Состояние устойчивости бортов карьеров при отработке уральских медно-колчеданных месторождений открытым способом

4. При однослойной выемке запасов или отработке верхнего слоя рудного тела наиболее предпочтительным является ведение очистных работ без оставления рудных целиков.

Работа выполнена при поддержке межвузовского фонда по фундаментальным исследованиям в области горных наук: конкурс грантов 1998 г.

УДК 622. 271.3

A.A. Светляков, В.И. Зобнин

СОСТОЯНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ УРАЛЬСКИХ МЕДНОКОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ

При открытом способе разработки большое значение имеют условия, обеспечивающие устойчивость бортов карьеров. В настоящее время часть уральских карьеров дорабатывается (Си-байский, Уч&чинский), часть доработаны до проектных глубин (Гайские №1 и №2, Молодежный, Объединенный).

На основании исследований фактического состояния устойчивости бортов карьеров в настоящей статье рассмотрены вопросы устойчивости бортов карьеров, основные причины, вызывающие деформации бортов, и методы борьбы с ними. Все эти вопросы являются весьма актуальными для проектирования новых карьеров и отработки месторождений открытым способом. Параметры некоторых карьеров уральских медноколчеданных месторождений представлены в таблице.

Уральские медноколчеданные месторождения характеризуются сложными геологическими условиями, зонами рассланиевания и дробления пород и большим количеством литологиче-ских разностей пород (1]. Эти месторождения можно отнести к третьей подгруппе второй группы классификации инженерно-геологических комплексов по устойчивости откосов проф. Г.П. Фисен-ко [4J.

Параметры некоторых карьеров уральских медноколчеданных месторождении

Карьер Гл\<>ина, м Высота уступа в предельном контуре, м Углы откосов уступов, град Углы наклона бортов, град

проектная фактическая в рыхлых отложениях в полускальных породах в скальных породах

¡Тайский №1 320 320 30 20-30 40-45 50-60 27-31

Гайский №2 245 245 20-45 22-30 40-45 50-55 28-32

Учалинский 350 340 24-36 25-30 40-45 50-65 33-41

Молодежный 236 236 20-24 25-30 40-45 55-60 30-32

Сибайский 504 465 30-36 30-35 40-45 60-70 36-42

Рудные тела, как правило, залегают среди осадочных, эффузивных, интрузивных пород различного состава и их измененных разновидностей. Породы в основном средней крепости с пределом прочности на сжатие 20 - 160 МПа. Коренные породы месторождений покрыты рыхлыми образованиями мощностью zo 70 м в виде элювиально-делювиальных и аллювиальных отложений. которые представлены песчаной глиной с обломками коренных город и прослойками песка. Элювий представлен древней корой выветривания материнских пород. Четкой границы между корой выветривания и неизмененными породами нет. Зона перехода от пород коры вызстривания к коренным представлена полускальными породами с пределом прочности на сжатие 8-30 МПа и мощностью 0-40 м.

В гидрогеологическом отношении месторождения характсризу ю~ся сравнительно небольшой водообильностью. Суммарные водопритоки в карьерах составляют 65 - 200 м3/ч Глубина за-

легания водоносного горизонта изменяется от I до 20 м. Питание подземных вод происходит в основном за счет инфильтрации атмосферных осадков

Для дренажа используются подземные горные выработки со сквозными фильтрами, наклонные скважины-фильтры. проб>рснныс из карьера, вертикальные водопонкзитсльныс скважины. сочетание различных выработок

Таким образом, мсдноколчсданныс месторождения характеризуются сложными условиями залегания, сравнительно небольшой водообильностью. наличием крупных тектонических нарушений и большого комплекса различных по составу вмещающих пород, часто измененных гидротер-мально-мстасоматическими процессами, которые существенно снижают их прочность

На участках, сложенных рыхлыми отложениями, деформации откосов проявляются в виде осыпей, обрушений, оползней, оплывин и осадки пород В скальных и полускальных породах деформации проявляются главным образом в виде осыпей и обрушений уступов и оползней по большим тектоническим трещинам.

Ниже остановимся на наиболее типичных нарушениях устойчивости откосов, произошедших на уральских меднорудных карьерах.

Сибаиский карьер

В 1957 году обрушились три уступа западного борта с общим объемом 120 тыс.м3 Длина обрушенного участка составила 220 м. Угол наклона борта в момент обрушения составлял 45-50° Обрушенные породы расположились под углом 32-36°.

Борт карьера на этом участке сложен трещиноватыми в различной степени серицитизиро-ванными. увлажненными кварцевыми альбитофирами. рассеченными многочисленными тектоническими трещинами. При реконструкции карьера участок был отработан Однако на протяжении многих лет вплоть до настоящего времени на участке наблюдается появление трещин на предохранительных и транспортных бермах. Средняя скорость подвижек незначительна и не превышает 0,02-0,40 мм/сут. Но в весенний и осенний периоды подвижки, как правило, возрастают. В течение 1999 года по реперам, заложенным пс обеим сторонам трещин, проводились периодические наблюдения На рис. 1 приведены данные этих наблюдений. Анализ данных показывает, что скорость возрастает в определенное время года (период дождей), и при отсутствии каких-либо проти-водеформационных мероприятий (выхолаживание угла откоса, ограничение веса одновременно взрываемого ВВ в технологических блоках, отвод дождевых вод и др.) скорость деформирования резко снижается и происходит стабилизация откоса. Это можно объяснить следующим При попадании воды в трещины породный массив начинает деформироваться.

и

1.4

I И

X

ы

О

е.: о«

•504 1:04 1*04 1*04 £1.0« 22.04 2404 2»04 0505 1*0» Л<* 040$ 22« 2»0»

Яг»

Рис. 1. График скоростей вертикальных смещений гор. 55 м. северо-запад

Причины деформирования: увеличение веса массива пород, давление на стенки трещин воды, уменьшение сцепления по трещинам, особенно при их заполнении глинкой трения.

*

Деформирование массива увеличивает размеры трещин, и соответственно увеличивается пористость, а вместе с ней коэффициент фильтрации, вола фильтруется на нижние горизонты и выходит в борт карьера Тогда вес массива пород становится прежним, давление воды на стенки трещин уменьшается, и деформации резко затухают При большом количестве ливневых или паводковых вод, когда трещины наполняются водой на значительную высоту, подвижки вновь возникают, а при увеличении пористости массива пород уровень депрессионной воронки снижается и деформации исчезают. Следует заметить, что такое явление может возникнуть при определенных условиях: большие тектонические трещины, разбивающие массив пород на блоки; запас устойчивости откоса не более 1,25 - 1,30.

Таким образом, причинами деформаций участка является сложное геологическое строение и несоответствие угла откоса физико-механическим свойствах! пород: подток ливневых и паводковых вод на участок.

На поверхности восточного борта под углом в 20° к его протиранию в 1968 году были обнаружены трещины протяженностью до 500 м н шириной до 10 см. Одновременно появились трещины на нижележащих транспортных и предохранительных бермах (рис.2). Верхняя часть борта сложена рыхлыми отложениями мощностью до 40 м, представленными суглинками. Скальные породы представлены спилитами и порфиритами. Борт сечет Восточно-Сибайское тектоническое нарушение меридионального простирания с падением 75-80° в сторону карьера и оперяющими тектоническими трещинами с падением на восток под углами 50-60°. Нарушение заполнено глинкой лрения мощностью 0,3-0,5 м.

В 1970 году были пробурены наклонные скважины с берм карьера, и осушение борта несколько стабилизировало деформации. Была проведена реконструкция борта карьера, в результате чего был выположен угол погашения борта с 44 до 40°

В настоящее время восточный борт находится в устойчивом состоянии. Однако деформации верхних горизонтов до настоящего времени периодически возникают в виде отдельных трещин. просадок и обрушений отдельных уступов.

Причинами этих деформаций является сложное строение восточного борта, большую роль здесь играют оперяющие тектонические трещины, а также подток грунтовых и паводковых вод, с которыми существующий дренаж восточного борта в период дождей не справляется.

Рис.2. Схематический разрез восточного борта Сибайского карьера:

1 - трещины на иовсрхнссти и откосах, 2 - тектоническое нарушение, 3 - онеряюио« трещины, а, и а,2 - утлы погашения борта карьера до и после разноса соответственно

На юго-западном борту карьера деформации этого участка происходят в виде поверхностного скольжения породы по желобу, сформированном) тектоническими трещинами.

Установлено, что зона деформирования юго-западного борла в отм.40-220 м ограничена с восточного фланга наличием тектонического нарушения с падением на северо-запад под углом 60°; с запада - под углом 55° и образует желоб с падением в сторону выемки под углом 57°. Степень устойчивости участка деформации в настоящее время определяется наличием рудного целика в отм 40-35 м. При проходке на южном участке транспортной бермы произошло обрушение уступа высотой до 20 и длиной по простиранию до 50 м.

Причины: сильно трещиноватые породы, а также взрывные работы, проводящиеся в непосредственной близости к проектному контуру без соответствующих ограничений.

Для исключения дальнейших деформаций были оставлены рудный и породные целики, выположен борт на этом участке и построено улавливающее заграждение.

В настоящее время активного развития деформации не наблюдается. Просадки, активные осыпи, появление и развитие новых трещин в откосах и бермах уступов отсутствуют.

г

Учалинский карьер

В 1964 году на юго-западном борту возник оползень, захвативший по высоте 60 м, объемом до 110 тыс.м3. Породы в районе оползня представлены корой выветривания диабазовых пор-фиритов. Участок разбит серией тектонических нарушений северо-западного и северо-восточного простирания, ограничивающих на флангах оползень. Угол наклона участка борта составлял 30°.

Причины оползня: наличие тестонических нарушений, обилие атмосферных осадков, подток воды из озера Малые У чалы, непосредственно примыкающего к юго-западному участку карьера.

Деформации участка продолжались до 1980 года и прекратились после проходки по периметру карьера дренажного штрека.

Гайский карьер № 1

Деформирование северного борта карьера Л'21 наблюдается с 1969 года по настоящее время. В основном оно проявляется в виде оползневых явлений на верхних горизонтах, сложенных делювиальными отложениями. Наиболее характерным для карьера №1 оползнем этого типа является оползень №5. Он произошел в июле 1969 года, охватив по высоте 15 м. при угле откоса 25-30° и длине по простиранию борта 120 м.

Основной причиной деформаций северного участка борта является обводненность участка

В делювиальных отложениях вода способна пропитать всю толщу делювия, лишая сцепления глинистые массы и способствуя их перемещению на очень пологих откосах (до 4°) [2].

Поскольку подстилающие породы представлены жирными псстроцветными глинами, то ча контакте с делювием возникает местный отпор Он оказывает на делювиальную толщу взвешивающее противодавление, снижая тем самым в контактной зоне сопротивление сдвигу. Поэтому наличие поверхностных и подземных вод вызывает изменение прочностных свойств делювиальной толщи и переход пород в пластическое состояние.

Расчеты показали: для того, чтобы не иметь деформаций, необходимо северный участок борта на высоту 30 м выположить до 10й при существующих условиях обводнения борта. При условии осушения устойчивый угол наклона участка борта при высоте 30 м составляет 24°.

Были выполнены следующие мероприятия по стабилизации деформаций на северном бор-

ту:

- разнос участка борта и выполаживание уступов (гор.380 - 350 м);

- оставление предохранительных целиков с консервацией руды;

- отгрузка оползающей массы и пригрузка скальными породами;

- проходка дренажных канав для отвода вод из-под при грузки;

- прекращение сброса промышленных вод в колодцы ливневой канализации и организация перепуска вод нагорной канавы по скважинам в подземные горные выработки

Однако все перечисленные способы вызывали только временную стабилизацию оползневого участка.

В результате пятиразовой псрсзаоткоски верхних горизонтов северный борт передвинулся на расстояние 100 м. При этом были перенесены на другой у часток шоссейная дорога и железнодорожный тупик.

Учитывая, что дальнейшее распространение оползня приведет к демонтажу зданий и сооружений, на промплощадке подземного рудника было рекомендовано произвести пригрузку борта карьера внутренним отвалом скальных пород большой мощности. Расчеты показали, что высота пригрузки должна быть 200 м, а объем 4,5-5,0 млн м3. В настоящее время ведется отсыпка внутреннего отвала в качестве пригрузки северного борта.

Гайский карьер №2

В отличие от карьера №1, на карьере №2 верхние усту пы, сложенные делювиальными отложениями. обводнены слабо. Поэтому на верхних у ступах карьера №2 деформации, как правило, небольшие (объем до 100-150 м3). и количество их невелико.

в

На карьере имеет место ряд деформаций отдельных усту пов, сложенных скальными породами. Объем обрушений колеблется от 100 до 25000 м Распределение деформаций по глубине карьера неравномерно В отметках 380 (поверхность) - 300 м деформациями поражено около 1 с площади уступов, поставленных в предельное положение, а в отметках 300-160 м эта величина составляет около 20 %.

Основной причиной деформаций в скальных породах является подрезка горными работами неблагоприятно ориентированных трещин и нарушение законтурного массива взрывными работами.

Молодежный карьер

На Молодежном карьере деформации усту пов происходят в делювиальных отложениях, которые достигают от нескольких метров до 50 м Это плотные, вязкие, слабопссчанистые глины с обломками коренных пород.

В 1982 году после постановки в предельное положение верхних уступов южного борта карьера (гор.490-450 м), сложенных глинами, произошла их деформация. Деформация классифицирована как оползень-оплывика. вызванная снижением физико-механических характеристик пород верхних уступов вследствие их переувлажнения грунтовыми и поверхностными водами. По простиранию борта длина оползня составила 260 м; по высоте - 40 м; по мощности - 10-15 м. Объем оползня 130000 м\ Часть оползших пород была отгружена во внешние отвалы, а на образовавшуюся площадку был отсыпан внутренний отвал скальной вскрыши в качестве пригрузки До настоящего времени этот участок находится в устойчивом состоянии.

В 1986 году такой же оползень возник на восточном борту. Однако пригрузка откоса выполнена не была. До настоящего времени на этом участке происходят деформации Тело оползня, минуя скальные уступы, наплывает на капитальный съезд, где происходит его периодическая отгрузка во внешние отвалы.

Приведенные примеры деформаций уступов показывают, что они развиваются в глинистых, полускальных и скальных породах, проявляются обычно в виде оползней и обрушений и приу рочены к участкам пониженной прочности.

Основными причинами леформаиий откосов являются несоответствие их углов физико-механическим характеристикам, нарушение прочности массива в его естественном залегании буровзрывными работами, обводненность борта

Наиболее распространенный вид стабилизации откосов на карьерах - отсыпка внутренних отвалов скальных пород в качестве пригрузки откосов, дренаж бортов

Снижение нарушенное™ законтурного массива от взрывных работ производится применением спецтехнологии отработки приконтурных лент с соответствующим ограничением одновременно взрываемого ВВ

Рекомендации по устойчивым углам откосов при проектировании, строительстве и отработке карьеров были разработаны институтом «Унипромсдь» в соответствии с Методическими указаниями ...[3]. Для оценки устойчивого состояния бортов карьеров и их отдельных участков использовались в основном метод алгебраического сложения сил и метод многоугольника сил. Применение этих способов показало их надежность и простоту

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК"

1. Зобнин ВН. и др. Состояние устойчивости и борьба с деформациями на карьерах цветной металлургии - М.: Цвстметннформация. 1977. - 36 с.

2. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. - М : Недра. 1965. - 210 с.

3. Масчов И.Н. Механика фунтов в практике строительства - М : Стройиздат. 1977 - 320 с.

4. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. - Л.: ВНИМИ. 1972. - 165 с.