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.