Структурный прогноз перспективных участков в условиях минимума априорной информации для последующих наземных заверок

© В.В. Рыбин, Н.О. Губинский, 2012

УЛК 622.271

В.В. Рыбин, Н.О. Губинский

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЙТИНГА МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПО КЛАССИФИКАЦИИ Д. ЛОБШИРА ДЛЯ УСЛОВИЙ КАРЬЕРОВ ОАО «АПАТИТ»*

Описана методика определения рейтинга массива горных пород при помощи классификации профессора Д. Лобшира. Произведено определение рейтинга массива горных пород для условий карьеров «Нъоркпахк» и «Центральный» ОАО «Апатит». Показано, что горные породы месторождений «Нъоркпахк» и «Плато Расвумчорр» относятся ко 2 классу и имеют хорошую устойчивость. На основании проведенных расчетов даны предварительные оценочные рекомендации по выбору углов откосов нерабочих бортов рассматриваемых карьеров.

Ключевые слова: геомеханическая классификация Д. Лобшира (МЯМЯ), карьеры ОАО «Апатит», углы откосов бортов карьеров.

Большое распространение при проектировании горных работ получили рейтинговые классификации скальных массивов (системы оценки качества геологической среды). Рейтинговые классификации широко используются при проектировании различных объектов в различных странах дальнего зарубежья. В последнее время и в нашей стране подобные классификации учитываются при выборе параметров систем разработки месторождений полезных ископаемых и подземном строительстве.

Разработкой геомеханических классификаций занимались такие ученые как М.М. Протодьяконов (коэффициент крепости — f) [1], Н.С. Булычев (классификация пород по устойчивости — S) [2], Л. Лир (Rock Quality Designation) [3], Л. Мюллер и Л. Франклин (классификация скальных массивов) [4], К. Терцаги (классификация для туннелей) [5], Р. Лин,

Л. Ланди и Н. Бартон (Quality) [6], 3. Бенявский (Rock Mass Rating) [7], М. Романа (Slope Mass Rating) [8], Л. Лобшир (Mining Rock Mass Rating) [9], А. Хайнс, П. Тербрюгге [10] и др. Практически все вышеперечисленные геомеханические классификации созданы для принятия проектных решений при строительстве подземных и наземных сооружений. В связи с этим возникла необходимость в разработке специальной классификации, адаптированной к горнодобывающей промышленности.

На сегодняшний день наиболее адаптированной для условий горного производства представляется геомеханическая классификация проф. Л. Лобшира MRMR (Mining Rock Mass Rating) [11, 12]. Ланная классификация позволяет не только эффективно подбирать типы и параметры крепления выработок, но и определять степень обрушаемости пород, параметры кон-

* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 09-05-12064).

Таблица 1

Классификация пород по методике Д. Лобшира

Класс/рейтинг МКМК 5/5—20 4/21—40 3/41—60 2/61—80 1/81—100

Устойчивость

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Рис. 1. Блок-схема к процессу определения рейтингового показателя МКМК [12]

структивных элементов систем с обрушением, ориентировочно определять углы откосов бортов карьеров на основе накопленного опыта в этой области.

В целом процесс определения рейтинга массива по данной классификации можно представить в виде следующей блок-схемы (рис. 1).

Как видно из блок-схемы, рейтинг МИМИ получается из суммы частных рейтингов (¡ИМИ), учитывающих прочностные характеристики массива, ко-

личественные и качественные характеристики трещиноватости. Сум-ма частных рейтингов (¡ИМИ) в свою очередь домножается на поправочные коэффициенты, отражающие степень выветрелости пород, ориентацию трещин в массиве, параметры напряженного состояния, гидрогеологические условия и др.

Величину рейтинга МИМИ можно выразить формулой: МЯМЯ = 1ЯМЯ х к; 1ЯМЯ = Ярвв + & + <)'с,

где IRMR — рейтинг нетронутого массива горных пород (Intact Rock Mass Rating); Rrbs —рейтинг прочности породного блока; JS — рейтинг по количеству трещин; Je — рейтинг условий трещиноватости; k - коэффициенты, учитывающие выветривание, ориентацию трещин, напряжения в массиве, применяемые методы отбойки, наличие подземных водо-притоков.

В табл. 1. приведена классификация пород по устойчивости согласно методике Д. Лобшира.

Произведем определение рейтинга массивов горных для условий карьеров Восточного (Hьоpкпаxкcкий участок) и Центрального рудников ОАО «Апатит», ведущих отработку Хибинских апатит-нефелиновых месторождений ^ортахк и Плато Расвум-чорр, соответственно.

Инженерно-геологическое районирование данных месторождений выполнено сотрудниками Геологического института KHЦ PAH Жировым Д.В. и Шпаченко А.К. [1З, 14].

Данное районирование проведено с учётом двух основных факторов:

• различия выделяемых участков и зон по структурно-вещественным параметрам;

• различия по характеристикам структурной неоднородности и степени нарушенности массива пород, в том числе по параметрам трещинова-тости.

По структурно-вещественному признаку выделены следующие лито-типы:

• литотип I — «Pyды».

• литотип II — «Ийолиты гней-совидные».

• литотип III — «Массивные вмещающие породы: рисчорриты, ур-титы, ювиты и др.».

При проведении районирования по характеристикам структурной на-рушенности учитывались неоднородности в строении и распределении по массиву пород таких элементов, как:

• дизъюнктивы и трещинова-тость, их линейные и ориентированные параметры;

• крутопадающие и наклонные дайки, гидротермальные жилы, зоны гипергенных изменений и разуплотнений пород и другие значимые структурные элементы и нарушения однородности массива пород.

В результате проведенных исследований в пределах Ньоркпахкского и Центрального карьеров выделено по 10 основных инженерно-геологических зон. На рис. 2 представлена схема инженерно-геологического районирования Ньоркпахкского карьера, а на рис. 3 — карьера рудника Цет-ральный.

Расчет рейтинга МИМИ выполнен для всех инженерно-геологических зон. Результаты расчётов рейтинга МИМИ для условий Ньоркпахкского и Центрального карьеров сведены в табл. 2.

Как видно из результатов расчетов, горные породы месторождений Ньоркпахк и Плато Расвумчорр принадлежат ко второму классу и имеют хорошую устойчивость (плохую обрушаемость), за исключением пород зоны 1-а-е (карьер Центрального рудника), принадлежащих к третьему классу и имеющим среднюю устойчивость (среднюю обру-шаемость).

Помимо рекомендаций по выбору конструктивных параметров подземных систем разработки с обрушением, определению гидравлического радиуса, типа и параметров крепления горных выработок, пролетов камер проф. Л. Лобширом были разработаны рекомендации по выбору приблизительных

Рис. 2. Схема инженерно-геологического районирования Ньоркпахкского месторождения

Рис. 3. Схема инженерно-геологического районирования месторождения «Плато Расвумчорр»

Таблица 3

Приблизительные значения углов откосов бортов карьеров в соответствии с классом горных пород по Лобширу

Класс пород 1 2 3 4 5

Угол откоса борта карьера 75° 65° 55° 45° 35°

Таблица 4

Приблизительные значения углов откосов бортов карьеров в соответствии с значением рейтинга МКМК

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

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

значений углов откосов бортов карьеров на основе рассчитанного рейтинга МИМИ [9]. Данные рекомендации представлены в табл. 3.

А. Хайнс и П. Тербрюгге на основе опыта исследований различных карьеров в Африке и Южной Америке дополнили эти рекомендации (см. табл. 4) [10].

На основе рассчитанного рейтинга МИМИ горных пород месторождений Ньоркпахк и Плато Расвумчорр для карьеров, отрабатывающих данные месторождения, можно в первом приближении рекомендовать к рассмотрению углы откосов нерабочих бортов равные 60°—65°.

В дальнейшем при определении конструктивных параметров бортов карьеров на конечном контуре необходимо учитывать возможное влияние на их устойчивость крупных структурных нарушений, залегающих в прибортовых массивах и

1. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горнык пород. - Ë.: Недра, 1967, 288 с.

2. Булычев Н.С. Механика подземнык сооружений. — М., Недра, 1982. 270 с.

3. Deere D.U.& Deere D.W. (1988). The RQD index in practice. Proc. Symp. Rock

параметры напряжённо-деформированного состояния геологической среды, что возможно на основе уточнения исходных инженерно-геологических моделей и геомеханического мониторинга.

В целом, рекомендованные на основе рейтинга MRMR углы откосов бортов карьеров соответствуют потенциальной несушей способности скальных тектонически напряженных массивов горных пород [15, 16].

Применение рейтинговых классификаций скальных массивов (систем оценки качества геологической среды) представляется перспективным, поскольку использование систем оценки качества геологической среды вкупе с расчетными методами и методами численного моделирования позволяет более обосновано подойти к выбору конструктивных параметров систем открытой разработки.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Class. Engineering Purposes, ASTM Special Technical Publications 984, Philadelphia. pp. 91—101.

4. Franklin J.A., Broch E. and Walton G.: Logging the mechanical character of rock

— Transact. Inst. Min. Metall. Sect. A. 80, A1

— A9, 1971.

5. Terzaghi K. (1965). Sources of error in joint surveys. Geotechnique. (15). publ. The Institution of Civil Engineers, London. pp. 287—304.

6. Barton, N., Lien, R. and Lunde, J., 1974. Engineering classification of rock masses for the design of rock support. Rock Mechanics 6, 1974, p. 189-236.

7. Bieniawski Z.T., 1989. Engineering rock mass classifications. John Wiley & Sons, New York, 251 p.

8. Romana M. (1985). New adjustment rating for application of the Bieniawski classification to slopes. Proc. Int. Symp. Rock Mechanics Mining Civ. Works. ISRM, Zacatecas, Mexico. p 59—63.

9. Laubscher D.H. (1990). A geome-chanics classification system for rating of rock mass in mine design. Journal South African Inst. of Mining and Metallurgy. 90, No. 10, p. 257—273.

10. Haines A. & Terbrugge P.J. (1991). Preliminary estimation of rock slope stability using rock mass classification systems. Proc. 7th Cong. on Rock Mechanics. ISRM. Aachen, Germany. 2, ed. Wittke W. publ. Balkema, Rotterdam. p. 887—892.

11. Jacubec J., Laubscher D.H. The MRMR rock mass rating classification system in mining practice. Brisbane, 413—421 p., 2000.

12. Laubscher D.H., Jacubec J. The MRMR Rock Mass Classification for jointed rock masses. Foundations for Design. Brisbane, 475-481 p., 2000.

13. Жиров Д.В., Рыбин B.B., Шпа-ченко A.K. Эволюция хрупких деформа-

ций массива пород Ньоркпахкского месторождения апатит-нефелиновых руд по результатам документации и анализа тре-щиноватости // Тез. Докл. Всероссийской Конференции «Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле. К 40-летию создания М.В. Гзовским лаборатории тек-тонофизики в ИФЗ РАН», 13-17 октября 2008 г., том 2, ИФЗ РАН, М., 2008. — С. 124—127.

14. Козырев А.А., Рыбин В.В., Решет-няк С.П., Каспарьян Э.В., Фокин В.А., Би-лин А.Ё., Жиров Д.В., Шпаченко А.К. Общая методология оптимизации конструкций бортов карьеров в массивах скальных тектонически-напряженных пород // Научное обеспечение развития технобиосферы Заполярья: база знаний и пакет инновационных предложений, раздел «База знаний» (мультимедийный информационный диск) / РФФИ — Мурманская область «СЕВЕР-2006». — Апатиты, КНЦ РАН, 2006. — С. 161—171.

15. Козырев А.А., Решетняк С.П., Кас-парьян Э.В., Рыбин В.В., Кампель Ф.Б. Обоснование рациональной конструкции конечного борта карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 3, 2004. — С. 243—250.

16. Мельников Н.Н., Козырев А.А., Решетняк С.П., Каспарьян Э.В., Рыбин В.В., Свинин В.С., Рыжков А.Н. Концепция формирования нерабочих бортов глубоких карьеров Кольского Заполярья // Горный журнал, 2004, № 9. С. 45—50.1Ш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Рыбин В.В. — кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории геомеханики, e-mail: rybin@goi.kolasc.net.ru.

Губинский Н.О. — младший научный сотрудник лаборатории геомеханики, e-mail: gubnikita@yandex.ru. Горный институт КНЦ РАН.

д