Оценка геомеханического состояния законтурного массива горных пород в борту карьера комплексом инструментальных методов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© A.A. Козырев, B.B. Рыбин, K.H. Константинов, 2012

УДК 622.831

A.A. Козырев, В.В. Рыбин, К.Н. Константинов

ОЦЕНКА ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗАКОНТУРНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД В БОРТУ КАРЬЕРА КОМПЛЕКСОМ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ

Описана комплексная методика геомониторинга геомеханического состояния пород в бортах карьеров. Приведены результаты определения напряжённо-деформированного состояния (НДС) и степени нарушенности прибортового массива пород в окрестности крупных карьерных выемок. Показано, что НДС массива пород в большинстве случаев относится к гравитационно-тектоническому типу, а мощность нарушенной зоны меняется в зависимости от природных и техногенных факторов.

Ключевые слова: геомониторинг, карьер, контур борта, апатит-магнетитовое месторождение, рудник.

Ковдорское апатит-магнетитовое месторождение, разрабатываемое рудником «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» представлено рудным телом вертикального падения, при этом карьерная выемка имеет в плане форму эллипса длиной около 1500 м, шириной порядка 800 м. Увеличение глубины разработки месторождений подобного типа с разноской бортов карьера неизбежно сопровождается увеличением объема вскрышных работ. Для того чтобы минимизировать экономические потери и обеспечить при этом безопасность ведения открытых горных работ целесообразно выбирать углы наклона различных участков борта карьера на конечном контуре исходя из геомеханического состояния законтурного массива горных пород. Одними из основных элементов геомеханического состояния массива пород являются напряженно-деформированное состояние (НДС) и структурная нарушенность массива по-

род. Исходя из большой значимости качественного и обоснованного определения эффективных параметров формируемого контура борта, Горный институт проводит исследования в данной области начиная с 90-х г.г. прошлого столетия.

Комплекс натурных методов, используемый для измерений напряжений, свойств и нарушенности массива горных пород, включает в себя методы разгрузки (МР) в торцевом варианте, телевизионного контроля скважин (ТКС), ультразвукового каротажа (УК) и применяется для решения поставленных задач на карьерах горных предприятий Кольского полуострова, в том числе в карьере рудника «Железный». Исследования геомеханического состояния массива пород, устойчивости борта карьера и отдельных уступов, являются неотъемлемой частью разработанной в Горном институте КНЦ РАН концепции геомеханического обоснования параметров бортов карьеров в скальных породах,

Таблица 1

Результаты измерений параметров напряжённого состояния пород методом разгрузки в карьере рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК»

Расчетный участок Абсолютная отметка измерительной станции, место измерений, борт карьера Нср., м Параметры напряжённого состояния массива порол по результатам измерений метолом разгрузки Расчётные напряжения в массиве ис-холя из собственного веса вышележащих порол

^шах, МПа Мпа ^сшах, грал. СХФ , верт. * МПа СХср , гор. ' МПа

1 Н/С-1: +94 м, 2000, 163 20 4 18° 5 1,6

СВБ (ОПУ)

Н/С-2: +94 м, 2000, 163 22 9 -14° 5 1,6

СВБ (ОПУ)

Н/С-5: +40 м, 2005, 217 13 4 18° 6,5 2,2

СВБ (ОПУ)

2 Н/С-13: +15 м, 190 16 12 32° 6 3

2009, ВБ

Н/С-14: +15м, 190 22 12 15° 6 3

2009, ВБ

Н/С-15: +40 м, 175 10 9 -20° 5 2

2010, ВБ

Н/С-16: +55 м, 160 11 0,5 -11° 5 2

2010, ВБ

3 Н/С-4: +166 м, 130 3 -1 13° 1,2 0.4

2003, ЮВБ

Н/С-7: +154 м, 140 11 3 88° 1,6 0.5

2005, ЮВБ

Н/С-7а: +142, 64 12 2 -125° 3,0 0,5

2006, ЮВБ

Н/С-17: +24 м, 240 8 6 107° 7 3

2011, ЮВБ

Н/С-18: +15 м, 190 10 -1 -45° 6 2

2011, ЮВБ

5 Н/С-19: +40 м, 175 13 7 89° 5 2

2011, ЮЗБ

Н/С-20: +40 м, 175 8 5 -27° 5 2

2011, ЮЗБ

6 Н/С-3: +142 м, 110 8 -2 43° 2 0.6

2001, СЗБ (ОПУ)

Н/С-6: +118 м, 132 5 -1 6° 2,7 0.9

2005, СЗБ (ОПУ)

Н/С-11: +99 м, 157 23 13 -80° 5 2

2009, ЗБ

Н/С-12: +109 м, 160 31 25 -89° 5 2

2009, ЗБ

7 Н/С-8: +10 м, 2007, 247 20 3 -24° 7,40 2,50

СБ

Н/С-9: +10 м, 2008, 247 27 8 -17° 7,40 2,50

СБ

Н/С-10: +25 м, 237 24 14 -15° 7,10 2,30

2007, СЗБ

Таблица 2

Сводные данные о нарушенностн законтурного массива пород по данным исследований комплексом методов

Расчетный участок карьера н/с № Дата, год Горизонт, м г ^ е н ч е р 2 в = £ X X Среднее кол-во трещин на-руш. зоны, шт. /тр.в.3., шт/м г ^ н в 2 а? Среднее кол-во трещин вне наруш. зоны, шт. а е н д е. р м. о "а & | Э X и X ^т Метод

1 н/с 1 2000 94 5 3 1 42 23 0,6 УК

н/с 2 2000 94 47 УК

н/с 5, 5 кд 2005 40 41 ТКС, МР

2 н/с 13, 14 кд 2009 15 2 4,7 2 46 38 0,8 ТКС, МР

н/с 14, 15 кд 2009 15 ТКС, МР

н/с 15, 16 кд 2010 40 50 ТКС, МР

н/с 16, 17 кд 2010 55 47 ТКС, МР

3 н/с 4 2003 166 4 9,8 3 45 58 1,4 ТКС, МР

н/с 7 2005 154 25 ТКС, МР

н/с 7а 2001 142 МР

н/с 17, 2011 24 48 ТКС, МР, УК

18 КД

н/с 18, 2011 15 47 ТКС, МР, УК

19 КД

5 н/с 19, 2011 40 4 11 3 46 16 0,3 ТКС, МР, УК

20 КД

н/с 20, 2011 40 47 ТКС, МР, УК

21 КД

6 н/с 3 2001 42 1 3,7 3 85 1,7 МР

н/с 6, 6 кд 2005 118 50 ТКС, МР, УК

н/с 11, 12 кд 2009 99 47 ТКС, МР, УК

н/с 12, 13 кд 2009 109 50 ТКС, МР, УК

7 н/с 8, 9 кд 2007 10 3 8,8 3 47 47 1 ТКС, МР, УК

н/с 9, 10 кд 2007 10 47 ТКС, МР

н/с 10, 11 кд 2008 25 48 ТКС, МР

н/с 10а 2008 10 47 ТКС

основывающейся на их представле- жений гравитационно-тектонической нии, как иерархически-блочной сре- природы [1, 2 и др.]. Следует отме-ды, в которой действует поле напря- тить, что в настоящее время важность

учёта НДС при оценке устойчивости бортов карьеров отмечается многими исследователями [3, 4].

На рис. 1 представлена схема расположения наблюдательных станций (н/с) в пределах карьерного поля рудника «Железный».

Каждая наблюдательная станция состоит из одной колонковой скважины диаметром 76 мм и длиной 50 м, пробуренной под углом +3° к горизонту [5].

В табл. 1 представлены обобшён-ные данные измерений параметров напряжённого состояния массива пород карьера «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК», сгруппированные по участкам (рис. 1). Также в табл. 1 для сравнения приведены расчётные параметры напряжённого состояния массива пород исходя только из собственного веса выше-лежаших пород.

Из данных, представленных в табл. 1 видно, что во всех случаях имеет место превышение абсолютных значений измеренных максимальных компонент главных напряжений стах над расчётными параметрами вертикальных напряжений сверт, исходя только из собственного веса вышележаших пород. Это свидетельствует о действии в массиве пород уступов на данных участках контура квазигоризонтальных напряжений, превышаюших по своему абсолютному значению горизонтальные напряжения вследствие бокового отпора от веса вышележа-ших пород в случае гравитационной модели напряжённого состояния массива.

В то же время необходимо отметить, что наибольшие абсолютные значения действуюших напряжений отмечены в пределах участков №№ 1, 2, 7. В пределах этих участков массив пород сжат, а атах - субгоризонталь-116

на. В пределах участков №№ 3, 5 и в некоторой степени 6 напряжённое состояние массива пород характеризуется меньшими значениями действуюших напряжений, распространены растягиваюшие напряжения (стт), а стах в половине измерений субвертикальна. Результаты анализа отображены на рис. 2, где с точки зрения действуюших в массиве пород напряжений, более тёмный цвет соответствует более благоприятным зонам, менее тёмный -менее благоприятным. Окраска отсутствует в местах, где исследования предполагается провести в ближайшее время.

В целом, полученные данные подтверждают действие в массиве пород Ковдорского месторождения поля напряжений гравитационно-тектонического типа, расширяют наши знания о его параметрах в пределах различных участков карьера.

Несмотря на имеюшийся разброс полученных результатов, ранее установленная зависимость максимальной компоненты главных напряжений от глубины проведения измерений в целом подтверждается [5] (рис. 3):

стах я к х Н, при 400 м > Н > > 40 — 50 м,

где (гтах - максимальная компонента главных напряжений, МПа; Н -глубина измерений, м; к - коэффициент пропорциональности, МПа/м (к=0,1МПа/м).

Учитывая обшие закономерности распределения тектонических напряжений с глубиной, можно предположить, что на глубинах более 400— 500 м зависимость &тах = / (Н) будет нелинейной. При этом, скорее всего рост напряжений с глубиной будет затухать.

Рис. 1. Схема расположения наблюдательных станций в пределах карьерного поля: 1 - расположение н/с, 2 - разломы максимального ранга, 3 - границы расчетных секторов

В табл. 2 приведены сводные данные о нарушенное™ законтурного массива пород по данным исследований комплексом методов.

Анализируя представленные в табл. 2 данные, следует иметь в виду, что нарушенность законтурного массива пород определялась несколькими методами в разное время в период с 2000 г. по 2011 г. на различных участках борта карьера, имеющих различные технологические параметры, поставленных в конечное положение с применением различных технологий, прежде всего с применением щадящего взрывания. Хотя перечисленные выше обстоятельства и несколько затрудня-

Рис. 2. Районирование карьера с точки зрения уровня действующих напряжений (точками обозначены места заложения наблюдательных станций)

ют общий анализ, но всё же некоторые общие сопоставления выполнить можно.

Из данных, представленных в табл. 2 видно, что в пределах нарушенной зоны количество трещин на метр длины исследовательских сква-жин в среднем более 1 шт./м (от 1 до 3 шт./м), а количество трещин за пределами нарушенной зоны ориентировочно 1 шт./м (0,3— 1,7 шт./м). Видно, что средняя мощность нарушенной зоны по участкам меняется от 0 до 5 м, при этом в пределах участков 3 и 5 мощность нарушенной зоны составляет в среднем 4 м, а в пределах участков 2, 6, 7 от 1 до 3 м. Следует заметить, что средняя мощность нарушенной зоны в пределах участка № 1 хотя и составляет 5 м, но такой результат является

■

)0

■

■

с

■

1 1

5 ~ ? 1» ■ ■

1

I?1- сз к

щ

■

_

И

_

И

■

0 ■

■ ■

■ 1

0 1( ♦-о=0ДН )0 г - 1 Глуомш 0 „ 2С ТГ'.ГсреТПШ М ■ Результать )0 2 измерений 0 з<

Рис. 3. Зависимость максимальной компоненты напряжений от глубины

следствием применения метода ультразвукового каротажа около-скважинного массива, крайне чувствительного к микротрешиноватости массива пород.

Результаты анализа отображены на рис. 4, где с точки зрения нару-шенности приконтурного массива пород, более тёмный цвет соответствует более благоприятным зонам, менее тёмный - менее благоприятным.

Таким образом, полученные экспериментальные данные о напряженно-деформированном состоянии массива свидетельствуют о необходимости учета тектонических напряжений при расчете устойчивости как отдельных уступов, так и борта карьера в целом при его постановке в конечное положение.

В результате проведённых исследований можно сделать следуюшие основные выводы.

Рис.4. Районирование карьера с точки зрения нарушенности законтурного массива

1. Уровень действующих напряжений в массиве пород на северном участке борта карьера несколько выше, чем на южном участке. При этом абсолютные значения действующих напряжений имеют тенденцию к возрастанию с увеличением глубины карьерной выемки.

2. Геомеханическое состояние северного участка борта карьера рудника «Железный» с точки зрения ус-

тойчивости, более благоприятно, чем южного участка.

3. Для уточнения и получения полной картины геомеханического состояния массива пород необходимо продолжать подобные исследования, в особенности в пределах южного и юго-западного участков борта карьера (участки 4, южная часть участка 6), а также на глубинных горизонтах карьера.

1. Козырев A.A. Каспарьян Э.В., Рыбин

B.В. Основные методические положения применения бортов карьеров новой конструкции // Проблемы и тенденции рационального и безопасного освоения георесурсов: сб. докладов Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 50-летию Горного института КНЦ РАН. - Апатиты; СПб., 2011, с. 340-344.

2. Козырев A.A., Рыбин В.В.,. Билин А.Л, Фокин В.А., Мелик-Гайказов И.В. Обоснование конструкций устойчивых бортов карьеров в массивах скальных тектонически-напряжённых пород // Горный журнал. - 2010. — № 9. —

C. 24-27.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Зотеев В.Г., Зотеев О.В. О необходимости совершенствования нормативно-методической базы по геомеханическому обеспечению горных работ // Горный журнал. - 2010. — № 1. — С. 66-68.

4. Яковлев А.В., Ермаков Н.И. Устойчивость бортов рудных карьеров при действии тектонических напряжений в массиве. - Екатеринбург: ИГЛ УрО РАН, 2006. - 231 с.

5. Рыбин В.В., Губинский Н.О., Данилов И.В. Опыт определения напряжённого состояния прибортового массива пород на карьерах Кольского полуострова // Современная тектонофизика. Методы и результаты. Материалы первой молодёжной школы семинара. - М.: ИФЗ, 2009, с. 3437. S3S

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Козырев Анатолий Александрович — профессор, доктор технических наук, [email protected],

Ры1бин Вадим Вячеславович — старший научный сотрудник, кандидат технических наук, [email protected],

Константинов Константин Николаевич — младший научный сотрудник, [email protected]

Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук.

А