CC BY
22
DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.2.28-33 УДК 622.235:622.271.3
РАЙОНИРОВАНИЕ ПРИБОРТОВОГО МАССИВА ПОРОД КАРЬЕРА «ЖЕЛЕЗНЫЙ» ПО УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ
ОТКРЫТОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ С УЧЕТОМ КОЭФФИЦИЕНТА СЕЙСМИЧНОСТИ
С. А. Козырев, А. С. Калюжный
ФГБУН Горный институт КНЦ РАН, Апатиты
Аннотация
Представлены результаты сейсмических наблюдений при производстве массовых взрывов, совершенных за весь период наблюдений. Выполнено районирование карьера в плане по степени сейсмической восприимчивости. В программном пакете SVSlope комплекса SVOffice дана оценка устойчивости прибортового массива пород с поиском потенциальной поверхности ослабления как в автоматическом, так и в ручном режиме в случае наличия поверхностей ослабления. По результатам оценки устойчивости предложено районирование карьерного поля. Получена сходимость результатов районирования карьера по степени сейсмической восприимчивости и по коэффициенту запаса устойчивости, что вкупе позволяет более качественно определять опасные зоны в карьере. Ключевые слова:
прибортовой массив, карьер, сейсмическая восприимчивость, коэффициент сейсмичности, массовый взрыв, оценка устойчивости, поверхность ослабления.
ZONING THE ADJACENT ROCK MASS OF THE ZHELEZNY
OPEN PIT IN TERMS OF THE OPEN GEOTECHNOLOGY ELEMENTS STABILITY,
TAKING INTO ACCOUNT THE SEISMICITY COEFFICIENT
Sergey A. Kozyrev, Anton S. Kaluzhny
Mining Institute of KSC RAS, Apatity
Abstract
The paper presents the results of seismic observations during the production of large-scale blasts performed over the entire observation period. The Zhelezny open pit was zoned in terms of seismic susceptibility. The adjacent rock mass stability was assessed by using the SVSlope package of the SVOffice software with the search for a potential weakening surface, both in automatic and manual mode in the case of weakening surfaces. According to the stability assessment results the authors have proposed zoning of the open pit field. The convergence of the open pit zoning results was obtained according to the degree of seismic susceptibility and the safety factor, which makes it possible to better determine the hazardous areas in the open pit.
Keywords:
adjacent rock mass, open pit, seismic susceptibility, seismicity coefficient, large-scale blast, stability assessment, attenuation surface.
За последние 50 лет глубина крупных действующих рудных карьеров как в нашей стране, так и за рубежом, увеличилась до отметки 500 и более метров. При этом углы наклонов бортов в связи с этим достигают значений 50° [1, 2]. В связи с этим важную роль в безопасности ведения горных работ на больших глубинах приобретает устойчивость элементов открытой геотехнологии. Преобладающим фактором, влияющим на устойчивость уступов, сложенных прочными скальными породами, является регулярное динамическое воздействие массовых взрывов [3, 4]. Именно это воздействие в случае превышения допустимой скорости смещения для рассматриваемого участка борта зачастую является причиной локальных обрушений уступов на большинстве карьеров. В связи с этим анализ реакции массива на действия массовых взрывов является важной задачей при оценке устойчивости бортов карьеров и уступов.
Определение количественных параметров сейсмического действия взрыва в конкретных горно-геологических условиях карьеров осуществляется на основании решения равенства между допустимой скоростью смещения и той скоростью, которая формируется в среде при взрыве заряда массой Q на расстоянии Я от сооружения. При этом для оценки скорости смещения V применяется следующая формула [5, 6]:
V = К
V
v R у
см,
(1)
где кс — коэффициент сейсмичности; Q — масса заряда; Я — расстояние от точки события до приемника; п — показатель степени затухания.
В результате исследований, выполненных на карьере рудника «Железный» Ковдорского ГОКа, установлено, что скорость колебаний зависит от свойств и состояния массива горных пород и условий взрывания. Поэтому по данной зависимости, наряду с определением допустимой массы заряда для конкретных условий взрывания, можно оценить уровень сейсмической восприимчивости (реакции массива горных пород) уступов на различных участках борта карьера на динамическое воздействие и районировать карьер по этому фактору, что в сочетании с геолого-структурным районированием позволяет выделить потенциально опасные участки.
Оценка сейсмической восприимчивости и ее анализ
По результатам мониторинга массовых взрывов на карьере рудника «Железный» Ковдорского ГОКа получен большой массив данных по скоростям смещения в различных зонах карьера в зависимости от приведенного расстояния (рис. 1).
.0000
0.1000
5 0.0100
о 0,0010
0.0001
у = 0.75Х'1-42
\д R2 = 0.89
'Лк*«
' '\ * Ьч
чКГц* '•Яш *
• Блока 2016-2018
гг.
10
100
1000
Приведенное расстояние, м/кг
«■и
Рис. 1. Зависимость изменения скорости смещения от приведенного расстояния за период с 2016 по 2018 гг. Fig. 1. Dependence of the change in the displacement velocity on the reduced distance for the period 2016-2018
Изменение скорости смещения от приведенного расстояния описывается следующей эмпирической зависимостью:
и = 0,75
"У
ст(тах)
(2)
Для оценки сейсмической восприимчивости, в качестве численного показателя удобнее всего использовать коэффициент сейсмичности, который интегрально отражает состояние массива горных пород на пути распространения сейсмических волн. Тогда, преобразуя формулу (1), получаем:
\ 1,5
k =п
c(1,5) max
R
(3)
у ^ ¿^ст(шах) J
Зная координаты X и 7 места установки сейсмоприемников при каждом измерении и соответствующие значения коэффициента сейсмичности ка, получаем числовой массив (X, 7, Ао), обработка которого позволяет получить «томограмму» распределения коэффициентов сейсмичности А^ на плане карьера.
Распределение коэффициентов сейсмичности при коэффициенте затухания 1,5 (далее А^и)) в карьерном пространстве за период измерений 2009-2013 и 2016-2018 гг. приведено на рис. 2. Зоны с повышенным коэффициентом сейсмичности (см. рис. 2, выделены красными линиями).
а б
Рис. 2. Распределение коэффициентов сейсмичности при коэффициенте затухания 1,5 (далее fc;(i,5))
в карьерном пространстве за период измерений 2009-2013 (а) и 2016-2018 гг. (б) с выделением зон с повышенным коэффициентом сейсмичности (на рисунке выделено красными линиями)
Fig. 2. Distribution of seismicity coefficients with an attenuation coefficient of 1,5 (hereinafter kc(1,5)) in the open pit space for the measurement period 2009-2013 (a) and 2016-2018 (б), and the indication of the zones with an increased seismicity coefficient (highlighted by red lines)
За указанный промежуток времени произошли следующие изменения расположения зон с повышенным коэффициентом сейсмичности:
• северо-западная область сохранила свои очертания и сместилась в сторону севера;
• западная область также сохранилась и несколько расширилась по оси Y (север-юг);
• обширная юго-восточная область уменьшилась в размерах примерно вдвое;
• образовалась отдельная область на восточном борту карьера в районе РДКК (выделена синим цветом).
Таким образом, постоянный контроль динамического нагружения уступов позволяет оценивать состояние массива горных пород в прибортовой части массива и выявлять наиболее опасные участки, производство взрывных работ вблизи которых необходимо вести с особой осторожностью.
Оценка устойчивости борта карьера методом предельного равновесия
Для оценки устойчивости использовался программный продукт 8УО£йое с пакетом 8У81оре. В качестве расчетного выбран метод Моргенштейна — Прайса [7, 8], рекомендованный нормативным документом [9]. Данный метод основан на решении двух уравнений, одно из которых удовлетворяет общему равенству моментов, другое — общему равновесию действующих горизонтальных сил. Метод зарекомендовал себя с положительной стороны при оценке устойчивости откосов в скальных массивах как Кольского региона [10], так и за рубежом [11].
При определении коэффициентов запаса устойчивости учитывались следующие факторы: сцепление, угол внутреннего трения, коэффициент структурного ослабления, выявленные поверхности ослабления, уровень грунтовых вод.
При обосновании расчетных схем особое внимание было уделено зонам выветривания и коэффициентам структурного ослабления. Для каждой расчетной схемы разреза проводили поиск потенциальной поверхности ослабления как в автоматическом, так и в ручном режиме в случае наличия поверхностей ослабления.
Результаты оценки устойчивости борта карьера
По результатам оценки устойчивости борта карьера была получена база данных значений коэффициентов устойчивости (Кзу). Для построения визуальной картины распределения значений Кзу в плане результаты были вынесены на профили, а затем перенесены на план карьера (рис. 3).
Рис. 3. Схема районирования борта карьера по коэффициенту запаса устойчивости:
I-1 — устойчивая зона (Кзу > 1,3); □ — зона предельной устойчивости (1 < Кзу< 1,3); I-1 — неустойчивая
зона (Кзу< 1); I—VIII — инженерно-геологические секторы; 1Н, 2Н... — инженерно-геологические профили Fig. 3. The scheme of the open pit wall zoning by the sustainability coefficient: I I — stable zone (Csu > 1,3); □ — ultimate stability zone (1 < C su < 1,3); I I unstable zone (Csu < 1);
I-VIII — engineering-geological sectors; 1Н, 2Н... — engineering-geological profiles
Если сравнить результаты распределения зон с повышенным коэффициентом сейсмичности kc(1,5) в карьерном пространстве за период измерений за 2016-2018 гг. и выполненную оценку устойчивости за 2017-2018 гг., то можно выделить несколько зон (рис. 4): зоны с недостаточной устойчивостью и неустойчивые сосредоточены в основном на восточном и юго-восточном участке борта карьера (II и III) и приурочены к разломным зонам, падающим в направлении очистного пространства; небольшие участки недостаточной устойчивости в северной (I) и западной частях и приурочены также к разломных зонам в этих областях.
С
Рис. 4. Местоположение зон повышенных значений реакции массива горных пород на взрывные воздействия (а) и зон пониженной устойчивости прибортового массива в карьере рудника «Железный», определенных в результате оценки коэффициента запаса устойчивости (Кзу < 1,3) (б)
Fig. 4. Location of zones with the increased values of rock mass response to explosive effects (a) and areas of reduced stability of the adjacent rock mass in the Zhelezny mine open pit, determined as a result
of a stability factor assessment (Csu < 1,3) (б)
Если сопоставить места всех задокументированных деформаций уступов с полученной «томограммой», то можно отметить, что все области четко отражают местоположение основных деформаций, произошедших в карьере. Появление восточной области связано с обрушением, которое произошло 24 августа 2015 г. Таким образом, распределение коэффициента сейсмичности в карьерном пространстве, а именно его повышенные значения говорят о том, что данный участок борта является наиболее сейсмовосприимчивым и производство взрывных работ на таких участках и вблизи них следует производить с особой осторожностью.
В результате выполненных исследований можно сделать вывод, что для условий массива пород карьера «Железный» АО «Ковдорский ГОК» «томограмма» распределения повышенного коэффициента сейсмичности с коэффициентом затухания 1,5 дополняет результаты аналитической оценки устойчивости. Такой комплексный подход совмещенного анализа дает возможность качественно определять опасные зоны в карьере, что позволяет более безопасно вести горные работы в карьерном пространстве. В дальнейшем планируется развитие данного подхода, а также применение его на других объектах Кольского региона.
ЛИТЕРАТУРА
1. Концептуальные основы оптимизации конструкции бортов карьеров Кольского полуострова в конечном положении / Н. Н. Мельников [и др.] // Труды 8-го Междунар. симп. «Горное дело в Арктике». СПб., 2005. С. 2-14.
2. Мельников Н. Н., Козырев А. А. Изменение геодинамического режима геологической среды при ведении крупномасштабных горных работ на глубоких карьерах // Горн. информ.-аналит. бюл.: [науч.-техн. журн.]. Спецвып. Глубокие карьеры. 2015. С. 7-22. 3. Фокин В. А. Методические аспекты анализа технологической информации при производстве буровзрывных работ в условиях карьеров. Апатиты: КНЦ РАН, 2015. 133 с. 4. Особенности сейсмического действия зарядов контурных скважин в технологии заоткоски уступов карьера / В. А. Фокин [и др.]// Горн. журн. 2011. № 10. С. 50-53. 5. Садовский М. А. Простейшие приемы определения сейсмической опасности массовых взрывов. М.: Изд-во АН СССР, 1946. 28 с. 6. Ataei M., Zare M. Evaluation of Blast-Induced Damage Effects on Underground // 7th International Scientific Conference on Modern Management of Mine Producing, Geology and Environmental Protection, SGEM. Albenia, 2007. 7. Morgenstern N. R., Price V. E. The analysis of the stability
of general slip surface // Geotechnique. 1965. Vol. 15. P. 70-93. 8. Johari A., Mousavi S. An analytical probabilistic analysis of slopes based on limit equilibrium methods // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2018. November. P. 1-15. 9. СП 11-105-97. Свод правил. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Ч. II: Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов. М.: ПНИИИС Госстроя России, 2000. 118 с. 10. Потапов Д. А., Калюжный А. С., Кузнецов Н. Н. Оценка устойчивости борта карьера «Куркенпахк» АО «Олкон» при помощи программных комплексов Galena 6.0 и Svslope 2D // Горн. информ.-аналит. бюл.: [науч.-техн. журн.]. Спецвып. Глубокие карьеры. 2015. С. 175-182. 11. BataliL. Slope Stability Analysis Using the Unsaturated Stress Analysis. CaseStudy // Procedia Engineering. 2016. Vol. 143. P. 284-291.
Сведения об авторах
Козырев Сергей Александрович — доктор технических наук, заведующий лабораторией Горного
института КНЦ РАН
E-mail: skozirev@goi .kolasc.net.ru
Калюжный Антон Сергеевич — научный сотрудник Горного института КНЦ РАН E-mail: anton26@goi.kolasc.net.ru
Author Affiliation
Sergej A. Kozyrev — Doctor of Sciences (Engineering), Head of Laboratory of the Mining Institute of KSC RAS
E-mail: skozirev@goi.kolasc.net.ru
Anton S. Kalyuzhnyy — Researcher of the Mining Institute of KSC RAS E-mail: anton26@goi.kolasc.net.ru
Библиографическое описание статьи
Козырев, С. А. Районирование прибортового массива пород карьера «Железный» по устойчивости элементов открытой геотехнологии с учетом коэффициента сейсмичности / С. А. Козырев, А. С. Калюжный // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2019. — № 2 (11). — С. 28-33.
Reference
Kozyrev Sergej A., Kaluzhny Anton S. Zoning the Adjacent Rock Mass of the Zhelezny Open Pit in Terms of the Open Geotechnology Elements Stability, Taking into Account the Seismicity Coefficient. Herald of the Kola Science Centre of RAS, 2019, vol. 2 (11), pp. 28-33. (In Russ.).
