CC BY
97
© Г.М. Еремин, 2002
УАК 622.271
Г.М. Еремин
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЗАОТКОСКИ И ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ КРУТЫХ ОТКОСОВ НА КАРЬЕРАХ
В настоящее время решение проблемы повышения устойчивости и крутизны откосов в глубоких карьерах представляет не только научный, но и практический интерес. Своеобразие и особенности горнотехнической ситуации на карьерах таковы, что, во-первых, за прошедший период допущено значительное отставание в выполнении объемов вскрышных работ от проектных графиков, во-вторых, на многих карьерах как у нас в стране, так и за рубежом получен существенный экономический эффект от повышения крутизны откосов уступов и бортов карьеров, в-третьих, на карьерах постепенно происходит совершенствование горнотехнологических процессов, в том числе совершенствование техники и технологии работ. Это проявляется не только в том, что на карьерах стремятся применять более мощную и производительную погрузочно-транспортную технику, но и значительное внимание уделяется более рациональному ведению добычных работ в карьере, в том числе повышению устойчивости уступов и бортов карьеров. Это видно из того, что на большинстве карьеров все более начинают учитывать роль и влияние на устойчивость откосов и бортов карьеров факторы действия массовых взрывов, применяют мероприятия, способствующие снижению оползаний и обрушений участков откосов уступов и бортов.
Анализ состояния и опыта работы карьеров региона (Ковдорский ОАО «Ковдорский ГОК», Центральный и Коашвинский ОАО «Апатит», Оленегорский ОАО «Олкон»), а также карьеров других зон и широт по данным литературных источников показывает, что почти на всех этих карьерах имели случаи обрушения уступов или оползания участков борта.
Основными причинами происшедших случаев признаны: несвоевременно выявленные поверхности ослабления массива - одиночные, ориентированные параллельно борту, либо сопряженные, образующие желобчатые поверхности сдвига, а также ограниченный объем информации о структуре и тектонической нарушенности законтурного массива в бортах карьеров, получаемой по данным разведки при стадийности ее проведения, рис. 1.
Немаловажным фактором, который также следует учитывать при оценке общего состояния с получением и расшифровкой геологической информации о структуре массивов и их нарушений тектоникой является отсутствие в составе геологических служб геологов-геотектонциков и геомехаников. Поэтому часто полученные сведения о свойствах пород, структуре залегания, сложения рудных тел и их участков носят общий характер, и не позволяют сделать
качественную и количественную характеристику выявленных нарушений и их поведения при производстве вскрышных и добычных работ в ближайших зонах карьера. В процессе проектирования карьера и в особенности его бортов углы нерабочего борта, параметры уступов и предохранительных берм часто принимают без достаточного геомеха-нического обоснования из-за отсутствия достоверных данных о законтурном массиве [1-5]. Для определения проектной величины угла обычно конструируют борт и полученную величину конструктивного угла а сопоставляют с предельным (расчетным) значением, которое используется в качестве ограничителя, т.е.
ак < апр (1)
При конструировании уступов и бортов карьеров предлагается учитывать слабые контакты в массиве пород в виде нейтральных, активных и пассивных [4]. Первые представлены трещинами и их системами и от них зависит блочность массива, а также коэффициент структурного ослабления. При пассивных контактах лишь частично оконтуривается потенциальная поверхность обрушения. Активные контакты определяют явные поверхности сдвига и полностью оконтуривают призму обрушения.
С учетом выделения этих контактов предложены следующие конструкции бортов: первого, второго и третьего типов. При конструкции бортов 1-го типа законтурный массив не включает явных поверхностей ослабления, участвующих в формировании потенциальной призмы обрушения. Предельный угол наклона борта апр является функцией характеристик сопротивления сдвигу и коэффициента структурного ослабления. Его величину можно рассчитать по формуле [5]
апр = агссоз^д ф/(1 - Не/Н] (2)
где Не =6.14С ^д(45 - ф/2)/у; С, ф, у - соответственно сцепление в массиве, угол внутреннего трения и плотность пород.
Устойчивость откоса уступа и борта в целом оценивают по величине параметра Н90. В зависимости от типа пород и нарушенности массивов тектоникой и трещиноватости пород величина этого параметра может изменяться на один-два порядка. По известной формуле величина Н90 прямопропорциональна сцеплению породных блоков. На рис. 2 по данным в «Методических указаниях...» (ВНИМИ, 1972 г.) показан характер изменения Н90 в зависимости от величины сцепления пород (прямая 1). На этом же графике приведена прямолинейная зависимость высоты борта от величины сцепления пород (прямая 2). Здесь же приведены данные для высоты борта угольного разреза (Нб = 500 м) с углом откоса 30° (т. А). Это свидетельствует о том, что при малой величине сцепления пород и небольшом угле откоса борта можно достичь большей глубины карьера.
При определении параметров уступов и бортов карьеров существуют различные точки зрения. По классическим схемам с учетом комплекса факторов горно-геологического, гидрогеологического и горнотехнического характера определяются прежде всего предельные параметры откосов уступов и бортов карьеров. При этом временной фактор, а также влияние техногенных нагрузок и изменение прочностного состояния массива пока не могут быть учтены в полной мере. Избежать ошибок при определении параметров уступов и в особенности бортов карьеров можно только на основе детальной классификации массивов пород месторождений, их участков, зон по нарушенности тектоникой, действием массовых взрывов в карьере в течение 20-30летнего периода работы, изменения гидрогеологии участков и зон месторождения, а также процессов выветривания пород во вновь и раннее сформированных откосах уступов.
С учетом отмеченного выше следует выделять (при периоде работы глубокого карьера 20-40 лет) устойчивость откосов уступов и бортов в целом (по висячему и лежачему бокам рудного тела). Откосы уступов более подвержены влиянию массовых взрывов в карьере, действию взрывных зарядов при создании отрезных щелей, зарядов перебура и в особенности «выветривания» пород. Последний фактор мало учитывается в работах исследователей, в рабочих проектах, кроме работ ВНИМИ (Э.Ё. Галустьян), других ученых и исследователей (проф. В.Г. Зотеев, проф. В.Н. Попов). Циклические нагрузки (оттаивание - замерзание воды в трещинах) равносильны действию взрыва малых зарядов, создающим усилия разрыва до 200-300 МПа и более, действующих по поверхностям, близким к откосам уступов. Поэтому в них постепенно зарождаются и формируются «куски», «блоки», которые при завершении своего формирования сначала выпадают из откоса, а затем могут скатываться и оползать с откоса. При наличии слоистости пород в откосе и при достижении предельного равновесия, нарушенные пачки пород могут обрушаться с поворотом (инженер-геолог Иванов С.В.).
С величиной параметра Н90 непосредственно связана высота вертикального откоса Нв. Его величину определяют по формуле (8) в [2].
( I-----------Л
90
1 + „
рл
■ )
(3)
где Н90 - глубина трещины отрыва, м; <вп = 45 + рп/2; стрп - величина напряжения отрыва, т/м2; ф - угол внутреннего трения, град.
Параметр Н90 определяют по формуле
Н90 = 2 Кп tgЮn/Y (4)
где Кп - расчетная величина сцепления пород, т/м2; у - объемный вес пород в массиве, т/м3.
При крутом и наклонном падении ослаблений в сторону выемки первую составляющую формулы (3) представляют в виде
Ип = -
Кп ■ СОБ рп
где Кп, рп' - соответственно величины сцепления и угла внутреннего трения по поверхности ослабления (протяженной трещине); р - угол падения слоистости, ослабления.
В зависимости от типа пород, их прочности, а также характера нарушений слоев в откосе и их падения (в сторону выемки или вглубь массива) расчетные значения параметров вертикального откоса могут изменяться от 3-5 м (песчанистые грунты) до 300-500 м и более (для прочных пород, близких к монолитным).
Однако в реальных условиях при расчетах по схеме ВНИМИ для вертикального откоса (рис. 3 б) следует учитывать временной фактор. Его влияние связано с тем, что по мере отстройки откоса в зависимости от типа ослаблений, падающих вертикально или крутонаклонно, в верхних обнаженных участках откосов (кратно высоте уступов) могут развиваться трещины «подреза». Это может уменьшить высоту предельно устойчивого вертикального откоса. Поэтому для пород средней и малой прочности и трещиноватых массивах необходимо вводить уменьшающий параметр Ь'', величина которого может быть пропорциональна новой величине сцепления К” породного слоя, развивающегося по поверхности ослабления в результате действия техногенных нагрузок (взрывов) и выветривания пород.
Тогда высота вертикального откоса может быть определена по зависимости вида:
Нь = Ип +ДН - И
(6)
у СОБ в БІП( в-рп)
(5)
I2а ■ И '
где ДН = \—П—П.%р^і%(р-рп) ; Ь'' = f (К'')
В силу приведенного выше, выс ота вертикального откоса для пород прочных и малотрещиноватых и менее прочных и трещиноватых может быть представлена в виде соотношения (рис. 3 а, б, в)
Нь >> Нь' > Нь» (7)
В трещиноватом массиве средне- и малопрочных пород сформированный вертикальный откос может быть неустойчивым и постепенно занять положение, близкое к устойчивому (ауст, рис. 3 г). При этом потребная берма для размещения осыпи (кусков и блоков) для вертикального откоса по сравнению с наклонным уступом с учетом траектории движения кусков и общего объема осыпи может превышать вторую в 1.5-2 раза.
Повышения длительной устойчивости трещиноватого массива с породами средне- и малопрочных можно достичь как заоткоской его под углами 6070°, так и укреплением (по способу предложенного Э.Ё. Галустьяном) (рис. 3 д). В породах средней трещиноватости и при протяженной согласно с откосом трещине длительную устойчивость вертикального откоса можно обеспечить его укреплением аналогично вышеуказанному (рис. 3 д).
Во всех случаях при проведении укрепительных работ предполагается, что стоимость затрат на укрепление не должна превышать себестоимости выемки 1 м3 вскрыши при выполнении работ на горизонте. Снижения затрат на укрепление необходимо
Рис. 1. Состояние и характер нарушений в откосах уступов Коашвинского карьера Восточного рудника ОАО «Апатит»: I-IV - виды и типы нарушений уступов в зависимости от слоистости и согласных с откосов трещин ослабления
стремиться достичь при применении вертикальных откосов, поскольку при ширине обрушающегося «козырька» 5-10 м, протяженности участков укрепления от 50 до 3000 м и количестве уступов п = 20 объем укрепления может возрасти от 12-13 т.м3 до 9-10 млн м3.
В литературных источниках и по данным прикидки существует понятие об «устойчивом» откосе (без укрепления). В породах средней прочности и трещиноватых по данным проф. Ю.И. Туринцева его величина может составлять около 52°. По данным ОАО «Апатит» откосы уступов Коашвишского карьера за 10-15 летний период выположились с 60-65 до 55° (рис. 1). Кроме учета естественной трещиноватости массивов и нарушенности тектоникой следует учитывать способ зоткоски уступов и способы ведения горных работ в ближних зонах (действие массовых взрывов).
Из приведенного выше ясно, что в зависимости от горногеологических и горнотехнических условий следует учитывать области устойчивого стояния откосов с различным углом их наклона. Снижения осыпеобразования в откосах уступов на карьерах стремятся достичь как учетом инженерно-геологических особенностей того или иного участка месторождения (тектонических нарушений, систем трещиноватости, гидрогеологии и др.), так и применением более совершенных способов заоткоски уступов, минимизирующих зоны разрушений как при-контурного, так и законтурных массивов пород.
При этом основным направлением достижения положительного эффекта является применение при заоткоске станков, обеспечивающих бурение сближенных скважин малого диаметра на всю высоту сдваиваемых уступов. Такая технология заоткоски уступов близка к технологии проведения выработок в подземных условиях. При этом значительное повышение устойчивости откосов уступов можно достичь в случае, если щель создана за 30-50 м до подхода горных работ к предельному контуру, а не 1215 м, как часто бывает на практике. Применение щадящей технологии заоткоски уступов может повысить эффективность отстройки вертикальных откосов на карьерах.
Достижение длительно устойчивых откосов уступов на карьерах обеспечивает повышение крутизны конструктивного борта карьера. Однако угол наклона конструктивного борта не должен превышать угла наклона борта по условию устойчивости прибортового массива пород. Параметры устойчивых бортов карьеров могут быть определены как с учетом прочностных свойств и нарушенности массивов пород в естественном состоянии, так и вновь приобре-
тенным техногенным нарушениям в процессе производства работ на карьерах в течении 20-30-летнего периода, действия гидрогеологических факторов, развития ослаблений по потенциальной поверхности скольжения.
Нельзя использовать данные обратных расчетов, полученные для оползания, обрушений отдельных участков откосов уступов, поскольку величина сцепления для таких случаев может отличаться от данных по сдвижению блоков под нагрузкой на один-два порядка и более. Предстоит также определить правомерность использования коэффициента структурного ослабления для пород всей призмы сползания. Блоки пород «сдвига» формируются во времени под действием ослабляющих факторов. А в прочных породах малотрещиноватых призма сдвига вообще может не сформироваться (коэффициент запаса п >> 1.3).
В таблице приведены расчетные данные для сцепления и угла внутреннего трения, полученные для условий глубокого Коашвинского карьера апатитонефелиновых руд (рудник «Восточный» ОАО «Апатит»). Величина коэффициента структурного ослабления принята 0.02, хотя различные породы имеют разную блочность как на верхних, так и глубоких горизонтах (с уменьшающейся трещиноватостью пород с глубиной). Углы наклона бортов для карьера при его глубине 600 м составили 38-41°. Такие же примерно параметры для углов наклона бортов получены для Ковдорского карьера комплексных железных руд.
Несмотря на некоторые недостатки расчетных методов, используемых в проектной практике, полученные расчетные параметры бортов не могут быть
РАСЧЕТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АЛЯ КОАШВИНСКОГО КАРЬЕРА
Типы пород Показатели в образце Расчетные показатели
Сцепление С, МПа Угол внутреннего трения, фо, град Ср, МПа фр,град
Лявочорриты 38.9 38 0.598 31
Ювиты 32.8 34 0.505 28°30'
Ийолит-уртиты Породы СЗ борта 33.5 36 0.515 29
(разр. V-VIII) 32.95 35 0.507 28
(разр. МН-ХШ) 35.2 36°30' 0.5415 20°30'
Породы южного борта 27.66 35 0.42 28
значительно увеличены в большую сторону без детального изучения инженерно-геологических условий месторождений. Для примера рассмотрим карьер с глубиной 500-600 м и углом откоса борта 45°. Попытка его заоткоски, начиная с глубины 150-200 м под углом 70° (отдельные предложения), может привести к снижению параметров призмы упора на 80-90% и увеличит размеры призмы давления.
Устойчивость такого борта может быть достигнута только при величинах сцепления пород, превышающих
принятые в проекте почти на порядок (до 3-5 МПа и более). Следовательно, необходимо дополнительное доизучение инженерно-геологических свойств массивов пород месторождения. На основании приведенного выше можно сформулировать научнометодическую концепцию устойчивого состояния массивов пород (в приоткосных слоях уступов и бортах карьеров).
Длительное стояние откосов уступов и бортов карьеров можно достичь при условии:
1. Своевременного создания щелей при подходе горных работ к приоткосной зоне на основании ми-
Рис. 2. Изменение величины параметра Н90 и высоты борта карьера от значения сцепления породных блоков (по данным ВНИМИ): 1, 2 - соответственно для параметра Н90 и высоты борта
Рис. 3. Схемы к определению параметров предельной высоты вертикального уступа (а, б, в), характера ослабления слоев (г) и крепления уступов (д, е): д, е - соответственно более и менее трещиноватый массив; 1 - откос; 1' - слоистость и ослабления (трещины); 2, 3 - соответственно стадии состояния откоса; 4 - развивающиеся ослабления (нарушения) согласно с откосом; 5 - укрепление откосов и части берм; 6 - зарождающиеся «куски», пачки пород в откосах и характер (траектория) их движения
нимизации техногенной трещиноватости от взрывных нагрузок по сравнению с естественной в массивах пород. Щель должна создаваться за пределами зоны остаточных деформаций, за 40-50 м до подхода горных работ к заоткашиваемому откосу уступа.
2. Щель должна создаваться с учетом выявленных систем трещиноватости и прочностных свойств пород, а наклон щели учитывать превалирующее влияние протяженных согласно с бортом основных трещин или слоистости (ослаблений). Глубина щели должна учитывать защиту всего сдваиваемого (страиваемого) откоса для исключения развития систем трещин по высоте откоса в его приповерхностной зоне.
3. Устойчивое состояние откоса во времени достигается как минимизацией макро- и микроразрушений от ВВ при создании щели, так и учетом свойств пород по прочности, оказывающихся под действием процессов замерзания-оттаивания (в микрозонах усилия разрушения до 100-200 МПа и более), и влиянием сейсмических нагрузок от массовых взрывов в ближних зонах карьера. От этих процессов будет зависеть скорость осыпания и оползания ослабленных участков пород.
4. Минимизация дробящего действия при взрыве гирляндных и шланговых зарядов может быть достигнута как уменьшением их веса на 1 м скважины, так и применением холостых скважин на ослабленных участках (интенсивная трещиноватость) или контурного взрывания (при создании буферных зон). Даже при взрыве количества ВВ равного 0.5-1 кг на 1 м скважины образуется зона макро- и микроразрушений за стенкой скважины на расстоянии от 0.5 до 1.5-2 м в зависимости от типа пород (при наличии «следов» скважины).
5. При наличии протяженных согласно с откосом трещин и их возможного развития при действии массовых взрывов в карьере, а также процессов выветривания такие участки откосов с бермами необходимо укреплять для исключения их оползания или обрушения..
6. Укрепление откосов и берм особенно важно при ведении работ на средних и глубоких горизонтах (очевидно, с малым объемом крепления при снижающейся трещиноватости и нарушений массивов пород). Это исключает разнос вышележащих уступов и участков бортов карьеров. По этой причине важно своевременное укрепление технологических участков бортов (с конвейерами, автосъездами), а также при создании вертикальных откосов в карьерах.
Таким образом, предлагается новый метод поддержания откосов уступов в устойчивом состоянии, который учитывает энергетические нагрузки в процессе дробления кристаллических тел и развития в них разрывных трещин при процессах таяния-замерзания воды, а на определенной фазе (до сформирования клина сдвига), обуславливает необходимость укрепления откоса соответственно степени его ослабления.
На основании вышеприведенной концепции устойчивого стояния уступов в глубоких карьерах большинство происшедших случаев обрушений, оползаний, осыпеобразования в откосах на карьерах можно объяснить следующим образом:
1. Несвоевременным созданием щелей в приот-косной зоне при ее ширине 12-20 м, когда заоткоска уступа ведется уже нарушенных массовыми взрывами массивов пород. Увеличение трещиноватости приоткосной зоны уступа и неправильный выбор наклона щели и способа ее создания приводит к интенсивному разрушению откоса.
2. Необоснованным принятием решений по углам заоткоски уступов верхних (интенсивно нарушенных выветриванием), средних и глубоких горизонтов, когда заведомо завышенный угол откоса не обеспечивает длительное устойчивое его стояние без обрушений и осыпаний.
В соответствии с этим можно сделать следующие рекомендации:
1. На карьерах, где по глубине месторождения встречаются породы (руды) различной прочности, необходимо осуществлять районирование и выделение инженерно-геологических участков не только в плане карьерного поля, но и по глубине месторождения. Это позволяет соблюдать требования по ведению правильной заоткоски и параметрам откосов для слабых, средней прочности и крепких пород. Для Ковдорского карьера комплексных железных руд, где выделены рыхлые, плотные и крепкие апатито-штаффелитовые руды, это позволит уменьшить число случаев их оползания и обрушений уступов.
2. На месторождениях, где имели место вторичные и другие подвижки массивов пород (образование других рудных тел или протекание завершающих стадий рудообразования), имеются разрывные нарушения и оперяющие трещины. При простирании их, близкими к простиранию откосов уступов или борта, может привести к оползанию или обрушению не только уступов, но и участков борта. В связи с
этим при обосновании устойчивости бортов глубокого карьера (Коашвинский карьер апатитонефелиновых руд с различным генезисом образования трех рудных тел), необходимо проведение инженерно-геологических исследований по типу проведенных на Ковдороском месторождении железных руд, когда решались проблемы разработки глубоких его горизонтов открытым способом. Дополнительно при этом может быть решена другая важная задача -обоснование углов наклона автоподъемников на выбранных участках их строительства.
3. Для снижения нарушений уступов при ведении работ по их заоткоске (как верхних участков - «козырька», так и нижних) за счет подрезки наклонных трещин (карьер Коашвинский и карьер Центрального рудника ОАО «Апатит») целесообразно уменьшить величину заряда, приходящегося на 1 м скважины в этих зонах, и тем самым снизить величину дробящего его действия.
4. Повышение устойчивости откосов уступов и бортов карьеров можно достичь как своевременным созданием щелей при подходе горных работ к зоне заоткоски, применением минимального веса заряда ВВ при заоткоске, а также обоснованным принятием угла наклона щели.
5. Применение вертикального откоса уступа предопределяет его устойчивое состояние. На месторождениях меди (Казахстан), где они применяются, использована технология дистанционной выемки и транспортирования руды.
Несоблюдение необходимых требований по заоткоске уступов не только приведет к повышенному осыпеобразованию, но и обрушению участков уступов.
С учетом опрокидывания слоев (вертикальная слоистость) при вертикальных 30-метровых уступах потребная ширина берм может превышать обычную в 1.5-2 раза. Кроме того может возникнуть опасность подрезки участков борта и их последующую деформацию.
6. С учетом снижения нарушений массивов пород с глубиной и совершенствования технологии заоткоски необходимо уточнение положений «Инструкции по обеспечению устойчивости бортов, откосов уступов карьеров рудников «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» и Восточный ОАО «Апатит». На карьерах «Инструкции ...» были составлены для условий разработки в основном верхних горизонтов месторождений.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фисенко Г. Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. - М.: Недра. 1965. - 376 С.
2. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов, строящихся и эксплуатируемых карьеров / Тр. ВНИМИ, Л. - 1972. - 163 с.
3. Галустьян Э.Л. Управление геомеханическими процессами в карьерах. М. Недра. - 1980. - 234 с.
4. Галустьян Э.Л. Предупреждение крупномасштабных разрушений бортов карьеров путем поэтапной
оценки их устойчивости // Горный журнал. - 1999. № 2. - С. 26-28.
5. Галустьян Э.Л. Совершенствование конструкции нерабочих бортов карьеров // Горный журнал. - 1996. -№ 1-2. - С. 93-95
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Еремин Георгий Михайлович. - кандидат технических наук, Горный институт Кольского научного центра РАН.
