CC BY
22
Рис СЕЭДШХРЧдрабатываем0™ борта карьера
В плДОМЛНдаКСЙМЖ)ЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© В.Н. Калмыков, Н.А. Астахова,
2001 -
УДК 622.83
В.Н. Калмыков, Н.А. Астахова
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОСВОЕНИЯ ПРИКАРЬЕРНЫХ ЗАПАСОВ С ОБРУШЕНИЕМ ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ БОРТОВ
Как показывает анализ практики, комбинированная разработка месторождений полезных ископаемых характеризуется сложностью геомеханической обстановки, обусловленной отличительными особенностями напряжен-но-дефор-мированного состояния (НДС) массива горных пород, в результате ведения открытых и подземных работ в зоне взаимного влияния.
Комбинированная разработка месторождений может иметь различные варианты пространственно-временного соотношения открытых и подземных работ [1]:
1. Первоначально отрабатывают верхнюю часть месторождения карьером, после прекращения работ, в котором дальнейшая выемка запасов производится только подземным способом;
2. Переход на открытый способ разработки месторождения с ранее применявшегося подземного способа, причем очистные работы в подземном руднике при этом прекращаются;
3. Совместная разработка месторождения от-
Таблица
крытым и подземным способами.
Наибольшее распространение получила первая схема ввиду того, что при отработке запасов ценных руд наклонных и крутопадающих месторождений открытым способом до предельной, по экономической оценке, глубины, значительная их часть остается в основании бортов и дне карьера. При ее использовании наибольшие сложности возникают, как правило, вследствие большой глубины современных карьеров и их предельного по устойчивости состояния на момент завершения работ, что приводит к усугублению геомеханической обстановки в прикарьерной зоне, вызывая деформации и обрушение бортов (табл. [2]). Глубина карьеров в настоящее время находится в пределах 250 - 500 м и более, а запасы остающиеся в бортах и дне карьера составляют около 25-40 % от балансовых.
Отработка данных запасов открытым способом нецелесообразна из-за значительного коэффициента вскрыши, вследствие необходимого разноса бортов.
Отработка подземным способом ценных руд преимущественно ведется системами с закладкой или открытыми камерами в переходной зоне. Варианты систем с обрушением руд и пород применяются значительно реже.
В связи с тем, что на многих горнодобывающих предприятиях не были своевременно построены подземные рудники, была проведена ре-
ДЕФОРМАЦИИ БОРТОВ НА ГЛУБОКИХ КАРЬЕРАХ РУД ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Карьер Высота борта, м Угол наклона борта, градус. Деформации Дополнительный объем вскрыши
Проектная Факти- ческая Про- ектный Фактиче- ский Число Объем, тыс. м3
«Златоуст- Беловский» 300 260 39-48 20-38 23 90 23300
«Гайский №1 350 270 28-33 25-30 21 330 1480
«Сибайский» 489-504 500 37-39 45-60 30 500 2995
«Учалинский» 326 252 31-39 28-37 39 600 1300
«Мукуланский» 1050 400 43-45 24-27 9 1700 -
«Агаракский» 458 366 24-34 16-31 5 1200 -
«Зыряновский» 410 250 25-34 22-30 4 1800 -
конструкция карьеров.
Поддержание объема добычи рудного сырья осуществлялась за счет вовлечения в открытую разработку запасов, предусмотренных проектом для подземной разработки. С целью снижения объемов вскрыши был увеличен угол откоса бортов в основании до 60-70°, сокращена ширина транспортных и предохранительных берм, а на отдельных более устойчивых участках массива отказ от них. В качестве примера можно привести Сибайский карьер.
При данных условиях отработка прибортовых запасов системами с закладкой нецелесообразна, поскольку требует дополнительных затрат на закладку, что неизбежно приводит к повышению себестоимости добываемой рудной массы. А так же требует временной консервации запасов в целиках. Отработка открытыми камерами не осуществима вследствие снижения деформационных и прочностных характеристик пород и высокой опасности внезапного обрушения бортов в местах их подработки. Наиболее предпочтительны в данном случае варианты систем с обрушением руд и вмещающих пород. Но при отработке запасов системами с обрушением в процесс сдвижения массива вовлекаются большие площади, на которых часто располагаются охраняемые объекты (отвалы вскрышных пород, хвостов обогащения, здания и сооружения промышленной площадки).
Исследование особенностей и закономерностей отработки прибортовых запасов системами с обрушением под пригрузкой борта и без нее, проводилось методом математического моделирования в постановке плоской задачи (рис. 1) при использовании программного комплекса FEM (УГГА) с учетом действующего тектонического поля напряжений в условиях Сибайского карьера. При создании модели учитывалась возможность варьирования высоты пригрузки, а также отработка вариантом подэтажной выемки.
Принятие физико-механических характеристик производилось дифференцировано, поскольку в результате отрицательного воздействия БВР в прикарьерной зоне формируется зона остаточных нарушений, размер которой достигает в некоторых случаях 50-80 м и зона интенсивных нарушений около 20-30 м. Угол внутреннего трения снижается на 10-20 %, величина сцепления массива на 20-45 %, а значение модуля деформаций уменьшается на порядок [3].
Данный программный комплекс позволяет определить напряжения в любой точке совместно деформирующегося массива, выявить области концентрации напряжений в элементах горных конструкций при варьировании их параметров и определить устойчивость подрабатываемого массива.
Оценка НДС подработанного глубоким карьером массива показала, что выемка запасов в основании борта карьера будет производиться в условиях высокой концентрации касательных сдвигающих (рис. 2) и горизонтальных сжимающих напряжений (рис. 3) изменяющихся в пределах от -6,4 до 5,2 МПа и от -26,8 до 0,02 МПа соответственно. Вместе с тем, на поверхности в результате ведения открытых работ вблизи контура карьера формируется зона растягивающих напряжений. Такое распределение напряжений может быть объяснено влиянием карьерной выемки на породный массив, в результате которой вблизи контура бортов карьера формируется зона разгрузки, а действующие напряжения в результате перераспределения концентрируются в основании бортов и дне карьера. Вертикальные напряжения перераспределяются более равномерно, чем горизонтальные, создавая незначительные зоны концентрации в основании карьера (рис. 4).
Коэффициент запаса устойчивости приборто-вого массива с учетом измененных физикомеханических характеристик пород в непосредственной близости от контура карьера находится в пределах 0,9 - 1,2, обрушение бортов происходит по местным линиям скольжения вследствие тектонической и техногенной нарушенности при-
Рис. 2. Характер распределения касательных напряжений в массиве на момент завершения работ в карьере
Рис. 3. Характер распределения горизонтальных напряжений в массиве на момент завершения работ в карьере
Рис. 4. Характер распределения вертикальных напряжений в массиве на момент завершения работ в карьере
бортового массива при ведении БВР в период работы карьера.
При отработке второго подэтажа высотой 15 м обрушение подработанного борта становится неконтролируемым (рис. 5).
Таким образом, согласно полученным результатам математического моделирования, отработка прибортовых запасов без пригрузки бортов невозможна вследствие: высокой концентрации сдвигающих напряжений; предельного состояния прикарьерного массива на момент завершения открытых работ; большого разлета отбиваемой руды; наличия аэродинамических связей подземных выработок и сложности их проветривания в условиях глубоких карьеров; опасности внезапного неконтролируемого обрушения подработанного борта, образующего консоль.
При формировании пригрузки подрабатываемого борта концентрация сдвигающих касательных напряжений снижается за счет увеличения удерживающих сил в основании откоса, в результате чего увеличивается коэффициент запаса устойчивости борта до значений 1,3-1,4 (рис. 6).
Но для обеспечения временной устойчивости и контролируемого обрушения подрабатываемых бортов необходимо формировать пригрузку больших объемов, что трудно, а порой просто невозможно осуществить при отсутствии транспортных берм на нижних горизонтах или их малых размеров.
в)
Рис. 5. Характер изменения коэффициента запаса устойчивости: а) на момент завершения работ в карьере; б) при отработке запасов первого подэтажа; в) при отработке запасов второго подэтажа
а)
/
/Ч ) ) ) і > У - г."
б)
в)
/ 1 ' і 1 і 1
.#■ ; і / . ./ ( ( /
' ■ \у ■ у .У...,'. , й;. •' ^
Рис. 6. Характер изменения коэффициента запаса устойчивости при отработке запасов под пригрузкой скальными вскрышными породами: а) первого подэтажа; б) третьего подэтажа; в) всех запасов «рудного треугольни-
На основе всех проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. отработка прибортовых запасов подземным способом весьма затруднительна, вследствие сложной геомеханической обстановки в результате большой глубины современных карьеров;
2. так как прибортовые запасы чаще всего распространяются по всему периметру карьера и на высоту в пределах от 20-40 м до 120-150 м, то очень сложно контролировать обрушение подрабатываемого борта
3. анализ практики комбинированной геотехнологии показывает, что при отработке при-
контурных запасов в процесс сдвижения вовлекаются большие площади массива с расположенными на поверхности охраняемыми объектами (здания промышленной площадки, отвалы вскрышных пород и хвостов обогатительного производства).
4. для обеспечения безопасности и благоприятных условий отработки прибортовых запасов необходимо формировать пригрузку больших объемов, так для условий Сибайского карьера при высоте отрабатываемых запасов 75 м она составит 110-150 м, а угол обрушения будет меняться в пределах 75-85 градусов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мухтаров Т.М. Комбинированный способ разработки месторождений полезных ископаемых. - М.: Наука, 1988, с.-232.
2. Галустьян Э.Л., Вере-
тельник И.П. Предупреждение крупномасштабных разрушений бортов карьеров путем поэтапной оценки их устойчивости. - Горный журнал, № 2, 1999, с. 25 - 28.
3. Обоснование порядка и параметров открыто-подземной технологии в основании Сибайского карьера. -Отчет по НИР, 2001, МГТУ.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
/ 7
Калмыков Вячеслав Николаевич - профессор, доктор технических наук., Магнитогорский государственный технический университет.
Астахова Наталья Александровна - аспирант кафедры ПРМПИ, Магнитогорский государственный технический университет.
^_______:_________________________________________________________________/
