Управление устойчивостью бортов карьеров Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УПРАВЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТЬЮ БОРТОВ КАРЬЕРОВ

Фарит Камалович Низаметдинов

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан, 100027, г.

Караганда, Б.Мира, 56, зав. кафедрой маркшейдерского дела и геодезии, проф., доктор технических наук, тел. (7212) 56-26-27, e-mail: niz36@mail.ru

Сергей Георгиевич Ожигин

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан, 100027, г.Караганда, Б.Мира, 56, профессор кафедры маркшейдерского дела и геодезии, доктор технических наук, тел.(7212) 56-26-27, e-mail: osg62@mail.ru

Светлана Борисовна Ожигина

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан, 100027, г.Караганда, Б.Мира, 56, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, кандидат технических наук, тел.(7212) 56-26-27, e-mail: osb66@mail.ru

Разработаны основы методов исследования состояния прибортовых массивов на карьерах, включающие в себя: периодические маркшейдерские и инженерно-геологические наблюдения за состоянием откосов; исследования прочностных характеристик, состава и свойств горных пород; изучение структурных особенностей прибортового массива; оценку и прогноз геомеханических процессов; определение параметров устойчивых откосов; разработку рекомендаций по управлению параметрами карьерных откосов.

Ключевые слова: управление устойчивостью бортов карьера, инструментальные наблюдения, свойства горных пород, параметры откосов, укрепление уступов

THE CONTROLLING OF STABILITY BOARDS QUARRY

Farit K. Nizametdinov

The Karaganda state technical university, Kazakhstan, 100027, Karaganda, 56 Mira Blvd, director of “Mine survey and geodesy” department, prof., doctor of engineering, tel. 8(7212) 56-26-27, email: niz36@mail.ru

Sergey G. Ozhigin

The Karaganda state technical university, Kazakhstan, 100027, Karaganda, 56 Mira Blvd, professor of “Mine survey and geodesy” department, doctor of engineering, tel. 8(7212) 56-26-27, e-mail: osg62@mail.ru

Svetlana B. Ozhigina

The Karaganda state technical university, Kazakhstan, 100027, Karaganda, 56 Mira Blvd, associate professor of “Mine survey and geodesy” department, cand.tech.sci., tel. (7212) 56-26-27, e-mail: osb66@mail.ru

The investigation foundations method researches of mining massif in the quarries, which includes: periodic surveying and engineering-geological monitoring of the status of slopes; study of strength characteristics, composition and properties of rocks, study of structural features mining array, assessment and prediction of geomechanical processes, the definition of the parameters of the stability of slopes, development of recommendations on management options quarry slopes.

Key words: controlling of stability boards quarry, execution of tool supervision, rock characteristics, slope parameters, strengthening the ledges.

Увеличение глубины и объемов открытых горных работ, усложнение инженерно-геологических условий разработки месторождений определяют качественно новый подход к обеспечению устойчивости бортов карьеров и формируемых отвалов. Комплекс вопросов обеспечения устойчивости карьерных откосов, оценки несущей способности оснований, прогноза деформаций сдвига и уплотнения прибортовых и отвальных массивов, направленного изменения и контроля их геомеханического состояния является актуальной научной и практической проблемой, решение которой позволяет управлять состоянием прибортовых массивов карьеров. Этим целям наиболее полно соответствует концепция геомеханического мониторинга, которая предусматривает системный подход к решению всех составляющих задач и вопросов, комплексный учет и анализ всех природных и техногенных факторов [1].

Структурная схема исследований в системе геомеханического мониторинга представлена на рис. 1.

Рис. 1. Маркшейдерское обеспечение устойчивости карьерных откосов

Системы геомеханического мониторинга карьерных откосов созданы на более чем 20 месторождениях Казахстана: на карьерах «Ушкатын-Ш», «Западный», «Жомарт», «Тур», «Восточный камыс», «Николаевский»,

«Соколовский», «Сарбайский», «Качарский», «Конырат», «Варваринский

Центральный», «Алпыс», «Абыз», «Космурун», «Акчий Спасский», «Малый Спасский», «Акжалский», на Чиганакских карьерах №1 и №2, на

Дальнезападных карьерах №1 и №2; на разрезах «Богатырь», «Молодежный», «Куу-Чекинский», «Каражыра», на Шубаркольских разрезах «Центральный» и «Западный»; дамбе золоотвала ГРЭС (Топар). Многолетний опыт маркшейдерских инструментальных наблюдений за состоянием прибортовых массивов карьеров на ряде месторождений Казахстана позволил разработать и внедрить высокопроизводительную методику наблюдений с использованием современного электронного оборудования (рис. 2). Для исследования состояния прибортового массива на карьерах применены усовершенствованные методики инструментальных наблюдений с помощью электронных тахеометров и новые методы изучения структуры горного массива с помощью 3D -сканера фирмы «Leica» (Швейцария) и георадара «Mala» (Швеция) (рис. 3).

а - пункт наблюдения на б - наблюдения с помощью ГНСС

автоматизированной станции (карьер Варваринский-

Васильковского карьера Центральный)

Рис. 2. Современные технологии высокоточных наблюдений

а - скан восточного борта в районе б - изучение элементов залегания наблюдательной станции №1 на откосе уступа

Рис. 3. Применение технологии 3D-сканирования на карьере «Ушкатын III»

При решении вопросов управления состоянием бортов карьеров исходной информацией являются физико-механические характеристики горных пород, которые определяются в лабораторных и натурных условиях, методом обратных расчетов оползней и обрушений, а также косвенным методом. Наиболее надежным и достоверным способом определения прочностных характеристик прибортовых и отвальных массивов горных пород является метод обратных расчетов оползней, который учитывает все факторы, повлекшие нарушение устойчивого состояния массива. На основе известного графоаналитического способа разработана усовершенствованная методика расчета показателей сопротивления пород сдвигу по результатам съемок оползней с использованием численно-аналитического метода, основанного на интегрировании элементарных сил по поверхности скольжения. Как показали исследования, не учет этих величин может привести к погрешности определения коэффициента сцепления до 10-20%.

Для сложноструктурных месторождений целесообразно проводить комплексные исследования физико-механических свойств пород, включающие лабораторные, натурные испытания пород и обратные расчеты оползней с дифференцированным выбором расчетных показателей свойств пород [2].

Породный массив является физически дискретной, неоднородной, анизотропной средой, механические процессы деформирования которой носят нелинейный, переменный во времени характер. Для создания горногеометрической модели прибортового массива предлагается кусочнонепрерывная интерполяция полиномами малой степени, что позволяет при моделировании горно-геологических контуров разработать достаточно простой и надежный алгоритм, позволяющий по исходной дискретной модели объекта получить адекватную непрерывную интерполяционную модель. Разработанный алгоритм обеспечивает возможность математического описания практически любой геологической ситуации, контуров борта карьера, поверхности скольжения, уровня грунтовых вод, тектонических нарушений, отраженных на геологическом разрезе вкрест простирания борта карьера (рис. 4).

Рис. 4. Геологический разрез южного борта карьера «Николаевский»

(интерфейс программы)

В соответствии с залеганием структурно-литологических элементов, интегральное уравнение предельного равновесия может быть представлено в общем виде

п

#/»1 2

XI ( а-ър, + к, )• Ш + 21 ( а-+ к\)• Л I/ 1 т-сП =1,

/ (Ьм+Ьк)

Ьм

]=1 Ьк

где тI - количество литологических разностей, пересекаемых поверхностью скольжения; а - нормальное напряжение, действующее на элементарной площадке поверхности скольжения; т2 - количество контактов (поверхностей ослабления), по которым формируется поверхность скольжения; Ьм, Ьк - участки поверхности скольжения, проходящие по массиву и контакту (поверхность ослабления) соответственно;г - касательное напряжение, действующие на элементарной площадке поверхности скольжения.

Местоположение поверхности скольжения устанавливается на основе решения задачи теории предельного равновесия по минимальному коэффициенту запаса устойчивости [2]. На основе изложенного алгоритма разработан программный комплекс «Устойчивость карьерных откосов» с использованием которого решен ряд задач по обоснованию рациональных параметров карьерных и отвальных откосов и оценке состояния их устойчивости в различных горно-геологических условиях, в том числе и с учетом фактора времени, разработаны рекомендации по обеспечению устойчивости прибортовых массивов: на карьерах «Николаевский», «Конырат», «Алпыс», «Васильковский», «Варваринский Центральный», «Абыз»,

«Космурун», «Итауз», «Акжалский», «Качарский», «Ушкатын-Ш», на

Чиганакских карьерах №1 и №2; на разрезах «Богатырь», «Молодежный», «Куу-Чекинский», «Каражыра», «Шубаркольский» и т.д.

Для увеличения углов наклона бортов карьеров на проектном контуре рекомендуется проводить искусственное укрепление прибортовых массивов горных пород, позволяющее увеличить углы откосов на участках с менее устойчивыми породами. Важнейшим критерием для этого служит экономическая эффективность мероприятий по укреплению массива, определяемая как разность экономии на вскрыше и затрат на укрепление массива по каждому варианту. Из ряда вариантов принимается оптимальный, которому соответствует максимальная прибыль от мероприятий по укреплению прибортового массива [3].

Проблема управления устойчивостью прибортовых массивов на карьерах может быть решена только на основе комплексного подхода, включающего в себя решение всех составляющих задач и вопросов, рассмотренных в данной статье.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ожигин С.Г. Маркшейдерско-геологический мониторинг состояния устойчивости карьерных откосов //Новости науки Казахстана. - Алматы: НЦНТИ, 2007. - С. 12-16.

2. Долгоносов В.Н., Шпаков П.С., Низаметдинов Ф.К., Ожигин С.Г., Ожигина С.Б., Старостина О.В. Аналитические способы расчета устойчивости карьерных откосов. -Караганда: «Санат-Полиграфия», 2009. - 332 с.

3. Низаметдинов Ф.К., Долгоносов В.Н., Ожигин С.Г. Укрепление откосов уступов и бортов карьеров. - Караганда: Санат-полиграфия, 2007. - 47 с.

© Ф.К. Низаметдинов, С.Г. Ожигин, С.Б. Ожигина, 2012