CC BY
65
© Г.В. Шубин, Б.Н. Заровняев, В.С. Сорокин, 2011
УДК 622.831
Г.В. Шубин, Б.Н. Заровняев, В.С. Сорокин
МОНИТОРИНГ БЕЗОПАСНОГО СОСТОЯНИЕМ ОТКОСОВ И БЕРМ БОРТОВ КАРЬЕРА «УДА ЧНЫЙ»
В результате комплексного мониторинга выявлены группы природных, мерзлотных и технологических факторов, влияющих на безопасное состояние откосов и берм бортов карьера «Удачный». Приведены результаты многолетних наблюдений относительных смещений приоткосных трещин. Установлены динамика и амплитуды сезонных колебаний мощности деятельного слоя и динамика усредненных годовых скоростей сработки верхней бровки уступов.
Ключевые слова: карьер, мониторинг, факторы, природные, мерзлотные, технологические, откосы уступов, бермы бортов, обследования, приоткосные трещины, массив, рабочая зона, температурные наблюдения, динамика, график, термоскважина, сработка верхней бровки..
1ТЛарьеры алмазных месторожде-
-Ж\ ний Якутии являются одними из наиболее глубоких рудных карьеров России. Закономерно, что с ростом глубины разработки месторождения усложняется организация и повышается опасность ведения горных работ. Одним из важнейших условий безопасного ведения горных работ на сверхглубоких карьерах яв-ляется чёткое соблюдение последовательности и порядка постановки не-ра-бочих уступов в предельное положение, для обеспечения необходимой их сохранности, и поддержания устойчи-вого состояния уступов и берм бортов заданных размеров и параметров на весь срок их эксплуатации.
В связи с тенденцией дальнейшего роста глубины горных работ на глубоких карьерах наблюдается развитие и усиление таких технологических осложнений и негативных явлений как:
— уменьшение параметров рабочей зоны карьера;
— увеличение высоты нерабочих уступов;
— активизация деформационных нарушений, разрушение откосов уступов и интенсивное заполнение осыпями предохранительных берм за счет процессов выветривания и регулярных технологических воздействий на многолетнемерзлый массив;
Нарушение устойчивости и потеря сохранности уступов и берм на карьере зависит от целого ряда взаимосвязанных факторов, которые можно условно разделить на следующие группы:
1) геологические и гидрогеологические;
2) мерзлотные;
3) технологические.
Каждая из указанных групп факторов присуща в той, или иной степени, для большинства карьеров. Для глубоких карьеров, расположенных в зоне распространения многолетнемёрзлых горных пород, с суровым климатом, приходится сталкиваться с комплексом вышеуказанных групп факторов, которые нередко тесно взаимосвязаны и имеют определяющее влияние на безопасность производства горных работ.
Из геологической и гидрогеологической группы факторов для большинства алмазных месторождений Якутии, как правило, в первую очередь следует отметить достаточно неоднородное строение вскрышных уступов. Даже в пределах высоты одного уступа встречаются перемежающие слои из доломитов, известняков, алевролитов, мергелей и др., имеющие большие различия в прочностных показателях (/ от 2 до 7 и выше), а следовательно они в различной степени подвержены разрушениям при внешних воздействиях (выветривание, размыв, ударные, динамические нагрузки и т.п.). Неоднородность вскрыш-ных уступов ведёт к потере устойчивости и их сохранности за счёт быстрого разрушения более мягких, менее прочных слоёв горных пород. Это приводит к перераспределению горного давления, а следовательно к нарушению его естественного состояния.
Не менее важным геологическим фактором, негативно влияющим на сохранность нерабочих уступов, яв-ляется трещиноватость массива гор-ных пород. Не учёт данного свойства горных пород, активно влияющего на всю технологическую цепочку горно-го производства (от бурения до про-цессов переработки), в значительной мере определяет в целом эффектив-ность горных работ.
Следует отметить, что наличие сложной гидрогеологической обстановки в районе месторождений, разномерной блочности и трещиноватости массива, сурового климата и другие факторы, многократно усиливают влияние каждого из вышеперечисленных факторов, как в отдельности, так и во взаимосвязи друг с другом.
Наряду с природными факторами не менее значимы для обеспечения безопасных условий ведения горных работ и так называемые технологические факторы (отмечены выше), всецело зависящие от
результатов деятельности предприятия. Правильный учёт природных факторов, грамотное и корректное решение технических, технологических и организационных задач, регулярный их мониторинг и всесторонний контроль во многом помогает избегать негативных явлений, возникающих при разработке и доработке глубоких алмазных месторождений.
Анализ результатов многолетних наблюдений [1-6] по визуальным обследованиям уступов и берм бортов карьера, характерному поведению приоткосных трещин, динамике изменения мерзлотного состояния массивов и практических величин сработки верхней бровки опытных участков на карьере приведены ниже.
Всего за весь период наблюдений с 2001 года по третий квартал 2009 года, по бортам и бермам различной конфигурации, выявлено порядка 400 различных нарушений целостности уступов, по основной части которых принимались инженерные меры предупреждения инцидентов.
На основании регулярно проводимых обследований и визуальных наблюдений за состоянием откосов уступов и берм бортов карьера «Удачный», а также, учитывая статистику различных нарушений по его бортам, на протяжении последних нескольких лет отмечены некоторые локальные участки по бортам различной экспозиции, которые могут быть отнесены к потенциально опасным из-за высокой вероятности возникновения на них различных видов нарушений.
Традиционно опасным [1] по образованию заколов и нависей с их последующим, как правило, обрушением (са-мообрушением) особенно в периоды сезонной активности является участок западного борта в районе сверх-
Рис. 1. Участок западного борта (гор. +160 м - +70 м), отрыв блока от массива, вывал 01.08.09 г.
Рис. 2. Участок северо-западного борта карьера, гор.- 170 м...-245 м (место выхода прибортового целика, сброс шахтных вод)
высокого уступа (гор.+160 м +70 м). Подтверждением вышесказанного может служить крупный вывал, произошедший на данном локальном участке борта 01.08.2009 года (рис. 1).
Кроме того, к потенциально опасным следует отнести участки выхода при-бортовых рудных целиков на поверхность нерабочих уступов, как по северному, так и южному бортам карьера (рис. 2-3).
Многолетний анализ и систематизация выявленных нарушений показал,
что наиболее часто встречающими видами нарушений на откосах уступов являются заколы (ликвидируются в первую очередь), карнизы, нависи, пустоты в откосах от отделившихся при обрушении частей массива, которые проявляются практически по всем бортам, чаще - ниже уровня гор.+160 м.
Систематический учёт данных по статистике выявленных нарушений отдельных локальных участков по бортам карьера «Удачный», позволил выявить и отнести к разряду потенциально опасных, ряд участков отмеченных выше. Данные участки требуют к себе повышенного внимания и постоянного контроля за состоянием уступов и берм в течение полного годового цикла наблюдений.
За период наблюдений [2,
3] до 2009 года на карьере «Удачный» контроль за относительным смещением приоткосных трещин осуществлялся из 6 стационарных точек в пределах выработанного пространства карьера. Они размещались на предохранительных бермах горизонтов +160 м; -35 м; -170 м и были предназначены для фиксирования проявления активности наиболее характерных масштабных трещин в различные периоды времени. Показания снимались при помощи 7ми механических датчиков установок «УЛИСТ», размещённых на наиболее ответственных участках.
Рис. 3. Участок юго-западного борта карьера, гор.- 125 м.-245 м (место выхода прибортового целика)
Практически для всех наблюдаемых трещин было отмечено сезонное чередование периодов сжатия и расширения, которые перемежаются периодами относительной стабилизации. Продолжительность каждого отдельного периода зависит как от погодных условий, так и в достаточно большой степени от внешних факторов, ускоряющих или замедляющих отдельные фазы процессов, происходящих в породном массиве.
Как показал анализ результатов многолетних наблюдений относительных смещений по различным трещинам, тектонические и межблоковые трещины намного активнее внутриблоковых трещин. Так диапазон показаний сжатия-расширения межблоковых трещин изменяется от 3,0 мм, до 10,0 мм. и более в течение года. Воздействие техногенных факторов оказывает существенное влияние на активность и особенности поведения таких приоткосных трещин. Внутриблоковые трещины менее подвержены влиянию внешних, техногенных факторов (взрывы в карьере, применение динамических и другого вида нагрузок) и значительно быстрее восстанавливают прежнее состояние, чем межблоковые трещины. Диапазон рас-
ширения-сжатия внутриблоковых трещин редко достигает 1,0-3,0 мм в год.
С глубиной, по мере уменьшения размеров рабочей зоны карьера, т.е. приближением уступов бортов до мест ведения взрывных работ, активность трещин возрастает. Породные блоки подвергаются расшатыванию и постепенному сдвижению внутрь карьера. Данное предположение можно выдвинуть, анализируя поведение трещины оборудованной датчиком №6 в периоды проведения взрывных работ, в непосредственной от неё близости.
Кроме того, при воздействии на поверхность массива горных пород тяжёлой карьерной техники, трещины внутри массива сжимаются практически до полного смыкания их стенок. Одновременно с этим, как в зоне разгрузки (поверхность откоса уступа), так и в зоне бортового отпора (нижняя часть уступа) происходит активное расширение существующих трещин, нередко с образованием новых трещин на поверхности бермы.
В настоящее время температурные наблюдения на карьере «Удачный» осуществляются по 11 термоскважинам. В октябре 2008 года специалистами «Ингортеха» (г. Екатеринбург) произведён монтаж специального оборудования для автоматизированного температурного контроля двух участков берм северного борта карьера (гор. - 170 м и гор. +115 м). На указанных участках, в общей сложности, оборудовано пять термоскважин с 15-ти и 20-ти метровыми термогирляндами. В 2009 году температурный контроль осуществлялся по остальным
о а2
О. 2 С о1
Динамика величин максимального протаивания массива по ТС-6
Ю
4
3,86 3,38 3,05
2006
2007 2008
период наблюдений
2009
Рис. 4. Динамика протаивания массива участка бермы южного борта (гор. +115 м)
Рис. 5. Динамика протаивания массива участка бермы западного борта (гор. +70 м)
6-ти термоскважинам, расположенным на предохранительных бермах горизонтов +115 м,+70 м и -35 м южного и западного бортов карьера.
На рис. 4, 5 представлены характерные графики динамики величин максимального протаивания массива участков берм по результатам температурных замеров по термоскважинам (ТС- 6,7) разме-щённым по разным горизонтам и бортам карьера за последние четыре года наблюдений (2006 - 2009 гг.) [3].
Приведённые выше графики наглядно иллюстрируют определённую тенденцию, связанную с заметным уменьшением величин максимального годового протаивания, выраженную в заметном охлаждении породного мас-
сива (аккумуляции холода) за последние годы наблюдений [4].
По результатам проведённых натурных наблюдений на определенных участках бортов карьера за последние годы установлены динамика и амплитуды сезонных колебаний, мощности деятельного слоя, а также вероятность возможности возникновения и формирования тали-ковых зон в многолетнемёрзлом массиве. Данные наблюдения являются основой для разработки при необходимости конкретных технических предложений и мероприятий по сохранению в безопасном состоянии уступов и берм контролируемых участков бортов карьера [3,
4].
Многолетние регулярные наблюдения за скоростью сработки верхней бровки откоса уступов южного борта карьера «Удачный» производятся с осени 2003 года. Данные наблюдения осуществляют-ся на двух опытных участках (№ 1 и № 2), расположенных на предохранительных бермах горизонтов - 35 м и - 125 м южного борта карьера. Указанные опытные участки оборудованы на всём их протяжении, соответственно, 18 и 13 реперами [5].
На рис. 6 и 7 представлены в виде графиков усреднённые расчётные величины сработки (С) верхней бровки усту-
Сработка верхней бровки откоса уступа
Период наблюдений
Рис. 6. Динамика сработки верхней бровки уступа на участке № 1
Рис. 7. Динамика сработки верхней бровки уступа на участке № 2
пов, отнесённые к общему числу реперов на соответствующих опытных участках берм карьера за весь указанный период наблюдений. Усреднённые расчётные величины сработки верхней бровки откоса уступа по опытным участкам № 1 и № 2 в 2009 году составил, соответственно, 26,7 и 32,3 см/реп.
Анализ полученных результатов по представленным на рисунке графикам наглядно иллюстрирует динамику усреднённых годовых скоростей сработки верхней бровки, приведённой в сантиметрах на один репер. Так, если на участке № 1 (породном) отмечалось стабильное значительное приращение ско-
рости сработки в течение всего периода наблюдений (прак-
тически до 2007 года), с её относительной стабилизацией в последние три года, то очевидно, что для участка № 2 (рудном) средняя скорость сработки за весь период наблюдений имеет стабильное увеличение. Необходимо отметить, что замеряемая величина сработки имеет несколько субъективный характер, так как процесс выветривания охватывает всю площадь откоса уступа, а не только её верхнюю бровку.
По результатам комплексного мониторинга состояния откосов уступов и берм бортов карьера «Удачный» необходимо отметить, что за рассматриваемый период наблюдений не отмечено крупных деформационных проявлений массива его бортов, не зафиксировано критических скоростей деформационных смещений по контролируемым трещинам и образование долговременных таликовых зон на ответственных участках берм. Величина сработки верхней бровки откосов уступов на опытных участках берм, как правило, не значительно превышала значений предыдущих лет наблюдений.
---------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шмырко А.Н., Александров И.Н., Шубин безопасного ведения горных работ в условиях
Г.В. и др. Разработка системы мониторинга для карьера «Удачный» / М.: Горный информаци-
онно-аналитичес-кий бюллетень. - 2004. - № 3
- С. 251-259.
2. Александров И.Н., Шубин Г.В., Кирюшин Д.И., Заровняев Б.Н. Инструментальный контроль относительных деформаций смещений приоткосных трещин на карьере "Удачный" // М.: Горный информационноаналитический бюллетень. - 2003. - № 6 - С. 20-23.
3. Александров И.Н., Шубин Г.В., Кирюшин Д. И. Особенности динамики относительных деформаций смещения приоткосных трещин на карьере «Удачный» // М.: Горный инф ормационно-ана-литиче ский бюллетень.
- 2004. - № 5 - С. 95-98.
4. Александров И.Н., Шубин Г.В., Кирюшин Д.И., Заровняев Б.Н. Мониторинг теплового режима массива уступов карьера «Удачный» // М.: Горный информационноаналитический бюллетень. - 2003. - № 7 - С. 11-13.
5. Дроздов А.В., Шубин Г.В., Кирюшин Д.И. Изменение температурных полей в криолитозоне при отработке алмазных месторождений Западной Якутии открытым способом (на примере трубки Удач-ной)//Журнал «Криосфера Земли», 2007, т. XI, № 4. - С. 3-14.
6. Александров И.Н. Создание безопасных условий отработки сверхглубоких карьеров Якутии: (на примере доработки карьера трубки «Удачная») / И.Н. Александров, А.Н. Шмырко, Г.В. Шубин, Д.И. Кирюшин. - Новосибирск: Наука, 2005. - 180 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------
Шубин Григорий Владимирович - доцент, кандидат технических наук, заведующий кафедрой ОГР, горного факультета СВФУ;
Заровняев Борис Николаевич - профессор, доктор технических наук, декан горного факультета СВФУ;
Сорокин Владимир Степанович - доцент кафедры ОГР, горного факультета СВФУ.
А
ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
| Специальность | Ученая степень
Автор
Название работы
ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)
ВЯЛЬЦЕВ Разработка метода оценки риска воз-
Александр Владимирович никновения пожаров и снижения пожарной опасности на угольных шахтах Восточного Донбасса 05.26.03 к.т.н.
