CC BY
64
- © А.А. Козырев, Э.В. Каспарьян,
В.В. Рыбин, 2015
УДК 622.271.3
А.А. Козырев, Э.В. Каспарьян, В.В. Рыбин
ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МАССИВАХ ПОРОД ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ*
Рассмотрены особенности развития геомеханических процессов в массивах пород при проведении открытых горных работ, и излагается методический подход к оценке устойчивости бортов и уступов карьеров, учитывающий иерархично-блоч-ную структуру и естественное напряженное состояние массивов пород, обусловленное гравитационно-тектоническим полем напряжений.
Ключевые слова: открытые горные работы, массив горных пород, иерархично-блочная структура, естественное напряженное состояние, гравитационно-тектоническое поле напряжений.
Открытые горные работы представляют собой самостоятельное технологическое направление ведения горных работ, обладающее определенными преимуществами по сравнению с технологиями подземных разработок, и, в течение долгого времени развивающееся практически независимо от них. В настоящее время глубина открытой разработки отдельных месторождений в нашей стране превысила 300 м. Строят и эксплуатируют карьеры, рассчитанные на глубину разработки 500 м и более [1].
Необходимо отметить, что с точки зрения геомеханики нет больших различий в развитии геомеханических процессов как при строительстве и эксплуатации подземных сооружений, так и карьеров, и это позволяет применять единые методические подходы к обеспечению безопасности и решению геомеханических проблем при ведении горных работ открытыми и подземными способами. Единственной, но очень существенной особенностью массивов пород при открытых горных работах, является весьма большая доля приповерхностных, большей частью слабых, пород, часто представляющая собой грунтовые массивы (осадочные породы).
Однако по мере увеличения глубины ведения горных работ доля грунтовых массивов уменьшается, отмеченные особенности для карьеров теряют свою значимость и условия ведения открытых работ с геомеханической точки зрения становятся все более идентичны условиям, с которыми имеют дело горняки при строительстве подземных сооружений и горнодобывающих предприятий.
Как и при подземной разработке, технологические параметры открытых горных работ в значительной мере определяются развитием геомеханических процессов (деформаций, сдвижений и разрушений горных пород) в массивах пород разрабатываемых месторождений. При этом основные проблемы геомеханики при ведении горных работ открытым способом заключаются в обеспечении устойчивости бортов карьеров и откосов отвалов.
* Исследования выполнены в рамках гранта по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» № 14-17-00751 (научн. рук. проф. А.А. Козырев).
Борта карьеров следует рассматривать как специфические инженерные сооружения, обладающие особыми свойствами с точки зрения геомеханики. В частности, разные уступы бортов карьеров имеют различный срок службы, наиболее продолжительные сроки характерны для самых верхних уступов, поставленных в конечное положение. Исходя из весьма длительных сроков эксплуатации, борта карьеров с точки зрения развития геомеханических процессов, практически аналогичны капитальным выработкам подземных сооружений, а потому и методы обеспечения их устойчивости могут осуществляться аналогичными путями - либо регулированием действующих напряжений в приконтурном массиве, либо целенаправленным изменением свойств пород, слагающих уступы и борт, либо и тем и другим способом одновременно.
Таким образом, основная цель управления геомеханическими процессами при открытых горных работах заключается в определении оптимальных, с точки зрения безопасности и эффективности, конструкций бортов карьеров, определении углов откосов и высоты уступов, параметров предохранительных и транспортных берм, а также углов откосов и высоты отвалов.
С геомеханической точки зрения грунтовые массивы отличаются весьма малыми размерами частиц, слагающих грунты, весьма малым или полным отсутствием сцепления между частицами и напряженным состоянием, обусловленным исключительно гравитационным полем. В этих условиях наиболее широко распространенной формой потери устойчивости являются массовые смещения пород в виде оползней.
В отличие от грунтовых массивов, в массивах прочных скальных пород широко представлены структурные неоднородности различных порядков, обусловливающих их иерархично-блочное строение, а напряженное состояние в общем случае обуславливается одновременным действием гравитационных и тектонических полей. При этом размеры отдельных структурных блоков определяются расстояниями между соседними структурными неоднородностями одного ранга и могут варьировать в очень широких пределах от миллиметров до сотен метров и километров.
Деформирование и разрушение иерархично-блочных сред может происходить как по законам сплошных, так и дискретных сред, в зависимости от соотношения размеров деформируемого объекта и параметров структурных неоднородностей.
Соотношение размеров структурных блоков, ограниченных эффективными структурными неоднородностями, с размерами области воздействия в общем случае составляет W, = 0,01...0,1 W^ Если рассматривать борт в целом, то при высоте борта 300 м, параметры структурных блоков, образуемых эффективными неоднородностями, т.е. среднее расстояние между соседними эффективными неоднородностями (частота) будут порядка 30 м и чаще всего будут представлены жилами, дайками или крупными геологическими нарушениями. В этом случае основными формами проявлений геомеханических процессов являются сближения бортов карьера вследствие перемещения крупных блоков массива, которые, в принципе, могут завершаться потерей устойчивости всего борта в целом.
Для отдельных уступов при их высоте 15-30 м, параметры эффективных структурных неоднородностей составляют 0,15.3,0 м, т.е. в данном случае они будут представлены естественной мелкоблоковой и крупноблоковой тре-щиноватостью, а средние размеры отдельных вывалов могут достигать 1-3 м.
Здесь основной формой проявления геомеханических процессов является формирование зон неупругих деформаций и разрушений. Вследствие этого преобладающим видом потери устойчивости обнажений в пределах уступов является образование отдельных вывалов, размеры которых определяются параметрами «эффективных» структурных неоднородностей. Как показывает опыт эксплуатации карьеров в скальных массивах именно образование отдельных вывалов и потеря устойчивости пород в пределах отдельных или группы уступов в первую очередь и в наибольшей степени осложняют нормальную технологию ведения горных работ.
При этом, также как и в случае подземных горных выработок, зона неупругих деформаций и разрушений образуется под воздействием трех групп факторов - перераспределения естественных полей напряжений, технологических воздействий и процессов выветривания.
Однако в условиях карьерных выемок особенностью формирования зоны неупругих деформаций в результате изменения напряженного состояния массива является ее образование не непосредственно на контуре уступов, а в глубине массива, начиная с некоторого расстояния от поверхности откоса, в свою очередь определяемого параметрами принятых берм безопасности на вышележащих уступах. В то же время образование зоны неупругих деформаций и разрушений под воздействием технологических факторов (взрывных работ) и процессов выветривания происходит наиболее интенсивно на контуре уступов и в приповерхностной части массива.
Таким образом, учитывая принципиально различия механизмов деформирования и разрушения пород в грунтовых массивах и в массивах прочных скальных пород, должны применяться различные методы оценки устойчивости уступов и бортов карьеров в соответствии с реальными геомеханическими условиями.
Для условий грунтовых массивов расчетные методы оценки устойчивости давно разработаны проф. Г.Л. Фисенко и его школой [2, 3]. Методы широко апробированы, практически все карьеры в нашей стране до недавнего времени проектировались и строились с использованием методического подхода, в основу которого положено нахождение предельной поверхности скольжения, где наблюдается равенство сдвигающих и удерживающих сил.
Для условий иерархично-блочных скальных массивов расчетные методы были разработаны с учетом различных «эффективных» структурных неодно-родностей при рассмотрении бортов в целом и отдельных уступов [4].
В качестве иллюстрации изложенного подхода приведем результаты определения оптимальных параметров уступов и бортов карьера «Железный» Ковдор-ского апатит-бадделеит-магнетитового месторождения (ОАО Ковдорский ГОК, Кольский полуостров) [5]. Инженерно-геологическая модель месторождения (разработана совместно с Геологическим институтом КНЦ РАН (Д.В. Жиров) с использованием данных ООО «Мурманская ГРЭ») приведена на рис. 1.
Оценка устойчивости борта карьера выполнялась по выделенным структурно-геологическим секторам (рис. 1) следующим образом [6]. Был произведен расчет устойчивости участков массива скальных пород, ограниченных со стороны карьера выработанным пространством, со стороны породного массива и с боков - выделенными крупными структурными неоднородностями (рис. 2).
Потеря устойчивости борта карьера происходит при превышении сдвигающими силами удерживающих сил:
Рис. 1. Инженерно-геологическая модель Ковдорского месторождения в рамках предельного контура карьера
р > рпод + рпод + +
с тр сцепп сцепп тр
(1)
где Р - сдвигающая составляющая веса породного блока, т; Р™" - сила тре
ния по подсекающей поверхности скольжения, т;
рпол ' сцепп,
сила сопротивления
Fбок
, , , сцепп - сила сопротивле-
ния сдвигу по боковым граням структурного блока, т; Ртброк - сила трения по боковым граням структурного блока, т.
Соответственно, коэффициент запаса устойчивости определяется:
п =
гпол . Г пол . Рбок . гбо>
тр сцепп сцепп тр
р
(2)
№1
В
^в №2 С
Рис. 2. Схемы расчета устойчивости борта карьера № № 1, 2
Для представленных на рис. 1 расчетных схем: P = Sabc х b х у х sinP; FTn°a = N x tgcp' = Sabc x b xjx cos в x tgy'
тр
(3)
(4)
(5)
(6)
аЬс
FO = 2 x РбоК x Sabc x tgtf
(7)
где Ь - ширина потенциально неустойчивого блока; у - объемный вес пород, т/м2; N - нормальная составляющая собственного веса потенциально неустойчивого блока, т; ф' - угол трения по поверхности ослабления, градус; L - длина подсекающей поверхности ослабления, м; С - сцепление по поверхности ослабления, т/м2.
При оценке устойчивости, если расчетный коэффициент запаса устойчивости п > 1,3, борт карьера считается устойчивым [3]. Если 1,0 < п < 1,3, борт карьера считается недостаточно устойчивым. Если п < 1,0, борт карьера считается неустойчивым.
Сводные данные оценки устойчивости бортов карьера на конечном контуре по структурно-геологическим секторам приведены в таблице. Все оценки устойчивости выполнены исходя из значения коэффициента запаса устойчивости К > 1,3.
Полученные результаты оценки устойчивости позволяют повысить проектную глубину основного карьера, прирастить запасы полезного ископаемого, которые можно отработать открытым способом и, как следствие, продлить срок существования предприятия.
Для оценки устойчивости уступов необходимо определять параметры зоны неупругих деформаций и разрушений, при этом необходимо учитывать, что в условиях скальных массивов, сложенных высокопрочными породами, основными видами разрушений являются отрыв и сдвиг по поверхностям естественных трещин под действием растягивающих и касательных напряжений. С этой точки зрения метод расчета параметров зон неупругих деформаций и разрушений в массиве уступов, практически, не отличается от методов расчета аналогичных параметров вокруг подземных выработок [7].
Сводные данные оценки устойчивости бортов карьера на конечном контуре по выделенным инженерно-геологическим секторам (ИГС)
ИГС Высотные отметки Угол наклона борта карьера на конечном контуре
I на всю глубину не более 60°
II на всю глубину не более 55°
III от современного состояния карьера до гор.-80 м не более 55°
от гор.-80 м до дна карьера Не более 60°
IV, V от современного состояния карьера до гор.-80 м Не более 45°
от гор.-80 м до дна карьера Не более 50°
VI от современного состояния карьера до гор.+70 м Не более 45°
от гор.+70 м до дна карьера Не более 50°
VII, VIII от современного состояния карьера до гор.+40 м не более 50°
от гор.+40 м до дна карьера Не более 60°
В качестве начального этапа расчетов лучше всего применять схемы с вертикальным расположением поверхностей уступов, и если получаемые параметры зон неупругих деформаций и разрушений будут иметь неприемлемые размеры, то расчеты продолжать при меньших углах наклона откосов, либо предусматривать какие-либо мероприятия по повышению прочностных характеристик структурных неоднородностей, по которым происходит разрушение и вывало-образование.
В частности, если в массивах уступов конфигурация и радиальные размеры зон неупругих деформаций и разрушений обусловливают образование вывалов с размерами не более 1 м, уступы можно считать достаточно устойчивыми и возможные вывалы будут улавливаться предохранительными бермами соответствующих размеров. Если возможные вывалы будут превышать указанные размеры, необходимы дополнительные меры по укреплению откосов, например, путем возведения крепей.
Вообще необходимо отметить, что с точки зрения безопасности ведения открытых горных работ, вертикальные уступы являются наиболее безопасными, поскольку вывалы в случае их образования имеют наиболее отвесную траекторию падения, легче улавливаются предохранительными бермами и имеют меньшую вероятность попадания на нижележащие уступы.
Предполагая в массиве уступов для условий Ковдорского месторождения преобладающее действие сжимающих напряжений (это обусловлено формой карьера и натурными данными о естественном напряженном состоянии, обусловленном действием
Рис. 3. Схема разрушения пород по разнонаправленным естественным тре-шинам в стенке вертикального уступа:
1, 2, 3 - структурные неоднородности -естественные трещины, по которым происходит разрушение сколом, соответственно, при действии напряжений
гравитационно-тектонического поля), образование вывалов из вертикальных откосов возможно, если по боковым граням какого-либо структурного блока реализуются условия разрушения сколом, а по верхней грани осуществлялся отрыв (рис. 3).
Поскольку предел прочности при растяжении для поверхностей естественных трещин, практически, равен нулю, определяющими являются условия разрушения сколом, которые выражаются неравенствами:
тр
(8) (9)
K х у 2 z х cos2a1(íg2a1 - tgф^) > [т^ ] + у 2 z х tgф
СТ-СТ Г-|СТ+СТ
K3 х у 2 х х cos 2a2 (tg2a2 - tgфтр) > [т^ J+ у 2 х х tgф
кзх Стz 2 Стх х cos 2a3 (tg2a3- tgФтр) > [ттр ] + +СТx х ^Фтр ; (10)
где [т ], ф^ - соответственно, сцепление и угол внутреннего трения по поверхностям неоднородностей, в частности, по естественным трещинам; а1, а2, а3 -углы ориентации поверхностей неоднородностей по отношению к меньшему из главных напряжений; Кз = 1,2 - коэффициент запаса устойчивости.
Для реализации вывала из откоса уступа необходимо одновременное выполнение двух каких-либо неравенств из трех (8, 9, 10), но при этом обязательно должно выполняться неравенство (10) при действии {ctz^ctx|, иначе вывал просто невозможен.
В результате выполнения расчетов раздельно для условий меридионального и широтного расположения уступов было установлено:
• для условий Ковдорского месторождения, вне зависимости от ориентации уступов при постановке борта в конечное положение, два верхних вер-
Рис. 4. Участок борта карьера рудника «Железный», поставленный на конечный контур с использованием уступов с вертикальными углами откосов
тикальных уступа в скальном массиве с точки зрения действующих полей естественных напряжений являются устойчивыми, вывалы здесь могут образовываться только в результате технологических воздействий;
• для нижележащих уступов в неравенствах (8, 9, 10) необходимо учитывать данные о реальной картине трещиноватости в соответствующих инженерно-геологических секторах, в первую очередь, это касается поверхностей трещин, падающих в сторону карьера под углами более 8 > ф. Размеры вывалов будут определяться расстояниями между соседними трещинами, т. е. параметрами структурных блоков, образуемых ими.
• области потенциального вывалообразования от действия статических напряжений в уступах будут располагаться на некотором расстоянии от поверхности вглубь массива, и это расстояние определяется параметром вышележащей бермы.
Таким образом, выполненная оценка устойчивости уступов и бортов карьера в условиях Ковдорского месторождения показала, что при условии снижения динамических воздействий от технологических взрывов и доведения мощности зоны неупругих деформаций и разрушений до размера менее 1 м, вполне возможно формировать борта при постановке их в конечное положение уступами с вертикальными откосами.
Соответствующая технология выполнения взрывных работ была разработана, и в целом рекомендации Горного института КНЦ РАН были реализованы [8]. В настоящее время более двух третей общей длины бортов на конечном контуре представлено вертикальными уступами (рис. 4).
Применение разработанных подходов позволяет существенно улучшить технико-экономические показатели открытых горных работ при соблюдении необходимого уровня безопасности.
1. Мельников Н.Н., Козырев А.А., Ре-шетняк С.П., Каспарьян Э.В., Рыбин В.В., Мелик-Гайказов И.В., Свинин В.С., Рыжков А.Н. Концептуальные основы оптимизации конструкции бортов карьеров Кольского полуострова в конечном положении / Горное дело в Арктике. - СПб.: Типография Иван Федоров, 2005. - С. 2-14.
2. Фисенко Г. Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. - М.: Недра, 1965. -387 с.
3. Фисенко Г.Л., Сапожников В.Т., Моча-лов А.М., Пушкарев В.И., Козлов Ю.С. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. -Л.: ВНИМИ, 1972. - С. 165.
4. Козырев А.А., Решетняк С.П., Каспарьян Э.В., Рыбин В.В., Свердленко Н.А. Обеспечение устойчивости бортов карьеров в предельном положении // Безопасность труда в промышленности, 2003. - № 10. -С. 41-44.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Епифанова М.В., Федоров С.А., Козырев А.А., Рыбин В.В., Волков Ю.И. Инженерно-геологические аспекты проектирования глубокого карьера Ковдорского ГОКа // Горный журнал. - 2007. - № 9. - С. 30-33.
6. Рыбин В. В. Методика расчета и результаты оценки устойчивости борта карьера Ковдорского ГОКа по секторам с учетом инженерно-геологических особенностей строения массива горных пород // Экологическая стратегия развития горнодобывающей отрасли - формирование нового мировоззрения в освоении природных ресурсов. Т. 1. - СПб.: Реноме, 2014. - С. 104-112.
7. Каспарьян Э.В. Устойчивость горных выработок в скальных породах. - Л.: Наука, 1985. - 183 с.
8. Фокин В.А., Тарасов Г.Е., Тогу-нов М.Б., Данилкин А.А., Шитов Ю.А. Совершенствование технологии буровзрывных работ на предельном контуре карьеров. -Апатиты: КНЦ РАН, 2008. - 224 с. (¡233
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Козырев Анатолий Александрович - доктор технических наук, профессор
заместитель директора, e-mail: kozar@goi.kolasc.net.ru,
Каспарьян Эдуард Варужанович - доктор технических наук,
ведущий научный сотрудник, e-mail: kasp@goi.kolasc.net.ru,
Рыбин Вадим Вячеславович - кандидат технических наук,
старший научный сотрудник, e-mail: rybin@goi.kolasc.net.ru,
Горный институт Кольского научного центра РАН.
UDC 622.271.3
ASPECTS OF DEVELOPMENT OF GEOMECHANICAL PROCESSES IN DEEP OPEN-PITS' ROCK MASS
Kozyrev A.A.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Deputy Director, e-mail kozar@goi.kolasc.net.ru,
Kasparian E.V.1, Doctor of Technical Sciences, Leading Researcher, e-mail kasp@goi.kolasc.net.ru,
Rybin V.V.1, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, e-mail rybin@goi.kolasc.net.ru,
1 Mining Institute of Kola Scientific Centre of Russian Academy of Sciences, 184209, Apatity, Russia.
The paper considers aspects of geomechanical processes development in rock mass during open mining and proposes a methodical approach for assessing pit walls and benches stability. The approach takes into account hierarchically-blocked structure and natural stress state of rock masses conditioned by gravity-tectonic stress field.
Key words: open mining, rock mass, hierarchically-blocked structure, natural stress state, gravity-tectonic stress field.
ACKNOWLEDGEMENTS
The studies have been supported by the Russian Science Foundation, priority research program «Basic and exploratory research by individual scientific teams», grant no. 14-17-00751 (Research Manager Prof A.A. Kozyrev).
REFERENCES
1. Mel'nikov N.N., Kozyrev A.A., Reshetnyak S.P., Kaspar'yan E.V., Rybin V.V., Melik-Gaikazov I.V., Svinin V.S., Ryzhkov A.N. Gornoe delo v Arktike (Mining in Arctic), Saint-Petersburg, Tipografiya Ivan Fe-dorov, 2005, pp. 2-14.
2. Fisenko G.L. Ustoichivost' bortov kar'erov i otvalov (Slope stability in open pits and dumps), Moscow, Nedra, 1965, 387 p.
3. Fisenko G.L., Sapozhnikov V.T., Mochalov A.M., Pushkarev V.I., Kozlov Yu.S. Metodicheskie ukaza-niya po opredeleniyu uglov naklona bortov, otkosov ustupov i otvalov stroyashchikhsya i ekspluatiruemykh kar'erov (Instructional guidelines on determination of slopes of walls, benches and dumps in open pit mines under construction and in operation), Leningrad, VNIMI, 1972, pp. 165.
4. Kozyrev A.A., Reshetnyak S.P., Kaspar'yan E.V., Rybin V.V., Sverdlenko N.A. Bezopasnost' truda v promyshlennosti, 2003, no 10, pp. 41-44.
5. Epifanova M.V., Fedorov S.A., Kozyrev A.A., Rybin V.V., Volkov Yu.l. Gornyi zhurnal. 2007, no 9, pp. 30-33.
6. Rybin V.V. Ekologicheskaya strategiya razvitiya gornodobyvayushchei otrasli formirovanie novogo mi-rovozzreniya v osvoenii prirodnykh resursov. T. 1 (Ecological strategy of mining industry growth and formation of a new vision in natural resource development, vol. 1), Saint-Petersburg, Renome, 2014, pp. 104-112.
7. Kaspar'yan E.V. Ustoichivost' gornykh vyrabotok v skal'nykh porodakh (Stability of underground excavations in hard rocks), Leningrad, Nauka, 1985, 183 p.
8. Fokin V.A., Tarasov G.E., Togunov M.B., Danilkin A.A., Shitov Yu.A. Sovershenstvovanie tekhnologii burovzryvnykh rabot na predel'nom konture kar'erov (Improvement of drilling-and-blasting at ultimate pit limits), Apatity, KNTs RAN, 2008, 224 p.
