Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы на зарубежных и отечественных предприятиях. актуальность, цель, идея работы.постановка задач исследований
1.1. Актуальность проблемы укручения бортов карьера при постановке их на конечный контур
1.2. Обзор существующих методов контроля устойчивости массива пород, в том числе при постановке бортов карьеров в конечное положение
1.3. Горно-геологические, геомеханические и горно-технические условия отработки Ковдорского месторождения комплексных железных руд
1.4. Обоснование цели и задач исследований 34
ГЛАВА 2. Исследование геомеханического состояния вмещающего массива пород и обоснование устойчивости уступов и бортов карьеров
2.1. Анализ основных геомеханических и горно-технических факторов, определяющих условия постановки бортов карьеров на конечный контур
2.2. Инженерно-геологическая модель массива пород исследуемого месторождения
2.3. Исследование геомеханического состояния вмещающего массива пород 44
2.3.1. Методика исследований параметров напряженного состояния пород методом разгрузки
2.3.2. Методика определения мощности нарушенной зоны методом ультразвукового каротажа скважин
2 3.3. Результаты определения параметров напряженного состояния массива пород и их анализ
2.3 А. Результаты определения мощности нарушенной зоны и их анализ 50
2.4. Разработка геомеханической модели уступов и бортов карьера 53
2.5. Геомеханическое обоснование устойчивых параметров бортов карьера
2.5.1. Схема расчета устойчивости борта карьера 55
2.5.2. Геомеханическое обоснование устойчивых параметров бортов карьера в пределах опытно-промышленного участка
Выводы по главе 2 63
ГЛАВА 3. Разработка и технологическое обоснование конструкций бортов глубокого карьера в предельном положении
3.1. Оценка области возможных решений по определению угла наклона борта ме- 64 жду смежными в поперечном вертикальном сечении автомобильными съездами
3.2. Оценка области возможных решений по определению конструктивного генерального угла борта карьера в скальных породах
3.3. Обоснование конструкции бортов карьера рудника «Железный» 78
3.4. Определение экономической эффективности повышения углов наклона бортов карьера рудника «Железный»
Выводы по главе 3 83
ГЛАВА 4. Организация мониторинга состояния приконтурного массива при постановке бортов карьеров на конечный контур
4.1. Определение основных контролируемых параметров состояния массива 86
4.2. Разработка комплексной системы мониторинга 87
4.3. Организация службы геомеханического мониторинга устойчивости бортов карьеров
4.4. Результаты апробации элементов комплексной системы мониторинга
Выводы по главе 4 111
Заключение
Список использованных источников 115
Приложение
- Обзор существующих методов контроля устойчивости массива пород, в том числе при постановке бортов карьеров в конечное положение
- Методика исследований параметров напряженного состояния пород методом разгрузки
- Оценка области возможных решений по определению конструктивного генерального угла борта карьера в скальных породах
- Организация службы геомеханического мониторинга устойчивости бортов карьеров
Введение к работе
Актуальность проблемы Обшей тенденцией развития горной промышленности является переход к отработке глубинных запасов месторождений полезных ископаемых, для которых характерно иное состояние массива горных пород по сравнению с его состоянием вблизи земной поверхности. При этом увеличивается степень напряженности массивов пород, и изменяются их деформационно-прочностные характеристики. В результате этого первоочередной становится проблема обеспечения устойчивости горных выработок. Применительно к предприятиям, ведущим горные работы открытым способом, одна из главных проблем в таких условиях - проблема обеспечения устойчивости бортов карьеров в конечном положении. Для крупных рудных карьеров увеличение глубины отработки приводит сначала к увеличению объемов вскрышных работ, а потом - к необходимости перехода на подземный способ добычи, что требует значительных материальных затрат и не всегда реально осуществимо на практике. Альтернативный путь, позволяющий продлить срок работы карьеров, — пересмотр первоначального проекта конечного контура карьера и формирование бортов с увеличенными углами наклона,
Увеличение угла наклона борта карьера на конечном контуре приводит к весьма значительному уменьшению объема вскрышных работ. В частности, увеличение угла наклона борта карьера с 39 до 40е при высоте борта 400 м обеспечивает снижение объема вскрышных пород в контуре карьера более чем на 345 тыс. м3 на каждые 100 м периметра борта.
В зарубежной практике работы карьеров в прочных скальных массивах есть примеры формирования конечных бортов с высокими значениями их углов. На карьерах Patabora (ЮАР), Cleveland Cliffs (США), FUntkote Mine, Westfrob Mine (Канада), Aitik (Швеция) к настоящему времени углы наклона бортов на конечном контуре составляют 50-80. На карьерах Российской Федерации тоже есть опыт формирования крутых бортов карьеров. На карьерах, отрабатывающих якутские алмазные месторождения «Айхал», «Мир», «Интернациональная», на карьере Целиноградского горно-химического комбината сформированы участки бортов высотой до 120 м с углами откосов более 50. Приведенные примеры свидетельствуют о том, что производством востребованы технические решения по формированию бортов карьеров с высокими значениями углов их наклона.
В то. же время формирование подобных бортов требует пересмотра технологии и организации горных работ, в частности, — применения «щадящих» схем взрывных работ вблизи предельного контура карьера, буровых станков с уменьшенным диаметром скважин, оборудования для
заоткоски уступов, более строгой дисциплины ведения горных работ, организации контроля за поставленными в конечное положение бортами.
Необходимо создание новых геомеханнческих подходов для теоретического обоснования возможности повышения углов наклона нерабочих бортов карьеров, а также - разработка специальных систем контроля состояния .массива пород. Применительно к условиям скальных пород новые геомеханические подходы должны базироваться на представлении массива как -иерархически-блочной среды, находящейся в общем случае под действием гравитационно-тектонических полей напряжений. При этом для решения геомеханических задач и, в частности, определения оптимальных углов наклона бортов целесообразно применять модельный подход, заключающийся в последовательной поэтапной разработке инженерно-геологической, геомеханической и расчетной моделей массива пород, вмещающего карьерную выемку. Применение такого подхода требует, в свою очередь, совершенствования методов получения необходимой информащіи о свойствах и состоянии массива пород, а также - степени их изменения в пространстве и во времени, т. е. систем контроля состояния массива пород. Существующие в настоящее время методы контроля состояния массива пород на действующих карьерах, как правило, имеют фрагментарный характер. Контролируются только отдельные участки карьера, а применяемые методы ориентированы в основном на мониторинг деформационных процессов, занимающих длительные промежутки времени (оползни, оплывины, просадки), что характерно для приповерхностной части месторождений. В основном используются геодезические методы контроля с использованием обычного набора инструмеїггов, имеющегося в распоряжении предприятия. Как правило, контролируются наиболее ответственные участки борта (транспортные бермы, места установки оборудования), т. е. зоны контроля ограничиваются первыми сотнями метров. Применение геодезических методов, как правило, ограничивается эпизодическими скважинными исследованиями, выполняемыми силами специализированных организаций. Такое положение приводит к тому, что борта карьера в конечном положении, формируемые с углами наклона 45-55, не обеспечиваются адекватной системой контроля, что повышает риск непрогнозируемой потери ими устойчивости.
В настоящее время назрела необходимость разработки специальных систем контроля состояния массива пород при постановке бортов карьеров на конечный контур, которые должны отличаться, прежде всего, комплексностью применяемых методов, адекватных свойствам и состоянию контролируемого массива пород. Помимо этого, важнейшим требованием к современным системам контроля состояния массива пород является их многоуровневость. Это предполагает, с одной стороны, охват системой контроля всего массива
пород, включающего карьерную выемку и геомеханическое пространство вокруг карьера для получения общей информации о геомеханических и геодинамических процессах, происходящих в массиве. С другой стороны, на базе полученной общей информации осуществляется выделение на конечном контуре карьера наиболее ответственных участков, подлежащих контролю.
Таким образом, обоснование предельных углов наклона бортов карьера в конечном положении и разработка специальной системы мониторинга массива горных пород является актуальной научно-технической задачей.
Цель диссертационной работы — расширение границ и увеличение эффективности открытых горных работ путём геомеханического и технологического обоснования углов наклона бортов карьера в предельном положении и разработки специальной системы мониторинга массива вмещающих борта пород.
Основная идея работы заключается в учете реальных физических свойств массивов скальных пород и их напряженного состояния, а также в разработке и внедрении системы контроля состояния массива пород для повышении надежности принимаемых решений по конструкции, параметрам бортов и уступов карьера.
Задачи исследований;
-
Анализ геомеханических и горно-технических факторов, определяющих условия постановки бортов карьеров на конечный контур.
-
Изучение напряженного состояния, физических свойств и структурной нарушенности массива пород, включающего в себя карьерное поле.
-
Изучение конструктивных возможностей постановки борта карьера на конечный контур с учетом реальных горно-геологических условий эксплуатируемого месторождения и требований безопасности.
-
Разработка системы контроля состояния массива пород при постановке' бортов карьеров на конечный контур.
Методы исследования: Обобщение и анализ практики постановки бортов карьера на конечный контур, натурные и аналитические методы исследования напряженного состояния, свойств и структурной нарушенности породного массива.
Научная новизна работы заключается:
* в установлении экспериментальными методами параметров напряжен но-деформированного состояния массива в окрестности карьерной выемки, констатации превышения более чем в два раза горизонтальными напряжениями вертикальных и выявлении тенденции их увеличения с глубиной;
в учёте в расчётной схеме действия избыточных горизонтальных напряжений и геомеханическом обосновании возможности укручения бортов карьера до 45-60;
в определении размеров нарушенной зоны в конструктивных элементах уступов при применении обычной и щадящей технологий постановки борта в конечное положение;
в разработке системы многоуровневого контроля состояния массива пород при постановке бортов карьеров на конечный контур, с помощью которой возможен комплексный мониторинг как в целом всего иерархии поблочного массива пород, включающего в себя карьерное поле, так и отдельных, наиболее ответственных участков борта карьера.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. В тектонически-напряженных скальных массивах горных пород
формирование борта карьера с углами наклона в предельном положении 45-60"
возможно за счет повышенной устойчивости пород при действии в них
горизонтальных напряжений, превосходящих по величине вертикальные.
2. Обоснованы рациональные конструкции и параметры борта карьера в
конечном положении за счет применения высоких уступов с вертикальными
откосами, а также транспортных и предохранительных берм оптимальной
ширины,
3. Конструкция системы контроля состояния массива пород при
постановке борта карьера на конечный контур должна соответствовать
свойствам и состоянию иерархично-блочного массива пород, что достигается
многоуровнев остью (иерархичностью) системы контроля, применением
комплекса методов, адекватных контролируемым объектам (борту карьера,
участку борта, отдельному уступу).
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обоснована:
данными практики ведения горных работ открытым способом, в том числе при постановке бортов на конечный контур в условиях карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК»;
соответствием теоретических результатов определения степени устойчивости отдельных участков борта карьера результатам натурных исследований;
положительными результатами внедрения разработанных рекомендаций при постановке бортов карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» на конечный контур.
Реализация работы в промышленности. Разработанные рекомендации использованы:
в «Проекте опытно-промышленного участка с вертикальными откосами уступов на II очереди рудного ДКК (карьер рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК»)» в 1999 г. (ДКК - дробильно-конвейерный комплекс);
в Технологическом регламенте «Геомеханическое и техническое обоснование возможности укручения бортов карьера рудника «Железный» в конечном положении» в 2002 г.;
в проекте глубокого карьера ОАО «Ковдорский ГОК» в 2006 г.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались
на технических советах ОАО «Ковдорский ГОК» и «Институт Гипроруда» в 1998-2006 гг.; на международных конференциях и симпозиумах: Ежегодной конференции и выставке Общества горных инженеров США в г. Цинциннати в 2003 г. (2003 SME Annual Meeting and Exhibit), Восьмом международном симпозиуме «Горное дело в Арктике» (8th International Symposium on Mining in the Arctic) в г, Апатиты в 2005 г.; Восьмом международном симпозиуме «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» в г. Белгород в 2005 г.; на IX региональной научной конференции Кольского филиала Петрозаводского государственного университета в г. Апатиты в 2006 г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения и содержит 138 страниц машинописного текста, включая 19 рисунков, 9 таблиц и список использованной литературы из 78 наименований.
Обзор существующих методов контроля устойчивости массива пород, в том числе при постановке бортов карьеров в конечное положение
Увеличение наклона бортов карьеров является одним из наиболее радикальных путей минимизации затрат на разработку месторождений полезных ископаемых открытым способом. При этом повышение крутизны бортов карьера, хотя затраты на него - неизбежны и значительны, нельзя воспринимать как удорожающий и усложняющий производство фактор. Данные расходы являются инвестициями в развитие горного предприятия, причем с очень высоким индексом внутренней доходности проекта. Экономический эффект от повышения до предельного значения генеральных углов наклона бортов для среднего по масштабам карьера достигает нескольких сотен миллионов, а для крупного - нескольких миллиардов рублей.
Рассмотрим концептуальные возможности пересмотра проекта отработки месторождения и изменения конструкции бортов карьера в сторону увеличения углов их наклона. Существующие нормативные документы, принятые методы оценки устойчивости откосов уступов и бортов карьеров, а также методики контроля состояния массива пород при постановке бортов карьера на конечный контур базируются, главным образом, на положениях механики грунтов и в свое время были разработаны для относительно неглубоких карьеров в условиях массивов, представленными рыхлыми или непрочными осадочными породами. Распространение этих методов на скальные породы сопровождается с одной стороны, большим запасом в расчетах конструкций бортов и уступов, поскольку при этом не учитываются специфические особенности скальных массивов, а с другой стороны, существующие системы контроля состояния массива ориентированы в основном на контроль локальных нарушений устойчивости на наиболее ответственных участках карьеров, проявляющихся в течение длительного времени, таких как оползни, оптывины или просадки.
Кроме того, до сих пор широко применяется подход, когда неизбежный в горном деле риск стремятся снизить почти до нуля исключительно за счет введения в расчеты больших и зачастую малообоснованных коэффициентов запаса устойчивости. В результате, нерабочие борта карьеров Российской Федерации намного положе, чем в аналогичных условиях за рубежом, где предпочитают укреплять борта и даже ликвидировать последствия небольших оползней и обрушений вместо заведомого выполаживания бортов для сведения к нулю риска потери устойчивости уступами на предельном контуре карьера /1/.
В то же время практика ведения горных работ в скальных массивах показывает, что устойчивость откосов, достигающих по высоте десятков и даже сотен метров, сохраняется в течение многих лет даже при крутых, вплоть до вертикальных, углах.
За рубежом при ведении открытых горных работ в высокопрочных скальных массивах уже давно используются достаточно крутые углы наклона бортов карьеров. Можно привести примеры: карьер Flintkote Mine (Канада), борт которого отстроен в гранитах под углом 70; Cleveland Cliffs (США), борт которого при высоте 120 м отстроен под углом 80; West-frob Mine (Канада) глубиной 244 м с общим углом наклона борта 55; Palabora (ЮАР), на котором реализованы генеральные углы откосов бортов до 58 с использованием вертикальных откосов уступов высотой 30 м; Sandsloot (ЮАР) с бортами высотой 300 м и углом наклона 58; Aitik (Швеция), на котором, несмотря на достаточно сложные горногеологические условия массива, угол откоса борта достигает 51; Panda (Канада) имеет общий угол наклона бортов 50 при их высоте 315 м /2-4/.
В отечественной практике ведения открытых горных работ также есть примеры строительства крутых бортов карьеров. Так, на карьере «Айхал» (Якутия) углы откосов бортов в глубокой части карьера составляют 70-80 151. На Целиноградском горно-химическом комбинате один из участков борта карьера высотой 120 м был отстроен под углом 55 161.
Однако отмечаются и факты самообрушения отдельных участков бортов, которые ввиду отсутствия адекватных методов мониторинга устойчивости, существенно осложняют открытые горные работы, а в некоторых случаях обусловливают большие потери полезного ископаемого, наносят экономический ущерб предприятию и даже могут сопровождаться человеческими жертвами.
Основной тенденцией развития мировой горнодобывающей промышленности является усложнение горно-геологических условий залегания месторождений полезных ископаемых, переход от разработки месторождений, залегающих на малых глубинах в пределах осадочной толщи к разработке глубокозалегающих участков месторождений в массивах высокопрочных скальных пород. Принятая в настоящее время концепция подробно разработана в трудах профессора Г.Л. Фисенко, и в настоящее время развивается сотрудниками лаборатории устойчивости бортов карьеров Всероссийского научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ) Т.К. Пустовойтовой, Э.Л. Галустья-ном, А.Н. Гуриным, A.M. Мочаловым и др. Данная концепция базируется на теории предельного равновесия сыпучих сред, распространенной в дальнейшем на условия скальных пород. Данная концепция сводится, применительно к расчету устойчивости откоса, к сле дующим положениям. В качестве характеристик горных пород, определяющих их способность к деформированию и потере устойчивости, принимаются сцепление и угол внутреннего трения. Действующие в массиве напряжения определяются его собственным весом. Потеря устойчивости откоса (уступа или борта) происходит для ненарушенного массива путем сдвига пород по круглоцилиндрической поверхности скольжения, а для нарушенного - путем сдвига по естественным поверхностям ослабления при превышении сдвигающими силами удерживающих сил. Расчет устойчивых параметров откоса производится исходя из условия непревышения значениями сдвигающих сил своих предельных значений с учетом коэффициента запаса устойчивости.
Данный подход может быть применен при расчете устойчивости грунтов, насыпных сооружений и массивов в пределах осадочной и нарушенной толщи. Но при ведении открытых горных работ в высокопрочных скальных массивах на значительных глубинах в условиях действия горизонтальных сил тектонической природы, превышающих напряжения от собственного веса вышележащих пород, упомянутый подход, в силу своих особенностей, связанных с представлением горного массива как слабосвязной сыпучей среды, часто занижает реальную устойчивость массива.
Как отмечается большинством исследователей, работающих в области геомеханики и механики скальных пород (В.Г. Зотеев, А.А. Козырев, А.Д. Сашурин, Э.В. Каспарьян и др.), основными отличиями скальных массивов от сыпучих, слабосвязных, грунтовых масс являются с одной стороны, ярко выраженная блочная структура, а с другой стороны, в большинстве случаев, соответствие их напряженно-деформированного состояния гравитационно-тектоническому типу.
В соответствии с этим важнейшее внимание при определении оптимальных конструкций бортов карьеров в условиях скальных массивов уделяется предварительным инженерным и инженерно-геологическим изысканиям. Основной целью этих изысканий являются определение структурных особенностей скального массива пород, прочностных и деформационных характеристик слагающих пород, а также типа и параметров естественных полей напряжений (в связи с решением этих задач необходимо отметить таких исследователей как М.В. Рац, Е.М. Сергеев, С.Н. Чернышев, L. Muller и др.). Применительно к карьерам большой опыт в методическом обеспечении инженерно-геологических изысканий накоплен сотрудниками ВИОГЕМ В.А. Дунаевым, С.С. Серым с коллегами. Также необходимо отметить сотрудника Геологического института КНЦ РАН Д.В. Жирова с коллегами, которым совместно с сотрудниками Горного института КНЦ РАН были сформированы инженерно-геологические модели всех Хибинских апатит-нефелиновых месторождений, отрабатываемых открытым способом.
Методика исследований параметров напряженного состояния пород методом разгрузки
Исследования параметров геомеханического состояния массива проводились в пределах опытно-промышленного участка (ОПУ) на северо-восточном и западном бортах карьера. Помимо этого, исследования напряженного состояния массива проводились на юго-восточном участке контура карьера в зоне выявленных деформаций.
Северо-восточная часть ОПУ расположена в зоне 3-го и 4-го ИГБ (см. гл. 1). Исследования проводились на уступе с абсолютной отметкой +94 м. Горные породы представлены пироксенитами, оливинитами и карбонатитами. В целом, северо-восток ОПУ представлен горными породами второго и третьего литотипов, расположен в области пересечения трех структурных нарушений I ранга, отмечены также структурные нарушения II, III и более низких рангов.
Западная часть ОПУ в пределах 11-го ИГБ на уступе с абсолютной отметкой +142 м. Горные породы представлены магнетитами, оливинитами и карбонатитами. В целом, запад ОПУ представлен горными породами второго и третьего литотипов. Структурные нарушения I ранга ограничивают 11-й ИГБ, в пределах блока имеют место структурные нарушения II, III и более низких рангов.
Юго-восточная часть контура карьера в зоне выявленных деформаций находится в пределах 6 и 7 ИГБ. Ранее на участке юго-восточного борта карьера дважды (в 1994 и 2001 гг.) имели место потери устойчивости уступов после их формирования на проектном конечном контуре. Потери устойчивости происходили путем сдвига блоков пород по плоскости структурного нарушения второго иерархического уровня, подсекающего борт карьера в пределах рассматриваемого участка под углом 43. В результате на участке исследований к настоящему времени сформировался сплошной откос от абсолютной отметки +214 м до +166 м. Исследования проводились на уступе с абсолютной отметкой +166 м.
Схема положения наблюдательных станций и отдельных наблюдательных скважин в пределах опытно-промышленного участка: 1- система координат и высотные отметки уступов; 2 - положение наблюдательных станций и скважин; 3 - зоны тектонических нарушений 1 порядка 2.3.1. Методика исследований параметров напряженного состояния пород методом раз грузки
Определение параметров напряженного состояния массива пород производилось методом разгрузки. Метод разгрузки является основным экспериментальным натурным методом измерения напряжений. В основу метода положено использование физического свойства - упругой деформируемости пород, находящихся под нагрузкой /63/. В естественных условиях породный массив испытывает деформации как следствие действия напряжений (гравитационных, тектонических, температурных и др.). Если от массива отделить его часть, то действующие напряжения снимутся, и в отделенной части произойдут деформации упругого восстановления. Измерив величины деформации и определив упругие показатели свойств пород, с помощью аналитического аппарата теории упругости можно вычислить величины напряжений. Погрешности определения напряжений зависят от степени соответствия деформирования пород массива линейной зависимости между напряжениями и деформациями.
Для большинства типов пород Ковдорского месторождения установлена линейная зависимость между нормальными напряжениями и продольной деформацией єпроя. на большей части графика деформирования а- ЄпШ, что свидетельствует о склонности горных пород к упругому деформированию /64/. Отсюда следует, что применение метода разгрузки в подобных условиях вполне корректно.
При переходе от измеренных деформаций к напряжениям применяются формулы теории упругости, полученные для плоского напряженного состояния: где О], ог, rmax - измеренные главные нормальные и максимальное касательное напряжения; Е, v- модуль упругости и коэффициент поперечных деформаций; є\,Єі- главные деформации.
В качестве основного метода определения параметров нарушенной зоны был выбран метод ультразвукового каротажа скважин. В основе ультразвукового метода оценки нару шенности пород лежат зависимости кинематических и динамических параметров упругих волн от степени трещиноватости. Эти зависимости установлены многочисленными теоретическими и экспериментальными исследованиями. В инженерном варианте ультразвукового метода для выделения зон трещиноватости чаще всего используется явление уменьшения скорости упругих волн при прохождении их через зону повышенной трещиноватости. При ультразвуковом каротаже стенок скважины возникает довольно сложная волновая картина, которая определяется изменчивостью геологического разреза, степенью трещиноватости пород и направлением трещин, присутствием в скважине воды и рядом других факторов.
Основную информацию о свойствах пород в прискважинной зоне несут продольные (Р-волна) и поперечные (S-волна) волны. Р-волну отличает относительно малая амплитуда и максимальная скорость распространения. Амплитуда Я-волны, как минимум, в несколько раз превышает амплитуду Р-волны, что позволяет уверенно выделять ее на фоне сложной волновой картины. На амплитуду -волны сильно влияет трещиноватость пород в околоскважин-ном пространстве. С увеличением интенсивности трещиноватости амплитуда S-волны резко уменьшается вплоть до полного исчезновения, что можно использовать для выделения отдельных открытых трещин или их интервалов.
На руднике «Железный» использовался скважинный вариант ультразвуковых определений скоростей упругих волн при помощи комплекта аппаратуры УК «Ультразвук» по методике однопрофильного трехточечного каротажа стенок скважин. Конструкция зонда предусматривала прижим ультразвуковых датчиков к стенкам скважины при помощи сжатого воздуха. Для проведения измерений в обводненной скважине была обеспечена герметичность конструкции скважинного зонда. Зонд перемещался по скважине при помощи штанг. Шаг измерений по скважине равнялся 50 см.
Для оценки трещиноватости пород использовалась 5-волна. Методика определений скоростей упругих волн включала: последовательное определение времен первых вступлений S-волны (или какой-либо ее фазы); 2) расчета скоростей поперечных волн по формуле: =100/(7 -7-,,), (2.4) где Ts ,TS - времена прихода первых вступлений поперечных волн на второй и первый датчики на зонде по профилю измерений (мкс), 100 - расстояние между приемными датчиками (мм). Методика интерпретации результатов каротажа включала в себя: 1 - графическое представление результатов измерений при помощи программы «Excel»; 2 - выделение интервалов, где V, VQ {V,- наблюденное значение скорости S-волны; Vo - значение скорости для данной разновидности пород в нетронутом массиве); 3 - сопоставление значений скоростей с описанием и характеристикой пород по геологической колонке скважины. Значение VQ для каждой разновидности пород определялось на основании результатов исследований керна в лабораторных условиях.
Оценка области возможных решений по определению конструктивного генерального угла борта карьера в скальных породах
Формирование карьеров с увеличенными углами наклона бортов на конечном контуре требует не только пересмотра технологии и организации работ, разработки новых геомеханических подходов для теоретического обоснования такой возможности, но и организации специальных систем контроля состояния массива пород. Применительно к условиям скальных пород новые геомеханические подходы должны базироваться на представлении массива как иерархически-блочной среды, находящейся в общем случае под действием гравитационно-тектонических полей напряжений. При этом для решения геомеханических задач и, в частности, определения оптимальных углов наклона бортов целесообразно применять модельный подход, заключающийся в последовательной поэтапной разработке инженерно-геологической, геомеханической и расчетной моделей массива пород, вмещающего карьерную выемку. Применение такого подхода требует, в свою очередь, совершенствование методов получения необходимой информации о свойствах и состоянии массива пород, а также степени их изменения в пространстве и во времени, т. е. систем контроля состояния массива пород.
Существующие в настоящее время методы контроля состояния массива пород на действующих карьерах, как правило, имеют фрагментарный характер. Контролируются только отдельные участки карьера, а применяемые методы ориентированы в основном на мониторинг сравнительно медленных деформационных процессов, развивающихся в течение длительных промежутков времени (оползни, оплывины, просадки), что характерно для массивов малопрочных пород и для небольших глубин отработки месторождений. В основном используются геодезические методы контроля с использованием обычного набора инструментов, имеющегося в распоряжении предприятия. Как правило, контролируются наиболее ответственные участки борта (транспортные бермы, места установки оборудования), т. е. зоны контроля ограничиваются локальными участками массива пород в пределах отдельных уступов и не охватывают массивы пород для бортов в целом. Это повышает риск непрогнозируемой потери устойчивости бортов карьеров.
В настоящее время назрела необходимость разработки специальных систем контроля состояния массива пород при постановке бортов карьеров на конечный контур, которые должны отличаться, прежде всего, комплексностью применяемых методов, адекватных свойствам и состоянию контролируемого массива пород. Помимо этого, важнейшим требованием к современным системам контроля состояния массива пород является их многоуровневость. Это предполагает, с одной стороны, охват системой контроля всего массива пород, включающего карьерную выемку и геомеханическое пространство вокруг карьера для получения общей информации о геомеханических и геодинамических процессах происходящих в массиве, с другой стороны, на базе полученной общей информации, выделение на конечном контуре карьера наиболее ответственных участков, подлежащих контролю. Таким образом, разработка системы контроля состояния массива пород при постановке бортов карьеров на конечный контур является актуальной научно-технической задачей.
Основные принципы создания систем мониторинга объектов горного производства Горные предприятия находятся в сложном взаимодействии с внешней средой, при котором во всех составляющих окружающей природы обычно наблюдаются различные изменения. В свою очередь, внешние изменившиеся условия определенным образом влияют на функционирование самих объектов. Таким образом, в каждом конкретном случае фактически имеет место строго взаимосвязанная сложная динамическая система «объект - окружающая среда». Для предприятий горной промышленности взаимодействие с окружающей средой наряду с изменением природных ландшафтов (вследствие отчуждения земель), водных ресурсов, выделением тепловой энергии и различных химических веществ и т. д., проявляется также и в изменении геодинамического состояния массива горных пород, вмещающих эксплуатируемые месторождения.
Указанное нарушение геодинамического состояния массива горных пород происходит вследствие выемки и перемещения значительных масс полезных ископаемых и пород, нару шения естественного напряженного состояния и свойств массива пород, нарушения природных гидрогеологических и газовых режимов массивов пород, а также - в результате воздействия технологических процессов, в частности, взрывных работ, сопровождаемых весьма существенными сейсмическими эффектами. При современных масштабах добычи полезных ископаемых подобные нарушения проявляются на значительных площадях, многократно превышающих размеры горных отводов. В результате весьма часто наблюдаются ситуации, когда обширные участки массивов приходят в критическое состояние, начинают разрушаться в относительно спокойной форме сдвижения горных пород, образования оползней и обрушений на поверхности и в подземных выработках, а иногда - в резко динамической форме с выделением больших количеств энергии в виде горных ударов и техногенных землетрясений. Вполне естественно, что во всех случаях подобные явления резко осложняют условия нормальной работы предприятий, что сопровождается существенными материальными затратами, а зачастую и человеческими жертвами. Примеров таких ситуаций в работе горных предприятий достаточно.
Радикальным путем снижения негативного влияния горных работ и предотвращения катастрофических явлений является получение объективной непрерывной информации, позволяющей оценивать состояние объектов и среды, сопоставление ее с заранее рассчитанными параметрами, обеспечивающими необходимый уровень безопасности, и на этой основе -разработка и реализация превентивных мероприятий.
Таким образом, фактически ставится задача организации мониторинга весьма специфической геотехнологической системы, которую образуют массив вмещающих пород и подземные или наземные выработки горного предприятия.
При этом основной целью мониторинга является анализ поведения и состояния указанной геотехнологической системы в течение всего периода ее существования, в том числе и с учетом всех возможных аварийных ситуаций.
Для осуществления поставленной цели в обязательном порядке должен быть применен системный подход, позволяющий учесть взаимоотношения и связи отдельных структурных элементов исследуемой геотехнологической системы с единых позиций. Указанный подход предусматривает создание единого банка данных, единых средств анализа, набора математических моделей, а также определенную последовательность в решении различных, но взаимосвязанных задач. При таком подходе фактически разрабатывается методология управления безопасностью как окружающей среды в зоне горных предприятий, так и самих объектов горного производства. В общей последовательности выполнения работ по организации мониторинга можно выделить несколько основных этапов, имеющих общее значение для любых промышленных объектов:
Таким образом, в изложенной схеме проведение непосредственных измерений каких-либо параметров в натурных условиях и разработка для этих целей измерительных систем является весьма существенным, но все-таки только одним из этапов мониторинга. Вместе с тем, вплоть до настоящего времени, во многих опубликованных работах мониторинг сводят лишь к натурным наблюдениям и тем самым резко сужают его методическую сущность.
Применительно к различным горным предприятиям указанные общие принципы могут быть конкретизированы с точки зрения объектов мониторинга, применяемых методов и аппаратуры. Так, для предприятий, разрабатывающих месторождения полезных ископаемых подземным способом общий объект геомеханического мониторинга может быть подразделен на следующие группы
Организация службы геомеханического мониторинга устойчивости бортов карьеров
С целью уточнения параметров залегания структурных нарушений в исследуемой зоне были специально пробурены 2 скважины (№№ 2849иг; 2868иг), пересекающие предполагаемое их местоположение (рис. 4.5).
Первая скважина (№ 2849иг) была пробурена с отметки +232 м вертикально вниз на глубину 60 м, вторая (2868иг) - с отметки +168 м горизонтально на глубину 57,3 м. В обеих скважинах был произведен отбор и описание керна и выполнена телевизионная съемка ствола. На рис. 4.6. представлены результаты телевизионной съемки ствола вертикальной скважины № 2849иг. Кроме того, была выполнена телевизионная съемка стволов наклонных скважин (№№ 2714иг; 2715иг), пробуренных геологической службой предприятия ранее.
Полученные результаты в основном подтвердили информацию о наличии структурных нарушений на исследуемом участке массива, дополнительно была выявлена значительная обводненность большинства трещин.
В горизонтальной скважине № 2868иг были выполнены измерения напряженно-деформированного состояния (НДС) массива пород методом разгрузки на интервале от 0 до 13 м. В результате установлено, что абсолютное значение максимальной компоненты тензора главных напряжений ( ттах), направленных параллельно борту карьера, составляет величину порядка 3 МПа (см. гл.. 2).
Незначительный уровень действующих напряжений на данном участке массива пород не является неожиданным и хорошо укладывается в общие зависимости абсолютных величин напряжений от степени нарушенности массива и глубины заложения точек измерения (см. гл. 2). На основании полученных с использованием элементов разработанной системы контроля состояния массива пород, данных о структурах и напряженном состоянии исследуемого участка можно сделать следующие основные выводы о геомеханическом состоянии массива пород юго-восточного борта карьера:
1. Массив скальных пород нарушен трещиноватостью различных иерархических уровней природного и техногенного происхождения. Массив обводнен, большинство трещин является водопроводящими. Не исключено изменение элементов залегания структурных не-однородностей в пределах отметок от +94 м до +118 м.
2. Потенциально неустойчивый блок (призма возможного обрушения) представляет собой объем скальных пород, ограниченный со стороны дневной поверхности поверхностью карьерной выемки, со стороны массива поверхностью структурного нарушения 2-го ранга. Боковыми поверхностями потенциально неустойчивого блока вероятнее всего будут являться поверхности, в настоящее время ограничивающие существующую зону деформации.
3. Уровень напряженности пород на юго-восточном борту карьера на уровне высотных отметок гор. +166 м незначителен, величины горизонтальных напряжений могут не учитываться при оценке устойчивости уступов и участка борта карьера.
4. Исходя из геометрических и структурных особенностей рассматриваемого участка массива пород юго-восточного борта карьера, а также его напряженного состояния, для диапазона высотных отметок +232 - +94 м может быть применена плоская схема расчета устойчивости потенциально неустойчивого блока без учета боковой нагрузки.
5. На основе проведенных исследований с использованием элементов разработанной системы контроля состояния массива пород, данных о структурах и напряженном состоянии исследуемого участка была предложена конструкция конечного контура карьера на данном участке, которая исключает возможные деформации (рис. 4.7).
В разработанном «Технологическом регламенте для проектирования постановки в конечное положение скальных уступов юго-восточного участка борта карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» ниже горизонта +166 м в зоне выявленных деформаций» (в дальнейшем «Технологический регламент...») предусмотрено с целью контроля напряженно-деформированного состояния, структурных особенностей и устойчивости формируемого участка борта карьера применить разработанную систему контроля состояния массива пород на юго-восточном участке контура карьера:
Рекомендуемый вариант конструкции участка борта карьера на гор. +118 - +94 м для измерений параметров полей напряжении - метод разгрузки керна контрольных скважин; для уточнения пространственного положения структурных неоднородностей - метод телевизионной съемки контрольных скважин; для контроля устойчивости формируемого откоса - методы измерения деформаций и перемещений массива пород с использованием нивелирования, светодальномерных измерений, деформометров различных конструкций и автоматизированных систем контроля.
Метод разгрузки. По мере отбойки подуступов целесообразно осуществлять контроль напряженно-деформированного состояния массива пород путем проведения измерений методом разгрузки керна контрольных горизонтальных скважин алмазного бурения диаметром 76 мм и длиной не менее 30 м.
Телевизионная съемка контрольных скважин. Для оценки состояния законтурного массива и уточнения элементов залегания структурных неоднородностей по завершению бурения каждой контрольной скважины целесообразно выполнять телевизионную съемку ее ствола с составлением соответствующей документации.
Методы измерения деформаций и перемещений массива пород. Поскольку угол падения плоскости формируемого откоса составляет 40-45, вертикальная и горизонтальная составляющие возможных подвижек по величине будут отличаться незначительно, т. е. наблюдения за пространственным положением точек поверхности откоса можно вести с одинаковой точностью как в плане светодальномерными измерениями, так и по высоте нивелированием. Наиболее целесообразно оба эти метода применять комплексно.
Нивелирование предполагает производство работ по наблюдательной станции, оборудованной на гор.+232 м, а также путем оценки высотного положения рабочих реперов, установленных маркшейдерской службой рудника на гор. +166 м непосредственно на плоскости обнажения откоса. При этом изменение положения рабочих реперов оценивается относительно опорных реперов, установленных на этом же горизонте.
Особенностью выполнения нивелирования в данном случае является недоступность рабочих реперов после отбойки первого подуступа. Учитывая это обстоятельство была предложена оригинальная методика выполнения нивелирных наблюдений инструментом с пере-менной высотой визирования . Для реализации этого предложения были сконструированы и апробированы специальные приспособления к нивелиру DiNil2 и проведена исходная серия наблюдений. В дальнейшем наблюдения предполагается выполнять с периодичностью, соответствующей темпам отбойки подуступов.
В случае если опорные репера при отработке уступов ниже отметки +166 м попадут под влияние буровзрывных работ возникнет необходимость перед каждым измерением прокладывать специальный нивелирный ход длиной около 3 км. Это неизбежно приведет к снижению точности измерений.
В связи с этим целесообразно дополнить определения вертикальных компонент перемещений измерением горизонтальных составляющих перемещений путем проведения даль-номерных измерений, в частности, с использованием лазерного дальномера «Мекометр-5000», обеспечивающего точность измерений в размере сотых долей миллиметра на километр расстояния. В этом случае по всему контуру карьера необходимо оборудовать сеть фундаментальных опорных пунктов, относительно которых будут измеряться перемещения рабочих реперов на поверхности формирующегося откоса.
Опорная сеть пунктов должна закладываться с учетом тектонической структуры массива. Конфигурация сети должна позволять наблюдать любой из рабочих реперов не менее чем с 2 направлений, составляющих угол порядка 90. Полевые работы будут состоять из измерения длин векторов «пункт опорной сети - рабочий репер». Результатом наблюдений являются траектории движения рабочих реперов и скорости их движения как характеристика активности деформационных процессов, происходящих на конкретном участке в конкретный момент времени.
