CC BY
22
© И.Н. Алексанлров, Г.В. Шубин,
Л.И. Кирюшин, Б.Н. Заровняев, 2003
УАК 622.86
И.Н. Алексанлров, Г.В. Шубин, Л.И. Кирюшин,
Б.Н. Заровняев
МОНИТОРИНГ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА МАССИВА УСТУПОВ КАРЬЕРА «УЛАЧНЫЙ»
Карьеры алмазных месторождений Якутии являются одними из наиболее глубоких рудных карьеров России. Закономерно, что с ростом глубины разработки карьера усложняется организация и повышается опасность ведения горных работ. Одним из основных условий безопасного ведения горных работ является обеспечение устойчивого состояния уступов и берм бортов карьера на весь срок его эксплуатации.
Потеря устойчивого состояния уступов во многом зависит от деформации их откосов, которая характерна как для полу-скальных, так и скальных горных пород и проявляется в виде осыпей, обрушения уступов, а также оползней по крупным тектоническим трещинам. Главными факторами возникновения деформаций откосов являются релаксация и концентрация напряжений в откосах, выветривание и обводненность откосов.
На карьере «Удачный» деформации уступов вызываются, главным образом, криогенными склоновыми процессами и связаны с мощностью слоя сезонного оттаивания. Основными видами деформации на карьере являются осыпи, вывалы и обрушения в результате раскрытия трещин, а также криогенное сползание участков откоса. Наиболее распространенный вид деформации - образование осыпей и обрушение верхних бровок уступа. Осыпи образуются, как правило, вследствие уменьшения прочностных свойств мерзлых пород при их оттаивании и процессов физического выветривания на поверхности откосов. Кроме того, практически по всей экспозиции бортов карьера отмечает-
ся образование заколов и нависей, основной причиной образования которых, помимо уже указанных процессов, являются сейсмические колебания от массовых взрывов, вибрационное воздействие автомобильного транспорта и других механизмов (экскаваторы, погрузчики, насосы). Свойства грунтов и пород сильно изменяются при промерзании и оттаивании, поэтому прогноз глубин промерзания и протаивания во времени в результате изменения температуры поверхности является важным элементом при горных работах в холодных районах.
Понижение температуры поверхности приводит к увеличению глубины промерзания. Объемное расширение воды, содержащейся в порах грунтов и трещинах пород, приводит к их морозному пучению. Если содержащаяся в породе вода полностью замерзает, то перенос тепла осуществляется только кондук-тивным механизмом (передача тепла теплопроводностью, т.е. от слоя к слою). Если грунт является не замерзшим, то существует возможность для конвективного переноса тепла в сочетании с массопереносом. Перенос тепла как кондукцией, так и конвекцией может происходить в частично промерзших грунтах при температурах около 0 °С, где существует одновременно вода и лед. В этом случае процесс переноса тепла осложняется дополнительным процессом. В породах, где существует вместе лед и вода, последняя мигрирует к фронту или зоне промерзания под влиянием градиента потенциала влаги, обусловленного наличием теплового или температурного градиентов. Эта миграция воды в
холодную сторону будет продолжаться, пока градиент потенциала влаги превышает некоторую критическую величину (энергию активации) при условии наличия воды. В результате этого грунт (порода) вблизи фронта промерзания может содержать большее количество воды, чем это допустимо общей пористостью грунта в его исходном состоянии при положительных температурах.[1].
В промерзающих грунтах и породах миграция воды происходит к фронту замерзания и в итоге наблюдается морозное пучение, которое оказывает непосредственное и отчетливо выраженное влияние на тепловой режим грунтов, в частности на скорость проникновения фронта промерзания. Миграция воды к фронту промерзания увеличивает количество тепла, выделенного при замерзании, которое должно удалиться для продвижения фронта промерзания. Морозное пучение регулярно наблюдается на предохранительных бермах карьера тр. «Удачная». Период наибольшего проявления данного явления совпадает с периодом максимальных отрицательных температур окружающей среды. С конца 2001 г. на карьере «Удачный» проводятся работы по организации мониторинга теплового режима массивов уступов бортов карьера. Наблюдения за тепловым режимом массивов производятся по стандартным методикам при помощи общепринятого в мерзлотоведении способа - с использованием скважин, оборудованных термодатчиками.
На первом этапе оборудовано 8 термоскважин по две скважины на каждом борту карьера. Учитывая, что глубина мощности максимального протаивания для грунтов и пород данного региона не превышает-4,5^6,0 м, длина вертикальной температурной скважины принята равной 15м (высота вскрышного уступа).
Термоскважины забуриваются попарно по оси, перпендикулярной откосу уступа нерабочего борта карьера. Бурение скважины осуществлялось при помощи бурового карьерного оборудова-
ния (СБШ-250 БТС) с диаметром скважины 132+250 мм и последующей установкой металлических температурных труб диаметром 50+100 мм для размещения термогирлянд.
Обустройство карьера тр. «Удачная» температурными скважинами и последующие режимные наблюдения дают возможность для каждого конкретного случая определять границы деятельного слоя и время начала интенсивной активизации процессов, а также различные нарушения массивов пород в уступах нерабочих бортов карьера.
Конструкция температурных скважин приведена на рис. 1.
Учитывая некоторое однообразие по генезису и составу слагающих вскрышные уступы горных пород, принято вполне достаточным заложение одной пары температурных скважин для экстраполяции полученных данных на каждый борт карьера. При этом, исходя из условий места заложения, требований безопасного обуривания и величин максимальных мощностей протаивания для данного региона, приняты следующие параметры расположения термоскважин на предохранительных бермах:
• расстояние до верхней бровки откоса не менее 5,0 м (приоткосная скважина);
• расстояние от нижней бровки откоса не менее 5 м (при-уступная скважина);
• расстояние между термоскважинами, в зависимости от ширины бермы, до 10 м и более.
Установка вышеуказанных пар термоскважин проводилась на всех четырех бортах карьера с учетом следующих факторов.
1. Северный борт карьера (горизонт +115м, термо-
ны №1 и №2). Термоскважины установлены на участке с
терной зоной трещиноватости с падением трещин практически параллельно откосу уступа.
туп заоткошен под углом 60°.
2. Восточный борт карьера (горизонт +70 м, термоскважины №3 и №4). Термоскважины установлены на участке размещения тросово-сетчатой завесы, вблизи места сопряжения старой и новой заоткоски нерабочих уступов карьера. Уступ заоткошен под углом 70°.
3. Южный борт карьера (горизонт + 115 м, термоскважины №5 и №6). Термоскважины установлены вблизи зумпфа-перехвата для сбора и откачки карьерных вод. Уступ заоткошен под углом 75°.
4. Западный борт карьера (горизонт +70 м, термоскважины №7 и №8). Термоскважины установлены на площадке смягчения транспортных съездов. Уступ выпукло-ломаного профиля. Нижняя часть уступа имеет угол заоткоски - 90°.
С февраля 2002 г. на карьере проводятся температурные замеры для установления границ про-таивания-промерзания массивов уступов бортов и оценки их теплового режима в течение года.
Так, в первом квартале 2002 г, по всей глубине термоскважин на данный период времени отмечено установление стабильной зоны отрицательных температур ниже глубины 3-5 м от поверхности бермы в пределах - 3,7+ - 5,2 °С (замеры проводились по нижним отметкам скважины) по бортам различной экспозиции.
В верхней части уступа, на глубине 1-3 м, значение температур пород в значительной мере зависит от температуры окружающей среды.
Во втором квартале 2002 г. (замеры 04.06.02 и 14.06.02) отмечены незначительные зоны протаивания верхних частей массивов уступов практически
Рис.1. Конструкция температурной скважины
по всем термоскважинам, расположенным по различным бортам карьера. Следует отметить, что до начала июня 2002 г. на отдельных участках предохранительных берм наблюдалось наличие снежного покрова. Глубина протаивания в местах замера температур по бортам карьера в указанные сроки не превышала 1,1+1,5 м. Интервал отрицательных температур по бортам карьера в зоне стабильной мерзлоты (ниже 5+7 м по глубине термоскважин) во втором квартале отмечен в пределах -4,7 °С+-5,7 °С.
Максимальные значения протаивания верхней части массивов уступов и берм бортов карьера отмечены в третьем квартале, в сентябре 2002 г. Интервал отрицательных температур для бортов различной экспозиции находится в пределах - 7,7°С+-5,0°С.
В период с 16.09.02. в нижних точках на глубине 15 м отдельных термоскважин (ТС-4, ТС-6) зафиксированы минимальные отрицательные температуры (-2,3 °С и -3,4 °С), что скорее всего объясняется наличием в них воды. Глубина протаивания массивов уступов в момент замера находиться в пределах 2+3 и 4,5+5 м для приуступных и при-откосных термоскважин соответственно.
В четвертом квартале 2002 г. с установлением отрицательных температур на поверхности наблюдается перемещение фронта промерзания горных пород, как с поверхности, так и из глубины массива. В этот период фиксируется быстрое уменьшение границ зоны деятельного слоя.
К середине ноября 2002 г. по всем термоскважинам отмечено установление отрицательных температур по всему массиву уступов. Интервал отрицательных температур в этот период времени находится в пределах -7,3+4,6 °С.
На рис. 2 приведены изотермы распределения температур по глубине термоскважин. В качестве графической иллюстрации приведены характерные изотермы формирования границ зон промерзания-протаивания восточного борта карьера (термоскважины №3 и №4).
На рис. 2а приведен график распределения температур по глубине массива уступа в зимний период (19.02.03). По нашим наблюдениям массив полностью проморожен в течение 6-7 месяцев (с ноября по май месяц) практически в большей или меньшей степени для бортов различной экспозиции.
На рис. 2б при помощи изотерм показана область максимального протаивания восточного борта карьера (16.09.02) с граничным слоем на глубине по-
рядка 3,8-4,0 м. Аналогичная картина наблюдается и по другим бортам. С момента возникновения отрицательных температур (конец сентября - начало октября) происходит уменьшение границ зоны протаивания массива. Отмечается встречное движение зоны промерзания с поверхности и из глубины массива уступов. Характерная картина для указанной ситуации приведена на рис. 2в.
Таким образом, проводимый мониторинг теплового режима на карьере «Удачный» позволяет ус-
тановить сроки и параметры величин протаивания массивов уступов по бортам различной экспозиции, определить численные значения температуры массивов горных пород, границы и мощность деятельного слоя в любой момент времени. Это позволит разработать мероприятия, обеспечивающие его уменьшение, либо полную нейтрализацию при оттаивании поверхностей откосов уступов и предохранительных берм, в процессе их выветривания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андерсленд О., Андерсон Д. Геотехнические вопросы освоения Севера. - М.: Недра 1983, 551 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Александров Илья Николаевич - Институт «Якутнипроалмаз». Шубин Григорий Владимирович- Институт «Якутнипроалмаз». КирюшинД.И. - Институт «Якутнипроалмаз».
Заровняев Борис Николаевич - Якутский Госуниверситет.
Файл: АЛЕКСА~1
Каталог: G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB7_03
Шаблон:
C:Шsers\Таня\AppData\RoammgYMlcmsoftYШаблоны\
Normal.dotm Заголовок: Александров И
Содержание:
Автор: ЛВВ
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания: 05.06.2003 13:43:00
Число сохранений: 14
Дата сохранения: 08.11.2008 22:51:00 Сохранил: Таня
Полное время правки: 22 мин.
Дата печати: 08.11.2008 23:51:00
При последней печати страниц: 3
слов: 1 677 (прибл.)
знаков: 9 564 (прибл.)
