научная статья по теме ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОТСЫПКИ ОТВАЛОВ «СУХИХ» ПОРОД НА ГИДРООТВАЛАХ Геология

Текст научной статьи на тему «ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОТСЫПКИ ОТВАЛОВ «СУХИХ» ПОРОД НА ГИДРООТВАЛАХ»

ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2015, № 3, с. 220-225

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

УДК.623.131

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОТСЫПКИ ОТВАЛОВ "СУХИХ" ПОРОД НА ГИДРООТВАЛАХ

© 2015 г. Ю. И. Кутепов*, Н. А. Кутепова*, М. А. Карасев*, Н. Г. Фоменко**

*Национальный минерально-сырьевой университет "Горный", 21-я линия В.О., г. Санкт-Петербург,

199155 Россия. E-mail: koutepovy@mail.ru ** ОАО "УК" Кузбассразрезуголь", филиал "Талдинский угольный разрез", Новокузнецк, 654054

Россия. E-mail: fomenko@tld.kru.ru

Поступила в редакцию 15.09.2014 г.

Рассмотрены геомеханические аспекты проблемы формирования отвалов сухих пород на намывных массивах гидроотвалов. В Эйлеровой постановке выполнено численное моделирование процессов внедрения дезинтегрированных скальных пород в слабые намывные грунты; получена картина формоизменения и трансформирования структуры намывного массива в зависимости от интенсивности его нагружения при отвалообразовании.

Ключевые слова: гидроотвал, намывной массив, сухие отвалы, численное моделирование, Эйлерова постановка, геодинамические процессы, трансформация формы.

ВВЕДЕНИЕ

При разработке угольных и рудных месторождений полезных ископаемых открытым способом в России применяется гидромеханизация, сопровождающаяся гидромониторной разработкой вскрышной толщи с последующей гидравлической транспортировкой и намывом дезинтегрированных водонасыщенных грунтовых масс (пульпы) в специальные отвальные сооружения - гидроотвалы. За все время использования данного способа в Кузбассе и Курской магнитной аномалии (КМА) было удалено соответственно 1 и 0.5 млрд. м3 пород глинистого и глинисто-мелового состава. Для размещения таких объемов в гидроотвалы потребовалось изъять из сфер сельскохозяйственного и лесного производства значительные площади ценных земель. Так, в Кузбассе для гидравлического складирования вскрышных пород построено более 50 сооружений общей площадью около 7000 га, различной высоты, площади и емкости. Намывные массивы гидроотвалов сложены водонасыщенными отложениями, характеризующимися большой влажностью, сильной сжимаемостью и низкой прочностью.

Одно из направлений рационального землепользования при разработке месторождений полезных ископаемых (МПИ) - размещение отвалов вскрышных на территориях гидроотвалов, эксплуатация которых прекращена. Однако отва-

лообразование на слабом намывном основании осложнено опасными геодинамическими процессами, которые создают определенные риски для работы людей и горнотранспортных механизмов [1, 2]. Обеспечение безопасности в данном случае базируется на изучении и прогнозировании деформационного поведения системы "отвал -гидроотвал".

Обычно гидроотвалы располагают в оврагах и балках, формируя техногенные геологические тела - намывные массивы сложной формы, ограниченной снизу поверхностью существующего рельефа, сверху - практически горизонтальной поверхностью карты намыва, с боков - откосами сооружения. Отсыпка отвалов на гидроотвалах сопровождается оползнями подподошвенного типа (рис. 1а) и деформациями оседания (рис. 16), которые постепенно приводят к трансформации намывного массива. Выдавливание слабых грунтов весом отсыпаемой насыпи сокращает мощность намывных пород под отвалом и увеличивает ее перед фронтом отвалообразования.

В зависимости от высоты отвального яруса, направления и интенсивности развития отвальных работ на гидроотвале, а также его инженерно-геологических условий, сформированный первоначально намывной массив изменяет свои размеры и форму, что сказывается на условиях консолидации пород, параметрах природно-тех-

Рис. 1. Виды деформаций отвалов на гидроотвалах (а и б см. объяснение в тексте).

нической системы (ПТС) "отвал - гидроотвал" и устойчивости ее откосов. Поэтому при обосновании безопасных параметров и технологии от-валообразования на гидроотвалах весьма важная задача - прогнозирование величины внедрения отвальной насыпи в намывной массив, изменения мощности и формы последнего.

В настоящее время отсутствуют стандартные методы расчета рассмотренных деформационных процессов, что связано, по всей видимости, со значительными величинами пластических деформаций в намывных грунтах. В работе сделана попытка разработать эффективный метод математического моделирования геомеханических процессов в массивах, сложенных слабыми водона-сыщенными грунтами, нагруженных отвальными насыпями. Необходимо также отметить, что в процессе отсыпки пород сухого отвала на намывные грунты происходит не только их внедрение с выдавливанием последних, но и формирование в нагружаемом массиве избыточного порового давления, рассеивание которого может продолжаться длительное время - от нескольких до десятков лет. В данной работе вопросы рассеивания по-рового давления и уплотнения грунтов под действием веса отсыпаемого сухого отвала, а также устойчивости откосов ПТС не рассматриваются.

МЕТОД МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Традиционно при выполнении численного моделирования геомеханических процессов используется метод конечных элементов (МКЭ) в Ла-гранжевой постановке, в которой материал жестко связан с узлами элементной сетки, и смещения узлов приводят к деформациям элементов (рис. 2

221

а, б). В такой постановке достаточно просто оперировать граничными условиями и отслеживать их изменения в процессе численного моделирования. Однако при наличии больших деформаций происходит значительное искажение элементной сетки, что с определенного момента приводит к накоплению недопустимых погрешностей при определении первичных (усилия, перемещения) и вторичных переменных (напряжения и деформации), а в последующем - к значительному расхождению решения.

Альтернатива Лагранжевой постановке -Эйлерова постановка, в которой узлы элементной сетки остаются неподвижными, а материал перемещается через элементную сетку (рис. 2 в, г). Такой подход исключает искажения элементной сетки, качество которой определяется только ее начальным состоянием. Однако отслеживать свободные поверхности, характеризующие границы материала весьма трудоемко. В Эйлеровой постановке элемент может быть заполнен материалом не на 100% (см. рис. 2 г).

Эйлерова постановка применяется при решении нелинейных проблем, включая задачи об экстремальных контактных условиях, значительных деформациях и перемещениях тела, динамических процессах, задачах, связанных с повреждениями, разрушением, эрозией.

При отсыпке сухих пород отвала ожидается их значительное внедрение в намывные грунты, которое будет сопровождаться очень большими де-

б

а

г

в

Рис. 2. Взаимосвязь между элементной сеткой и материалом в Лагранжевой постановке (а, б) и Эйлеровой постановке (в, г).

формациями. Решение такой задачи в Лагранже-вой постановке с применением неявных методов анализа весьма затруднено, тогда как Эйлерова постановка и явный динамический метод анализа позволяют достаточно эффективно решать такой класс задач.

При явном методе численного анализа уравнение движения записывается в форме приращений следующим образом:

Ми = Р -I,

(1)

где М- узловая матрица масс; и - вектор узловых ускорений; вектор Р -внешних и I - внутренних сил.

Ускорение в начале данного инкремента t вычисляется как:

«1(0 = (М)-1 (Р - 1)|(0. (2)

Проинтегрировав ускорения по времени и воспользовавшись правилом центрального дифференцирования, получим изменение скорости при постоянном ускорении. Для того, чтобы определить скорость в середине данного инкремента, изменение скорости добавим к величине скорости, полученной в середине предыдущего инкремента:

(Д 1 (t+р)+)) . -2-и ^). (3)

дЛ =.

Дt

Проинтегрировав скорость по времени и добавив перемещения на начало инкремента, получим перемещения на конец инкремента:

и 1 (t+дО :

(t)

-Дt

+Дt)и | +Д-

(4)

Далее выполняется вычисление приращений деформаций внутри элементов, приращений напряжений, и осуществляется сборка узловых внутренних сил.

Для получения точного результата размер инкремента должен быть достаточно малым (таким, чтобы ускорение практически не изменялось в течение инкремента). Так как вычислительные затраты на нахождение неизвестных в каждом инкременте несущественны, то общее время расчета при решении высоко нелинейных квазистатических задач вполне приемлемо по сравнению с аналогичными временными затратами при использовании неявных методов численного анализа.

Представленный выше подход реализован в качестве базового функционала в программном комплексе Abaqus/Explicit для выполнения многоцелевых прочностных расчетов, который и использовался для численного моделирования отсыпки сухих пород отвала на намывные грунты.

ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ

Моделирование процессов выдавливания намывных пород из-под отвала и замещения их отвальными породами производилось для условий гидроотвала на р. Еланный Нарык в Кузбассе. Данное сооружение построено в 1996 г. и эксплуатировалось до 2014 г., в него поступали вскрышные породы глинисто-суглинистого состава. Гидроотвал овражно-балочного типа с двусторонним обвалованием площадью 100 га и высотой более 50 м. Его емкость обеспечена двумя плотинами № 1 (низовой) и № 2 (верховой), перегораживающими русло реки. Намывной массив гидроотвала по гранулометрическому составу разделяется на три зоны: песчано-супесчаную, суглинистую и глинистую. Породы выделенных зон охарактеризованы расчетными показателями физико-механических свойств (таблица).

Расчетные параметры и физико-механические свойства намывных пород и пород отвала, принятые для выполнения численного моделирования

Слой Плотность, кг/м3 Модуль деформации, МПа Коэффициент поперечной деформации Сцепление, кПа Угол внутреннего трения, град

Дамба 2000 40 0.45 5 30

Породы сухих отвалов 1800 40 0.35 15 28

Намывные породы (песчано- 1900 16 0.35 5 15

супесчаная зона)

Намывные породы (суглинистая 1900 12 0.35 15 7.5

зона)

Намывные породы (глинистая 1900 8 0.35 30 5

зона)

После завершения намыва гидроотвала на его поверхность планируется отсыпать отвал общей высотой 90 м четырьмя ярусами: 20, 20, 20 и 30 м.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геология»