Цели и задачи геомеханики открытых горных работ

Курс лекций и методические указания

для студентов специальности “ОТКРЫТЫЕ ГОРНЫЕ РАБОТЫ”

Петрозаводск
2007 г

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ.............................................................................................................................. 4

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ГЕОМЕХАНИКИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ.......................... 7

ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ ГЕОМЕХАНИКИ ОГР............................................................. 13

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ КУРСА «ГЕОМЕХАНИКА ОГР»................................... 14

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА...................................................................................... 16

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В ГЕОМЕХАНИКЕ ОГР..................... 17

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ........................................................................................................ 17

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ.............................................................................................. 20

РАЗДЕЛ 1
НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. УСТОЙЧИВОСТЬ МАССИВОВ.................. 22

1.1. МЕХАНИКА ГОРНЫХ ПОРОД. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ, УЧИТЫВАЕМЫЕ ПРИ ОЦЕНКЕ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД............. 23

1.1.1. Реологические свойства грунтов........................................................................................... 27

1.1.2. Предельно-напряженное состояние грунтов........................................................................ 28

1.1.3. Определение физико-механических характеристик пород в массиве.............................. 28

1.1.4. Учет и оценка трещиноватости породы в массиве.............................................................. 31

1.1.5. Прогноз изменений в массивах горных пород.................................................................... 33

1.1.6. Физико-механические характеристики вечномерзлых четвертичных отложений.......... 34

1.2. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИРОДНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД 36

1.2.1. Геостатические напряжения в Земной коре....................................................... 40

1.2.2. Гравитационные силы и гравитационный перенос.......................................... 41

1.2.3. Геодинамические напряжения............................................................................. 47

1.2.4. Деформации и напряжения в горных породах.................................................. 47

1.2.5. Внутренний механизм разрушения горных пород............................................ 49

1.2.6. Особенности деформирования горных пород................................................... 50

1.2.7. Оценка напряженного состояния и деформаций массивов.............................. 53

1.2.8. Гипотезы напряженного состояния массива горных пород............................. 54

1.2.9. Прогнозирование напряженно-деформированного состояния массива
и геомеханичесих процессов......................................................................................... 56

1.3. УЧЕТ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ (ИГУ) ПРИ ОЦЕНКЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ И НАЗНАЧЕНИИ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПАСА УСТОЙЧИВОСТИ........ 58

1.3.1. Специальные горнотехнические характеристики............................................. 60

1.3.2. Формы залегание горных пород и их оценка.................................................... 61

1.3.3. Деформации горных пород.................................................................................. 62

1.4. ИЗМЕНЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ (ОГР)................................................................................ 70

1.5. ГОРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ................................................................................ 74

1.5.1. Влияние технологии работ (технологические параметры)
на интенсивность геомеханических процессов........................................................... 75

1.5.2. Влияние буро-взрывных работ (БВР)................................................................. 77

1.5.3. Учет дополнительных нагрузок от оборудования............................................. 79

1.5.4. Учет нагрузки от буро-взрывных работ.............................................................. 80

1.5.5. Другой метод учета нагрузок............................................................................... 80

1.5.6. Учет криволинейности борта............................................................................... 80

1.6. СКЛОНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ, ДВИЖЕНИЕ ГРУНТОВ НА СКЛОНАХ И ОТКОСАХ 82

1.6.1. Общие замечания................................................................................................... 82

1.6.2. Механизм деформирования и разрушения карьерных откосов....................... 86

1.6.3. Условия для образования оползней..................................................................... 89

1.6.4. Особенности развития оползней в глинистых грунтах.................................... 90

1.6.5. Типы оползней (по Ф.П. Соваренскому)............................................................ 90

1.6.6. Классификация оползней..................................................................................... 90

1.6.7. Характеристики оползня...................................................................................... 91

1.6.8. Признаки оползневых явлений........................................................................... 92

1.7. УСТОЙЧИВОСТЬ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПРОВЕДЕНИИ РАБОТ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ............................................................................................................................. 93

1.7.1. Общие положения по устойчивости массивов.................................................. 93

1.7.2. Основные направления технологии обеспечения
устойчивости выработок................................................................................................ 95

1.7.3. Методы расчета устойчивости карьерных откосов........................................... 96

1.7.4. Типовые схемы расчета устойчивости уступов бортов
карьеров и отвалов. 101

1.7.5. Графо-аналитические методы расчета устойчивости откосов....................... 103

1.7.6. Проверка устойчивости склона с заранее известной поверхностью скольжения 104

1.7.7. Проверка устойчивости склона при неизвестной заранее поверхности скольжения 105

1.7.8. Глинистые и трещиноватые твердые породы средней крепости.................. 106

1.7.9. Устойчивость твердых (скальных) горных пород........................................... 106

1.7.10. Меры борьбы с оползнями............................................................................... 108

1.7.11. Устройство котлованов и траншей в сухих и маловлажных грунтах
с вертикальными стенками без креплений................................................................. 109

1.7.12.Разработка котлованов и траншей с наклонными стенками
без креплений................................................................................................................ 110

1.7.13. Расчет устойчивости откосов борта карьера.................................................. 111

1.7.14. Устойчивость отвалов....................................................................................... 119

1.8. УКРЕПЛЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД............................................................................... 127

РАЗДЕЛ 2
ОБВОДНЕННОСТЬ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ И БОРЬБА С ОБВОДНЕНИЕМ........................................................................................................................ 130

2.1. ОБВОДНЕННОСТЬ КАРЬЕРОВ.................................................................................. 131

2.2. МЕРЫ БОРЬБЫ С ОБВОДНЕНИЕМ (ОСУШЕНИЕ)................................................ 143

2.3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДРЕНАЖА КАРЬЕРНЫХ ПОЛЕЙ....................................... 148

2.3.1. Системы и схемы осушения карьерных полей................................................ 148

2.3.2. Расчет притоков воды к карьеру и их осушение............................................. 152

2.3.3. Защита карьера от поверхностных вод............................................................. 152

2.3.4. Порядок расчета защиты карьера от поверхностных вод............................... 153

2.3.5. Расчет притоков воды к карьеру........................................................................ 157

2.3.6. Расчёт методом водного баланса....................................................................... 158

2.3.7. Выбор способа осушения и схем расположения дренажных устройств....... 162

2.3.8. Дренаж нерабочего борта карьера. Дренаж при слабых горизонтально залегающих песчано-глинистых породах....................................................................................................... 163

2.3.9. Дренаж рабочего борта карьера......................................................................... 164

РАЗДЕЛ 3
МОНИТОРИНГ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ (ГЕОМОНИТОРИНГ)..................... 165

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................................... 169

«… Победить природу можно только подчиняясь ей».
Философ Л. Сенека

ПРЕДИСЛОВИЕ

Деятельность человека по использованию ресурсов недр открытым способом (ОГР) неизбежно вызывает развитие в верхних слоях литосферы (ноосфере) геомеханических процессов, связанных с (рис. 1):

• изменением естественного состояния земной поверхности (рельефа) и природного напряженного состояния (s, t);

• деформированием (e);

• нарушением режима подземных и поверхностных вод;

• разрушением горных пород (потерей устойчивости) и с другими процессами.

Чтобы оценить степень изменения устойчивости массива при открытой разработке (ОГР) необходимо учитывать и прогнозировать факторы, влияющие на нее. Таких факторов много:

• литологический состав пород (генезис) и их физические свойства;

• прочность горных пород в массиве;

• трещиноватость массива;

• положение и направление поверхностей ослабления в массиве;

• обводненность массива и так далее.

Поэтому главная цель дисциплины «Геомеханика ОГР» выработать у будущих горных инженеров знаний, умений и представлений, необходимых для решения задач геомеханического обеспечения недроиспользования (МПИ), а именно: свойств и состояния массива горных пород и их изменения в процессе технологического воздействия (горные и горно-строительные) на массив горных пород.

Геомеханика ОГР базируется на хорошо обоснованных закономерностях механики сплошных сред (теоретическая основа). Но для несплошных (раздробленных) тел (трещиновато-блочных скальных пород, рыхлых горных пород и им подобным) требуется учет особых факторов – раздробленности (повышенная деформируемость). Это учитывается разделами общей механики грунтов: механика сыпучих сред, механика грунтовой массы, механика грунтов и другие (рис. 1).

Сложности и особенности, возникающие при добыче полезных ископаемых (МПИ) открытым способом (ОГР) сегодня приведены на рисунке 2, которые требуют учета новых, нетрадиционных методов расчета и организации открытых горных работ.

При подготовке лекций использованы материалы ведущих ВУЗов страны (Московского государственного горного университета, Санкт-Петербургского, Уральской государственной горно-геологической академии, Московского инженерно-строительного университета и других), научно-исследовательского института в области горного дела ВНИИМИ, а также личного опыта исследований устойчивости сооружений на БАМе и в Братском энергопромышленном районе в условиях сурового климата (t_m = -2, 6°С) и широкого распространения легковыветривающихся пород (алевролитов и аргеллитов).

Рис. 1. Геомеханические процессы в массивах горных пород

Рис. 2. Сложности и особенности, возникающие сегодня при добыче полезных ископаемых открытым способом

«… Науки, которые не родились из эксперимента,
этой основы всех познаний,
бесполезны и полны заблуждений»
Леонардо да Винчи

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ГЕОМЕХАНИКИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ

Полезные ископаемые (МПИ) – главная часть природного богатства недр. Разработка большинства (более 2/3 по объему) твердых полезных ископаемых в ближайшей перспективе будет осуществляться открытым способом (ОГР).

Геомеханика изучает равновесие массива горных пород под воздействием каких угодно сил (статика, кинематика, динамика). Закономерное увеличение глубины и объемов открытых горных работ и, как правило, усложнение геологических, гидрогеологических и инженерно-геологических условий разработки (см. рис. 2) определяют качественно новый подход к обеспечению устойчивости бортов глубоких карьеров и высоких отвалов. Геомеханика ОГР рассматривает вопросы устойчивости карьерных откосов, оценки несущей способности естественных и искусственных оснований, прогноза деформаций, сдвига и уплотнений бортовых и отвальных массивов, направленного изменения и контроля состояния массивов пород в бортах карьеров, а также техногенных отвалов. С вовлечением в отработку обводненных полезных ископаемых усложняются все работы, а поэтому необходимо придавать большое значение осушению и водоотливу на карьерах.

Геологические и гидрогеологические объекты мы воспринимаем и познаем в форме различных моделей. В настоящее время эти модели в основном типизированы. Модель считается объективной, если выполняются три условия:

· описание;

· предсказание;

· контроль.

Это означает, что с помощью модели мы проникаем в существо объекта, выражая его в тех или иных характеристиках, можем прогнозировать его поведение, а также управлять ими, изменяя его так, что заранее знаем результат (рис. 3).

Состояние массива горных пород при открытых горных работах определяют:

· выбор модели деформирования (главнейшая задача);

· схема расчета устойчивости (зависит от выбора модели деформирования);

· виды возможных деформаций;

· методы контроля деформаций;

· методы направленного воздействия на массив.

Эти вопросы и составляют основу данных лекций (рис. 4 – 6).

Учебные задачи курса «Геомеханика ОГР»:

1. Подготовка к выполнению курсового проекта (работы);

2. Подготовка к выполнению разделов дипломного проекта (выпускной работы).

Условно дисциплина разделена на два основных раздела (части):

I. Связанный непосредственно с устойчивостью бортов карьеров и отвалов;

II. Связанный с проведением мероприятий по осушению карьерных полей.

Рис. 3. Состав дисциплины «Геомеханика»

Рис. 4. Связь курса «геомеханика ОГР» с другими дисциплинами

Рис. 5.

Рис. 6. Основное содержание и разделы курса «Геомеханики ОГР»

Рис. 7. Цели и задачи курса геомеханики ОГР