CC BY
37
© А.Н. Акишев, И.Б. Бокий, В.В. Пуль, А.С. Курилко, 2015 УДК 622.013:622.371
А.Н. Акишев, И.Б. Бокий, В.В. Пуль, А.С. Курилко
К ВОПРОСУ УКРЕПЛЕНИЯ ОТКОСОВ УСТУПОВ ПЕРЕКРЫВАЮЩИХ ПОРОД НАКЫНСКОГО КИМБЕРЛИТОВОГО ПОЛЯ В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ
Для сложных горно-геологических, гидрогеологических и климатических условий при открытой разработке кимберлитовых месторождений Западной Якутии, предложен метод управления тепловым режимом нерабочих уступов, отстраиваемых в перекрывающих породах Накынского кимберлитового поля, в условиях криолитозоны. Определены мероприятия по управлению тепловым режимом нерабочих уступов. Для укрепления горных пород предложен геотекстильный метод, основанный на использовании синтетического фильтрующего материала. Рассмотрен и обоснован метод управления тепловым режимом, основанный на оптимизации параметров теплоизоляционной системы, состоящей из теплоизоляционного слоя, защитного покрытия и защитного вала. Приведена схема теплоизоляционной системы и описано использование теплоизоляционного слоя в разные времена года. Определены параметры теплоизоляционной системы, подлежащие оптимизации, и возможности теплоизоляционного слоя.
Ключевые слова: криолитозона, геомеханический мониторинг, нерабочий уступ, перекрывающие породы, управление тепловым режимом, теплоизоляционный слой, искусственное укрепление массива.
Одним из основных факторов, определяющих экономическую эффективность открытой разработки месторождений, является результирующий угол наклона борта карьера в предельном положении, который определяется инженерно-геологическими и геокриологическими условиями месторождения. Особенностью геокриологических условий кимберлитовых месторождений Якутии является их расположение в зоне сплошного распространения мощных толщ мерзлых пород. Общая мощность криолитозоны составляет 700-900 м, много-летнемерзлые породы наблюдается до глубины 200-400 м.
439
Поэтому одно из направлений повышения экономической эффективности разработки карьеров АК «АЛРОСА» (ПАО) — защита уступов в условиях криолитозоны от растепления и увеличения параметров откосов уступов бортов карьеров.
Укрепление горных пород при открытой разработке месторождения полезных ископаемых в многолетнемерзлых породах на объектах АК «АЛРОСА» основано на изучении свойств мерзлых пород, исследовании температурного режима месторождения, прогнозе его изменения в результате ведения горных работ, оценке влияния процессов сезонного и многолетнего промерзания — оттаивания на устойчивость бортов и уступов карьеров [1].
Накынское кимберлитовое поле расположено в верховьях правого притока р. Накын — р. Дюлюнг-Оту в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород, нижняя граница которых прослежена до глубины 400-420 м, наличие льда фиксируется по трещинам до глубины 150 м. Породы перекрывающего комплекса залегают на породах олдондинской свиты и развитых на них корах выветривания с глубоким региональным несогласием. Общая мощность мезозойских перекрывающих пород колеблется от 56 до 71 м [2].
Перекрывающие породы характеризуются как малопрочные, низкой и очень низкой прочности. Самыми слабыми породами являются глины алевритистые, глины карбонатные с обломками карбонатных пород, песчаники алевритистые. В целом, перекрывающие породы на дневной поверхности под действием атмосферных осадков легко разрушаются до рыхлого состояния.
В перекрывающих образованиях объёмный вес — от 1,86 до 2,19 т/м3, предел прочности на сжатие в талом состоянии — от 3,4 до 7,9 МПа. Однако в мерзлом состоянии прочностные характеристики возрастают в 2-5 раз. Теплофизические и физико-механические характеристики пород приведены в табл. 1, 2.
После обнажения в откосах и бермах уступов происходит изменение температурного режима горных пород, основная особенность которого заключается в формировании слоя сезонного оттаивания. В зависимости от влажности и теплофизических характеристик пород максимальная мощность сезонноталого слоя составляет 1,4-6,0 м. В результате разрушения льдоструктурных связей при оттаивании прочность пород снижается.
440
Таблица 1
Теплофизические характеристики пород
Теплоемкость, кДж/(кг*К) Коэффициент теплопроводности Вт/(м*К) Количество скрытой теплоты плавления, кДж/кг
талых пород мерзлых пород талых пород мерзлых пород
1,015 0,957 1,009 1,102 50,4
Таблица 2
Физико-механические свойства пород
Наименование пород Объемная масса, кг/м3 Сцепление в массиве в мерзл. сост., МПа Угол внутреннего трения, град Предельная высота вертик. откоса, м
Песчаники 1,90 0,7 32 23,3
Углистые алевролиты 1,80 0,3 28 9,7
Мергели 2,40 1,1 30 27,8
Глинистые известняки 2,45 1,2 3,1 30,2
Известняки 2,50 1,15 31 37,0
Доломиты 2,55 1,9 37 53,4
Кимберлиты 2,25 1,4 34 41,5
В таких породах как перекрывающие песчаники, углистые алевролиты и некоторые виды мергелей непосредственно после их обнажения оттаивание приводит к деформациям уступов: интенсивному осыпанию откосов, оползанию талого слоя на поверхности мерзлых пород. За один — два года откосы уступов а пермских перекрывающих отложениях могут выположитъся до угла естественного откоса. В более прочных разновидностях мергелей и глинистых известняков криогенные склоновые процессы развиваются через некоторое время после постановки уступов в предельное положение в результате снижения прочности от повторяющихся циклов промерзания — оттаивания.
Поэтому при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом в условиях вечной мерзлоты проблема управления тепловым режимом и изоляции пород для предотвращения сезонного оттаивания в теплый период года является актуальной задачей.
Численные расчеты показывают, что применение изолирующего покрытия толщиной 0,15 м с коэффициентом теплопроводности 0,023 Вт/(м-К) в климатических условиях алмазных
441
месторождений Якутии позволяет не допустить сезонного оттаивания прибортового массива [1].
К методам управления тепловым режимом относятся следующие мероприятия:
- тепловые экраны, основанные на регулировании интенсивности теплообмена грунтового массива через его поверхность с окружающей средой путем изменения градиентов переноса (белые и зеркальные экраны, пленки, окраски поверхности снега, уборка снега, полив водой откосов; применение растительности и т.д.);
- тепловые амортизаторы, представляющие собой устройства для регулирования инертности процесса изменения температурного поля грунтового массива в области теплового амортизатора (пенопластовые покрытия, замкнутые полости, уплотнение грунта, увеличение влажности, емкости и т.д.);
- тепловые трансформаторы — техногенные системы, основанные на применении дополнительной энергии для управления потоками тепла в грунтовом массиве;
- тепловые диоды, основанные на создании температурной сдвижки за счет сезонных изменений плотности теплового потока (торф, скальный грунт, скальные насыпи, сезонные охлаждающие установки (СОУ)).
Для предотвращения сезонного оттаивания пород в теплый период года рекомендуется применение изолирующих защитных покрытий. Защитные покрытия на откосах служат для регулирования температурно-влажностного режима грунтов и снижения активности физико-химического выветривания.
Примерами таких покрытий могут служить торкретбетон, битум, покрытие карбамидными, формальдегидными и эпоксидными смолами, которые применяются как самостоятельно, так и в сочетании с металлической сеткой и штангами [3]. Для креплений покрытий могут применяться анкерная крепь (металлические, сталеполимерные штанги и тросовые (гибкие) анкеры) и металлические сетки, как в сочетании с анкерами, так и без них.
В условиях вечной мерзлоты анкерное закрепление уступа можно сочетать с инъецированием зоны сезонного протаивания пород полимерными смолами [4].
442
Геотекстильный метод укрепления горных пород основан на использовании синтетического фильтрующего материала и заключается в вводе в породную или грунтовую конструкцию материала, обладающего необходимыми прочностью, водопроницаемостью и непроницаемостью для породных частиц определенного размера.
Известен способ теплоизоляции уступов при открытой разработке месторождений, включающий укладку полых водонепроницаемых матов на поверхность откоса и заполнение полости указанных матов быстротвердеющим карбомидным пенопластом. Недостатком способа является значительные трудозатраты, обусловленные трудоемкостью выполнения работ по заполнению полостей матов быстротвердеющим карбомидным пенопластом, в целом, не технологичностью выполнения отдельных операций по созданию теплоизолирующего покрытия откосов высоких уступов.
Работы по теплоизоляции откоса проводились в 1991 году для укрепления уступов карьера «Мир». На расстоянии 4 м от бровки уступа через 3-5 м бурили неглубокие скважины, в которые опускали трубы и закрепляли бетонированием. К трубам с помощью троса закрепляли сетку «Рабица», которую закрепляли с помощью костылей. В качестве изолирующего материала использовали вспененный полиуретан РЕПОР 6ТН. Наблюдения показали, что под теплоизоляцией глубина протаивания в два раза меньше и не превышает 3 м. Теплоизолирующий экран обеспечивает упрочнение пород откоса и сохраняет отрицательную температуру на глубине свыше 2 м. В целом, следует заметить, что применение пенополиуретана оправдано и может быть расширено, но необходимо дополнительно рассматривать экономическую целесообразность, продиктованную достаточно высокой стоимостью материалов [5-7].
Эффективными могут быть следующий способ укрепления, направленный на повышение прочностных свойств пород [8]. Так как породы имеют отрицательную температуру, то в качестве цементирующего вещества можно использовать обычную воду, нагнетая ее через скважину в массив.
На основе опыта укрепления горных пород в условиях кри-олитозоны предлагается метод управления тепловым режимом, основанный на оптимизации параметров теплоизоляционной
443
системы, состоящей из теплоизоляционного слоя, защитного покрытия и защитного вала.
Теплоизоляционный слой создается путем бурения наклонных скважин в зимний период с верхней площадки наиболее подверженной растеплению стороны нерабочего борта уступа, на всю его высоту с последующим заполнением их ледовым щебнем, охлажденной пресной водой и проморозкой естественным холодом (рис. 1).
Для сохранения теплоизоляционного слоя в летнее время используется система, состоящая из защитного покрытия и защитного вала на верхней бровке уступа. Защитный вал возводят поверх устьевых частей скважин, начиная от верхней бровки уступа трапецеидального сечения расчетной высоты, в зимнее время.
В летний период поверхность откоса уступа, для предотвращения растепления укрывают съемным защитным покрытием, которое выполнено в виде съемного гибкого влаго-тепло- и светоотражающего мата, убираемого с наступлением зимы.
Оптимизации подлежат следующие параметры теплоизоляционной системы:
- диаметр, частота, угол наклона скважин, расстояние от бровки, материал заполнителя и его гранулометрический состав;
Рис. 1. Схема теплоизоляционной системы: 1 — верхняя площадка уступа карьера; 2 — откос уступа карьера; 3 — наклонные нисходящие скважины; 4 — промороженный ледовый щебень; 5 — верхняя бровка уступа карьера; 6 — защитный вал; 7 — съемный гибкий влаго-тепло- и светоотражающий мат
ч\\\\\\\\\\
444
- высота, ширина защитного вала, расстояние от бровки, материал отсыпки, гранулометрический состав;
- тепловые характеристики защитного покрытия.
Возводимое на уступе в весенний период (и убираемого в
осенний) защитное покрытие снижает приток всех типов естественного тепла в приконтурный породный массив уступа карьера. После его демонтажа на зимний период обеспечивается возможность беспрепятственного доступа атмосферного холода, ко всем объектам с прогрессирующим из года в год его накоплением.
Предложенный способ позволит:
- повысить конструкционные и прочностные характеристики пород уступов, за счет наличия искусственно возводимых столбообразных ледяных конструкций, а также цементации замерзшей водой (льдом) имеющихся дефектов (трещин) и локализации распространения трещин;
- значительно снизить интенсивность физико-химического выветривания поверхностных слоев;
- повысить механическую устойчивость и тепловую защиту бровки уступа за счет возведения защитного вала и теплозащитного светоотражающего покрытия.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Термо- и геомеханика алмазных месторождений / Козеев А.А., Из-аксон В.Ю., Звонарев Н.К. — Новосибирск: Наука, 1995. — 245 с.
2. Экспертная геолого-геофизическая оценка криолитогенного строения опасных геолого-геоморфологических процессов восточного борта карьера «Нюрбинский»: Отчет о НИР/ ВНИМС ИМЗ СО РАН; Руководитель: Великин С.А. — Мирный, 2013. — 144 с.
3. Фисенко Г.Л., Ревазов М.А., Галустьян Э.Л. Укрепление откосов в карьерах. — М.: Недра, 1974. — С. 208, 186-189.
4. А.с. 3605691 В2 2003003479 Япония, 7E 02 D 17/20. Способ укрепления откоса / M. Makoto и др. — Заявл. 22.06.2001; опубл. 22.12.2004. — 4 с.
5. Звонарев Н.К., Самохин А.В. Укрепление уступов карьера «Мир» // Горный журна. — 1994. — № 12. — С. 45-47.
6. Изаксон В.Ю., Апросимова Е.П., Шкулев С.В. Исследование механических и теплофизических свойств пенополиуретановых и теплоизолирующих покрытий, предназначенных для управления бортов глубоких карьеров // ФТПРПИ. — 1998. — № 5. — С. 46-49.
445
7. А.с. 3680410 В2 2000309922 Япония, 7Е 02 D 17/18. Способ укрепления откоса грунтового массива с помощью подпорной сетки / №8Ыкауа Shuij. — Заявл. 26.04.1999; опубл. 20.10.2004. — 4 с.
8. Исследование устойчивости бортов и отвалов на карьерах объединения: Отчет о НИР / Якутнипроалмаз; Руководитель: Глозман Г.Р. — Мирный, 1980. — 138 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Акишев Александр Николаевич — канд. техн. наук, доцент, начальник комплексного отдела открытой разработки месторождений, Институт «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» (ПАО), Республика Саха (Якутия), Мирный, e-mail: AkishevAN@alrosa.ru
Бокий Игорь Борисович — канд. физ.-мат. наук, доцент, заведующий лабораторией геомеханики, Институт «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» (ПАО), Республика Саха (Якутия), Мирный, e-mail: bokij@rambler.ru Пуль Виктория Витальевна — магистр, ведущий инженер лаборатории геомеханики, Институт «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» (ПАО), Республика Саха (Якутия), Мирный, e-mail: bokij@rambler.ru
Курилко Александр Сардокович — д-р техн. наук, профессор, заместитель директора по научной работе, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, Якутск, e-mail: a.s.kurilko@igds.ysn.ru
UDC 622.013:622.371
TO THE QUESTION SLOPE REINFORCING BENCHES OVERBURDEN NAKYN KIMBERLITE FIELD IN THE PERMAFROST
Akishev Aleksandr N., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, Head of Division, Institute «Yakutniproalmaz» of «ALROSA» PJSC, Mirny, RS (Y), e-mail: AkishevAN@alrosa.ru
Bokiy Igor B., Candidate of Phys.-Math. Sciences, Assistant Professor, Head of Laboratory, Institute «Yakutniproalmaz» of «ALROSA» PJSC, Mirny, RS (Y), e-mail: bokij@rambler.ru
Pul Victoria V., Master, Leading Engineer Laboratory of Geomechanics, Institute «Yakutniproalmaz» of «ALROSA» PJSC, Mirny, RS (Y), e-mail: bokij@rambler.ru Kurilko Alexandr S., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Vice Director for Sciences, Mining Institute of the North behalf of N.V. Cherskii SB RAS, Russia, Yakutsk, e-mail: a.s.kurilko@igds.ysn.ru
For complex mining and geological, hydrogeological and climatic conditions of open-cast mining of kimberlite deposits of Western Yakutia,
446
proposed a method for thermal management of nonworking bench, rebuilt in the overburden Nakyn kimberlite field in a permafrost zone. Measures on the thermal management of the outside ledges. To strengthen the rock geotextile proposed a method based on the use of synthetic filter material. Considered the method of thermal management, based on optimization of parameters of heat-insulating systems consisting of insulating layers, protective coatings and protective shaft. A diagram of insulation system and describes the use of an insulating layer in different seasons. The parameters of thermal insulation system to be optimized and the capabilities of the insulation layer.
Key words: permafrost, geomechanical monitoring, nonworking bench, overburden, thermal management, thermal insulating layer, artificial consolidation of rock mass.
References
1. Termo- i geomehanica almaznih mestorozhdenii, Novosibirsk, Nauka, 1995, 245 p.
2. Expertnaja geologo-geofizicheskaja ocenka kriolitogennogo stroenija opasnih geologo-geomorfologicheskih processov vostochnogo borta karera «Nurbinskii», Mirny, 2013, 144 p.
3. Fisenko G.L., Revazov M.A., Galystjan E.L. Ykreplenie otkosov v karerah, Moscow, Nedra, 1974, pp. 208, 186-189.
4. Makoto M. et al. C.A. 3605691 B2 2003003479 Japan, 7E 02 D 17/20, 22.12.2004, 4 p.
5. Zvonarev N.K., Samohin A.V. Mining journal, 1994, no. 12, pp. 45-47.
6. Izakcon V.U., Aprosimova E.P., Shkylev S.V. FTPRPI, 1998, no. 5, pp.46-49.
7. Nishikava Shuij. C.A. 3680410 B2 2000309922 Japan, 7E 02 D 17/18, 20.10.2004, 4 p.
8. Issledovanie ystoichivosti bortov i otvalov na karerah obiedinenija, Mirny, 1980, 138 p.
447
