Анализ факторов, влияющих на устойчивость скальных пород в бортах карьера

УДК 553.3

DOI: 10.21209/2227-9245-2019-25-1-29-36

АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА УСТОЙЧИВОСТЬ СКАЛЬНЫХ ПОРОД

В БОРТАХ КАРЬЕРА

ANALYSIS OF THE FACTORS INFLUENCING THE SUSTAINABILITY OF ROCK

SCIENCES IN THE SIDES OF THE CAREER

Планирование глубоких карьеров следует основывать на изучении инженерно-геологических условий карьерных полей, последствием которого является районирование карьера по устойчивости уступов и бортов в целом. Раскрыты основные факторы, влияющие на устойчивость скальных пород в бортах карьеров. Целостность уступов бортов карьера зависит в первую очередь от состояния прибортового массива, на который оказывает влияние ряд факторов. Установлено, что устойчивость бортов карьера напрямую связана с природными и горнотехническими факторами. Указаны следующие природные факторы: климатические условия месторождения, геологические особенности, структурно-тектонический фактор, гидрогеологические условия месторождения, влияние землетрясений. Горнотехнический кластер включает геометрические параметры карьера, влияние буровзрывных работ, а также негативное воздействие на устойчивость горнотехнического транспорта. Сделан вывод, что невозможно повлиять на исход природных факторов, их необходимо изучать. Отмечено, что влияние техногенных факторов спровоцировано производственными процессами, а следовательно, должно быть регулируемо

Ключевые слова: устойчивость уступов и бортов карьера; деформации; массив скальных пород; инженерно-геологическое изучение; щадящий противодеформационный режим; сейсмические волны1; буровзры1вны1е рабо-ты1; трещиноватость; приконтурная зона; предельный контур

Planning deep pits should be based on a study of the engineering and geological conditions of the quarry fields, the consequence of which is the zoning of the pit by the stability of the ledges and sides in general. The main factors, affecting the stability of rocks in the pit walls, are revealed. The integrity of the ledges of the pit career depends primarily on the state of the near-bed array, which is influenced by a number of factors. It has been established that the stability of the pit walls is directly related to natural and mining factors. The following natural factors are indicated: climatic conditions of the deposit, geological features, structural-tectonic factor, hydrogeological conditions of the deposit, influence of earthquakes. Mining cluster includes the geometrical parameters of the quarry, impact of drilling and blasting operations, as well as the negative impact on the stability of mining transport. It is concluded that it is impossible to influence the outcome of natural factors, they need to be studied. It is noted that the influence of man-made factors is triggered by production processes, and therefore, must be adjustable

Key words: stability of ledges and sides of the quarry; deformations; rock massif; engineering-geological study; sparing anti-deformation mode; seismic waves; drilling and blasting operations; fracturing; boundary zone; limiting contour

D. Ushakov, Belgorod State National Research University, Belgorod

Д. К. Ушаков, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород

791564@bsu .edu.ru

29

© Д. К. Ушаков, 2019

Г}ведение. Актуальность данной темы обусловлена стремительным увеличением проектной глубины открытых горных выработок и их производительной мощности. В большинстве случаев конструкции бортов возводятся на базе существующей информации геолого-разведочных работ, отображающих распределение характеристик грунта, пород и подземных вод в пределах месторождения. Истинность таких данных часто основывается на неполной ин-

формации и субъективной интерпретации данных. На достоверность такой информации влияет ограниченность бюджетов геолого-разведочных работ и изысканий, сжатые сроки работ по проекту и ограничения практического использования инструментов и методов исследований. Это проблема особенно остро стоит для неэксплуатируе-мых или малоэксплуатируемых участков, успешно поставленных на предельный контур (рис. 1).

Рис. 1. Деформация борта карьера «Восточный» /Fig. 1. Deformation of the side of the pit "Vostochny"

Понимание геологического и структурного строения месторождения имеет принципиальное значение, но другие факторы, включающие технологию добычи, планирование горных работ и анализ их последовательности, а также требования к управлению поверхностными и подземными водами, климатические особенности месторождения тоже влияют на устойчивость откосов уступов борта карьера. Поэтому для обоснования параметров устойчивых откосов требуется детальное изучение всех факторов, влияющих на процесс сдвижения горных пород в карьере.

Методы исследования. Объектом исследования является массив горных пород в бортах карьеров и его устойчивость. Для открытых горных работ устойчивость бортов карьеров является одной из основных проблем на всех стадиях планирования горных работ и эксплуатации рудника. Она требует специальных знаний о геологическом строении, которое зачастую может быть достаточно сложным, вблизи рудных тел, где структурное строение и изменения пород могут стать ключевыми факторами, а также знаний о свойствах пород, которые часто в высшей степени изменчивы.

Метод исследования — анализ литературных данных. Устойчивость уступов бортов карьера зависит в первую очередь от состояния прибортового массива, на который оказывает влияние ряд факторов, которые возможно условно объединить в две группы: природные и горнотехнические. Группа природных факторов включает климатические, геологические и гидрогеологические особенности. Непосредственно горнотехнические факторы напрямую связаны с параметрами карьера, системой разработки, производительностью горного оборудования, а также методом ведения буровзрывных работ.

Результаты исследования. Рассмотрим подробнее влияние природных и горнотехнических факторов на устойчивость уступов карьеров.

Природные факторы. Климатические условия. Анализ воздействия погодных условий на стабильность уступов сводится к выявлению закономерностей среди деформационных действий и процессов изменчивости ключевых климатических характеристик (число и цикличность атмосферных осадков, температурный режим, особенность снего- и ледотаяния).

По мнению отечественных и зарубежных исследователей (Е. П. Емельянова, Г. Л. Фисенко, Е. А. Келлер, Дж. Труд-динджер), активное выпадение атмосферных осадков приводит к существенной активизации деформаций уступов карьера. Кроме того, прослеживается стабильная взаимосвязь количества обрушений с температурным режимом горных пород. В особенности подобная связь выражается в массивах трещиноватых пород, находящихся в северных регионах Российской Федерации. В тех местах более четко выражается постоянный оборот прогревания-замерзания горных пород, который приводит к снижению прочностных свойств данных пород и содействует активизации деформационных процессов. К примеру, определено, что при 25-кратном влиянии цикла прогревания-замораживания противодействие одноосному сжатию диабазов уменьшается на 38 %, что обуславливается возникновением разноо-

риентированных трещин, формирование которых сопряжено со сложным «объемным» расширением минералов, слагающих горную породу. Также отрицательное действие на стабильность уступов проявляет процесс замерзания-прогревания воды в трещинах, распространение которых соответствует либо незначительно отклоняется от истинного простирания уступа (борта). Кроме того, в трещинах угол падения направлен в сторону карьерной выемки, при том, что угол их падения больше угла внутреннего трения по плоскости такой трещины.

Геологические особенности. Наибольшее внимание в данной группе принадлежит структурно-тектоническому и инженерно-геологическому факторам. Влияние гидрогеологического и гипергенного факторов в скальных породах незначительно.

Структурно-тектонический фактор определяет характер залегания тел горных пород, слагающих разрабатываемый скальный массив, позицию в нем поверхностей ослабления, их ориентировку и пространственные взаимоотношения.

Присутствие в прибортовом массиве трещин отрыва длительного интервала, поверхностей смесителей тектонических нарушений, участков с контактами различных пород, резкой смене размера элементарного блока породы в значительной степени негативно влияет на устойчивое состояние откосов (рис. 2). Объясняется это тем, что при высокой прочности куска скальной породы сдвиговые характеристики трещиноватого массива всегда в несколько раз меньше. Еще ниже сопротивляемость сдвигу по поверхности ослаблений. В связи с этим, контроль за устойчивым состоянием карьерных откосов в трещиноватых массивах — одна из главных целей во время эксплуатации открытых выработок, требующая решения в каждом случае [3].

Данные о трещиноватости породного массива позволяют правильно решать вопросы о выборе методов ведения и параметров буровзрывных работ в приконтурной зоне и при заоткоске стационарных уступов.

Рис. 2. Смещения даек плагиоклазитов по плоскости разрывного нарушения / Fig. 2. Displacements of dikes of plagioclasites along the plane of the discontinuous violation

Гипергенный фактор усугубляет положение начальной структуры массива скальных пород вертикальной зональностью, спровоцированной действием выветривания. Как правило, выделяют две зоны: верхнюю ^^ и нижнюю Верхняя зона ^^ обусловлена переходом от первоначальных скальных пород в глинисто-суглинистую и супесчано-дресвя-ную массу, содержащую обширные остатки слабо выветрелых скальных пород [9]. В нижней зоне ^2) влияние гипергенеза на первичные породы заключается главным образом в существенном уменьшении среднего размера элементарных блоков и в нарушении связи между ними за счет гипергенного расширения трещин, выщелачивания их заполнителя. Мощность указанных гипергенных зон на различных месторождениях различна. Она изменяется от первых десятков до 50...100 м для зоны D1 и до 100.200 м для зоны D2.

Инженерно-геологический фактор оценивается физико-механическими свойствами массива скальных пород. Способность массива сопротивляться разрушению обусловлена плотностью и прочностными

свойствами пород, а также сдвиговыми характеристиками по плоскостям ослабления.

На устойчивость уступов влияют и используются в геомеханических расчетах следующие физико-механические свойства пород: плотность, определяющая действующие в массиве гравитационные силы; прочность при одноосном сжатии и при растяжении, устанавливаемую путем лабораторных испытаний образцов пород; сопротивление сдвигу (срезу), характеризующееся сцеплением С и углом внутреннего трения ф.

Величину сцепления С' и угла внутреннего трения ф' по поверхности ослабления (трещине) получают на основе испытаний парных образцов в срезных приборах, зацементированных в специальные матрицы, или результатов сдвиговых испытаний в натурных условиях [1].

Гидрогеологические условия месторождения. На устойчивость бортов в крепких трещиноватых породах воздействие гидрогеологических факторов минимально. Существенное влияние на устойчивость борта в целом оказывает водное давление в том случае, если вблизи карьера находятся водоемы с размытым дном, а фильтрационные свойства пород с глубиной уменьшаются в такой степени, что формируется крутая депрессионная воронка [10]. При этом водные потоки являются провоцирующим фактором нарушений устойчивости уступов, особенно в приповерхностной части карьера. С понижением горных работ влияние гидрогеологических условий на степень устойчивости уступов уменьшается.

Влияние землетрясений. В России зоны повышенной сейсмической опасности занимают около 40 % от общей площади. К основным сейсмоопасным районам относят Камчатку, Курильские острова, Алтае-Са-янский регион, оз. Ьаикал и Северный Кавказ [6].

Основному воздействию от землетрясений подвержены районы с предельной балльностью 5.7 в связи с тем, что во время строительства, а также при ведении горных работ меры по предотвращению

сейсмических воздействий не предусматриваются и не выполняются. Вероятно, по этой причине не исключены весомые последствия влияния сейсмических волн, пусть и в относительно вялых сейсмических толчках. Выявлена закономерность, что наибольший урон целостности бортов карьера представляют не высокие баллы энергии землетрясения, а его протяженность во времени. Известно, что при постоянном влиянии нагрузок от сейсмических событий в прибортовом массиве, как и при взрывных работах, происходит раскрытие трещин, а также возможны подвижки блоков. Не исключено, что данная проблема может являться одной из основных причин формирования оползней на карьерах и разрезах.

Горнотехнические факторы. Конфигурация карьера. Очевидно, что при незначительной высоте борта он будет сохранять устойчивость даже при крутых углах наклона откосов. С увеличением высоты откосов происходит перераспределение напряжений и его устойчивость снижается. Подобным образом на устойчивость борта (уступа) карьера влияет и его угол.

Поэтому, как правило, рост высоты борта связан с уменьшением угла его наклона [2]. Поскольку геометрия карьера в плане определяется формой рудного тела, то при расчете устойчивости бортов карьера игнорирование формы борта в плане значительно снижает точность инженерных расчетов, поскольку искривление борта приводит к изменению напряженного состояния в массиве пород [11].

Влияние буровзрывных работ. На устойчивость уступов скальных горных пород наибольшее влияние оказывает способ производства буровзрывных работ.

При проведении массовых взрывов разрушение трещиноватого массива пород развивается на протяжении 60...70 м от места взрыва. При этом характерна огромная (до 75.80 %) потеря естественной прочности массива, что неблагоприятно влияет на его устойчивое состояние (рис. 3). Деформации уступов и их групп зачастую спровоцированы тем, что по мере приближения к стационарному контуру не осуществляется щадящий противодеформационный режим взрывных работ.

Рис. 3. Повреждения уступа борта карьера от взрывных работ / Fig. 3. Damage of the pit edge from

blasting operations

После проведения массового взрыва деформация уступов происходит в виде обрушения отдельных блоков по плоскости наименьшего сопротивления, вдоль существующих трещин. Кроме того, в результате воздействия энергии взрыва наблюдается раскрытие существующих трещин [4]. Очевидно, что наиболее опасными с точки зрения устойчивости уступов являются трещины, падающие в карьер. При этом между расположением скважин, ориентировкой трещиноватости и углом откоса имеются характерные соотношения: при падении трещин в сторону выемки под углами, меньшими 45°, наклон скважин не влияет на угол откоса уступа. При падении трещин в карьер под углами 46.60 и 61.70° применение наклонных скважин (с углами наклона 70° в первом случае и 70—80° во втором) позволяет получить откос уступа, параллельный поверхности откоса. Вертикальные скважины целесообразно применять при крутом падении трещин (71.90°), т. е. формировать естественную плоскость заоткоски.

Установлено, что после проведения массового взрыва в массиве горных пород выделяются три зоны [5]:

1) зона дробления, в которой происходит динамическое соударение и дробление отдельностей на части, йтр < (10— 13)^; (с1, — диаметр заряда В В);

2) зона упругопластических деформаций (зона заколов), в которой происходят деформации на берегах трещин и упругие деформации в отдельностях без их разрушения, 15^ < < 50с£_. В этой части массива раскрываются естественные трещины, образующие заколы;

3) зона остаточных напряжений, в которой происходит закрытие трещин и упругие остаточные деформации в отдельностях маССИВа 50с£Е < Дпст < 150еЕ..

При диаметре скважин 0,25 м эти зоны имеют размеры: = 2,5 — 3,75 м; Щ = 3,75 - 12,5 м; = 12,5 - 37,5 м.

Влияние горнотехнического транспорта. Как отмечено в работе Е. Н. Черных с соавторами [7], наряду с природными факторами на устойчивость уступов

и бортов карьеров оказывают влияние вибрационные действия в породном массиве, инициированные движущимся транспортом, сосредоточение которых в массиве может пробудить потерю его устойчивости. Считается, что диапазоны колебаний от движущегося автотранспорта в карьере, даже самые высокие, значительно ниже, чем амплитуды сейсмических колебаний, зафиксированные при взрывах или землетрясениях. Тем не менее, несмотря на незначительные возбуждение, они образуют вибрационные проявления, которые оцениваются измерением энергии [8]. Регистрируемые в карьере вибрации обладают большой продолжительностью. Временной период возбуждаемых вибраций при движении карьерных автосамосвалов колонной может составлять несколько минут. Колебания, полученные тяжелыми автосамосвалами, передаются на значительные расстояния, а передвижение карьерного транспорта осуществляется фактически безостановочно. Следовательно, можно предположить, что массив борта, транспортные бермы и откосы уступов карьера подвергаются непрерывному влиянию вибрационных нагрузок.

Заключение. На основе анализа научной литературы по данной проблематике установлено, что основным природным фактором, оказывающим влияние на устойчивость, является структурно-тектонический, выявляющий ситуацию расположения в массиве залегания тел горных пород, а также их пространственные взаимоотношения между собой и ориентировку залегания. Влияние инженерно-геологического фактора выражается в естественной трещиноватости массива и физико-механическими свойствами скальных пород. Из горнотехнических факторов наибольшее влияние на устойчивость уступов оказывают методы взрывного разрушения горных пород. Поэтому необходимо обеспечивать щадящий противодеформационный режим ведения взрывных работ в приконтурной зоне карьера, а также контролировать воздействия сейсмических волн в процессе исполнения буровзрывных работ.

Список литературы_

1. Дунаев А. В. Природные факторы устойчивости откосов в массивах скальных пород в связи с инженерно-геологическим районированием карьеров / / Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях: сборник материалов IX Междунар. симпозиума. Белгород: ВИОГЕМ, 2007. С. 162-167.

2. Дунаев В. А., Игнатенко И. М. Методика геолого-структурного обеспечения открытой разработки месторождений железистых кварцитов // Научные ведомости. 2011. № 15. С. 121-131.

3. Дунаев В. А., Яницкий Е. Б., Агарков И. Б. Изучение геолого-структурных условий эксплуатации месторождений как основа разработки мероприятий по закреплению уступов карьеров в скальных горных породах // Горное дело. 2016. № 2. С. 110-116.

4. Заровняев Б. Н., Александров И. Н., Кирюшен Д. И., Варламова Л. Д. Мониторинг состояния бортов глубоких карьеров с применением наземного лазерного сканирования // Горный журнал. 2016. № 9. С. 58-63.

5. Тюпин В. Н., Лизункин М. В., Лизункин В. М. Определение размера зоны разрушения напряженного трещиноватого горного массива при одновременном взрывании нескольких параллельно сближенных зарядов // Горная книга. 2015. № 12. С. 46-51.

6. Цирель С. В., Павлович А. А. Взаимосвязи между сейсмической активностью в Кузбассе и введением открытых горных работ // Записки Горного института. 2008. Т. 198. С. 174-178.

7. Черных Е. Н., Зырянов И. В., Шубин Г. В., Заровняев Б. Н. К вопросу о влиянии вибраций от движущихся самосвалов на устойчивость уступов глубокого карьера / / Горный журнал. 2017. № 12. С. 31-35.

8. Черных Е. Н., Шубин Г. В., Заровняев Б. Н. Оценка параметров техногенных вибраций на карьере «Удачный» // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. № 12. С. 260-267.

9. Шабнамишол М., Ли С. С. Аналитические подходы к изучению устойчивости слоистых крыш // Международный журнал горной механики и горных наук. 2015. Т. 79. С. 99-108.

10. Deppe S., Pippig M. Prospecting and measures to control the brine inflows at the Merkers mine field in Germany // Kali und Steinsalz. 2002. Ко. 2. P. 33-40.

11. Hungr O., Corominas J., Eberhardt E. Estimating landslide motion mechanism, travel distance and velocity // Landslide Risk Management: Proceedings of the International Conference on Landslide Riskmanagement. London: Taylor and Francis Group, 2005. P. 99-128.

References_

1. Dunaev A. V. Osvoenie mestorozhdeniy mineralnyh resursov i podzemnoe stroitelstvo v slozhnyh gidrogeologicheskih usloviyah: sbornik materialov IX Mezhdunar. simpoziuma (Development of mineral deposits and underground construction in difficult hydrogeological conditions: collection of materials IX Intern. Symposium). Belgorod: VIOGEM, 2007, pp. 162-167.

2. Dunaev V. A., Ignatenko I. M. Nauchnye vedomosti (Scientific statements), 2011, no. 15, pp. 121-131.

3. Dunaev V. A., Yanitsky E. B., Agarkov I. B. Gornoe delo (Mining), 2016, no. 2, pp. 110-116.

4. Zarovnyaev B. N., Aleksandrov I. N., Kiryushen D. I., Varlamova L. D. Gorny zhurnal (Mining Journal),

2016, no. 9, pp. 58-63.

5. Tyupin V. N., Lizunkin M. V., Lizunkin V. M. Gornayakniga (Mining Book), 2015, no. 12, pp. 46-51.

6. Tsirel S. V., Pavlovich A. A. Zapiski Gornogo instituta (Notes of the Mining Institute), 2008, vol. 198, рр. 174-178.

7. Chernykh E. N., Zyryanov I. V., Shubin G. V., Zarovnyaev B. N. Gorny zhurnal (Mining Journal),

2017, no. 12, pp. 31-35.

8. Chernykh E. N., Shubin G. V., Zarovnyaev B. N. Mining Information Analytical Bulletin, 2015, no. 12, pp. 260-267.

9. Shabnamishol M., Lee S. S. Mezhdunarodny zhurnal gornoy mehaniki i gornyh nauk (International Journal of Mining Mechanics and Mining Sciences), 2015, vol. 79, pp. 99-108.

10. Deppe S., Pippig M. Kali und Steinsalz (Kali und Steinsalz), 2002, по. 2, pp. 33-40.

11. Hungr O., Corominas J., Eberhardt E. Landslide Risk Management: Proceedings of the International Conference on Landslide Riskmanagement (Landslide Risk Management: Proceedings of the International Conference on Landslide Riskmanagement). London: Taylor and Francis Group, 2005, pp. 99-128.

Коротко об авторе

Briefly about the author

Ушаков Дмитрий Константинович, аспирант, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Россия. Область научных интересов: геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика 791564@bsu.edu.ru

Dmitry Ushakov, postgraduate, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia. Sphere of scientific interests: geomechanics, rock destruction, mine aerogasdynamics and mountain thermal physics

Образец цитирования

Ушаков Д. К. Анализ факторов, влияющих на устойчивость скальных пород в бортах карьера // Вестн. Забайкал. гос. ун-та. 2019. Т. 25. № 1. С. 29-36. DOI: 10.21209/2227-9245-2019-25-1-29-36.

Ushakov D. Analysis of the factors influencing the sustainability of rock sciences in the sides of the career // Transbaikal State University Journal, 2019, vol. 25, no. 1, pp. 29-36. DOI: 10.21209/2227-9245-2019-251-29-36.

Статья поступила в редакцию: 18.06.2018 г. Статья принята к публикации: 27.12.2018 г.