CC BY
40
© В.В. Рыбин, 2015
УЛК 622.271.3 В.В. Рыбин
ВЛИЯНИЕ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ НА УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТОВ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ. РАЗВИТИЕ КОНЦЕПЦИИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ УГЛОВ ОТКОСОВ В ТЕКТОНИЧЕСКИ НАПРЯЖЁННЫХ МАССИВАХ*
Рассмотрено влияние тектонических напряжений на устойчивость бортов глубоких карьеров. Показаны особенности геомеханического обоснования рациональных конструкций бортов карьеров в тектонически напряжённых массивах. Излагаются результаты исследований распределения напряжений в окрестности крупных карьерных выемок. Предложен методический подход к оценке устойчивости бортов карьеров, учитывающий иерархично-блочную структуру и естественное поле напряжений гравитационно-тектонического вида.
Ключевые слова: устойчивость бортов карьеров, напряжённое состояние массива пород, тектонические напряжения, иерархично-блочный массив, деформация, разрушение, горные породы
На многих крупных эксплуатируемых месторождениях полезных ископаемых в настоящее время осуществляется переход к отработке глубоких горизонтов. Для предприятий, ведущих горные работы открытым способом, увеличение глубины отработки ведет сначала к увеличению объемов вскрышных работ, а затем к необходимости перехода на подземный способ добычи, что требует значительных материальных затрат. Альтернативой этому может служить пересмотр первоначальных проектов конструкции конечного контура карьера и формирование уступов и бортов с более высокими по сравнению с первоначальным проектом углами наклона их откосов.
В то же время существующие в настоящее время теоретические подходы к геомеханическому обоснованию возможности увеличения углов откосов бортов карьеров были разработаны ранее и, как правило, не учитывают реального напряженно-деформированного состояния массивов скальных пород, пола-
Исследования выполнены в рамках гранта по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» № 14-17-00751.
гая, что оно обусловлено только собственным весом вышележащих пород. Иерархично-блочное строение массива скальных пород не учитывалось в полной мере, полагая равным влияние структурных нарушений различного ранга на устойчивость и бортов карьеров в целом, и отдельных уступов. В связи с этим разработка методов геомеханического обоснования рациональных параметров карьеров на конечном контуре при ведении горных работ открытым способом является важной научно-технической задачей.
При этом в последнее время все больше проявляет себя тенденция учета в балансе сил, действующих на скальный массив в целом и отдельные блоки его составляющие, реальных параметров действующих в породном массиве напряжений [1, 2].
На основе выполненных исследований разработана методология геомеханического обоснования устойчивых параметров бортов и уступов карьеров в массивах скальных тектонически напряженных пород [3—6]. Основные этапы разработанной методологии заключаются в следующем.
На первом этапе разрабатывается инженерно-геологическая модель месторождения, которая, в свою очередь, может состоять из ряда частных моделей, например: моделей структурных нарушений различного порядка, включая трещиноватость; модели распределения физико-механических свойств; модели естественного напряжённого состояния (рис. 1, а, см. Приложение, с. 441).
В результате построения инженерно-геологической модели разрабатывается инженерно-геологическая классификация пород и выполняется инженерно-геологическое районирование массива пород.
Вторым этапом является разработка геомеханической модели карьера, которая также обычно состоит из частных моделей: напряжённого состояния уступов и борта карьера; параметров нарушенной зоны; параметров предельных обнажений (рис. 1, б, (см. Приложение, с. 441).
Третьим этапом является создание расчётных моделей элементов конструкции борта карьера (рис. 2).
Исходной информацией для построения инженерно-геологической модели являются: физико-механические свойства выделенных литологических разностей и структурных неоднородностей; геометрические параметры структурных неоднородностей.
Указанные свойства и параметры могут быть получены традиционными методами инженерно-геологического исследования массивов горных пород (отбор представительных проб горных
№2
Ь-у ът/З
- Б-у-соъ/З
Р - сдвигающая соста впнющая веса породного блока, т
Г^ - сила трения по подсекающей поверхности скольжении, т; Г":,, - сила сопротивления сдвигу по подсекающей поверхности скольжения,т;
Р \
с У: ',. - сила сопротивлении сдвигу по боковым граним структурного блока, т;
У'^' - сила трении по боковым граням структурного блока, т
Рис. 2. Расчётная модель устойчивости участка борта карьера
порол; определение физико-механических свойств путем лабораторных и натурных испытаний различных объемов порол; картирование структурных неолноролностей с вылелением систем и порядков неолноролностей и т.п.).
Исходной информацией для построения геомеханических моделей являются параметры: полей статических напряжений в массиве пород в окрестности карьерной выемки; нарушенной зоны.
Реализация предложенной методики геомеханического обоснования устойчивых параметров бортов и уступов карьеров на практике заключается в выполнении следующих действий (рис. 3).
1. Выбор места расположения опытно-промышленного участка (ОПУ), представительного для данного предприятия на основе анализа имеющихся данных о геомеханическом состоянии породного массива.
2. Разработка проекта ОПУ, предусматривающего проведение в его пределах цикла опытно-промышленных и экспериментальных работ.
Рис. 3. Алгоритм геомеханического обоснования устойчивых параметров бортов и уступов карьеров в массивах скальных тектонически напряженных пород
3. Анализ геомеханического состояние массива пород, включающего карьерную выемку, на базе опыта полученного при проведении опытно-промышленных и экспериментальных работ в пределах ОПУ.
4. Разработка регламента на проектирование конечного контура карьера после завершения основных опытно-промышленных и экспериментальных работ.
5. Составление проекта конечного контура карьера, учитывающего особенности массива пород.
Предложенная методология геомеханического обоснования устойчивых параметров бортов и уступов карьеров в достаточной степени соответствует особенностям скальных высокопрочных массивов и может быть применена в соответствующих условиях на различных предприятиях ведущих горные работы открытым способом.
В соответствии с разработанной методикой геомеханического обоснования параметров бортов карьеров в скальных породах, основывающейся на их представлении, как иерархично-блочной среды, в которой действует поле напряжений гравитационно-тектонической природы, необходимо изучить геомеханическое состояние массива горных пород. Такое изучение применительно к карьеру рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК», карьеру Центрального рудника и Ньоркпахкскому карьеру Восточного рудника АО «Апатит» было выполнено с использованием метода разгрузки в варианте торцевых измерений [7].
Всего в пределах карьера рудника «Железный» проведены измерения параметров НДС массива пород на 25 станциях. На рис. 1б приведены результаты районирования массива пород карьера рудника «Железный» с точки зрения уровня действующих напряжений (геомеханическая модель НДС прибортового массива пород). Массив пород карьера разделён на 8 секторов на основе предварительного инженерно-геологического районирования (см. рис. 1).
Несмотря на имеющийся разброс полученных результатов, можно в первом приближении зависимость между максимальной компонентой сжимающих напряжений и глубины проведения измерений представить в виде:
Отах ~ К • Н, при 300 м > Н > 50 м,
где отах - максимальная компонента сжимающих напряжений, МПа; Н - глубина измерений, м; К - размерный коэффициент пропорциональности, МПа/ м.
Для карьера рудника «Железный» (Ковдорское месторождение) значение К ~ 0,1 МПа/ м; для Ньоркпахкского карьера Вос-
точного рудника (Хибинские апатит-нефелиновые месторождения) — К ~ 0,25 МПа/ м.
Учитывая общие закономерности распределения тектонических напряжений с глубиной, можно предположить, что на глубинах более 300 м зависимость отах = / (Н) будет нелинейной. При этом рост величин напряжений с глубиной будет затухать.
Оценка уровня НДС массива пород в окрестности карьерных выемок была выполнена с использованием программного комплекса Б1дтаСТ, разработанного в Горном институте КНЦ РАН [8]. В качестве граничных условий по напряжённому состоянию задавались значения напряжений, полученные в результате исследований натурными методами.
В результате анализа результатов моделирования методом конечных элементов были сделаны следующие основные выводы. Во-первых, НДС массива пород в окрестности карьерной выемки рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК» при её современном состоянии характеризуется относительно невысоким уровнем напряжений, при котором массив умеренно сжат. Иными словами, действующие в массиве пород напряжения сжимают структурные блоки, препятствуя образованию вывалов по трещинам, но в то же время не разрушают саму породу, т.е. стдейств ^ (0,35^0,40)стсж. В зонах геологических неоднородностей имеет место пониженный уровень напряжений сжатия. Наиболее опасные участки с достаточно высокими сжимающими напряжениями приурочены к зонам, расположенным между структурными неоднородностями.
Во-вторых, в массиве пород карьера Центрального рудника АО «Апатит» положение зон концентрации <ттах связано, прежде всего, с особенностями рельефа дневной поверхности, а именно с долинами в северо-восточной и юго-восточной частях борта карьера. Массив пород, вмещающий карьерную выемку, находится под действием высоких тектонических напряжений, ориентированных по длинной оси карьера. Поэтому, чем более вытянутую по простиранию форму имеет карьер, тем устойчивее его борт.
В третьих, нижняя часть обеих рассмотренных карьерных выемок будет находиться в зоне действия высоких сжимающих напряжений, сравнимых по абсолютным величинам с пределом прочности вмещающих пород и руд на одноосное сжатие, что делает вероятным проявления горного давления в динамических формах, в особенности, на сопряжении борта и дна карьера.
В результате выполненных исследований предложена комплексная методика прогноза устойчивости участков борта глубо-
кого карьера. Сущность предложенной методики состоит в анализе, получаемой с использованием метода математического моделирования, картины распределения напряжений и деформаций в прибортовом массиве пород. При анализе используется три критерия опасной ситуации в соответствии с тремя рассматриваемыми компонентами напряжений (максимальной и минимальной компонентами главных напряжений (отах, от„) и максимальными касательными напряжениями (гтах). Полагается, что потеря устойчивости участком прибортового массива пород возможна при реализации одного из следующих критериев.
Превышение минимальной компонентой растягивающих напряжений (отт) предела прочности при растяжении: от;п > ор. В этом случае возможно раскрытие природных и формирование техногенных трещин.
Превышение максимальными касательными напряжениями (ттах) предела прочности на сдвиг с учётом нормативно заданного коэффициента запаса устойчивости. В этом случае вероятен сдвиг блоков пород по природным и техногенным трещинам.
Превышение максимальной компонентой сжимающих напряжений (отах) 50 % предела прочности на одноосное сжатие пород (осж), слагающих рассматриваемый участок борта: I атах I >
0.51 Осж1.
В этом случае вероятно разрушение участка массива пород в динамической форме.
Предложенная методика удовлетворительно описывает возможность формирования в борту карьера ситуации, опасной с точки зрения потери устойчивости участками массива пород и с ее помощью можно достаточно быстро выявить потенциально опасные участки с точки зрения возможных обрушений. Блок-схема комплексной методики прогноза устойчивости участков борта глубокого карьера представлена на рис. 4.
Результаты оценки устойчивости бортов карьеров рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК» и карьера Центрального рудника АО «Апатит», выполненные с учётом действия в массиве повышенных горизонтальных напряжений тектонической природы, показали, что борт карьера может быть сформирован под углами от 45° до 60° при коэффициенте запаса устойчивости Кзап > 1,3 в зависимости от параметров структурной нарушенности и напряженного состояния конкретного инженерно-геологического сектора (табл. 1, 2) [9].
Оценка устойчивости борта по методике с учетом действия горизонтальных нагюяжений
Проведение расчетов НДС в окрестности глубокой карьерной выемки
нетТ^
Возможна потеря устойчивости участка борта карьера путем сдвига по эффеквному структурному нарушению
Велика вероятность разрушения участка борта карьера в динамической форме
|стта*|>]0.5асжР
п<[и]
Велика вероятность обрушения участка карьера как следствие раскрытия природных и роста техногенных трещин
Участок борта карьера устойчив
Рис. 4. Блок-схема комплексной методики прогноза устойчивости участков борта глубокого карьера
Таблица 1
Сводные данные оценки возможных углов наклона борта карьера рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК» на конечном контуре по выделенным инженерно-геологическим секторам (ИГС)
иге Высотные отметки Угол наклона борта карьера на конечном контуре
I На всю глубину не более 60°
II На всю глубину не более 55°
III от современного состояния карьера до гор.-80 м не более 55°
От гор.-80 м до дна карьера Не более 60°
IV, V от современного состояния карьера до гор.-80 м Не более 45°
От гор.-80 м до дна карьера Не более 50°
VI от современного состояния карьера до гор.+70 м Не более 45°
От гор.+70 м до дна карьера Не более 50°
VII, VIII от современного состояния карьера до гор.+40 м не более 50°
От гор.+40 м до дна карьера Не более 60°
Таблица 2
Сводные данные оценки возможных углов наклона борта карьера Центрального рудника АО «Апатит» (месторождение Плато Расвумчорр) на конечном контуре
Участок борта Высотные отметки Угол наклона борта карьера на конечном контуре
Северный; висячий бок рудного тела На всю глубину не более 60°
Южный; со стороны лежачего бока рудного тела На всю глубину не более 45°; в соответствии с углом падения Главного разлома
Реализация предложенной концепции выбора конструкций бортов карьеров в скальных тектонически напряжённых породах возможна только в случае применения технологии щадящего взрывания при формировании уступов на конечном контуре [10]. Также необходима разработка и внедрение эффективных систем мониторинга массива пород. В настоящее время в карьере рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК» организована такая система непрерывного мониторинга устойчивости на наиболее ответственных участках карьерной выемки, включающая в себя получение данных о сейсмичности массива, высокоточных деформационных наблюдений за смещениями реперов по всему периметру карьера.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зотеев В.Г., Зотеев О.В. О необходимости совершенствования нормативно-методической базы по геомеханическому обеспечению открытых горных работ // Горный журнал, 2010. - №1. - с.66-68.
2. Яковлев A.B., Ермаков Н.И. Устойчивость бортов рудных карьеров при действии тектонических напряжений в массиве. - Екатеринбург:ИГД УрО РАН, 2006. - 231 с.
3. Рыбин В.В. Оптимизация конструкций бортов карьеров в массивах скальных тектонически-напряженных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2008. - №7. - C.295-299.
4. Мельников Н.Н., Козырев A.A., Решетник С.П., Каспарьян Э.В., Рыбин В.В., Мелик-Гайказов И.В., Свинин В.С., Рыжков А.Н. Концептуальные основы оптимизации конструкции бортов карьеров Кольского полуострова в конечном положении // Труды 8-го международного симпозиума «Горное дело в Арктике». - Санкт-Петербург:«Типография Иван Фёдоров», — 2005. — C. 2-14.
5. Козырев A.A., Каспарьян Э.В., Рыбин В.В., Решетник С.П. Анализ условий возникновения динамических проявлений горного давления на месторождениях Кольского полуострова, разрабатываемых открытым способом // Техногенная сейсмичность при горных работах: модели очагов, прогноз,
профилактика. Сборник докладов международного совещания. Часть 1. Апатиты: изд. КНЦ РАН, 2004. — C. 89-94.
6. Козырев A.A., Решетник С.П., Каспарьин Э.В., Рыбин В.В., Мальцев В.А., Кампель Ф.Б., Быховец A.H., Александров В.А. Геомеханическое и технологическое обоснование параметров крутых бортов карьера АО «Ков-дорский ГОК» // Труды международной научно-практической конференции «Перспективы использования геоинформационных технологий для безопасной отработки месторождений полезных ископаемых» (СПб, 3,4 июля 2000). СПб, 2001. — C.266-270.
7. Турчанинов И.А., Марков Г.А., Иванов В.И. Руководство по измерению напряжений в массиве скальных пород методом разгрузки (вариант торцевых измерений). АН СССР, Кол. Фил., Горн. ин-т. — Апатиты, 1970. - 48 с.
8. Козырев А.А., Семенова И.Э., Рыбин В.В., Аветисин И.М. Исследование напряжённо-деформированного состояния массива пород численными методами на основе данных натурных измерений в окрестности крупной карьерной выемки // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 11, 2011. - С.78-89.
9. Рыбин В.В. Методика расчёта и результаты оценки устойчивости борта карьера Ковдорского ГОКа по секторам с учетом инженерно-геологических особенностей строения массива горных пород // Экологическая стратегия развития горнодобывающей отрасли - формирование нового мировоззрения в освоении природных ресурсов: сб. докл. Всеросс. науч. — техн. конф. в 2 т. - Т.1. — Апатиты; СПб.:«Реноме», 2014. — С. 104-112.
10. Фокин В.А., Тарасов Г.Е., Тогунов М.Б., Данилкин А.А., Шитов Ю.А. Совершенствование технологии буровзрывных работ на предельном контуре карьеров. Апатиты:КНЦ РАН, 2008. - 224 с. ГГШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Рыбин Вадим Вичеславович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Горный институт Кольского научного центра РАН, rybin@goi.kolasc.net.ru.
UDC 622.271.3
INFLUENCE OF TECTONIC STRESSES ON DEEP OPEN-PIT SLOPE STABILITY. DEVELOPMENT OF A CONCEPT OF GEOMECHANICAL SUBSTANTIATION OF RATIONAL ANGLES OF SLOPES IN TECTONICALLY STRESSED ROCK MASSIFS
Rybin V.V., Senior researcher, Ph.D. (Eng.), Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia.
The paper studies influence of tectonic stresses on deep open-pit slope stability. Aspects of geomechanical substantiated rational constructions for open-pit walls in tectonically stresses rock mass have been shown. Results of stress distribution at the vicinity of large open-pits are presented. A
methodical approach has been proposed for assessing pit wall stability which considers hierarchically-blocked structure and natural field of gravity-tectonic stresses.
Key words: pit slope stability, stress state of rock mass, tectonic stresses, hierarchically-blocked rock mass, deformation, destruction, rocks
REFERENCES
1. Zoteev V.G., Zoteev O.V. O neobhodimosti sovershenstvovanija normativno-metodicheskoj bazy po geomehanicheskomu obespecheniju otkrytyh gornyh rabot (About necessity of improvement of normative-methodical base by geomechanical security of open mining) // Gornyj zhurnal, 2010. No 1. pp. 66-68.
2. Jakovlev A.V., Ermakov N.I. Ustojchivost' bortov rudnyh kar'erov pri dejstvii tektonicheskih naprjazhenij v massive (The stability of the sides of the ore quarries under the action of tectonic stresses in the array). Ekaterinburg:IGD UrO RAN, 2006. 231 p.
3. Rybin V.V. Optimizacija konstrukcij bortov kar'erov v massivah skal'nyh tektonicheski-naprjazhennyh porod (Optimization of structures of open pit hard rock in tectonically strained rocks) // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2008. No 7. pp. 295-299.
4. Mel'nikov N.N., Kozyrev A. A., Reshetnjak S.P., Kaspar'jan Je.V., Rybin V.V., Melik-Gajkazov I.V., Svinin V.S., Ryzhkov A.N. Konceptual'nye osnovy optimizacii konstrukcii bortov kar'erov Kol'skogo poluostrova v konechnom polozhenii (Conceptual foundations of optimization of construction of pit walls of the Kola Peninsula in the end position) // Trudy 8-go mezhdu-narodnogo simpoziuma «Gornoe delo v Arktike». Sankt-Peterburg:«Tipografija Ivan Fjodorov», 2005. pp. 2-14.
5. Kozyrev A.A., Kaspar'jan Je.V., Rybin V.V., Reshetnjak S.P. Analiz uslovij vozniknovenija dinamicheskih projavlenij gornogo davlenija na mestorozhdenijah Kol'skogo polu-ostrova, razrabatyvaemyh otkrytym sposobom (Analysis of conditions of occurrence of dynamic manifestations of rock pressure on the deposits of the Kola Peninsula, quarries) // Tehnogennaja sejsmichnost' pri gornyh rabotah: modeli ochagov, prognoz, profilaktika. Sbornik dokladov mezhdunarodnogo soveshhanija. P. 1. Apatity: izd. KNC RAN, 2004. pp. 89-94.
6. Kozyrev A. A., Reshetnjak S.P., Kaspar'jan Je.V., Rybin V.V., Mal'cev V.A., Kampel' F.B., Byhovec A.N., Aleksandrov V.A. Geomehanicheskoe i tehnologicheskoe obosnovanie parametrov krutyh bortov kar'era AO «Kovdorskij GOK» (Geomechanical substantiation of technological parameters of steep pit walls of JSC «Kovdor GOK») // Trudy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Perspektivy ispol'zovanija geoinformacionnyh tehnologij dlja bezopasnoj otrabotki mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh» (SPb, 3,4 ijulja 2000). SPb, 2001. pp. 266-270.
7. Turchaninov I.A., Markov G.A., Ivanov V.I. Rukovodstvo po izmereniju naprjazhenij v massive skal'nyh porod metodom razgruzki (variant torcevyh izmerenij) (Guidance on the measurement of stress in solid rock by the method of discharge (option end of measurement)). AN SSSR, Kol. Fil., Gorn. in-t. Apatity, 1970. 48 p.
8. Kozyrev A.A., Semenova I.Je., Rybin V.V., Avetisjan I.M. Issledovanie naprjazhjonno-deformirovannogo sostojanija massiva porod chislennymi metodami na osnove dannyh naturnyh izmerenij v okrestnosti krupnoj kar'ernoj vyemki (Investigation of the stress-strain state of rock mass by numerical methods based on the data of field measurements in the vicinity of a major quarry excavation) // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', № 11, 2011. - pp. 78-89.
9. Rybin V.V. Metodika raschjota i rezul'taty ocenki ustojchivosti borta kar'era Kovdorskogo GOKa po sektoram s uchetom inzhenerno-geologicheskih osobennostej stroenija massiva gornyh porod (Method of calculation and the results of the stability assessment of a pit of Kovdorskiy GOK by sector taking into account engineering-geological peculiarities of the structure of rocks) // Jekologicheskaja strategija razvitija gornodobyvajushhej otrasli, formirovanie novogo mirovozzrenija v osvoenii prirodnyh resursov: sb. dokl. Vseross. nauch.-tehn. konf. v 2 t. T.1. Apatity; SPb.:«Renome», 2014. pp. 104-112.
10. Fokin V.A., Tarasov G.E., Togunov M.B., Danilkin A.A., Shitov Ju.A. Sovershenstvovanie tehnologii burovzryvnyh rabot na predel'nom konture kar'erov (Improving the technology of blasting at the limit contour of the quarry). Apatity:KNC RAN, 2008. 224 p.
