О типизации откосов бортов карьеров по устойчивости в различных по генезису месторождениях и их формирования под влиянием техногенных нагрузок и выветривания

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ

© Г.М. Еремин, 2001

УДК 622.271.333

Г.М. Еремин

О ТИПИЗАЦИИ ОТКОСОВ БОРТОВ КАРЬЕРОВ ПО УСТОЙЧИВОСТИ В РАЗЛИЧНЫХ ПО ГЕНЕЗИСУ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ И ИХ ФОРМИРОВАНИЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ ТЕХНОГЕННЫХ НАГРУЗОК И ВЫВЕТРИВАНИЯ

Н

астоящий период ведения разработки месторождений открытым способом характеризуется тем, что в эксплуатации находятся большинство месторождений, отработка которых началась 20-30 лет назад и более. Новые месторождения, находящиеся в эксплуатации с учетом применения современных технологий формирования откосов и новых представлений о влиянии тектонических процессов на устойчивость массивов пород среди них занимают небольшую долю. Как отмечается в литературных источниках, почти на всех карьерах имели место те или иные нарушения устойчивости откосов уступов и участков борта (группы уступов). Они были вызваны как вскрытием пород небольшой

прочности и нарушенных, так и ведением массовых взрывов в карьере вблизи приоткосных зон. Выделены и другие причины и факторы, вызвавшие местные деформации откосов вплоть до оползней и обрушений. Среди них опасными считаются обводненность пород, выветрелость и дезинтеграция, а также подсечение откосами наклоннозалегающих тектонических трещин [1, 2].

При понижении горных работ в карьерах и увеличении их глу-

бины в разработку включаются все более прочные породы или их слои, вследствие чего устойчивость откосов глубоких горизонтов относительно повышается.

Проведенными в последние годы исследованиями обосновывается, что устойчивость некоторых пород может быть выше, чем считалось до сего времени. Пионерные разработки в этом направлении сделаны институтом ВНИМИ и другими научно-исследовательскими подразделениями, в том числе ЯкутНИПРОалмаз применительно к алмазным трубкам, практически доказавшим, что даже в сравнительно менее устойчивых породах по сравнению со скальными прочными породами, углы откосов уступов и участков бортов в глубоких зонах карьеров могут достигать 60-70° [3].

На этих карьерах также ранее, чем на других, выполнены проработки, предлагающие оформлять временные нерабочие борта уступами с вертикальными откосами. Этим научным подразделениям принадлежит главенствующая роль в расширении и повышении роли укрепительных мероприятий для обеспечения устойчивости откосов уступов во времени.

Однако в последнее время в связи с постановкой и широким обсуждением в литературе науч-

ной общественностью возможности сооружения в глубоких карьерах наклонных подъемников, обеспечивающих подъем одновременно одного или двух автосамосвалов грузоподъемностью 120-170 т или груженых думпкаров, вновь возник вопрос об устойчивости откосов на ряде карьеров региона.

Кроме того решение вопросов геомеханики массивов на карьерах имеет также долговременную перспективу: с отстройкой крутых и вертикальных откосов, поскольку имеется возможность применения на карьерах новой перспективной технологии - доставки руды и вскрыши с нижних горизонтов на верхние с помощью крутонаклонных и вертикальных конвейеров. Высота подъема горной массы с помощью таких конвейеров может составлять от 50-100 м до 200-300 м и более (при глубине карьера 600-800 м).

Таким образом, возникает необходимость придания нерабочим бортам или их участкам функций транспортных, доставочных откосов, естественно, укрепленных, устойчивость которых в течение определенного времени должна соответствовать нормативным требованиям.

В связи с этим на ряде перспективных карьеров возникла необходимость более детального доизучения инженерно-

геологических условий верхних, средних и особенно глубоких горизонтов месторождений, анализа изменения свойств пород этих горизонтов во времени, в том числе гидрогеологических, влияния разгрузки массива по мере отстройки высоких бортов карьеров, влияния массовых взрывов на устойчивость уступов и бортов карьера.

Требуют уточнения и развития отдельные теоретические положения, обосновывающие устойчивость массивов пород под влиянием комплекса факторов: времени стояния рабочих и нерабочих ус-

тупов в глубоких карьерах, научно-методические положения, предусматривающие рассмотрение при проектировании откосов в основном плоских профилей, хотя на многих месторождениях уже установлено, что с глубиной трещиноватость пород уменьшается, снижаются и другие показатели и коэффициенты, характеризующие массив (водоотдача, скорость распространения упругих волн, звукометрия и др), рис. 1.

Применение классификаций массивов пород по устойчивости, в

основе которых заложен критерий -высота вертикального откоса Н90 = Ссж/у, как условного показателя, видимо, требуют уточнений, поскольку искомой является сама величина Ссж для трещиноватого массива, а она изменяется от прочности образца до прочности раздробленного массива или кус-коватого материала для одного и того же типа породы.

В этом отношении предложения об использовании при классификации или типизации массивов пород и их откосов показателя или характеристики «однородного массива» также вносят элемент неопределенности, поскольку для оценки устойчивости массива, ви-

димо, главными характеристиками или показателями должны быть его физико-механические свойства, в частности, прочностные свойства (пределы прочности на сжатие, разрыв, угол внутреннего трения и сцепление).

Следующим показателем или критерием, которые целесообразно положить в основу типизации массивов и их откосов, очевидно, должна быть учтена тектоника месторождения, трещиноватость массивов, водонасыщение пород. Только с учетом отмеченного вы-

ше массивы пород или участки борта могут быть классифицированы как устойчивые, весьма устойчивые, малоустойчивые и весьма неустойчивые даже в пределах одного и того же типа пород. При этом, если массив сложен прочными скальными породами, но откос подсечен наклонной тектонической трещиной, очевидно, он будет неустойчив и со временем подвергнется деформации.

Кроме того классификация или типизация откосов массивов по устойчивости должна отражать временной фактор. Главное при этом правильно выделить основные действующие силы и, соот-

ветственно, процессы, способствующие снижению прочностных свойств пород по времени. Только в этом случае удастся при определении параметров откосов бортов избежать ошибки, принимая расчетные характеристики пород по поверхности скольжения, близкие к мелкодисперсному материалу (угол внутреннего трения менее 36-34°, сцепление менее 0,2-0,1 МПа).

Для своевременного и качественного принятия решения по технологии формирования откосов и их поддержания в устойчивом состоянии и, в частности, местного крепления участков уступов и особенно при сооружении на них подъемных установок или вертикальных конвейеров, необходимо иметь ввиду, что действие ослабляющих факторов (массовые взрывы в карьере, выветривание пород, выбранный способ заоткос-ки уступов) направлено из выемки на обнаженные породы на откосах. И менее всего они первоначально сказываются на формирование клина или призмы сдвига в массиве. Влияние их проявится только с течением времени, когда с поверхности начнет формироваться поверхность скольжения при достижении касательными напряжениями определенных значений.

Поэтому следует различать устойчивость приоткосного массива и глубинных зон, в кото-

Рис. 1. Контуры карьера при плоских и выпуклых профилях откосов бортов (со снижающейся с глубиной трещиноватостью пород и нарушенностью массивов); 1, 2 - соответственно, плоский и выпуклый профиль откоса борта; 3, 4 — соответственно, зона влияния массовых взрывов в карьере и выветривания пород; Н1, Н2, Н3 - глубина трещиноватости и нарушенности пород массивов с глубиной; I, II, III - соответственно, контур карьера по проекту, при доработке и зона открыто-подземного яруса;

аьа2-а5 - углы откосов борта по проекту и при выделении зон устойчивых пород с глубиной.

рых, в принципе, может и не сформироваться поверхность скольжения (для прочных и малотрещиноватых пород).

В настоящее время определение трещиноватости и систем трещин ведут в карьере на площадках и его откосах. При этом строго могут быть выделены только крупные трещины, а мелкие небольшой протяженности могут быть наведенными (результатом действия взрывов и выветривания). Поэтому при определении устойчивости откосов уступов и в особенности участков борта следует осторожно экстраполировать выявленные на поверхности трещины в глубь массива. Ошибка может достигать 20-30 % и более.

При определении параметров откосов бортов, особенно глубоких карьеров и характеристики их по устойчивости, целесообразно ориентироваться на данные геологоразведки месторождения и колонкового бурения при уточнении особенностей залегания тех или иных слоев, пачек пород в области вероятной поверхности скольжения, определения углов наклона трещин и падения слоев (ориентированный керн). При этом также необходимо уточнять данные геологоразведки по удельной трещиноватости пород, поскольку по существующей методике определение трещиноватости пород осуществляется по керну, уложенному в геологические ящики, а это ведет к его дроблению. Более точная характеристика массива может быть получена при учете полной длины керна и косой трещиноватости. Поэтому, например, для Ковдорского массива комплексных железных руд не выявлена определяющая система трещин, а считается, что трещиноватость хаотичная, затухающая с глубиной месторождения. Последнее, действительно, подтверждается тем, что коэффициенты фильтрации и водоотдачи снижаются с глубиной до самых минимальных значений.

Типизацию откосов в массивах пород различной прочности невозможно осуществить без определения величин сцепления и углов внутреннего трения по слоистости, с учетом падения преобладающей системы трещин в карьер, изменения этих показателей во времени под действием техногенных факторов, выветривания и др. По данным расчетов сцепление пород в массивах магматического типа в зонах, не нарушенных массовыми взрывами, могут достигать 3-5 МПа и более, а сильно трещиноватых и нарушенных - до 0,5-1 МПа и менее.

Значительная роль в обеспечении и поддержания в устойчивом состоянии откосов уступов и участков борта принадлежит применяемым на карьерах способам за-откоски.

Анализ литературных источников 1996-2000 гг. (Э.Л. Галу-стьян, В.Г. Зотеев и др.) показал, что при заоткоске уступов следует учитывать не только углы падения слоев пород в сторону выемки (рис. 2 а, б, в), но и вторичные и последующие тектонические подвижки массивов пород (рис. 2 г, д, е), действие взрывных нагрузок и вызванные ими нарушения структуры и прочности (сцепления) слоев пород (рис. 2 ж, з, и).

В породных массивах магматического типа, особенно со снижением трещиноватости пород с глубиной (желе-зорудные, медноникелевые и апатито-нефелиновые месторождения) с прочностными свойствами Фсж ^ 150-200 МПа и удельной трещиноватостью до 2-3 трещин на 1 м керна (при малой длине трещин) (рис. 2 к, л), возможно образование высоких технологических уступов, на откосах которых могут быть созданы подъемные конвейерные системы с предварительным анкерным креплением с металлической сеткой.

Главным фактором и средством, которые необходимо учиты-

Рис. 2. Типы слоистости, формируемые уступы и технологические участков бортов карьеров при влиянии тектонических нарушений и трещиноватости пород

а, б, в - соответственно, крутонаклонная, вертикальная и косая слоистости пород; г, д, е - соответственно, вторичные тектонические подвижки в массивах с различной слоистостью; ж, з, и - влияние трещиноватости пород при различной их слоистости и направление влияния техногенных нагрузок; к, л - соответственно, откосы в породах, близких к монолитным и трещинах, падающих в сторону карьера; м, н - соответственно, технологические откосы с креплением (крутонаклонный и вертикальный конвейеры); 1 - слоистость; 2 - тектонические нарушения; 3, 4, 5, 6, 7 - трещиноватость пород и ее ориентация относительно откоса уступа; 8 - анкерное крепление; 9 - откос; 10 -конвейерная система.

Рис. 3. Схема формирования технологического откоса

1, 2 - соответственно, рабочие скважины и щель; I, II, III - щель при формировании высокого откоса, бермы очистки, транспортной бермы; I б, £ т - соответственно, ширина бермы очистки, транспортной бермы; Qй, Qlmin, Q2min - пйбаабпб-ааш, 1ё1ё1аёиту ааёе^ет 9&дуаа для образования щели, буферных и рабочих скважин

вать при заоткоске уступов и обеспечения сохранности берм в устойчивом состоянии является применение щадящей технологии работ. При этом предполагается доведение до минимума величины одновременно взрываемого заряда ВВ в скважинах отрезной щели Qщ, буферных

1. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. -М.: Недра, 1965. - 250 С.

2. Галустьян Э.Л. Геомеханика открытых горных работ. - М.: Недра, 1972.

Q1min

и рабочих От,, (1-й и 2-й рабочие уступы) (рис. 3 а), а также нижележащих уступов при создании бермы очистки, транспортной бермы или вертикального откоса (Н = 30 м) (откос I, рис. 3).

Устойчивость вертикальных высоких или наклонных откосов может быть обеспечена только при минимизации величины зарядов ВВ при оформлении самих откосов, а также учета сейсмики взрывных работ, выполняемых в ближней зоне от откосов на ниже и вышележащих горизонтах.

Достаточно серьезным подтверждением возможности создания высоких и крутых технологических откосов уступов с креплением их поверхности при создании на них транспортирующих устройств являются практические данные, полученные, например, для медно-никелевого карьера в Заполярье, когда удалось создать откос высотой до 90 м с углом на______________ клона 70°, карьеры меди (Казахстан), когда достигнуты углы заот-коски 30-метровых уступов - 90° и близкие к ним - 60-метровые уступы, вертикальные откосы уступов карьера Айтик (Швеция) и др.

По расчетным данным (проф. В.Г. Зотеев и др.) даже для менее прочных пород (датолитовый

карьер) по сравнению с магматическими месторождениями (железные, медно-никелевые руды) можно создать вертикальные откосы высотой до 40 м, а с углом наклона 65-66° высотой -

180-380 м [4].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

______________ 3. Галустьян Э.Л. Типизация бортов

карьеров по критерию оптимальности углов их наклона // Горный журнал. - 1999.

- № 2.

4. Зотеев В.Г. Макеев А.Ю., Чернышов А.В. Повышение эффективности отработки датолитового месторождения открытым способом // Горный журнал. - 2000. - № 11-12.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

ІС Еремин Георгий Михайлович — кандидат технических наук, Горный институт Кольского научного центра РАН.

и