Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Научно-методические основы открытой разработки рудных месторождений в условиях высокогорья

ВАК РФ 25.00.12, Геология, поиски и разведка горючих ископаемых

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктор технических наук, Усманов, Салават Фаргатович, Бишкек

72 12/5

Национальная академия наук Кыргызской Республики Институт геомеханики и освоения недр

На правах рукописи УДК 622.012.3

Усманов Салават Фаргатович

Научно-методические основы открытой разработки рудных месторождений в условиях высокогорья

25.00.12 Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная

аэрогазодинамика и горная теплофизика 25.00.22 Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических

наук

Научные консультанты:

Академик HAH KP д.т.н. В.И. Нифадьев Член-корр. HAH KP д.т.н. К.Ч. Кожогулов

Бишкек - 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................. 5

ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы...................... 13

1.1. Особенности разработки высокогорных месторождений......... 13

1.2. Анализ методов оцеки устойчивости бортов карьеров........... 23

1.3. Современные вычислительные средства оценки устойчивости бортов карьеров............................................... 50

1.4. Анализ моделирования воздействия массовых взрывов на распределение напряжений в породном массиве................... 57

1.5. Выводы по главе.......................................... 66

ГЛАВА 2. Трехмерное моделирование напряженно-деформированного состояния породных массивов.................................. 68

2.1. Постановка задачи......................................... 68

2.2. Описание кластерного вычислительного комплекса для трехмерного моделирования.................................... 74

2.3. Программное обеспечение трехмерного моделирования методом конечных элементов........................................... 83

2.4. Формирование объемной модели и задание граничных условий ... 87

2.5. Расчет статического напряженно-деформированного состояния борта карьера................................................. 91

2.6. Выводы по главе.......................................... 95

ГЛАВА 3. Разработка методик оценки устойчивости бортов высокогорных карьеров с учетом различных статических и динамических воздействий..................................... 96

3.1. Разработка методики оценки устойчивости бортов карьеров и геотехнических сооружений под действием гравитационных сил, внешней статической и динамической нагрузок.................... 96

3.2. Методика построения поверхности скольжения прибортового массива по результатам трехмерного моделирования напряженно-

деформированного состояния................................... 101

3.3. Обоснование комплексного критерия устойчивости открытых горных обнажений по результатам численного моделирования геомеханических процессов.................................... 106

3.4. Разработка методики оценки устойчивости бортов с учетом сейсмичности региона......................................... 110

3.5. Выводы по главе.......................................... 127

ГЛАВА 4. Разработка методик и оценка влияния массовых взрывов на устойчивость бортов карьеров.................................. 128

4.1. Аналитические методы моделирования динамических воздействий

на породный массив........................................... 128

4.2. Численное моделирование динамического воздействия на массив горных пород................................................. 132

4.3. Оценка влияния массовых взрывов на устойчивость борта карьера. 137

4.4. Выводы по главе.......................................... 143

ГЛАВА 5. Обоснование методик проектирования буровзрывных работ

и определения параметров бортов карьеров и отвалов высокогорных месторождений............................................... 144

5.1. Обоснование методики проектирования буровзрывных работ с учетом сейсмического воздействия на прибортовой массив......... 144

5.2. Методика установления предельных углов наклона откосов в карьерах..................................................... 154

5.3. Обоснование методики определения предельной высоты отвалов

при отсыпке их на ледниках.................................... 163

5.4. Обоснование параметров технологии контурного взрывания..... 169

5.5. Выводы по главе.......................................... 185

6. Геомеханическое обоснование безопасной открытой отработки

Кумторского месторождения.................................... 186

6.1. Краткая горно-геологическая характеристика Кумторского месторождения............................................... 186

6.2. Анализ физико-механических свойств пород месторождения..........192

6.3. Характеристика обрушений бортов карьера........................................195

6.4. Трехмерное напряженно-деформированное состояние прибортового массива..................................................................................198

6.5. Оценка устойчивости отвалов при отсыпке их на ледник................209

6.6. Выводы по главе....................................................................................217

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................219

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ....................................222

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................238

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В настоящее время в мире открытым способом добывается более 70% полезных ископаемых, из них около 100% строительных материалов, флюсового и огнеупорного сырья, формовочных песков, сырья для керамики, 75% горно-химического сырья, 70% угля, 60% руд черных и 50% цветных, редких и радиоактивных металлов. При этом все возрастающие потребности общества в минеральном сырье требуют освоения месторождений полезных ископаемых, расположенных в климатически сложных, труднодоступных условиях высокогорья. Причем для ряда государств разработка высокогорных месторождений является экономической необходимостью. К ним в полной мере следует отнести и Кыргызстан.

Высокогорные рудные месторождения расположены в сложных горногеологических условиях и массивах со сложной, крайне неоднородной геологической структурой. Карьеры в высокогорных районах имеют сложный рельеф и топографическую поверхность. Все это формирует и сложное пространственное распределение напряжений в массивах высокогорных месторождениях.

Одним из важнейших факторов, влияющих на экономическую эффективность разработки высокогорного месторождения, является обеспечение устойчивости бортов карьеров и отдельных уступов. При этом современные требования к оценке устойчивости бортов карьеров предполагают анализ напряженно-деформированного состояния в трехмерной постановке. В настоящее время трехмерное моделирование напряженно-деформированного состояния породных массивов не нашло широкого применения вследствие высокой трудоемкости, сложности подготовки исходных данных и анализе результатов, а также сложности в определении поверхности скольжения и оценке устойчивости породного массива по результатам численного моделирования. Однако без учета

пространственного распределения поля напряжений адекватно прогнозировать устойчивость склонов невозможно. Следует также отметить, что до настоящего времени недостаточно исследован вопрос влияния массовых взрывов на распределение напряженно-деформированного состояния, слагающего борт высокогорного карьера.

Анализ существующих методов оценки устойчивости горных выработок высокогорных карьеров показывает, что еще в недостаточной мере используются вычислительные ресурсы и методы на основе кластерных компьютерных комплексов.

Несмотря на достигнутые успехи, не полностью обоснованы методики учета влияния различных статических и динамических нагрузок на распределение напряженно-деформированного состояния породного массива, оценки устойчивости бортов высокогорных карьеров с учетом сейсмичности региона и массовых взрывов, недостаточно обоснованы параметры бортов карьеров и отвалов высокогорных месторождений. Связь темы диссертации с основными научно-исследовательскими работами: Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Кыргызско-Российского Славянского университета и деятельностью Международного научно-технического центра «Автоматизированная подготовка производства на карьерах» (№ гос. регистрации #KR-566, 2002-2006 гг.); «Создание информационно-вычислительного комплекса на базе высокопроизводительного кластера» (№ гос. регистрации #KR-920, 2005-2008 гг.), раздел «Моделирование напряженно-деформированного состояния горных массивов» (2005-2008гг.); «Прогнозирование оползневых явлений на основе изучения механизмов обрушения естественных и искусственных склонов в условиях высокогорья Кыргызской Республики» (№ гос. регистрации #KR-1668, 2009-2011гг.); «Разработка методов и средств оценки устойчивости горных склонов на основе численного моделирования геомеханических процессов» (№ гос. регистрации КР-09, 2002-2004 гг.).

Целью диссертационной работы является разработка научно-методических основ оценки устойчивости бортов высокогорных карьеров с учетом сейсмичности региона и воздействия массовых взрывов. Основная идея работы заключается в повышении эффективности открытых горных работ в условиях высокогорья за счет обеспечения устойчивого положения горнотехнических сооружений на основе достоверного прогноза геомеханического состояния и учета различных факторов на распределение поля напряжений. Задачи исследований:

1. Выявить основные особенности разработки месторождения открытым способом в условиях высокогорья и влияние этих особенностей на напряженно-деформированное состояние прибортового массива.

2. Разработать информационно-вычислительную систему моделирования пространственного напряженно-деформированного состояния на базе высокопроизводительного кластера.

3. Разработать методику оценки устойчивости горнотехнических сооружений по результатам численного трехмерного моделирования напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов.

4. Усовершенствовать комплексный критерий устойчивости горных обнажений по результатам численного моделирования.

5. Создать методику моделирования действия сейсмического возмущения для региона месторождения.

6. Разработать методику моделирования динамического воздействия массового взрыва на распределение напряженно-деформированного состояния породного массива.

7. Обосновать методику определения геометрических параметров бортов карьеров и отвалов высокогорных месторождений.

Методы исследований: Для решения вышеизложенных задач изучено современное состояние проблемы, применялся комплекс широко

апробированных методов исследований: анализ и обобщение научного и практического опыта по проблеме, методы вычислительного моделирования, анализ и обобщение результатов исследований. Научные положения, выносимые на защиту:

1. Параметры напряженно-деформированного состояния породного массива высокогорных карьеров со сложным рельефом достоверно описываются только с учетом пространственного распределения поля напряжений. При этом моделирование напряженно-деформированного состояния породного массива в условиях высокогорья должно производиться с учетом комплекса статического и динамического воздействий различных факторов, определяющих устойчивость породных обнажений.

2. Устойчивость открытых горных обнажений высокогорных месторождений по результатам численного моделирования напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов определяется по комплексному критерию, который устанавливается следующим образом:

а) если коэффициент запаса устойчивости по поверхности наиболее вероятного разрушения меньше единицы - массив не устойчив;

б) если на свободную поверхность выходит зона разрушения, в которой напряжения превышают предел прочности на разрыв - массив не устойчив;

в) если вычислительный процесс, связанный с итерационным методом решения нелинейных задач расходится - массив не устойчив.

3. Новая методика построения линии вероятного разрушения прибортового массива по результатам численного моделирования, заключающаяся:

для двухмерного моделирования: в построении эпюр максимальных касательных напряжений перпендикулярно склону с определенным шагом, в определении точки экстремума для

каждой эпюры, в соединении этих точек в одну линию, которая и будет определять линию разрушения; - для трехмерного моделирования: в построении поверхности скольжения по максимальным касательным напряжениям вдоль плоскостей перпендикулярных свободной поверхности.

4. Наличие структурных неоднородностей массива существенно влияет на распределение взрывной волны вызванной действием массовых взрывов. Прослойка из слабых пород поглощает энергию волны, прослойка из крепких пород отражает динамическую волну, что усиливает действие массового взрыва на приконтурную область.

5. Методика проектирования буровзрывных работ, которая обеспечивает особый подход к проектированию в приконтурных зонах и заключается в проектировании отрезной щели или особой конструкции заряда и схемы коммутации.

6. Методика определения геометрических параметров высокогорных карьеров, учитывающая структуру массива, рельеф поверхности месторождения и распределение напряжений в породных массивах.

Научная новизна:

1. Выявлены основные особенности разработки месторождения открытым способом в условиях высокогорья, установлено влияние этих особенностей на напряженно-деформированное состояние прибортового массива.

2. Разработана информационно-вычислительная система моделирования пространственного напряженно-деформированного состояния на базе высокопроизводительного кластера, состоящая из набора программных комплексов подготовки расчетных данных, моделирования и представления результатов.

3. Разработана методика оценки устойчивости бортов карьеров по результатам численного моделирования трехмерного напряженно-деформированного состояния. Сущность методики состоит в

построении поверхности скольжения по распределению касательных напряжений и определения коэффициента запаса устойчивости вдоль этой поверхности.

4. Усовершенствован комплексный критерий устойчивости горных обнажений по параметрам вычислительного процесса и результатам численного моделирования.

5. Создана методика моделирования воздействия землетрясения для сейсмической активности региона месторождения на основе численного моделирования напряженно-деформированного состояния.

6. Разработана методика численного моделирования динамического воздействия массового взрыва на распределение напряженно-деформированного состояния породного массива.

7. Обоснована методика определения геометрических параметров бортов карьеров и отвалов высокогорных месторождений.

Достоверность научных положений и выводов: Полученные результаты обоснованы и доказаны, а также подтверждены внедрением рекомендаций и выводов, полученных в диссертационной работе в практику оценки устойчивости бортов карьеров высокогорных месторождений, апробированы на конференциях, в том числе на международных. Личный вклад диссертанта состоит:

- в анализе методов и средств оценки устойчивости горнотехнических сооружений под воздействием различных факторов;

- в разработке методики построения поверхности скольжения по результатам численного моделирования напряженно-деформированного состояния;

- в усовершенствовании методики оценки устойчивости бортов карьеров и откосов уступов по результатам численного моделирования напряженно-деформированного состояния породного массива;

- в создании программно-технического комплекса моделирования напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- результаты исследований напряженно-деформированного состояния массива горных пород могут быть использованы для оценки устойчивости бортов высокогорных карьеров;

- результаты моделирования действия природного землетрясения на породный массив может использоваться для учета сейсмичности региона при проектировании бортов карьеров и отвалов высокогорных месторождений;

- результаты численного моделирования действия массового взрыва на породный массив могут быть использованы для оптимизации массовых взрывов и уменьшения их воздействий на борт карьера;

Реализация результатов работы: Основные результаты диссертации внедрены на карьере Кумтор, ЗАО «Азиярудпроект» и используются в учебном процессе Кыргызско-Российского Славянского университета, Российского университета дружбы народов, Кызыл-Кийского института природопользования и геотехнологий КГТУ им. И. Раззакова. Апробация работы: Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- Международном семинаре «Конверсионный потенциал Кыргызской Республики и проекты МНТЦ» (7-12 сентября 1998 г, Международный научно-технический центр, Бишкек);

- XVII Международной конференции «Математическое моделирование в механике сплошных сред на основе методов граничных и конечных элементов» (22-25 июня 1999 г, Санкт-Петербургский научный центр РАН, Санкт-Петербург);

- Международной конференции «European Geophysical Society. 25th General Assembly» (17марта 2000 г, г. Европейское геофизическое общество, Ницца, Франция);

- Sixth ISTC Scientific Advisory Committee Seminar. Science and Computing (International Science and Technology Center, September 15-17, 2003, Moscow);

- Международных конференциях «Ресурсовоспр�