Оптимизация конструкций бортов карьеров в массивах скальных тектонически-напряженных пород* Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.271 В.В. Рыбин

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ БОРТОВ КАРЬЕРОВ В МАССИВАХ СКАЛЬНЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИ-НАПРЯЖЕННЫХ ПОРОД*

Семинар № 16

ш И роблсма оптимизации конст-

.1.1 рукций бортов карьеров всегда актуальна для открытых горных работ, так как неразрывно связана с возможностью радикального сокращения затрат на эксплуатацию месторождения в целом за счет снижения объемов вскрышных работ, либо роста доли отработки запасов месторождения эффективным открытым способом при экономически приемлемом коэффициенте вскрыши.

Ожидаемый результат проводимых с этой целью исследований заключается в создании комплексной наукоемкой технологии формирования бортов карьера в конечном положении с обоснованием их параметров и конструкций, оптимальных по отношению к инженерно-геологическим и геомеханическим условиям конкретных участков массива на контуре карьера.

Наиболее перспективным решением данной проблемы является реализация разработанной Горным институтом КНЦ РАН концепции оптимизации конструкций бортов карьеров за счет учёта реальных свойств, структурных особенностей и напряжённого состояния массивов пород глубоких горизонтов рудных месторождений [1-3].

В настоящее время считается традиционным представление массива дискретной средой, сплошность которой нарушена упорядоченной трещиновато-

стью, разделяющей массив на структурные блоки. Такие массивы горных пород принято называть блоч-ными или раздельно-блочными. В существующих инженерно-геологичес-ких и горнотехнических классификациях, исходя из размеров образуемых структурных блоков, выделяют несколько порядков (классов, рангов) структурных неоднородностей от крупных структур протяжённостью десятки километров до небольших трещин размерами порядка десятков сантиметров. Очевидно, в этом случае необходимо говорить об иерархии структурных неоднородностей и соответственно структурных блоков в скальном массиве. Такой подход в последнее время получил значительное распространение, в результате чего принято рассматривать скальный массив с позиции иерархически-блочной модели среды.

Применение иерархически-блоч-ной модели позволяет обоснованно определять вид и параметры эффективных структурных неоднородностей, т. е. тех, которые определяют процессы деформирования и разрушения данного конкретного объёма пород или сооружения.

Степень влияния того или иного порядка неоднородностей определяется соотношением размеров соответствующих структурных блоков и геометриче-

*Исследования проводились при поддержке средствами гранта РФФИ № 05-05-97523.

ских параметров деформирующихся объектов. При этом механизм деформирования массива пород блочной структуры заключается в деформировании самих блоков и, кроме того, в их перемещениях относительно друг друга.

В условиях работы карьеров речь может идти о единичном уступе (иногда группе уступов) и о борте в целом. Если для уступа эффективным видом структурных неоднородностей являются, как правило, поверхности естественных крупноблоковых трещин, образующих структурные блоки с ребром в первые единицы метров, то для борта карьера эффективным видом будут структурные неоднородности более крупных размеров, образующих структурные блоки с ребром в десятки и первые сотни метров. Отсюда необходимо различать понятия «устойчивость отдельного уступа или группы уступов» и «устойчивость борта карьера в целом». Во многих случаях нарушение устойчивости отдельного уступа или группы уступов отнюдь не означает катастрофической потери устойчивости борта в целом.

Напряжённое состояние массивов скальных пород в большинстве случаев соответствует гравитационно-тектоническому типу, при котором в нетронутом массиве максимальная и промежуточная компоненты главных напряжений субго-ризонтальны и определяются тектоническими силами, действующими в рассматриваемом регионе, а минимальная компонента ориентирована в вертикальной плоскости. При этом абсолютное значение минимальной компоненты главных напряжений определяется, как собственным весом вышележащих пород, так и боковым отпором максимальной и промежуточной компонент главных напряжений.

Таким образом, основными геомеха-ническими особенностями массивов скальных пород, учитываемыми в рам-

ках разработанной концепции оптимизации конструкций бортов карьеров являются:

• выраженная иерархически-блочная структура, наличие систем различно ориентированных поверхностей ослабления;

• соответствие напряженно-деформированного состояния в большинстве случаев гравитационно-тектоническому типу.

Отсюда следует необходимость тщательного поэтапного предварительного изучения свойств и состояния массива пород исследуемого месторождения.

Предложенная концепция включает в себя следующие этапы.

На первом этапе разрабатывается

инженерно-геологическая модель месторождения, которая, в свою очередь, может состоять из ряда частных моделей, например:

• моделей структурных нарушений различного порядка, включая трещиноватость;

• моделей распределения физикомеханических свойств;

• модели естественного напряжённого состояния.

В результате построения инженерногеологической модели разрабатывается инженерно-геологическая клас-

сификация пород и выполняется инженерно-геологическое районирование массива пород.

Вторым этапом является разработка геомеханической модели карьера, которая также обычно состоит из частных моделей:

• моделей напряжённого состояния уступов и борта карьера;

• моделей расчёта параметров нарушенной зоны;

• моделей расчёта параметров предельных обнажений.

Третьим этапом является создание расчётных моделей определяемых элементов.

Исходной информацией для построения инженерно-геологической модели являются:

• физико-механические свойства выделенных лигологических разностей;

• физико-механические свойства и геометрические параметры структурных неоднородностей;

• начальное напряжённое состояние ненарушенного массива.

Указанные свойства и параметры могут быть получены традиционными методами инженерно-геологического исследования массивов горных пород (отбор представительных проб горных пород; определение физико-механических свойств путем лабораторных и натурных испытаний различных объемов пород; картирование структурных неоднородностей с выделением систем и порядков неоднородностей; определение физико-механических характеристик структурных неоднородностей).

Исходной информацией для построения геомеханических моделей является:

• Параметры полей статических напряжений в массиве пород в окрестности карьерной выемки;

• Параметры нарушенной зоны.

Параметры полей напряжений могут

быть получены путем непосредственных измерений абсолютных значений напряжений натурными методами (метод разгрузки; гидроразрыва; ультразвукового каротажа скважин и т.д.).

Параметры нарушенной зоны могут быть получены прямыми наблюдениями (в том числе с использованием фото-или телевизионной съемки) и геофизическими методами (ультразвуковой каротаж скважин; сейсмическая томогра-

фия; реометрия; глубинные реперы и др.).

Реализация предложенной методики геомеханического обоснования устойчивых параметров бортов и уступов карьеров на практике состоит:

1. В выборе места расположения

опытно-промышленного участка (ОПУ), представительного для данного предприятия на основе анализа имеющихся данных о геомеханическом состоянии породного массива.

2. В разработке проекта ОПУ,

предусматривающего проведение в его пределах цикла опытно-промыш-ленных и экспериментальных работ.

3. В анализе геомеханического

состояния всего массива пород, включающего карьерную выемку, на базе опыта, полученного при проведении опытнопромышленных и эксперимен-тальных работ в пределах ОПУ.

4. В разработке регламента на

проектирование конечного контура карьера после завершения основных

опытно-промышленных и экспериментальных работ.

5. В составлении проекта конеч-

ного контура карьера, учитывающего особенности массива пород.

6. В разработке комплексной

системы контроля устойчивости бортов и уступов карьера на конечном контуре.

Предложенная методика геомехани-ческого обоснования устойчивых параметров бортов и уступов карьеров в достаточной степени соответствует особенностям скальных высокопрочных массивов и может быть применена в соответствующих условиях на различных предприятиях, ведущих горные работы открытым способом.

Общая последовательность выполнения необходимых этапов работы представлена на рис. 1.

Инженерно-геологическая модель

і частные мелели : і

физико-механи ческих свойств структурной нарушенности ""естественного"1 НДС

Объект

Рис. 1. Алгоритм выполнения необходимых этапов работы

параметры [уступов] (бортов) (БВР)

Геомеханическая модель

предельных

обнажений

частные модели

г

[ослабленной зоны]

НДС

конструктивных

элементов

сопоставление конструктивных параметров объекта сданными геомеханической модели

принятие решения по оптимизации параметров

Поскольку формирование уступов и бортов карьеров с предельными устойчивыми параметрами возможно только при условии сведения к минимуму разрушения законтурного массива, необходимым элементом общей технологии постановки бортов карьеров в конечное положение является разработка специальной технологии буровзрывных работ

[4].

Предлагаемая концепция реализова-

на в условиях карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК», а также на опытно-промышленных

участках Ньоркпахкского карьера Восточного рудника и карьера Центрального рудника ОАО «Апатит» с использованием вертикальных уступов высотой до 30 м и генеральными углами наклона бортов карьеров 45-65° в зависимости от конкретных условий.

Экономический эффект от внедрения результатов работы определяется приростом запасов для отработки месторождения открытым способом в зависимости от уровня мировых цен на соответствующие виды концентратов. В частности, для карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» экономический эффект только от уменьшения объёма вскрыши при постановке в конечное положение нижней части борта высотой 400 м с генеральным углом наклона в среднем 55° вместо 45° по первоначальному проекту может составить ориентировочно 1,8 млрд. руб. в ценах 2005 года.

На рис. 2 в качестве примера реализации предлагаемой концепции показан участок борта карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК», сформированный с применением вертикальных уступов высотой 24

Рис. 2. Участок борта карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК», сформированный с применением вертикальных откосов уступов высотой 24 м

м.

Основные научные и практические результаты исследований:

1. Установлено, что в скальных

иерархически-блочных массивах предельно устойчивые параметры уступов и бортов карьеров определяются характеристиками напряжённо-де-

формированного состояния и структурной нарушенности массива.

2. Разработаны оптимальные конструкции бортов карьеров в мас-

1. Оптимизация конструкций бортов карьеров Кольского полуострова в конечном положении /Н.Н. Мельников, А.А. Козырев, С.П. Решетняк, Э.В. Каспарьян, В.В. Рыбин, И.В. Мелик-Гайказов, В.С. Свинин, А.Н. Рыжков // Инновационный потенциал Кольской науки. - Апатиты: КНЦ РАН, 2005. - С. 65-70.

2. Концепция формирования нерабочих бортов глубоких карьеров Кольского Заполярья / Н.Н. Мельников, А.А. Козырев, С.П. Решетняк, Э.В. Каспарьян, В.В. Рыбин, В.С. Сви-

сивах скальных, тектонически-нап-ряжённых пород за счет учёта его реальных свойств, структурных особенностей и напряжённого состояния.

Реализация приложенной концепции оптимизации конструкций бортов карьеров возможна только в случае создания систем контроля их устойчивости конечном кон-туре.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

нин, А.Н. Рыжков // Г орный журнал, 2004. - № 9. - С. 45-50.

3. Обеспечение устойчивости бортов карьеров в предельном положении/А.А Козырев, С.П. Решетняк, Э.В. Каспарьян, В.В. Рыбин, Н.А. Свердленко// Безопасность труда в промышленности, №10, 2003. - С.41-44.

4. Фокин В.А. Проектирование и производство буровзрывных работ при постановке уступов в конечное положение на предельном контуре глубоких карьеров. - Апатиты, КНЦ РАН, 2004. - 232 с. ЕШ

— Коротко об авторе -----------------------------------------------------------------

Рыбин В.В. - Гор ный институт КНЦ РАН.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 16 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.С. Кузьмин.