Прогноз устойчивости карьерный откосов глинистых пород с учетом пространственно-временной изменчивости инженерно-геологических характеристик

Краткое описание

Содержание
Введение...4

Глава I. Обзор методов изображения топоповерхностей и выбор оптимального метода графического моделирования оползневых тел.

1. Предварительные сведения...9

2. Выбор метода интерполяции...14

3. Построение цифровой модели поверхности...35

4. Визуализация топоповерхностей...37

Выводы...40

Глава II. Графическое моделирование оползневых тел на примере карьера МГОК.

1. Краткая характеристика гидрогеологических и инженерно-геологических условий Михайловского и Старо-Оскольского железорудных районов КМА...41

2. Построение планов поверхностей...53

3. Построение поперечных сечений и вычисление мощностей, объемов и площадей...57

4. Построение трехмерных изображений поверхностей и сглаживание сплайнами...60

Выводы...64

Глава III. Определение прочностных характеристик пород бортового массива и его деформаций во времени.

1. Применение зависимостей структурной механики грунтов для описания реологических процессов в бортовых массивах...65

2. Характеристика используемых методов расчетов устойчивости откосов...73

3. Анализ материалов инструментальных наблюдений за оползнями и точности съемок оползней...78

Выводы...;...88

Глава IV. Разработка рекомендаций по обеспечению долговременной устойчивости откосов глинистых пород.

1. Определение зависимостей сопротивления пород сдвигу от времени и скорости смещений приоткосного массива по данным натурных наблюдений...89

2. Мероприятия по управлению долговременной устойчивостью откосов...108

Выводы...126

Заключение...128

Список используемых источников...130

Приложения
Введение

4 г Введение

Длительное влияние крупных карьеров на состояние массива определяет необходимость исследования процессов развития деформаций и изменения во времени прочности пород, окружающих открытые горные выработки. При освоении обводненных месторождений интенсивность этих процессов в сложенных песчано-глинистыми и полускальными породами откосах возрастает.

Массивы горных пород являются средой производства горных работ и, соответственно, конструкционными элементами открытых горных выработок. Положение карьерных откосов изменяется в пространстве и во времени за период отработки месторождений. Установление масштаба и характера протекающих в бортовых массивах геомеханических процессов с учетом структурно-механических особенностей массивов и динамики формирования карьерных откосов обеспечивает получение надежных данных о геометрических параметрах откосов на любой момент времени, и на этой основе разработку мер по управлению состоянием массива для обеспечения экономичности, экологической и промышленной безопасности горных работ.

Исследованиям геомеханических процессов развития во времени деформаций и изменения прочности пород в карьерных откосах посвящены труды В.В. Ржевского, Г.Л. Фисенко, В.А. Мироненко, И.И. Попова, И.П. Иванова, A.M. Гальперина, В.И. Стрельцова, В.А. Падукова, Ю.И. Кутепова, А.Н. Могилко, A.M. Мочалова, В.И. Веселкова, В. Ферстера, Р.А. Халачева, П. Стефанова и др. [59-61, 75-78, 54, 74, 6-9, 43, 89, 42, 69, 70, 93, 88]. Реологические проблемы геомеханики в строительстве рассматривались в трудах Н.А. Цытовича, Н.Н. Маслова, М.Н. Гольдштейна, С.С. Вялова, Г.И. Тер-Степаняна, Ю.К. Зарецкого, СР. Месчана, З.Г. Тер-Мартиросяна, А. Скемптона, А. Шукле и др. [81, 82, 29, 30, 12,13, 5,23, 71-73, 63, 85].

В связи с тем, что представителями научной школы МГИ (A.M. Гальперин, В.И. Стрельцов, С.А. Перера) пространственное положение

5

поверхностей ослабления в массивах песчано-глинистых пород учитывалось лишь с применением плоских задач; устойчивости откосов, необходим учет пространственного положения! ослабленных зон прибортового массива.. Поэтому при наличии; гравитационно-экзогенных нарушений вскрышной толщи (древних оползней, ложбиш стока), которые определяют возникновение оползней при вскрытии нарушенных зон открытыми торными выработками, необходимо ¦ применять решения объемных (квазиобъемных) задач устойчивости откосов. С учетом вышеизложенного тема диссертации! представляется актуальной..

Цель работы заключается в установлении реологических характеристик глинистых пород и зависимостей геометрических параметров откосов от времени с учетом; структурного ослабления' массива на основе решения квазиобъемной: задачи устойчивости карьерных откосов, что позволяет получить достоверные характеристики* сопротивления: сдвигу породы в массиве.

Идея работы* состоит в учете пространственного положения поверхностей ослабления в приоткосном массиве- и изменчивости характеристик сопротивления сдвигу во времени:

Структура; диссертации^ определяется следующим кругом задач, решаемых для достижения поставленной цели:

1) Выбор оптимального метода; графического, моделирования; оползневых тел;

2) Графическое моделирование ложбин стока на примере карьера МГОК;

3) Определение прочностных характеристик пород бортового массива с учетом их изменчивости во времени (длительной прочности).

4) Определение зависимостей геометрических параметров откосов от времени p,H=f(t).

Научные положения и их новизна:

1) Учет пространственного положения фиксированных поверхностей оползания. в пределах осадочной толщи бортовых массивов карьеров

6

КМА обеспечивает получение надежных значений характеристик сопротивления сдвигу.

2) Сдвиговая ползучесть и длительная прочность глинистых и меловых пород описываются интегральной функцией смешанного вида и дробно-линейной функцией продолжительности периода существования откосов; при этом реологические показатели определяются преимущественно по натурным данным с учетом положения петрогенетических и экзогенно-гравитационных структурных элементов массива.

3) Зависимости некомпенсированного оползневого давления от времени позволяют регламентировать мероприятия по обеспечению долговременной устойчивости нерабочих откосов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- теоретическим анализом геомеханических процессов в бортовых массивах с использованием методов теорий предельного равновесия сыпучих сред и структурной механики грунтов в сочетании с методом инженерно-геологических аналогий при оценке свойств массивов пород;

- хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных значений сдвиговых деформаций глинистых пород, полученных с использованием установленных параметров сдвиговой ползучести (расхождения не превышают 5-10%);

- сопоставлением расчетных и фактических значений углов наклона откосов предельно-устойчивых уступов в глинистых породах Михайловского месторождения КМА при сроке службы откосов от 1 мес. до 5 лет. Обратные оползневые расчеты оползневых деформаций уступов глинистых пород позволили установить параметры длительной прочности для отдельных типов пород и получить на различные моменты времени не превышающее 10% отклонение расчетных значений углов откосов от фактических.

7

Объект исследования: оползневые процессы в карьерных откосах.

Предмет исследования: квазиобъемные задачи устойчивости откосов при фиксированных поверхностях скольжения применительно к обратным и прогнозным расчетам.

Методы исследований.

В работе применены методы теории предельного равновесия сыпучих сред, инженерно-геологической схематизации бортовых и отвальных массивов и инженерно-геологических аналогий.

Научное значение работы:

- установление влияния структурных особенностей массива на геомеханические процессы развития сдвиговых деформаций и изменения во времени прочности пород для прогнозирования устойчивости уступов и бортов карьеров;

- задача устойчивости откосов решается в объемной постановке с учетом изменения во времени напряженно-деформационного состояния массива.

Практическая ценность работы.

Обеспечивается возможность регламентирования динамики горных работ и соответственно срока службы откосов с использованием полученных зависимостей.

Реализация выводов и рекомендации работы.

Материалы выполненных исследований использованы при обосновании параметров (углов наклона) гидровскрышных уступов в глинистых отложениях на предельном контуре, что обеспечивает достижение экономического эффекта за счет снижения объемов работ.

Апробация работы. Отдельные положения работы докладывались и обсуждались: на конференции «Неделя горняка» (2004 г.), на научных семинарах кафедры геологии МГГУ, на международной конференции «Геотехника и охрана окружающей среды» (Греция, о.Милос, 2005г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

8

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 6 таблиц, 38 рисунков, список литературы из 96 наименований.

Автор выражает глубокую признательность за помощь, оказанную в процессе исследований, и постоянное внимание к работе научному руководителю - доктору технических наук, профессору Гальперину A.M.

9 Глава I. Обзор методов изображения топоповерхностей и выбор

оптимального метода графического моделирования оползневых тел.

1. Предварительные сведения.

Определение прочности пород в массиве методом обратных расчетов можно выполнять с использованием плоской и объемной задач. Методика решения объемных задач описывается в работах П.Н. Панюкова, A.M. Гальперина, В.П. Костовецкого, В.Н. Попова, П.С. Шпакова[50, 7, 9, 27, 53,83,84].

Пространственно-геометрический метод решения задачи оценки устойчивости откосов в условиях сложной конфигурации поверхности ослабления обладает рядом преимуществ по сравнению с инженерными методами: учитывается структурная неоднородность массива; расчет устойчивости производится по поверхностям ослабления или расчленения любой сложности, реализующихся в поверхности скольжения; учитываются силы взаимодействия по вертикальным граням смежных объемны;: элементов; устойчивость откоса оценивается по величине оползневого давления в его нижней части, т. е. в зоне концентрации слагающих напряжений; представляется возможность выявить изменение состояния бортового массива в процессе ведения горных работ; решается объемная задача устойчивости откосов глубоких карьеров при фиксированных поверхностях скольжения.

Расчет устойчивости рекомендуется производить в следующей последовательности.

1. Составляется топографический план опасной поверхности скольжения. Для этой цели используются материалы инженерно-геологического изучения массива борта карьера.

2. Путем совмещения топографического плана поверхности скольжения с топографическим планом борта карьера в заданном его положении составляется план изомощностей пород оползневого клина

10 (способом вычитания поверхностей топографического порядка).

3. Оползневой клин разбивается на элементарные блоки с равными площадями на плане, при этом контуры блоков для удобства ориентируются нормально к простиранию борта откоса или параллельно направлению фронта работ.

4. По характерным точкам рельефа дневной поверхности участка и поверхности скольжения в блоках выделяются элементарные отсеки, для которых вычисляются удерживающие и сдвигающие силы. Для этого определяются средние удельные давления на основании элементарных блоков путем умножения средней мощности оползневого клина в пределах каждого блока на средневзвешенное значение объемной массы пород, составляющих колонку элементарного блока.

Тогда сдвигающая сила будет равна

Scaei^PiSinai, (I.I)

где Pi =ycphfi — масса элементарного блока; уср — средневзвешенное значение объемной массы пород; hi — средняя мощность пород в пределах каждого отсека; ft — площадь поперечного сечения отсека; сц — угол наклона основания отсека (поверхности скольжения) к горизонту. Удерживающие силы равны

Syfli = Pi cos atgq +cfh (1.2)

где ф и с — показатели сопротивления сдвигу по поверхности ослабления.

5. При необходимости учета равнодействующей сил гидродинамического давления и гидростатического взвешивания, а также величины избыточного порового давления вводятся поправки в величину удерживающих сил путем уменьшения нормальной составляющей массы блоков.

6. Учитывается величина оползневого давления Е, т. е. давления со стороны смежных блоков и отсеков, а также силы трения и сцепления

11

между смежными блоками.

7. Условия равновесия каждого элементарного блока рассматриваются по отсекам сверху вниз. Для этого берется сумма проекций сил на направление возможного смещения в пределах каждого отсека.

Определение оползневого давления производится с использованием формулы Шахунянца — Фисенко:

= ±PiSinalr1-PlCosaltg(pl-cFi "

CosStSinSjgP

где Р{ — масса отсека; rj — коэффициент запаса устойчивости; F,- — поверхность, по которой учитываются силы сцепления; б; — угол перегиба, т. е. изменение угла наклона поверхности скольжения при переходе от предыдущего отсека к последующему.

Эпюры оползневых давлений позволяют оценить не только общую устойчивость блоков и участка в целом, но и установить изменение состояния участка по мере его отработки, т. е. оценить устойчивость рабочего борта с учетом динамики горных работ. Представляется возможность запланировать мероприятия для обеспечения устойчивости борта в зонах, характеризующихся положительными значениями оползневого давления. В качестве таких мероприятий могут быть рекомендованы: возведение пригрузочной призмы для для обеспечения долговременной устойчивости откосов на основе установленных геометрических параметров пригрузки; уменьшение призмы активного давления за счет более интенсивной разработки верхних горизонтов (выполаживание борта).

Опыт оценки устойчивости откосов свидетельствует о большой трудоемкости ручных вычислительных работ и сложности надежного определения объемов призмы оползания. Достижения последних лет позволяют устранить эти препятствия.

Картографический способ обобщения инженерно-геологической информации является одним из наиболее удобных. Он позволяет

12

одновременно охватывать значительные территории, фиксировать состояние среды на конкретный момент времени, определять факторы, обусловливающие ее изменение, устанавливать скорости протекания тех или иных процессов и прогнозировать результаты их деятельности. Немаловажным моментом является также и то, что этот способ универсален для всех отраслей геологии, для маркшейдерии и геодезии. Картографическая информация находит широкое применение в горнопромышленной и инженерной геологии.

Непрерывная смена обстановки в пределах таких природно-технических геосистем, как горнодобывающий регион, месторождение полезного ископаемого или карьерного поля, требует оперативного получения информации об изменениях и быстрой ее обработки, то есть отображения в виде картографической модели.

В последнее время широко используются методы дистанционного зондирования, в первую очередь связанные с дешифрованием аэрокосмических материалов. К положительным сторонам этого метода относятся: одновременный охват значительных площадей, возможность проведения ретроспективного анализа (результаты одной съемки можно использовать многократно), объективность отображения, оперативность получения информации, отсутствие недоступных для исследований участков.

При решении задач, связанных с инженерно-геологическим (геомеханическим) обеспечением безопасности и эффективности горных работ, рационального землепользования в пределах горного отвода наиболее информативными являются методы и материалы маркшейдерских наблюдений, в первую очередь аэрофотометоды. Помимо оперативности и других уже перечисленных выше преимуществ они отличаются высокой точностью и возможностью получать количественную информацию.

Основной проблемой является обработка непрерывно поступающей информации, которая требует определенных затрат времени.

13

Таким образом становится актуальной задача по применению компьютерных технологий в инженерно-геологическом моделировании. Предлагается использовать для этой цели программный пакет по созданию инженерной графики Surfer.

14 2. Выбор метода интерполяции

Рассмотрим методику решения задач контурного картографирования с использованием программного пакета Surfer.

Математической составляющей пакета являются его алгоритмы интерполяции двумерных функций при переходе от нерегулярной сетки к регулярной (построение цифровой модели поверхности по значениям функции в отдельных произвольных точках). Surfer предлагает семь различных алгоритмов интерполяции: кригинг (Kriging), инверсные расстояния (Inverse Distance) и минимальная кривизна (Minimum Curvature), радиальные базовые функции (Radial Basis), полиномиальная регрессия (Polynomial Regression), метод Шепарда (Shepard's Method — представляет собой комбинацию метода Инверсных расстояний со сплайнами) и триангуляция (Triangulation) (Puc.Ll),

При этом обеспечена возможность более полного управления методами интерполяции. Расчет регулярной сетки теперь может выполняться для файлов наборов данных X,Y,Z любого размера, а сама сетка может иметь размеры 10000*10000 узлов. Кроме того, в новую версию входит встроенный графический редактор для ввода и коррекции значений данных сеточной области, при этом сразу видны результаты действий в виде изменения карты изолиний. Расчет поверхности может быть выполнен также с помощью уравнений, заданных в явном виде: пакет включает достаточно широкий набор функций — тригонометрических, Бесселя, экспоненциальных, статистических и некоторых других. Ввод данных выполняется из файлов форматов [.DAT] (Golden Software Data), [.SLK] (Microsoft SYLK), [.BNA] (Atlas Boundary) или простого текстового ASCII файла, а также из электронных таблиц Excel [.XLS] и Lotus [.WK1, .WKS]. Исходная информация может вводится или редактироваться с помощью встроенной электронной таблицы пакета, при этом возможны дополнительные операции с данными, например, сортировка, а также преобразование чисел с помощью задаваемых уравнений.

H...llil ill I i...Ill...I rl .1. Illi III...Ill ll I...1...Ull...Illl

Hill...llllllllh...IHililllilllllllllil

Scattered Data Interpolation

Data Columns

X: Column A: d

Column B: d

Z: Column C: d

Data Info...

Reset

I . —!

Grid ding Method jjKriging

Inverse Distance to a Power

Kriqinc

Minimum Curvature

Nearest Neighbor

Polynomial Regression

Radial Basis Functions

Shepard's Method

Triangulation w/ Linear Interpolation

Options.

OK

Cancel

Grid Line Geometry ...; ... Minimum Maximum Spacing # of Lines

X Direction: Y Direction: 143 379 4.81633 50 |^i

130 250 5 I25 la

Search.

Browse.

Рис.I.I Выбор метода интерполяции

-,

16

Имеется также большой набор дополнительных средств преобразования поверхностей и различных операций с ними:

• вычисление объема, ограниченного двумя поверхностями;

• переход от одной регулярной сетки к другой;

• преобразование поверхности с помощью математических операций с матрицами;

• рассечение поверхности (расчет профиля);

• вычисление площади поверхности;

• сглаживание поверхностей с использованием матричных или сплайн методов;

• преобразование форматов файлов;

• статистическая оценка отклонения исходных точечных значений от поверхности;

Статистические расчеты и математические преобразования можно выполнить для любого подмножества данных, в том числе с использованием функций, задаваемых пользователем.

Цифровая поверхность графически может быть представлена в двух вариантах: в виде карты изолиний или трехмерного изображения поверхности. При этом в основе работы с изображениями используются следующие технологические средства: наложение нескольких прозрачных и непрозрачных графических слоев, импорт готовых изображений, использование специальных инструментов рисования, а также нанесение текстовой информации и формул.

Реализовано большое количество вспомогательных операций при обработке цифровой поверхности, с помощью которых дополнительно можно вычислять наклон, кривизну и линию горизонта обзора поверхности, а также первую и вторую производную для рядов Фурье и спектрального анализа. Включены дополнительные средства преобразования наборов сеточных данных и выборки их различных подмножеств. Тройной уровень вложенности позволяет получать свыше 500 комбинаций вариограмм.

17

Выбор метода построения изолиний определяется результатами горно-геометрического анализа и исследования изменчивости (по В.В. Ершову) [19]. Методы многогранника, инвариантных линий и скатов обычно используются для построения структурных планов при нерегулярной разведочной сети. Преобразование исходных данных на регулярную прямоугольную или квадратную сеть осуществляется с помощью аналитических моделей размещения показателей или методами сглаживания, включая методы оптимальной статистической интерполяции.

Независимо от того, какая используется сеть данных (треугольная или прямоугольная), определение координат изолиний на первом этапе осуществляется с помощью линейной интерполяции на «ребрах» сети по двум близлежащим узлам. После этого ломаные изолинии сглаживаются, т.е. осуществляется нелинейная аппроксимация изображаемой поверхности.

Вычерчивание плавных кривых — важный элемент алгоритма автоматизированной геометризации. Способ, обеспечивающий плавность кривой в узлах, называется сплайн. — интерполяцией. Данный алгоритм используется для вычерчивания изолиний и требует построение индуцированных сетей, «ребра» которых являются интерполяционными интервалами для определения координат изолиний. Задача построения оптимальной сети непересекающихся треугольников из-за ее сложности до сих пор теоретически не решена. Среди известных алгоритмов наибольший интерес представляют алгоритмы, использующие методы «двигающегося фронта» и «стягивающего контура». Триангуляция области этими методами производится путем последовательного нахождения вершин треугольников с заданными ограничениями на их углы и пространственную ориентировку. Параметры ограничений определяются характером изменчивости геометризируемых показателей (направлением анизотропии и инвариантных • линий, интенсивностью изменчивости).

Список литературы