Исследование техногенной нарушенности приконтурного массива на крупных рудных карьерах Кольского региона

© A.C. Калюжный, 2015

УДК 622.271.3 А.С. Калюжный

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОЙ НАРУШЕННОСТИ ПРИКОНТУРНОГО МАССИВА НА КРУПНЫХ РУДНЫХ КАРЬЕРАХ КОЛЬСКОГО РЕГИОНА*

Приведены результаты измерений нарушенной зоны для карьеров: рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК», Восточного и Центрального рудников АО «Апатит», рудника «Олений ручей» АО «Северо-западная фосфорная компания». Проведен анализ имеющихся данных, сделана сравнительная оценка мощности нарушенной зоны и интенсивности трещинова-тости ненарушенного массива для перечисленных карьеров. Ключевые слова: техногенная нарушенность, нарушенная зона, трещино-ватость, деструкция, геофизические методы исследований.

В соответствии с концепцией геомеханического обоснования рациональных конструкций бортов карьеров в скальных тектонически напряжённых массивах, разработанной в Горном институте КНЦ РАН, одним из важнейших условий сохранения устойчивости карьерных откосов является минимизация разрушения законтурного массива пород, которое достигается, прежде всего, применением щадящих технологий взрывания [1, 2]. Показателем степени разрушения законтурного массива пород является мощность нарушенной зоны. В данной работе сделана попытка проанализировать многочисленные результаты определения мощности нарушенной зоны с использованием различных методов на некоторых карьерах Кольского региона.

Исследования по изучению законтурного массива проводились в карьерах: рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК», Восточном и Центральном рудниках АО «Апатит», руднике «Олений ручей» АО «Северо-западная фосфорная компания». На каждом из этих объектов по инициативе и при участии Горного института КНЦ РАН были организованы опытно-промышленные участки (ОПУ) в пределах которых отрабатывались элементы новых технологий постановки участков бортов карьеров на конечный контур [1, 3].

Исследования выполнены в рамках гранта по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» № 14-17-00751.

Таблица 1

Сводные данные о нарушенности законтурного массива пород по данным исследований комплексом методов [4]

ИГС Дата Мощность Ср. Мощ- Кол-во тре- Интенсив-

наруш. зоны ность наруш. зоны щин ность трещ-ти в ненаруш. зоне

№ год м м шт. шт/м

1 2005,2007, 3, 3, 2, 3, 2 13, 6, 9, 7 0,8

2008 0, 1.75, 0

2 2000, 2005, 3, 3, 5 4 3, 23 0,6

2014

3 2000, 2009, 8, 4, 3 5 11, 3 0,8

2010

4 2010, 2011, 0, 2, 4, 0, 2 0, 5, 9, 0 0,9

2014 4, 2

5 2001, 2003, 5, 4, 3, 4 4 16, 10, 8 1,7

2005, 2011

6 2011, 2012, 2, 4, 3, 7, 4 12, 9, 13, 0,4

2014 1 21, 3

7 2012, 2013, 5, 4, 1, 4, 3 13, 9, 3, 13 1,2

2014 3, 1, 3.8

8 2009 3, 0, 4, 0 2 11, 0 2,5

Для карьера рудника «Железный» ДО «Ковдорский ГОК» за последние 15 лет выполнен большой объём работ по изучению геомеханического состояния прибортового массива пород [4, 5]. Основные параметры нарушенной зоны приведены в табл. 1.

Наблюдательные станции, в которых проводились исследования, представляют собой субгоризонтальную или наклонную скважину или ряд скважин, расположенных на сопряжении бермы с откосом или на самом откосе уступа.

Следует отметить, что исследуемые скважины, в которых проводился замер нарушенности, располагались в различных участках борта карьера поставленных в конечное положение с применением различных технологий щадящего взрывания, с различными физико-механическими свойствами. Однако некоторые закономерности выделить все же можно.

Изучение нарушенного состояния массива пород проводилось с помощью ультразвукового каротажа, телевизионной сьемки стволов скважины, сейсмотомографии. Помимо этого проводилось исследование керна, полученного в результате бурения исследовательских скважин.

Из анализа данных табл. 1, в которой обобщены результаты исследований нарушенности законтурного массива пород, видно, что средняя мощность нарушенной зоны изменяется от 2 до 5 м.

Для участков 2, 3, 5, 6 средняя мощность этой зоны составляет 4—5 м, для участков 1, 4, 7, 8 - от 2 до 3 м.

Высокая природная интенсивность трещиноватости для ненарушенного массива наблюдается на участках 5 и 8, здесь она составляет 1.7 шт/м и 2.5 шт/м соответственно. Для остальных участков она изменяет от 0.4 до 1.2 шт/м.

Для Ньоркпахкского карьера Восточного рудника ДО «Апатит» исследования проводились в горизонтальных скважинах на горизонтах +500 м, +470 м и +440 м в период с 2002 по 2005 г. г. [6]. В этих же скважинах ранее проводились исследования напряженного состояния массива пород методом разгрузки. Полученные данные обобщены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что мощность нарушенной зоны в пределах опытно-промышленного участка Ньоркпахкского карьера изменяется от 3 до 4.5 м.

Так же установлено, что средняя интенсивность трещиноватости в ненарушенной зоне - 1.5 шт/м.

На карьере Центрального рудника ДО «Апатит» (Карьер Центрального рудника АО «Апатит» в настоящее время является участком открытых горных работ Расвумчоррского рудника) исследования проводились с 2003 по 2005 г. [6]. В этот период выполнены исследования в трех горизонтальных скважинах на горизонтах +610 м, +595 м и +580 м. Полученные данные по нарушенному состоянию массива пород приведены в табл. 3.

Таблица 2

Сводные данные исследований нарушенной зоны в горизонтальных скважинах Ньоркпахкского карьера Восточного рудника ОАО «Апатит»

Абсолютная Глубина Горные Глубина ис- Мощность Примеча-

отметка из- (средн.) распо- породы (в следований нарушен- ния

мерительном ложен. изм. верхней от устья ной зоны,

станции, год станции от пер- части геол. скважины, м м

измерений воначальн. рельефа Нср, м колонки)

+500 м; 200 Рисчор- 13 3.0 - 4.5 Нарушен-

2002 г. риты, ийолит-уртиты ная зона чётко не выделяется

+470 м; 230 - // - 17 3

2003 г.

+440 м; 260 - // - 16 3

2004 г.

Таблица 3

Сводные данные исследований нарушенной зоны в горизонтальных скважинах карьера Центрального рудника ОАО «Апатит»

Дбсолютная Глубина Горные по- Глубина Мощность Примеча-

отметка из- (средн.) распо- роды (в исследова- нарушен- ния

мерительной ложен. изм. верхней ний от ной зоны,

станции, год станции от части геол. устья м

измерений первоначальн. рельефа Нср, м колонки) скважины, м

+610 м; 290 Рисчор- 36 - Нарушен-

2003 г. риты, ий-олит-уртиты ная зона чётко не выделяется

+595 м; 305 - // - 36 4-5

2004 г.

+580 м; 320 - // - 28 6-12 Нарушен-

2005 г. ная зона чётко не выделяется

Из табл. 3 видно, что мощность нарушенной зоны в пределах опытно-промышленного участка карьера Центрального рудника находится в диапазоне 4-12 м.

Средняя интенсивность трещиноватости в ненарушенной зоне -1.6 шт/м.

Необходимо отметить, что опытно-промышленный участок карьера Центрального рудника находился в рабочей зоне, где еще не были сформированы уступы конечного контура. В таких условиях мощность нарушенной зоны была сильно завышена (до 12м).

Для карьера месторождения «Олений ручей» ДО «Северо-Западная Фосфорная Компания» исследования нарушенной зоны проводились в 2014 году в горизонтальных и наклонных скважинах на гор. +360 м и +390 м [3]. Так же выполнялись визуальные наблюдение за данным участком на протяжении 2012-2015 гг. В результате проведенных работ построена схема распределения техногенной деструкции (рис. 1 (см. Приложение, с. 448)).

Красным цветом обозначены области, в которых горные породы в большей своей степени дезинтегрированы. Мощность этих областей в районе сопряжения откоса уступа с бермой изменяется от 1 до 3 м, а при удалении в сторону очистного пространства - 2^13 м, что подтверждается визуальными обследованиями поверхности уступов, проведенными в периоды полевых работ. Желтая зона -нарушенная зона техногенного воздействия. Мощность этой зоны с учетом погрешности определения, как по геологическим данным, так и по данным скважинной геофизики составляет 2^4 м.

Таблица 4

Сводные данные средней мощности нарушенной зоны и интенсивности трещиноватости в ненарушенной зоне для различных карьеров Кольского региона

Объект Ср. мощность нарушенной зоны, м Интенсивность трещиноватости в не-наруш. зоне, шт/м Примечания

Карьер «Олений ручей» АО «СЗФК» 3 до 2

Карьер рудника «Железный» АО «Ковдорский ГоК» 3 0,4 — 2,5

Ньоркпахкский карьер АО «Апатит» 4 1,5 Единичные измерения

Карьер Центральный АО «Апатит» 8 1,6 Единичные измерения

Интенсивность трещиноватости в ненарушенной зоне - до 2 шт/м.

Общий анализ и основные выводы

Для более наглядного анализа средние показатели мощности нарушенной зоны и интенсивности трещиноватости в ненарушенной зоне обобщены в табл. 4.

Анализируя данные табл. 4 видно, что средняя мощность нарушенной зоны у карьера Центральный рудника АО «Апатит» самая большая — 8 м. Данный показатель завышен вследствие того, что скважины, в которых проводились исследования, находились в рабочей зоне карьера, где конечный контур на момент измерений еще не был сформирован. Минимальное же значение мощности нарушенной зоны наблюдается в исследуемых скважинах карьеров рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК» и «Олений ручей» АО «Северо-западная фосфорная компания», где ее среднее значение составляет 3 м. Данное обстоятельство объясняется тем, что на карьере рудника «Железный» на протяжении многих лет постоянно развивается система формирования уступов с предварительным щелеобразованием и специальными средствами взрывания. Подобная технология была применена и на опытно-промышленном участке карьера «Олений ручей». В основном же средняя мощность нарушенной зоны для Ковдорского, Ньоркпахского, Центрального карьеров и карьера «Олений ручей» составляет от 3 до 4 метров. Тем не менее, показатель мощности нарушенной зоны для исключения крупных вывалов с поверхности откосов уступов необходимо

уменьшить до 1 м, т.к. более мелкие отдельные блоки могут быть защищены специальными средствами. Интенсивность тре-щиноватости в ненарушенной зоне примерно одинаковая и в среднем составляет 1.5 шт/м.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

• при существующей технологии открытых горных работ средняя мощность нарушенной зоны на уступах составляет 3-4 м;

• интенсивность трещиноватости в ненарушенной зоне составляет 0,4 - 2,5 шт/м;

• для исключения крупных вывалов необходимо уменьшить мощность нарушенной зоны до 1 м.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мельников H.H., Козырев A.A., Решетняк С.П., Каспарьян Э.В., Рыбин В.В., Мелик-Гайказов И.В., Свинин В.С., Рыжков A.H. Концептуальные основы оптимизации конструкции бортов карьеров Кольского полуострова в конечном положении // Труды 8-го международного симпозиума «Горное дело в Арктике» (под ред. H.H. Мельникова, С.П. Решетняка). Апатиты. Мурманская область. Россия. 20-23 июня 2005 г. - Санкт-Петербург: изд. «Типография Иван Фёдоров», — 2005. — с. 2-14.

2. Фокин В.А., Тарасов Г.Е., Тогунов М.Б., Данилкин A.A., Шитов Ю.А. Совершенствование технологии буровзрывных работ на предельном контуре карьеров. - Апатиты 2008. - 224 с.

3. Рыбин В.В., Калюжный A.C. Константинов К.Н., Старцев Ю.A., Потапов Ä.A., Панин В.И. Результаты определения параметров деструкции борта карьера комплексом геофизических методов // Горн. информ. — ана-лит. бюл. - 2015. - №4.. - С. 113-118.

4. Козырев A.A., Рыбин В.В., Константинов К.Н. Оценка геомеханического состояния законтурного массива горных пород в борту карьера комплексом инструментальных методов //Горн. информ. — анал. бюл. - 2012. -№ 10. - С.113-119.

5. Панин В.И., Рыбин В.В., Константинов К.Н., Старцев Ю.A., Данилкин A.A., Кожуховский A.В. Контроль геомеханической ситуации в борту карьера геофизическими методами // Горн. информ. — аналит. бюл. -2013. - № 4. - С. 279-285.

6. Тимофеев В.В., Шкуратник В.Ё., Ермолин A.A., Рыбин В.В., Константинов К.Н. Телевизионный мониторинг скважин на рудниках Кольского полуострова //Горн, информ. — аналит. бюл. - 2009. — № 2. - С. 76-84. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Калюжный Aнтон Сергеевич - младший научный сотрудник, Горный институт Кольского научного центра РАН, anton26@goi.kolasc.net.ru.

UDC 622.271.3

STUDY OF MINING-INDUCED FRACTURING OF NEAR-CONTOUR ROCK MASS IN LARGE ORE OPEN-PITS OF THE KOLA REGION

Kaluzhny A.S., junior researcher, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, anton26@goi.kolasc.net.ru, Russia.

The paper presents measurement results of a fractured zone for open-pits located at the Zhelezny mine (JSC Kovdorsky GOK), Vostochny and Tsentralny mines (JSC Apatit), and Oleny Ruchey mine (JSC NWPC). The data available have been analyzed; thickness of the fractured zones and intensity of fracturing in untouched rock mass have been comparatively estimated.

Key words: mining-induced fracturing, fractured zone, destruction, geophysical research methods.

REFERENCES

1. Mel'nikov N.N., Kozyrev A.A., Reshetnjak S.P., Kaspar'jan Je.V., Rybin V.V., Melik-Gajkazov I.V., Svinin V.S., Ryzhkov A.N. Konceptual'nye osnovy optimizacii konstrukcii bortov kar'erov Kol'skogo poluostrova v konechnom polozhenii (Conceptual foundations of optimization of construction of pit walls of the Kola Peninsula in the end position) // Trudy 8-go mezhdunarodnogo simpoziuma «Gornoe delo v Arktike» (pod red. N.N. Mel'nikova, S.P. Reshetnjaka). Apatity. Murmanskaja oblast'. Rossija. 20-23 ijunja 2005. Sankt-Peterburg: izd. «Tipografija Ivan Fjodorov», 2005. pp. 2-14.

2. Fokin V.A., Tarasov G.E., Togunov M.B., Danilkin A.A., Shitov Ju.A. Sovershenstvovanie tehnologii burovzryvnyh rabot na predel'nom konture kar'erov (Improving the technology of blasting at the limit contour of the quarry). Apatity 2008. 224 p.

3. Rybin V.V., Kaljuzhnyj A.S. Konstantinov K.N., Starcev Ju.A., Potapov D.A., Panin V.I. Rezul'taty opredelenija parametrov destrukcii borta kar'era kompleksom geofizicheskih metodov (Results of determination of parameters of the destruction of a pit complex of geophysical methods) // Gorn. inform.-analit. bjul. 2015. No 4. pp. 113-118.

4. Kozyrev A.A., Rybin V.V., Konstantinov K.N. Ocenka geomehanicheskogo sostojanija zakonturnogo massiva gornyh porod v bortu kar'era kompleksom instrumental'nyh metodov (Konstantinov. Assessment of geomechanical state of the edge of the rock massif in the mine complex instrumental methods) //Gorn. inform.-anal. bjul. 2012. No 10. - pp.113-119.

5. Panin V.I., Rybin V.V., Konstantinov K.N., Starcev Ju.A., Danilkin A.A., Kozhuhovskij A.V. Kontrol' geomehanicheskoj situacii v bortu kar'era geofizicheskimi metodami (Monitoring of geomechanical situation in the open pit by geophysical methods) // Gorn. inform.-analit. bjul. 2013. No 4. pp. 279-285.

6. Timofeev V.V., Shkuratnik V.L., Ermolin A.A., Rybin V.V., Konstantinov K.N. Televizionnyj monitoring skvazhin na rudnikah Kol'skogo poluostrova (Television monitoring wells on the Kola Peninsula mines) //Gorn. inform.-analit. bjul. 2009. No 2. pp. 76-84.