Обоснование рациональных параметров бортов глубокого карьера на основе геофизических методов исследований

что в пределах взрывного блока залегает мелкоблочный массив с включениями среднеблочного и крупноблочного. Интенсивность трещин в пределах мелкоблочного массива составляет 4 - 5 шт/м, интенсивность трещин в среднеблочном массиве - 2-3 шт/м и интенсивность трещин в крупноблочном массиве - 0,51 шт/м. На участке было выполнено 13 основных профилей и 26 вспомогательных профилей. Электрометрические наблюдения показали, что среднеблочный массив залегает на ряде участков (преимущественно на юго востоке взрывного блока) только до глубины 4-5 м, ниже преимущественно располагается мелкоблочный массив. Современные тектонические процессы еще не значительно затронули структуру массива, поэтому трещины находятся в сомкнутом состоя-

нии. Ориентировка трещин преимущественно субширотная и субмеридиональ-ная, а также пологопадающая.

Таким образом, представленная вниманию читателей методика дифференциальной оценки трещиноватости в при-бортовом массиве для последующего составления паспорта буровзрывных работ позволяет дифференцировать массивы не только по их структуре но и состоянию на момент выполнения запланированной технологической операции. Трех профильное зондирование в каждой из точек массива с привлечением информации по тектонике массива и гидрогеологическим данным позволяет оценить интенсивность трещиноватости в каждой из выделенных систем и состояние трещин в каждой системе.

— Коротко об авторах ----------------------------

Яковлев A.B., Синицын В.А., Ермаков Н.И. - ИГД УрО РАН.

© А. С. Федянин, 2005

УДК 622.271.333

А.С. Федянин

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВ ГЛУБОКОГО КАРЬЕРА НА ОСНОВЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Семинар № 3

Т) азвитие открытых горных работ в -К Республике Узбекистан связано с освоением месторождений со сложными горно-геологическими условиями, значи-

тельным увеличением глубины карьеров, в перспективе достигающей 700 м и более. В этой связи строительство глубоких карьеров влечет за собой необходимость

оценки текущего состояния приконтурно-го массива с целью выбора рациональных конструктивных параметров уступов и бортов. Прогноз устойчивости подработанных пород, базирующийся на аналитических методах расчетов с использованием результатов маркшейдерских наблюдений, фиксирующих поздние стадии развития деформации, не позволяет исследовать процессы, предшествующие ее развитию в массиве горных пород. Поэтому параметры карьеров, определенные на основе такого прогноза, не могут иметь рациональных значений. Для повышения достоверности прогноза и определения рациональных параметров бортов карьера могут быть применены геофизические методы исследований, позволяющие изучать изменение геомеханических характеристик горного массива на ранней стадии развития деформационных процессов. Однако использование результатов таких исследований для выбора рациональных параметров карьера не имеет методологической основы. Таким образом, разработка методики обоснования рациональных параметров бортов глубокого карьера на основе геофизических методов исследований состояния прибортового массива, позволяющих повысить достоверность определения его долговременной устойчивости имеет особое значение для глубокого

Рис. 1. Схема прогноза состояния откосов бортов карьера

карьера Мурунтау, находящегося в сложных горно-геологических и сейсмически опасных условиях Центральных КызылКумов.

Опыт разработки месторождений в сложных горно-геологических условиях показывает, что на крупных карьерах со временем начинают развиваться деформационные процессы, нарушающие нормальную эксплуатацию карьеров, создающие аварийные ситуации, приводя к снижению экономических показателей работы. Данная ситуация обуславливает необходимость совершенствования технологических схем формирования бортов карьеров, разработки рациональных конструкций нерабочих бортов, обеспечивающих их долговременную устойчивость. Предложенные методы геотехнических расчетов не учитывают всего многообразия горно-геологических и геодинамических условий глубоких рудных карьеров и требуют усовершенствования с использованием новых информационных технологий, позволяющих конкретизировать параметры уступов и бортов карьеров применительно к реальным условиям.

В связи с этим, на карьере Мурунтау был разработан комплексный подход к расчету рациональных параметров открытых горных выработок, позволяющий обеспечить долговременную устойчивость бортов и базирующийся на информации о реальном состоянии массива горных пород.

Анализ условий разработки месторождения

Карьером Мурунтау разрабатывается золоторудное гидротермальное месторождение, характеризующееся наличием в скальных массивах мощных тектонических нарушений, а также участков, сложенных слоистыми углеродистослюдистыми сланцами, что существенно ослабляет прибортовой массив. Породы, слагающие борта, обладают широким диапазоном изменения прочностных характеристик, их сцепление меняется в пределах от 0,01 до 25 МПа, угол внутреннего трения - от 15°

до 38-42°. Породный массив имеет тенденцию к росту прочности по мере увеличения глубины и характеризуется неправильными контурами и сложной формой рудных тел; сложным строением вмещающих пород; перемежаемостью руд и пород между собой; распространением рудных тел с промышленным содержанием золота до глубины более 1000 м.

Для данных условий на основании детального анализа геологической ситуации и геомеханических условий месторожде-

ния предложена методология и схема разработки прогноза состояния откосов бортов карьера в системе «район месторождения - карьерное поле - борт карьера» (рис. 1), которая позволяет на основании анализа условий разработки месторождения, исследований методами электрометрии и сейсмометрии построить математическую модель и определить рациональные параметры бортов карьера.

Главным в прогнозировании деформаций на конкретном участке месторождения является слежение за изменением геомеханической ситуации в нем во времени, с помощью геофизических методов исследований, с учетом геодинамического воздействия региональной тектоники, имеющей на порядок большую, по сравнению с техногенным, интенсивность воздействия и оказывающей на деформации решающее значение.

На основании проведенных исследований, в системе «район месторождения -карьерное поле - борт карьера», построена геодинамическая модель карьера в виде прогнозной карты развития деформаций бортов карьера до 2010 г., которая показала высокую достоверность составленного прогноза и подтверждена, достаточной для инженерных расчетов, сходимостью с фактическими данными о развитии деформационных процессов на карьере Му-рунтау за период с 2001 по 2004 гг. (рис. 2).

На основании проведенных исследований проведено районирование карьерного поля, с оконтуриванием трех типов участков, характеризующихся различной степе-

Рис. 2. Прогнозная карта деформирования бортов карьера Мурунтау до 2010 г.:

0.3 - изолинии коэффициента вероятности;

деф.№46 - номер деформации за период с 2000 по 2004 г.;...контур карьера

нью устойчивости, что позволило обеспечить надежное прогнозирование развития деформационных процессов, а так же своевременное принятие дополнительных мер для поддержания необходимого уровня безопасности горных работ.

Согласно разработанной схеме прогноза состояния бортов карьера, дальнейшие наблюдения за деформационными процессами проводятся с применением комплексной методики геофизических исследований базирующейся на наличии связей между величинами удельного электрического сопротивления, скоростей, коэффициентов поглощения упругих волн и состоянием деформирующегося массива.

Применение методов сейсмометрии, основанных на измерении сейсмоколебаний горных пород под воздействием массовых взрывов, эффективно для оценки устойчивости прибортового массива. Наблюдения методом спектрального анализа сейсмических волн проводились по специально разработанной методике с использованием аппаратуры типа СМ-3КВ с регистрацией данных на магнитограф типа НК-30Е в комплекте с монитором калибратором МП-41 и переносным компьютером оснащенным 12 разрядным цифровым преобразователем.

В качестве базового критерия, характеризующего сейсмическое воздействие на элементы карьера Мурунтау, был принят спектральный уровень (спектральная плотность излучения) горизонтальных колебаний горных пород на частоте основного тона собственных колебаний бортов карьера. Регистрация колебаний проводилась на специально оборудованных станциях непрерывно на стадиях подготовки взрывов, в момент проведения взрывов и после их проведения до выхода колебаний на параметры, близкие к исходным (сейсмошум).

Высота слоя, м

Высота борта, м

Рис. 3. Взаимосвязи прогнозируемых объемов деформаций бортов карьера Мурунтау с высотой деформируемого слоя

В результате проведенных исследований получены взаимосвязи прогнозируемых объемов деформаций бортов карьера Мурунтау с высотой деформируемого слоя при массовых взрывах (рис. 3, а), описываемое соответственно выражением:

ТТ 0.04Н

= 3.9 е

где Ув, - объем прогнозируемых деформаций при массовых взрывах и землетрясениях, тыс. м3; Н - высота деформируемого слоя пород, м.

Также эмпирически получены зависимости резонансной частоты колебаний от высоты борта карьера (рис. 3, б).

Выполненные исследования показали целесообразность использования сейсмических методов для выявления неустойчивых участков на основе анализа спектров колебаний массивов горных пород при ес-

тественных и техногенных землетрясениях.

Наблюдения методом ВЭЗ на бортах карьера проводятся по разработанной методике на стационарных станциях. Стационарные наблюдения позволили минимизировать влияние внешних факторов, а длительные режимные наблюдения создали условия для использования аппарата математической статистики, что в значительной степени повышает достоверность построения динамической модели изучаемого участка.

В результате наблюдений установлено, что на участках примыкающих к зоне вероятного будущего деформирования (в пределах первых сотен метров) изменение сопротивления накануне его возникновения достигает 30^40 %. При сохранении целостности приконтурного

массива, на котором заложена станция, после разгрузки массива и реализации деформации значение кажущегося сопротивления пород стремится к исходному (рис. 4).

Рис. 4. Типовые графики изменения кажущегося сопротивления пород во времени на стационарной станции ВЭЗ:

Ряд 1 - для глубин 56 м; ряд 2 - для глубин 100 м

й ю 1 1 30 І І 20 І Ї 10 Ї : 0 ДефЛі Д«ф-М 32 40 .

І ’ * ¡1-10 8 1 1 -?0 | -30 О -40 ь \ І I 1 > о о о\ !СЗ \і*- оЗг'б)/ от с да \д> а> / вг о> с 0) ч> О) у О) О) < Ы """осі СО Ь- » О т- о о о с о о о о о с время «І а> <о о о о о о о о о с ! :— Ряд2 1

Рис. 5. Укрупненная блок-схема алгоритма расчета рациональных параметров бортов карьера

Следовательно, вариации линий регрессии кажущегося сопротивления пород (рк) исследуемого массива отражают не только структурную неоднородность массива как слоев с различной электропроводностью, но и перераспределение внутренних напряжений в массиве во времени с учетом реальной геологической структуры.

Существующая четкая корреляция значений между кажущимся сопротивлением, структурой и напряженно-

деформированным состоянием горных пород, позволяет использовать методы электрометрии для определения динамики напряженно-деформированного состояния

прибортового массива до проявления видимых нарушений.

Таким образом, по результатам выполненных исследований с достаточной для инженерных расчетов точностью удалось

Рис. 6. Схема к расчету устойчивости борта с использованием структурных особенностей массива по данным геофизических наблюдений:

1 - зоны разломов; 2 - зоны трещиноватых пород и структурных неоднородностей; 3 - рациональный

профиль борта; 4 - существующий профиль борта

зарегистрировать начальную (скрытую) стадию деформационных процессов, что доказывает возможность обеспечения оперативного контроля за состоянием устойчивости уступов и бортов карьера методами электрометрии.

Реализованная методика в комплексе с данными результатов геофизического исследования скважин так же эффективно используется для подтверждения геологической ситуации и выявления структурных неоднородностей прибортового массива, определения границ структурных блоков и поверхностей скольжения.

Результаты комплекса геофизических методов исследований являются базовыми для построения математической модели, на основании которой осуществляется выбор рациональных параметров борта. Расчет рационального профиля борта карьера проводится на основании фактического инженерно-геологического разреза, подтвержденного данными геофизических исследований.

На базе разработанной математической модели составлен алгоритм расчета рациональных параметров бортов карьера (рис. 5), на основании которого был создан пакет компьютерных программ, отличающиеся от принятых типовых схем тем, что математическая модель борта карьера формируется на основании геофизических данных. А коэффициент устойчивости оп-

ределяется с учетом структуры расчетного профиля.

При этом одновременно учитываются следующие факторы: минимизируется

объем вскрыши, уступы вписываются в заданный результирующий угол карьера, для каждого уступа учитываются ограничения по ширине бермы и угла наклона. Учитывается коэффициент устойчивости каждого уступа и борта в целом.

Для решения задачи оптимизации определяется контур борта карьера заданной глубины, для которой обеспечивается одновременное выполнение условий минимума целевой функции оптимизации, связанной с объемом выработанного пространства, при сохранении требуемых параметров устойчивости горного массива с заданными прочностными характеристиками по потенциальной поверхности скольжения.

S,

-IX

tga '

b,  h +

hi

h1 (2k -1) 2tgPt

Si ^ min; i = 1, k

где Si — площадь выработанного пространства; а - езультирующий угол борта карьера; Н - высота борта карьера; k - число уступов; h - заданная высота уступа, причем kh = Н; bi - ширина i-й бермы; 9i -угол i - го уступа.

Расчеты устойчивости бортов, проводившиеся с учетом увеличения глубины карьера до глубины 750 м, показали, что площадь вскрыши по оптимизированному профилю на 5-7 % меньше по сравнению с расчетами проектных институтов (рис. 6).

Корректировка генеральных углов наклона бортов в сторону увеличения внедрена в практику разработки карьера 3 очереди и учтена в 4 очереди развития карьера.

На основании проведенных исследований разработана и внедрена безопасная технология отработки призмы деформации № 43, согласно которой горные работы в зоне деформации ведутся уступами сверху вниз с оставлением в пределах призмы возможного обрушения предохранительного целика из ненарушенных взрывом горных пород. Этот предохранительный целик разрушается взрывом при переходе на отработку нижележащего уступа, при этом его проработка взрывом достигается за счет усиления заряд по первому ряду скважин и сокращения линии наименьшего сопротивления. Для этого скважины первого ряда бурятся веерным пучком с наклонными и вертикальными скважинами с последующим взрывом. Ширина рабочей площадки в этом случае выбирается исходя из конкретных горнотехнических условий и на практике изменяется от 40 до 70 м.

После проведения взрывных работ часть горной массы переместится на бермы нижележащих горизонтов, с которых после окончания активной стадии деформирования оставшаяся после взрыва горная масса сталкивается бульдозером для расширения рабочей площадки на этом горизонте до границ призмы деформации. После полной очистки площадки производится ее дальнейшее обуривание и взрывание. Аналогичная технология применяется и при отработке нижележащих горизонтов в зоне деформации.

В результате последовательной отработки уступов в зоне деформации по предложенной технологии достигается безопасность работы оборудования.

Данная технология реализована в проекте на отработку деформации №43 Северного борта карьера и позволяет обеспечить оптимальный профиль борта карьера в границах IV очереди на участке деформации.

Проведенный комплекс научно-

исследовательских работ позволил произвести научно-обоснованную корректировку генеральных углов наклона бортов в сторону увеличения по сравнению с проектными параметрами в среднем на 3-60 при обеспечении длительной устойчивости бортов. При этом экономия вскрыши достигает 87 млн м3, снижаются объемы пустых пород и, как следствие, транспортные расходы на вывоз горной массы с глубоких горизонтов.

Предлагаемая технология позволяет добыть дополнительно 300 тыс. т товарной руды.

Таким образом, на основании теоретических и экспериментальных исследований для условий карьера Мурунтау было получено решение актуальной научнотехнической задачи по созданию комплексного метода обоснования рациональных параметров бортов глубоких карьеров, рассматриваемых в системе геомеханических расчетов как совокупность геологических и технологических структурных элементов, на основании установленных зависимостей между механическими свойствами горных пород месторождения и их физическими характеристиками, определяемыми геофизическими методами в процессе разработки сложноструктурного месторождения. Проведенные исследования позволили повысить эффективности технологии разработки глубокого карьера за счет сокращения объемов вскрышных ра-

бот, увеличения результирующих углов тойчивости бортов карьера. откосов и повышения долговременной ус-

— Коротко об авторах

Федянин А. С. - геофизик Центрального рудоуправления НГМК.

------------------------------------------- © В.А. Асанов, И.Л. Паньков,

И. В. Гурко, 2005

УДК 622.02:531

В.А. Асанов, И.Л. Паньков, И.В. Гурко ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ СОЛЯНЫХ ПОРОД

Семинар № 3

Динамическое разрушение прикон-турной части подработанного массива явление достаточно распространенное в горной практике [1, 2]. Реализация такой формы проявления горного давления отмечается на многих угольных и рудных месторождениях мира, разрабатывающих породы, характеризующиеся повышенной хрупкостью. Значительно реже горные удары происходят в квазипластич-ных горных породах. Здесь следует выделить калийные месторождения Германии, где неоднократно имели место динамические разрушения целиков [3].

В последнее время, в связи с интенсивной отработкой месторождений полезных ископаемых, на рудниках, ведущих горные работы в породах, которые традиционно считались неудароопасными, стали регистрироваться динамические формы проявления горного давления. Наиболее показательное в этом отношении событие произошедшее в январе 1995 года на участке 1-й и 11-й северо-восточных панелей Второго

Соликамского калийного рудоуправления (СКРУ-2) ОАО “Сильвинит”, ведущего разработку запасов Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС). В результате внезапного массового разрушения целиков произошло обрушение кровли над отрабатываемыми пластами пород объемом более 3 • 106 м3. Площадь разрушения составила 0,3 км2. На поверхности мгновенно сформировалась мульда оседания глубиной до 4,5 метров. Сейсмическими станциями данное событие было зарегистрировано как землетрясение с магнитудой М-3,8. В районе аварии вынимались два (частично три) сильвинитовых пласта камерной системой разработки. Ширина камер составляла 14-16 м, при высоте на пласте АБ - 4 м, на КрП - 6 м. Глубина залегания пластов изменялась с запада на восток от 250 до 350 м. Только по счастливому стечению обстоятельств обошлось без человеческих жертв, разрушений объектов в районе городской застройки, а также не был затоплен калий-

* Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-05-96031) и Интеграционного проекта УрО РАН № 05-11-04.