Управление устойчивостью прибортового массива при выемке запасов полезных ископаемых за контуром карьера

УДК 622.23

УПРАВЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТЬЮ ПРИБОРТОВОГО МАССИВА ПРИ ВЫЕМКЕ ЗАПАСОВ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ЗА КОНТУРОМ КАРЬЕРА

© А.В. Волохов1, Л.С. Сафонов2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассматриваются вопросы разработки запасов полезных ископаемых сложноструктурных месторождений, находящихся за границей карьерного поля. Определены условия применения различных способов выемки рудных тел в зависимости от их расположения относительно проектного контура. При ведении очистных работ с уровня рабочих горизонтов действующего карьера подземными технологиями возникает вопрос о сохранении устойчивого состояния уступов и бортов. Решение данной задачи достигается с помощью применения комплекса специально разработанной технологии и мер, включающих в себя определенные ограничения, использование твердеющих смесей, предварительные расчеты устойчивости и маркшейдерский контроль. Ил. 5. Табл. 1. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: сложноструктурные месторождения; законтурные запасы; горные разработки; проектный контур; устойчивость борта; коэффициент запаса устойчивости.

NEAR WALL ZONE STABILITY CONTROL UNDER PERIPHERAL MINING OF MINERAL RESOURCES A.V. Volokhov, L.S. Safonov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article deals with the development problems of mineral resources from the complex structure deposits located beyond the open-cast pit. It determines the application conditions of different mining methods depending on ore body location relative to the final pit. When stoping by the underground technologies at producing levels of the operating open pit there is a question of maintaining the stable state of open pit benches and walls. This objective is achieved through using the complex of a specially developed technology and measures, including some limitations, use of hardening mixtures, preliminary calculations of stability and survey control. 5 figures. 1 table. 6 sources.

Key words: complex structure deposits; peripheral resources; mining; final pit; wall stability; safety factor.

В процессе разработки месторождений полезных ископаемых часть запасов, как правило, остается за проектными контурами горных работ в силу горногеологических, технологических и экономических причин [5]. Их выемка в одних случаях может осуществляться открытыми работами, в других - с использованием технологий подземных горных работ.

Неполная выемка рудных залежей также характерна для сложноструктурных месторождений, отрабатываемых открытым способом. В результате за контуром горных работ может сосредотачиваться весомая доля балансовых и забалансовых запасов полезных ископаемых. На предприятиях с мощными рудными образованиями и выдержанными условиями их залегания доработка оставленных запасов за проектным контуром карьера осуществляется с использованием известных систем подземной разработки.

Сокращение затрат на выемку оставшихся за контуром карьера запасов полезного ископаемого возможно путем ведения горных работ из карьерного

пространства. Выбор предполагаемых вариантов отработки диктуется следующими факторами: горнотехническими условиями, технологией ведения горных работ, распределением рудных тел вокруг карьера в плане и по высоте. В одних случаях их выемка может осуществляться открытыми горными работами в рамках сформированного технологического пространства с использованием дополнительных инженерных решений. В других - необходим учет распределения рудных тел по вертикали борта и возможности управления геомеханической обстановкой, т.е. само распределение рудных тел в законтурной области карьера может диктовать определенные условия изыскания подходов к решению задачи отработки законтурных запасов полезных ископаемых.

Основываясь на характере распределения залежей полезного ископаемого за контуром карьера, можно выделить варианты отработки оставшихся запасов руды, представленные на рис. 1.

Отработка законтурных запасов открытым спосо-

1Волохов Анатолий Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел.: 89246096238, e-mail: volohov@istu.edu

Volokhov Anatoly, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mine Surveying and Geodesy, tel.: 89246096238, e-mail: volohov@istu.edu

2Сафонов Леонид Семенович, кандидат технических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел.: 89l40149794, e-mail: safonova.valia@yandex.ru

Safonov Leonid, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mine Surveying and Geodesy, tel.: 89140149794, e-mail: safonova.valia @ yandex.ru

бом имеет ограничения, диктующие необходимость перехода на подземную технологию разработки из карьера:

- рудное тело залегает ниже поверхности бермы безопасности под слоем пустых пород, вскрытие которых открытыми работами экономически не целесообразно или невозможно по условиям устойчивости;

- берма отработана до предельных технических возможностей открытого способа, а рудное тело залегает еще ниже;

- рудная залежь расположена в глубине законтурного массива;

- рудное тело представлено пологопадающей пластообразной залежью, также уходящей вглубь массива на большую величину.

Рассмотрим условия применения нисходящей слоевой системы заходками из выработанного пространства карьера.

В данном случае очистные работы осуществляются с уровня рабочих горизонтов карьера по достижении ими соответствующих отметок залегания рудных тел в вертикальной плоскости или с временных рабочих площадок, организуемых на уровне очередного

слоя (рис. 2). При определенных горнотехнических условиях, когда рудные тела располагаются в районах широких предохранительных берм, позволяющих размещать карьерное оборудование и временные рабочие площадки, выемку законтурных запасов можно производить независимо от общего понижения горных работ в карьере. В противном случае отставание в понижении горных работ при отработке законтурных рудных тел из карьера ведет к сдерживанию производства основной добычи.

На рабочей площадке размещается оборудование, применяемое на подземных горных работах (например, погрузочно-доставочная машина МПДН-1М (ПД-2Э), буровая каретка БК-2П), по трубам, от ближайших коммуникаций, подводятся сжатый воздух и техническая вода.

Отработка запасов руды слоя осуществляется одновременно несколькими очистными выработками по схеме заходка-целик. Они размещаются по фронту борта карьера в определенной последовательности. Ширина, высота и длина заходок определяются условиями залегания рудного тела, его конфигурацией и

Отработка законтурных запасов

Рис. 1. Способы отработки законтурных запасов полезных ископаемых

удаленностью от контура карьера и, в конечном итоге, утверждаются паспортом. Если рудная залежь расположена ближе 80-ти м от предельной границы карьера, применяется погрузочно-доставочная машина типа МПДН-1М, работающая на сжатом воздухе. Из-за резкого падения давления воздуха на большей длине, далее ее применение не имеет смысла. При удалении залежи до 100-120 м эффективно использование по-грузочно-доставочной электрической сочлененной машины ПД-2Э. В отдельных случаях это расстояние может быть увеличено до 150 м.

По длине очистные выработки (заходки) разделяются на портальную, устьевую часть и обычную с креплением, определяемым паспортом крепи, исходя из конкретных горнотехнических условий.

Врезка заходок осуществляется перпендикулярно (или близко к этому) простиранию откоса уступа на длину, зависящую от угла откоса и горногеологической обстановки.

После отработки каждой очистной выработки производится ее закладка твердеющей смесью, подаваемой бетоновозами с рабочей площадки или с бермы по скважинам, трубопроводам в зависимости от принятой технологии. Полнота закладки выработанного пространства обеспечивается за счет уклона заходок, составляющего 4-6°.

По окончании очистных и закладочных работ на слое (горизонте) рабочая площадка с помощью экскаватора срабатывается до отметки нижележащего слоя.

Отработка законтурных запасов из нерабочих бортов карьера (см. рис. 2), предусматривающая нисхо-

дящий порядок выемки, имеет ряд существенных преимуществ перед восходящим, предложенным в работе [1]:

1) сохраняется единая тенденция понижения горных работ, свойственная открытым горным работам и увязанная с ними технологически;

2) подземные горные работы ведутся под искусственной кровлей, создаваемой из твердеющей смеси, устойчивостью которой можно управлять.

Если выработанное пространство заполняют твердеющим материалом с прочностью, соответствующей характеристикам удаляемой горной массы, то проектные параметры уступа сохраняются, следовательно, контуры карьера на ниже лежащих горизонтах также остаются без изменения. Неблагоприятная ситуация для устойчивости откосов может сложиться только в тех случаях, когда разрабатываемый уступ является призмой упора для потенциальной призмы обрушения участка борта, расположенного выше отрабатываемого уступа (см. рис. 2). Критическое состояние может возникнуть после выемки 3-4 слоев и ниже, пересекаемых потенциальной поверхностью скольжения. Задача обеспечения устойчивости откосов в этом случае состоит в выявлении влияния выемки горной массы на состояние окружающего массива и компенсацию теряемых удерживающих сил.

Ширина вынимаемой заходки (или зоны), не оказывающей отрицательного воздействия на устойчивость подрабатываемого участка борта, устанавливается расчетом, исходя из степени ослабления массива в течение времени, необходимого для производства выемочных и закладочных работ.

Рис. 2. Схема отработки законтурной рудной залежи в нерабочем уступе: I - IV - очередность выемки слоев в призме упора; 1, 2 - поверхность ослабления массива А В С; 3 - реперы;

4 - законтурная залежь; 5 - нерабочий уступ

Рис. 3. Схема к расчету боковых удерживающих сил

В основу таких расчетов положен принцип совместного силового влияния смежных более крепких участков борта, возникающего при определенных граничных условиях, на более слабый. В качестве граничных условий на небольшом прямолинейном участке могут быть наличие мощных тектонических нарушений, секущих борт карьера под углом близким к 90°, а также участки, сложенные более прочными породами или укрепленные искусственным путем, островная мерзлота и др. [2, 3, 6].

Исследователями Б.Г. Афанасьевым и И.Б. Шмо-ниным предложен метод определения предельного угла прямолинейных откосов бортов в условиях прерывистой мерзлоты [2], где функции граничных условий выполняют участки, представленные более прочными мерзлыми породами. Возникающий эффект «зажима» ослабленного участка за счет действия дополнительных боковых удерживающих сил (рис. 3) определяется коэффициентом запаса устойчивости п, который рассчитывается по формуле

£ 0,5(У + У+1 )сИ + П + У 2

п =--—-,

£ 0,5(77 + ТI + \)Ж

где V, = Е (уЬ\»е\»оо$,2фЛ<Зр' + се); Р', = Р1+Р2 = с 1д2е ЕИ»а»сов<р + 0,5у4др4д2в ЕИ»е»совф; ф - угол наклона основания элементарного блока; И - средняя высота блока; с - сцепление, КПа; е = 45 - р/2; р - угол внутреннего трения; Л = Е ^*И»е»совф»в',Пф)); е -

длина линии скольжения основания; di - расстояние между двумя соседними профилями.

При параллельных сечениях, когда V, = VI = У2; Л = Т1 = Т2; = Р2\

УЬ + 2^

п =-,

ТЬ ,

где I - длина «зажатого» участка.

Данная методика использована для обоснования оптимальных параметров очистных выработок и оценки устойчивости подрабатываемых откосов при выемке законтурных запасов на одном из карьеров в Забайкалье [3, 4].

Характерной чертой месторождения, разрабатываемого открытым способом, является приуроченность к крупной зоне разломов в толще верхне-юрских вулканитов гидротермальной рудной формации и соответствие третьей группе сложности геологического строения. Нижняя часть карьерного поля представлена мощным (380-450 м) покровом андезито-базальтов, залегающих на палеозойских гранитах. Верхний этаж вмещающих пород образован осадочно-туфогенным и фельзитовым комплексами, в которых сосредоточена подавляющая часть полезного ископаемого.

Зоны тектонических нарушений и разломов мощностью 0,1-0,5 м представлены серией многоступенчатых сбросов, падающих преимущественно на юго-запад под углами 75-80° и пересекающих карьер в диагональном направлении. Тектонические швы

обычно выполнены глинкой трения с измельченным породным материалом, их протяженность колеблется от 200 до 600 м.

Граничными условиями на участках бортов карьера в данном случае является наличие тектонических нарушений, ограничивающих зоны менее прочных рудных тел с более прочными вмещающими породами, а также выработанные пространства (пустоты) в массиве, образованные после выемки полезного ископаемого.

Так, один из отработанных эксплуатационных блоков законтурных запасов месторождения представлен породами туфогенно-осадочного комплекса. Участок рассечен несколькими тектоническими нарушениями контролирующими рудные тела с ориентацией, близкой к перпендикулярной по отношению к простиранию борта.

Отработка запасов производилась сверху вниз: вначале отрабатывали законтурную залежь в берме карьера открытым способом пятиметровым уступом (слой 1, вариант 5, см. таблицу), затем после создания искусственной бермы из твердеющего материала, последовательно отрабатывали нижележащие запасы системой горизонтальных слоев с закладкой из карьера (рис. 4). Вариант 6 представляет собой выемку 2 слоя, вариант 7 - 3 слоя.

Расчет устойчивости отрабатываемого участка выполнен по формулам (1), (2) в той же последовательности для самого неблагоприятного случая (по контактам пород). Результаты расчетов по различным вариантам представлены на графиках зависимости

п = ^Ц, рис. 5 и в таблице.

Из вышеприведенного графика следует, что при коэффициенте запаса устойчивости п = 1,2 безопасная длина по фронту экскаваторной заходки не должна превышать 10-20 м. Для других горнотехнических условий рассчитывается своя допустимая длина (или зона) выемки. При геомеханических вычислениях безопасной длины по фронту экскаваторной заходки используются физико-механические свойства пород, уточненные обратными расчетами.

Результаты выполненных исследований [3] показывают, что обеспечение безопасной отработки законтурных рудных тел из берм карьера экскаваторными заходками длиной по фронту не превышающей расчетной, выполняется.

В дополнение к мероприятиям по безопасной работе экскаватора выемку полезного ископаемого необходимо осуществлять очистными заходками, ориентированными перпендикулярно борту карьера (или близко к этому).

Тем не менее, для полного обеспечения безопасности ведения горных работ в подрабатываемом борту карьера закладку выработанного пространства необходимо производить материалом, имеющим величину сопротивления сдвигу не ниже, чем у окружающего массива. Для того же исследуемого участка борта (см. рис. 4), имеющего слабые контакты туфо-генно-осадочного комплекса, положительное (укрепляющее) влияние закладочного материала на устойчивость 30-ти метрового уступа определено геомеханическими расчетами.

Рис. 4. Схема к расчету устойчивости уступа при выемке законтурных запасов: 1-5 - последовательность выемки рудного тела и закладки выработанного пространства; 6 - расчетные плоскости скольжения; 7 - нерабочий борт; 8 - открытая выемка; 9 - рудное тело; 10 - подземная выемка; 11 - проектный контур нерабочего борта карьера

Результаты расчета коэффициента запаса устойчивости «п» в зависимости от условий _выемки законтурных запасов по вариантам_

Технологические условия Без подработки Поэтапная выемка и закладка слоев

берма Слои уступ уступ

2 3 4 5 6 7 8

Способ расчета Плоская задача Объемная задача с учетом действия боковых сил

Высота уступа, м 30 60 30 60 35 38,5 42,0 45,5 49,0 52,5 56,0 60,0 30 30

Угол откоса, град 50 45 50, 55 45 50 50 41 42 42,5 43 44 45 55 55

Ширина призмы обрушена, м - - 9,3 19,2 11,3 12,7 11,2 12,8 14,2 15,6 17,3 19,2 12,0 10,4

Ширина выемки, м Коэффициент запаса устойчивости «п»

3 - - - - 2,4 3,0 3,0 3,0 3,2 3,2 3,4 3,5 - -

5 - - - - 1,7 2,1 2,2 2,1 2,2 2,2 2,3 2,4 3,3 2,1

7 - - - - 1,4 1,7 1,8 1,7 1,8 1,8 1,8 1,9 - -

10 - - - - 1,2 1,4 1,5 1,4 1,5 1,5 1,5 1,5 1,9 1,3

15 - - - - 1,0 1,2 1,3 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,4 0,9

20 - - - - 0,9 1,1 1,2 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,3 0,8

30 - - - - 0,8 1,0 1,1 1,0 1,0 1,0 1,0 0,9 1,1 0,7

40 - - - - 0,8 0,9 1,0 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 1,0 0,7

50 - - - - 0,7 0,9 1,0 0,9 0,9 0,8 0,8 0,8 1,0 0,7

60 - - - - 0,7 0,9 0,9 0,9 0,8 0,8 0,8 0,8 1,0 0,6

Плоская задача >1,3 >1,3 0,7 0,6 0,6 0,8 0,8 0,75 0,7 0,7 0,7 0,6 - -

П

Р н о о Й к

I—I 1-1

>к

о

я о в К

н к

о К

¡=г к

Л

о

и

5 6 / 7

10 20 30 40

Длина выемки по фронту, м

50

60

Рис. 5. График зависимости п = f (Ц: 5-7 - варианты расчета длины выемки по фронту в зависимости от горнотехнических условий

До отработки рудного тела коэффициент запаса устойчивости был равен п = 0,7. После выемки рудной массы и замены ее на твердеющую закладку коэффициент запаса устойчивости повысился до величины п = 4,2 при условии монолитности закладочного мас-

сива. Даже после введения коэффициента структурного ослабления А = 0,3 (для условий предприятия) уступ сохраняет устойчивое состояние - п = 1,3.

Таким образом, влияние выемки законтурных запасов на устойчивость откосов уступов и бортов карь-

ера, обеспечивающих безопасную отработку рудных залежей из карьерного пространства, компенсируется применением следующих технических мероприятий:

- соблюдение расчетной длины по фронту экскаваторной заходки при выемке руд из предохранительных берм;

- поддержание расчетной суммарной ширины очистных выработок при применении нисходящей слоевой системы заходками из карьера;

- соблюдение технологии приготовления твердеющей смеси и полное заполнение ею выработанного пространства при замене слабой рудной массы на более прочную твердеющую закладку;

- проведение маркшейдерского контроля как за устойчивым состоянием прибортового массива в районах выемки законтурных запасов с помощью наблюдательных станций, так и за соблюдением технологии добычных работ.

Библиографический список

1. А.С. 1051280 СССР, Кл. Е 21 С 41/00. Способ разработки полезных ископаемых / М.Н. Цыгалов, В.В. Васильев, В.Н. Калмыков и др. Опубл. 30.10.1983. Бюл. № 10.

2. Афанасьев Б.Г., Шмонин И.Б. Расчет устойчивости откосов с учетом действующих боковых сил // Известия вузов. Горный журнал. 1990. № 5. С. 41-44.

3. Волохов А.В. Способы выемки законтурных запасов, залегающих выше дна карьера, при разработке сложноструктур-ных месторождений: монография. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. 144 с.

4. Возможность корректировки параметров бортов и уступов в действующем глубоком карьере / А.В. Волохов [и др.] // Горный журнал. 1992. № 12. С. 17-21.

5. Волохов А.В., Сафонов Л.С. Предпосылки для оставления запасов полезных ископаемых за контуром карьера // Вестник ИрГТУ. 2012. № 12. С. 99-105.

6. Пушкарев В.И., Сапожников В.Т., Абрамов Б.К. Устойчивость «зажатых» прямолинейных участков бортов карьеров // Тр. ин-та ВНИМИ. 1970. Сб. 77. С. 134-141.