Применение новых расчетных методов определения параметров откосов бортов в скальных массивах пород

теория ' и : практика :':.

ОТКРЫТЫХ ; ГОРНЫХ ; РАБОТ

^ Г.М. Еремин, 2000

УДК 622.271:3:624.131.53751.322:53

Г.М. Еремин

ПРИМЕНЕНИЕ НОВЫХ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОТКОСОВ БОРТОВ В СКАЛЬНЫХ .МАССИВАХ ПОРОЛ

В настоящее время для определения параметров бортов карьеров предложены свыше 30 методов и их подвидов, отличающихся как общим представлением об устойчивости откосов пород, так и подходами к решению фундаментальных вопросов напряженно-деформиро-ванного состояния различных откосов, а также применяемыми расчетными схемами, используемыми прочностными

характеристиками пород при определении предельных параметров бортов карьеров.

Наиболее полная оценка и обобщение этих методов приведены в работах проф. Г.Л. Фисенко, П.И. Мануилова, Э.Л. Галустьяна, М.А. Ревазова, М.Е. Певзнера,

В.Г. Зотеева, В.Н. Попова и др. [1-6]. В них изложены основные подходы к решению проблемных вопросов устойчивости бортов в различных горногеологических условиях, с учетом глубины карьеров, использования различных методов управляемого обрушения откосов, их укрепления и поддержания в устойчивом состоянии.

Разработанные методы расчета параметров бортов карьеров позволяют учесть ряд факторов, в том числе горно-геологиче-ского характера,

приближающих их к реальным условиям состояния массивов пород в бортах карьеров.

Впервые обратил внимание на необходимость учета влияния

структуры скального трещиноватого массива при решении задач, связанных с проявлением горного давления и сдвижением горных пород А. Ж. Ма-шанов еще в 1955-57 гг. В дальнейшем более полный учет горно-геологических условий месторождений и особенностей их разработки получили в работах института ВНИМИ (Г.Л. Фисенко) и разработанных на их основе расчетных схемах.

Многократные проверки и исследования показали, что получаемые расчетным путем параметры откосов бортов по этим методам дают достаточно близкие данные к фактическим, однако отмечены и случаи занижения параметров бортов на некоторых карьерах, на других — образование оползней и обрушений откосов уступов и участков бортов из-за недоучета ряда определяющих факторов.

Главная причина этих негативных последствий , на наш взгляд, заключается в том, что недостаточно полно учитываются структурные особенности того или иного месторождения полезного ископаемого и принадлежность их к основным типам (магматическому интрузивному или метаморфическому и осадочному типам). С этим связано и правильное определение физико-механических свойств пород и инженерногеологических условий месторождений.

Другая главная причина

заключается в том, что недостаточно строго учитываются технологические особенности создаваемых сооружений, какими являются борта карьеров, срок службы которых составляет 20-25 лет и более. Поскольку борта карьеров, как правило, протяженны, они могут включать участки, относящиеся к различным периодам формирования месторождения и, следовательно, иметь различные типы пород и структуры залегания, которые требуют особых технологий заоткоски и поддержания откосов в устойчивом состоянии.

Применяемые методы определения параметров бортов карьеров пока еще не адаптированы к условиях

обеспечения устойчивости высоких и супервысоких бортов карьеров. Так, предпроектные проработки,

выполненные по одному из

железорудных месторождений показали, что для создания карьера глубиной 800900 м необходимо выположить борта до 33-34°. Это вызвало бы не только увеличение среднего коэффициента вскрыши к максимально возможному, но и переносу ряда действующих объектов на территории комбината, в том числе и фабрик. Поэтому, на наш взгляд, перспективным направлением исследований в предстоящий период является обоснование возможности строительства глубоких карьеров с крутыми откосами бортов в условиях, благоприятных по горно-геологиче-ским и экономическим факторам, и разработка способов поддержания этих бортов в течение длительного времени в устойчивом состоянии. Другой, не менее важной проблемой является сни-жение, а в ряде случаев — исключение местных оползней и обрушений уступов, которые имеют пока еще повсеместное распространение на карьерах.

В проектах и научных исследованиях недостаточно полно учитывается влияние массовых взрывов в карьерах на устойчивость и нарушения законтурного массива пород, а также применение специальных способов заоткоски уступов и участков бортов карьеров. Хотя в работах института ВНИМИ обоснована и

учитывается роль гидрогеологии и выветривания пород на снижение их прочностных свойств, тем не менее в разделах проектов с заоткоской уступов и созданием цели на предельном контуре часто не обеспечивается применение минимального веса одновременно взрываемого ВВ в скважинах, что приводит к постоянному разрушению откосов уступов. Если нарушения откосов уступов при заоткоске имеют локальный характер, то влияние массовых взрывов в карьере при подходе горных работ к зоне заоткоски и с глубиной карьера, а также процессы выветривания пород и обводнение приоткосных массивов могут играть существенную роль в обеспечении сохранности законтурного массива от нарушений в течение длительного времени. К этому следует добавить также необходимость учета факторов разгрузки массива борта по мере увеличения его высоты и повышающейся ползучести пород в отдельных зонах трещиноватого

массива.

Влияние всех этих факторов пока не учитывается существующими

методиками расчета параметров бортов. По известным методам поверхность сколь-жения связана с- геометрическим соотношением с высотой откоса и не учитывает ее временной характер, а также изменение характеристик пород в приоткосной зоне от вышеназванных влияющих факторов (наведенной техногенной трещиноватости пород, их обводнения, разгрузки пород). Прочностные характеристики пород в зоне поверхности скольжения в этих схемах даже с коэффициентом запаса устойчивости определяются в условиях естественного сложения пород и могут иметь максимальные значения, а применение в расчетах величин сцепления 0.1-0.5 МПа и углов внутреннего трения — 29-30° (расчет-ные

характеристики) могут резко занизить параметры откосов бортов карьеров.

Поэтому в предлагаемом методе определения параметров бортов

Рис.1. Схема к определению параметров техногенных нарушений от взрывов

1, 2, 3 — поверхность ослаблений на смежных горизонтах от действия взрывов и выветривания; Ь, И — горизонтальная и вертикальная составляющие трещин; W, Т — соответственно, влажность и период наблюдений; Тсд1-з, Ъ1-з-— соответственно, напряжения сдвига и сопротивления сдвигу

Рис. 2. Схема к определению параметров блоков ослаблений (сдвижений) с учетом размера трещин в различных типах пород: мало- среднетрещиноватых (а, б) и сильнотрещиноватых и

полускальных

1,2 — трещина от взрывных нагрузок и выветривания; 3,4 — соответственно, контура нарушений от влияющих факторов и времени; 5 — зона заоткоски

учитываются (рис. 1,2):

1. Размеры зон нарушений законтурного массива отстраиваются погоризонтно с учетом сейсмического влияния массовых взрывов вблизи зоны заоткоски и процессов выветривания во времени (1м, 1тв, Ьт-1 Ьп<0 (рис. 2, 3).

2. По мере увеличения высоты борта и сужения карьерного пространства вслед за уменьшением общей массы взрываемого ВВ снижается разделение и выделение структурных толщ и слоев на блоки с минимальным сцеплением с естественным массивом.

Вблизи поверхности

максимальных нарушений массива при влиянии всех определяющих факторов

рассматривается «откос» из блоков различных размеров

и трещиноватости по высоте зоны сдвига (рис. 2).

3. Призма сдвига формируется с поверхности в зависимости от трещиноватости массива и его нарушений и величин сцепления в верхней части поверхности скольжения, близких к контакту «блок-блок».(рис. 2 и 1ой-э, рис. За, б).

Продвижение зоны ослаблений («открытые трещины» по поверхности скольжения) рассчитываются, исходя из скорости распространения влияющих факторов (воды и выветривания пород во времени). Увеличение длины открытых трещин во времени показано на схеме рис. 3 отрезками 1од, 1о2с2 и т.д.

Увеличение напряжений сдвига происходит с повышением веса блоков сдвига и разупрочняющими процессами, протекающими в приоткосном массиве во времени.

4 .Физико-механические свой-ства пород в зоне вероятной поверхности скольжения определяются в соответствии с выделенной блочностью пород при нарушениях массива под действием комплекса факторов и структурами крутонаклонных толщ (слоев) в нижней зоне поверхности скольжения, работающими не только на сдвиг, но и срез (мало, и среднетрещиноватые и трещиноватые породы).

5. После определения параметров борта применением данных по месторождениям с образованием устойчивых откосов (после сдвижения пород) или методы ВНИМИ при использовании прочностных

характеристик,

учитывающих работу структурных тел не только на сдвиг, но и срез, выполняются расчеты по определению устойчивости возможной призмы

сползания с учетом нарушений приоткосного массива техногенными нагрузками, влиянием влаги, выветривания пород и разгрузки массива во времени.

6. Применение данного метода позволяет обосновать, что для мало- и среднетрещиноватых пород даже с введением коэффициента запаса устойчивости и — 1.3 не достигается равенства суммарных величин напряжений сдвига и сопротивления (схема в, рис. 3). Откос будет устойчив даже при высоте его до 700-800 м и угле наклона 55-60° при учете работы малонарушенных структурных тел в нижней зоне поверхности скольжения на срез (сцепление С = 3-4МПа).

7. В трещиноватых породах устойчивый угол откоса борта при высоте его 380-400 м может составлять 48-50°, а в полускальных, соответственно, — 250-260 м и 40-42° (рис. 2в). В последнем случае с учетом коэффициента запаса устойчивости п = 1.3 практически по всей поверхности скольжения учитывается схема смещения типа «блок-блок» с величинами угла внутреннего трения (р = 36-40° и сцепления 0.3-0.6 МПа (расчетная схема, рис. 2).

Важность установления

возможности достижения крутых откосов бортов в карьерах, разрабатывающих месторождения с прочными и средней прочности породами, позволя-

Рис. 3. Схема к определению параметров откосов бортов в трещиноватом (а) мало- и

среднетрещиноватом (б) массивах с схемой действия сдвигающих и сдерживающих напряжений в

периоды времени Т1 и Т

(предельное равновесие):

1, 2, 3 — соответственно, размеры

нарушений от действия взрывов и выветривания при формировании; О1-3 — ось контура зоны заоткоски на горизонтах; 131-2 — ширина зоны заоткоски; 1, 1тв — соответственно, промежуточные и окончательные размеры нарушений с учетом выветривания пород; 1ot¡-3 —

размеры участков ослабления по поверхности скольжения от действия воды и выветривания; 1ср — участок среза (при малонарушенных крутозалегающих толщах (слоях) пород; тсд1-3, тс1-3.— соответственно, величины сдвиговых напряжений и сопротивления сдвигу

ют произвести переоконтуривание многих из них и в особенности карьеров малой и средней глубины, что позволит дополнительно добыть открытым способом значительное количество комплексных руд.

Так, проф. В.Г. Зотеевым и другими соваторами предложено произвести доуглубку одного из карьеров мендоникелевых руд в Мурманской области с постановкой бортов под углами, близкими к максимальным по устойчивости.

Подобные работы нами проведены применительно к условиях карьеров апатито-нефелино-вых руд

(Коашвинское месторождение рудника «Восточный» АО «Апатит» и

комплексных железных руд (Ковдор)). На этих карьерах имеется возможность их доуглубки без разноса верхней части бортов на 50-100 м и отстройки нижней части борта под углом 56-58°.

Действенным способом, который необходимо шире применять на

карьерах, является применение

щадящей технологии заоткоски уступов (участков бортов) и мероприятий по поддержанию их в устойчивом

состоянии. Для снижения

отрицательного воздействия

сейсмических волн при производстве массовых взрывов вблизи приоткосных зон в карьерах целесообразно

Оааёеоа

ПАРАМЕТРЫ ОТКОСОВ БОРТОВ ПРИ УЧЕТЕ ВЗРЫВНЫХ НАГРУЗОК И ВЫВЕТРИВАНИЯ ПОРОД

Породы

малотрещи- новатые средне- трещиноватые сильно трещиноваты полускальны е отвалы наносы

1. Степень нарушенности массивов

1.1. В естественном состоянии 80-95

1 2 При обнажении (сдвижении) 65 -80 55-60

2.. Параметры нарушения откосов

- взрывными нагрузками, Ь, м 35-40 50-60 60-80 90-100

— процессами дыпетривянид 1ь м 1.5-2 3-4 15-20 30-40

3. Расчетные величины:

высота откоса Н0, м 300 250 180-200

угол наклона откоса ™ град 55-60 45 -47 42-40

4. Рекомендуемые параметры:

высота откоса Но, м 370 200 300 200-180 180-200 300 60-80

угол наклона откоса ™ гра тт 54-56 48-50 45-47 46-48 42_39 32_30 33-31

5. Показатель выполаживания откоса

по сравнению с расчетным

К = т /т 2.4 2 3 1.6 1 43

6. Коэффициент запаса пз при

ширине зоны заоткоски

Ь = 10-12 м 1.2 1.0 1.0 1.3 1.3

Ь = 20-40 1.3 1.3 1.3

увеличить ширину зоны заоткоски (буферных зон) до 30-50 м вместо 15-20 м по проектам и создавать экранирующие щели за 30-40 м до подхода горных работ к предельному контуру, а вес одновременно взрываемого ВВ в скважинах в буферной зоне довести до 0.5-0.8 т.

Важность использования дан-ных предложений видна из приведенной ниже таблицы, в которой помещены расчетные данные по влиянию

техногенных нарушений и

выветривания на параметры откосов бортов в различных типах пород по сравнению с их откосами в естественном состоянии и обнажении (сдвижении), а также показано изменение коэффициента запаса устойчивости откоса бортов в различных породах от ширины зоны заоткоски уступов.

В заключение следует отметить, что точность и надежность

определения параметров бортов карьеров повысится при учете основных влияющих факторов на изменение и нарушения законтурного массива пород и его прочностные характеристики в расчетных схемах и позволит целенаправленно

осуществлять меры по применению щадящих технологий заоткоски уступов и бортов и поддержания их в устойчивом состоянии.

1.Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов - М.: Недра, 1965. -376 с.

2. Галустьян Э.Л. Управление геомеханическими процессами на карьерах -М.: Недра, 1980. - 237 с.

3. Мануйлов П.И. Из опыта проектирования устойчивых бортов карьеров. Тр. ин-та ЦНИИторосушение, вып. 5. - М.: Недра, 1966. -

С. 100-113.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Зотеев В.Г. Теоретические основы обеспечения устойчивости и формирование скальных откосов глубоких карьеров. Автореф. докт. дисс. Свердловск, 1982 г.-39 с.

5. Певзнер М.Е. Методы расчета устойчивости уступов и бортов карьеров / Тр. ин-та ГИГХС, вып. 16. - М.: 1971. - С. 109-129.

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