CC BY
22
УДК 622.271
© А.Г. Шапарь, Н.И. Просандеев, А.В. Романенко, Н.В. Корчагин, 2014
А.Г. Шапарь, Н.И. Просандеев, А.В. Романенко, Н.В. Корчагин
ПРОБЛЕМЫ РАСШИРЕНИЯ СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ КАРЬЕРА ИНГОКА
Установлено, что массив юго-восточного участка Ингулецкого месторождения нарушен четырьмя системами трещин: продольными (расслоения), поперечными (скалывания), диагональными (скалывания) и диагональными (отрыва). Перечисленные системы трещин образуют в массиве пород тектоническую блочность. Наиболее опасными для устойчивости уступов и юго-восточного борта карьера ИнГОКа являются продольные (меридиональные и субмеридиональные) трещины расслоения, падающие в сторону выработанного пространства карьера под углом 75-90°. Данные углы являются предельными для углов откосов отдельных уступов или их группы. Представлена методика расчета коэффициента запаса устойчивости юго-восточного борта карьера ИнГОК.
Ключевые слова: Ингулецкое месторождение, борта карьера, система трещин, коэффициента запаса устойчивости, объемное состояние пород.
Ингулецкое месторождение железных руд разрабатывается с конца XIX в. До 1962 г. здесь преимущественно добывались природно богатые мартитовые и лимонитовые руды. Запасы неокисленных и окисленных железистых кварцитов участков № 12 и № 12П детально разведаны и утверждены ГКЗ СССР в 1973 г. в контурах карьера глубиной 800 м. В 1987 г. выполнен полный пересчет запасов железистых кварцитов, с учетом проведенных к этому времени на месторождении эксплуатационных и разведочных работ. В 2009-2010 гг. Отделением геологии, геодезии, экологии и картографии Академии горных наук Украины выполнена геолого-экономическая оценка Ингулец-кого месторождения, где произведен перерасчет запасов с учетом следующих кондиций: для неокисленных железистых кварцитов - бортовое содержание железа - 14%; минимальное промышленное содержание железа магнетитового - 16%; для окисленных кварцитов - бортовое содержание железа общего - 32%. Для всех видов
железистых кварцитов минимальная мощность рудной залежи и прослоев, включаемых в подсчет запасов равны 10 м. При расширении действующего карьера в восточном и юго-восточном направлениях институтом «Кривбас-спроект» выполнен расчет приращения запасов до глубины отработки 650 м от поверхности в районах маркшейдерских осей 36-72, который составляет 148 328 тыс. т.
Выемка приращенных запасов в районе юго-восточного борта карьера возможна при его постановке в предельных контурах на скальных породах под результирующими углами откосов 50-60° с отдельными уступами высотой 30 м при углах их откосов 60-70°. Возможность формирования борта карьера юго-восточного участка месторождения с указанными параметрами определяется, прежде всего, его устойчивостью, которая зависит от физико-механических свойств пород слагающих борт карьера и нару-шенности массива горных пород.
Исследованиями ФГУП «ВИОГЕМ» установлено, что массив юго-восточ-
ного участка Ингулецкого месторождения нарушен четырьмя системами трещин: продольными (расслоения) -М (субмеридионального и меридионального простирания), поперечными (скалывания) - N (субширотного и широтного простирания), диагональными (скалывания) - С и диагональными (отрыва) - К.
Система продольных трещин (М), как правило, совпадает с первичной слоистостью пород, является трещинами рассланцевания. В крыльях синклинальной складки (восточный и западный борта карьера) в породах криворожской серии, амфиболитах и плагиогранитах трещины системы М крутопадающие, угол падения варьирует в пределах 62-85° (в среднем составляет 75-80°). В замке и южном замыкании синклинальной складки угол падения трещин системы М изменяется от 38 до 63°, составляет в среднем 45-55°.
В основном трещины этой системы достаточно протяженные, относительно ровные с плотно сомкнутыми стенками. Их падение совпадает с падением слоев и прослойков пород, а густота зависит от текстурных особенностей массива пород. Наибольшая густота трещин этой системы наблюдается в тонко-полосчатых и средне-полосчатых кварцитах и сланцах; меньшая - в массивных плагио-гранитах и амфиболитах. С глубиной углы падения трещин этой системы уменьшаются.
Характеристики системы прямолинейных продольных трещин «М», которые образуют в пластах пород криворожской серии кулисообразные зоны сдвигания, сохраняя на большой площади ориентировку и пологое падение по напластованию, должны изучаться особенно тщательно. Предметом изучения должны стать: а) определение элементов залегания каждой трещины в нескольких точках;
б) плановая и высотная привязка точек замера; в) характер поверхности трещин и заполняющий их материал.
Система поперечных трещин N ориентирована ортогонально к направлению простирания первичной слоистости и продольных трещин. Это трещины скалывания, стенки которых преимущественно плотно сжаты, иногда раскрыты. Ширина трещин 1-3 мм; заполнитель - карбонатные и хлорит-карбонатные пленки. Поверхности стенок трещин ровные, гладкие со следами перемещений (бороздки, царапины, зеркала скольжения). Трещины, как правило, прямолинейные, большой протяженности (десятки метров), пересекают все пласты пород криворожской серии и амфиболиты, сохраняя на обширной площади ориентировку и крутое падение. Угол падения системы трещин N варьирует в пределах 60-85°, в среднем по месторождению составляет 72-75°.
Система трещин отрыва (К) ориентирована перпендикулярно к главной оси растяжения (по нормали к плоскости падения слоистости пород). Трещины этой системы преимущественно раскрыты, стенки трещин неровные, шероховатые, небольшой протяженности, не выдержаны по простиранию, часто выклиниваются. Для них характерны коленообразные изгибы и повороты, поэтому элементы их залегания часто изменяются.
Трещины отрыва (система К) по всему месторождению, кроме южного фланга, являются полого падающими. Их угол падения колеблется от 8 до 55° и составляет в среднем 15-31°. По южному флангу месторождения угол падения трещин системы К изменяется в пределах 34-75° при средних значениях 44-59°.
Диагональные трещины скалывания (С) пересекаются между собой под углами близкими к прямому, создавая крупную ромбовидную сетку.
По морфологии эта система трещин близка к трещинам системы N, но на месторождении развита неравномерно.
Углы падения трещин диагональной системы С изменяются в пределах 35-74°, при средних значениях по месторождению преимущественно 68-74°.
Перечисленные системы трещин образуют в массиве пород тектоническую блочность. В сланцах и кварцитах основной формой элементарных структурных блоков является параллелепипед и его разновидности (куб, ромбоид, плитчатая отдельность), а также объемный клин - при наличии диагональных трещин.
Установлено, что наиболее опасными для устойчивости уступов и юго-восточного борта карьера ИнГОКа являются продольные (меридиональные и субмеридиональные) трещины расслоения, падающие в сторону выработанного пространства карьера под углом 75-90°. Данные углы являются предельными для углов откосов отдельных уступов или их группы. Создание вертикальных откосов уступов, по примеру карьеров Ковдорско-го ГОКа, возможно только на отдельных участках, имеющих соответствующее падение продольных трещин и слоев пород [1].
Приведенные данные по геологическому строению и тектонической нарушенности массива горных пород юго-восточного борта карьера ПАО «ИнГОК» имеют значительную давность (20-25 лет) и, следовательно, малую достоверность, нуждаясь в серьезном обновлении, также как и физико-механические свойства слагающих его разновидностей пород. Для получения более достоверной информации о тектонической нарушенности и фактическом распределении малоамплитудных складок и разрывов, залегании пород и их физико-меха-
нических свойствах необходимо проведение комплексных геофизических и инженерно-геологических исследований юго-восточного борта карьера.
Исходя из предположения, что имеющиеся данные по физико-механическим свойствам пород юго-восточного борта карьера ИнГОКа и условия залегания нарушений массива горных пород соответствуют действительности [2], то слоистость пород и система продольных меридиональных трещин М в замковой части синклинальной залежи (средний угол падения 40-55°) образуют естественную поверхность скольжения пород в выработанное пространство карьера. Причем система продольных трещин М образует плоскость скольжения, а слоистость с углом падения 80-110° представляет собой трещины обрыва сползающего клина. Для данных условий по методу алгебраического сложения сил [3, 4], действующих по плоской поверхности скольжения по известной формуле определено значение коэффициента запаса устойчивости рекомендуемых [2] углов откосов юго-восточного борта карьера ИнГОКа в пределах маркшейдерских осей 42, 60 и 66:
К =
P cos а • tgp + k£
(1)
P • sin а
где P - вес сползающего блока, т; а -угол падения плоскости скольжения, а = 40-55° [2]; р - угол внутреннего трения пород по трещиноватости пород для сланцевых горизонтов, р = 29° [2]; k - сцепление пород по их трещиноватости, k = 16 т/м2 [2]; I - длина поверхности скольжения, м.
По высоте откоса борта карьера расчеты выполнены от дна карьера до горизонта, обнажающего тальковые сланцы, что исключает их влияние на устойчивость нижней части борта. На соответствующих маркшейдерских осях высота юго-восточного участка
борта Нб и угол его откоса Р6 составляет: м.о. 42 - Н6 = 378 м и р6 = 56°; м.о. 60 - Н6 = 360 м и Р6 = 51°; м.о. 66 - Н6 = 240 м и Р6 = 50°. Для всех случаев а = 40°.
Расчеты показали, что для приведенных параметров коэффициент запаса устойчивости откосов участков 6ортов карьера на районе маркшейдерских осей 42 и 60 меньше единицы - т.е. неустойчив, а в районе маркшейдерской оси 66 - устойчив со значением К = 1,23.
з '
Если принять сцепление пород по трещиноватости по данным [4] К = 136 т/м2 (в 8,5 раза 6ольше первоначального), то для всех профилей коэффициент запаса устойчивости 6ортов превышает нормативные значения и коле6лется от 2,2 до 4,3. Данный рост о6условлен значительным прео6ладанием сил сцепления (примерно на порядок) над силами трения.
При выполаживании генерального угла откоса участка 6орта карьера на м.о. 42 до 450 с сохранением его высоты Н6 = 378 м, а = 40° коэффициент запаса его устойчивости имеет нормативное значение - Кз = 1,2.
Приведенные выше расчеты справедливы для постоянных значений физико-механических свойств пород 6орта карьера по его глу6ине. Однако, по практическим данным прочность горных пород, как правило, с глу6иной увеличивается, причем 6о-лее интенсивно в верхней зоне скальных пород до глу6ины (100-150 м), при дальнейшем увеличении глу6ины прочность возрастает менее интенсивно [5]. Кроме того, с глу6иной изменяются соотношения пород с резко отличающейся прочностью в сторону увеличения крепости вмещающих пород в среднем на 0,4-0,6 единиц на каждые 100 м глу6ины. Вследствие влияния этого фактора установлено снижение производительности 6уро-
вых станков на 15-25% и возрастание себестоимости бурения на каждые 100 м углубления.
С увеличением плотности растет сцепление по контактам пород, по которым передается давление и энергия, и поэтому возрастают такие параметры, как упругость, упругие свойства, теплопроводность и т.д.; одновременно уменьшается площадь сечения пор, трещин, поэтому такие параметры, как влагоемкость и проницаемость уменьшаются. Полученные данные относятся, в основном, к статическому напряженному состоянию пород.
Что касается изменения физико-механических свойств горных пород при совместном воздействии на них статических и динамических нагруже-ний, в особенности в объемном трехмерном напряженно-деформированном состоянии, то можно констатировать явный недостаток исследований в этом направлении. Вместе с тем измененные характеристики прочности горных пород в этих сложных условиях оказывают решающую роль при оценке устойчивости бортов карьеров.
Помимо изменения физико-механических свойств горных пород с глубиной разработки на определение устойчивости бортов карьеров большое влияние оказывает методика ее расчета. А.М. Еремин разработал методику определения параметров бортов карьера, которая учитывает: размеры зон нарушения законтурного массива горных пород от сейсмического воздействия массовых взрывов вблизи зоны заоткоски и процессов выветривания во времени; изменение сцепления и блочности массива с глубиной разработки; формирование призмы сдвига в зависимости от трещиноватости, нарушенности, распространения воды и выветривания пород, увеличения веса блоков сдви-
га и длины открытых трещин; физико-механические свойства пород в зоне вероятной поверхности скольжения устанавливаются в соответствии с выделенной блочностью пород под действием комплекса факторов и структурами крутонаклонных толщ в нижней зоне поверхности скольжения, работающими не только на сдвиг, но и на срез (мало-средние и трещиноватые породы) [6].
Расчетами по данной методике установлено, что для мало- и средне-трещиноватых пород откос будет устойчив даже при высоте борта 700800 м и угле наклона 55-60°, при сцеплении 3-4 МПа. В трещиноватых породах устойчивый угол откоса борта может составлять 48-50° при его высоте 380-400 м, а в полускальных, соответственно, - 250-260 м и 40-42° для сцепления 0,3-0,6 МПа и угле внутреннего трения 36-40° [6].
Установленные параметры крутых откосов бортов карьеров позволяют произвести переоконтуривание многих карьеров малой и средней глубины и дополнительно извлечь открытым способом значительное количество руд.
Для снижения отрицательного воздействия сейсмических волн массовых взрывов вблизи приоткосных зон целесообразно увеличить ширину зоны заоткоски до 30-50 м вместо 15-20 м по проектам и создавать экранирующие щели за 30-40 м до подхода горных работ к предельному контуру, а вес одновременно взрываемого ВВ в скважинах буферной зоны довести до 0,5-0,8 т.
В настоящее время большое распространение получила точка зрения необходимости всестороннего учета объемного напряженного состояния массива горных пород, при определении устойчивости углов откосов глубоких карьеров. В Горном институте Кольского научного центра Российской Академии наук разработана
методика обоснования параметров бортов карьеров в массивах скальных напряженных пород, учитывающая их объемное состояние и структурную нарушенность [7]. В соответствии с разработанным подходом, расчет устойчивости участка массива скальных пород производится со следующими ограничениям: со стороны выработанного пространства карьера - генеральным углам откоса борта, а со стороны массива горных пород борта карьера - по выделенным границам структурных неоднородностей. При этом принимаются следующие упрощения: подсекающая поверхность ослабления пересекает линию откоса борта в ее сопряжении с дном карьера, а вертикальная поверхность ослабления пересекает дневную поверхность в точке сопряжения первоначального рельефа земной поверхности и карьерного пространства. Боковые поверхности ослабления, ограничивающие выделяемый расчетный (оползаемый) блок, принимаются взаимно параллельными друг другу и перпендикулярными борту карьера.
При расчете коэффициента запаса устойчивости борта карьера, с учетом объемного состояния пород, в числитель формулы (1) добавляются силы трения и сцепления по боковым граням структурного блока (по площадям поверхности оползающего блока). Когда определяется сила трения по боковым граням, то учитывается сила бокового давления на них (сила защемления), которая вычисляется по формуле [1]:
Р =
уНу -2Кс1д (45 -р/2)
а52 (45 - р/2) , кг/м3, (2)
где у - средневзвешенный объемный вес пород, слагающих оползающий блок борта карьера, т/м3; Ну - глубина расположения центра тяжести оползающего блока борта карьера, м.
Изменение бокового давления пород в зависимости от расположения центра тяжести оползающего блока, т/м2, при у = 2,12т т/м2, р = 29°
Глу6ина расположения центра тяжести оползающего 6лока, Ну, м 100 200 300 400 500
Величина 6окового давления, т/м2 54,7 128,3 201,8 275,4 348,9
Как видно из та6лицы, с увеличением глу6ины карьера 6оковое давление пород увеличивается, что спо-со6ствует повышению устойчивости 6ортов карьеров.
Кроме того, при учете о6ъемно-го напряженного состояния массива горных пород, входящие в числитель и знаменатель формулы 1, параметры должны 6ыть умножены на ширину нарушаемого структурного 6лока - возможную ширину оползающего участка.
С учетом о6ъемного состояния пород по представленной методике выполнен расчет коэффициента запаса устойчивости юго-восточного 6орта карьера ИнГОК в районе м.о. 42 для ширины нарушаемого 6лока 100, 50 и 10 м. Расчеты показали, что для о6ъемного состояния пород коэффициент запаса устойчивости 6орта
при его высоте 378 м соответственно составляет 2,1; 3,4 и 13,6, что превышает нормативное значение в 1,75-11,3 раза и свидетельствует о его устойчивом состоянии. Однако, данная методика расчета устойчивости 6ортов карьеров с учетом о6ъ-емного напряженного состояния массива горных пород не утверждена в качестве нормативного документа по определению устойчивых параметров 6ортов глу6оких карьеров и не получила широкой апро6ации в практике ведения горных ра6от с целью подтверждения достоверности полученных результатов в различных условиях. Поэтому, полученные по ней результаты считаем ориентировочными и тре6ующими проведения дополнительных исследований по подтверждению их достоверности.
1. Фисенко Г.Л., Ревазов М.А., Галу-стьян Э.Л. Укрепление откосов в карьерах. -М.: Недра, 1974. - 2008 с.
2. Отчет по теме «Расширение карьера ОАО «ИнГОК» в юго-восточном направлении. Рабочий проект. Определение допустимых результирующих углов наклона борта карьера при его расширении в юго-восточном направлении (заключительный)» / Украинско-российская научно-техническая и экспертная фирма новых технологий в гидрогеологии и гидротехнике «НОВОТЕК-2». - Харьков. -2010.
3. Методичш вказ1вки з визначення опти-мальних куга нахилу борта, укоав устутв i вщвал1в залiзорудних та флюсових кар'eрiв / Мшютерство промислово! полггики Укра!ни, Асошашя «Укррудпром», 1нститут проблем природокористування та екологи НАН
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Украши, Кривор1зький техшчний ушверситет. Дншропетровськ. - 2008.
4. Фесенко Г.Л. Устойчивость 6ортов карьеров и отвалов. - М.: Недра, 1965. - 378 с.
5. Исмайлов Т.Т. Оценка изменения физико-механических свойств пород при подходе карьера к проектной глу6ине // Горный информационно-аналитический 6юллетень. -№ 7. - 2006. - С. 33-38.
6. Еремин Г.М. Применение новых расчетных методов определения параметров откосов 6ортов в скальных массивах пород // Горный информационно-аналитический 6юл-летень. - № 8. - 2000. - С. 65-68.
7. Рыбин В. В. К оценке величины коэффициента запаса устойчивости 6орта карьера в скальных породах // Горный информационно-аналитический 6юллетень. -№ 2. - 2011. - С. 177-183. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Шапарь Аркадий Григорьевич - доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Национальной академии наук Украины, директор, Просандеев Н.И.,
Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины, е-mail: [email protected]; Романенко А.В., Корчагин Н.В., ГП «ГПИ «Кривбасспроект».
UDC 622.271
THE PROBLEM OF EXPANDING THE RESOURCE BASE OF THE QUARRY INGOK
Shapar' A.G., Doctor of Technical Sciences, Professor,
Corresponding Member of the National Academy of Sciences of Ukraine, Director, Prosandeev N.I.,
The Institute of Natural Resources and Ecology of the NAS of Ukraine, e-mail: [email protected]; Romanenko A.V., Korchagin N.V., Krvibassproekt Mine Design Institute.
Four sets of fractures are detected in enclosing rocks of the Inguletsky deposit: longitudinal (foliation), transverse (spalling), diagonal (spalling) and diagonal (cleavage). These sets of fractures form the tectonic block structure of the enclosing rock mass. The most hazardous for the stability of benches and southeast wall of an open-pit mine at the Inguletsky Mining-and-Processing Integrated Works are the longitudinal (meridional, submeridional) foliation fractures oriented toward the stripped area at an angle of 75-90°. Such angles equal the limit angles of individual benches or their groups. The article presents the calculation procedure for the stability factor of the southeast open-pit wall at the Inguletsky Mining-and-Processing Integrated Works.
Key words: Inguletsky deposit, open-pit walls, set of fractures, stability factor, triaxial stress state.
REFERENCES
1. Fisenko G.L., Revazov M.A., Galust'yan E.L. Ukreplenie otkosov v karerakh (Slope protection in open-pit mines), Moscow, Nedra, 1974, 2008 p.
2. Otchet po teme «Rasshirenie karera OAO «InGOK» v yugo-vostochnom napravlenii. Rabochii proekt. Opredelenie dopustimykh rezul'tiruyushchikh uglov naklona borta karera pri ego rasshirenii v yugo-vostoch-nom napravlenii (zaklyuchitel'nyi)». Ukrainsko-rossiiskaya nauchno-tekhnicheskaya i ekspertnaya firma novykh tekhnologii v gidrogeologii i gidrotekhnike «NOVOTEK-2» ( Report «Southeastward expansion of the open-pit mine at the Inguletsky Mining-and-Processing Integrated Works. Detailed design. Estimation of permissible final slope angles for the open-pit mine on its southeastward expansion (conclusion)». NOVOTEK-2 Ukraine-Russia Sci-Tech and Expertise Firm of New Technologies in Hydrogeology and Water Supply Engineering), Kharkov, 2010.
3. Мегодичт вказiвки з визначення оптимальних купв нахилу 6opriB, yKociB устутв i вiдвалiв залiзорyдних га флюсових Kap'epiB. Мшютерство промислово! политики Укра!ни, Асоцiацiя «Укрруд-пром», 1нститут проблем природокористування та екологи НАН Укра!ни, Криворiзький техтчний утверситет. Дншропетровськ. 2008.
4. Fesenko G.L. Ustoichivost' bortov karerov i otvalov (Stability of pitwalls and dump slopes), Moscow, Nedra, 1965, 378 p.
5. Ismailov T.T. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten', no 7, 2006, pp. 33-38.
6. Eremin G.M. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten', no 8, 2000, pp. 65-68.
7. Rybin V.V. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten', no 2, 2011, pp. 177-183.
