Технология формирования предельных контуров карьеров в оптимизированных границах

© А.М. Иоффе, 2003

УДК 622.271.2

А.М. Иоффе

ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ КОНТУРОВ КАРЬЕРОВ В ОПТИМИЗИРОВАННЫХ ГРАНИЦАХ

овременный этап развития открытых горных работ характеризуется проектированием, освоением и разработкой целого спектра разномасштабных сложноструктурных месторождений высокоценного сырья: от мелких глубиной до 120 м (Алтынсау, Красный Камень, Окжетпекс, Косманачи, Косачи, ряд карьеров месторождения Кокпатас и др.), средних глубиной до 200-250 м (Липовый Лог, Квартальный, Даугызтау и др.); крупных - глубиной до 300-400 м (Маныбай, Тулу-куй, Олимпиадинское, Завитая и др.): до крупномасштабных - скальных с глубиной до 600 м и более (Сухой Лог, Удокан, Мурунтау, Удачное): пластовых с годовой производительностью по горной массе до 100 млн. м3 (Учкудук, Меловое). Разработка данных месторождений, особенно крупных и крупномасштабных, находящихся, как правило, в постоянно меняющихся, неблагоприятных и сложных инженерно-геологических, горно-геологических и климатических условиях поставила перед наукой и практикой целый ряд труднорешаемых горнотехнических проблем, связанных с необходимостью определения экономически целесообразных границ карьеров, интенсификации горных работ на основе проведения мощных технологических взрывов, использования оборудования повышенной единичной мощности, внедрением циклично-поточной технологии, в том числе с использованием крутонаклонного подъема, увеличением высоты отсыпаемых отвалов.

При этом опыт более чем 30летней эксплуатации показывает, что почти на всех карьерах происходят деформации уступов, бортов и отвалов. Происходящие оползни и обрушения нарушают нормальную ритмичную работу технологических звеньев производства, создают аварийные ситуации, что ухудшает условия техники безопасности, приводят к выемке дополнительных объемов

с~..................“

сервации запасов высокоценной руды, и в конечном итоге снижают техникоэкономические показатели работы горнодобывающих предприятий. В связи с этим обобщение опыта внедрения научно-технических разработок, направленных на создание методов и средств формирования бортов и отвалов карьеров в практику проектирования и отработки сложноструктурных месторождений сырьевой базы Минатома (бывший Средмаш), является важным условием эффективной отработки открытым способом аналогичных эксплуатируемых и перспективных месторождений высокоценного сырья.

Учитывая длительные сроки службы бортов и отвалов карьеров, достигающие 25-30 лет и более. Размещение на них транспортных коммуникаций, разных капитальных сооружений, мощного горнотранспортного оборудования, они с полным основанием могут быть и ответственными инженерными конструкциями, обеспечение долговременной устойчивости которых с надежным, но не преувеличенным коэффициентом запаса является важной и актуальной проблемой.

В этой связи разработка методов и средств формирования бортов и отвалов, обеспечивающих эффективную и безопасную отработку сложноструктурных месторождений открытым способом в оптимизированных границах является актуальной научной и практической проблемой.

При решении данной проблемы получены следующие научные результаты:

- предложены классификации технологических схем формирования бортов и уступов, учитывающая их взаимосвязь с основными технологическими процессами в глубоких карьерах и инженерно-геологическими условиями прибортового массива; сложноструктурных месторождений высокоценного сырья по генетиче-

ским признакам инженерногеологическим комплексам пород и методам расчета устойчивости откосов карьеров, определяющая область нахождения каждого конкретного месторождения в ряду других;

- разработана таксономическая система методов и средств технологии формирования уступов и бортов карьеров, отрабатывающих сложноструктурные месторождения, с выделением трех иерархических уровней, каждый из которых характеризуется определенным набором методов и средств решения задач и достижения поставленной цели;

- впервые разработана методика расчета устойчивости уступов, бортов и отвалов с учетом воздействия на них землетрясений в зависимости от геодинамики и сейсмичности региона расположения каждого конкретного месторождения;

- на основе установления основных факторов, влияющих на устойчивость уступов, бортов и отвалов на рассматриваемых карьерах выявлены ослабленные участки прибортовых массивов и отвальных оснований, подверженные деформациям, получены эмпирические уравнения для расчета параметров уступов с учетом влияния климатических факторов (температурного воздействия при цикличном замораживании и оттаивании) на прочность и устойчивость пород в откосах;

- выявлены закономерности изменения уровня сейсмовзрывных нагрузок в законтурном массиве при различных параметрах «экранной щели», а также снижения прочностных характеристик горных пород под воздействием взрывов; установленные закономерности являются основой для разработки методики расчета параметров откосов с учетом воздействия на них технологических взрывов;

- предложена методология опытно-промышленных испытаний специализированного станка наклонного глубокого бурения, обеспечивающего проходку щелеобразующих скважин на глубину 62 м, установлена зависимость механической скорости бурения наклонных скважин от глубины их рабочего забоя;

- разработана комплексная методика наблюдений за состоянием устойчивости уступов, бортов и отвалов, а также оценки эффективности внедряемых технологических способов их формирования; исследованы закономерности распространения упругой

продольной волны в зацементированных породах и установлены эмпирические зависимости между ее скоростью и степенью заполнения трещин цементным камнем; дана методика определения радиуса распространения цементного раствора в укрепляемом породном массиве; впервые применен метод конечных элементов для расчета коэффициента запаса укрепленного уступа; установлена зависимость прочности сцепления цементного камня с породой от комплекса факторов, в том числе от величины давления нагнетания цементного раствора;

- рекомендована экономикоматематическая модель по определению рациональной области применения технологических способов формирования бортов, уступов и отвалов;

- установлены закономерности деформирования отвалов в зависимости от инженерно-геологических условий и технологии их отсыпки;

- разработана методика обоснования границ карьера, отрабатывающих сложноструктурные месторождения, с учетом внедрения технологии формирования уступов, бортов и отвалов.

Практическая значимость работы:

- разработаны прогнозные карты инженерно-геологического районирования прибортового массива карьеров Тулукуй, Маныбай, Мурунтау, Дау-гызтау по степени устойчивости с выделением участков уступов и бортов, склонных к деформациям и требующих проведения комплекса мероприятий по внедрению новой специальной технологии их формирования;

- предложены технология и технологические схемы формирования нерабочих уступов и бортов глубоких

рудных карьеров, включающих «щелевое экранирование» и использование механического рыхления горных пород, а также способы укрепления неустойчивых откосов, и определена область их эффективного применения для условий сложноструктурных месторождений (Тулукуй, Ма-ныбай, Меловое, Учкудук, Мурун-тау, Сухой Лог);

- созданы эффективные технологические схемы ведения буровзрывных работ, обеспечивающие надежную защиту комплексов цикличнопоточной технологии, в том числе с использованием крутонаклонных конвейеров от воздействия массовых взрывов в карьере;

- разработан пакет компьютерных программ, обеспечивающий многовариантность, оперативность и повышение надежности геомеханических расчетов параметров карьерных откосов и отвалов для различных горногеологических условий;

- предложены мероприятия по повышению полноты выемки высокоценных руд за счет вовлечения в открытую разработку запасов полезного ископаемого ниже проектного дна и в бортах карьеров;

- сформулированы основные требования для системы оперативного дистанционного контроля за состоянием устойчивости уступов и бортов ) в том числе укрепленных) на основе комплекса геофизических методов; разработана и прошла успешные испытания конструкция тензометриче-ской сваи;

- разработаны и внедрены на рассматриваемых месторождениях в практику производства рациональные конструкции уступов, бортов и отва-

лов, обеспечивающие минимизацию общих объемов выемки пустых пород на карьерах и сокращение размеров площадей, занимаемых отвалами;

- создана и внедрена противооползневая технология ведения горных работ при отработке основного вскрышного уступа, обеспечившая надежную и безаварийную работу мощного роторного комплекса с годовой производительностью 14 млн м3; обоснована возможность размещения от отвалах песчано-глинистых пород мощного ЭШ-40/80 и даны эффективные технологические схемы его применения на формировании отвалов;

- внедрена комплексная методика наблюдений за развитием деформационных процессов в карьерах и на прилегающих территориях (участка) на основе космического мониторинга и применения современных геофизических методов, позволяющих с достаточной степенью точности фиксировать начальную (скрытую) стадию возникновения оползневых явлений и определять их масштаб, что дает возможность оценивать степень их опасности;

- внедрение при проектировании и эксплуатации карьеров, отрабатывающих сложноструктурные месторождения, рекомендуемых технологических схем технологии формирования уступов, бортов и отвалов существенно повышает народнохозяйственную эффективность горнодобывающей отрасли.

Сокращение объемов вскрыши составило 450 млн м3, дополнительно добыто 50 и 40 млн т руды по золоторудным и урановым месторождениям.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

© А.М. Иоффе, 2003

УДК

А.М. Иоффе

УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ ОТВАЛООБРАЗОВА-НИЯ ПРИ ОТСЫПКЕ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД НА РАЗНОПРОЧНОЕ ОСНОВАНИЕ

Территория, запроектированная для размещения конвейерных отвалов на карьере Мурунтау на площади 2x1,5 км, характеризуется чередованием слабых и достаточно прочных участков, ширина которых колеблется в пределах 200-300 м. При размещении отвальной заходки на прочном основании высота яруса и породных конусов, отсыпаемых отвалообра-зователем 0Ш-4000/125, зависит только от его геометрических параметров и уровня стояния над земной поверхностью. При перемещении отвальной заходки на участок со слабым основанием необходимо внедрение специально разработанных технологических схем и параметров отвалооб-разования, обеспечивающих безаварийную работу и безопасные условия эксплуатации отвального оборудования. Прочностные характеристики пород, слагающих основание, приведены ниже.

Наблюдениями за состоянием откосов отвалов установлено, что разрушению откосов предшествуют развивающиеся в течение длительного времени деформации, а образование заколов и трещин на верхних площадках отвалов не является признаком обязательного последующего разрушения откосов. Следовательно, параметры откосов отвала безопасно можно увеличивать до появления видимых трещин и заколов и вести горные работы на деформирующемся отвале, контролируя геомеханическими (наземными маркшейдерскими, скважинными и по глубинным реперам) наблюдениями скорости деформирования отвального массива.

Повышение эффективности конвейерного отвалообразо-вания возможно главным образом за счет увеличения высоты нижнего яруса, отсыпаемого непосредственно на земную поверхность. Такое увеличение дает возможность уменьшить время холостых перегонов и количество передвижек отвалообразователя и, соответственно, обеспечить рост его годовой производительности. При этом также возрастает приемная способность отвальных площадей и уменьшается длина транспортировки горной массы в отвалы.

С целью проверки возможности формирования высокого нижнего отвального яруса (высотой до 90-110 м) на слабом основании был выполнен комплекс исследований, которые включали:

1) Инженерно-геологическое районирование основания отвала в плане и разрезе, с выделением однотипных породных комплексов, определением прочностных характеристик

пород и сопротивления сдвигу по контактам слоев, их влажности и плотности;

2) Расчет устойчивости численноаналитическим методом на ПЭВМ и графо-аналитическим способом;

3) Отсыпку отвалообразователем конуса из скальных вскрышных пород высотой до 90 м, при которой обеспечивалась его устойчивость, т.е. высота была ниже критической, а затем до 110 м - выше критической;

4) Проведение комплекса инструментальных наблюдений за деформациями отвального конуса и основания.

До начала отсыпки высокого опытного отвала был проведен комплекс подготовительных работ:

- с обеих сторон от намеченного места отсыпки высокого отвала для предотвращения развития опытных сдвиговых деформаций были сооружены контрфорсы (предотвалы, отсыпанные автотранспортом, высотой 25-35 м, шириной 100 м и длиной 150 м). Расстояние между нижними бровками контрфорсов составило 100-220 м;

- были пробурены и оборудованы наблюдательные инк-линометрические скважины глубиной 30 м на площади отсыпки отвала;

- оборудованы наблюдательные маркшейдерские станции на отвале и основании.

Опытные работы проводились в два этапа. На первом этапе высота опытного отвала была доведена до 90 м. Гео-механические наблюдения за состоянием 90-метрового отвала проводились 20 суток, каких-либо опасных оползневых смещений за указанный период не зафиксировано. Затем началось наращивание отвального конуса. После того, как высота опытного отвала достигла 110 м, его отсыпка была прекращена и начался второй этап опытных работ. Основным содержанием опытных работ на этом этапе было проведение наблюдений за развитием деформационных процессов в породах отвального основания, высокого опытного конуса и отвального яруса на уровне стояния отвалообразователя.

Наблюдения за опытным отвалом позволили уточнить величину и скорость осадки отвальных пород в зависимости от времени стояния и высоты опытного отвала, установить начальную фазу оползневых подвижек пород основания, пронаблюдать за динамикой и характером развития деформаций, определить глубину залегания поверхности (зоны) скольжения и ширину наметившейся призмы обрушения. Для проведения указанных наблюдений были заложены специальные наблюдательные станции, включающие две профильные линии маркшейдерских реперов и три тросовых репера на верхней площадке отвала и два профиля инкли-нометрических скважин в основании. Станция инклиномет-рических скважинных наблюдений состояла из двух профилей по пять скважин в каждом. Скважины обсаживались полиэтиленовыми трубами с внутренним диаметром 90 мм. Местоположение наблюдательных скважин было совмещено с расположенными по этим же профилям маркшейдерскими реперами. Наблюдения по этим скважинам проводились инклинометрическим методом - с помощью малогабаритных инклинометров ИК-2, 0К-40У, позволяющих обнаружить возникновение деформаций в основании на глубине. По мере засыпки скважин отвальным конусом их устья соединялась гибким шлангом с горизонтальными стволами труб, уложенными в канавы, с пропущенными внутри них

Тип пород Плотность, т/м3 Угол внутреннего трения, град. Сцепление, МПа

Отвальные 2,2 32 0

Четвертичные 1,93 26 0,025

Глина зеленая 1,8 12 0,05

Глина мергелистая 1,92 18 0,057

тросиками. Таким образом, осуществлялся постоянный контроль глубины расположения нижней границы оползневого деформирования способом шаблонов.

Анализ результатов наблюдений показал, что деформации отвала идут, в основном, за счет уплотнения отвальных пород. Каких-либо опасных оползневых смещений в отвальном массиве не наблюдалось. Период, в течение которого происходила усадка, можно условно разделить на две фазы. Первая фаза во времени совпадает с отсыпкой конуса на откос предыдущей заходки и характеризуется его интенсивной усадкой, скорость которой достигает 1-1,5 м/сутки, в это же время резко до 0,5 м/сутки возрастает скорость усадки ранее отсыпанной заходки. С момента окончания формирования конусов интенсивная, но уже затухающая усадка, длится не более 2-3 суток. Затем наступила 2 фаза, которая характеризовалась весьма незначительной скоростью усадки -1-4 мм/сут, что касается напряженно-деформированного состояния основания, то происходившие в период отсыпки высокого конуса незначительные по скорости 1-2 мм/сут пластические деформации через 60 суток (с момента достижения конусом высоты 110 м) практически прекратились. Затем отвалообразователь перешел на отсыпку верхних конусов (отм. 565-590 м), а высокий конус был спланирован до отм. 565 м, т.е. высота яруса составила 90 м (гор. 475-565 м). После того, как отвалообразователь через 3 месяца вновь начал отсыпку высокого конуса на земную поверхность, пластические деформации возобновились, однако, также имели скорость не более 2 мм/сут, через 30 суток полностью остановились. Глубина залегания поверхности (зоны) скольжения, замеренная по инклинометрическим скважинам, составила 15-20 м. Полного развития оползня не произошло за счет наличия контрфорсов и деформации отвала практически полностью прекратились. Анализ результатов наблюдений позволяет сделать вывод о том, что хотя в основании отвала под действием сдвигающих сил и возникает деформационный процесс, пластические деформации за счет наличия контрфорсов не достигают критических значений, поэтому образования вала выпирания и оползания отвала не происходит.

Однако, следует отметить, что несмотря на отсутствие опасных деформационных смещений, которые могли бы привести к крупномасштабному оползню опытного отвала, в отвальной заходке и основании были зафиксированы признаки начальной стадии развития оползня. Так на верхней площадке отвальной заходки, на уровне стояния отвалооб-разователя (гор. 565 м), через 30 суток после окончания отсыпки 110-метрового опытного конуса, было зафиксировано возникновение дугообразной ступенчатой трещины отрыва с высотой ступени 10-15 см и шириной раскрытия до 10-20 см. В этот же период произошло полное пережатие наблюдательных скважин № 3, 8 и заметное искривление скважин № 4, 9 на глубине 15-21 м, что свидетельствует о возникновении начальной стадии пластических сдвиговых деформаций в слоистых зеленых глинах. Совершенно очевидно, что в случае отсутствия контрфорсов на опытном участке, начавшийся деформационный процесс протекал бы все с большей интенсивностью и привел бы к образованию крупного оползня, что подтверждается выполненным анализом оползней на карьере Мурунтау. Причем в зону оползня по-

Номограмма определения предельной высоты отвала в зависимости от угла наклона слабого основания (р) Но-Н6 - предельная высота отвала при изменении значений р от 0 до 6 град.

падали отвалообразователь и часть отвальной конвейерной линии.

По результатам выполненных теоретических геомехани-ческих расчетов построены графики зависимости максимально допустимой высоты отвала Но при условии обеспечения его устойчивости с коэффициентом запаса П = 1,2 от угла отвального откоса а, угла наклона и величины заглубления слабого контакта (рисунок). Анализ графиков на рисунке показывает, что наибольшее влияние на допустимую высоту отвала оказывает угол наклона слабого контакта В, изменение которого от 0о до 6о ведет к необходимости значительного уменьшения Но. Так для а = 33о Но уменьшается почти в 7 раз, с 653 до 98 м; для а = 34о в 3,5 раза с 290 до 82 м; а = 35о в 2,5 раза с 183 до 71 м; а = 36о в 2,2 раза с 132 до 62 м; а = 37о в 2 раза с 103 до 55 м. Общий диапазон изменения Но находится в очень широких пределах - 653-31 м. Максимальные значения Но соответствуют благоприятным инженерно-геологическим условиям отвального основания, которое характеризуется высокой несущей способностью слагающих его пород, минимальные значения Но должны приниматься при отсыпке отвалов на слабое основание.

Отличительной особенностью отвалообразования на карьере Мурунтау является то, что здесь впервые в мировой практике для отсыпки отвалов из скальных пород применен мощный консольный отвалообразователь 0ШС-4000/125 с вылетом стрелы 90 м. От надежной и безаварийной работы этого отвалообразователя во многом зависит эффективная и ритмичная работа всего комплекса ЦПТ с заданной производительностью.

Согласно техническому проекту по карьеру вскрышные породы должны были укладываться отвалообразователем в двухъярусный отвал. Причем нижний ярус отвала ЦПТ отсыпается на автомобильный предотвал, назначение которого

- исключить возможность сдвижения отвальных ярусов ЦПТ, т.е. обеспечить их устойчивость, и соответственно, надежную, безаварийную работу отвалообразователей. Породы в предотвал с верхних горизонтов карьера по 5 млн. м3/год должны были вывозиться автотранспортом на расстояние до 5 км. Проектная схема отвалообразования имела существенный недостаток - расстояние откатки породы автотранспортом в предотвалы превышало оптимальные для этого вида транспорта, а ежегодные объемы таких грузопе-

ревозок существенно повысили бы себестоимость 1 м3 вскрыши.

В связи с вышеизложенным были проведены теоретические, экспериментальные и опытно-промышленные исследования по изысканию и практическому внедрению технологических схем отвалообразования, позволяющих максимально сократить дальность транспортирования горной массы автотранспортом и максимально использовать конвейерный транспорт ЦПТ при обеспечении безопасных условий эксплуатации отвального оборудования.

Были рассмотрены следующие схемы отвалообразова-ния:

1) Одноярусное, при высоте яруса больше критической, с использованием управляемого обрушения, без предотва-лов, отвалообразователями комплексов ЦПТ с гор. +565 м непосредственно на поверхность земли с установкой отва-лообразователей за призмой (Во) возможного обрушения.

2) Многоярусное с двух горизонтов отсыпки, без пре-дотвалов, отвалообразователями комплексов ЦПТ. Второй комплекс (вторая технологическая нитка ЦПТ) отсыпает отвалы с гор. +505 м (вторым ярусом) на высоту 25 м согласно техническим возможностям отвалообразователя. Отвалы, отсыпаемые вторым комплексом, являются основанием под отвалы первого комплекса ЦПТ, которые отсыпаются с гор. +565 м.

3) С предотвалами, которые формируются путем пере-экскавации отвалов ЦПТ:

а) с помощью шагающих драглайнов ЭШ-10/60;

б) с помощью фронтальных погрузчиков Н-400С или экскаваторов ЭКГ-8И и автосамосвалов с плечом откатки до 300-400 м по горизонтальной поверхности. В этом случае можно более эффективно, чем в карьере, использовать изношенные автосамосвалы и экскаваторы с большим сроком эксплуатации.

4) С предотвалами, которые формируют в ближайшей от карьера части отвальной территории с помощью автотранспорта с верхних горизонтов карьера при расстоянии откатки не более 3,0-3,5 км, а на дальних от карьера частях отвала в 2-4 млн м3/год переэкскавацией отвальных пород шагающими драглайнами или фронтальными погрузчиками, или ЭКГ с автотранспортом (см. п. 3). При реализации любого из перечисленных в п. 4 вариантов, расстояние откатки автотранспортом сокращалось на 1 км.

Выполненный комплекс исследований показал, что наиболее эффективными в рассматриваемых горногеологических и горнотехнических условиях карьера Му-рунтау являются 1-ая и 2-ая технологические схемы отвало-образования. Эти схемы не требуют дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат, позволяют интенсифицировать отвалообразование, повысить его эффективность и обеспечить безопасные условия работы отвального оборудования за счет предотвращения развития опасных деформаций отвалов при отсыпке их на слабое, песчано-глинистое основание.

В качестве основной была принята 2-я технологическая схема, обеспечивающая большую безопасность ведения отвальных работ за счет создания опережающего предотвала, отсыпаемого вторым комплексом ЦПТ непосредственно на земную поверхность. При этом проектные параметры конвейерных отвалов при отработке III очереди карьера составляли:

- высота нижнего яруса 45-60 м, увеличивается по мере понижения рельефа, горизонт установки отвалообразователя +504 м, угол откоса яруса в период отсыпки конусов - 37о, после завершения планировки верхней площадки бульдозером - 36о;

- высота среднего яруса - 85 м, горизонт установки от-валообразователя +590 м, угол откоса яруса на период отсыпки конусов - 35о, после планировки верхней площадки -

36о;

- высота верхнего яруса - 25 м, угол откоса - 36о;

- ширина берм между ярусами - 80 м;

- общая высота отвала - 150-170 м.

При увеличении глубины карьера с 480 до 600 м объем вскрыши по сравнению с объемами III очереди возрастают на 400 млн. м3, что потребовало отвода дополнительных площадей и увеличения длины транспортировки в отвалы. В связи с этим была выполнена корректировка параметров отвалов. Учитывая, что большая часть территории площадей, отведенных под отвалы IV очереди, сложена достаточно прочными разновидностями пород была обоснована возможность увеличить предельно допустимую высоту нижнего яруса с 60 до 85-90 м. Такое решение существенно улучшает технико-экономические показатели отвалообразова-ния.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ