Уточнение конструктивных параметров борта глубокого карьера на основе геофизических методов наблюдений

УДК 622.271

A.C. Федянин

УТОЧНЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ БОРТА ГЛУБОКОГО КАРЬЕРА НА ОСНОВЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ НАБЛЮДЕНИЙ

Семинар № 2

Устойчивость открытых горных выработок в течение всего срока эксплуатации обеспечивается, прежде всего, выбором рациональных конструктивных параметров уступов и бортов карьера. При этом, массив, ослабленный горной выработкой, представляет собой сложную динамическую систему, равновесное состояние которой определяется как техногенным воздействием, так и влиянием сил регионального масштаба (геодинамическая активность района месторождения). Учитывая сложность геомеханических процессов, протекающих в массивах горных пород месторождений на стадии их разработки, выбор рациональных параметров бортов глубокого карьера целесообразно проводить на основании комплекса геомеханических методов изучения состояния прибортового массива в процессе ведения горных работ.

Геомеханические изыскания включают в себя комплекс исследований по определению:

• участков бортов с наибольшим влиянием региональной тектоники;

• участков прибортового массива с различной степенью риска возникновения деформаций;

• границ неустойчивых блоков в при-бортовом массиве и особенностей их строения;

• времени начала активной стадии деформационного процесса;

• объема вероятной деформации.

Конечной целью исследований является

получение научно-обоснованной информации, позволяющей осуществлять выбор рациональных параметров бортов карьера, обеспечивающих максимальную технико-экономическую эффективность и безопасность горных работ.

В настоящее время, основным направлением геомеханических изысканий на карьере Му-

рунтау является прогнозирование состояния устойчивости прибортового массива как система предварительных оценок строения, свойств и состояния массива горных пород, а также геологических и инженерно-

геологических процессов, способных оказывать существенное влияние на безопасность горных работ. Знание потенциально опасных по деформациям участков месторождения позволяет еще на стадии планирования горных работ установить места возможных деформаций и принять меры по их предотвращению.

Районирование бортов карьера по степени устойчивости необходимо проводить базируясь на данных геодинамического районирования месторождения в целом, используя данные тектонического строения для определения исходного напряженного состояния массива горных пород, сформировавшегося в земной коре в районе месторождения

Для определения участков бортов карьера, на которые региональная тектоника оказывает максимальное влияние, была построена математическая модель полей напряжений, создаваемых разломами в районе карьера Мурунтау [1, 2]. При расчетах использовался аппарат инвариантных Г-интегралов для сплошных сред с любыми физико-механическими свойствами, с учетом того, что каждый из тектонических разрывов создает около концов других разрывов дополнительные напряжения.

Общий вид карьера, с расположением тектонических разломов (Южный, Первый и Второй Северо-Восточные) и изолиниями главных напряжений, создаваемых этими разломами представлен на рис. 1. Значения величин ГЮ (Г-значение Г-интеграла, G-мoдyль Юнга) в точках A, B, D, E, I, J соответствующих концам исследуемых разрывов и точкам их ветвления.

Для решения задач прогнозирования и предотвращения деформаций определен характер состояния массива горных пород с целью выявления прогностических признаков. Установлено, что главным в прогнозировании деформаций на конкретном участке месторождения, является слежение за изменением геомехани-ческой ситуации в нем во времени, что позволяет достоверно оценить устойчивость откосов бортов карьера, своевременно предвидеть возможные опасные последствия для обеспечения безопасного ведения горных работ. Определение участков прибортового массива с различной степенью риска возникновения деформаций, выявление границ неустойчивых блоков прибортового массива и особенностей их строения возможны только на основании надежных методов исследований, позволяющих фиксировать развитие деформационных явлений в прибортовом массиве, до проявления видимых нарушений его сплошности.

Применяемые в настоящее время методы визуальных и инструментальных маркшейдерско-геодезических наблюдений за деформациями откосов сводятся к фиксации только видимых проявлений нарушения устойчивости откосов, характера трещиноватости массива, последствий взрывных работ в зоне их влияния, а также к получению количественных закономерностей деформирования откосов с целью определения скорости и критической величины смещений, предшествующих началу активной стадии деформирования. Периодичность наблюдений зависит от интенсивности ведения горных работ и скорости деформирования борта.

Рис. 1. Схема карьера Мурунтау с расположением разломов (масштаб

1:20000) и изолинии первых главных напряжении. Номерам изолиний соответствуют безразмерные значения напряжений: 1-0.007;2-0.047;3-0.058;4-

0.128;5-0.364

Необходимо отметить, что маркшейдерские наблюдения за состоянием устойчивости бортов карьера при всей информативности, в данных условиях, весьма трудоемки и не позволяют определить ранние стадии развития деформации в глубине массива. Решить данную задачу позволяют геофизические методы исследований (электрометрия и сейсмометрия), имеющие высокую чувствительность к структурным изменениям в массиве на ранних этапах развития деформации.

Применяющиеся на карьере Мурунтау геофизические методы направлены на решение таких задач, как районирование бортов карьера по устойчивости; наблюдение за геодинамиче-ской активностью крупных тектонических нарушений, в пределах чаши карьера; долговременный и оперативный прогноз устойчивости локальных участков с учетом техногенного воздействия горных работ.

Так, сейсмические исследования, основанные на изучении спектра колебаний пород, слагающих борта карьера позволяют не только ранжировать участки бортов по степени риска возникновения деформаций, но и определять возможные объемы деформаций по величинам линейных размеров неустойчивых участков для заданных резонансных частот. В результате проведенных исследований определены взаимосвязи высоты борта, резонансной частоты и спектральной плотности с объемом деформации при внешнем воздействии соответствующем 7-8 бальному землетрясению (табл.), которые описываются соответственно выражениями:

V °.°4Н

= 3.9 е

V 0.05Н

'з = 19,4 е

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

Опасными при проведении горных работ являются оползни объемом порядка 1000-2500 тыс. м3, которые могут серьезно повлиять на

Прогнозные оценки объемов деформации бортов карьера Мурунтау при землетрясении интенсивностью 8 баллов по шкале М8К

Параметры Значение

Высота борта карьера, м 20 30 40 60 80 100

Резонансная частота слоя, Гц 6,8 4,8 3,9 3,0 2,4 2,1

Частотный диапазон выделения максимума энергии колебаний, Гц 5,8-7,8 3,8-5,8 2,9-4,9 2 1,4-3,4 1,1-3,1

Средняя спектральная плотность смещения системы в резонансном диапазоне частоты, мм •с 0,52 0,47 1,0 1,7 2,6 3,2

Объемы возможных оползней, тыс. м3 10-50 7,5-45 70-400 300-1200 800-1600 1300-2500

ведение горных работ в карьере. Развитие таких оползней возможно при формировании поверхности скольжения длинной более 150 м. Поэтому, исследования бортов карьера методом сейсмометрии должны проводится с периодичностью, соответствующей понижению горных работ на каждые 75-100 м.

В свою очередь, геофизические исследования методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) позволяют выделять потенциальные поверхности ослабления, определять горизонтальные границы неустойчивых тектонических блоков выявленных ранее методами сейсмометрии. Методы электроразведки целесообразно применять при выявлении потенциальной поверхности скольжения на ранних стадиях развития оползня.

Режимные наблюдения в пределах выделенных неустойчивых участков блоков проводятся 1 раз в 2 месяца с целью заблаговременного выявления тенденций роста напряженности в массиве по параметру кажущегося сопротивления (рк) во времени.

Интерпретация результатов наблюдений показала, что вариации линий регрессии кажущегося сопротивления пород исследуемого массива отражают не только структурную неоднородность массива как слоев с различной электропроводностью, но и распределение внутренних напряжений в массиве создаваемых силами регионального масштаба с учетом реальной геологической структуры. В результате наблюдений установлено, что на участках, примыкающих к зоне вероятного будущего деформиро-

Рис. 2. График изменения напряженности массива горных пород по параметру рк для глубины 50 м

вания (в пределах первых сотен метров) изменение сопротивления накануне его возникновения достигает 30^40 % (рис. 2).

Анализируя результаты измерений необходимо отметить, что значительная разница в амплитуде значений рк указывает на интенсивность проявления структурных изменений внутри прибортового массива. При этом форма графика отражает характер развития деформационных явлений (рост внутренней напряженности в массиве, формирование поверхности отрыва и т.д.).

Таким образом, исследования методом электрометрии целесообразно применять на участках потенциально опасных по параметру устойчивости с целью наблюдения за развитием деформационных процессов на ранней стадии, до проявления видимых нарушений сплошности прибортового массива.

Приведенный комплекс геофизических методов исследования прибортового массива, с учетом геологического строения информативен для описания геомеханического состояния участка борта карьера и базируется на взаимосвязи геофизических параметров с физико-

механическими характеристиками горного массива.

Было разработано программное обеспечение совместно со специалистами ИПНЭ НАНУ (Украина) и апробировано на ряде объектов в

течение длительного времени. В программном пакете реализован инженерный численный метод расчета устойчивости борта карьера с неоднородной структурой горного массива. В основу метода положено решение экстремальной задачи с ограничениями в виде неравенств. Численный подход базируется на естественной дискретизации областей (1, 2, 3,..n) поперечного сечения борта карьера по литологическим разностям при помощи кусочно - линейных функций.

Расчет рационального профиля борта карьера с П уступами была сведена к задаче линейного программирования, при которой определен минимум функционала

П

S = 'ZSj ^ min,

1=1

где

,

S, - Г h2 H  h- h i 2 i i-1 " •x h k=1 _ • X + H -ihk . k=1 _

xi = \Ctg («i) при i -1 ,П,

[bi при i - n +1,2 n

где а. - угол i бермы

-го уступа,

bi

н

ширина 1 —й Вы-

П h - высота борта карьера. i=1 1

соты уступов р считаются заданными.

Программный продукт предназначен для выполнения расчетов по оценке устойчивости уступов, бортов карьеров и отвалов, сложенных неоднородными породами, имеющими сложную морфологию. При расчете определяется наиболее опасная линия скольжения с наименьшим коэффициентом запаса устойчивости борта карьера. Возможен так же расчет коэффициента запаса устойчивости борта карьера (отвала) для произвольно заданной линии скольжения.

Таким образом, система определения рациональных параметров выработки в процессе ведения горных работ на карьере Мурунтау в настоящее время включает в себя 3 этапа:

• инженерно-геологическая оценка участка борта карьера;

• выявление структуры прибортового массива геофизическими методами исследований;

• расчет рациональных параметров борта глубокого карьера с помощью специализированного программного пакета.

Система определения рациональных параметров борта глубокого карьера применена на участке северного борта карьера (гор + 285 -165 м) в районе деформации № 43. Основными причинами деформации явилось совпадение направлений линий откоса уступа с простиранием пород, падение пород в сторону выработанного пространства, а так же расположение участка деформации в тектоническом клине между Меридианальным и Субширотным разломами, в пределах которых породы подвергнуты трещиноватости и рассланцеванию.

Известно, что расчет устойчивости борта, как системы взаимосвязанных структурных элементов с использованием непосредственно фактического инженерно-геологи-ческого разреза, подтвержденного геофизическими данными, а не с его упрощенными моделями, позволяет получить наиболее достоверную информацию.

В этой связи, с целью исследования структуры и состояния устойчивости прибортового массива в зоне деформации, а так же выявления плоскости возможного сдвижения пород в пределах горизонтов 285-165 м, было принято решение о проведении комплекса исследований включающего детальные геофизические исследования и режимные маркшейдерские наблюдения.

Геофизические наблюдения методом ВЭЗ проводились симметричной установкой на 3х горизонтах (гор. + 285; гор. + 255; гор. + 185 м). При этом разносы питающих электродов АВ определялись для каждого горизонта отдельно, исходя из геометрических параметров блока и условий наблюдений. Замеры проводились со 100 % повторением в прямом и обратном ходе, при этом погрешность измерений не превысила 5 %. Интерпретация результатов ВЭЗ с учетом данных маркшейдерских наблюдений, позволила построить геоэлектрические модели исследуемого участка борта карьера непосредственно в зоне деформации, на котором выделяются зона разлома, структурные неоднородности и зона сильно трещиноватых пород в основании деформации (рис. 3). Анализ полученных инженерно-геологи-ческих и геофизических данных о структуре участка деформации показывает, что линией вероятного скольжения на данном участке являются зоны трещиноватых пород генетически связанные с меридианальным разломом, имеющие мощность до 5 м. Так же установлено, что деформация имеет локальный характер и реализуется

X

в виде закола прибортового массива с зоной нарушения сплошности мощностью до 15 м.

Следующим этапом оценки устойчивости участка деформации являлось построение математической модели деформированного участка с учетом сниженных коэффициентов сце-

1. Быковцев A.C., Прохоренко Г.А., Сытенков В.Н. Моделирование геодинамических и сейсмических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых. Ташкент. Изд. Фан. 2000.

Рис. 3. Расчет рационального профиля борта карьера: 1 — расчетная линия скольжения; 2 - зона разлома; 3- зоны трещиноватости; 4 - существующий

профиль борта; 5 - рекомендуемый профиль борта; 6 - участок деформации №43

пления и трения пород в массиве. Расчет проводился согласно общепринятых алгоритмов для ква-зиизотропной среды, с использованием описанного ранее специализированного программного пакета DNEPR.

По результатам наблюдений, был определен и практически реализован оптимальный профиль участка борта карьера, в пределах выбранных горизонтов.

Проведенный комплекс исследований позволил оперативно оценить состояние массива горных пород, выделить потенциальную поверхность скольжения, и реализовать наиболее оптимальные параметры борта глубокого карьера отвечающие условиям экономической эффективности и безопасности горных работ.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Лукишое Б.Г., Телибаев Б.К.,Федянин A.C. Взаимосвязь деформаций бортов карьера карьера Мурунтау с внутренними и внешними воздействиями. Горный вестник Узбекистана. 2002. №2, С 49-50.

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

Федянин A.C. — инженер-геофизик, рудник Мурунтау НГМК

-------------------------------------------------- РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

1. Бусыгина Е.Б. Методы очистки просеивающих поверхностей гравитационных грохотов (№ 358/09-04 — 31.05.04) 5 с.

2. Цыганков М.Б. Проектное финансирование в горнодобывающей промышленности России (№ 359/09-04 - 02.06.04) 14 с.

----------------------------------------- © А.М. Дерюга, А.В. Иабокин,

2004