CC BY
83
© Г.М. Еремин, 2004
УДК 622.271.46 Г.М. Еремин
ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТВАЛООБРАЗОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ НАГОРНЫХ И НАГОРНО-РАВНИННЫХ КАРЬЕРОВ СЕВЕРА
Семинар № 1
ри открытом способе разработка на-
-#_Ж горных и нагорно-равнинных месторождений отвалообразование является не только сложной инженерно-технической проблемой, но и в не меньшей степени представляющей научный интерес у широкого круга исследователей, инженерно-технических работников и работников проектных организаций.
Интерес этот объясняется не только появлением ряда дополнительных вопросов, связанных с технологией размещения в отвалах больших объемов вскрыши в условиях отсутствия или недостатка площадей для размещения пород, но и обеспечения их устойчивости. Так, за 40-летний период эксплуатации отвалов на Центральном руднике ОАО “Апатит” в низ размещено около 300 млн м3 пород. Такие же объемы вскрыши размещены в отвалах Ков-дорского карьера комплексных железных руд АО Ковдорский ГОК, еще больше емкость отвалов карьеров, разрабатывающих железорудные месторождения концерна “Олкон”, карьеров медно-никелевых руд концерна.
Только объем вскрышных пород, размещенных в одном отвале № 3 глубокого Коаш-винского карьера Восточного рудника ОАО “Апатит” составит 100-150 млн м3 по проекту, а если будет принято решение о доуглубки карьера до отм. дна -450 м (глубина карьера 800-850 м) емкость всех отвалов увеличится в 1.5-2 раза.
За продолжительный период эксплуатации отвалов в условиях Заполярья, на всех из них имели место различные деформации: от небольших подвижек, до катастрофических обрушений (нагорный отвалы Центрального рудника ОАО “Апатит” в Хибинах).
Известен крупный оползень на внешних отвалах карьера Норильского ГМК объемом 60 млн м3 (1992 г), еще более крупный оползень произошел в 1985 г. на внешних отвалах буроугольного разреза “Меркур” (бывш. ЧССР), его
объем составил 120-140 млн м3. Имели место оползни на карьерах Каджаранском, Алтын-Топкинском и Дашккесанском, а также за рубежом [1-5].
Причины их считаются известными и в то же время процессы, связанные с ними требуют дальнейшего изучения, поскольку не имеется гарантий того, сто впредь на отстроенных карьерах отвалах не произойдет крупных подвижек или обрушений типа селей. В проектах рассчитываются параметры отвалов, но не обосновывается способ сложения отвальных пород, обеспечивающий их длительную устойчивость.
Процессы связанные с изменением прочностного состояния отвалов вследствие попадания воды и снега, носят временный характер, и для их прогнозирования необходимо непрерывно контролировать как теплообмен между различными слоями пород, поступление влаги в тело отвала и в подстилающие слои, так и изменение поля тангенциальных напряжений, связанного с увеличением высоты отвалов.
Величина деформации отвала (подвижек слоев) зависит от величины действующих касательных напряжений и сопротивления пород сдвигу. Последний зависит от ряда факторов. В свою очередь факторы, влияющие на устойчивость отвалов, разделяют на следующие группы:
1) связанные с сопротивлением пород отвала сдвигу пород основания отвала.
2) связанные с сопротивлением пород отвала сдвигу пород отвала.
2) технологические
Устойчивость отвалов на слабых основаниях зависит не только от наличия слоя но и от его мощности и скорости подвигания фронта отвальных работ. В том случае, если интенсивность нагружения и фильтрационные свойства пород не обеспечивают рассеивание порового
Таблица 1
Виды деформаций слоев отвалов и способы их учета использования
Виды деформаций Способ учета и использования деформаций Виды отвалов
Снижение деформаций отвалов Отвод вод, не помещение глинистых фракций, очистка места разгрузки от снега Конвейерные, экскаваторные, железнодорожные
Учет и контроль деформации То же. Подсыпка разгрузочной площадки, снижение высоты яруса Комбинированные
Использование для самотранспор-тирования пород отвалов Создание ослабленного слоя в основании отвала Временные отвалы
Доведение до минимума деформаций мерзлых пород (консервация отвалов) Защита откоса и площадок от радиации и жидких осадков буфером Отвалы с мерзлыми породами
давления, а вызывают его рост, возможны оползневые деформации.
Ко второй и третьей группе факторов относятся сопротивление пород отвала сдвигу в зависимости от их свойств и технологии размещения.
В зависимости от типа пород, их дисперсности и кусковатости, а также содержания влаги (воды), снега, влияния низких температур и нагрузки сопротивление сдвигу пород может изменяться от минимальных величин 0.010.015 МП (насыщенные водой грязевые массы после обрушения отвала) и такие же примерно величины сопротивления сдвигу имеют насыщенные снегом верхние слои пород в отвале до максимальных при смерзании пород. При смерзании пород сопротивление сдвигу увеличивается на 2-3 порядка и составляет 2-3 МП и более. При этом подверженность пород отвала деформациям будет непосредственно определяться его реологическими свойствами.
Учитывая большой спектр образования слоев пород с различными свойствами и их подверженность различным деформациям, следует дифференцированно разрабатывать технологии отсыпки пород, учитывающие не только снижение деформации слоев отвалов до минимума, но и их учета в безопасных пределах (деформации осадки, уплотнения и в незначительных пределах деформаций смещения (скольжения), и использования для самотранс-портирования пород (временные отвалы), табл. 1.
Выявленные особенности и закономерности деформирования породной массы со снегом и водой базируются на основе учета:
1) Установлена модель плавления частиц снега в поровом пространстве кусковатого породного материала и переходе его в лед при действующих нагрузках в отвале и отрица-
тельных температурах в результате чего силы сцепления частиц могут вырасти на один-два порядка по сравнению со сцеплением частиц снега (от 0.001 до 0.5-1МПа).
На приборах с различной площадью среза (Бср от 40 до 1600 см2) установлена многофакторная зависимость величины сопротивления сдвигу и деформации образцов от влияющих факторов в виде
т = Ф • а4-Цис(в) • вс • Мв • еу (1)
1=А1-т -г;2 (2)
где А, А[ - постоянные; а - нормальное напряжение; Шс(в) - заснеженность (влажность) образцов, %; (1 - средний диаметр частиц, мм; 1 -отрицательная температура, град; Гу - скорость усадки материала; Т - время.
Значение величин постоянных и показателей степени может составлять: для образцов со снегом А = 0.23-0.834; а = 1.12 - 1.15; в = 0.06 -0.11; с =0.04 - 0.06; а = 0.018-0.021; е0 = 0.00150.013 (коэффициент линейной аппроксимации Е = 18-19; коэффициент множественной достоверности Ця = 43.5; коэффициент по Фишеру Е - 2.4).
Для влажных образцов: А = 0.23-0.57; а = 0.9 - 1.02; в = 0.02 - 0.1; с =0.07 - 0.16; а = -0.60.1821; е0 = 0.24-0.27 (Е = 11.7; = 79.0; ко-
эффициент по Фишеру Е - 2.82), при деформации образцов А! = 3.82; а^ 1.05; а2 = 0.157; в = -0.08; ^=0.104; к! = 0.87 (Е = 10,71; =
238.6; Е - 4.17).
Определены количественные диапазоны изменения свойств снежно (льдо) породного конгломерата при переходе из одного состояния в другое: от сыпучего в навале до стадии деформации в слоях откоса отвала и ползучести пород в подстилающих слоях и призме упора, а в стадии обрушения отвалов до жидкотекучего состояния (при таянии снега (льда) в
отвалах и насыщении породной массы водой), рис. 1 (То - период эксплуатации отвала, т. А и Б - насыщение породы водой и обрушение отвала).
Впервые сформулировано научное положение о том, что разрушенная взрывом породная среда, и размещенная на склоне, может не только фильтровать влагу, но и аккумулировать ее при длительных процессах переноса мелкодисперсных частиц и коль-метации пор.
Вода в породной массе может накапливаться длительное время. При больших объемах пород отвалов на склонах объем водногрязевого бассейна может быть значительным а его переполнение (в период выпадения осадков или ливней) может стать грозным очагом техногенного селя. Так мы считаем возможно был разрушен горд Франк в Канаде.
2) Изучение кривых деформаций отвалов и их скоростей по данным маркшейдерских наблюдений позволило установить стадии устойчивого и неустойчивого деформирования отвалов. В последнем случае происходит непрерывное и последовательное изменение и переход одного состояния в другое и в конце концов - разрушение отвала. При этом скорость деформации отвала может нарастать по сложной зависимости, а в последней стадии (разрушение) - по экспоненте, рис. 1.
На первой стадии деформирования отвала
V = Уу + ¥п + ¥с (3)
где Vy, V,, Vс - соответственно скорости усадки, ползучести и скольжения пород по склону.
Вторая стадия включает период с попаданием влаги в нижнюю часть основания отвала и таяния снега. Это стадия тепловых процессов, внешних источников воды (паводковых,
Рис. 1. Характер изменения скоростей деформации отвала в период эксплуатации (1, 2), смещения его на пологий участок (3), в период зарождения селя (4, 5) и обрушения: 1, 2 - соответственно для отвалов южной и северной экспозиции; т. А и т. Б - в пирода обрушения отвалов
дождевых, грунтовых).
На третьей стадии (перед обрушением отвала) нарастание скорости подчиняется закону накопления дефектов в физическом теле и процесс протекает по экспоненциальной зависимости вида
V = Л-ехр [(тп -К1т)БШ1] (4)
где А, В - коэффициенты пропорциональности, А = 0.4, В = 0.26; тп - сопротивление сдвигу на начальном этапе деформаций отвала; т - изменяющееся касательное напряжение сдвига; Ш -влажность, 0.05 < Ш < 0.2-0.3; 1 - темпе-
ратура или время Т (при 1 >0°С), Т = 50-60 сут.
Скорость деформации отвала при смещении с крутой части склона Vд > 5-10 м/сут.
Дальность выброса породной массы, Ь, м (по Григоряну С.С., Остроумову А.В.). При коэффициентах кулоновского трения |1 = 0.18, К = 0.15, тразр = 0.026 МПа, Ь = 1800-2000 м.
По данным исследований механизм деформации и обрушений отвалов может быть сформулирован следующим образом. При деформации и смятии слоев в нижней зоне отвала происходит увеличение призмы упора (увеличение прочностного состояния породных слоев), вокруг которой затем происходит опрокидывание ослабленных породных толщ (нарушение сплошности слоев и насыщение их водой). При нарушении рекомендуемого режима от-валообразования и деформирования слоев, нарушении сплошности за счет возрастания количества каналов фильтрации Хйф , по которым в подстилающие породы может попадать вода от таяния снега и жидких осадков, в них может концентрироваться значительное количество влаги. При превышении гидростатического давления величины сил сопротивления начинается обрушение отвала типа селя.
Для недопущения перехода сместившегося на пологую часть склона отвала в стадию деформации с зарождением и образованием техногенного селя разработана технология, позво-
Рис. 2. Схема способа предотвращения обрушения отвала типа селя: а -
стадии состояния и обрушения отвалов,
1, 2, 3, 4, 5 - соответственно блок сползания, в стадии деформации на склоне, призма упора и последствия селя; б -план, 6, 7 - соответственно направление подсыпки и водоотводные канавы; в -разрез отвала в стадии пригрузки: 4 -призма упора, 7 - водоотводные канавы; г - схемы заполнения ярусов I, II,
III, 1УЯ; д - схема создания пригрузки драглайном, а, б - соответственно первоначальный откос и в стадии деформации; Бсд, Бс - соответственно силы сдвига и сопротивления сдвигу; е - вариант пригрузки отвала применением автосъездов; А - отвал на склоне, Б - наклонный съезд, В - площадки для отсыпки пород, Г - окончательное положение породных масс и отвала на склоне
ляющая вести отсыпку пород с боков от деформирующегося отвала для пригрузки и защиты разрыхленных слоев пород со снегом от радиационного тепла и жидких осадков с целью исключения водонасыщения пород отвала, рис. 2.
Разработанные способы и технологии отва-лообразования основаны на учете снижения деформации пород при повышении их прочностных свойств табл. 2.
По результатам исследований (С.Э. Городецкий, институт НИИОСП, 1975) деформире-мости примерзшей породной массе к скале (фракция 0-5 мм, температура - 3.5о С) при
увеличении нормальных напряжений с 0.4 до 0.9 МПа скорость деформации породной массы возрастает с 86 мм/сут. до 130 мм/сут, а в стадии интенсивной деформации - до 800-900 мм/сут.
Рис. 3. Схема управления отвалообра-зованием на склонах: а - отсыпка высоких отвалов с созданием защитного буфера; б, в, г - соответственно при срезке склона залежи, на косогоре двух типов; д, е - отсыпка отвала в ущелье и созданием в основании воронок (взрывом); ж, з, и - соответственно пригрузка отвала в стадии деформации и при встречном развитии отвалов; к - создание контрфорса (по С.И.Попову); л -отсыпка ярусов на склоне
Исследования, проведенные в Горном институте КНЦ РАН под руководством автора показали, что при включении в породную массу снега деформируемость ее повышается при тех же условиях эксперимента (1 = -3.2 оС, о = 0.1-0.3 МПа, фракция 0-5 мм). Скорость деформации образцов со снегом составила 1000-4000 мм/сут. Еще более величина скорости деформации при температурах, близких к нулю градусов (до 10000 мм /сут). С увеличением размера фракций (частиц, кусков) при одной и той
Таблица 2
Типы отвалов и способы управления их устойчивостью и деформированием на склонах
Местоположение формируемых отвалов Тип отвала Условия обеспечения устойчивости Способы управления отвалообразованием
Высокие отвалы Н>350-400 м (месторождение в сопках) угол склона в = 30-40° Комби- нирован- ные Wп < '^* Тсд < Тсопр Ъ =0°-Мсрг Создание основания отвала из прочных пород, дрен. То же в толще отвала. Зоны мерзлоты. Буферные зоны. Упор в противоположные склоны. Подготовка склона: слои пород - упоры, дрены.
Высокие отвалы 300-350 м (срезаемые склоны) в = 40--60о (высокая часть склона) Основные (предот-вал), дополни-тельные, временные Wп << Wпр гП =0 - -зос Тсд << Тсопр Wп < Wmin Тсд < Тсопр Создание основания отвала из прочных пород - дрен. Буферные зоны. Зоны мерзлоты. Подпор отвала в стадии начала его деформации. Встречное развитие отвалов. Переслаивание пород двух отвалов. Создание основания отвала с зонами ослабления (зоны пород с нулевой изотермой) (управление деформированием отвала). Пригрузка отвала при его смещении на пологую часть склона (защита откоса отвала буфером из прочных пород).
Отвалообразование на косогорах бульдозерные экскаваторные, конвейерные Wп < Wпp гп =0 - -1-2ос Тсд < Тпр Создание в основании отвала породных слоев - дрен. Сохранение зон мерзлоты. Буферные слои. Подпорные слои (контрфорс). Отвод грунтовых вод.
Формирование высоких отвалов (150-200 м) в равнинной местности Wп < Wпp Хп =0 - -1-2оС Тсд < Тпр Подготовка основания отвалов из прочных пород. Соблюдение скоростей отсыпки пород и осадки. Создание буферных зон. Сохранение зон мерзлоты. Создание в толще слоев - дрен для сбора воды.
же заснеженности скорость деформации снижается.
Скорость деформации (смещения породной массы со снегом при влиянии температуры подчиняется той же закономерности, что установлена С. С. Вяловым для льда, и может быть выражена в виде, табл. 3 У = К/тп (5)
где тп - напряжение сдвига, МПа; К, п - постоянные.
Значения коэффициентов для пород зимнего периода образования равны К = 720, п = 6.540.24т; для летнего периода К = 100, п = 2.45-
0.28т.
Сдвиговая нагрузка при углах склона, больших 15-20° и в откосах (35-37°) вызывает реологическую (течение) и скользящую подвижку слоев пород. При средней скорости смещения породной массы 120 мм/сут. (в поверхностных слоях 300-400 мм/сут., в нижних 10-20 мм/сут.) дальность смещения за год составит 43.2 м. В зависимости от ширины потока породной массы В и ее мощности т объем смещения пород за год может составить 9001000 тыс. м3 (в плотном теле) (В = 400 м, т = 30 м, Ьп = 40 м). При больших параметрах вре-
Таблица 3
Скорость смещения слоев временного отвала при различной прочности пород
№ Зоны отвала Сопротивление сдвигут, МПа Скорость деформации, мм/сут
1 В отвале Т0 = 0.05 - 0.5* 300-400
2 В области слоя с нулевой изотермой (зона АВ) Т1 = 0.05 - 0.5 800-900
В зоне ВС (таяние снега 1ьс и ^ в призме упора Т2 = 0.05 - 0.5
3 При смещении отвала на пологую часть в зонах ВС и СД Тсд > Тс 110-250
* В верхних слоях пород со снегом
Способ управления деформированием временного отвала
менного отвала объем смещения за границы карьера увеличивается, что еще более уменьшит коэффициент переэкскавации пород. Из размещенных 40 млн. м3 пород во временных отвалах (№° 8, 9) Центрального рудника ОАО “Апатит” около 20 млн м3 сместилось за границы карьера.
- в обосновании режима и способа отсыпки временного отвала вытянутой формы в пределах карьерного поля с развитием его параметров при выходе за контур карьера, что минимизирует объем переэкскавации пород (небольшая величина коэффициента переэкскавации пород. Коэффициент переэкскавации составляет 0.2-0.3;
- в формировании отвала на окончательном этапе за контуром карьера с засыпкой слабых оползших слоев пород со снегом (льдом) для исключения его обрушения в последующем по типу селя (стадия консервации отвала).
Отвалообразование при организации временных отвалов ведется с высоких отметок для создания сдвигающих нагрузок, превышающих предельные величины сопротивления сдвигу в момент времени Т. На контакте разнотемпературных слоев создается зона пород с нулевой изотермой (рис. 4), прочность пород в которой на сдвиг на 20-40 % меньше, чем в выше и нижележащих зонах отвала.
Рис. 4. Схема способа управления деформированием временного отвала (создание нулевой изотермы пород): а
- 1, 1, 2, 2, 2 - соответственно первоначальное и последующие положения откоса при смещении; 3, 4, 5 - соответственно призма сползания, склон и окончательное положение отвала; б - 1, 2, 2,
2, 3 - соответственно склон и положения откоса, 4 - положение нулевой изотермы; в, г - стадии деформации и заполнения косогора (I, II, III); 1, 2 -склон и откос; 3, 4, 5, 6 - соответственно, склон, нулевая изотерма и положения откоса
Условием деформирования отвала с затухающей скоростью является:
в начальный период (крутая часть склона)
тсд > тсопр
при выходе на пологую часть склона
тсопр < тсд
Это возможно в случае, когда напряжения сдвига уменьшаются на пологих участках откосов и склонов, а сопротивление сдвигу возрастает. Их соотношение может быть установлено по выражению Р%Н • БШр < С + р%На • СОБр • 1%ф (6)
где р - плотность пород; Н - высота слоя; в -угол наклона склона; С - сцепление; ф - угол внутреннего трения; % - ускорение.
Дополнительным условием для
самотранспортирования пород со снегом (льдом) должно быть их сплошность, обеспечиваемая сцеплением частиц снега (льда) и породы.
По данным экспериментальных исследований сцепление породы со снегом (льдом) может достигать 0.3-0.5 МПа и более (до 1.5-2 МПа при смерзании слоев).
Снижение деформаций пород отвалов путем создания ядра смерзания в теле отвала и недопущение его таяния составляет основу не только эксплуатации временных отвалов на последней стадии (консервации), но и при создании временных отвалов при засыпке части карьерного пространства. Так, применительно к Оленегорскому карьеру была разработана технология отсыпки и конструкции отвала с целью недопущения таяния снега в породной массе зимней отсыпки, поскольку в другой части карьера возможна проходка вскрывающих выработок подземного рудника.
Снижение деформаций отвалов и повышения их устойчивости предусмотрено в технологиях отсыпки пород для карьеров, разрабатывающих железорудные месторождения Комсомольское, им. ХУ-летия Октября, Ковдор-ского комплексных железных руд, хромитово-
1. Ржевский В.В., Анистратов Ю.И., Ильин
С.А. Открытые горные работы в сложных условиях. -М.: Недра, 1964. - 294 с.
2. Геомеханика отвальных работ на карьерах / П.Н. Пансков, В.В. Ржевский, В, В. Истомин, А.М.Гальперин. М.: Недра, 1972. - 184 с.
3. Отвалы на горных склонах / Э.Б. Красносельский, Г.В. Калабин, Г.М. Еремин и др. - Л.: Наука, 1975.
- 150 с.
го месторождения “Сопча”, а также для карьеров апатитовых месторождений в Хибинах.
Разработаны рекомендации для повышения безопасности отвалообразования на карьерах Удокана, где высота отвалов может составить 200-400 м и необходимо исключить их деформации и обрушения.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Попов С.И., Габитов Р.М. Управление горнотехническими параметрами отвалов / Горн. журн. - 1988. № 2. - С. 25-27.
5. Демин А.М. Развитие технологии отвалообра-зования на карьерах // Горный журнал. - 1998. № 2. - С. 20-23.2.
6. Еремин Г.М., Маслов В.Т., Архипова С.Е. Особенности создания временных отвалов на северных нагорных карьерах. // Горн. журн.. - 1981. 9. - С. 19-21.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------
Еремин Георгий Михайлович - кандидат технических наук, Горный институт Кольского научного центра РАН.
------------------------------------------ © С.И. Беляев, С.С. Глубокий,
Г. М. Еремин, 2004
УДК 622.2.063.013
С.И. Беляев, С. С. Глубокий, Г.М. Еремин
ПОВЫШЕНИЕ СТАБИЛИЗАЦИИ КАЧЕСТВА РУДНОЙ МАССЫ В УСРЕДНИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ НА КАРЬЕРАХ ОАО «АПАТИТ»
Семинар № 1
1ТЛ ак известно, на полноту извлечения по--*\ лезных компонентов из недр, а затем из добытой в карьере руды влияют ряд факторов. Среди них выделяют природные особенности месторождений; их типы, формы, мощность, углы падения и т.д., определяющие адекватность построенной математической модели однородности добываемого полезного компонента реальному распределению компонента в рудном теле. Ко второй группе факторов следует отнести технологию добычи полезного
ископаемого, полноту отработки рудных контактов как в лежачем, так и в висячем боках рудной залежи. К третьей группе факторов относят способ и процесс усреднения руды в ус-реднительных системах для подачи на обогатительную фабрику сравнительно однородного по качеству рудного сырья. Первоначально исследуют природные качества полезного ископаемого, выполняют статистический анализ распределения контролируемых свойств по-
