CC BY
49
Д.
© А.М. Иоффе, В.Л. Зенкин,
В.Н. Кольцов, Б.К. Телибаев, А.С. Федянин, 2003
УДК 622.271.2
М. Иоффе, В.Л. Зенкин, В.Н. Кольцов, Б.К. Телибаев, А.С. Федянин
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВ КАРЬЕРОВ НГМК
ля решения задач по оценке устойчивости карьерных откосов и отвалов на ПЭВМ составлен сборник алгоритмов и программ, основанный на многолетнем опыте НИР, проводимых на карьерах Минатома РФ.
Указанные задачи потребовали многовариантных расчетов в связи со значительной изменчивостью инже-нерно-геологичес-ких условий при-бортовых массивов. Известные графические методы расчета устойчивости карьерных откосов, основанные на методах многоугольника и алгебраического сложения сил, трудоемки, требуют больших затрат времени на получение результатов и не обеспечивают необходимую точность расчетов.
Для повышения надежности выполняемых расчетов и снижения затрат рабочего времени на эти расчеты были составлены соответствующие алгоритмы и программы, в том числе отличающиеся от принятых типовых схем ВНИМИ и позволяющие оценивать по фактически полученному коэффициенту запаса устойчивость уступов, группы уступов и бортов карьера с учетом их конструктивной конфигурации и наличия в породном массиве различных поверхностей ослабления (тектонических трещин, слоистости, слабых контактов и т.д.). Г еотехнические расчеты по этим программам выполняются с учетом обводненности и влияния сейсмичности районов расположения карьеров. Программы предназначены для работы на ПЗМ-РС/АТ с операционной системой MS DOS (версии 3.3). Все алгоритмы имеют распечатки программ, инструкции для оператора по работе на ПЭВМ с программами, контрольные задачи, таблицы входных и выходных параметров алгоритмов.
Пакет программ состоит из пяти разделов, включающих алгоритмы и
Рис. 1. Литолого-структурная карта карьера Мурунтау
программы на основе многоугольника сил и алгебраического сложения, в том числе с учетом обводненности и сейсмических воздействий, а также программы для графической отрисов-ки полученных геомеханических моделей бортов, уступов и отвалов с учетом их конструктивных параметров.
С использованием разработанных компьютерных технологий была проведена оптимизация параметров бортов карьеров НГМК для месторождений Мурунтау, Кокпатас и Даугызтау.
В настоящее время месторождение Мурунтау разрабатывается открытыми горными работами и глубина карьера составляет 300-350 м. В перспективе глубина карьера может достигнуть 780-1000 м.
Карьер Мурунтау расположен в Центральной части рудного поля между мощными крутопадающими суб-широтными тектоническими зонами -Южным и Структурным разломами (рис. 1). С субширотными структурами связаны кососекущие и крутопадающие в направлении с севера, севера-востока на юг и юго-запад рудовмещающие структуры разломов. Северо-восточный разлом с северо-востока на юго-запад имеет простира-
ние до 500 м и угол падения на юго-восток 70-80о. Наиболее крупный Меридиональный разлом пересекает центральную часть карьера, проходя практически перпендикулярно северному и южному бортам с падением в западном направлении под углом 60-70о. На устойчивость эти разломы влияют локально, что связано с заполнением их глинкой трения, дресвой, дроблеными и перетертыми породами. На устойчивость бортов в предельном состоянии оказывают влияние законтурные породы, представленные осадочно-метаморфическими, песчано-сланцевыми породами с прослоями и линзовидными включениями мелкорассланцованных углистых сланцев, оталькованных и увлажненных до состояния подобного тугопластичным глинам. Зоны дробления часто представлены трещиноватыми углисто-слюдистыми сланцами с щебенистой отдельностью. Падение слоистости пород в сторону выработанного пространства наблюдается на северном, северо-западном, западном, юго-западном и южном участков борта карьера. Углы падения контактов между слоями составляют 20-40°. Наличие трещиноватости, ослабленных контактов в сочетании с тектоническими нарушениями являются неблагоприятными факторами с точки зрения устойчивости бортов.
По литологическим признакам и физико-механическим свойствам горных пород в соответствии с номенклатурой Г0СТ-25100-82 выделено 6 инженерно-геологических элементов:
Элемент 1 - кварциты, кварцевые метасоматиты, наиболее крепкие и сохранные породы. По данным лабораторных исследований это прочные, неразмягчаемые породы.
Элемент 2 - алевролиты различно-
Таблица 1
ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД
Наименование пород Плотность, р, т/м3 Угол трения, ф, град. Сцепление, С, МПа
Кварциты, кварцитовые метасоматиты 2,64 35 17,70
Алевролиты углеродисто-кварцевые, кварц-слюдистые 2,68 36-41 11,9-16,0
Переслаивание алевролитов, сланцев 2,67 33-39 7,43-9,69
Сланцы хлорит-серицитовые, углеродистые, слюдистые 2,68 33-41 7,43-10,89
Породы зон дробления, щебенистые, обломочные, дресвяные 1,80-2,18 30-32 0,04-0,06
го состава (углеродисто-кварцевые, углеродисто-кварц-слюдистые), прочные, неразмягчаемые. К элементу отнесены алевролиты сохраненной и трещиноватой зон.
Элемент 3 - равномерное переслаивание (50x50%) алевролитов, алевросланцев и сланцев различного состава, средней прочности, нераз-мягчаемых.
Элемент 4 - сланцы углеродистокварцевые, хлорит-серицитовые, кварц-слюдистые, скальные породы средней прочности, неразмягчаемые.
Элемент 5 - обломочные породы зон тектонических нарушений - продукт катаклизма. Обломки пород различного состава (алевролиты, сланцы) по размеру дресвяные, иногда щебенистые с суглинистым заполнителем, невыветрелые.
Физико-механические характеристики пород, слагающих уступы и борта карьеров, получены в лабораторных и полевых условиях и приведены ниже в табл. 1. С учетом новых технических решений по границам и глубине карьера Мурунтау, вовлечения в отработку участка Мютенбай проведена корректировка и оптимизация конструктивных параметров уступов и бортов к ТЭО IV очереди строительства карьера, с учетом горно-геологических и горнотехнических условий и смещения дна карьера в новое положение: западное дно до отм. -15 м и восточное дно до отм. - 120 м (рисП. 2р)и. выполнении геомеханических расчетов физико-механические характеристики пород принимались среднеминимальные, при этом учитывалось через какие инженерногеологические элементы проходят ослабленные поверхности скольжения. Характеристики массива вкрест слоистости приняты следующие: сце-
пление - 55,5 т/м3, угол внутреннего трения 34о, плотность пород, средняя 2,68 т/м3. Коэффициент запаса устойчивости при расчете бортов принят равным 1,3.
Для расчета устойчивости бортов проводилось районирование карьера с определением физико-механических характеристик отдельных участков: по контактам слоев - сцепление 0,13^0,25 МПа, угол внутреннего трения 21^24°; по тектоническим трещинам - сцепление 0,10^0,15 МПа, угол внутреннего трения 15^28о; по зонам дробления - сцепление 0,052 МПа, угол внутреннего трения 31о.
Оценка устойчивости бортов проводилась по 17 профилям в соответствии с районированием карьера по 6 зонам (рис. 2) для углов откоса проектного (компьютерного) плана карьера, разработанного ЗАО «Интегра», с учетом осушения и обводненности, в предельном конечном состоянии.
Расчеты по оптимизации устойчивости бортов выполнены по програм-
мам, разработанным для ПЭВМ 1ВМ-АТ/РС, и позволили увеличить углы откосов в предельном состоянии в среднем на 1,5^4о, что дает возможность значительно снизить объемы вскрышных пород (на 250-300 млн. м3) по сравнению с ранее выданными проектными решениями при изменяющейся глубине карьера от 300 до 700 м. Значения скорректированных и рекомендуемых углов откосов бортов IV очереди карьера Мурунтау приведены в табл. 2. Углы наклона уступов по всем бортам (кроме юговосточного) карьера Мурунтау составляют: для верхних горизонтов 45о; для средних горизонтов 50-60о; для нижних - 65-75о. По юго-восточному борту угол наклона уступов на нижних горизонтах не должен превышать 55о, а верхних - 45-50о.
Таблица 2
ЗНАЧЕНИЯ ОТКОРРЕКТИРОВАННЫХ И РЕКОМЕНДУЕМЫХ УГЛОВ ОТКОСОВ БОРТОВ IV ОЧЕРЕДИ КАРЬЕРА МУРУНТАУ (ОТМ. ДНА -15 И -120 М)
Номер профиля и его положение на плане горных работ Метод расчета устойчивости бортов и групп уступов Высота бортов и групп уступов, м Рекомендуемые углы откосов бортов и групп уступов в карьере, град. Предельные углы откосов бортов и групп уступов, град.
Профиль 4 Юго-Западный борт Алгебраическое сложение сил 568 44,0 44,0
Профиль 5 Западный борт Многоугольник сил 577 36,0 36,0
Профиль 6 Северо-Западный борт Многоугольник сил 594 40,0 40,0
Профиль 7 Северный борт Многоугольник сил 703 42,0 42,0
Профиль 10 Восточный борт Алгебраическое сложение сил 600 35,0 37,0
Профиль 11 Юго-Восточный борт Многоугольник сил 591 34,2 34,6
Профиль 11а Юго-Восточный борт Многоугольник сил 650 35,0 35,0
Профиль 1 Южный борт Многоугольник сил 585 35,0 35,0
Профиль 9 Северо-Восточный борт Алгебраическое сложение сил 620 36,0 36,4
Профиль 12 Юго-Восточный борт Алгебраическое сложение сил 145 40,0 53,0
Профиль 18 (Ю-З) Юго-Восточный борт Алгебраическое сложение сил 263 37,4 38,8
Профиль 19 (С-З) Восточный борт Алгебраическое сложение сил 262 35,0 39,0
Профиль 15 Северный борт Многоугольник сил 240 36,0 36,0
Профиль 2 Южный борт Алгебраическое сложение сил 400 38,0 41,5
Профиль 3 Южный борт Алгебраическое сложение сил 471 37,0 39,8
Профиль 16 Северо-Западный борт Многоугольник сил 285 43,0 43,0
Профиль 17 Западный борт Многоугольник сил 255 42,1 43,48
Для обеспечения эффективной и рентабельной отработки месторождений Кокпатас и Даугызтау ЗАО «Интегра» выполнено переоконтуривание запасов и проведена перестройка практически всех карьеров в новых конечных границах, существенно отличающихся от ранее запроектированных. При этом дно и борта карьеров сместились в новое положение, соответственно изменились инженерно-геологические условия приборто-вых массивов. В связи с этим возник-
ла необходимость в корректировке конструктивных параметров бортов и уступов, построенных ранее геометрически и принятых только с учетом залегания рудных тел, при условии получения максимальной прибыли.
Выполнен анализ инженерно-геологи-ческих условий, который показал, сто большая часть площади месторождения Кокпатас перекрыта чехлом четвертичных отложений мощностью до 15 м, разрез которых начинается (сверху вниз) с современ-
ных отложений, представленных эоловыми песками мелкими и пылеватыми, полутвердыми, маловлажными, мощностью до 6,3 м. Распространены они в пониженных частях рельефа и локально на отдельных участках поверхности.
Рассматриваемая территория характеризуется развитием трещинножильных вод, приуроченных к скальным трещиноватым породам, воды безнапорные. Уровень подземных вод вскрыт на глубинах от 10,3 м до 104 м в западной и северо-восточной частях площадки.
По инженерно-
геологическим условиям породы месторождения для указанных карьеров можно разделить на следующие комплексы:
- четвертичные отложения мощностью от 1 до 5 м, местами до 1015 м и 25,5 м представлены дресвяными, щебенистыми и глинистыми породами, супесями, мелкими пылеватыми песками; эти породы обладают низкими прочностными свойствами;
- полускальные породы зоны выветривания (окисления) до глубины 50-60 м представлены сланцами углистоглинистыми, хлоритовыми малопрочными и средней прочности; к этим породам относятся также породы в зонах
разломов и трещиноватости;
- скальные прочные породы представлены песчаниками, алевролитами, кварц-хлоритовыми и кварц-углистыми сланцами; к ним относятся также кремний, доломиты, известняки, дайки.
Для проведения расчетов по устойчивости бортов и уступов для проектирования группы из 28 карьеров приняты следующие физикомеханические характеристики для различных комплексов пород, представленных в табл. 3. Для обоснова-
Таблица 3
№ п/п Инженерно-геологические комплексы пород Физико-механические характеристики пород
Объемный вес, т/м3 Угол внутреннего трения, град. Сцепление, т/м2
1. Четвертичные породы - суглинки с дресвяными и щебенистыми обломками мощностью до 25,5 м 2,02 26 3,7
2. Полускальные породы в зоне окисления (выветривания) мощностью до 35-45 м 2,12 28 12
3. Скальные породы мощностью до 128 м 2,69 30 42,5
4. Контакты слоев 2,69 22 19,5
ния удельного сцепления в массиве по сцеплению в образце породы, полученному в результате лабораторных испытаний, используется коэффициент структурного ослабления для по-лускальных и скальных пород со средней трещиноватостью X = 0,02-
0,03 (в нашем случае - X = 0,02).
Для оптимизации расчетов устойчивости бортов и уступов для каждого проектируемого карьера определялись физико-механические характеристики в соответствии с компьютерными планами фактического состояния горных работ, с учетом данных по геологическим запасам участков месторождения Кокпатас.
В каждый участок входит группа карьеров или карьер. С учетом этих материалов отстроены проектные контуры карьеров с разрезами по висячему и лежачему бокам рудных залежей с бермами, углами откосов уступов и бортов в предельном положении. Расчеты производились с помощью компьютерных программ на персональной ПЗМ-РС АТ. Расчетные геомеханические модели соответствовали схемам V, УШ-Х ВНИМИ и решались методом алгебраического сложения сил и методом многоугольника сил. Результаты расчетов по карьерам следующие.
При высоте борта от 40 до 95 м проектные углы ниже предельных на 3-12о, при высоте борта 100-150 м - на 2-9о, а для высоты 155-220 м - 2,6-5о. Рекомендации по параметрам бортов приведены в табл. 4. Расчеты устойчивости уступов проводились с учетом особенностей инженерногеологического строения приборто-вых массивов, сложенных в разрезе четвертичными отложениями, полу-скальными и скальными породами, а также характеризующихся наличием слоистости. Результаты расчетов позволили определить углы откосов 30метровых уступов: верхние - 45 до 500; средние и нижние в скальных породах -до 750; при подрезке уступа трещиной с
углом наклона до 500 - угол откоса не более 650 и при заоткоске по слоистости - до 600, 65 и 750.
Для упрощения и повышения эффективности ведения горных работ на заоткоске в приконтурной зоне рекомендуется постановку борта в предельное положение осуществлять 10метровыми рабочими уступами, т.е. перейти от плоского 30-метрового откоса к ступенчатому. При этом угол откоса 10-метрового уступа принимается на 10-150 круче откоса основного 20-30-метрового уступа, с оставлением небольших промежуточных берм. Следует также отметить, что практически на всех рассматриваемых карьерах, ширина предохранительных берм между основными 30-метровыми уступами может быть уменьшена с 10 м до 6-8 м.
Проведенная оптимизация по параметрам бортов и уступов позволила отстроить компьютерные планы карьеров месторождения Кокпатас.
Месторождение Даугызтау расположено в пределах южного крыла Меридиональной синклинали и сложено терригенными образованиями, среди которых на долю песчаников приходится 30-35% и алевролитов - 40-50%. С запада месторождение ограничено крупным тектоническим нарушением, восточная граница месторождения проходит в области затухания интенсивной мелкой складчатости рудовмещающих пород.
В геологическом строении месторождения Даугызтау принимают участие породы терригенного комплекса. В общем объеме толщи на долю песчаников приходится 30-35%, алевролитов - 40-50%о.Породы поверхностной толщи сильнотрещиноватые, слабые и выветрелые с коэффициентом крепости f = 6-8.
Рудные зоны и вмещающие породы месторождения представлены песчаниками, алевролитами, сланцами, находящимися во взаимном переслаивании. Мощность отдельных слоев названных пород обычно составляет
от нескольких сантиметров до первых метров. Небольшие мощности (до 20-40 см) имеют пласты песчаников, но даже в максимально чистом виде они содержат пропластки сланцев и алевролитов. Интенсивная разрывная тектоника привела к развитию широких зон дробления и мелкой складчатости. Наиболее ослабленные зоны - это рудные зоны; в них породы наиболее интенсивно передроблены и гофрированы. Разрывная тектоника образует блоки, практически мало связанные между собой за счет глинки трения, которая, при попадании даже незначительного количества воды, разбухая, приводит к сдвижению этих блоПир оды до глубины 130 м представлены переслаиванием песчаников и алевролитов. Песчаники слюдистокварцевого состава мелко- и среднезернистые, толсто- и среднеплитчатые, по массе окварцованы, трещиноватые, мощность пластов до 40 см, плотные, излом часто раковистый, f=12-16. Алевролиты слюдисто-глинисто-углистого состава, тонкоплитчатые, маломощные (до 2-3 см), часто каолинизированы, f=8-12. В породах развито прожилковое оквар-цевание. Породы, в целом, трещиноватые, расстояние между трещинами от нескольких сантиметров до 30-50 см, очень редко до 1 м. Трещиноватость развита крайне неравномерно и наиболее интенсивно проявляется в зонах сульфидной минерализации.
Усредненные физико-механические характеристики пород бортов карьера до глубины 220 м, определенные с учетом результатов ранее проведенных работ: сцепление - 0,27 МПа, угол внутреннего трения - 33,50, объемная масса - 2,69 т/м3; по контактам слоев - сцепление - 14,3 т/м2 и угол внутреннего трения - 20,40.
Явление плывучести наблюдается крайне резко и связано с углистыми сланцами; при их пересечении разрывной тектоникой. В целом коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова изменяется от 7 до 18.
На основании проведенных инженерных изысканий, можно сделать следующие выводы:
1. В зонах окисленной минерализации горные породы обладают сред-
Таблица 4
КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ БОРТОВ КАРЬЕРА ДАУГЫЗТАУ БЕЗ УГЛУБКИ
№ профиля Проложе-ние, м Высота борта, м Проектный угол откоса, град. Предельно допустимый угол откоса, град.
I-I лежачий бок 165 110 33,7 53,5
II-II лежачий бок 310 200 32,8 44,3
Ш-Ш лежачий бок 240 140 30,3 49,3
IV-IV торцевой 220 150 34,3 46,5
V-V висячий бок 190 150 38,3 47,0
VI-VI висячий бок 225 185 39,4 47,0
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ УСТУПОВ БОРТОВ КАРЬЕРА ДЛЯ ГЛУБИНЫ ДО 220 М:
Высота уступов Углы откосов уступов
1-й уступ (10-20 м), глина 350 Меньшие значения углов принимаются для слоистости, падающей в выработанное пространство (лежачий бок), большие значения - для слоистости, падающей в массив (висячий бок)
2-й уступ (30 м) 40-450
3-й уступ (30 м) 40-50°
4-й уступ (30 м) 45-50°
5-й уступ (30 м) 45-550
6-й уступ (30 м) 50-600
7-й уступ (30 м) 50-650
8-й уступ (30 м) 50-650
ней и интенсивной трещиноватостью. В поверхностной толще трещиноватость массива интенсивна, породы ослаблены (1=7-10) и выветрелы.
2. В зонах сульфидной минерализации трещиноватость пород развита несколько в меньшей степени, крепость и плотность пород увеличивается (1=10-14) и зависит от степени окварцевания.
3. Вмещающие породы представлены переслаиванием песчаников и
сланцев. Песчаники окварцованы, плотные (1=8-12). В целом, вмещающие породы среднетрещиноватые.
4. Породы месторождения Дау-гызтау, в сравнении с породами месторождения Мурунтау, несколько слабее и более трещиноватые.
5. Основным условием, определяющим состояние устойчивости уступов и бортов, является наличие слоистости. Участки борта, подре-
зающие откосом слоистость (падение в карьер), менее устойчивы по сравнению с участками, где слоистость падает в массив.
Для разработки исходных данных по параметрам откосов на карьере Даугызтау выделено шесть профилей: I-I, II-II и Ш-Ш на лежачем боку месторождения; IV-IV в северном торце карьера; V-V и VI-VI на висячем боку месторождения. Конструктивные параметры откосов бортов по указанным профилям с проектными и предельно допустимыми углами даны в табл. 5. Ниже табл. 5 даны также рекомендуемые углы откосов уступов высотой от 10 до 30 м.
Расчеты по устойчивости бортов по профилям I-IhVI-VI с предельно допустимыми углами откосов сделаны с введением коэффициента запаса, равного 1,3 в прочностные характеристики массива пород и по контакту и слоистости пород.
На основании результатов расчетов по устойчивости и конструктивным параметрам отстроены борта на профилях I-IhVI-VI с уступами высотой 30 м и рекомендуемыми углами их откосов. Разработана также конструкция уступа высотой 30 м ступенчатого профиля за счет постановки его в предельное положение 10метровыми подуступами. Углы откосов 10-метровых подуступов также принимались на 10-150 круче откосов 30-метровых уступов.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Иоффе А.М., Зенкин В.Л. - ВНИПИпромтехнологии. КольцовВ.Н., ТелибаевБ.К., Федянин А.С. - НГМК.
