Рыбин Вадим Вячеславович. Развитие теории геомеханического обоснования рациональных конструкций бортов карьеров в скальных тектонически напряженных породах

brief description

Рыбин Вадим Вячеславович. Развитие теории геомеханического обоснования рациональных конструкций бортов карьеров в скальных тектонически напряженных породах: диссертация ... доктора Технических наук: 25.00.20 / Рыбин Вадим Вячеславович;[Место защиты: Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук], 2016.- 385 с.

Федеральное агентство научных организаций (ФАНО России)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук
На правах рукописи Рыбин Вадим Вячеславович
РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ БОРТОВ КАРЬЕРОВ В СКАЛЬНЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННЫХ ПОРОДАХ
Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород,
рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук
Научный консультант: Заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор А.А. Козырев
АПАТИТЫ - 2016
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ 16
1.1. Актуальность проблемы управления устойчивостью скальных тектонически напряженных массивов пород при ведении горных работ открытым способом 16
1.2 Обзор существующих методов оценки устойчивости бортов карьеров 21
1.2.1 Методы оценки устойчивости бортов карьеров в массивах сыпучих, несвязных и слабосвязных горных пород 22
1.2.2 Методы оценки устойчивости скальных откосов, основанные
на анализе структурной нарушенности массива 30
1.2.3 Методы оценки устойчивости бортов карьеров, учитывающие напряженно-деформированное состояние массива пород. Прочие методы оценки устойчивости бортов карьеров в скальных породах,
в том числе выполняемые зарубежными исследователями 34
1.2.4 Анализ существующих методов оценки устойчивости бортов карьеров 44
1.3 Горно-геологические, геомеханические и горнотехнические
условия отработки исследуемых месторождений 48
1.3.1. Ковдорское месторождение комплексных железных руд 48
1.3.2 Хибинские апатитовые месторождения 79
1.3.3. Общие черты геомеханического состояния Ковдорского комплексного, Хибинских апатитовых месторождений 100
1.4 Обоснование цели и задач исследований 101 ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВ КАРЬЕРОВ В СКАЛЬНЫХ ПОРОДАХ 104
2.1. Предпосылки формирования концепции геомеханического обоснования параметров бортов карьеров в скальных породах 104
2.2. Критерии отнесения породных массивов к категории скальных. Физические свойства руд и вмещающих пород 107
2.3. Представление скальных массивов как иерархично-блочных сред 111
2.4. Поле напряжений иерархично-блочных массивов скальных пород 117
2.5. Основные положения концепции геомеханического обоснования параметров бортов карьеров в скальных тектонически напряжённых породах 118
2.6. Методический подход к выполнению исследований по геомеханическому обоснованию устойчивых параметров бортов и уступов карьеров в массивах скальных тектонически напряженных
пород 122
2.7. Подход к количественной оценке риска потери устойчивости карьерными уступами 125
2.8. Оценка возможных углов наклона бортов карьеров на ранних стадиях освоения месторождений полезных ископаемых 128
2.8.1. Модернизированная рейтинговая геомеханическая классификация массивов пород для обоснования конструктивных параметров карьера 129
Выводы по главе 2 138
ГЛАВА 3. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ПОРОД В РАЙОНАХ КАРЬЕРНЫХ ВЫЕМОК 140
3.1. Методы определения параметров действующих напряжений в породном массиве 140
3.2. Методы определения параметров нарушенной зоны в породном массиве 144
3.3. Результаты натурных исследований напряжённо- деформированного состояния массива пород в карьере рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК», карьере Центрального рудника и Ньоркпахкском карьере Восточного рудника ОАО
«Апатит» 149
3.3.1. Результаты натурных исследований напряжённо- деформированного состояния массива пород в карьере рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» 149
3.3.2. Результаты натурных исследований напряжённо- деформированного состояния массива пород в карьере Центрального рудника и Ньоркпахкском карьере Восточного
рудника ОАО «Апатит» 160
3.4. Определение мощности нарушенной зоны 164
3.4.1. Определение мощности нарушенной зоны в карьере рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» 165
3.4.2. Определение мощности нарушенной зоны в карьере Центрального рудника и Ньоркпахкском участке Восточного
рудника ОАО «Апатит» 177
Выводы по главе 3 183
ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ 186
4.1. Выделение потенциально неустойчивого блока в скальном
массиве 186
4.2. Граничные условия по напряжённому состоянию 191
4.3. Расчёт устойчивости карьерного откоса 192
4.4. Исследование напряжённо-деформированного состояния массива пород методом математического моделирования 206
4.4.1. Исследование напряжённо-деформированного состояния массива пород рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» методом математического моделирования 206
4.4.2. Исследование напряжённо-деформированного состояния массива пород Центрального рудника ОАО «Апатит» методом математического моделирования 223
4.5. Возможность динамических проявлений горного давления в карьерах 257
4.6. Развитие комплексной методики прогноза устойчивости участков борта глубокого карьера 265 Выводы по главе 4 268 ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОБОСНОВАНИЮ РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ БОРТОВ КАРЬЕРОВ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ГЕОМЕХАНИКИ 272
5.1. Разработка регламента на перепроектирование конечного контура карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» 272
5.2. Разработка регламента на перепроектирование конечного контура карьера Центрального рудника ОАО «Апатит» 288
5.3. Разработка регламента на проектирование опытно - промышленного участка карьера рудника «Олений ручей» АО «Северо-западная фосфорная компания» 304
5.4. Мониторинг состояния массива пород при постановке бортов карьеров на конечный контур 308
5.4.1. Разработка комплексной системы мониторинга объектов горного производства 308
5.4.2. Система контроля геомеханического состояния массива
пород уступов карьера ОАО «Ковдорский ГОК» 315
5.4.3. Результаты применения комплексной системы мониторинга геомеханического состояния массива пород 323
5.4.4. Развитие комплексной системы мониторинга геомеханического состояния массива пород 331
Выводы по главе 5 342
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 345
ЛИТЕРАТУРА 349
ПРИЛОЖЕНИЕ А 378

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе решена актуальная научная и народно-хозяйственная задача развития методики геомеханического обоснования рациональных конструкций бортов карьеров в массивах скальных тектони-чески напряженных пород. На основе предложенной методики геомехани-ческого обоснования, показана возможность формирования конечного кон¬тура карьера рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК» и карьера Цен¬трального рудников АО «Апатит» с использованием высоких вертикальных уступов и генеральными углами наклона бортов карьеров 45-60° в зависи¬мости от конкретных условий. Внедрение разработанной усовершенство¬ванной методики геомеханического обоснования устойчивости бортов и уступов карьеров в массивах скальных тектонически напряженных пород позволило значительно улучшить технико-экономические показатели дей¬ствующих карьеров при соблюдении необходимого уровня безопасности и продлить срок их эксплуатации.
Основные научные и практические выводы, сделанные в результате за-вершённых научных исследований, заключаются в следующем:
1. Изучены на основе аналитических и инструментальных исследова¬ний основные факторы, влияющие на устойчивость постоянных бортов ка¬рьеров и отдельных уступов в массивах скальных тектонически напряжён¬ных пород. Установлено, что в скальных иерархично-блочных массивах устойчивость бортов карьеров определяется, прежде всего, НДС нетронуто¬го массива пород, формой карьера, параметрами структурной нарушенно- сти, влияющими на изменение НДС в непосредственной близости карьер¬ных выемок.
2. Исследовано геомеханическое состояние массивов скальных пород в целом и приконтурного массива в бортах карьера в частности. Установлено, что напряжённое состояние массива пород исследованных месторождений в окрестности крупных карьерных выемок относится к гравитационно- тектоническому типу с превышением в 2-3 раза горизонтальными напряже-ниями вертикальных.
3. Показано, что применительно к исследованным месторождениям в первом приближении зависимость между максимальной компонентой глав¬ных напряжений (атах, МПа) и глубиной измерений (Н, м) можно предста¬вить в виде:
атах - К х Н, при 50 м < Н < 500 м (К ~ 0,10-0,25 МПа/ м).
4. Разработана методология учёта напряжённо-деформированного со-стояния, иерархично-блочного строения массива пород, его физических свойств при обосновании устойчивых параметров бортов и уступов карье¬ров, состоящая в последовательной разработке инженерно-геологической, геомеханической моделей месторождения, расчётных моделей элементов карьерных выемок, позволяющих обосновывать их рациональные парамет¬ры. Предложенная методология в достаточной степени соответствует осо-бенностям скальных высокопрочных тектонически напряжённых массивов и может быть применена в соответствующих условиях на предприятиях, ве-дущих горные работы открытым способом.
5. Показано, что действие в массиве пород повышенных горизонталь¬ных напряжений неоднозначно влияет на устойчивость бортов и уступов карьеров. С одной стороны создаётся дополнительная нагрузка, нормальная граням структурных блоков, перпендикулярных контуру карьера, что уве¬личивает силу трения по контактам блоков пород и как следствие, повыша¬ется устойчивость, как отдельных уступов, так и борта карьера в целом. С другой стороны, учитывая прогнозируемый уровень действующих напря¬жений на уровне дна карьера, сравнимый с прочностью на одноосное сжа¬тие пород, слагающих его борт, становится вероятным разрушение скаль¬ных пород в динамической форме под дном карьера.
6. Предложена методика, включающая в себя оценку возможности сдвига блоков пород за счёт действия касательных напряжений по потенци¬альной поверхности скольжения с учётом действия горизонтальных текто¬нических сил, раскрытия природных и техногенных трещин при действии в приконтурном массиве растягивающих напряжений, разрушения участков массива в динамической форме при действии высоких сжимающих напря-жений.
7. Обоснована возможность формирования конечного контура карьера рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК» и Центрального карьера АО «Апатит» с генеральными углами наклона бортов карьеров 45-60° в за-висимости от конкретных условий.
8. Показано, что система мониторинга массива пород при постановке борта карьера на конечный контур с крутыми углами откоса должна соот-ветствовать свойствам и состоянию иерархично-блочного массива пород, что достигается многоуровневостью (иерархичностью) системы, примене¬нием комплекса методов, адекватных по масштабу контролируемым объек¬там (борту карьера, участку борта, отдельному уступу).
9. Прямой экономический эффект (без приведения во времени) от уменьшения объёма вскрыши при постановке в конечное положение ниж¬ней части борта карьера рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК» глу¬биной 800 м с генеральным углом наклона в среднем 55° вместо 45° по пер-
воначальному проекту может составить ориентировочно 1,8 млрд. руб. в ценах 2014 года.