3D моделирование поэтапного возведения ограждающей дамбы накопителя жидких горнопромышленных отходов

Накопители жидких горнопромышленных отходов, представляющих собой в основном хвостохранилища обогатительных фабрик горнодобывающих предприятий, создаются, как правило, на относительно слабых грунтах в оврагах или котловинах рек [1]. При этом, согласно работе [2], хвостохранилища подразделяются по способу возведения ограждающей дамбы:

– в сторону верхового откоса (upstream method);

– центральная отсыпка (central line);

– наращивание в сторону низового откоса (down stream method).

Исходя из того, что на хвостохранили-щах северо-запада РФ в основном применяется наращивание ограждающих дамб в сторону верхового откоса, научный и практический интерес представляет исследование изменения гидрогеомеханическо-го состояния хвостохранилища при поэтапном возведении (наращивании) ограждающей дамбы.

Компьютерное 3D моделирование поэтапного возведения ограждающей дамбы накопителя жидких горнопромышленных отходов выполнено на примере хвостохра-нилища обогатительной фабрики одного из крупных горнодобывающих предприятий Мурманской области. Параметры физико-механических свойств техногенных грунтов дамб и отложений естественного основания хвостохранилища для модели были приняты по результатам лабораторных исследований, выполненных на данном предприятии в 2016-2018 гг. специализированными организациями [3-6].

Оценка ретро, текущего и прогнозного гидрогеомеханического состояния ограждающей дамбы, устойчивости ее низового откоса и фильтрационного режима хвосто-хранилища выполнен с учетом наращивания дамбы от пионерной до проектной отметки гребня + 133,5 м, то есть на высоту более 30 м (рис. 1).

Рис. 1. Компьютерная 3D модель накопителя жидких горнопромышленных отходов (поэтапное наращивание дамбы)

Построение расчетной 3D модели выполнялось в следующей последовательности: создание геометрии природнотехнической системы «геологическое основание – хвостохранилище – ограждающая дамба», построение расчетной модели инженерно-геологического строения системы, задание свойств компонентов системы (характеристики деформационных, прочностных и фильтрационных свойств), задание граничных условий и нагрузок, разбивка геометрической модели на конечные элементы, проведение тестовых расчетов.

3D моделирование выполнялось посредством проведения многовариантных параметрических расчетов [7]. В расчетах использовались гидрогеологические условия, а также данные комплексных инже- нерно-геологических и геотехнических изысканий, полученные в результате натурных измерений.

Обработка полученных результатов заключалась в построении картин (объемных цветовых палитр) распределения перемещений, напряжений, порового давления и фильтрационных условий в грунтах хвостохранилища и ограждающей дамбы.

Комплексный анализ результатов моделирования был направлен на выявление общих закономерностей изменения параметров гидрогеомеханического состояния хвостохранилища (накопителя жидких горнопромышленных отходов). За основу был принят анализ перемещений грунтов, отражающий в целом состояние исследуемого накопителя (рис. 3).

♦U (общ )

• ■ Uz

  A Uy

  
  

  Ж Ux

  
  

Рис. 3. Общие закономерности перемещений грунтов при поэтапном наращивании ограж- дающей дамбы накопителя жидких горнопромышленных отходов

Из рисунка 2 следует, что общие перемещения в основном состоят из верти- кальных, ориентированных сверху вниз (от дневной поверхности вниз) в пределах ограждающей дамбы. Закономерности их изменения при наращивании ограждающей дамбы подчиняются с высокой достоверностью полиномиальному закону (для рассмотренных условий), математическое выражение и линия тренда которого отображены соответственно на рисунке.

Горизонтальные перемещения, ориентированные вкрест (поперек) и вдоль ограждающей дамбы, имеют существенно меньшие значения. Закономерности их изменения при наращивании ограждающей дамбы подчиняются с высокой достоверностью линейному закону (для рассмотренных условий), математическое выражение и линия тренда которого отображены соответственно на рисунке 2.

Заключение. Выполнено компьютерное многовариантное параметрическое 3D моделирование поэтапного возведения ограждающей дамбы накопителя жидких горнопромышленных отходов на примере хвостохранилища обогатительной фабрики крупного горнодобывающего предприятия. По результатам моделирования построены картины (цветовые палитры) распределения перемещений, напряжений, порового давления и фильтрационных условий в грунтах хвостохранилища и ограждающей дамбы. Выявлены общие закономерности изменения перемещения грунтов при наращивании ограждающей дамбы: общие и вертикальные подчиняются с высокой достоверностью полиномиальному закону (для рассмотренных условий), а перемещения грунтов в горизонтальной плоскости – линейному закону. Для выявленных закономерностей определены математические выражения и линии трендов.