Инженерно-геологическое обоснование конструкции карьерных откосов при разработке перекрывающей толщи Ломоносовского месторождения

Кольцова, Елена Ильинична

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Инженерно-геологическое обоснование конструкции карьерных откосов при разработке перекрывающей толщи Ломоносовского месторождения
ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Инженерно-геологическое обоснование конструкции карьерных откосов при разработке перекрывающей толщи Ломоносовского месторождения"

На правахрукописи

КОЛЬЦОВА Елена Ильинична

УДК 622.271

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КАРЬЕРНЫХ ОТКОСОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПЕРЕКРЫВАЮЩЕЙ ТОЛЩИ ЛОМОНОСОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Специальность 25.00.16 - «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и

геометрия недр»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный руководитель

заслуженный деятель науки РФ, профессор, доктор технических наук Гальперин Анатолий Моисеевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Кутепов Юрий Иванович, кандидат технических наук Парфенов Андрей Анатольевич.

Ведущая организация - ОАО «Севералмаз» (г.Архангельск)

Защита диссертации состоится « 29 » июня 2004 г. в ...гг.. .час. на заседании диссертационного совета Д.212.128.04 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, В-49, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан « 28 » мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Бубис Юрий Вольфович

Введение

Актуальность работы. Открытие на территории Архангельской области месторождения алмазов имени М.В. Ломоносова определило роль области как важнейшего потенциального источника минерального сырья алмазодобывающей отрасли промышленности России.

В то же время необходимо иметь в виду, что разведанные месторождения алмазов характеризуются сложными горно-техническими и геоэкологическими условиями. Они расположены на заболоченной территории, перекрыты мощными наносами. Вмещающие и перекрывающие породы имеют низкие прочностные характеристики, обильно обводнены, что создает серьезные проблемы для промышленной разработки открытым способом, не имеющим аналогов в практике отечественных открытых горных работ.

Поэтому разработка методов управления устойчивостью откосов уступов, борта карьера и отвалов, отсыпаемых на слабые основания, является актуальной научной и технической задачей.

Необходимость проведения работ указанного обусловлена Федеральными законами «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (№ 116-ФЗ) и «О безопасности гидротехнических сооружений» (№ 117-ФЗ), введенных в действие в 1997 г., а также в соответствии с «Едиными правилами безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом» (Постановление № 57 от 9 сентября 2002 г.).

Целью работы является инженерно-геологическое обоснование геометрических параметров бортов и отвалов для обеспечения безопасного и эффективного ведения открытых горных работ при освоении месторождения

алмазов на севере Архангельской области. I РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

I БИБЛИОТЕКА

Идея работы заключается в том, что высота и углы наклона карьерных откосов обосновываются результатами оценки инженерно-геологических условий по данным разведки месторождения (на стадии разведки) и затем уточняются с помощью гидрогеомеханического мониторинга при горностроительных и горно-эксплуатационных работах.

Научные положения и их новизна:

1) выбор технологии отработки песчано-глинистых обводненных отложений следует осуществлять с учетом характера возможных гидрогеомеханических процессов в обводненных бортовых массивах и при формировании намывных и насыпных отвалов на слабых водонасыщенных грунтах естественных заболоченных оснований;

2) породы рудного тела (различные типы брекчий) имеют прочностные и плотностные характеристики, незначительно отличающиеся от вмещающих пород. Прогнозные расчеты устойчивости карьерных откосов следует осуществлять по схемам подтопленного и фильтрующего откосов с применением методов алгебраического суммирования и многоугольника сил;

3) при формировании бортовых и отвальных массивов необходимо функционирование гидрогеомеханического мониторинга, предусматривающего закладку датчиков - пьезодинамометров в обводненных бортовых и отвальных массивах. Показания датчиков (давление воды) приводятся к вероятным поверхностям скольжения и используются для оперативного определения текущих значений коэффициента запаса устойчивости откосов через площадь эпюры давления воды.

Обоснованность и достоверность научных ■ положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

Результатами экспериментов по изучению состояния и свойств пород покровных- отложений, а также гидрогеомеханических процессов на

первоначальном этапе горно-строительных работ на карьере трубки "Архангельская"; сходимостью результатов расчетов и натурных наблюдений.

Методы исследований.

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

Научное значение работы: предложена методика определения геометрических параметров обводненных откосов в покровных отложениях и полускальных породах бортового массива применительно к различным типам технологического оборудования;

- рассмотрен механизм взаимодействия намывных техногенных отложений со слабыми основаниями, представленными озерно-болотными-отложениями;

дана оценка несущей способности и возможных деформаций (осадок) намывных оснований при размещении на них отвальных насыпей.

Практическая ценность работы.

Обоснование горно-технологических решений по определению параметров углубочной системы разработки при освоении алмазоносных месторождений Архангельской группы, а также выбору режима формирования массивов внешних отвалов на слабых основаниях.

Реализация выводов и рекомендации работы.

Материалы выполненных исследований использованы при корректировке проектных решений по карьеру трубки "Архангельская", а также при планировании опытно-промышленных гидромеханизированных работ.

Апробация работы. Отдельные положения работы докладывались и обсуждались: на конференциях «Неделя горняка» (2002, 2004 гг.), на

научных семинарах кафедры ОГР АГТУ и кафедры геологии М1ТУ, на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, инженерно-технических работников и аспирантов АГТУ (7.02.2002 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 5 таблиц, 23 рисунка, список литературы из 102 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.

Основное содержание работы

Месторождение алмазов имени М.В. Ломоносова расположено на северо-востоке Архангельской области. В состав месторождения входят шесть сближенных трубок Золотицкого рудного поля. Промышленное освоение началось в 2003 г. Месторождение характеризуется сложными гидрогеологическими к герко-техническими условиями ввиду сильной обводненности и низкой прочности вмещающих пород и руд. Основными проблемами освоения месторождения являются обеспечение устойчивости горных выработок и охрана окружающей среды.

Основы управления состоянием массива горных пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых заложены академиками В.В. Ржевским и Н.В. Мельниковым. Инженерно-геологические основы управления состоянием массива разработаны П. Н. Панюковым.

Существенный вклад в теорию и практику развития научного направления по управлению устойчивостью бортов карьеров и отвалов внесли ГЛ.Фисенко, В.НЛопов, А. М.Гальперин, Э.Л.Галустьян, А.М.Демин, О.Ю.Крячко, МА.Ревазов, В.Т.Сапожников, Ю.И.Туринцев, В.И.Стрельцов и другие. Ведущая роль в решении задач по разработке методов управления

устойчивостью откосов уступов, борта карьера и отвалов, отсыпаемых на слабые основания, принадлежит инженерно-геологическому обеспечению. В связи с этим в настоящей работе основными задачами исследований являются следующие:

1) на основании анализа инженерно-геологических и гидрогеологических условий месторождения дать оценку влияния обводненности массива на устойчивость карьерных откосов;

2) произвести оценку устойчивости откосных сооружений при экскаваторной и гидромеханизированной отработке рыхлой вскрыши;

3) на основании анализа отечественного опыта обосновать конструкцию откосных сооружений и порядок формирования техногенных массивов;

4) разработать рекомендации по инженерно-геологическому и гидрогеологическому (гидрогеомеханическому) мониторингу бортовых и техногенных массивов на примере Ломоносовского месторождения.

Основными факторами, определяющими устойчивость открытых горных выработок, являются физико-механические свойства горных пород.

На рис. 1 представлены геологические планы и разрезы трубок "Архангельская" и им. Карпинского 1 и 2, которые по проекту будут отрабатываться одним большим карьером. Перекрывающая толща пород представлена средним отделом каменноугольной системь и средним и

верхним отделами четвертичной системы Четвертичные отложения

сложены озерно-аллювиальными отложениями: песками, супесями, глинами, валунными суглинками, песками с гравием и галькой, галечниками. Породы каменноугольной системы представлены галечниками с валунами, песчаниками и доломитизированными известняками.

А Б В Г

1И'

Рис. 1. Геологические план (а) и разрезы (б) трубки "Архангельская" (I)

и им. Карпинского-1,2 (II): 1- пески с гравием и галькой, суглинки; 2- известняки; 3- песчаники; 4-алевролиты и аргиллиты с песчаниками; 5- алевролиты и аргиллиты; 6- туфогенно-осадочная брекчия; 7- ксенотуфобрекчия и автолитовая брекчия; 8- гранито-гнейсы; 9- возраст пород

Мощность перекрывающих пород в пределах месторождения изменяется в пределах 22-48 м. Породы крайне не выдержаны в плане и разрезе. В целом породы слабые с высокой природной влажностью. Физико-механические свойства пород приведены в табл. 1

Таблица I

Физико-механические свойства перекрывающих пород

Породы Объемная масса, кг/м] Влажность, % Пористость, % Сцепление, С, МПа Угол внутр. трения, град

Глины 2040*2140 22-30 38-42 0,027-0,05 18-21

Суглинки 1990-2330 9-27 26-36 0,018-0,032 20

Супеси 1960-2390 13-21 25-37 0,01-0,024 20-35

Пески 1570-1810 31-40 27-36

Карб.породы (воен. известняки) 1070 21-28-в водонас.сост. 40-43—в сух. сосг

При расчетах устойчивости учитывались проектные параметры уступов. Согласно проекту углы откосов уступов в пределах перекрывающей толщи трубки "Архангельская" равны 30°. Расчеты также были выполнены при углах откосов уступов 40° и 45°.

Определяющее влияние на устойчивость бортов и уступов оказывает обводненность горных пород прибортовой части в результате гидростатического и гидродинамического давления подземных вод. Наиболее благоприятным для устойчивости бортов карьера вариантом является полное осушение разреза на всю глубину карьера в пределах призмы возможного оползания. На рис. 2 приведены расчеты для различных уровней грунтовых вод с учетом водопонижения (при а=30°). Для борта с углами откосов уступов а=40° и 45° при понижении уровня грунтовых вод на 12 м коэффициенты запаса соответственно равны 1,32; 1,31.

Иртмм' «в ЦЦ|* Уг^л иг

С 57

на« 47 79

740 «Я

<15 С*

гаг п

Кр> 1вО И)

«00 09 м^а М VI,* и»

ним ^ ИТ-1Я»

* 555Э

Рис. 2. Расчет устойчивости борта карьера (а=30°) при различных уровнях грунтовых вод: а - первоначальное положение, б - понижение уровня на 12 м

Понижение уровней подземных вод в пределах призмы возможного оползания в среднем на 10-12 м приводит к увеличению коэффициента запаса устойчивости на 20-25 % (результаты расчетов приведены в табл.2).

Таблица 2

Величины коэффициента запаса устойчивости борта в пределах перекрывающей толщи при водопонижении

Угол откоса уступа в пределах перекрывающей толщи, град Коэффициент запаса устойчивости

Статический УГВ Водопониженне на 12 м При полном осушении

30 I »24 1,54 1,62

40 1,04 1,32 1,41

45 <1 1,31 1,34

Полученные результаты показывают, что в рассматриваемых геологических условиях дренаж прибортового массива является реальным способом управления устойчивостью бортов карьера.

Карьер трубки "Архангельская" в плане имеет округлую форму и это необходимо учитывать при определении коэффициента запаса устойчивости, так как при решении плоской задачи получаемые значения его заведомо занижены. Увеличение коэффициента запаса устойчивости вогнутых в плане бортов зависит от радиуса кривизны по нижней бровке.

В результате пересчета рекомендуемых величин поправок Да установлено, что в геологических условиях трубки "Архангельская" при принятых в проекте радиусах закругления коэффициент запаса устойчивости вогнутого в плане борта больше в 1,2-1,25 раза по сравнению с определенным при решении плоской задачи.

Состояние бортовых массивов во времени зависит от способа вскрытия, системы разработки и отдельных технологических процессов, которые взаимосвязаны с природно-геологическими факторами.

Геологические условия строительства карьера характеризуются как сложные, что связано с наличием в покровных отложениях слабых грунтов с низкими прочностными и деформационными показателями, отсутствием скальных грунтов, используемых в качестве основного строительного материала. Кроме того, в пределах месторождения имеется значительная

(около 50 %) заболоченность территории. Поэтому применение транспортной технологии проведения вскрыши на месторождении является неэффективным в связи с большими затратами на строительство и поддержание автомобильных дорог.

Представляет особый интерес опыт производства вскрышных работ земснарядами в сходных с Ломоносовским месторождением горногеологических условиях, который получен на Северо-Онежском бокситовом руднике. Гидравлические вскрышные работы осуществлялись по технологической схеме, включающей размыв пород в приямок землесоса и напорный транспорт по трубам в гидроотвал. В ходе работ использовались способы намыва с поверхности и с основания уступа. Наиболее целесообразным, как показала практика, является размыв с основания уступа.

Повышение эффективности вскрышных работ на месторождении с мягкими покрывающими породами происходит при максимальном использовании сил гравитации в процессах отделения пород от массива. Для обрушения уступов с высотой, значительно превышающей высоту вертикального обнажения Нде А.Г. Шапарем предлагается создавать в кровле уступа вертикальную щель па глубину Н90 для управления объемом обрушаемой породы и облегчения процесса сдвижения. Обрушение уступа, достигается за счет подработки основания.

Применительно к условиям карьеров Ломоносовского месторождения с учетом зависимостей сопротивления глинистых пород сдвигу и предельных углов наклона уступов от времени их стояния рассмотрена возможность управляемого нарушения состояния предельного равновесия массива лишь за счет подработки призмы упора, так как при этом существенно упрощается подготовка сдвижения пород. При высоте уступа в четвертичных суглинках Ну = 15 м ширина подрабатываемой призмы определялась с учетом структурно-механической зависимости по методу многоугольника сил.

Результаты расчетов параметров обрушения представлены в виде графика зависимости ¡„=/0).

, Определены параметры гидромониторного обрушения уступа за счет

подработки основания - при условно-мгновенных характеристиках ji, сопротивления сдвигу при (р=35° и Н= 10-20 м глубина вруба соответственно

^ равна 3,0-4,2 м.

^ Значительный вклад в развитие технологии отвалообразования и

} обоснование параметров устойчивых сооружений внесли работы Н.В. Мель-

никова, В.В. Ржевского, К.Н. Трубецкого, Г.Л. Фисенко, П. Н. Панюкова,

A.M. Гальперина, В-Н; Попова, М.Е. Певзнера, М.А. Ревазова, A.M. Демина,

B.И. Стрельцова, О.Ю. Крячко, В.Т. Сапожникова, Ю.И. Кутепова,

j Ю.В. Кириченко и др.

В большинстве работ рассматривались вопросы геомеханического обоснования параметров отвалов в различных горно-геологических условиях в тесной связи с технологиями отвалообразования. Вопросам технологии 1 формирования, разработке геомеханических основ и прогнозу состояния

намывных массивов посвящены исследования Г.А. Нурока, A.M. Гальперина, Ю.Н. Дьячкова, Н.Н. Медникова, О.Ю. Крячко, Ю.И. Кутепова, Ю.В. Ки-( риченко, А.А. Парфенова и др.

При установлении параметров отвальных насыпей наибольшие затруднения обычно вызывает учет технологии формирования отвалов и

динамики отвальных работ. К числу наиболее важных технологических факторов, влияющих на устойчивость отвалов, относятся высота и конфигурация отвальных откосов, длина и скорость подвигания отвального фронта, скорость отсыпки отвала.

Для карьеров месторождения имени М.В. Ломоносова проблема размещения устойчивых отвалов ка минимально возможных площадях при их максимальной емкости является весьма актуальной ввиду необходимости складирования огромных объемов вскрышных пород. При обосновании параметров и местоположения отвалов принималась во внимание необходимость складирования следующих объемов техногенных отложений:

I I

перекрывающих и вмещающих пород - 352,8 млн. м3; забалансовой руды -14,2 млн. м3; торфа и растительного грунта во временный склад - 8,4 млн. м3. {

На карьере применяется внешнее бульдозерное отвалообразование. '

Обший фронт разгрузки отвала распределяется на три равных участка: на первом ведется разгрузка автосамосвалов, на втором - перемещение породы бульдозером под откос, планировка и уплотнение поверхности, третий является резервным.

Отвал расположен в 1,5 км к востоку от борта карьера. Основание |

отвала заболочено на 30 % площади, мощность торфяников от 0,7 до 7,7 м. Анализ полученных прочностных свойств пород основания позволяет !

сделать вывод о том, что наиболее слабыми с геологической позиции являются глины тугопластичной и полутвердой консистенции (с=0,019-0,073 МПа, ф=6-10°) и суглинки (с=0,02-0,094 МПа, (р=12-26°), которые |

распространены по всей территории отвалообразования, имеют мощность до Юм. |

В данных инженерно-геологических условиях возможно развитие деформаций отвалов в виде оползней различных типов:

- надподошвенных и по контакту - в связи с наличием обводненных контактов суглинков и глин;

- подподошвенных - вследствие низкой несущей способности пород основания (торф, суглинки, глины).

Параметры отвалов принимались следующими:

- высота первого яруса -10 м, высота последующих - 20 м;

- угол наклона яруса отвала 30°, общий угол наклона борта отвала 14°.

Для увеличения устойчивости целесообразно применять способ отвалообразования, заключающийся в формировании по фронту отвала опережающих насыпей, создающих пригрузку по подошве отвального откоса. Устойчивость опережающих насыпей обеспечивается за счет их формы и обусловлена «эффектом защемления», поскольку по боковым

сечениям в направлении продвижения отвала высота насыпей и углы откосов меньше, чем по центральному сечению, следовательно, и устойчивость отвала на этих участках выше. Установлено, что формирование пригрузки Í (В=25 м) позволяет увеличивать коэффициент запаса устойчивости на 10-

20%.

\ Использование решений задач консолидации позволяет определить

осадки породных масс и производить оценку устойчивости насыпных сооружений исходя из прочности неконсолидированных грунтов их тела и основания.

При оценке устойчивости сухих отвалов, размещаемых на слабых естественных или намывных основаниях, необходимо выполнить проверку несущей способности грунтов с использованием методов предельного напряженного состояния.

Приближенная оценка устойчивости откосов на слабых основаниях выполняется путем сравнения действующих нагрузок с предельной критической:

P%=5MC+qt (1)

где q - внешняя нагрузка от подушки из дренирующего материала, предварительно укладываемой для подготовки слабых оснований (при отсутствии подушки q=0)\ С-удельное сцепление.

Для оценки максимальной несущей способности основания используется формула Прандтля-Рейснера:

?пр я (д + ctg ftX1 + s'a ffjexp fag?)- cte yQ - sin С I - sin p

где q=a-C - предварительно приложенная к основанию уплотняющая нагрузка (от предотвала или намывной подушки).

Определив по графику для оценки несущей способности основания р

отвала величину и зная изменение во времени С с различной

мощностью отсыпаемых масс, можно рассчитай» значение Роп при (р=12°. О1т/м2 (рис. 3).

Рдоп. (Мгакг1)

О 1 2 3 4 5 Рис. 3, Оценка несущей способности основания

Расчетные значения осадок определялись по формуле:

3(0=ао ч А и(0 р, (3)

где р - коэффициент, учитывающий влияние бокового распора в условиях сложного напряженного состояния ((НО,7),

(1 + Д) 1-р'

где А. - коэффициент бокового давления (распора); (1 - коэффициент Пуассона.

д - внешняя нагрузка ^ , кг/см2 (МПа 10*1); кя - мощность массива, м;

- удельный вес отсыпаемого грунта; а0 - коэффициент относительной сжимаемости породы (приведенный коэффициент сжимаемости),

1 +

а - коэффициент сжимаемости, см2/кг (МПа"1); еср - среднее значение коэффициента пористости породы для рассматриваемого диапазона уплотняющих нагрузок.

и(/)-степень уплотнения, определялась из графика U=f(m) (по A.M. Гальперину).

где d - мощность основания, м; / - время, сут (f=0,5 года); Су-коэффициент

Л Л л / Л П)М \

консолидации, для гумусированных суглинков Cv=0,2exp(-0,072^).

На рис. 4 приведены графики зависимости осадки от уплотняющей нагрузки при различной мощности основания.

S, м А* OA 0,3 0,2 0.1

«,5 м

-1- —1---

$ д, из1см(МЛв101)

Рис. 4. График зависимости стабилизированной осадки (8с,) от уплотняющей нагрузки

Снижение землеемкости и повышение эффективности отвалообразования достигаются посредством создания дренирующего основания, параметры которого зависят от прочностных свойств пород основания. Отсыпка в основании дренирующих пород позволит не только ускорить рассеивание порового давления, но и снизить уровень обводненности отвального массива, что также повысит устойчивость сооружения и безопасность работ.

Представляется целесообразным использовать на выемке рыхлой (

)

вскрыши Ломоносовского месторождения гидромеханизацию с организацией

гидроотвалыю-хвостового хозяйства.

Разработка рыхлой полускальной вскрыши возможна ^

земснарядами и гидромониторно-землесосными установками с дробилками на всасе (путем прямого размыва или из навала). При этом раздельно-зернистые грунты (песчано-гравийные, галечник) следует использовать для

возведения намывных откосных сооружений, подготовки территорий со

слабыми основаниями, при дорожном строительстве.

Состояние намывного массива зависит от способов формирования 1

ограждающих дамб, предусматривающих возведение их на полную высоту и |

заблаговременное создание емкости для размещения гидросмеси или

поэтапное наращивание насыпных или намывных материалов.

Рис. 5. Расчет устойчивости дамбы (у=1,8, С=1; ф=30°)

Расчеты устойчивости дамб выполнялись на различных этапах их

наращивания до высоты 40 м (рис. 5). Проверялась как общая, так и местная '

устойчивость дамб при степенях уплотнения основания (/=0; 0,5; 1. '

1 I

Оперативный контроль устойчивости горио-технических сооружений следует осуществлять, используя предложенные методы и схемы получения следующей натурной информации: ♦ а) для бортовых массивов - нейтрального (гидростатического)

давления и депрессионных осадок с помощью заложенных в скважинах давления и депрессионных осадок с помощью заложенных в скважинах

струнных датчиков и глубинных реперов, сопротивления пород сдвигу на различные моменты времени - из прессиометрических и пенетрационных испытаний, а также сдвиговых деформаций массива с помощью ) маркшейдерских наблюдательных станций (по профилям);

б) для отвальных насыпей, тело или основание которых сложены ] песчано-глинистыми породами - объемного веса отвальных масс и порового 1 давления в породах оснований Ри - струнными датчиками общего давления и

пьезодинамометрами (стационарными или установленными на зондах \ штанговыми), сопротивления. сдвигу при зондировании пенетрометрами-

крыльчатками или с помощью прессиометров, текущие значения I коэффициента запаса устойчивости - по графикам зависимостей трЦЗт,,) или

в) для намывных сооружений - объемного веса, порового давления и текущих значений коэффициента запаса устойчивости откосов на участках упорных призм - с помощью стационарной сети датчиков общего и порового давления, графиков Т|=Г(5р„), порового давления и сопротивления сдвигу

I породных масс . приоткосной, промежуточной ' и ядерной зон -

преимущественно с помощью комбинированного зонда;

г) для приоткосных бортов и отвалов - скорости деформации ы.

Смещения реперов , где их горизонтальные смещения и щ -

вертикальные смещения - с помощью инструментальных маркшейдерских наблюдений.

Комплексное использование методов контроля за откосными сооружениями обеспечит безопасную эксплуатацию объектов в сложных

инженерно-геологических условиях группы алмазоносных месторождений на севере Архангельской области, а также своевременное вмешательство (при необходимости) в изменение технологии намыва или отсыпки сооружений.

Заключение

В диссертационной работе решена актуальная научная задача, заключающаяся в инженерно-геологическом обосновании конструкции карьерных откосов при разработке перекрывающей толщи Ломоносовского месторождения, что способствует повышению эффективности и безопасности разработки месторождения.

Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основании анализа инженерно-геологических и гидрогеологических условий месторождения дана оценка влияния обводненности массива на устойчивость карьерных откосов, расчеты выполнены при различных углах откосов уступов (30, 40 и 45°). Установлено, что при понижении уровня подземных вод в пределах призмы , возможного оползания коэффициент запаса устойчивости увеличивается на

20-25 %.

2. Знание закономерностей развития во времени деформаций

рабочих уступов обеспечивает надежное производство вскрышных работ с

использованием управляемого обрушения пород. Приведены расчеты |

параметров обрушения уступа для четвертичных суглинков ¡п~-0,Н. Определены параметры обрушения уступа за счет подработки нижней части уступа гидромониторной струей.

3. Основными критериями при оценке безопасности техногенных

массивов являются коэффициент запаса устойчивости откосных сооружений (п,), несущая способность техногенных отложений (Рдоп) и их осадки (8) на различные периоды времени, а также величина порового давления в намывных тонкодисперсных отложениях с учетом которых должна

производиться эксплуатация объекта. Выполнены расчеты устойчивости отвалов и гидроотвалов на различные моменты их формирования.

!4. Оперативный контроль устойчивости горно-технических сооружений следует осуществлять с использованием предложенных методов ■ и схем получения натурной информации, обеспечивающих безопасную

эксплуатацию карьеров и отвалов в сложных инженерно-геологических условиях группы алмазоносных месторождений на севере Архангельской области.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кольцова Е.И. Оценка влияния обводненности горных пород на устойчивость откосов уступов и бортов карьеров на месторождении

1 алмазов имени М.В. Ломоносова. //Горный информационно-

аналитический бюллетень.- М.: МТУ, 2002. № 9, с.207-210.

2. Кольцова Е.И. Инженерно-геологические и гидрогеологические условия месторождения имени М.В. Ломоносова//Сб.науч.трудов. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Вып. VIII. - Архангельск АГТУ,-2002.-с. 71-79.

? 3. Кольцова Е.И. Анализ инженерно-геологических и гидрогеологических

I условий месторождения имени М.В. Ломоносова с позиций оценки

{ устойчивости карьерных откосов. - М.: Геология и разведка, 2003 - №1,

с.71-74.

4. Кольцова ЕЖ Особенности отвалообразования на слабых основаниях для условий месторождения имени М.В. Ломоносова //Развитие минерально-сырьевой базы Архангельской области: Сб. науч. трудов.

| Междунар. науч.-практ. конф., ч. 2. - Архангельск, 2004. с. 152-158.

5. Кольцова Е.И. оценка устойчивости отвалов на слабых основаниях для условий месторождения имени М.В .Ломоносова. //ГИАБ.- М.: МП~У, 2002.№9,с.2:7-210.

Подписано в печать 24.05.04 Формат 60x90/16

Объем 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № т

Типография МГГУ.

Ленинский пр., 6

- 1 46 1 8

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Кольцова, Елена Ильинична

Введение.

Глава I. Анализ инженерно - геологических и гидрогеологических условий месторождения.

§ 1. Состояние изученности объекта.

§ 2. Предварительная оценка предлагаемых технических решений по разработке карьера «Трубка Архангельская»

§ 3. Требования к формированию техногенных массивов и отвалов (насыпных и намывных).

Глава II. Оценка влияния обводненности массива на устойчивость карьерных откосов.

§ 1. Методы расчета устойчивости откосов.

§ 2. Расчетные характеристики физико-механических свойств перекрывающей толщи.

§ 3. Мероприятия по обеспечению устойчивости.

Глава Ш. Инженерно — геологическое обоснование конструкции откосных сооружений и порядка формирования техногенных массивов.

§ 1. Бортовые массивы.

§ 2. Отвальные насыпи и намывные массивы.

Глава IV. Разработка рекомендаций по гидрогеомеханическому мониторингу.

§ 1. Бортовые массивы.

§ 2. Техногенные массивы.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Инженерно-геологическое обоснование конструкции карьерных откосов при разработке перекрывающей толщи Ломоносовского месторождения"

В то же время необходимо иметь в виду, что разведанные месторождения алмазов характеризуются сложными горно-техническими и геоэкологическими условиями. Они расположены на заболоченной территории, перекрыты мощными наносами. Вмещающие и перекрывающие породы имеют низкие прочностные характеристики, обильно обводнены, что создает серьезные проблемы для промышленной разработки открытым способом, не имеющем аналогов в практике отечественных открытых горных работ.

Поэтому разработка методов управления устойчивостью откосов уступов, борта карьера и отвалов, отсыпаемых на слабые основания является актуальной научной и технической задачей.

Необходимость проведения работ указанного направления вытекает из Федеральных законов «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (№ 116-ФЗ) и «О безопасности гидротехнических сооружений» (№ 117-ФЗ), введенных в действие в 1997 г, а также в в соответствии с «Едиными правилами безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом» (Постановление № 57 от 9 сентября 2002 г.).

Научные положения и их новизна:

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

Результатами экспериментов по изучению состояния и свойств пород покровных отложений, а также гидрогеомеханических процессов на первоначальном этапе горно-строительных работ на карьере трубки "Архангельская"; сходимостью результатов расчетов и натурных наблюдений.

Методы исследований.

- рассмотрен механизм взаимодействия намывных техногенных отложений со слабыми основаниями, представленными озерно-болотными отложениями;

- дана оценка несущей способности и возможных деформаций (осадок) намывных оснований при размещении на них отвальных насыпей.

Практическая ценность работы.

Объектами исследований являются бортовые и отвальные массивы карьеров группы алмазоносных месторождений на севере Архангельской области.

Реализация выводов и рекомендации работы.

Апробация работы. Отдельные положения работы докладывались и обсуждались: на конференциях «Неделя горняка» (2002, 2004 гг.), на научных семинарах кафедры ОГР АГТУ и кафедры геологии МГГУ, на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, инженерно - технических работников и аспирантов АГТУ (7.02.2002 г.).

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

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Кольцова, Елена Ильинична

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основании анализа инженерно-геологических и гидрогеологических условий месторождения дана оценка влияния обводненности массива на устойчивость карьерных откосов, расчеты выполнены при различных углах откосов уступов (30, 40 и 45°). Установлено, что при понижении уровня подземных вод в пределах призмы возможного оползания, коэффициент запаса устойчивости увеличивается на 20-25 %.

2. Знание закономерностей развития во времени деформаций рабочих уступов обеспечивает надежное производство вскрышных работ с использованием управляемого обрушения пород. Приведены расчеты параметров обрушения уступа для четвертичных суглинков Определены параметры обрушения уступа за счет подработки нижней части уступа гидромониторной струей.

3. Основными геомеханическими критериями при оценке безопасности техногенных массивов являются коэффициент запаса устойчивости откосных сооружений (т0, несущая способность техногенных отложений (Рдоп) и их осадки (8) на различные периоды времени, а также величина порового давления в намывных тонкодисперсных отложениях с учетом которых должна производиться эксплуатация объекта. Выполнены расчеты устойчивости отвалов и гидроотвалов на различные моменты их формирования.

4. Оперативный контроль устойчивости горно-технических сооружений следует осуществлять с использованием предложенных методов и схем получения натурной информации, обеспечивающих безопасную эксплуатацию карьеров и отвалов в сложных инженерно-геологических условиях группы алмазоносных месторождений на севере Архангельской области.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Кольцова, Елена Ильинична, Москва

1. Абелев М.Ю. Строительство промышленных и гражданских сооружений на слабых водонасыщенных грунтах. М., Стройиздат, 1983.

2. Амарян J1.C. Свойства слабых грунтов и методы их изучения. — М.: Недра, 1990.

3. Антонов В.Й., Копенкин В.Д. Технология и комплексная механизация торфяного производства. М, Недра, 1983.

4. Арсентьев А.И., Букин И.Ю., Мироненко В.А. Устойчивость бортов и осушение карьеров. -М.: Недра, 1982.

5. Астафьев Ю.П., Попов Р.В., Николашин Ю.М. Управление состоянием массива горных пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых. Киев-Донецк, Вища школа, 1986.

6. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных работ. -.М.: Недра, 1975.

7. Валуев Е.П. Этапы освоения месторождения имени М.В. Ломоносова //Перспективы освоения минерально-сырьевой базы Архангельской области: Сб. науч. тр. междунар. науч.-практ. конф. Архангельск, 2002. С.31-35.

8. Васильев А.Б., Мгалобелов Ю.Б. Норматирование безопасности гидротехнических сооружений при проектировании // Гидротехническое строительство, 1993, № 12, с. 14-41.

9. Вахтанова А.Н., Черняев В.Ф., Литвинова В.М. Управление техногенным литогенезом при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом. Инженерная геология., 1986, № 1,с. 23-31.

10. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М., Высшая школа, 1978.

11. Галустьян Э.Л. Управление геомеханическими процессами в карьерах. -М.: Недра, 1980.

12. Галустьян Э.Л. Геомеханика открытых горных работ. Справочное пособие. М., Недра, 1992.

13. Гальперин A.M. Геомеханика открытых горных работ. М.: Изд-во МГГУ, 2003.

14. Гальперин A.M. Инженерно-геологическое изучение техногенных слабых грунтов намывных горнотехнических сооружений. Изв. ВУЗов "Геология и разведка"- 1987, № I, с.59

15. Гальперин A.M. Материалы Всесоюзного совещания по совершенствованию способов и средств защиты карьеров от подземных вод в сложных горногеологических условиях. ЦНИИ Горосушение, Белгород, 1965, с. 235-243.

16. Гальперин A.M. Специальные вопросы инженерной геологии при гидромеханизации открытых разработок. — М.: МГИ, 1974

17. Гальперин А.М. Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях. М., Недра, 1988.

18. Гальперин A.M. Устройство для комплексного зондирования водонасыщенных грунтов. A.C. 1174525 СССР, Б.И. 1985, № 31.

19. Гальперин A.M., Дьячков Ю.Н. Гидромеханизированные природоохранные технологии. — М.: Недра, 1993

20. Гальперин A.M., Зайцев B.C., Норватов Ю.А. Гидрогеология и инженерная геология. М., Недра, 1989.

21. Гальперин A.M., Стрельцов В.И. Литомониторинг на железорудных карьерах КМА. Инженерная геология. 1987, № 3, с.3-17.

22. Гальперин A.M., Фёрстер В., Шеф Х.-Ю. Техногенные массивы и охрана окружающей среды. М., изд. МГГУ, 1997.

23. Гальперин A.M., Шафаренко Е.М. Реологические расчеты горнотехнических сооружений. М., Недра, 1977.

24. Геомеханика отвальных работ на карьерах. М., Недра, 1972. Авт.: Ржевский В.В., Панюков П.Н., Истомин В.В., Гальперин A.M.

25. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. М., Строй-издат, 1973.

26. Горькова И.М. Физико-химические исследования дисперсных осадочных пород в строительных целях. М., Стройиздат, 1975.

27. Грунтоведение. Под ред. Сергеева Е.М. М.,МГУ, 1983.

28. Грязнов Т.А. Оценка показателей свойств пород полевыми методами. М.: Недра, 1984.

29. Дашко Р.Э. Механика грунтов. М., Недра, 1987.

30. Демин A.M. Устойчивость открытых горных выработок и отвалов. М., Недра, 1973.

31. Демченко А.И. Технология возведения дренажных элементов во внутренних зонах гидроотвала. Уголь, 1997, №11.

32. Дмитриенко Ю.Д., Левченко И.М. Гидроотвалы из глинистых грунтов. М., Стройиздат, 1975.

33. Дудлер И.В. Инженерно-геологический контроль при возведениии эксплуатации намывных сооружений. М,, Стройиздат, 1987.

34. Жданов С.Е. Организация литомониторинга намывного массива. Изв. ВУЗов "Геология и разведка" № 5, 1987.

35. Зарецкий Ю.К. Вязкопластичность грунтов и расчеты сооружений. М., Стройиздат, 1988.

36. Зарецкий Ю.К. Теория консолидации грунтов. М., Наука, 1967.

37. Зарецкий Ю.К., Вялов С.С. Вопросы структурной механики глинистых грунтов. Основания, фундаменты и механика грунтов. 1971, № 3, с. 1-5.

38. Ильин А.И., Гальперин A.M., Стрельцов B.C. Управление долговременной устойчивостью откосов на карьерах. М., Недра, 1985.

39. Инженерно-геологические изыскания при гидротехническом строительстве. Дзеваньский Я., Комаров И.О., Молоков JI.A., Ройтер Ф.М., Недра, 1981.

40. Крячко О.Ю. Управление отвалами открытых горных работ. М.: Недра, 1980.

41. Кустов В.П., Руппенейт К.В. Экспериментальное определение порового давления в намывных грунтах. Основания, фундаменты и механика грунтов. 1978, л 5, с. 23-25.

42. Кутепов Ю.И., Кутепова H.A. Техногенез намывных отложений. М.: Геоэкология, 2003, № 5, с. 405-413.

43. Кутепов Ю.И., Кутепова H.A., Ермошкин В.В. Обеспечение безопасных условий эксплуатации гидроотвалов и хвостохранилищ. В кн.: Проблемы геодинамической безопасности. С.-П., ВНИМИ, 1997, с. 164-169.

44. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология месторождений полезных ископаемых. Л.,Недра, 1986.

45. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Специальная инженерная геология. Л.,Недра, 1978.

46. Малюшицкий Ю.Н. Устойчивость насыпей-отвалов. Киев, Будивельник. 1975.

47. Маслов H.H. Основы инженерной геологии и механики грунтов. ; М., Высшая школа, 1985.

48. Мелентьев В.А., Колпашников Н.П., Волнин Б.А. Намывные горнотехнические сооружения. М., Энергия, 1973.

49. Мельников Б.Н., Нестеров А.И., Осипов В.И. Геотехногенные массивы как новый вид оснований инженерных сооружений. Инженерная геология. 1985, №2, с. 11-21.

50. Месчан С.Р. Начальная и длительная прочность глинистых грунтов. М., Недра, 1978.

51. Методика и технические средства геоиндикационного дешифрирования аэро- и космоснимков. Под ред. Б.А.Попова, Свердловск, 1986.

52. Методические указания по применению аэрофотограмметрии для маркшейдерских наблюдений за деформациями земной поверхности, бортов карьеров и отвалов. Белгород, ВИОГЕМ, 1983.

53. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. Л.: ВНИМИ, 1972.

54. Методическое пособие по изучению инженерно-геологических условий угольных месторождений, подлежащих разработке открытым способом. Л, Недра, 1986.

55. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. М., Изд-во МГГУ, 2001.

56. Мироненко В.А., Норватов Ю.А., Сердюков Л.И. и др. Гидрогеологические исследования в горном деле. М.: Недра, 1976.

57. Мироненко В.А., Писанец Е.П. Водопонижение на карьерах КМА. М.: Недра, 1968.

58. Мироненко В.А., Стрельский Ф.П. Практическое применение принципов гидрогеомеханики в целях повышения промышленной и экологической безопасности горных работ. Инж. геология, 1989, № 5, с. 3-14.

59. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Основы гидрогеомеханики. М., Недра, 1974.

60. Михайлов A.M. Охрана окружающей среды при разработке месторождений открытым способом. М., Недра, 1981.

61. Норватов Ю.А. Изучение и прогноз техногенного режима подземных вод. Л., Недра, 1988.

62. Нурок Г.А. Процессы и технология гидромеханизации открытых горных пород. М.: Недра, 1979.

63. Нурок Г.А., Лутовинов А.Г., Шерстюков А.Д. Гидроотвалы на карьерах. М., Недра, 1977.

64. Обеспечение устойчивости бортов карьеров цветной металлургии. В.Н. Попов, В.И. Зобнин, В.Д. Морозов и др. Цниицветмет экономики и информации, вып. 5, 1987.

65. Падуков В.А. Горная геомеханика. Изд. СпбГИ, 1997.

66. Панюков П.Н. Инженерная геология. М., Недра, 1978.

67. Панюков П.Н., Ржевский В.В., Истомин В.В., Гальперин A.M. Геомеханика отвальных работ на карьерах. М., Недра, 1972.

68. Певзнер М.Е. Горная экология — новое направление в горной науке. Тр.

69. ГИГХС. Вып. 41, т.1. М, 1977, о.6-11,

70. Певзнер М.Е. Деформации горных пород на карьерах. М., Недра, 1992.

71. Певзнер М.Е., Костовецкий В.П. Экология горного производства. М., Недра, 1990.

72. Попов В.Н., Байков Б.Н. Технология отстройки бортов карьеров. М.: Недра, 1991.

73. Попов В.Н., Несмеянов Б.В., Попова О.В. Конструкции нерабочих бортов карьеров. М.: НИА-Природа, 1999.

74. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. -СПб., ВНИМИ, 1998.

75. Разработка грунтов обрушением /Г.В. Родионов, В.М. Владимиров, Э.Г. Чайковский и др. Новосибирск, Наука, 1970.

76. Рекомендации по инженерно-геологическому обоснованию параметров отвалов сухих пород, отсыпаемых на гидроотвалах. Д., ВНИМИ, 1985.

77. Рекомендации по испытанию грунтов лопастными прессиометрами и прессиометрами-сдвигомерами. Амарян Л.С., Пичкунов А.П., Васильев A.B. и др. М,ПНИИИС, 1985.

78. Ржевский В.В. К проблеме расчета давления горных пород. Горный журнал, 1982, № 5, с. 49-52.

79. Ржевский В.В. Физико-технические параметры горных пород. М.: Наука, 1975.

80. Ржевский В.В., Болотова Л.Е. Экология горного производства. М, МГИ, 1988.

81. Ржевский В.В., Ревазов М.А. Принципы управления состоянием бортов глубоких карьеров. Горный журнал, 1975, № 1, с. 38-40.

82. Санглер Г. Исследования грунтов методом зондирования.1. М.,Стройиздат, 1971.

83. Сапожников В.Т. Устойчивость бортов карьеров выпуклых в плане. Тр. ВНИМИ,сб. 104, с 84-87.

84. Сергеев Е.М. Инженерная геология. М., МГУ, 1978.

85. Справочник по механике и динамике грунтов. Под ред. В.Б.Швеца.Киев, "Будивельник", 1987.

86. Стрельцов В.И. Литомониторинг при пользовании недрами. Тр. ВИОГЕМ, 1985.

87. Сысоев Ю.М., Кузнецов Г.Н. Проектирование и строительство золоотвалов. М., Энергоатомиздат, 1990.

88. Терцаги К. Теория механики грунтов. М., Госстройиздат, 1966.

89. Томаков П.И., Коваленко B.C. Рациональное землепользование приоткрытых горных работах. М., Недра, 1984.

90. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Л., ВНИМИ, 1989. Авт.: Кутепов Ю.И., Норватов Ю.А., Кутепова Н.А.

91. Федоров И.С., Захаров М.Н. Складирование отходов рудообогащения. М., Недра, 1985.

92. Ферронский В.И., Грязнов Т.А. Пенетрационный каротаж. М., Недра, 1979.

93. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М., Недра, 1965.

94. Фисенко Г.Л., Мироненко В.А. Дренаж карьерных полей. М.: Недра, 1972.

95. Фисенко Г.Л., Ревазов М.А., Галустьян Э.Л. Укрепление откосов в карьерах. М., Недра, 1974.

96. Флорин В.А. Основы механики грунтов. M.-JI. Госстройиздат, т.1 иП, 1959.

97. Цытович H.A. Механика грунтов. М., Высшая школа, 1983.

98. ЮО.Цытович H.A., Зарецкий Ю.К., Малышев М.В. и др. Прогноз скорости осадок оснований сооружений. И., Изд-во литературы по строительству, 1967.

99. Методические указания по наблюдениям за деформациями бортов разрезов и отвалов и интерпретация их результатов и прогноз устойчивости. Л.: ВНИМИ, 1987.

100. Внедрены следующие результаты диссертационной работы Е.И. Кольцовой

101. Инженерно-геологическое обоснование применения гидромеханизированной технологии для разработки покровной толщи месторождения имени М.В. Ломоносова.

102. На основании сопоставления экскаваторно-автомобильной разработки покровных отложений с вариантом гидромеханизированной (с применением гидромониторно-землесосных комплексов) разработки определен следующий расчетный годовой экономический эффект

103. Э=(Сс+ЕКс)-(Сн+Е-Кн). • А, где Сс себестоимость экскаваторной разработки вскрыши, руб/м , Сс=50 руб/м (по данным ОАО «Севералмаз»);

104. Сн себестоимость гидромеханизированной разработки вскрыши, руб/м3, С„=25 руб/м3 (по данным АО «ОЖОН»);

105. Е отраслевой нормативный коэффициент эффективности капвложений, Е=0,15;

106. Кс и Кн старые и новые удельные капвложения, руб/м3; (Кс= 3,45 руб/м3), К„=0

107. А годовой объем работ, м (500 тыс. м ).

108. Э=(50,52-25)-500000=12760 тыс.руб.

Информация о работе

Кольцова, Елена Ильинична
кандидата технических наук
Москва, 2004
ВАК 25.00.16

Диссертация

Инженерно-геологическое обоснование конструкции карьерных откосов при разработке перекрывающей толщи Ломоносовского месторождения - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы