиями конкретного карьера.

Общая структурная схема исследований по данному направлению представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема исследований проблемы прогнозирования оползнеопасных процессов

Реализуемые методики прогнозирования оползнеопасных процессов следует различать по цели (рисунок 2а), задачам (рисунок 2б), предмету прогноза (рисунок 2в). Их конкретное определение, в свою очередь, предопределяет способы реализации прогноза (рисунок 3).

Рисунок 2. Детализация структурных блоков прогноза

Рисунок 3. Способы реализации прогноза процесса оползнеобразования

Вопрос разработки новой методики прогнозирования оползнеопасных процессов неразрывно связан с вопросом научно-техническое обеспечения. Ключевым здесь является понимание первопричин и механизма развития деформационных процессов (рисунок 4).

Рисунок 4. Научно-техническое обеспечение прогноза

С использованием оригинальной численно-аналитической модели [13] такая методика прогнозирования деформаций бортов и отвалов, отличающаяся новизной в понимании механизма оползнеобразования была разработана.

Методика предусматривает использование комплексного подхода, основанного на инженерных методах механики горных пород и численных методах механики сплошной среды и основана на следующих положениях:

1) для предсказания времени и места проявления оползневых процессов используется модель, основанная на использовании временных рядов; деформация борт отвал карьер

2) формирование оползневого тела возможно, начиная с глубины H₉₀ и ниже;

3) сформировавшаяся поверхность сдвижения имеет переменную кривизну - в верхней вогнутую часть и выпуклую в нижней;

Сущность предлагаемой методики состоит в следующем: теоретически и экспериментально обосновано, что в приоткосной области массива грунта и горных пород при переходе от квазиустойчивого состояния к разрушению возникает в основании вертикальной трещины массива поверхность сдвижения переменной кривизны с вогнутой верхней и выпуклой нижней частью, обусловленная сцеплением, углом внутреннего трения и плотностью пород.

Гибкость этой методики позволила адаптировать ее для условий карьера Мурунтау, который является одним из наиболее крупных промышленных объектов Кызылкумского региона Республики Узбекистан.

На предварительном этапе адаптации методики был проделан необходимый комплекс исследований, который включал в себя:

- проведение режимных наблюдений за динамикой геологических и инженерно-геологических процессов;

- обработку и хранение постоянно обновляющейся информации.

Для этих целей проводился непрерывный мониторинг смещений и деформаций участков борта карьера, который включал в себя длительное инструментальное наблюдение за изменением пространственных координат реперов наблюдательных станций. В отличие от существующих на сегодняшний день видов мониторинга, когда производятся моментные измерения величин смещений и деформаций с периодичностью от одного до нескольких раз в год, непрерывный мониторинг позволил детально изучить кратковременные процессы, проистекающие в верхней части прибортового массива.

Для непрерывного мониторинга смещений и деформаций земной поверхности было решено использовать комплекс спутниковой геодезии GPS, так как он обладает рядом преимуществ перед традиционными геодезическими методами. Во-первых, геодезические наблюдения с применением GPS оборудования можно было проводить в любое время суток, при любой погоде и при отсутствии прямой видимости между реперами. Во-вторых, мониторинг смещений и деформаций возможно было производить практически без непосредственного присутствия оператора, управляя приборами либо по кабельной связи, либо по радиоканалу, либо заранее задавая необходимые параметры для работы оборудования в автоматическом режиме. В-третьих, в результате мониторинга в заранее заданный момент времени одновременно определялись все три координаты точки стояния прибора. При этом образовывались жесткие пространственные геометрические связи с другими реперами мониторинговой GPS сети, на которых в данный момент времени производились измерения.

Опыт проведения непрерывного мониторинга показал, что для него наиболее целесообразно использовать GPS приемники геодезического класса, с помощью которых, при соблюдении определенных условий, можно достичь миллиметровой точности определения координат реперов наблюдательной станции.

Практика ведения горных работ на карьере Мурунтау свидетельствует о том, что одной из главных причин деформаций приконтурного массива является сейсмическое действие естественных и техногенных (взрывных) землетрясений. В [12] указано на взаимосвязь деформаций бортов и отвалов карьера Мурунтау, приведенную к дням произведенных взрывов за период 1984-97 гг., которая характеризуется следующим образом: в день взрыва - 23%, спустя 24 часа после взрыва - 11%, спустя 48 часов после взрыва - 44%, спустя 72 часа после взрыва - 22%. Таким образом, в 77% случаев возникновение бортов и отвалов карьера следует ожидать в среднем через 38-40 часов после проведения массовых взрывов. Это позволяет считать естественные и техногенные землетрясения “спусковым механизмом” начала оползневых процессов на данном карьере.

При сильных сейсмических воздействиях в прибортовом массиве карьера Мурунтау развиваются инерционные силы, величина которых может оказаться критической и вызвать оползень. Учет таких сейсмических сил при оценке устойчивости борта карьера потребовал модификации описанного выше подхода, что позволило оценивать устойчивость, как всего борта, так и отдельных его участков.

Выводы

Развитие исследований по данному направлению, в перспективе, может дать основу для создания в дальнейшем математических и вычислительных моделей поведения бортов глубоких карьеров, опирающихся на экспериментальные данные, что позволит более достоверно предвидеть развитие деформационных процессов. Это, в свою очередь, даст возможность повысить уровень безопасности ведения открытых горных работ и разработать мероприятия по предотвращению и борьбе с нежелательными деформационными процессами.

Перечень ссылок

1. Емельянова Е.П. Основные закономерности оползневых процессов. - М., Недра, 1972. - 326с.

2. Кюнтцель В.В. Закономерности оползневого процесса на европейской территории СССР. - М.: Недра, 1980. - 211 с.

3. Рекомендации по количественной оценке устойчивости оползневых склонов. - М., 1984. - 231с.

4. Рекомендации по инженерно-геологической типизации оползневых склонов применительно к задачам оценки устойчивости и инженерной защиты. - М., Стройиздат, 1984. - 127с.

5. Каган А.А. Инженерно-геологическое прогнозирование. - М., 1984.- 258с.

6. Емельянова Е.П. Сравнительный метод оценки устойчивости склонов и прогноза оползней. - М., Недра, 1972. -311с.

7. Гулакян К.А., Кюнтцель В.В., Постоев Г.П. Прогнозирование оползневых процессов. - М., Недра, 1977. -276с.

8. Смирнов Б.В. Вероятностные методы прогнозирования в инженерной геологии. - М., 1983. -343с.

9. Розовский Л.Б. и др. Инженерно-геологические прогнозы и моделирование. - К., Одесса, 1987. - 249с.

10. Современные методы прогноза оползневого процесса. - М., Наука, 1981. -456с.

11. Прогноз устойчивости и оптимизация параметров бортов глубоких карьеров / Под общ. ред. С.З Полищука.-Днепропетровск: Полиграфист, 2001.-371с.

12. Быковцев А.С., Прохоренко Г.А., Сытенков В.Н. Моделирование геодинамических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых. Ташкент: Фан, 2000, - 271 с.

13. Полищук С.З. Методы теории управления состоянием массивов горных пород в задачах природно-техногенной безопастности// Екологія і природокористування, Випуск 5, - Дніпропетровськ, 2003, - С.221-230.

Размещено на Allbest.ru