Использование компьютерной модели камнепада для обоснования параметров бортов карьера Каюмова А.Н. Институт горного дела Лаборатория геомеханики подземных сооружений Екатеринбург, 2009

Актуальность проблемы. В соответствии с требованиями «Единых правил безопасности», действовавших ранее, борт карьера конструировали по регламентированным параметрам уступов. Положение изменилось в 1992 году с вводом в действие ЕПБ. Таким образом, появилась возможность угол наклона борта и, соответственно, его конструкцию оценивать, исходя из геомеханических критериев. При конструировании профиля борта карьера наряду с устойчивостью, следует учитывать фактор камнепада. Однако степень влияния фактора камнепада остается слабоизученной, что не позволяет выработать достаточно обоснованные решения по оптимальному конструированию бортов карьеров.

Цель работы является выявление зависимостей движения камней по откосам и уступам для определения оптимальных параметров борта карьера с учетом камнепада, обеспечивающих эффективную и безопасную разработку месторождений полезных ископаемых открытым способом. Идея работы заключается в использовании закономерностей движения падающих камней для определения главных параметров отдельных уступов и борта в целом. Объектом исследования является процесс камнепада при открытой разработке полезных ископаемых, а предметом исследования закономерности движения камней по уступам и горизонтальным площадкам карьеров

Эволюция методов, применяемые при изучении явления камнепада

Геомеханическая модель участка борта карьера Рисунок 2.3 – Схема профиля откоса, где α – угол наклона откоса, R – радиус куска горной породы, G – вес обломка, F- сила трения

Рисунок Схемы движения камней по откосам (по Н.М.Ройнишвили): а – скатывание по относительно ровному однообразному откосу; б - незатухающее скачкообразное движение по неровному крутому откосу; в – скачкообразное движение по относительно ровному однообразному откосу при падении камня с некоторой высоты на поверхность откоса; г – то же, при ударе скатывающегося камня о резкую неровность поверхности откоса

Свойства горных пород. Плотность наиболее распространенных горных пород изменяется в пределах 2,6 – 3,3 т/м 3. Коэффициенты, характеризующие упруго-пластические свойства падающих камней и поверхности откоса. Используя многочисленные экспериментальные исследования в этой области можно принять следующие значения коэффициентов: коэффициент восстановления нормальной составляющей скорости ρ = 0,3 - 0,7; коэффициентов мгновенного трения λ = 0,3 -0,5; коэффициент трения скольжения k ск. = 0,2 - 0,5; коэффициент трения качения k тр.кач.. = 0,2 - 0,7. Параметры неровностей поверхности откоса в меньшей степени оказывают влияние на характер движения камней, но тем не менее задаются в модели следующим образом: амплитуда А = 0,15 - 0,2 м, длина волны неровности L = 1, 5 – 2 м (рисунок 3.7). Рисунок Определение параметров неровности поверхности уступа Параметры камней Рисунок Виды форм кусков породы, представленные в программном продукте ROXIM, где с и d – ширина и длина кусков породы для моделирования камнепада

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Рисунок Один из блоков программы ввода данных для проведения компьютерного моделирования

Реализация входных параметров процесса камнепада на компьютерной модели Рисунок Схема уступа α - угол наклона, h - высоту уступа, b - прилегающая к уступу горизонтальная берма определенной ширины Профиль уступа в компьютерной программе Рисунок Схема к определению координат точек пересечения линий, составляющих профиль уступа на компьютерной модели, где x к - абцисса точки С

Представление результатов компьютерного моделирования Рисунок Результаты компьютерного моделирования: а – траектория движения камней, б – гистограмма распределения камней по горизонтальной берме

Рисунок 3 – Траектория движения камней на уступе высотой 7,5 м и различном угле наклона уступа: а)45градусов, б)55 градусов, в)70 градусов, г)85 градусов Рисунок 4 – Траектория движения камней на уступе высотой 15 м и различном угле наклона уступа: а)45градусов, б)55 градусов, в)70 градусов, г)85 градусов

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ КАМНЕПАДА ОТ ГЕОМЕТРИИИ ОТКОСА Рисунок Параметры первичного отскока: h о - высота первичного отскока, d – ширина первичного отскока, f – положение максимального отскока на берме от нижней границы уступа

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ КАМНЕПАДА ОТ ГЕОМЕТРИИИ ОТКОСА Рисунок 4.7 – Зависимость максимальной высоты первичного отскока от угла наклона уступа

Рисунок 5 - Распределение камней на горизонтальной берме на уступе высотой 7,5 м и различном угле наклона: а)45градусов, б)55 градусов, в)70 градусов, г)85 градусов Рисунок 6 - Распределение камней на горизонтальной берме и уступе высотой 15 м и различном угле наклона уступа: а)45градусов, б)55 градусов, в)70 градусов, г)85 градусов

Исследование зависимости дальности распределения камнепада от геометрии рабочего уступа

Исследование зависимости дальности распределения камнепада от геометрии рабочего уступа Таблица Зависимость дальности распределения обломков горной породы по поверхности рабочей площадки от параметров уступа

Выбор параметров Северо-Западного борта Главного карьера Качканарского ГОКа Рисунок – Фото деформированного Северо-западного борта Главного карьера Качканарского ГОКа Обоснование модели Вариант 1: Н = 15 м, α = 75º, b = 15 м. Вариант 2: Н = 15 м, α = 60º, b = 10 м; Вариант 3: Н = 7,5 м, α = 75º, b = 7 м; Вариант 4: Н = 7,5 м, α = 60º, b = 4,5м. b H α Рисунок Основные параметры уступа, где Н – высота уступа, α – угол заоткоски уступа, b – ширина бермы

Таблица Исходные данные, необходимые для моделирования

Рисунок Вариант 3. Параметры камнепада при конструкции борта карьера с уступами h = 7,5 м, = 75 с предохранительным валом высотой 0,5 м, а - траектория движения камней по уступу, б - количественное распределение камней по берме

Рисунок Вариант 2. Траектория движения кусков породы по уступам h = 15 м, = 60 с предохранительным валом высотой 1,5 м Рисунок Вариант 2. Траектория движения кусков породы по уступам h = 15 м, = 60 с предохранительным валом высотой 2 м

Выбор параметров юго-западного борта Меднорудянского карьера Обоснование модели Конструкции борта карьера с параметрами: вариант 1 Н = 10 м, α = 45º, b = 3,5 м, вариант 2 Н = 20 м, α = 45º, b = 6 м, удовлетворяют требованиям проекта отработки Меднорудянского карьера и позволяют выполнить условие обеспечения проектного угла наклона борта карьера, равного 37 º.

Результаты моделирования Таблица Параметры камнепада при различных вариантах конструкции борта карьера Обоснование модели Таблица 5.1 – Исходные данные, необходимые для моделирования

Рисунок Параметры камнепада при конструкции борта карьера с параметрами уступа (вариант 2) H = 20 м, α = 45º, b = 6 м и предохранительным валом высотой 1 м где а – траектория движения камней, б – количественное распределение камней по берме

Исследование особенностей камнепада в рабочей зоне карьера Рисунок Параметры камнепада при конструкции рабочих уступов с параметрами H = 5 м, α = 60º где а – траектория движения камней, б – количественное распределение камней по берме Выводы: - размеры опасной зоны ограничиваются дальностью распределения камней по рабочей площадке, которая составила 5 м; нахождение людей в этой зоне опасно, в связи с проявлениями камнепада, - для горного оборудования, работающего в карьере, нахождение на расстоянии 0,6 м от нижней бровки уступа может повлечь нанесение механических повреждений от камней и кусков породы, отделяющихся от наклонной поверхности откоса.

Заключение 1. При помощи компьютерного моделирования процесса камнепада выявлены зависимости параметров камнепада от главных параметров бортов карьеров. 2. Моделирование камнепада позволяет выбрать оптимальную конструкцию откоса и борта карьера в целом и определить параметры защитных сооружений на предохранительной берме. 3. Применение результатов исследований закономерностей камнепада для определения параметров разработки Северо-западного борта Главного карьера Качканарского ГОКа, на котором возникли проблемы с обеспечением устойчивости массива и проявлениями камнепада всвязи с развитием деформаций на этом участке, позволило оценить предложенные варианты конструкции борта карьера по фактору опасности камнепада. В результате для неоднородного и раздробленного массива горных пород северо-западного участка Главного карьера в предельном положении рекомендуются уступы высотой 7,5 м, углом заоткоски 75º, шириной предохранительной бермы 7 м с обязательным условием – наличием предохранительного вала высотой не менее 0,5 м. 4. В условиях деформированного массива горных пород юго-западного борта Меднорудянского карьера Высокогорского карьера, где открытые работы производятся в зоне сдвижения горных пород от подземных разработок прошлого века, конструкция борта карьера с параметрами Н = 20м; α = 45 о ; шириной предохранительной бермы 6 м является наиболее приемлемой и обеспечивающей безопасность горных работ в карьере от камнепада людей и горнодобывающего оборудования, работающих на нижележащих горизонтах. 5. Исследования камнепада, проведенные для рабочих уступов Меднорудянского карьера, позволили определить размеры опасной зоны около нижней бровки уступа, которая ограничивается дальностью распределения камней по рабочей площадке (по результатам исследований составила 5 м). 6. Для условий Тейского карьера поведены работы по определению достаточной ширины предохранительной бермы, обеспечивающей безопасность работ на нижележащих горизонтах. В итоге реккомендована ширина предохранительной бермы минимальная по проекту - 8 метров для уступов высотой м, с обязательным наличием предохранительного вала, высотой 2 м, или забора, высотой 1,5 м, и наличием щебеночной подушки из крупного щебня с одновременным формированием небольшого (2-3 градуса) обратного уклона бермы.