CC BY
71
ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 622.271.45/48:550.8(470.21)
ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ СНЕЖНО-ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ ПОРОД ОАО «АПАТИТ»
А.И. Калашник, Д.В. Запорожец, А.Ю. Дьяков, А.Ю. Демахин
Г орный институт КНЦ РАН
Аннотация
Выполнено георадиолокационное зондирование снежно-породных отвалов ОАО «Апатит», которые необходимо переместить за пределы расширяемого рудника «Центральный». Результаты зондирований дают детальную информацию о структуре отвалов, местоположении и размерах снежно-породных конгломератов и ледяных линз, что предоставляет основу для оптимизации параметров БВР: сетке и глубине буровых скважин, плотности их заряжения и режиму взрывания.
Ключевые слова:
георадиолокация, снежно-породные отвалы, БВР, оптимизация.
Вследствие многолетней добычи апатитовой руды ОАО «Апатит» на горных склонах плато Расвумчорр образовались значительные объемы отвалов пустых пород, в которых находятся миллионы тонн горной массы вперемежку со снегом и льдом. Основной задачей в течение практически тридцати лет было решение проблемы обеспечение их устойчивости с учетом того обстоятельства, что в отвалах было значительное количество смерзшегося снега и снежнопородных конгломератов [1]. В настоящее время развитие карьера «Центральный» предопределило вовлечение в эксплуатацию запасов руд, расположенных непосредственно под отвалами пород. В связи с этим было принято решение о перемещении породных отвалов за пределы расширяемого контура карьера. Однако это оказалось достаточно сложной задачей, так как отвалы, представляющие собой смесь кусков пород различной величины и снежноледяных включений, в условиях практически всего времени отрицательных здесь температур, трансформировались в снежно-ледяные породные конгломераты. Применение для этих условий стандартных БВР показало их достаточно низкую эффективность в части отбиваемой массы (развала пород). На некоторых участках необходимого дробления не происходило: подповерхностные снежно-породные конгломераты после отбойки представляли собой негабариты, плохо поддающиеся экскавации (рис. 1). Для целей оптимизации БВР (буровзрывных работ) необходимо было опережающее знание о наличии и размерах этих конгломератов, которое можно было получить на основе применения малозатратных оперативных геофизических методов, в частности, георадиолокационного зондирования, достаточно успешно применяемом при решении различного рода задач на горных предприятиях Кольского п-ова [2-6].
Рис. 1. Снежно-породные конгломераты-негабариты после проведения отбойки
16
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2014(18)
А.И. Калашник, Д.В. Запорожец, А.Ю. Дьяков, А.Ю. Демахин
Анализ результатов предыдущих исследований, выполненных Горным институтом КНЦ РАН, по проблеме устойчивости заснеженных отвалов на горных склонах [1] показал, что отвалообразование на горных склонах плато Расвумчорр имеет следующие геотехнические особенности:
• во время отсыпки породы на горные склоны происходило скатывание ее кусков и естественное распределение в зависимости от их массы и размера: крупность кусков к подножию возрастала, а мелкие фракции располагались в верхней части отвала. При этом в отсыпаемые отвалы зачастую попадали значительные объемы снега, как непосредственно в виде осадков и ветровых наносов, так и в перевозимых породах. Так, за период с 1968 по 1973 гг. в отвалы № 8 и № 9 было отсыпано 13.4 млн м3 вскрышной породы (примерно 36 млн т). Выполненная оценка снегонаполнения по метеорологическим наблюдениям позволила установить, что в течение этого периода в эти отвалы попало от 3.5 до 5.0 млн м3 (1.0—1.5 млн т) снега [1]. Этот снег, погребенный в отвальной породе, заполнил ее пустоты, спрессовался под действием ее веса до плотности фирнового льда (0.7-0.8 т/м3) и сцементировал ее, превратив из сыпучей среды в конгломерат породы и снега;
• гранулометрический состав раздробленного породного массива, находящегося в отвалах, изменяется в довольно широких пределах: от 0-1 до 1000-1500 мм, и укрупненно распределяется в удельном отношении следующим образом (рис. 2). При этом средневзвешенная величина диаметра куска d породы составила по расчетам авторов статьи около 242 мм;
Рис. 2. Укрупненное распределение размеров кусков пород в отвале
• общий объем включенного в отвальные породы снега может достигать 30%. Наибольшая заснеженность приурочена к участкам отвалов, где перерывы в отсыпке породы достигали одного и более месяцев. Оценка снегосодержания в отвалах показала, что в слоях зимней отсыпки средняя заснеженность (весовая) достигала 14-20%, а объемная - от 7 до 77 % и более (табл. 1) [1]. При этом мощность снежно-породного конгломерата могла составлять
от нескольких метров до 50-60 м;
Таблица 1
Средняя заснеженность отвальной породы (%) [по 1]
Номер отвала Годы Объемная
1-а 1970-1972 38.5-46.2
4 1965-1972 38.5-54.0
6-а 1966-1971 7.7-53.9
8-б 1967-1972 15.4-38.5
9-а 1969-1972 38.5-77.0
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2014(18)
17
Георадиолокационное зондирование снежно-породных отвалов пород ОАО «АПАТИТ»
• крупнокусковатый материал отвалов имел высокий коэффициент пустотности и, следовательно, фильтрации, в то время как мелкие фракции отвальной породы, преобладающие в верхней части отвала, перемешиваясь со снегом, образовывали снежнопородный конгломерат, физико-механические свойства которого существенно отличаются от заснеженной крупнокусковатой породы и обладают большой изменчивостью при повышении температуры, особенно вблизи 0 °С и в момент вытаивания снега;
• поле отрицательных температур простирается по вертикали на глубину не менее 100 м, что исключает приток тепла от подстилающей поверхности, но обеспечивает постоянный приток холода. Вследствие теплоносителей (дождь, талые воды, нагрев) прогревание отвалов происходило от поверхности на глубину не более 10 м, а в холодные годы вообще не происходило;
• при полном заполнении пустот объемом льда (льдистость более 30% по объему отвала), участки льда, ранее разделенные породными кусками, объединяются в сплошной каркас и разделяют в свою очередь куски породы, которые как бы взвешены во льду. Это обуславливает связность отвальной массы и ее вязкопластические свойства, которые и сказываются при проведении отбойки отвальных пород.
Эти геотехнические особенности и предопределили сложность БВР при перемещении горных отвалов. Поэтому основной целью проведения георадарного зондирования перемещаемых отвальных пород была оценка подповерхностного содержания снега и льда в отвалах, а также выявление и оконтуривание снежно-ледяных линз и нижней границы приповерхностных снежно-породных конгломератов.
Для проведения контрольных георадиолокационных исследований была подготовлена относительно горизонтальная площадка на отвалах пород, площадью около 500 м2. На площадке было выполнено профилирование по сетке с расстоянием 5 м между профилями, при этом суммарная длина продольных и поперечных профилей составила 1 340 м.
Измерения производились георадаром Ramac GPR/X3M (экранированная антенна 100 МГц), с заданной глубиной зондирования до 20 м, шагом опробования 5 см и с автоматической записью результирующих электромагнитных сигналов в файл. Для обработки файловых георадиолокационных данных применялся специализированный программный продукт RadExplorer, а исходными данными для обработки служили параметры диэлектрической проницаемости компонентов системы породных отвалов (табл. 2).
Таблица 2
Исходные данные для обработки результатов георадиолокационного зондирования
породных отвалов
Исследуемая среда Относительная диэлектрическая проницаемость, 8 Скорость прохождения электромагнитной волны, см/нс
Воздух 1 30
Вода 81 3.3
Лёд 3-4 15.0-17.3
Апатит 5-6 11.3-13.4
Нефелин 7-8 10.0-11.1
Глина 4-16 7.4-15.0
Песок 4-30 5.5-15.0
Моренные суглинки 9-25 6.0-10.0
В результате применения специальных процедур обработки [4] получены волновые картины-радарограммы, отображающие подповерхностную структуру отвалов на глубину до 15-20 м. Интерпретация радарограмм на основе анализа изменчивости амплитуд сигналов
18
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2014(18)
А.И. Калашник, Д.В. Запорожец, А.Ю. Дьяков, А.Ю. Демахин
позволила выделить снежно-породные конгломераты, участки льда и локализовать их нижнюю границу (пример интерпретированной радарограммы представлен на рис. 3).
15
1в=
Трасса амплитудночастотного сигнала
I' I '■
Нижняя граница снежно- <, | цоцолцого конгломеца^а 'Jj
0
10
20
30
40
5
10
Рис. 3. Фрагмент радарограммы с выделением приповерхностного снежно-породного
конгломерата и снежно-ледяных линз
Для целей визуализации и наглядного представления результатов георадиолокационного зондирования была построена трехмерная цифровая модель верхней части породного отвала, с достаточно высоким уровнем детализации, необходимым для решения задач оптимизации параметров БВР в части расположения и глубины буровых скважин и степени их заряжения ВВ.
Для этого на первом этапе использовалась программа Surfer, с помощью которой была выполнена графическая интерпретация георадиолокационных данных - построение цифровой модели поверхности и ее визуализация, а также проекция изолиний нижней границы снежнопородного конгломерата на горизонтальную поверхность. На втором этапе использовалась программа автоматизированного проектирования Autocad с использованием 3D технологий для представления объемной информации о подповерхностной структуре породного отвала (рис. 4). Основой для построения 3D модели являлись данные с 23 обработанных радарограмм по поперечным и продольным профилям, представляющим собой трехмерную матрицу координат в узловых точках (пересечение профилей по сетке 5 м).
Рис. 4. 3D модель структуры участка отвалов пород по результатам георадиолокационного зондирования
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2014(18)
19
Георадиолокационное зондирование снежно-породных отвалов пород ОАО «АПАТИТ»
Комплексный анализ радарограмм, цифровых поверхностей и 3D модели позволяет сделать следующие выводы о структуре отвалов на участке георадиолокационного исследования:
-верхняя часть породного отвала представляет собой снежно-породный конгломерат, простирающийся от дневной поверхности в глубь отвала до 3-4 м в центре площадки и до 7-8 м на юго-восточной ее части, и до 13-14 м - на северной. Ниже, по данным зондирования, до глубины 20 м располагается отвальная порода с достаточно равномерным гранулометрическим составом и низким содержанием снега и льда;
-снежно-породный конгломерат состоит из уплотненного дисперсного снега, в который «впаяны» куски породы размером от первых сантиметров до 0.5м.
Заключение
1. Выполнен системный анализ многолетних исследований Горного института РАН по снежно-породным отвалам ОАО «Апатит», который позволил выявить ряд геотехнических особенностей, создающих затруднения при проведении БВР для перемещения отвалов за пределы расширяемого карьера;
2. Проведено георадиолокационное профилирование на глубину до 15-20 м контрольного участка перемещаемых отвалов. По результатам георадиолокационных определений построены и интерпретированы радарограммы - вертикальные разрезы, а также цифровая 3D модель структуры снежно-породного отвала.
3. Установлено, что верхняя часть отвалов представляет собой единый снежно-породный конгломерат, простирающийся от поверхности на глубину до 3 м в центральной части и до 8-10 м на краевых частях (в северной части на глубину до 14 м). Под выделяемым конгломератом, по данным георадиолокационного зондирования, до глубины 20 м находится равномерно-распределенная отвальная порода с низким содержанием снега и льда.
4. Применение георадиолокационного зондирования позволило получить детализированную информацию (в цифровом поверхностном и объемном отображении, проекции изолиний нижней границы снежно-породного конгломерата на горизонтальную поверхность) подповерхностной структуры отвалов, что предоставляет конкретную количественную основу для планирования и проведения буровзрывных работ для качественного дробления перемещаемых отвалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Отвалы на горных склонах / Э.Б. Красносельский, Г.В. Калабин, Б.К. Оводенко, Г.М. Еремин, В.Г. Колесников, А.А. Коновалов, Г.В. Сазонов. Л.: Наука, 1975. 150 с. 2. Подповерхностное георадарное зондирование горногеологических сред Кольского полуострова / А.И. Калашник, Д.В. Запорожец, А.Ю. Дьяков, А.Ю. Демахин // Вестник МГТУ: Тр. Мурман. гос. тех. университета. 2009. Т.12,. №4. С. 576-583. 3. Демахин А.Ю., Дьяков А.Ю., Запорожец Д.В. Компьютерные технологии при неразрушающем подповерхностном зондировании геологических сред георадарным комплексом Ramac/GPR X3M // Компьютерные технологии при проектировании и планировании горных работ: сб. тр. всероссийской науч. конф. с междунар. участием, 23-26 сент. 2008 г. Апатиты; СПб.: Реноме, 2009. С. 286-291. 4. Старовойтов А.В. Интерпретация георадиолокационных данных. М.: Изд. МГУ, 2008. 192 с. 5. Исследования георадарами структуры и текущего состояния горных пород, слагающих уступы основного карьера Ковдорского ГОКа / А.И. Калашник, Д.В. Запорожец, А.Ю. Дьяков, С.В. Казачков, В.А. Сохарев // Горный журнал. 2014. № 4. 6. Калашник А.И., Дьяков А.Ю. Исследование взаимосвязи параметров электромагнитного зондирования и напряженного состояния пород уступов карьера // Изв. вузов. Горный журнал. 2013. № 8. С. 58-63.
Сведения об авторах
Калашник Анатолий Ильич - к.т.н., зав. Лабораторией; e-mail: kalashnik@goi.kolasc.net.ru Запорожец Дмитрий Владимирович - ведущий инженер; e-mail: Zaporojec@goi.kolasc.net.ru Дьяков Андрей Юрьевич - младший научный сотрудник; e-mail: dyakov@goi.kolasc.net.ru Демахин Андрей Юрьевич - инженер; e-mail: demahin@goi.kolasc.net.ru
20
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2014(18)
