Геомеханическое обоснование устойчивости бортов карьеров в сейсмоактивных районах

Расширение объема ведения открытых горных работ в сейсмоопасных районах России, а также рост техногенной сейсмичности во многих горнодобывающих регионах с большими объемами извлеченной горной массы (Кузбасс, Кольский полуостров, многие районы Урала) делают весьма актуальной задачу учета сейсмического воздействия на устойчивость бортов карьеров. Кроме того в нормативной литературе либо не учитывается сейсмическое воздействие, либо рекомендованы коэффициенты сейсмичности исходя из устаревшей шкалы ГОСТ 6249–52.

Наибольший вклад в обоснование и совершенствование методов и способов постановки бортов карьеров на конечный контур внесли А. И. Арсентьев, Э. Л. Галустьян, A.M. Гальперин, С. С. Голушкевич,.

A.M. Демин, В. Г. Зотеев, A.A. Козырев, A.M. Мочалов, М. Е. Певзнер,.

B.Н. Попов, Т. К. Пустовойтова, В. В. Соколовский, Ю. И. Туринцев, Г. Л. Фисенко, П. С. Шпаков, A.W. Bishop, W. Fellenius, N. Janbu, N.R. Morgenstern, V.E. Price, S.K. Sarma, E. Spenser, K. Terzaghi и др. Основной количественный метод оценки устойчивости откосов и бортов карьеров связан с вычислением коэффициента запаса, который характеризуется отношением сумм всех сил, удерживающих откос, к сумме всех сил, сдвигающих его.

Сейсмические колебания оцениваются по двенадцатибалльной шкале интенсивности MSK-64. Расчеты естественных откосов и бортов карьеров, в районах с интенсивностью 7 баллов и выше, производятся с учетом сейсмичности. В изучение проблемы учета влияния сейсмического воздействия на природные склоны и прибортовые массивы карьеров, помимо упомянутых исследователей, существенный вклад внесли H.H. Маслов, Е. И. Медков,.

C.Н. Чернышов, P.P. Чугаев, Г. М. Шахунянц, K.W. John, N.M. Newmark и др. Разработанные к настоящему времени методы учета сейсмической нагрузки сводят динамическое воздействие к действию стационарной силы (псевдостатический подход) или, наоборот, переносят на землетрясения методы, разработанные для оценки влияния взрывов. Таким образом, существующие методы не учитывают длительность и спектральные характеристики сейсмического воздействия. Несмотря на сходство сейсмических и сейсмовзрывных волн, такой подход может приводить к существенным ошибкам. Поэтому разработка методики оценки сейсмического воздействия на прибортовой массив карьера является актуальной.

Цель диссертационной работы. Разработка рекомендаций для обеспечения устойчивости бортов карьеров в сейсмоактивных районах.

Основные задачи исследований:

1. Анализ развития техногенной сейсмической активности в Кузбассе.

2. Обоснование критериев моделирования статических и динамических процессов на эквивалентных материалах и физическое моделирование сейсмического воздействия на прибортовой массив карьера.

3. Установление характера воздействия сейсмических волн на борта карьеров в зависимости от их частоты и длительности.

4. Разработка рекомендаций по выбору необходимого коэффициента запаса устойчивости бортов карьеров для безопасной отработки месторождений в сейсмоактивных районах.

Идея работы. При обосновании устойчивости бортов карьеров в сейсмоактивных районах необходимо учитывать преобладающий период и длительность сейсмического воздействия.

Научная новизна:

— получена закономерность временного хода техногенной сейсмоактивности, заключающаяся в увеличении на порядок частоты сейсмических событий по сравнению с естественным фоном после проведения массовых взрывов на карьерах;

— выявлен двухстадийный характер воздействия сейсмических волн на процесс сдвижения вероятной призмы обрушения, оконтуренной наиболее напряженной поверхностью скольжения, включающий стадию подготовки сдвижения и стадию оползания.

— предложены критерии оценки вероятных последствий воздействия сейсмических волн на борта карьеров при различной интенсивности землетрясений.

Защищаемые положения:

1. Прибортовой массив угольных разрезов в регионах с развитой природной и техногенной сейсмичностью при ведении взрывных работ испытывает двухступенчатую динамическую нагрузку — от взрывных работ и от спровоцированных ими сейсмических событий.

2. Подобие при физическом моделировании совокупного влияния квазистатических и динамических процессов на устойчивость бортов карьеров обеспечивается с помощью выбора эквивалентных материалов за счет различия их упругих характеристик при динамических воздействиях разной интенсивности и аналогии механического поведения многофазных сред и горных массивов при сильном динамическом нагружении.

3. Влияние динамических нагрузок на устойчивость бортов карьеров усиливается с увеличением периода и длительности их воздействия, причем динамические нагрузки оказывают меньшее влияние, чем статические, равные им по величине.

Методы исследований. Обобщение и анализ международного опыта учета сейсмического воздействия на естественные откосы и борта карьеров. Анализ сейсмических каталогов Кузбасса. Физическое моделирование сейсмического воздействия на борт карьера. Применение стандартных и специализированных компьютерных программ для обработки результатов экспериментов.

Практическая значимость работы:

— Развитие метода учета сейсмического воздействия на устойчивость бортов карьера.

— Разработка рекомендаций по выбору необходимого коэффициента запаса устойчивости для безопасной отработки месторождений открытым способом в сейсмоактивных районах.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается соблюдением критериев подобия при физическом моделировании сейсмического воздействия на прибортовой массив карьера, статистической обработкой полученных результатов и сопоставлением с натурными данными.

Личный вклад автора заключается в анализе горнотехнической литературы по существующим методам учета сейсмического воздействия на откосы и борта карьеров, с последующей постановкой задач исследованийв проведении экспериментальных исследований на базе физического моделирования на эквивалентных материалах, обработке полученных результатов с использованием различного программного обеспеченияв сравнении и анализе полученных результатов с натурными данными, составлении рекомендаций по выбору коэффициентов запаса.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на конференции во Фрайбергской горной академии (Германия, Фрайберг, 2010 г.), на V Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (УрО РАН Екатеринбург, 2011), на международной научно-практической конференции «Наука и просвещение» (Киев, 2012), на международной научно-практической конференции «Открытые горные работы XXI века» (Красноярск, 2011), на XVIII Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» (Пенза, 2010 г.), на международной конференции «Современные проблемы геомеханики, геотехнологии, маркшейдерии и геодезии при разработке месторождений полезных ископаемых и освоении подземного пространства» в СПГГУ (2011), на заседаниях семинаров НЦ геомеханики и проблем горного производства и научно-технического совета по работе с аспирантами университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ (3 из них в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ), подано 4 заявки на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, изложенных на 198 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 25 таблиц и список литературы из 133 наименований.

Выводы к главе 4.

1. Показано, что выбор коэффициента запаса устойчивости в сейсмоопасных районах должен производиться на основании детального микросейсмического районирования, оценок максимально возможных магнитуд, а также локализации основных сейсмогенных разломов и потенциальных очагов землетрясений.

2. Установлено, что в сейсмически активных районах с максимальной интенсивностью колебаний 6 баллов магнитуд не выше 5−6 устойчивость бортов вполне обеспечивается нормативным коэффициентом запаса 1,3, однако при той же самой интенсивности колебаний, но вызванных мощными землетрясениями М=7−8, необходимо увеличение коэффициента запаса до 1,35−1,4. В сейсмически активных районах с максимальной интенсивностью колебаний 1=7 баллов устойчивость бортов карьеров будет обеспечиваться при коэффициенте запаса 1,4 при любой магнитуде. При максимальной интенсивности колебаний 1=8 и магнитуд ах землетрясения М=7−8 необходимо увеличить коэффициент запаса до 1,42−1,45.

3. Разработаны рекомендации по выбору необходимого коэффициента запаса устойчивости для бортов карьеров со слабыми контактами для безопасного ведения открытых горных работ в сейсмоактивных районах.

4. Разработана методика уточнения риска сейсмических колебаний для оценки устойчивости бортов карьеров с учетом предполагаемой длительности стояния борта.

5. Предложен способ укрепления уступов карьеров с помощью канатно-анкерной системы в сочетании с георешеткой и сеткой.

Заключение

.

Выполненная диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи — обоснование устойчивости бортов карьеров в сейсмоактивных районах за счет учета временных характеристик сейсмического воздействия землетрясений, таких как ускорение, частота, а также продолжительность колебаний.

Основные научные и практические результаты работы, выводы и рекомендации, полученные при выполнении исследований, заключаются в следующем:

1. Установлена зависимость временного хода техногенной сейсмичности Кузбасса от ведения взрывных работ на карьерах.

2. Обоснованы критерии моделирования квазистатических и динамических процессов на эквивалентных материалах. Разработана установка для моделирования сейсмического воздействия на борта карьеров.

3. Установлено, что сдвижение вероятной призмы обрушения, оконтуренной наиболее напряженной поверхностью скольжения, под воздействием сейсмических волн определяется сочетанием их параметровускорением, частотой и продолжительностью, при этом воздействие сейсмических колебаний состоит из двух стадий — времени подготовки смещения и непосредственно времени оползания.

4. Предложена классификация вероятных последствий воздействия сейсмических волн на борта карьеров при различной интенсивности землетрясений.

5. Показано, что выбор коэффициента запаса устойчивости в сейсмоопасных районах должен производиться на основании детального микросейсмического районирования, оценок максимально возможных магнитуд, а также локализации основных сейсмогенных разломов и потенциальных очагов землетрясений.

6. Разработаны рекомендации по выбору необходимого коэффициента запаса устойчивости для бортов карьеров со слабыми контактами для безопасного ведения открытых горных работ в сейсмоактивных районах.

7. Разработана методика уточнения риска сейсмических колебаний для оценки устойчивости бортов карьеров с учетом предполагаемой длительности стояния борта.

8. Предложен способ укрепления уступов карьеров с помощью канатно-анкерной системы в сочетании с георешеткой и сеткой.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

— в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России:

1. Павлович А. А. Методы определения прочностных свойств массива горных пород применительно к открытым горным работам // Записки Горного института.Т. 185. — 2010. — С.127−131.

2. Павлович А. А. Влияние сейсмических процессов на ведение открытых горных работ / Цирель С. В., Павлович А. А. // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 2011. — № 7. — С. 25−30.

3. Павлович А. А. Оценка влияния сейсмического воздействия на устойчивость бортов карьеров / С. В. Цирель, Б. Ю. Зуев, А. А. Павлович // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельные статьи (специальный выпуск).- 2012. — № 4. — С. 3−10.

— в остальных изданиях:

4. Павлович А. А. Особенности развития техногенной сейсмической активности и её влияние на устойчивость бортов карьеров / С. В. Цирель, А. А. Павлович // Материалы XVIII Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь». — Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010. — С. 142−144.

5. Pavlovich А.А. The problem of pit walls stability in the seismic risk zones / S.V. Tsirel, P.V. Borisova, A.A. Pavlovich // Scientific reports on resource issues — innovations in mineral industry Geology, Mining Metallurgy and Management, Freiberg, Germany. — 2010. — Volume 3. — pp. 257−260.

6. Павлович А. А. Техногенная сейсмичность при разработке месторождений открытым способом / С. В. Цирель, А. А. Павлович // Материалы V Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования». — Екатеринбург: УрО РАН, 2011.-С. 142−144.

7. Павлович A.A. О критерии разрушения Хоека-Брауна / C.B. Цирель, A.A. Павлович, А. Ю. Гаврюшенко // Материалы III Международной научно-практической конференции «Наука и просвещение». — Киев: «Простобук», 2011. — С.182−186.

8. Павлович A.A. Применение критерия разрушения Хоека-Брауна для геомеханического обоснования параметров бортов карьеров / C.B. Цирель, A.A. Павлович // Материалы III Международной научно-практической конференции «Наука и просвещение». Киев: «Простобук», 2011. — С. 187 191.