CC BY
115
УПРАВЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТЬЮ ПРИБОРТОВЫХ МАССИВОВ КАРЬЕРОВ
Фарит Камалович Низаметдинов
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Казахстан, г. Караганда, Б.Мира, 56, зав. кафедрой маркшейдерского дела и геодезии, проф., д.т.н., тел. (7212)56-26-27, e-mail: niz36@mail.ru
Сергей Георгиевич Ожигин
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Казахстан, г. Караганда, Б. Мира, 56, профессор кафедры маркшейдерского дела и геодезии, д.т.н., тел. (7212)56-26-27, e-mail: osg62@mail.ru
Светлана Борисовна Ожигина
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Казахстан, г. Караганда, Б. Мира, 56, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, к.т.н., тел.(7212) 56-26-27, e-mail: osb66@mail.ru
В статье рассмотрены основы методов управления состоянием устойчивости карьерных откосов. Представлены примеры управления устойчивостью прибортовых массивов карьера "Николаевский", разреза "Шубаркольский" и карьера "Нурказган".
Ключевые слова: управление устойчивостью бортов карьера, свойства горных пород, параметры откосов, укрепление уступов.
THE MANAGEMENT OF STABILITY OF ROCK MASSIFS OF OPEN PITS
Farit K. Nizametdinov
The Karaganda state technical university, Kazakhstan, 100027, Karaganda, 56 Mira Blvd, director of “Mine survey and geodesy” department, prof., doctor of engineering, tel. 8(7212) 56-26-27, e-mail: niz36@mai1.ni
Sergey G. Ozhigin
The Karaganda state technical university, Kazakhstan, 100027, Karaganda, 56 Mira Blvd, professor of “Mine survey and geodesy” department, doctor of engineering, tel. 8(7212) 56-26-27, e-mail: osg62@mail.ru
Svetlana B. Ozhigina
The Karaganda state technical university, Kazakhstan, 100027, Karaganda, 56 Mira Blvd, associate professor of “Mine survey and geodesy” department, cand.tech.sci., tel. (7212) 56-26-27, e-mail: osb66@mail.ru
In article basics of methods of management of stability of pit slopes. Examples of management by stability of rock massifs of a pit "Nikolaev", the "Shubarkolsky" pit and "Nurkazgan's" pit are presented.
Key words: controlling of stability boards quarry, rock characteristics, slope parameters, strengthening the ledges.
Недра Казахстана содержат в промышленных масштабах практически все виды минерального сырья, используемого в металлургии, строительстве, химическом производстве и энергетике. Разработка большинства месторождений в настоящее время осуществляется открытым способом. Воздействие на окружающую среду современных карьеров и техногенных массивов приобретает масштабный характер.
Увеличение глубины и объемов открытых горных работ, усложнение инженерно-геологических условий разработки определяют качественно новый подход к обеспечению устойчивости бортов глубоких карьеров и формируемых отвалов. Комплекс вопросов обеспечения устойчивости карьерных откосов, оценки несущей способности оснований, прогноза деформаций сдвига и уплотнения прибортовых и отвальных массивов, направленного изменения и контроля состояния массивов пород в бортах карьеров и отвалов, является актуальной научной и практической проблемой, решение которой позволяет управлять состоянием прибортовых массивов карьеров [1].
Проблема управления устойчивостью прибортовых массивов на карьерах включает широкий диапазон исследований в области горного дела. Изменения условий разработки, связанные, в первую очередь, с увеличением глубины карьеров, интенсификацией и концентрацией горных работ требуют постоянного совершенствования и соответствующей корректировки существующих методов управления устойчивостью карьерных откосов для предотвращения деформаций.
Методика управления устойчивостью бортов и уступов карьеров включает решения следующих задач: определение параметров и поддержание в устойчивом состоянии откосов уступов и бортов при минимально возможном объеме вскрыши; оценка устойчивости откосов при проектировании и корректировке устойчивых параметров при развитии горных работ в плане и по глубине; оценка фактического состояния откосов и прогноз их устойчивости в процессе эксплуатации; охрана объектов, жизненно важных для горного предприятия; проведение работ по постановке бортов на предельный контур; разработка методики систематического контроля и целенаправленного воздействия на условия и факторы, определяющие устойчивость горных пород в откосах; геомеханиче-ское обоснование мер по ликвидации последствий нарушений устойчивости, контроль за их реализацией и оценка их эффективности; осуществление оперативного контроля за состоянием уступов и бортов карьеров и прогноз нарушений устойчивости откосов от начала строительства до погашения или консервации карьера; внедрение рекомендаций по параметрам устойчивых бортов карьеров в производство на этапе проектирования открытых горных работ на базе геолого-маркшейдерской информации.
Разработка способов и средств управления устойчивостью прибортовых массивов на карьерах является основной задачей системы геомеханического мониторинга, решение которой основано на достоверной информации о состоянии и свойствах массива, получаемой непрерывно в процессе эксплуатации месторождения и выполнения специальных исследований.
Рассмотрим примеры управления устойчивостью прибортовых массивов карьеров успешно реализованные в последние годы специалистами Карагандинского государственного технического университета (КарГТУ) на крупнейших карьерах Казахстана.
На стадии доработки Николаевского месторождения в рамках концепции геомеханического мониторинга выполнено конструирование рационального
Условные обозначения
Липаритовые порфиты Туфы среднеобломочные Туфы глыбовые Диабазовые порфиты Глинистые алевролиты
Известково -глинистые алевролиты
Тектонические нарушения Руда
Внутренний отвал
Рис. 1. Южный борт карьера «Николаевский»
Дополнительные исследования физико-механических свойств горных пород и расчеты устойчивости, выполненные с учетом структурных особенностей прибортового массива для ступенчатого профиля борта и группы уступов, позволили обосновать для нижней части борта более крутой угол погашения -55° (проектный 33°) и использовать на стадии доработки карьера, имеющийся выше нормативного (п =1,6), запас устойчивости на верхних горизонтах борта для формирования внутреннего отвала вскрышных пород объемом до 2,6 млн. м3. Таким образом, исследования, выполненные на стадии доработки карьера, позволили повысить эффективность открытых горных работ за счет снижения объемов вскрышных пород (выпуклый профиль борта) и формирования внутреннего отвала на верхних горизонтах карьера [2].
На практике часто возникает задача обеспечения устойчивости карьерных откосов на конкретный период времени, решение которой основано на определении их предельных параметров с учетом изменения прочности пород с момента обнажения. Задачи такого типа могут быть решены численно-аналитическим способом, если установить изменение прочностных характеристик пород от реализации процессов реологического характера с момента образования обнажения.
профиля устойчивого борта карьера (рис. 1) [2].
Б>25 м
302
/°\°а а. \° и
Iо рО О
2^2
Принципиальная возможность учета реологических процессов следует из кинетической теории прочности горных пород [3]. Изменение сцепления горных пород обусловлено изменением их структуры в результате реологических процессов, происходящих в массиве. Используя результаты теоретических исследований, определены величины сцепления к основных литологических разностей (выветрелые аргиллиты, аргиллиты, переслаивание песчано -глинистых пород) прибортового массива для условий Шубаркольского разреза. Изменение сцепления во времени представлено на рис. 2 [4].
к,МПа
1,6 1,2 0,8 0,4 0
12
5 дней асж=11,0МПа
13
5 месяцев
^сж=7,4 МПа
к = -0,050 іп і + 2,153 р2 = 0,999
ссж=2,0 МПа 14 15
16
17
5 лет
к = -0,065 іп Ї + 3,013 р2 = 0,999
-і
50 лет
к = -0,01 іп і + 0,389 Р.2 = 0,997
18
19
20
I аргиллиты
• переслаивание песчано-глинистых пород
А выветрелые аргиллиты (глины)
Рис. 2. Изменение сцепления во времени
Для получения качественной картины изменения параметров предельных откосов в зависимости от их срока службы (время нагружения) произведен расчет предельной высоты Нпр., предельного угла апр. и коэффициента запаса устойчивости п для заданных типов пород. Решение выполнено с использованием специальной программы sposb33. Изменение параметров предельных откосов во времени составили для предельной высоты Нпр. 1,37^1,51 раза, для предельного угла апр. 1,10^1,4 раза, коэффициент запаса устойчивости п изменяется в 1,09^1,23 раза (рис. 3).
250
200
150
100
50
ед Н=-8,131 г-п і + 3 5 3,46
—•
н = -6,054І п і + 239 ,"23 *
~~ ‘
н = -1,726 іп і + 63, 913
ап ред, градус
45
40
35
а=-1,7- 7іп і + 7 1,626
-0,61 5іп і + 4 3,2694^
=-0,43 14іп і + 4 // /1
12 14 16 18 20 Ьп 2с
12 14 16 18
20 Ьп 2с
аргиллиты; —, переслаивание песчано-глинистых пород;
— выветрелые аргиллиты.
а
Рис. 3. Изменение параметров предельного борта разреза во времени
Приведенные примеры показывают, что имеется достаточно широкий диапазон параметров предельных откосов в зависимости от времени стояния (нагружения), поэтому можно с успехом управлять временной устойчивостью откосов на горных предприятиях. Полученные результаты исследований могут быть использованы при решении ряда оперативно-технологических задач, например, определение параметров временного внутреннего отвала на заданном участке борта карьера, определение допустимой внешней нагрузки на откос для заданного интервала времени, отработка полезного ископаемого на потенциально неустойчивом участке с последующей засыпкой выработанного пространства и другие задачи [4].
Для увеличения углов наклона бортов карьеров на проектном контуре рекомендуется проводить искусственное укрепление прибортовых массивов горных пород, позволяющее увеличить углы откосов на участках с менее устойчивыми породами. Упрочнение массива горных пород на ослабленных участках достигается введением в трещины массива веществ (цементных растворов, силикатов и полимерных смол), которые после отвердевания и схватывания с породой значительно повышают ее прочностные характеристики. Разработаны методика расчета устойчивости укрепленного откоса в однородном и неоднородном массивах и расчета параметров зоны укрепления прибортового массива. На основании разработанных методик выполнено обоснование параметров устойчивых бортов карьера «Нурказган» глубиной 600 м для проектных углов бортов до 60 - 62°[5].
Выводы. Решение проблемы управления устойчивостью карьерных откосов при разработке месторождений полезных ископаемых должно носить системный и комплексный характер. Знание закономерностей развития геомеханических процессов в прибортовых массивах на карьерах позволяет регламентировать мероприятия по изменению их состояния и обеспечить экономическую эффективность и безопасность ведения горных работ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Низаметдинов Ф.К., Ожигин С.Г., Ожигина С.Б. Управление устойчивостью бортов карьеров// VIII Международный научный конгресс «ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ - 2012», Новосибирск: УГГА, 2012. - С. 30- 34.
2. Шпаков П.С., Низаметдинов Ф.К., Ожигин С.Г., Ожигина С.Б., Шпакова А.П. Формирование отвалов внутри карьерного поля и конструирование устойчивых бортов карьеров при доработке месторождения // Горный информационно-аналитический бюллетень. Москва, 2005. - №6. - С. 68-71.
3. Окатов Р.П., Низаметдинов Ф.К., Цай Б.Н., Бондаренко Т.Т. Учет временного и температурного факторов при построении критериев прочности горных пород // ФТПРПИ, 2003.- №2. - С.38-42.
4. Шпаков П.С., Ожигина С.Б., Цай Б.Н., Ожигин С.Г., Шпакова А.П. Численноаналитический способ расчета устойчивости карьерных откосов с учетом временного фактора// Горный информационно-аналитический бюллетень. Москва, 2005.- № 4. - С. 149-154.
5. Ожигин С.Г., Ожигина С.Б., Старостина О.В. Обоснование параметров устойчивых бортов карьеров, укрепляемых смолами// Труды университета, Караганда: КарГТУ, 2007.-№ 3. - С.37-39.
© Ф.К. Низаметдинов, С.Г. Ожигин, С.Б. Ожигина, 2013
