CC BY
34
..................................................................
СИМПОЗИУМ «СОВРЕМЕННОЕ ГОРНОВ ДЕЛО: ОБРАЗОВАНИЕ НАУКА, ГФОМЫШЛЕНИОСТЬ» д
гшм<
ам.демин Геомеханическое обеспечение
МП КОН РАН ”
===^===:;=л ресурсосберегающих технологии открытой разработки месторождений
Известно, что развитие технологии горных работ в карьерах осуществляется в трех направлениях.
1. Совершенствование традиционной горной и транспортной техники путем увеличения рабочих размеров и единичной мощности оборудования.
2. Разработка нового горнотранспортного оборудования (кранлайны, билайны, крутонаклонные конвейеры) или применение техники, ранее использовавшейся в других отраслях промышленности (скиповые подъемники, машины послойного фрезерования, роторные экскаваторы для разработки взорванных скальных пород и др.). В этом случае могут быть сформированы либо более пологие (машинами послойного фрезерования) либо более крутые (крутонаклонные конвейеры) углы откосов, чем при применении традиционной техники.
3. Обоснование и разработка технологий, использующих направленно-дефор-мированное состояние массива пород для его разрушения и управляемого сдвижения.
Рассмотрим более подробно третье направление.
Здесь можно выделить два концептуальных подхода. Первый заключается в принудительном обрушении массива, на которое расходуется большое количество энергии. Второй подход учитывает естественные потенциальные поверхности ослабления, имеющиеся в массиве и ориентируется на создание условий, провоцирующих их развитие с учетом конкретной геомеха-нической обстановки.
Таким образом, могут быть установлены оптимальные соотношения, например, между углом откоса уступа, обеспечиваю-
щим его максимальную устойчивость и свойствами и условиями залегания пород.
Большое значение при обосновании новой технологии приобретают три методических подхода:
Накопление фактических данных о проявлении оползневых процессов, сопровождающих открытую разработку месторождений и их обобщение (геомониторинг оползней), геофизические измерения свойств горного массива в пределах карьерного поля и моделирование.
Геомониторинг оползней дает возможность в ряде случаев решать сложные практические задачи, например, работать в условиях медленно деформирующихся откосов бортов [1].
Геофизические измерения обладают большой информативностью и позволяют достоверно районировать карьерное поле по условиям буримости, взрываемости, устойчивости, обеспечивая, с одной стороны, массовость замеров, а с другой стороны, эти замеры отражают состояние массива горных пород, а не образцов, что повышает надежность результатов [2].
Моделирование помогает вскрыть механизм процессов, происходящих в приот-косных массивах пород при открытой разработке. Новым весьма перспективным направлением в моделировании является применение эквивалентных материалов, подвергающихся воздействию физических полей, например, переменного температурного, что позволяет получать разрушающиеся модели откосов при корректных граничных условиях. Этим методом были изучены, например деформации отвалов Сибайского карьера и вертикальных уступов [3].
Современный карьер должен обеспечивать максимальную эффективность производства при минимальном отрицательном воздействии на окружающую среду. Эффективность измеряется в прибыли, т.е. в разности между доходами и расходами, причем в расходах надо учитывать отрицательное воздействие горного производства на окружающую среду, измеряемое в последующих затратах на восстановление экологического равновесия.
Научные основы открытых горных работ начинались, как вспоминает Е.Ф.Шеш-хо, с установления целесообразной глубины карьеров.
Будем считать карьер глубоким, когда в его приоткосных массивах развиваются напряжения, превышающие сопротивление одноосному сжатию
Я > а0/у или Я>Л90,
где Н — глубина карьера;
(т0 —сопротивление пород одноос-
ному сжатию;
у — объемная масса пород;
Идо — предельная высота уступа
(борта) с вертикальным откосом.
До этой глубины углы откосов бортов можно отстраивать максимально возможными по условиям технологической осуществимости. В глубоком же карьере угол откоса определяется не технологией работ, а его устойчивостью.
Если принять в качестве средних значений для железорудных карьеров а0 = 100 МПа = 10000 т/м2, коэффициент структурного ослабления 0,3 у = 2,5 т/мз, то
д>100(юх0,1 -400м
Здесь, конечно, идет речь об общей устойчивости борта. Что касается локальной устойчивости, то на нее влияет целый комплекс факторов: 1) напряженное состояние приоткосных массивов - разгрузка открытой выработки от напряжений и тектонические напряжения; 2) инженерно-геологи-
ческие условия, меняющиеся в пределах карьерного поля; 3) объемный эффект; 4) фактор времени.
Для ее обеспечения необходима организация геомониторинга в карьере, который должен представить оперативную информацию о возможной деформации откоса, что позволит принять меры по ее предупреждению или локализации.
Исходя из высказанных выше соображений, сформулируем требования к геоме-ханическому обеспечению современной технологии открытых горных работ.
1. Учет деформационных свойств горного массива.
Дело в том, что буровзрывные работы, выемка, отвалообразование создают участки повышенной концентрации энергии. Эта энергия разряжается по некоторому закону, производя при этом различные действия (трещинообразование, дробление, сдвижение и др.), результатом которых является формирование технологических параметров разработки: ширина, высота и угол откоса развала, угол откоса уступа после уборки взорванной породы и др. Для управления этими процессами должна быть выявлена зависимость между первоначальными и конечными параметрами с учетом деформационных свойств массива горных пород. Известны эмпирические соотношения, связывающие различные величины, например, высоту уступа с шириной развала и др., однако они не учитывают свойств массива или для учета особенностей строения массива требуют трудоемкой работы, например, по подсчету количества трещин, отбору и испытанию образцов пород.
Представляется перспективным использовать энергетический критерий Фру-да, учитывающий действие силы тяжести, вместо применяемого обычно силового критерия Коши, согласно которому принимаются во внимание только упругие свойства.
На основе этих сформулированных подходов должны быть разработаны инженерные методы расчета технологических параметров систем разработки для широкого диапазона свойств горных пород и горнотехнических условий.
<т
Большую роль здесь должны сыграть геофизические методы.
На основе установленных связей между параметрами деформационных и технологических процессов должен быть разработан инженерный метод расчета оптимальных (по затратам энергии) параметров технологических процессов, таких как глубина бурения, высота уступа, угол откоса, сетка скважин, величина перебура и незаряженной части скважины, л.н.с., л.н.с.п.п., ширина и высота развала, куско-ватость, ширина предохранительной бермы, параметры отвала и др.
2. Уменьшение объемов вскрышных работ в предельных контурах глубоких карьеров. Такое уменьшение может быть достигнуто за счет:
2.1. Изыскания геомеханических возможностей отстройки бортов глубоких карьеров под крутыми углами. Уменьшение объема вскрыши может достигать при этом, например, в карьере глубиной 300 м и при увеличении угла наклона борта на 1 - 3 млн. м нав 1 км протяженности борта. Эти объемы резко возрастают с глубиной.
Как показывает зарубежный опыт, углы откосов бортов в крепких породах при благоприятных условиях могут достигать 55-60° вместо существующих в настоящее время 35-45".
2.2. Изыскание возможностей увеличения устойчивых углов откосов бортов карьеров на отдельных участках карьерных полей при их инженерно-геологическом районировании. Методика такого районирования разработана и апробирована на конкретном месторождении [4].
2.3. Формирование выпуклых (циссо-идных) контуров бортов карьеров обеспечивает минимальный объем вскрышных работ и максимальную устойчивость, поскольку борт разгружается от напряжений.
3. Максимальное использование выработанного пространства карьеров для внутреннего отвалообразования.
3.1. Естественно, в первую очередь, когда это возможно по горно-геологиче-ским условиям, необходимо использовать бестранспортную систему разработки. При этом высота вскрышного уступа должна
быть максимально возможной по условиям устойчивости. Что касается отвалов, то высота отдельного яруса при угле естественного откоса не должна превышать предельно устойчивую, а контур многоярусного отвала (с учетом подрезки нижнего яруса под углом круче естественного) должен вписываться в устойчивый выпуклый цис-соидный профиль.
3.2. Основная идея рациональной технологии внутреннего отвалообразования при транспортной системе разработки состоит в формировании локальных внутренних отвалов, включающем три этапа:
3.2.1. Выбор местоположения отвалов.
3.2.2. Выбор срока начала внутреннего отвалообразования с учетом оптимизации режима горных работ.
3.2.3. Разработка технологии внутреннего отвалообразования.
С учетом результатов проведенных ранее исследований можно выделить три целесообразных направления воздания внутренних отвалов: а) засыпка транспортных берм и съездов с оставлением туннелей для сохранения транспортных коммуникаций; б) засыпка выработанного пространства на локальном участке с дневной поверхности на всю глубину; в) отсыпка дамб (насыпей) и перемычек, ограничивающих зоны внутреннего отвалообразования. При этом устойчивость отвалов будут определять следующие факторы и ограничения:
1. Высота яруса. Здесь возможны две технологии. Первая, обычная, соответствующая условию
^ ^пред1
где Ая — высота отвального яруса;
Ипред — предельно устойчивая высота отвального яруса при угле естественного откоса. Вторая определяется соотношениями
что соответствует работе отвала в режиме допустимых деформаций.
Здесь Ьо и Ьд — соответственно ожидаемая и допустимая ширина захвата деформаций.
Впервые условия применения этой технологии были сформулированы нами в 1973 г. [5] и детально разработаны под нашим руководством к.т.н. А.М.Иванченко применительно к внешним отвалам карьеров КМА при конвейерном и экскаваторном отвалообразовании [6] и к.т.н. В.Н.Ев-сеевым применительно к внешним отвалам Ки я-Шалтырского рудника при бульдозерном отвалообразовании [7]. Аналогичная технология может применяться и для внутреннего отвалообразования.
2. Угол естественного откоса отвала при прочих равных условиях существенно зависит от технологии укладки пород. Подбирая соответствующим образом эту технологию, можно значительно увеличить угол естественного откоса отвала [8].
3. Эффект узкой бровки проявляется в отвалах, возведенных в виде дамб и перемычек, при этом устойчивость откосов несколько повышается.
4. Эффект объемности (конусность) также повышает степень устойчивости отвалов.
Для рассмотрения можно принять следующие три наиболее перспективные технологии, предусматривающие засыпку выработанного пространства с дневной поверхности на всю глубину:
1. Отвалообразование с помощью драг-
Л&шШ.
2. Отвалообразование с устройством породоската вблизи верхней площадки борта карьера и подачей вскрыши к поро-доскату любым видом техники.
3. Отвалообразование с первоначальной отсыпкой пластичных (глинистых) пород с последующим управляемым сдвижением отвала.
Первоочередными объектами исследования могут быть карьеры Южно~Л ебедин-ский Лебединского ГОКа, Объединенный Учалинского ГМК, Коркинский и др. Например, в выработанном пространстве Южно-Лебединского карьера можно сформировать 2-4 техногенных месторождения (мел, мергель, песок, хвосты обогащения). Эскизная проработка конкретных технологических схем селективного отвалообразования в выработанном пространстве Юж-но-Лебединского карьера показала, что при этом может быть получен существенный экономический эффект.
Сформулированные методические подходы могут послужить основой для развития фундаментальных исследований в области геомеханического обеспечения ресурсосберегающей технологии открытой разработки месторождений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Глозман Г.Р. и др. Опыт отстройки борта карьера в условиях его деформирования. // Повыш. техн. уровня горн, оборуд. для откр. и подземн. работ. - Л.г 1988. - С. 74-83.
2. Якобашвили О.П. Сейсмические методы состояния массивов горных пород на карьерах. - М.: И1Ж0И РАН, 1992. - 260 с.
3. Гу лакан К.А., Демин А.М. Моделирование процессов разрушения уступов с вертикальными откосами // Ресурсосберегающие технологии разработки месторождений. М.: ИПКОН РАН, 1992. - С. 85-93.
4. Демин А.М., Чалбаев А.Б. Критерии типизации приоткосных массивов в карьерах на примере месторождения Джанатас // Матер. 9 Всес. конф, по мех. горн, пород. - Фрунзе, 1990. - С. 86-95.
5. Демин Л.М. Устойчивость открытых сорных выработок и отвалов. М.: Недра, 1973. - 232 с.
6. Иванченхо А.М. Увеличение высоты отвальных ярусов отсыпкой в режиме допустимых деформаций: Автореф. дисс.-.качд-техн. наук. М., 1983. - 14 с.
7. Дмин А.М. и да. Отсыпка отвала высоким ярусом на Кия-Шалтырском руднике. М.: Горн, журнал., 1983, N5 1, - С. 26-27.
8. Демин А.М., Мануйлов П.И. Предупреждение деформаций откосов пригрузкой скальными пародами // Безопасность труда в промышленности. - 1980. № 3. - С. 34-36.
© А.М.Демин
