CC BY
47
ІНАР 15 ЮКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ
'НЕДЕЛЯ ГОРНЯ
Ї0" :
МОСКВА, МІТУ, 31 января - 4 февраля 2000 год
^ Г.М. Еремин, 2000
УДК 622.271.333
Г.М. Еремин
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОТКОСОВ БОРТОВ
В
настоящее время большинство карьеров Мурманской области вступили в стадию глубоких (Нк = 250-300м). По проектам глубина некоторых из них (Ковдорский карьер комплексных железных руд, Коашвинский карьер апа-тито-нефелиновых руд) могут достичь 600-800 м. В условиях, когда карьеры эксплуатируются десятки лет, а проекты разработки месторождений (или очередей их освоения) составляются в первые 10-15 лет, исходная горногеологическая информация носит вероятностный характер, более точно разведанными оказываются верхние и отчасти средние горизонты рудных месторождений, в проектах параметры откосов бортов закладываются со значительными резервами. Это приводит к тому, что в контуры карьеров могут включаться значительные объемы вскрыши, что резко ухудшает технико-экономические показатели работы карьеров и эксплуатации месторождений в целом. Специалистами доказано, что в этих условиях повышение даже на 1° углов наклона бортов может сэкономить десятки и сотни миллионов рублей народнохозяйственных средств [1-5].
В связи с этим назрела необходимость выполнения анализа существующей на карьерах ситуации с устойчивостью откосов бортов, оценки применяемых в проектной практике расчетных методов и разработки новых научно-методичес-ких основ по обоснованию и применению устойчивых и более крутых углов наклона бортов выпуклого профиля.
Научное обоснование устойчивых откосов бортов глубоких карьеров предполагает решение следующих вопросов:
1. Выявление степени изученности инженерно-геологи-ческих условий месторождений и вмещающих массивов пород, вблизи зоны бортов карьеров.
2. Установление особенностей распространения на месторождении тектонических нарушений и их связи с трещиноватостью массива.
3. Определение блочности пород и обоснование необходимых методик по определению свойств пород и массивов.
4. Выявление применения в проектной практике новых расчетных методов по определению параметров бортов карьеров, соответствующих реальным условиям формирования бортов во времени.
5. Учет нарушений массивов пород при ведении массовых взрывов в
Таблица 1
ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОРОД МЕСТОРОЖДЕНИЯ
«ПЛАТО РАСВУМЧОРР» (РУДНИК ЦЕНТРАЛЬНЫЙ АО «АПАТИТ»)
карьере и под воздействием других факторов, что требует применения щадящей технологии формирования откосов уступов и бортов карьеров.
6. Обоснование применения на карьерах более крутых углов наклона бортов за счет их дифференцированных значений по высоте в зависимости от степени нарушенности массивов (выпуклые откосы бортов) и включения их в проекты.
Определение прочностных свойств пород и руд апатитовых месторождений, эксплуатируемых АО «Апатит» («Плато Расвумчорр», «Коашвинское» и «Ньорк-пахкское»), выполнено институтом ГИГХС в 1980-1990 гг.
Величины угла внутреннего трения ф и сцепления С пород определялись на образцах керна диаметром 42-52 мм.
В табл. 1 приведены данные по испытанию на сдвиг двух половинок образов керна (имитация открытой трещины без заполнителя) и аналогичных образцов с заполнителем трещин.
Образцы пород Коашвинского месторождения испытывались по известной методике на сжатие и растяжение (табл. 2).
Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что использование их в
Показатели свойств контактов пород по трещинам
Тип породы Угол внутреннего трения ф, град. Сцепление С’, МПа
Без заполнителя
Рисчорриты 29 0.36
Уртиты 28 0.56
С заполнителем трещин
Шпреуштейн Дробленая порода 28 0.02
41 0.005
Смесь шпреуштейна и дробленой породы 40 0.01
По оперяющим трещинам главного разлома
Уртит шпреуштейнизированный с дробленой породой 38 0.04
ТиСп1цаСхема, иллюстрирующая движение поверхности ос-лабпОКИЗА()1ЕЛ1ИУГО«1Ч*Й)авглуб1г^рИР11]КПСЗРЧЧо массива: 1, 2, 3 -соотКОАШВИНС КОГерМЕСШЭРОЖДЕШйЯнарушений) от действия массо-
4, 4 , їіаиме-нвйаниейв.'род5, п°верхн°сть свдреЖЛЫИоЧЮСЩ МЕИ1- Сцепление в Угол внутреннего трения
зоны пород в области призм сдвига и уійа£жатие и И, ^2 , И, £> -на растяжение образце Со, МПа ф, град
о борта
породы северо-западног
Лявочорриты 159 9.4 36.9 38.2
Ювиты 126 10.6 32.8 34.5
Ийолит-уртиты трахитоид-ные 134 9.8 33.5 36
Породы южного бор >та
Уртиты, в т.ч. с полевым шпатом 105.9 8.5 27.6 35
расчетах может дать заниженные величины параметров откосов бортов вследствие того, что при введении коэффициента запаса 1.3 в первом случае угол внутреннего трения пород (в массиве) месторождения «Плато Рас-вумчорр» составит всего 22°, для Ко-ашвинского месторождения - 27.6°. Значения величин сцепления пород для массива также резко уменьшатся практически до нулевых значений (при учете заполнителя трещин). Для сравнения угол внутреннего трения песка - 36° [1]. Как известно, при лабораторных испытаниях величина прочности породы зависит от формы и размера образцов, а также - от учета ослаблений по трещинам, слоистости. Наиболее распространенной теорией для определения основных показателей прочностных свойств пород - угла внутреннего трения и сцепления, считается теория Мора. В настоящее время предложен ряд форм огибающей главных кругов напряжений (прямоли-нейная, параболическая, гиперболическая, циклоидная). Однако, как считают некоторые исследователи, точный характер огибающей пока неизвестен [2]. Для скальных и полу-скальных пород огибающая кругов Мора часто принимается в виде прямой, которая описывается уравнением вида [2]
Т = К + 7-tg р, (1)
где Т - сопротивление сдвигу, МПа; К - сцепление породы, МПа; 7 -нормальное напряжение, МПа; р -угол внутреннего трения, град.
К построению кругов Мора имеется ряд подходов. По одним из них величины углов внутреннего трения могут достигать 50-60° (существовавшая до некоторого времени Гостированная методика). По известным методам были определены углы внутреннего трения прочных пород Ковдорского
месторождения комплексных железных руд. Величины углов внутреннего трения составляли: фенит - 57-64°, ийолит - 54-55°, рудные пироксениты (с небольшим содержанием магнетита) - 55-63°. Затем они были пересчитаны по методике ВНИМИ и составили не более 34-42°. Еще меньшие значения углов внутреннего трения пород (22-38 ) определены по методике В.Н. Попова и Б.Н. Байкова для пород Жирекенского и Коктенколь-ского карьеров [3]. Сцепление при этом может изменяется от 10-20 до 50-70 МПа (в образце).
Из выражения (1) и вышеприведенных данных следует, что применяемый термин «сцепление» означает уже новое понятие по отношению к распространенному в литературе (при действии механизма деформации породной массы под нагрузкой и сцепление частиц в естественном состоянии - глинистый материал).
Более точные данные величин угла внутреннего трения и сцепления могут быть получены при испытании образцов на срез под нагрузкой. Данный вид испытаний соответствует работе пачек породных тел крутого и наклонного падения на сдвиг и срез, имеющих распространение в призме упора.
В Горном институте КНЦ РАН разработана крупноразмерная сдвиговая установка, позволяющая проводить испытания породы как на сдвиг по схеме «блок-блок», так и образцов (керн) диаметром 42-54 мм на срез при заданных нормальных напряжениях до 30-40 МПа. Результаты испытаний образцов пород (основной тип) применительно к Ковдорскому карьеру комплексных железных руд использованы при выполнении расчетов. При этом, для испытаний подбирались блоки со сравнительно ровной
поверхностью, а также плоские -(фенит).
Из анализа экспериментальных данных следует, что величина сцепления пород может изменяться в пределах от 0.2-0.4 до 0.6-0.7 МПа, а угол внутреннего трения - составлять 34-36° (при наличии глины на контакте - 22-23°). Данные величины показателей свойств пород следует считать предельными для массива, находящегося в стадии деформирования. Углы внутреннего трения и сцепление этих же пород при испытании на срез составили, соответственно, 3852° и 4-18 МПа.
Изучение имеющихся расчетных и экспериментальных данных по углам внутреннего трения и сцепления, полученных существующими научными школами и специализированными организациями показало:
1. Значения углов внутреннего трения и сцепления даже для одного и того же типа пород по прочности могут изменяться в 1.5-2 раза и более.
2. Между углом ф и сцеплением С обычно не устанавливается какой-либо зависимости.
3. Принимаемые часто при расчетах показатели этих свойств, полученные обратными расчетами, являются явно заниженными и могут характеризовать лишь массив пород в стадии деформирования или разрушения (образование отдельных кусков).
В табл. 3 приведены данные расчетных значений сцепления и углов внутреннего трения, использованных институтом Гипроруда при определении параметров бортов Ковдорского карьера. Из этих данных следует, что принимаемые расчетные данные соответствуют не скальным породам, а по-лускальным и кусковатым массам.
Слабостью применяемых расчетных методов является полный неучет
не только процессов, связанных с действием на массив значительных импульсных нагрузок при ведении массовых взрывов в карьере и приоткос-ных зонах, но и разупрочнения пород за счет процессов разгрузки массива и выветривания.
Другим существенным недостатком известных методов является то, что рассматривается случай, когда достигается предельное состояние массива или практически равенство сдвигающих и удерживающих сил, что не всегда правомерно, поскольку массивы могут быть очень устойчивыми (скальные крепкие и мало трещиноватые породы) устойчивыми (скальные крепкие средне трещиноватые), менее устойчивыми (трещиноватые) и теряющими устойчивость во времени (морена, песчано-глинистые породы).
Кроме того, в распространенных методах не учитывается снижение трещиноватости массивов пород с глубиной, выявленное многими исследователями по данным геологоразведки месторождений в различных регионах России, в том числе на Кольском полуострове. Сам метод подсчета величин касательных напряжений сдвига и сопротивления сдвигу не учитывает их изменения в области призм сдвига и упора во времени по мере формирования откосов борта. При этом их величины могут отличаться на порядок и больше по мере зарождения «клина» сдвига первоначально в верхней части массива за счет сейсмических нагрузок от производства массовых взрывов в карьере и выветривания пород.
На рис. 1 показано перемещение
Таблица 3
во времени вглубь массива поверхностей ослабления (нарушений) пород от действия взрывов в карьере и процессов выветривания. Если в массивах прочных скальных мало трещиноватых пород их влияние не столь существенно, то в трещиноватых и интенсивно трещиноватых и особенно в полускаль-ных породах зоны ослаблений значительны (до 50-60 м и более). С этой точки зрения оценка роли вертикального откоса Н90 в формирующемся клине сдвига в зоне действия сейсмических нагрузок и процессов выветривания является проблематичной. Угол наклона откоса & может изменяться от круто наклонного при имеющихся системах трещин до пологого откоса при выветривании и осыпании пород из откосов уступов. Близкий к вертикальному угол & формируется в том случае, если поверхность скольжения в нижней зоне призмы упора подсечет наклонную тектоническую поверхность нарушений, и тогда в результате отрыва блоков в верхней части массива образуется угол, близкий к 90°.
Серьезным замечанием к применяемым расчетным методам определения параметров бортов карьеров является то, что прочностные характеристики пород в области вероятной поверхности скольжения характери-
зуют сравнительно слабые породы (табл. 1-3), а затем учитывается еще коэффициент запаса 1.3. Таким образом, расчетные значения характеристик пород оказываются меньше, например, прочностных характеристик для песка и супесчаного материала (угол внутреннего трения для песка ф «36°).
Кроме того, по этим методам углы откосов бортов карьеров с увеличением их глубины на каждые 100 м ведут к выполаживанию откосов на 1-1.5° и могут составить для глубин карьеров 500-600 м - до 35-36°.
Выделение по глубине месторождений различных по нарушенности зон как по величинам удельной трещиноватости пород на 1 м керна, так и по коэффициентам фильтрации и водоотдачи позволяет пересмотреть ряд сложившихся концепций не только по определению параметров бортов карьеров, но и по глубине карьеров, перераспределению запасов, от-
РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОД НА УЧАСТКАХ БОРТА КОВДОРСКОГО КАРЬЕРА (ВЫСОТА БОРТА НБ = 570-670 М И БОЛЕЕ)
Расчетный участок Порода, слагающая борт Сцепление, МПа Угол трения, град.
в массиве по контакту в массиве по контакту
по проекту IV очереди
I, II Бедные руды, ийолиты и пироксениты 0.5-0.8 0.008 31 26-26.5
Ийолиты и фениты 0.5 0.008 31 26
VI Ийолиты 0.5 0.008 31 27
VII Бедные руды и ийолиты 0.8 0.008 31 27.5
по ТЭР, 1988 г.
I Пироксениты 3.5-3.0 0 26 24
Маложелезистые руды 5.0 0 31 н.д.
VI Ийолиты 5.0 0.008 31 29
Ийолиты измененные, но сохранившие структуру 3.85 0 н.д. н.д.
II, Ш Пироксениты 3.5 0 34 26
Рис. 3. Схема разработки открытым способом запасов открыто-подземного яруса с комплексом вскрывающих выработок (а) и при крутых откосах бортов (б)
а - 1, 2 - соответственно, откосы борта карьера по проекту и при крутых (выпуклых) откосах бортов р вскрытием рудного тела рудоспусками и подземными выработками; 3, 3 - рудоспуски; 4, 5 - соо^ве^^твенно, конвейерный квершлаг и скиповой ствол; 6 - рудное тело; I, I , I , II - соответственно, первоначальный контур, после разноса бортов, доработке запасов при крутых откосах бортов и открыто-подземный ярус. б - 1, 2 - углубление карьера по схеме «разноса рабочего и нерабочего бортов»; 3 - крутые откосы борта в устойчивых породах; 4 - рудное тело.
АО «Ковдорский ГОК» и Коашвин-ского карьера апатито-нефелиновых
руд АО «Апатит» показала, что глубина первого может быть увеличена на 100-115 м практически без разноса верхней вскрышной зоны (с отм. дна -335 м до отметки дна - 450 м), а второго доработать до отм. дна -400^-420 м вместо отметки дна по проекту -290 м. При этом не следует считать, что принято слишком смелое решение. Проведенными ранее исследованиями в Г орном институте КНЦ РАН уже показана перспективность отработки месторождений до этих глубин открытым способом. При применении же дифференцированных по глубине углов откосов участков бортов (выпуклые борта) с крутыми откосами в нижней зоне позволяет на десятки и сотни миллионов кубических метров снизить объемы вскрыши в бортах от разноса без ущерба для их устойчивости.
Разработка месторождения открытым способом с крутыми откосами участков бортов в зоне мало- и средне трещиноватых массивов пород требует применения новых схем вскрытия и систем доставки руды на поверхность. По нашему мнению, перспективны схемы вскрытия комплексом выработок, включая рудоспуски, конвейерный квершлаг и скиповой ствол (рис. 3 а).
Применение более крутых участков откосов бортов в средних и особенно в глубоких зонах карьеров по-
Рис. 2. Схема увеличения углов откосов бортов карьера и его глубины со снижением трещиноватости и нарушенности массивов с глубиной
а^ - геологические горизонту, в^цсо^та горизонта Ь- ~ 200 м; 1, 2, 3; 1 , 2 , 3 -соответственно, нерабочий и рабочий борта карьера по проекту; АВСОА - контур поперечного разреза приоткосного массива клина сдвига по проекту; площадь Sl фигуры О1ОДД1 << S2 фигуры АО1Д1Д2Д3; I, I -соответственно, контур карьера по проекту и при крутых откосах борта; II - открытоподземный ярус.
сдвига, особенно в области призмы среза. В
рабатываемых открытым, открытоподземным и подземным способами.
Параметры откосов бортов карьеров могут быть повышены как за счет учета изменения дифференцированных по физико-механическим свойствам характеристик пород в подсчет-ных блоках по вероятной поверхности скольжения в области призм сдвига и упора, так и за счет учета прочностного состояния массивов, особенно в мало и средне трещиноватых породах. В таких породах напряжения сопротивления сдвигу повышаются быстрее, чем касательные напряжения
зонах крепких мало и средне трещиноватых пород возможна заот-коска уступов под более крутыми углами, чем на верхних горизонтах, приуроченных к зонам коры выветривания. Подсчеты суммарных сил сопротивления сдвигу в нижней зоне призмы сдвига (среза) при величинах сцепления 2-3 МПа и более и углах внутреннего трения 4345° даже при углах откосов нижнего участка борта 56-58° показали, что более высокий борт, чем по проекту на 100 м, будет устойчив (на рис. 2 площадь фигуры прироста в зоне мало и средне трещиноватых пород АОД1Д2Д3 больше, чем площадь фигуры в зоне трещиноватых пород О1ОДД1).
Выполненная оценка изменения параметров карьеров в пределах Мурманской области по данному методическому подходу - Ковдорского карьера комплексных железных руд
зволяет также по-новому осуществить доработку запасов месторождений в контурах карьера П-ой очереди без существенного разноса его бортов (рис. 3 б).
В заключение следует отметить, что совершенствование существующих методов расчета параметров бортов глубоких карьеров следует вести в направлениях:
• более глубокого и детального изучения инженерно-геологических ус-
ловий месторождений на глубоких горизонтах;
• учета развития во времени зон ослаблений и нарушений в глубину законтурного массива (от массовых взрывов в карьере и выветривания пород);
• применения дифференцированных по глубине вероятной поверхности скольжения прочностных характеристик пород, соответствующих не только действию «клина» на сдвиг, но и на срез (в глубоких зонах).
Выделение по глубине рудных тел зон малой и средней трещиноватости пород позволяет обосновать особую область открытой разработки руд с небольшими коэффициентами
вскрыши, меньшими потерями руд и их эффективным транспортом при использовании элементов открыто-подзем-ного яруса.
1. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. - М.: Недра, 1965, - 376 с.
2. Арсентьев А.И., Букин И.Ю., Мироненко В.А. Устойчивость бортов и осушение карьеров. - М.: Недра, 1982. - 162 с.
3. Попов В.Н., Байков Б.Н. Технология отстройки бортов карьеров. - М.: Недра, 1991. - 184 с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Методическое пособие по определению углов откосов уступов и углов наклона бортов карьеров, сложенных многолетними мерзлыми породами. - Л.: Изд. ВНИМИ. 1972. - 102 с.
5. Галустьян Э.Л. Управление геомеханическими процессами на карьерах. - М.: Недра, 1980. - 237 с.
