Геомеханические проблемы при открытых горных работах

Секция 1. ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ БЕЗОПАСНОЙ ОТРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ГЛУБОКИМИ КАРЬЕРАМИ

--© Э.В. Каспарьян, А.А.Козырев, 2015

УДК 622.831

Э.В. Каспарьян, А.А.Козырев

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТАХ

Изложены основные задачи и методы управления геомеханическими процессами при открытых горных работах. Подчёркивается единство методических подходов к решению вопросов управления геомеханическими процессами при подземном и открытом способах разработки. Предлагается рассматривать борт карьера как специфическое инженерное сооружение, которое с точки зрения геомеханики имеет много общего с подземными капитальными горными выработками. Указывается, что при расположении уступов в массивах приповерхностных ослабленных пород (грунтах), вопросы их устойчивости детально исследованы исследователями под руководством проф. Г.П. Фисенко. Для уступов, располагающихся в массивах скальных пород иерархично-блочной структуры и при действии гравитационно-тектонических полей напряжений, предлагается метод оценки устойчивости, основанный на определении параметров зоны неупругих деформаций и разрушений. На основании результатов расчётов предлагаемым методом для условий карьера рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК», рекомендованы параметры устойчивых уступов высотой откоса 24—30 м и с углом наклона 90 градусов. Рекомендации реализованы на 30 % общей длины контура карьера, поставленного в конечное положение. Ключевые слова: открытые горные работы, карьер, борт карьера, уступ, геомеханические процессы, устойчивость.

Открытые горные работы представляют собой самостоятельное технологическое направление ведения горных работ, обладающее определёнными преимуществами по сравнению с технологиями подземных разработок, и, в течение долгого времени развивающееся практически независимо от них.

Необходимо отметить, что с точки зрения геомеханики нет больших различий в развитии геомеханических процессов как при строительстве и эксплуатации подземных предприятий, так и карьеров, и это позволяет применять единые методические подходы к

обеспечению безопасности и решению геомеханических проблем при ведении горных работ открытыми и подземными способами.

Как и при подземной разработке, технологические параметры открытых горных работ в значительной мере определяются развитием геомеханических процессов (деформаций, сдвижений и разрушений горных пород) в массивах пород разрабатываемых месторождений. При этом основные проблемы геомеханики при ведении горных работ открытым способом заключаются в обеспечении устойчивости бортов и уступов карьеров, а также откосов отвалов.

Таким образом, управление геомеханическими процессами при открытых горных работах заключается в обосновании оптимальных, с точки зрения безопасности и эффективности, конструкций бортов карьеров, определении углов откосов и высоты уступов, параметров предохранительных и транспортных берм, а также углов откосов и высоты отвалов.

Существенной особенностью решения геомеханических задач при открытых горных работах, является весьма высокая доля массивов пород, представленных приповерхностными, большей частью слабыми разновидностями пород, часто представляющие собой грунтовые массивы. Отличительными чертами грунтовых массивов являются весьма малые размеры частиц пород слабо связанных между собой, структурные неоднородности обычно представлены только слоистостью, а напряжённое состояние обусловлено исключительно гравитационным полем.

В определённой степени это же относится и к массивам отвалов, которые тоже часто представляют собой фактически насыпные грунты искусственного происхождения, но здесь необходимо учитывать, что в отличие от типичных грунтов, породы отвалов имеют существенные неоднородности фракционного состава.

Однако по мере увеличения глубины ведения горных работ доля грунтовых массивов уменьшается, отмеченные особенности для карьеров теряют свою значимость и массивы пород, с геомеханической точки зрения, становятся всё более идентичными массивам, с которыми имеют дело горняки при строительстве подземных сооружений и горнодобывающих предприятий. Для отвалов же эти особенности остаются, и их приходится учитывать при решении геомеханических проблем.

Борта карьеров и отвалы пород можно рассматривать как специфические инженерные сооружения, обладающие особыми свойствами с точки зрения геомеханики. В частности, уступы бор-

тов карьеров имеют различный срок службы, наиболее продолжительные сроки характерны для самых верхних уступов, поставленных в конечное положение.

Исходя из весьма длительных сроков эксплуатации карьеров, особенно в части верхних уступов, борта карьеров с точки зрения развития геомеханических процессов очень сходны с капитальными выработками подземных сооружений, а потому и методы обеспечения их устойчивости могут осуществляться аналогичными путями - либо регулированием (обычно снижением) действующих напряжений в приконтурном массиве, либо целенаправленным изменением свойств пород, слагающих уступы и борта.

Если уступы и борта карьеров располагаются в грунтовых массивах или ослабленных скальных породах, развитие геомеханических процессов сопровождается образованием поверхностей скольжения и основной формой потери устойчивости являются оползневые явления. При этом наибольшее распространение получили приближенные методы расчёта параметров уступов и бортов, основанные на допущении, что потеря устойчивости происходит по поверхностям определённой формы, где сдвигающие силы превышают удерживающие. Основное условие устойчивости горных пород в откосах в этом случае записывается в виде:

£$>ЕТ,,

где £5,- — сумма сил, удерживающих откос от сдвига по наиболее слабой поверхности; —сумма сдвигающих сил по этой поверхности.

Отношение суммы удерживающих сил к сумме сдвигающих носит название коэффициента запаса устойчивости (п = £5,/£Т,). Поверхность, по которой действуют силы с отношением п = 1, называют предельно напряженной или поверхностью скольжения.

Форма и местоположение в массиве предельных поверхностей скольжения зависят от свойств пород, структурных неодно-родностей и параметров откосов.

В Российской практике форму поверхности скольжения для откосов, сложенных однородными породами, чаще всего принимают комбинированной в виде сочетания круглоцилиндрической поверхности с плоской (рис. 1) [3].

Из решения плоской задачи теории предельного напряженного состояния сыпучей среды следует, что в точке В приоткосной зоны массива (рис. 1) (активная зона, зона оседания) площадки

о У

к

о

Е

Рис. 1. Комбинированная форма поверхности скольжения откосов, сложенных слабыми однородными породами: Участок АВ — поверхность скольжения отображается круглоцилиндрической поверхностью (в сечении - дугой окружности); участок ВС -плоскость, касательная к круг-лоцилиндрической поверхности (в сечении - прямая линия); участок СЕ - вертикальная плос-

А

х кость

скольжения наклонены к горизонту под углом а2 = п/4 + ф/2, а в нижней точке А поверхности скольжения (пассивная зона, зона упора) - под углом ах = п/4 — ф/2 (ф - угол внутреннего трения пород откоса). В верхней части откоса обычно наблюдается поверхность отрыва СЕ (вертикальная трещина Н90), в пределах которой силы сцепления между поверхностями отрыва практически равны нулю.

Предельную поверхность скольжения можно определить по данным маркшейдерских наблюдений или путем инклинометриче-ских измерений в скважинах, пробуренных в оползневом массиве.

Одновременно с установлением местоположения круглоци-линдрической поверхности скольжения назначают ориентировочный угол откоса уступов или бортов карьера, исходя из практического опыта эксплуатации и результатов многолетних наблюдений за устойчивостью откосов в различных горно-геологических условиях. Для откосов уступов ориентировочные углы принимают в пределах а = 60-75 , а для бортов карьеров в соответствии с рекомендациями нормативного документа [1].

Затем выполняются проверочные расчёты устойчивости рассматриваемого откоса по схеме, представленной на рис. 2.

Для каждого отрезка предполагаемой поверхности скольжения составляют условие возможного сдвига (условие Кулона):

где То, ф — соответственно сцепление и угол внутреннего трения пород и определяют коэффициенты запаса (коэффициенты устойчивости).

Ъ =То+ N 1дф,

Рис. 2. Схема к расчету устойчивости откоса при круглоцилиидри-ческой поверхиости скольжеиия

Если хотя бы на одном участке значение п будет менее заранее установленного нормированного значения (для уступов обычно принимаются п = 1.2, а для бортов, поставленных в конечное положение, п = 1.3), откос признаётся неустойчивым, и расчёты повторяются при меньшем значении угла а. Если же значения п существенно превышают нормированные значения, то повторные расчёты выполняются при больших значениях угла откоса а.

В случае, когда массив пород имеет слоистую структуру вследствие развития различных структурных неоднородностей (напластования, дизъюнктивных нарушений, ярко выраженных трещин), падение которых направлено в сторону карьерной выемки, а углы падения больше угла внутреннего трения по контактам слоев и меньше угла откоса уступа, т.е. в условиях, при которых возможна подрезка контактов между слоями, форма поверхности скольжения принимается плоской.

Изменение угла наклона откоса уступа или борта карьера приводит, фактически, к изменению напряжённого состояния массива пород (т.е. нагрузок) в уступах или бортах и достижению приемлемых коэффициентов устойчивости. В настоящее время это самый распространённый способ обеспечения устойчивости бортов карьеров.

Менее распространены способы обеспечения устойчивости бортов путём целенаправленного изменения свойств массива, в данном случае сцепления То и угла внутреннего трения ф. В принципе увеличение прочностных характеристик массива может быть обеспечено применением различных специальных технологий упрочнения массивов - цементацией; использованием синтетических смол, установкой анкеров; железобетонных или металлических свай и др.

В массивах прочных скальных пород развитие геомеханических процессов вокруг горных выработок (в том числе и в массиве уступов и бортов карьеров) приводит к образованию зоны неупругих деформаций и разрушений, а основная форма потери устойчивости обнажений пород происходит в виде вывалов пород, ограниченных поверхностями структурных неоднородностей различных порядков (классов).

При этом, также как и в случае подземных горных выработок, зона неупругих деформаций и разрушений образуется под воздействием трёх групп факторов - перераспределения естественных полей напряжений, технологических воздействий и процессов выветривания.

Однако в условиях карьерных выемок особенностью формирования зоны неупругих деформаций в результате изменения напряжённого состояния массива является её образование не непосредственно на контуре уступов, а в глубине массива, начиная с некоторого расстояния от поверхности откоса, в свою очередь определяемого параметрами принятых берм безопасности на вышележащих уступах. В то же время образование зоны неупругих деформаций и разрушений под воздействием технологических факторов (взрывных работ) и процессов выветривания происходит наиболее интенсивно на контуре уступов и в приповерхностной части массива.

Таким образом, основной геомеханической задачей в рассматриваемых условиях является установление параметров зон неупругих деформаций и разрушений и, исходя из этого, обоснование параметров уступов и берм, обеспечивающих снижение вероятности образования отдельных вывалов.

Для достижения этих целей в каждом конкретном случае в первую очередь необходимо выявлять «эффективные» структурные неоднородности, которые могут ограничивать опасные (с точки зрения размеров) вывалы. «Эффективные» структурные неод-

нородности определяются соотношением размеров структурных блоков и размерами области воздействия, которое в общем случае составляет

Wэф =

где Wэф - линейные размеры структурных блоков, ограниченных эффективными структурными неоднородностями, Wв — линейные размеры области деформирования какого-либо конкретного объекта.

Например, при высоте уступов 15-20 м, параметры Шэф, т.е. среднее расстояние (частота) между соседними эффективными неоднородностями, составляют 0.15.2.0 м, т.е. эффективные структурные неоднородности в данном случае будут представлять собой естественную мелкоблоковую и крупноблоковую трещиноватость, а средние размеры отдельных вывалов могут достигать 2 м.

Если рассматривать борт в целом, эффективные неоднородности будут иными. Например, при высоте борта 300 м, параметры эффективных неоднородностей будут порядка 30 м и чаще всего будут представлены геологическими нарушениями или какими-либо нарушенными зонами, жилами, дайками и др.

Метод расчёта параметров зон неупругих деформаций и разрушений, образующихся в результате перераспределения естественных напряжений массива пород, практически, не отличается от методов расчёта аналогичных параметров вокруг подземных выработок [2].

В частности, если рассматривать условия разрушения участков массива горных пород, ослабленных различно ориентированными поверхностями структурных неоднородностей, то полная система условий прочности состоит из трех неравенств (рис. 3):

соэ2^ (а - tg§тp ) < [^ ] + ;

соз2«2

со;5 2аз (2аз- Ытр) < К ] + ^0.

где [ттр], фтр — соответственно сцепление и угол внутреннего трения по поверхностям неоднородности, в частности по естественным трещинам; а1, а2, а3 — углы ориентации поверхностей неоднородности (трещин) по отношению к меньшему из главных напряжений.

Рис. 3. Схемы разрушения пород по поверхностям различно ориентированных структурных неоднородностей: а-в — соответственно под воздействием [стх, сту];

<гх]; [Сту, стг]. 1 — структурный блок; 2 — поверхность неоднородности

При этом в принципе возможны два подхода к расчёту радиальной глубины зон возможных вывалов. Первый, при недостатке данных о структурных особенностях рассматриваемого массива, предусматривает определение максимально возможных областей вывалов в предположении наиболее неблагоприятного расположения поверхностей ослабления. Второй -когда в качестве исходных данных используются реальные геометрические параметры систем структурных неоднородностей, определённые по результатам полевых исследований рассматриваемого массива пород.

Опыт научного сопровождения проектирования карьеров различных рудных месторождений позволяет рекомендовать следующую последовательность действий при определении устойчивых параметров уступов и бортов карьера в условиях скальных массивов:

• Выполнение геомеханических расчётов параметров зоны неупругих деформаций и разрушений в массиве пород уступов от воздействия статических напряжений при максимальном угле их наклона, равном 900, и высоте, обусловленной параметрами необходимого добычного оборудования, исходя из заданной производительности.

• В случае, если параметры зоны неупругих деформаций и разрушений в массиве пород уступов оказываются неприемлемыми (для условий карьеров Кольского полуострова глубина развития зоны в массив уступа не должна превышать 1 м), то принимается техническое решение либо об изменении величин действующих напряжений путём изменения угла наклона уступа, либо об изменении деформационно-прочностных характеристик массива

пород упрочнением различными методами (например, цементацией, силикатизацией, пропиткой синтетическими смолами) или применением различных видов крепи (например, анкерной крепи, набрызг-бетона или их сочетанием). Решение принимается на основании сопоставления результатов соответствующих экономических расчётов.

• После окончательного выбора параметров уступов можно переходить к определению параметров бортов в целом, предварительно выявив участки контура, потенциально опасные по образованию крупных вывалов вследствие неблагоприятного расположения структурных неоднородностей, и оценив их степень устойчивости. Если степень устойчивости оказывается недостаточной (коэффициенты запаса меньше нормативных), то разрабатываются и закладываются в проект необходимые мероприятия по обеспечению их устойчивости. При этом также учитываются необходимые размеры предохранительных и транспортных берм.

• Разрабатываются и закладываются в проект системы геомеханического мониторинга состояния массива пород уступов и бортов карьера, т.е. контроля устойчивости уступов и бортов карьеров, которые в общем случае подразделяются на системы регионального и локального контроля. Системы регионального контроля обычно представляют собой специальные полигоны, на которых выполняются регулярные измерения перемещений отдельных пунктов с использованием методов традиционной или спутниковой геодезии, весьма успешно применяются различные геофизические методы (например, сейсмические методы для контроля зарождающихся очагов разрушений в массиве пород).

Изложенный метод определения устойчивых параметров уступов и бортов карьера был апробирован в условиях карьера «Железный» Ковдорского апатито-бадделеит-магнетитового месторождения (ОАО Ковдорский ГОК, Кольский полуостров).

В результате проведенных расчётов для части контура карьера (~30 %) рекомендовано и реализовано формирование бортов вертикальными уступами высотой 24^30 м.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов, уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости, Ё, ВНИМИ, 1971.

2. Каспарьян Э.В. Устойчивость горных выработок в скальных породах. Л., Наука, 1985, 185 с.

3. Фисенко Г.Ё. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. 2-е изд. Пе-рераб. и доп. М. Недра, 1965, 378 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Каспарьян Эдуард Варужанович - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, kasp@goi.kolasc.net.ru,

Козырев Анатолий Александрович - доктор технических наук, профессор, заместитель директора, заведующий лабораторией, kozar@goi.kolasc.net.ru, Горный институт Кольского научного центра РАН.

UDC 622.831 GEOMECHANICAL PROBLEMS IN OPEN MINING

Kasparyan E.V., leading researcher, Dr.Sci. (Eng.), Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia, kasp@goi.kolasc.net.ru, Kozyrev A.A., head of laboratory, Dr.Sci. (Eng.), Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia, kozar@goi.kolasc.net.ru.

The paper presents main tasks and methods for managing geomechanical processes at open mining. Unity of methodical approaches to solve issues of management of geomechanical processes at open and underground mining is underlined. The authors propose considering a pit wall as a specific engineering structure which has a lot of common with underground capital mining excavations from geomechanical point of view. It is noted that aspects of stability of benches location in near-surface weakened rocks masses (soils) have been studied in detail by researchers leaded by the professor G.L. Fisenko. Stability of benches located in hard hierarchically-blocked rock masses and under gravity-tectonic stress fields action is proposed to be assessed based on determination of parameters of a zone with non-elastic deformations and destructions. The calculation results obtained by the method mentioned above for the Zhelezny mine («Kovdorsky GOK» JSC) have allowed recommending parameters for stable benches such as a bench's height - 24-30 m and angle of slope — 90°. The recommendations have been implemented by 30 % of a total length of the open-pit's contour in ultimate position.

Key words: open mining, open-pit, pit wall, bench, geomechanical processes, stability.

REFERENCES

1. Instrukcija po nabljudenijam za deformacijami bortov, otkosov, ustupov i otvalov na kar'erah i razrabotke meroprijatij po obespecheniju ih ustojchivosti (Manual on deformation of the sides, slopes, ledges and dumps in quarries and the development of measures to ensure their sustainability), Leningrad, VNIMI, 1971.

2. Kaspar'jan E.V. Ustojchivost' gornyh vyrabotok v skal'nyh porodah (Stability of mine workings in the rocks). Leningrad, Nauka, 1985, 185 p.

3. Fisenko G.L. Ustojchivost' bortov kar'erov i otvalov (Stability of the pit and dumps). 2-e izd. Pererab. i dop. Moscow. Nedra, 1965, 378 p.