Методические особенности учета пластической составляющей деформации отвалов при их размещении и формировании

Г.М. Еремин, к.т.н.,

Горный институт Кольского научного центра РАН

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ УЧЕТА ПЛАСТИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ДЕФОРМАЦИИ ОТВАЛОВ ПРИ ИХ РАЗМЕЩЕНИИ И ФОРМИРОВАНИИ

Изучение опыта эксплуатации уникальных по своим горногеологическим, горно-техническим и климатическим условиям высоких отвалов рудника Центральный АО «Апатит» за продолжительный период (1962-1966 гг.) показывает, что почти все они были подвержены деформации, и их породные массы оказались со временем на пологой части склонов. Происходило это или при постепенном смещении (северные отвалы) или их обрушении (южные отвалы). На период 01.01.1983 г. на руднике зафиксированы 23 обрушения отвалов, что было характерно для условий отработки высокогорной части месторождения.

Анализ причин деформируемости отвалов т особенностей их обрушений со склонов позволил установить следующее: противоречивые оценки роли и механизмов влияния факторов и компонентов, слагающих породную массу (снега-льда, воды и др.), совместную отсыпку пород различных сезонов в отвал без учета и контроля их местоположения в толще отвала и др. [1-4]. Все это в целом приводило к тому, что отвалы пород, отсыпанные на южных склонах плато, деформировались с течением времени с прогрессирующим нарастанием скорости, причем ее изменение происходило по сложной зависимости, а на последнем этапе - по экспоненте.

Иначе протекают процессы ослабления прочностных свойств породной массы в отвалах северной и северо-восточной экспозиции.

При учете степени влияния тех же указанных факторов (выпадение твердых и жидких осадков, влияние сдвигающих нагрузок), но при меньшей доле радиационного

тепла на отвалах северо-восточной и северной экспозиции различно протекают и процессы их деформирования.

После достижения предельного состояния отвалов (отвал № 8, 9, 10) они смещаются вниз по склону (начальная стадия деформирования -1 стадия), и при выходе на пологую часть склона скорость их деформаций уменьшается до 200-300 мм/сут. (II стадия). При этом большая часть тела отвала сохраняется от разрушения (разделение на части). На пологом участке склона при увеличении влияния доли радиационного тепла и жидких осадков интенсивность протекания процессов таяния снега может повысится, и в основании отвальной массы могут возникнуть условия, аналогичные для образования «водного бассейна» (отвалы южной экспозиции). Постепенно (в течение 1 -2 лет) при увеличении толщи отвальных пород до критических значений (на отвалах №8 и 9 до 50-60 м) и переходе пород в предельное состояние начинается стадия катастрофического обрушения аналогично обрушениям отвалов южной экспозиции (III стадия).

На отвалах северной экспозиции (отвал № 10) при малой величине радиационного тепла стадия деформирования отличается следующей особенностью. При достижении предельного состояния скорость деформации отвала увеличивается до 800-900 мм/сут. И отвал постепенно смещается на пологую часть склона. Несмотря на небольшое разрушение тела отвала при деформировании и повышение интенсивности протекающих процессов таяния снега, в поверхностных слоях пород и в более глубоких зонах (более 7-8 м

от поверхности) образуется снежно-льдорудный породный конгломерат. Такие участки выявлены на отвале № 5 при срезке его верхних горизонтов и в отвале забалансовых руд Каула-Котсельваара ГМП «Пе-ченганикель» при их разработке.

Из рассмотренного выше следует, что повышение деформации отвалов зависят не только от экспозиции склона, где они размещаются, но и от особенностей их формирования, размещения и деформирования. Устойчивость отвала, безопасность его эксплуатации и эффективность отвалообра-зования повышается:

1. При создании в толще отвала зон мерзлоты (смерзания) отсыпкой специальных буферных зон между слоями различных сезонов. Эффективность их применения может быть показана на примере отвала № 17, когд40 м).а его уходка по насыпной части от скалы составила до 100 м по сравнению с ранее достигнутыми (30-40 м).

2. Учетом и повышением роли реологической составляющей деформации пород для снижения затрат на транспортирование породы применением временных отвалов - самотранспортирования пород за границы карьера.

Известно, что реология горных пород в том числе и скальных, по исследованиям, проведенным в институте ВНИМИ, НИИОСП (г. Москва) (проф. С.С. Вялов, С.Э. Городецкий и др.) может быть выражена как [4]

а = А^в™) ,

где А4 - коэффициент деформации, кг/см2; т -коэффициент (упрочение) по С.С. Вялову; в - относительная деформация.

Если величины напряжений, вызывающие реологические подвижки

Рис. 1а,б. Изменение скорости деформации смерзшегося грунта (фракция 0-5 мм) со скалой при сдвиге (а) (по данным института НИИОСП, 1975 г. 1 - = -3,5° С, льдистость -13 %) и образцам со снегом (б).

а - 1, 2, 3, 4 - а = 6,5; 4,1; 2,2 кг/ см2; б - <вс = 10 %; 1 = -3,2° С; а = 1 кг/см2 (фракция 0-5); А, В - стадии пластического течения и разрушения.

дователей, течение льда имеет место практически при всех величинах касательных (сдвиговых) напряжений больших нуля.

С реологией пород со льдом (снегом) связана деформируемость породной массы в овалах, насыпях (дамбах), железнодорожных путях на участках их проведения (косогоры), при наличии слабых слоев в основании сооружений и др.

По результатам исследований деформируемости породной массы отвалов рудника Центральный, проведенных С,Э. Городецким в институте НИИОСП (1975 год), (фракция 0-5 мм, температура -

3,5 ° С) при соотношении нормальных напряжений, равных

в «тесте» межзерновых контактов кристалических пород по оценкам специалистов могут достигать 150-200 МПа, то в полускальных и слабых породах они составляют десятки и первые единицы МПа.

По данным С.С. Вялова, длительная прочность тел, включающих лед, может быть в 5-15 раз меньше, чем при действии мгновенной нагрузки, особенно при температурах, близких к нулю градусов, и может достигать 0,1-0,3 МПа. Величина ползучести льда (течение) при этом составляет доли миллиметров и первые единицы миллиметров и может быть описана степенной зависимостью вида:

dt

где у - деформация, мм; т - напряжение сдвига, МПа; к, п - постоянные.

По исследованиям К.Ф. Войт-ковского, С.С. Вялова и др. Иссле-

мость ее повышается в аналогичных условиях (1 = -3,2° С, а = 0,1-0,3 МПа, фракция 0-5 мм). Скорость деформирования образцов со снегом составила 1000-4000 мм/сут. Сцепление породной массы при деформации увеличивается до 0,2-0,4 МПа (а= 0,5-1 МПа), что почти на два порядка больше, чем при отсутствии снега (льда) (0,005-0,03 МПа), (рис. 1а,б).

Изучение особенностей изменения величин касательных напряжений с использованием известных методов института ВНИМИ при различных горногеологических условиях нагорных месторождений (крутизна склонов от 5-10° до 40-60°) показало, что склонность породной массы со снегом к деформациям (и при увлажнении) может изменяться от максимальных значений, близких к разрыву связи (сцепления) слоев и частиц, (кусков, насыщенных водой), (уд > 10-15 м/сут.) до минимальных (Уд = 10-50 мм/сут.), что видно из рис.2.

На основе анализа данных практики деформирования отвалов на склонах различной крутиз-

Таблица 1

Деформация пород отвалов и перераспределение пород по склонам

Типы отвалов на склонах Скорость деформации, мм/сут Коэффициент перераспределения, Кпер Скорость смещения по склону мм/сут

Мало деформирующиеся Рс = 5-15° 10-50 0,36 30-70

Средне деформирующиеся рс = 20-30° 50-100 2,3-2,9 200-300

Интенсивно деформирующиеся рс = 40-605° 300-600 и более 3,3—5,3 3,7-6,2 а = 36° 300-1000

0,5-0,6 МПа, с увеличением касательных напряжений с 0,4 до 0,9 МПа скорость деформации породной массы возрастает с8,6 до 130 мм/сут., а в стадии интенсивного деформирования - до 800-900 м/сут. (рис.1а,б).

Исследования, проведенные в Горном институте КНЦ РАН под руководством автора, показали, что при включении в породную массу снега (частиц льда) деформируе-

ны в условиях Заполярья и экспериментальных исследований при проектировании нагорных карьеров в условиях Севера следует учитывать деформируемость породной массы, скорость смещения по склону и подразделять отвалы на склонах в соответствии с предлагаемой классификацией (табл. 1).

Новыми теоретическими и научно-методическими положе-

ниями, предлагаемыми для учета при проектировании технологий отвалообразования является то,

пользованием вязко пластических свойств конгло

снежно-льдопородного

Рис. 2. Изменение скорости деформации

пород отвалов от угла наклона склона ас и

параметра . 1,2 - поверхностные и более тк

глубокие слои; 3 -деформация пород на пологих

участках склонов; 4 льдом

для породной массы со

Рис. 3 а, б. Изменение начального сопротивления сдвигу от содержания снега

а - 1 - при замерзании воды; 2, 3 - для снега ст1 = 0,2 МПа; = 0,7 МПа; 4 - при деформировании и смерзании породной массы; А - область снег-лед, t = 2^3° С; В - область пород со снегом t и 0° С; б -1 - отвалы №№ 8, 9; 2 - смещение на пологую часть склона; 3 -деформация отвала № 4

что безопасное и эффективное размещение вскрышных пород на минимальном (оптимальном) расстоянии в условиях нагорного карьера на всем протяжении его работы с ис-

мерата можно достигнуть при управлении деформируемостью отвалов созданием в зоне призмы упора и сдвига прочных мерзлотных зон и водосборных слоев из крупнокусковых сред.

Это достигается непрерывным и постепенным нагружением слоев отсыпкой очередных порций, способствуя упрочению породной массы, а создание защитных (буферных) слоев (зон) обеспечивает нейтрализацию отрицательно влияющих на устойчивость отвалов факторов (таяние снега, паводковые воды, жидкие осадки) [5]. Такой способ отвалообразования позволяет разместить основной объем вскрыши на малых площадях и в непосредственной близости от карьера. Вместо 6-7 площадок (основные, дополнительные, временные отвалы) по одному из проектов для нагорного карьера предусмотрены 16-19, что потребовало значительного увеличения земельного отвода и ухудшило экологическую обстановку вблизи карьера.

На основе результатов лабораторных исследований и натурных наблюдений, а также анализа данных практики и теории отвалообразования в различных климатических и горно-геологических условиях разработаны новые перспективные схемы и технологии отвалообразования в условиях нагорных месторо-и способы формирования исключающих их опасные подвижки (деформации) и катастрофические обрушения.

ждений

отвалов

В основу их положены установленные особенности и закономерности деформирования снежно-льдопородного конгломерата, как связанного тела, способного повышать свои прочностные свойства в поле отрицательных температур и действующих нагрузок.

Создание в основании отвалов породных толщ с прочностными свойствами, превышающими их показатели при ослаблении в 5-10 и более раз, позволяет рекомендовать отвалообразование в условиях Севера с высоких отметок при непрерывных процессах нагружения (уплотнения и увеличения связей снежно-льдопородного конгломерата). Этим резко повышается эффективность отсыпки пород под откос автотранспортом при высокой интенсивности использования 1 м фронта отвалообразова-ния и сокращения плеча откатки пород в 2-3 раза по сравнению с обычными способами.

Отвалообразование при организации временных отвалов само-транспортирования ведется с высоких отметок для создания сдвигающих нагрузок, превышающих предельные величины сопротивления сдвигу в момент времени Т.

Условием их деформации с затухающей скоростью является: в начальный период

, > х'сопр ,

на пологую часть

' сд — Ь сопр

при выходе склона

т

сд

сопр

Сопротивление сдвигу в начальный период времени тсопр зависит от температуры пород 1° за-снеженности Wс, величины уплотняющей нагрузки Р^асж№)

По мере отсыпки породной массы на склон в подстилающих слоях отвала протекают тепловые процессы между слоями различных периодов отсыпки, в результате зона нулевых температур увеличивается.

При наличии в породах кускова-той среды призмы сползания и упора снега (льда) и при ее увлажнении. Это придает ей вязкость и пластичность при нарастании сдвигающих

Типы отвалов и способы управления их устойчивостью и деформированием на склонах

Местоположение формируемых отвалов Тип отвала Условия обеспечения устойчивости Способы управления отвалообразованием

Высокие отвалы Н > 350-400 м (месторождение в сопках) Комбинированные Wп < WПр тсд < тсоп ^ = 0°-1срг Создание основания отвала из прочных пород, дрен То же в толще отвала. Зоны мерзлоты. Буферные зоны. Упор в противоположные склоны. Подготовка склона: слои пород-упоры

Высокие отвалы 300-350 м срезаемые склоны Основные (пре-дотвал) дополнительные временные Wп << Wп 1п = 0-2-3° тсд << тсоп Wn < Wm тсд < тсопр Создание основания отвала из прочных пород-дрен Буферные зоны. Зоны мерзлоты Подпор отвала в стадии начала его деформации. Встречное развитие отвалов. Переслаивание пород двух отвалов Создание основания отвала с зонами ослабления Пригрузка отвала при его смещении на пологую часть склона.

Отвалообразование на косогорах Бульдозерные, экскаваторные, конвейерные Wп < Wпр 1п = 0—1-2° С тсд < тпр Создание в основании отвала породных слоев-дрен. Сохранение зон мерзлоты. Буферные слои. Подпорные слои (контрфорс). Отвод грунтовых вод.

Формирование высоких отвалов (150-200 м) в равнинной местности Wп < Wп 1п = 0—1-2 С тсд < тпр Подготовка основания отвалов из прочных пород. Соблюдение скоростей отсыпки пород и осадки. Создание буферных зон. Сохранение зон мерзлоты. Создание в толще слоев-дерн для сбора воды.

*Н,г = 100 м = Sвг) **Рс = 45° и 60° и Н01 = 200 м и Н02 = 300 м

нагрузок по мере повышения высоты отвала. Такое деформирование связного тела, каким является уплотненная породная масса со снегом (льдом), является безопасным при эксплуатации временных отвалов, что подтверждено практикой отва-лообразования на карьере рудника Центральный АО «Апатит» в 1968-74 гг. (отвалы 5, 7, 8, 9, 10). При их деформации не происходит разрыва сплошности среды и, как отмечено ранее, нарастание скорости деформации отвалов при достижении критической нагрузки или повышении интенсивности протекания тепловых процессов при нулевых температурах (увеличение доли жидкой составляющей в породной массе в весенний период из-за таяния снега) происходит плавно, без скачков. Проанализированы существующие и предложены новые способы управления деформиро-

ванием пород отвалов на склонах (табл. 2).

Сделан важный вывод о том, что применение пассивных методов управления (традиционная технология) при появлении деформаций отвалов свыше допустимых и их закрытие, как правило, на 100 % создает условия для разрушения тела отвала, снижения его прочностных свойств и, в конечном случае, приводит к его обрушению. Для перспективных площадок предлагаются новые схемы управления отваообразова-нием, заключающееся в том, что для повышения прочностных свойств породной массы с увлажнением необходима ее пригрузка, что может быть создано применением механизации (типа драглайнов), устанавливаемых на прочном основании и созданием подпорной нагрузки отсыпкой пород в основание отвала.

Предлагаемые способы управления отваообразованием на склонах позволяют реально выполнить требования ст.60-62, ЕПБ

о повышении безопасности отвао-образования на склонах и снижении деформируемости отвалов.

В то же время за счет содержания снега в породной массе наклонные слои в отвале становятся более связанными, а создание буферных зон между ними способствует смерзанию. При этом повышаются реологические свойства такой среды при меньших скоростях деформаций, что доказано практикой работ в условиях нагорного карьера рудника Центральный АО «Апатит». Создание временных отвалов на горных склонах по типу предлагаемых может резко повысить эффективность отваообразования в условиях, например, близким к Удокан-скому месторождению медистых

песчаников, где нельзя допустить обрушения отвалов типа селевых потоков по склонам. При выборе эффективных схем отвалообразо-вания целесообразно учитывать коэффициенты смещения пород отвалов - 0,8-0,9 для условий нагорного карьера Центрального рудника АО «Апатит» и коэффициент переэкскавации -0,3-0,4. Из 40 млн. м3 пород вскрыши, размещенных во временных отвалах,

около 25 млн. м3пород сместились за границы карьера.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М., Недра, 1965 г., с. 380

2. Попов С.И., Габитов Р.М. Управление горнотехническими параметрами отвалов./ Горный журнал. 1988г., № 2, с. 25-27.

3. Демин А.М. Развитие технологии отвалаобразования на карьерах // Горный журнал. 1988г., № 2,с. 20-23.

4. Вялов С.С. Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов. М., Изд. АН СССР, 1959г., с. 423.

5. Еремин Г.М., Маслов В.Т., Архипова С.Е. Особенности создания временных отвалов на северных нагорных отвалах.// Горный журнал. 1981г., № 9. С. 19-21.

© Г.М. Еремин

Г.М. Еремин, к.т.н.,

Горный институт Кольского научного центра РАН

Методы повышения точности и надежности определения параметров бортов глубоких карьеров

В настоящее время существует множество методов определения параметров бортов карьеров [1, 2, 3]. Сравнение их точности соответствия расчетных данных фактическим может быть проведено только для откосов с небольшими параметрами и в породах небольшой прочности (полускаль-ных, глинах, породах четвертичных отложений).

Наиболее часто употребляемым в проектной практике при проведении расчетов по определению параметров бортов карьеров является метод, разработанный под руководством проф. Г.Л. Фисенко. Однако, как показали исследования, заложенные в проектах разработки большинства месторождений параметры устойчивых откосов бортов или резко отличаются от возможных по глубине карьеров или имеют слишком пологие откосы с учетом введенных коэффициентов запаса устойчивости.

Величины этих коэффициентов подразделяются по методике института ВНИМИ с учетом временных факторов, типа пород, нару-шенности массива и т.д. и изменяются в пределах 1.15-2.0, а общая его величина составляет 1.3 [4].

Надежность получаемых расчетных данных, как правило, зависит от полноты и правильности

интерпретации данных геологоразведки месторождения, представительности и качества экспериментальных и натурных данных о свойствах характерных типов вмещающих пород с учетом трещиноватости и нарушенности массива тектоникой, особенностью ведения горных работа карьере и т.д.

Главным параметром, от которого зависят расчетные величины откосов бортов, как известно, являются физико-механические характеристики пород (сцепление, угол внутреннего трения (р), определяемые в области призм сдвига и упора. Их величина принимается на основе проведения сдвиговых испытаний призм массивов на срез в карьере (по ВНИМИ), а по данным испытаний кернового материала, образцов пород или по данным обратных расчетов. Полученные данные, как правило, характеризуют породы небольшой прочности и при введении коэффициента запаса - 1.3 вообще могут отражать породу типа небольших «кирпичиков», близких к супесчаному материалу или песку (угол внутреннего трения ф = 36- 38°).

Данные обратных расчетов также не могут быть применены, поскольку эти данные отражают предельное состояние призмы сдвижения после длительного

стояния откосов (через 15-20 лет и более) в результате действия процессов выветривания или распространения круто- или наклоннопадающего тектонического нарушения (разлома) с глинкой трения, а также протяженных трещин, раскрытых в результате ведения массовых взрывов в карьере.

Слабостью применяемых расчетных методов является также практически полный неучет процессов, связанных с добычей руды в карьере длительное время (массовые взрывы), особенности отработки приконтурных зон, а также процессов выветривания пород.

Такая идеализация породного тела в стадии деформации на период завершения работ в карьере (через 25-30 лет и более) резко снижает точность и достоверность получаемых расчетных данных (небольшая предельная глубина карьербв и сравнительно пологие углы откосов их бортов - до 3640°), поскольку откосы массивов пород магматического происхождения и особенно интрузивов после

В основу предлагаемого для использования в проектной практике метода определения параметров откосов бортов глубоких карьеров положен учет ослаблений и нарушений в законтурном массиве при производстве массовых взры-

вов в карьере и особенно в при-контурной его зоне, а также процессов выветривания. Снижение

прочностных свойств пород массива в зонах предполагаемой поверхности сдвига (среза) рассматривается во времени по мере дей-

ствия ослабляющих факторов и понижения горных работ в карьере и отстройки борта. Значительное внимание отведено учету структуры массивов и падения слоев с глубиной и характеру изменения параметров нарушений (ослаблений) в пространстве (раскрытия трещин и углов их наклона).

По мере действия массовых взрывов в карьере вблизи его приконтурной зоны в пространстве формируется поверхность ослабления (граница зоны трещинообразова-ния и подвижки блоков в верхней части массива борта), рис. 1. Она перемещается во времени вглубь массива под действием сил выветривания, волновых процессов при взрывах и гравитационного веса блоков пород из положения ОСВАА1В1С1 в 01С2В2А2 за время ДТ, рис. 1б.

Определение параметров зоны ослабления (нарушения) (подвижной зоны) во времени Т осуществляется с учетом количества ВВ Qвв > взрываемого вблизи проектного контура карьера (в зоне заоткоски борта) по мере понижения горных работ в карьере (горизонт за горизонтом). С производством взрывных работ в карьере связано изменение трещиноватости законтурного масси-

ва. Увеличение трещиноватости под воздействием взрывов начинается с изменения длины и раскрытия естественных трещин.

Основные особенности и закономерности распространения на месторождении естественных трещин устанавливаются в процессе разведки месторождения, а также при выполнении специальных работ по обоснованию предельных параметров бортов на том или ином участке карьера. По данным исследований и геологоразведки на месторождениях Кольского региона выделены главные системы трещин и установлены основные особенности изменения трещиноватости массива с глубиной месторождения.

По данным геологоразведки

^=А/НП

где ^ - трещиноватость массива (количество трещин на 1 м); Н -глубина местороищения, м; А, п -соответственно, постоянная и показатель степени.

Значения коэффициентов п и А для Коашвинского месторождения апатит-нефелиновых руд (АО «Апатит») равны 116 и 0.43, а для Ковдорского месторождения комплексных железных руд 116 и 0.57.

Расчеты по формулам дают достаточно близкие расчетные данные к установленным для этих месторождений.

Изменение трещиноватости пород 016 с глубиной, а также блочности пород предлагается определять по степенной зависимости вида [3]

аб=0.84-аН+

где а, в - коэффициенты, а = 0.016, в = 0.011.

Размер блока по формуле (2) при глубине 100 м составляет 0.45 м, на глубине 200 м - 2.48 м, хотя в работе отмечается, что заметное увеличение размера блоков наблюдается по

Рис. 1. Схема формирования лтклса борта по времени Т с выделением зон нарушений от взрывных нагрузок и выветривания

Рис. 2. Схема развития зоны трещинообразова-ния от действия взрывных нагрузок (а), модель разупрочнения среды (выветривание) (б) и модель расчета параметров откоса борта с ослаблениями (нарушениями) (в):

а - 1, 2, 3 - соответственно, граница трещинообразова-ния на верхнем и нижнем уступах с течением времени;

11, 12, 1Т - соответственно, радиусы трещинообразовва-ния на смежных горизонтах и во времени; ^ - высота уступа; б - ^, h2 , в - соответственно, ширина щели в начале и после разупрочнения; с - сцепление, зависит от ширины щели в, влажности W и времени Т; в - АСД -приповерхостная зона сдвижения (не сплошная - слои среза): Тсі-з, тсді-з - соответственно, сопротивление сдвигу и напряжение сдвига в различных зонах откоса борта, 1, 2 - соответственно, участки сплошной поверхности сдвижения и среза

ряду месторождении только для глубины их 150 м.

Раскрытие естественных тре-

К=1/(р2/3С1/3), где р - плотность породы.

Ка

V'

Таблица 1

Параметры нарушений Типы пород

Малотрещино -ватые Среднетрещи- новатые Сильнотрещи- новатые Полускаль- ные

Вес з; п 1ряда, X Вес з; п 1ряда, т Вес за п фяда, т Вес з; п а, яда &

0.4 2 0.4 ' 2 0.4 2 0.4 2

Радиус трещи-нообразования 3.8-4 5.5-5.8 5.0-5.2 7-8 6.2-6.4 10-11 10-12 18-20

Ширина зоны подвижки блоков 1-1.5 * 2.0-2.5 2.0-2.5 3-4 3-4 5-6 4-5 6-8

Ширина зоны выветривания Т=20 лет Т=30 лет 1.5-2 2.5-3 3-4 5-6 15-20 20-25 30-35 40-45

щин и образование новых при деиствии взрывных нагрузок обычно связывается с коэффициентами пустотных трещин и их длиной. Предложено оценивать состояние массива, разбитого трещинами, величиной коэффициента трещинного ослабления Кто, которая достаточно точно может быть аппроксимирована выражением вида [5]

Кто=ВПл,к

где пл - коэффициент линейной трещинной пустостности; к - показатель степени.

Значения коэффициентов для одного из рассмотренных месторождений составляют соответственно В=16, к==0.4 (при изменении пл в диапазоне 2х10-2^1х10-1). С коэффициентом трещинной Кто пустотности связана величина критической скорости смещения массива при трещинообразовании Ут

Vx =Укр/Кт(

кр то

где Укр - величина критической скорости смещения для пород с незначительной трещиноватостью массива (размер отдельности - 1.5 м и более [5]).

Кроме того, показатель интенсивности волнового воздействия К связан со скоростью продольной волны С выражением

От величины оптической скорости смещения Ут, показателя интенсивности волнового воздействия К, а также степени пустотного ослабления массива Кпо, зависит не только глубина трещино-образования в массиве 1т, но и раскрытие естественных трещин 1р и подвижки блоков /б.

Коэффициент пустотного ослабления массива Кпо связан со скоростью продольной волны соотношением

Кпо =

где Ср и Сро - соответственно, скорость распространения продольных упругих волн в трещиноватом и близком к монолитному соотношения скоростей продольной волны связана с линейной пустотно-стью трещин выражением вида Ср/Сро=СьПл -м,

где С ь т - соответственно, постоянная и показатель степени, С1 =

0.067, т = 0.4.

Тогда Кпо = (СьПл -м)-1/3 , или Кпо = 2.44- Пл -2/15

При значениях Кто = 2.2, Кпо = 1-25 и К = 1.2 м3С-1кг-2/3 величина критической скорости в глубине трещиноватого массива составляет

1.3 м/с (ширина трещин 3 мм) [5]. Расстояние до границы трещино-образования 1т обычно определяют по формуле

где Qэс - масса сосредоточенного

заряда эквивалентного по скорости смещения в рассматриваемых точках массива действию реально используемой системы цилиндрических или сосредоточенных зарядов; а - коэффициент, учитывающий число открытых поверхностей массива при взрывах и положении точки, для которой определяется скорость на поверхности или в глубине массива; Усу - скорость смещения пород.

Ширина зоны раскрытия естественных трещин 1р также зависит от величины скорости смещения в этой зоне Усм1-2 и может быть определена по выражению вида

1р = Д Усм1-2 ,

где Д - коэффициент пропорциональности; Д = 2-5. Значение скорости смещения Усм1-2 изменяется в пределах Укр—Усм1 -2—Усм2, где У см2 - минимальное значение скорости смещения, при которой еще происходит раскрытие естественных трещин.

Размер зоны раскрытия естественных трещин уменьшается по мере понижения горных работ в карьере и снижения трещиноватости массива. Ширина зоны подвижки блоков ^ также зависит от величины скорости смещения блоков У смб 1-2 и определяется ее диапазоном Усм—Усмб1-2—Усмб2 .

4 = С2 • Усмб1-2, (10) где С2 - коэффициент пропорциональности; С2 = 20-30.

Значение Ь в верхней зоне больше, чем в нижней, несмотря на то, что скорость смещения пород в глубине массива больше, чем на поверхности. Это происходит из-за того, что в глубине массива и особенно в нижней зоне массива при меньшей его трещиноватости энергия упругой волны расходуется в основном на сжатие среды.

В табл. приведены расчетные данные параметров зоны трещи-

нообразования 1т, полученные по рекомендованным в работе [5] эмпирическим формулам вида

Гт = Е^ОТС, м

где гт= радиус зоны трещинообра-зования, м; Е - коэффициент,

Е = 0.9; Q -масса заряда, кг; С -коэффициент сопротивляемости трещинообразованию при взрыве.

При длине заряда L > 60 радиус трещинообразования по оси заряда

г=22^л/С, где d-диаметр заряда, м.

При определении радиуса тре-щинообразования для открытых поверхностей показатель сопротивляемости трещинообразованию при взрыве определен по формуле

Соп=0.35С[ц

где ц - коэффициент Пуассона.

При значениях С для прочных малотрещиноватых скальных пород (стсж > 100 МПа), средней прочности ((стсж = 100-50 МПа) и малой прочности (стсж < 50 МПа), равных соответственно 9.6,4.8 и 1.0 кг/м3 величина С составит соответственно .2130, 0.1613 и 0.05775 кг/м3.

Ширина зон раскрытия естественных трещин 1р и подвижки блоков 16 определены по зависимостям (8) и (9).

Наведенная взрывами техногенная трещиноватость, как отмечено выше, подвержена развитию во времени под действием сил вы-

ветривания, что проявляется на карьерах при выполаживании откосов уступов при длительном их стоянии.

Изменение углов откосов уступов во времени может быть опре-

делено по формуле вида [6]

-Ып

а =

где а - угол откоса в момент временит град.; а0 - угол откоса уступа на момент отработки, град.; р -угол естественного откоса, град,; Ь - коэффициент, зависящий от скорости выветривания пород (скорости выполаживания угла откоса уступа); 1 - число лет (весеннелетних сезонов) с момента отработки уступа; п - коэффициент, зависящий от прочности пород в массиве.

Скорость выполаживания откосов уступов для пород различной прочности и трещиноватости (сдвижение верхней точки бровки откоса) может изменяться на один-два порядка и составлять: для прочных малотрещиноватых пород (естественной трещиноватости длиной 1.5-3 мм и наведенной при заоткоске 5-10 мм) (типа устойчивых пород Ковдорского массива) -от 0.005 до 0.04 м/год, типа мергелей [4] - от 0.32 до 0.36-0.4 м/год.

Как следует из этих данных, скорость выветривания пород в значительной степени зависит от

ширины трещин и прочности пород, поскольку сила разрыва трещин (от образования льда) находится в прямой зависимости от количества воды, замерзающей при отрицательных температурах (рис. 2). В соответствии с этим, ширина зоны выветривания 4 в верхних горизонтах (коре выветривания) Меньше, чем на нижних и ее параметры формируются по мере раскрытия или образования новых трещин при производстве взрывных работ в карьере и в зоне заоткоски. За 20-30 лет формирования откоса борта ширина зоны выветривания может изменяться от 0.5-2 м в прочных малотрещиноватых породах (в зависимости от способа заоткоски) до 1015 м в трещиноватых малопрочных породах. На схеме (рис. 2) показано, как за счет действия взрывных нагрузок и выветривания повышаются параметры чре-щин (ширина и длина) по сравнению с естественной трещиноватостью массива.

Сопротивляемость породных слоев (наклонных) в призмах сдвига и упора по мере увеличения их веса (касательных напряжений сдвига). Как показали многолетние наблюдения за особенностью формирования и устойчивостью откосов бортов в карьерах Кольского региона, при определении их параметров следует выделять структуру массивов пород этих слоев после длительного действия взрывных нагрузок, выветривания и действия веса блоков в призмах сдвига и упора.

При крутом падении слоев (пачек) рудных и породных тел (до 70-80°) (интрузивная форма месторождения, например Ковдор-ское месторождение комплексных

Таблица 2

Тип пород Линейная трещиноватость, м Пределы прочности, МПа Сцепление при срезе Сер Сцепление при сдвиге Угол внуц- грен-

На сжатие, Осж На растяжение

Малотрещиноватые Менее 3-51010л Более 100 20-30 Н.д. 45

Среднетрещиноватые до 8-10-10Л Более 100 10-15 15-18 45

Сильнотрещиноватые (10-15) -10л 50-100 5-8 8-10 - 40Л2

Ниже средней прочности Менее 50 3-5 4-6 г» 38-42

Полускальные Менее 5-10 1-2 Н.д. 1-3 38-40

Породы отвалов • 0.3-0.5 38-42

Наносы 0.1-0.3 35-37

железных руд) и в гористой зоне (некоторые участки апатитовых карьеров Центрального и Восточного рудников АО «Апатит») раскрытие трещин или частичные на-

слоев при взрывах могут распространяться согласно с падением этих слоев. Степень их влияния может быть не столь существенной (при «залеченных», например карбонатитом, естественных трещин - Ковдор) или требующей учета при заоткоске уступов в трещиноватом массиве. Поэтому такие крутонаклонные слои малотрещиноватых пород в зоне призмы упора работают в основном на срез, и это следует учитывать при определении характеристик пород на сдвиг по предполагаемой поверхности сдвижения массива.

По данным, полученным в результате проведенных испытаний образцов пород указанных выше наиболее характерных месторождений региона на сжатие, сдвиг и срез, ниже предложена классификация пород по сопротивляемости на сдвиг и срез, табл. 2.

Таким образом, в зависимости

от прочности слоев пород и их на-рушенности сцепление может изменяться на один-два порядка, а угол внутреннего трения - в 1.5-2 раза (по контакту с «глинкой трения» ф= 23-25°). Их значения могут изменяться как в верхних, так и нижних зонах откоса в зависимости от нарушенности слоев взрывными нагрузками, протяженными тектоническими нарушениями (сдвигов-надвигов), выветриванием пород.

Накануне завершения формирования откоса (период доработки карьера) и действия всех указанных выше процессов и факторов, в том числе и гравитационной составляющей веса блоков, устойчивость его обеспечивается соотношением, когда силы сопротивления сдвигу больше сил сдвижения

их и 2 т-»р > 2т(рис 2в).

В то же время в более ослабленной верхней зоне сопротивление сдвигу Хс1 может быть меньше касательных напряжений сдвига,

и, наоборот, в нижней зоне, когда

Хсз > ТСДЗ.

В общем случае клин сдвига может сформироваться только по истечении длительного времени (в породах прочных средне трещиноватых) или в момент достижения откосом предельных параметров (полускальные и раздробленные породы) рис. За.

Поэтому многоугольник сил при обеспечении устойчивости массива борта не замкнут (напряжения сопротивления сдвигу превышают касательные напряжения сдвига). Только с течением времени при действии влаги и Показатели физико-механических

свойств пород разупрочнении пород силы сопротивления могут сравняться с силами сдвига и породный материал перейдет в состояние предельного равновесия, а затем в стадию деформации (изменение тс1 , хс2 , тс3 соответственно в хсТп , тсТп+1, и тс4, рис. За, б.

Определение параметров откосов бортов с учетом влияния разупрочняюшйх фактдров. При определении устойчивых параметров откосов бортов целесообразно учитывать естественную трещиноватость пород массивов, степень ее нарушения динамическими взрывными нагрузками и выветриванием, а характеристики пород по сопротивляемости их сдвигу рассчитывать по зонам с учетом коэффициентов трещинного и пустотного ослабления массивов. Сплошность трещинного ослабления массива на участках вероятной поверхности сдвижения необходимо оценивать не только по данным удельной трещиноватости пород по глубине массива, но и по данным откачки воды на различных горизонтах. Полученные данные по водоотдаче пород и коэффициенты фильтрации могут наиболее полно соответствовать расчетным характеристикам пород по сопротивляемости на сдвиг (сцепление и угол внутреннего трения).

Параметры устойчивого откоса массивов при естественной трещиноватости пород железорудных и апатит-нефелиновых месторождений могут быть наиболее точно определены с учетом сдвижения этих массивов при их подработке.

На рис. За показан клин сдвижения 00102 > который после сдвижения образует устойчивый угол откоса ау = ае. Величина его для изверженных магматических пород железорудных месторождений КМА по данным проф. Н.А. Старикова составляет 75-80°. На апатитовых месторождениях АО «Апатит» в зависимости от направления подработки массива и главной системы трещиноватости пород величина угла ае. изменяется от максимальных значений 100105° (отдельные участки Расвум-

рушения сплошности

Рис. 3. Схема развития зон нарушений в массиве борта на верхних средних, средних и глубоких горизонтах во времени (а) и многоугольник сил сдвижений и сопротивления сдвигу и его замыкания в предельном положении во времени (б) а - ОО1О2 - клин сдвижения массива; ОО2А1 - клин сдвига массива борта после ослабления; 1,2, 3 - соответственно, первоначальная поверхность нарушений (от взрывных нагрузок), первоначальная поверхность карьера и круглоцилиндрическая поверхность сдвижения;

С1, С2, С3 - соответственно, сцепление пород на горизонтах I, II, Ш

чоррского рудника), 85-90° (Юк-спорский рудник) до минимальных 60-65°, составляя в среднем 70-75° Для высоты 500-700 м. При этом величина сцепления пород Се может быть определена из соотношения равенства суммы сдвигающих напряжений ТСД и

суммы сопротивлений сдвига по зонам 2 тС

2( ТСД1 + ТСД 2 +ТСД 3 ) =2( Т + ТС 2 + ТС3 ) .

Расчеты показали, что при высоте откосов 500-700 м и величине угла внутреннего трения (принято считать, небольшое его изменение) 42-45° величина сцепления пород апатитовых месторождений может составлять 1.8-2.2 МПа (Сср= 2.0 МПа), для железорудных месторождений 2.0-2.7 МПа (Сср == 2.4 МПа).

В общем виде угол откоса борта аб зависит от сцепления и угла внутреннего трения ф породы в приповерхностной призме сдвига и ее длины L и веса, а высота откоса Нс - от соотношения напряжений сдвига и упора по вероятной поверхности сползания ае = Ат(с;ф), Н = ВЕтс /£тСд,

где А, В - постоянные.

На основе обработки данных экспериментальных исследований, натурных наблюдений за откосами сдвижений массивов при их подработке, а также данных по откосам отвалов при их высоте 280-300 м («о = 36-37°) получены эмпирические зависимости для определения угла откоса бортов 06 и их высоты Но (в естественном состоянии массива) в виде

ае = А1 + В1т(с;ф)и,

Н0 = А2 + В2 т(с;ф) ,

где А1 , А2, В1, В2 - постоянные; Кь к2 - коэффициенты; А1 = 75; А2 = 9; В1 = 310; В2 = 32; к1=

0.9; к2== 0.8; т(с;ф)- суммарное напряжение сопротивления

сдвигу (с учетом сцепления и угла внутреннего трения).

На последнем этапе определяются расчетные параметры откосов бортов в результате действия взрывных нагрузок и про-

цессов выветривания во времени. В пределах геометрически сформированного клина сдвига во времени уточняются характеристики пород (сцепление Ср и угол внутреннего трения ф) в соответствии с новыми коэффициентами трещиноватости Ттр и пустотного ослабления массива Тпо, а также с учетом данных по коэффициентам удельной трещиноватости массива, водоотдачи и коэффициента фильтрации для различных зон по высоте массива борта (специальные геофизические и гидрогеологические работы по изучению зон призм сдвига и упора). При этом в зависимости от типа пород и их трещиноватости, а также способа ведения взрывных работ в зоне заоткоски сцепление может измениться от 1.2-1.3 до 1.8-2 раз и более (в полускальных породах). В соответствии с характеристиками пород С и ф с учетом коэффициентов запаса 1.15-

1.3 (последнее значение возможно для использования при сложноструктурных месторождениях с тектоническими нарушениями) уточняются параметры откосов в сторону их снижения по сравнению с естественным состоянием массива. Меньшие значения коэффициента запаса п = 1.1-1.15 целесообразно принимать для массивов прочных и малотрещиноватых пород, а также их участков при оформлении откоса борта на глубоких горизонтах (выпускные борта) с использованием Элементов «щадящей» технологии заоткоски уступов и участков борта.

Надежность расчетных данных по сравнению с фактическими подтверждается проверкой, проведенной для условий сдвижений откосов борта с параметрами Нб = 180-200 м и глубиной оцолзня I = 30-35 м, заоткошенного без применения специальных способов заоткоски (щелей и буферных зон), в результате образовалась сплошная поверхность сдвижения (технология ведения горных работ в

50-60 гг.). Расчетные параметры откосов бортов для массивов прочных малотрещиноватых пород, средней трещиноватости, сильнотрещиноватых и полу-скальных пород и высотой откосов соответственно Н1 = 700-800 м; Н2 = 550-600 м; Н3 - 380-400 м; и Н4= 250-260 м имеют углы откосов бортов от 65 до 40°. Как следует из этих данных, на карьерах имеются значительные резервы для формирования откосов бортов под более крутыми углами и поддержания их в устойчивом состоянии.

Выводы

1. Предложен метод определения параметров бортов, учитывающий реально действующие при их формировании факторы и процессы нарушений устойчивости массивов во времени.

2. Коэффициент запаса устойчивости массива борта снижается по мере увеличения параметров зоны нарушений массива.

Расчетные данные по параметрам откосов бортов свидетельствуют о значительных резервах их повышения при рациональных технологиях их формирования и заоткоски.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. - М.: Недра, 1965.-376 с. 2. Арсентьев А.И., Букин И.Ю., Мироненко В.А. Устойчивость бортов и осушение карьеров. - М.: Недра, 1982. -162 с.

3. Попов 9.Н., Байков Б.Н. Технология отстройки бортов карьеров. -М.:Недра, 1991. -184 с.

4. Методическое пособие по определению углов откосов уступов и углов наклона бортов карьеров, сложенных многолетними мерзлыми породами. -Л.:Изд.. ВНИМИ. 1972.-102 с.

5. Азаркович А.Е., Щуйфер М.И. Классификация скальных массивов по сопротивляемости трещи-нообразованию при взрыве // Горн. журн. - 1989. - №7.-С. 31-34.

6. Синянский Д.Е. Исследование влияния природных и технологических факторов на устойчивость откосов уступов и бортов карьеров, сложенных скальными и полускаль-ными трещиноватыми породами.

Автореф. дисс... канд.техн. наук. | 1970. - 19 с.

© Г.М. Еремин