Комплексное геомеханическое обоснование углов заоткоски бортов карьера

УДК 622.271.3

КОМПЛЕКСНОЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УГЛОВ ЗАОТКОСКИ БОРТОВ КАРЬЕРА

А. А. Панжин, Т. Ф. Харисов, О. Д. Харисова

Описывается выполнение комплекса геомеханических исследований для обоснования углов устойчивых откосов карьера, включающих испытания физико-механических свойств горных пород, изучение структурного строения прибортового массива, определение значений рейтинговой оценки массивов горных пород МЯМЯ, районирование поверхности карьера по классификации профессора Лобшира. На основании полученных результатов рекомендованы значения углов откосов уступов карьера, а также разработаны мероприятия по обеспечению их устойчивости. В процессе классификации пород поверхности карьера были выявлены факторы, оказывающие наиболее негативное воздействие на прибортовой массив. Установлено, что влияние некоторых факторов может быть значительно снижено, позволяя повысить значения углов заоткоски уступов при сохранении должной степени безопасности ведения горных работ.

Ключевые слова: устойчивость бортов карьеров, заоткоска уступов, рейтинговые оценки, классификация Лобшира, МЯМЯ, геомеханическое районирование, трещиноватость массива, фотограмметрия.

Введение. Проблема обеспечения устойчивости уступов является крайне актуальной для карьера Джетыгаринского месторождения хризотил-асбеста. Принятые проектом отработки значения углов погашения уступов на ряде участков не могут быть достигнуты по соображениям безопасности, что в свою очередь препятствует выходу на проектный контур борта карьера. Целью исследований, представленных в данной статье, являлось выявление основных факторов, приводящих к ослаблению устойчивости массива на локальных участках, а также разработка мероприятий по обеспечению их устойчивости.

Для оценки геомеханического состояния массивов горных пород в мировой практике активно применяются рейтинговые классификации, основанные на эмпирических данных. В настоящее время разработано значительное количество рейтинговых систем оценки, каждая из которых имеет свои специфические особенности и определенную область применения [1]. В отечественной практике также появляется все больше примеров использования различных систем классификации для обоснования параметров ведения горных работ как при открытой [2, 3], так и при подземной системах разработки [4-7].

Анализ основных факторов, приводящих к ослаблению устойчивости массива на локальных участках. При анализе структурных, горно-геологических, гидрогеологических и геомеханических условий

Джетыгаринского месторождения были выявлены основные факторы, приводящие к ослаблению устойчивости массива на локальных участках.

1. Исходное напряженно-деформированное состояние района залегания месторождения имеет резко неоднородное и неравномерное распределение как в области влияния карьера, так и в окружающих массив породах, что приводит к формированию зон концентрации горизонтальных деформаций и зон растягивающих деформаций.

2. В структурном строении массива горных пород имеет место значительная неоднородность. В бортах карьера присутствуют зоны с повышенной трещиноватостью пород, в подавляющем большинстве согласующиеся с тектоническими нарушениями.

3. Повышенная обводненность ряда участков бортов карьера, приводящая к уменьшению имеющегося резерва по устойчивости.

В графическом виде области распределения неблагоприятных факторов приведены на рис. 1.

Рис. 1. Участки с неблагоприятными факторами, приводящими к ослаблению устойчивости массива на локальных участках

Наличие крупных тектонических нарушений и приуроченных к ним систем трещин, как было показано выше, приводит к структурному ослаб-

лению породного массива и значительному уменьшению значений сцепления, от величины которого во многом зависит коэффициент устойчивости. Кроме этого, при обнажении данных участков массива в них активизируются процессы выветривания, что также негативно влияет на устойчивость откосных сооружений карьера. Области дезинтеграции пород, выделенные по данным геофизического зондирования, зачастую приурочены к осям крупных тектонических нарушений, особенно четко это проявляется в северной (на западном и восточном бортах) и юго-западной частях карьера.

Формирование в прибортовом массиве областей действия растягивающих деформаций приводит к ослаблению сцепления по трещинам, кроме этого, в условиях высоких значений растягивающих деформаций возможно раскрытие трещин и образование коллекторов миграции подземных вод. По данным инструментального маркшейдерско-геодезического мониторинга построена азимут-диаграмма амплитуд полных сдвижений (рис. 2).

Главное направление (Д^) с амплитудами до 90 мм - субмеридиональное, поэтому современные геодинамические движения по этому направлению приводят к усилению или ослаблению сцепления по системам трещин. В перпендикулярном к нему, субширотном направлении, фиксируются два направления современных геодинамических движений (ДЬ2а и ДЬ2ъ), направления их действия - в сторону карьерного пространства могут привести к ослаблению устойчивости массива на локальных участках. В

настоящее время в субширотном направлении сдвижения реализуются по двум секторам, разделенным на 15°, с амплитудой около 70 мм. Мозаичный характер деформирования прибортового массива создает предпосылки к возможной смене главных направлений действия современных геодинамических сдвижений, что может создать ухудшение геомеханической обстановки при концентрации двух субширотных направлений в одно с амплитудой до 140 мм.

Формирование в прибортовом массиве основных зон выхода воды в карьерное пространство приурочено к тектоническим нарушениям и местам их сочленения. Обводненность массива свидетельствует о наличии в нем открытых пор и трещин и также приводит к значительному снижению сцепления за счет увлажнения заполнителя трещин. Кроме этого, в этом случае резко активизируются процессы морозного выветривания пород прибортового массива, что приводит к потере его долговременной устойчивости.

Перечисленные неблагоприятные факторы, приводящие к ослаблению устойчивости массива на локальных участках, невозможно использовать для непосредственного учета в определении коэффициента запаса устойчивости, следовательно, необходимо применять альтернативные методы оценки устойчивости прибортового массива.

Определение рейтинга MRMR пород прибортового массива карьера. На сегодняшний день в широкое распространение получила рейтинговая классификация Д. Лобшира (MRMR - Mining Rock Mass Rating) [8]. Рейтинг MRMR позволяет дать количественную оценку устойчивости массива горных пород и рекомендовать значения конструктивных параметров бортов карьеров. Со времени разработки в 1977 г. данная система претерпела ряд изменений. Использовавшийся в данной работе порядок определения рейтинга MRMR соответствует последней версии системы, опубликованной в работе [9].

Данная система классификации учитывает четыре базовых параметра [10]: прочность ненарушенной породы IRS (Intact Rock Strength), прочность породного блока RBS (Rock Block Strength), блочность породного массива JS (Joint Spacing) и состояние трещин JC (Joint Condition).

Сумма частных рейтингов - прочности породного блока, расстояния между трещинами и состояния трещин - позволяет вычислить рейтинг массива

RMR = Rrbs + Js + Jc,

где RRBS - прочность породного блока (Rock Block Strength); JS - блочность породного массива (Joint Spacing); Jc - состояние трещин (Joint Condition).

Значение рейтинга MRMR определяется путем корректировки величины RMR соответствующими коэффициентами, учитывающими влияние выветривания, ориентации трещин, взрывных работ и водопритоков:

МЯМЯ = ЯМЯ  А  А  А  А д,

выв ор. т взр вод> ^ ^

где Авыв - коэффициент, учитывающий влияние выветривания пород; Аор.т - коэффициент, учитывающий влияние ориентации трещин; Авзр - коэффициент, учитывающий влияние взрывных работ; Авод - коэффициент, учитывающий влияние водопритоков.

Значения частных рейтингов, а также вышеуказанных поправочных коэффициентов, определяются по специальным таблицам и диаграммам, разработанным авторами данной системы и представленными в [9, 10].

Значения рейтинга МЯМЯ варьируются в диапазоне от 0 до 100. Классификация пород по устойчивости согласно методике Д. Лобшира включает 5 классов по 20 единиц рейтинга (табл. 1).

Таблица 1

Классификация пород по устойчивости по Д. Лобширу

Диапазон значений рейтинга MRMR 0...20 21.40 41.60 61.80 81.100

Класс 5 4 3 2 1

Устойчивость Очень Низкая Средняя Высокая Очень

пород низкая высокая

Определение значений рейтинга MRMR для массива Джетыгарин-ского карьера сопровождалось выполнением ряда натурных и лабораторных исследований. По результатам лабораторных испытаний была определена прочность ненарушенной породы (IRS) как прочность образца при одноосном сжатии.

Для определения прочности породного блока RBS, а также для определения рейтинга расстояния между трещинами JS было выполнено исследование трещиноватости прибортового массива карьера, производившееся с помощью методов наземной фотограмметрической съемки локальных участков, а также с применением аэрофотосъемки высокого разрешения с помощью беспилотного летательного аппарата - квадрокоп-тера DJI Phantom 4.

Рейтинг состояния трещин JC определялся в зависимости от их формы, состояния стенок, прочности заполнителя и пр. Геомеханическое описание трещин было выполнено по данным натурных обследований, а также по результатам наземной фотосъемки, выполненной на локальных участках.

На основании полученных частных рейтингов были определены значения RMR (1), которые затем были скорректированы понижающими коэффициентами (2) для вычисления рейтинга MRMR.

Определение поправки за выветривание Авыв производилось по геологическим материалам, а также по результатам анализа развития горных

работ, так как данный коэффициент зависит не только от текущей степени выветренности пород, но и от времени подверженности выветриванию. Снижение рейтинга ИМЯ за счет поправки за выветривание составило от 0 до 10 %.

Поправка за ориентацию трещин Аорт, зависящая от количества систем трещин и их ориентации, была определена по результатам аэро- и наземной фотосъемки поверхности карьера. Снижение рейтинга для всего массива карьера за счет данной поправки составило 10 %.

Месторождение приурочено к скальному комплексу пород, требующих при разработке применение буровзрывных работ. Фактические горно-геологические условия разрабатываемых участков массива месторождения не всегда соответствуют принятому паспорту БВР, в результате чего воздействие взрывных работ на массив можно охарактеризовать как чрезмерное. В связи с этим была выбрана максимальная величина понижающей поправки Авзр за воздействие БВР, составившая 20 %.

Поправки за влияние подземных вод Авод вводились в зависимости от интенсивности водопритоков. Снижение величины рейтинга ЯМЯ за счет учета влияния подземных вод составило от 5 до 10 %.

Геомеханическое районирование прибортового массива по классификации Лобшира. Классификация горных пород прибортового массива выполнялась для рабочей зоны карьера. В соответствии с геологической моделью было выделено 7 основных типов пород, участвующих в строении прибортового массива исследуемой части карьера, представленных в основном различными разновидностями перидотитов и серпентинитов, приуроченных к западному и восточному бортам соответственно.

Расчеты значений рейтинга МЯМЯ были выполнены для всех возможных в условиях массива Джетыгаринского карьера вариантов геомеханической обстановки - для каждого типа породы, категории трещиновато-сти, степени обводненности и горизонта залегания. Полученные значения рейтинга МЯМЯ находились в пределах от 17 до 40.

Районирование поверхности массива производилось по блокам 50^25 м. Общее количество блоков составило 1505. При наличии на одном блоке участков с различными показателями МЯМЯ (например, пород различных типов или категорий трещиноватости и т. п.), их значения усреднялись в зависимости от площади, занимаемой каждым из данных участков. Схема районирования прибортового массива Джетыгаринского карьера по классификации Д. Лобшира представлена на рис. 3.

Фактически полученные значения рейтинга МЯМЯ составили от 20 до 40, что в подавляющем большинстве случаев соответствует 4-му классу по Лобширу - то есть, породы низкой степени устойчивости. При этом значение рейтинга МЯМЯ=20, соответствующее 5-му классу (очень низкой степени устойчивости), было зафиксировано всего на двух блоках. Диаграмма распределения значений рейтинга МЯМЯ представлена на рис. 4.

Рис. 3. Районирование поверхности карьера в зависимости от значений

рейтинга МЯМЯ

1, _

..1 || ш 1. 111111

го 21 22 23 24 25 26 27 2В 2Э 30 31 32 33 34 35 36 37 35 33 40 Значение рейтинга ГУЖШ

Рис. 4. Диаграмма распределения значений рейтинга МЯМЯ

Наиболее распространенные значения рейтинга, зафиксированные на серпентинитах восточного борта, составили 24 и 27 для верхних и нижних горизонтов соответственно, на перидотитах западного борта - соответственно 33 и 40.

При анализе результатов районирования можно сделать вывод о том, что восточный борт характеризуется более низкими значениями рей-

тинга MRMR по сравнению с западным. В первую очередь это обусловлено пониженными значениями прочностных характеристик некоторых видов серпентинитов, а также наличием на восточном борту участков повышенной трещиноватости, приуроченной к выходам тектонических нарушений. Участки выхода воды также фиксируются в основном на серпентинитах восточного борта.

Наиболее низкие значения зафиксированы преимущественно в южной части карьера на обводненных участках серпентинитов верхних горизонтов в зонах выхода тектонических нарушений (рис. 3). Участки с пониженными значениями рейтинга MRMR (20.. .22) составляют менее 1 % от исследуемой площади поверхности карьера.

Для массивных перидотитов нижних горизонтов западного борта, обладающих повышенной прочностью и низкой трещиноватостью, в условиях невысокой обводненности величины рейтинга достигают значения 40 и находятся на границе с 3-м классом по Лобширу, соответствующим средней степени устойчивости пород.

Рекомендации по выбору углов откосов карьера и обеспечению их устойчивости. Профессором Лобширом были разработаны рекомендации по выбору приблизительных значений углов откосов бортов карьеров на основе рассчитанного рейтинга MRMR в зависимости от класса устойчивости пород [11]. На основе опыта исследований различных карьеров в Африке и Южной Америке исследователи А. Хайнс и П. Тербрюгге (Haines A. and Terbrugge P.J.) дополнили рекомендации Лобшира (табл. 2) [12].

Таблица 2

Приблизительные значения углов откосов уступов в соответствии со значениями рейтинга горных пород по Лобширу

Рейтинг MRMR 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Угол откоса >75° 75° 70° 65° 60° 55° 50° 45° 40° 35° <35°

В условиях массива Джетыгаринского карьера при достигнутых значениях рейтинга МЯМЯ от 20 до 40 соответствующие углы откосов уступов составляют от 40 до 50°. Учитывая наиболее распространенные значения рейтинга, характерные для восточного и западного бортов, были рекомендованы величины углов откосов уступов, представленные в табл. 3.

Необходимо отметить, что полученные результаты согласуются с фактическим состоянием устойчивости уступов карьера. Несмотря на принятый проектом отработки угол погашения уступов 60°, в настоящее время на восточном борту по соображениям безопасности уступы отстраиваются под углом 45°, так как иначе не обеспечивается их устойчивость.

Таблица 3

Рекомендуемые значения углов откосов уступов Джетыгаринского

карьера

Борт Горизонт, м Текущие значения Гладкое взрывание + осушение

Значение рейтинга МЯМЯ Углы откосов уступов,° Значение рейтинга МЯМЯ Углы откосов уступов,°

Восточный 230.140 24 42 37 48

140.0 27 43 41 50

Западный 230.140 33 46 42 51

140.0 40 50 52 56

Добиться повышения значений рейтинга МЯМЯ, а, следовательно, более высоких величин углов заоткоски уступов можно за счет повышения качества ведения взрывных работ, а также степени осушения массива.

В условиях Джетыгаринского карьера возможно применение альтернативных способов ведения БВР. Значительно меньшее негативное воздействие на массив оказывает метод так называемого гладкого или контурного взрывания. При этом повышение значения рейтинга произойдет не только за счет увеличения коэффициента Авзр (2), но и за счет снижения степени трещиноватости, вызванной взрывным воздействием.

Наиболее распространенные значения рейтинга МЯМЯ при максимальной степени осушения массива и использовании метода гладкого взрывания повышаются на 9...14 единиц (табл. 3), составляя 37...52, что в большинстве случаев соответствует 3-му классу по классификации Лоб-шира - то есть, породы средней степени устойчивости (значение 37 находится на верхней границе 2-го класса, приближаясь к 3-му классу). Соответствующие рекомендуемые значения углов откосов уступов для восточного и западного бортов представлены в табл. 3. По сравнению с текущими рекомендуемые значения углов заоткоски уступов могут быть увеличены на 5.7°, достигая величин 48.56°.

Необходимо отметить, что значения углов откосов уступов, представленные в табл. 2, 3, основаны на результатах эмпирических исследований и носят рекомендательный характер.

Заключение. В ходе выполнения работы по геомеханическому обоснованию углов заоткоски бортов карьера Джетыгаринского месторождения хризотил-асбеста был выполнен комплексный анализ геологических, технологических и геомеханических условий месторождения, выделены основные факторы, приводящих к ослаблению устойчивости массива на локальных участках.

Натурные исследования трещиноватости прибортового массива, а также результаты лабораторных испытаний образцов горных пород, позволили определить значения рейтинга MRMR для всех возможных в условиях Джетыгаринского карьера вариантов геомеханической обстановки, которые в основном соответствуют породам низкой степени устойчивости. Выполнено районирование поверхности рабочей зоны карьера по классификации Д. Лобшира.

На основании полученных значений рейтинга MRMR были рекомендованы углы устойчивых откосов уступов. Анализ результатов сопоставления фактических углов наклона со значениями углов, определенными согласно рейтинговой системе оценки, показал их хорошую сходимость, что доказывает возможность использования рейтинга MRMR для более достоверной оценки устойчивости прибортового массива на проблемных участках.

В процессе классификации пород поверхности карьера были выявлены факторы, оказывающие наиболее негативное воздействие на прибор-товой массив, снижая устойчивость отдельных уступов. При этом влияние некоторых факторов может быть значительно снижено, позволяя повысить значения углов заоткоски уступов на 5.7° при сохранении должной степени безопасности ведения горных работ.

Список литературы

1. Aksoy C.O. Review of rock mass rating classification: Historical developments, applications, and restrictions // Journal of Mining Science. 2008. Vol. 44. № 51. Р. 51-63.

2. Рыбин В.В., Калюжный А.С., Потапов Д.А. Геомеханическое обоснование параметров борта карьера на месторождении «Олений ручей» и мониторинг его устойчивости // Сб. науч. тр. Всеросс. науч.-техн. конф. «Мониторинг природных и техногенных процессов при ведении горных работ»: 24-27 сентября, 2013. Апатиты, 2013. С. 180-187.

3. Рыбин В.В., Губинский Н.О. Определение рейтинга массива горных пород по классификации Д. Лобшира для условий карьеров ОАО «Апатит» // ГИАБ. 2012. № 3. С. 140-143.

4. Козырев А.А., Губинский Н.О. Определение рейтинга вмещающих пород и руд алмазного месторождения в соответствии с классификацией Д. Лобшира // ГИАБ. 2011. № 8. С. 89-99.

5. Макаров А.Б. Обоснование допустимых параметров очистных камер и целиков // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2015. № 2. С. 261-267.

6. Геомеханическое обоснование параметров камерной системы разработки при переходе на подземный способ добычи руд / А.Б. Макаров [и др.] // ФТПРПИ. 2016. № 3. С. 27-38.

7. Оценка состояния массива горных пород на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» / В. А. Еременко, И.И. Айнбиндер, П.Г. Пац-кевич, Е.А. Бабкин // ГИАБ. 2017. № 1. С. 5-17.

8. Laubscher D.H. Geomechanics classification of jointed rock masses -mining applications // Transactions of Institute of Mining and Metallurgy, Section A: Mining Industry. 1977. Vol. 86. P. 1-8.

9. Laubscher D.H., Jakubec J. The MRMR rock mass classification for jointed rock masses // In Underground Mining Methods: Engineering Fundamentals and International Case Studies (eds. W. A. Hustrulid and R. L. Bullok), P. 475 - 481. Society of Mining Metallurgy and Exploration, SME, 2001.

10. Read J.R.L. Guidelines for open pit slope design // CSIRO, Colling-wood, Australia, 2010. 496 p.

11. Laubscher D.H. A geomechanics classification system for rating of rock mass in mine design // Journal South African Inst. of Mining and Metallurgy. 1990. №. 10. Р. 257-273.

12. Haines A., Terbrugge P.J. Preliminary estimation of rock slope stability using rock mass classification systems // Proceedings of 7th Congress on Rock Mechanics, ISRM, Aachen, Germany. 1991. Vol. 2. P. 887-892.

Панжин Андрей Алексеевич, канд. техн. наук, ученый секретарь, panzhin@igduran.ru, Россия, Екатеринбург, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук,

Харисов Тимур Фаритович, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., timur-ne@mail.ru, Россия, Екатеринбург, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук,

Харисова Ольга Дмитриевна, науч. сотр., olgazheltysheva@gmail.com, Россия, Екатеринбург, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук

COMPLEX GEOMECHANICAL SUBSTANTIATION OF THE OPEN PIT HIGHWALL

SLOPE ANGLES

A. A. Panzhin, T. F. Kharisov, O. D. Kharisova

This paper presents the results of the complex of geomechanical researches for substantiation of stable slope angles of the open pit, including testing of physical and mechanical properties of rocks, investigation of structural composition the rock mass surface, determination of the MRMR rating values, zoning of the open pit surface according to Prof. Laub-scher's classification. Based on the obtained results the values of the bench, face angles were recommended, and the measures to ensure its stability were developed. Classifying the surface of the pit enabled to identify the factors that have the most negative impact on the surface rock mass. It was found that the influence of some factors can be significantly reduced making possible to increase the values of the bench face angles while maintaining sufficient safety of mining.

Key words: open pit slope stability, bench face angles, rating assessment, Laubscher 's classification, MRMR, geomechanical zoning, rock mass jointing, photogrammetry.

Panzhin Andrey Alekseevich, candidate of technical sciences, scientific secretary, panzhin@igduran.ru, Russia, Ekaterinburg, Institute of Mining of Ural branch of RAS,

Kharisov Timur Faritovich, candidate of technical sciences, senior researcher, Ti-mur-ne@mail.ru, Russia, Ekaterinburg, Institute of Mining of Ural branch of RAS,

Kharisova Olga Dmitrievna, researcher, olgazheltysheva@,smail.com, Russia, Ekaterinburg, Institute of Mining of Ural branch of RAS

Reference

1. Aksoy S. O. review of the rating classifications of rocks: historical features, applications and limitations // journal of mining science. 2008. volume. 44. No. 51. P. 51-63.

2. In Rybin.V., Kalyuzhny A. S., Potapov D. A. geomechanical substantiation of the parameters of the quarry Board at the Oleniy Ruchey field and monitoring of its stability. Tr. vseross. science.-tech. Conf. "Monitoring of natural and man-made processes in mining operations": September 24-27, 2013. Apatity, 2013. P. 180-187.

3. In Rybin.V. Guba N. About. The rating of rock mass classification D. Abshire for quarries JSC "Apatit", GORN. 2012. No. 3. P. 140-143.

4. Kozyrev A. A., Guba N. About. Definition of hold-ing the rating of the rocks and ores of diamond deposits in accordance with classifica-tion D. Lobser, GORN. 2011. No. 8. P. 89-99.

5. Makarov A. B. Justification of permissible parameters of treatment chambers and Tselikov // Fundamental and applied problems of mining Sciences. 2015. No. 2. P. 261-267.

6. Geomechanical substantiation of parameters of chamber system development during the transition to an underground way of extraction ore / A. B. Makarov [et al.] / / journal of mining science. 2016. No. 3. P. 27-38.

7. Assessment of the state of rocks in mines of ZF OAO "GMK "Norilsk Nickel" V. A. Eremenko, I. I. Ainbinder, P. G. Patskevich, E. A. Babkin, GORN. 2017. No. 1. P. 5-17.

8. Laubscher D. H. geomechanical classification of jointed rock massifs-mining application // Proceedings of the Institute of mining and metallurgy, section a: mining. 1977. Thom. 86. P. 1-8.

9. Laubscher D. H., Jakubec J. classification of rock mass MRMR for articulated mountain ranges / / underground mining methods: engineering framework and international case studies (ed. W. A. Hustrulid and R. L. Bullok), P. 475 - 481. Society for mining, metallurgy and exploration, SME, 2001.

10. Read J. R. L.'s guide to designing open pit slopes / / CSIRO, Collingwood, Australia, 2010. 496 p

11. Laubscher D. H. geomechanics classification system for rock mass ranking in mine design / / journal of South African Institute. mining and metallurgy. 1990. no. 10. P. 257-273.

12. Haines A., Terbrugge P. J. preliminary assessment of rock slope stability using rock classification systems // proceedings of the 7th Congress on rock mechanics, ISRM, Aachen, Germany. 1991. Thom. 2. P. 887-892.