Проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров

Рассмотрены проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров до 60-70°. Анализ зарубежного и отечественного опыта их формирования показал, что оптимизация конструкции бортов карьеров должна базироваться на учете реальных физико-механических свойств слагающих его пород, нарушенности массива...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
1. Verfasser:	Просандеев, Н.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут проблем природокористування та екології НАН України 2012
Schriftenreihe:	Екологія і природокористування
Schlagworte:	Еколого-орієнтовані та ресурсозберігаючі технології, поводження з відходами
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/57460
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров / Н.И. Просандеев // Екологія і природокористування. — 2012. — Вип. 15. — С. 107-117. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-57460
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-574602014-03-10T03:01:36Z Проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров Просандеев, Н.И. Еколого-орієнтовані та ресурсозберігаючі технології, поводження з відходами Рассмотрены проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров до 60-70°. Анализ зарубежного и отечественного опыта их формирования показал, что оптимизация конструкции бортов карьеров должна базироваться на учете реальных физико-механических свойств слагающих его пород, нарушенности массива пород и гидрогеологических условии залегания, а также технологии разработки. Розглянуто проблеми підвищення кутів укосів бортів глибоких кар'єрів до 60-70°. Аналіз закордонного та вітчизняного досвіду їх формування показав, що оптимізація конструкцій бортів кар'єрів повинна базуватись на врахуванні реальних фізико-механічних властивостей складаючих його порід, порушенності масиву порід і гідрологічних умов залягання, а також технологій розробки. The article reveals the problems of slopes angles increase within deep quarries up to 60-70°. The analysis of foreign and national experience of their formation has showed that quarries slopes optimization should be based on real physical and mechanical qualities of content rocks, rock massive destruction, geological conditions and mining technologies. 2012 Article Проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров / Н.И. Просандеев // Екологія і природокористування. — 2012. — Вип. 15. — С. 107-117. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. XXXX-0010 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/57460 622.271.33.013 ru Екологія і природокористування Інститут проблем природокористування та екології НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Еколого-орієнтовані та ресурсозберігаючі технології, поводження з відходами Еколого-орієнтовані та ресурсозберігаючі технології, поводження з відходами
spellingShingle	Еколого-орієнтовані та ресурсозберігаючі технології, поводження з відходами Еколого-орієнтовані та ресурсозберігаючі технології, поводження з відходами Просандеев, Н.И. Проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров Екологія і природокористування
description	Рассмотрены проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров до 60-70°. Анализ зарубежного и отечественного опыта их формирования показал, что оптимизация конструкции бортов карьеров должна базироваться на учете реальных физико-механических свойств слагающих его пород, нарушенности массива пород и гидрогеологических условии залегания, а также технологии разработки.
format	Article
author	Просандеев, Н.И.
author_facet	Просандеев, Н.И.
author_sort	Просандеев, Н.И.
title	Проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров
title_short	Проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров
title_full	Проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров
title_fullStr	Проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров
title_full_unstemmed	Проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров
title_sort	проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров
publisher	Інститут проблем природокористування та екології НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Еколого-орієнтовані та ресурсозберігаючі технології, поводження з відходами
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/57460
citation_txt	Проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров / Н.И. Просандеев // Екологія і природокористування. — 2012. — Вип. 15. — С. 107-117. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Екологія і природокористування
work_keys_str_mv	AT prosandeevni problemypovyšeniâuglovotkosovbortovglubokihkarʹerov
first_indexed	2025-07-05T08:45:31Z
last_indexed	2025-07-05T08:45:31Z
_version_	1836795960845402112
fulltext	ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2012, Випуск 15 107 УДК 622.271.33.013 Н.И. Просандеев ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ УГЛОВ ОТКОСОВ БОРТОВ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины, Днепропетровск, Украина Розглянуто проблеми підвищення кутів укосів бортів глибоких кар’єрів до 60-70º. Аналіз закордонного та вітчизняного досвіду їх формування показав, що оптимізація конструкцій бортів кар’єрів повинна базуватись на врахуванні реальних фізико- механічних властивостей складаючих його порід, порушенності масиву порід і гідроло- гічних умов залягання, а також технологій розробки. Рассмотрены проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров до 60- 70º. Анализ зарубежного и отечественного опыта их формирования показал, что опти- мизация конструкций бортов карьеров должна базироваться на учете реальных физико- механических свойств слагающих его пород, нарушенности массива пород и гидрогео- логических условий залегания, а также технологий разработки. Постановка проблемы Открытая разработка месторождений по- лезных ископаемых сопровождается интен- сивным ростом глубины карьеров, что вы- двигает на первый план решение вопросов по их воздействию на окружающую среду, и как следствие, по конструктивным особен- ностям формирования бортов карьеров и обеспечению их длительной устойчивости, а также предотвращению деформаций при- контурного массива горных пород вследст- вие постоянно ухудшающихся горно- геологических и инженерно-геологических условий выемки горной массы, изменения напряженно-деформированного состояния горного массива и воздействия на него при- родных и техногенных факторов. Анализ опыта производства открытых горных работ показал, что при их проекти- ровании и добыче полезных ископаемых применяются упрощенные методы расчетов параметров бортов карьеров. Такой подход был приемлем для небольшой глубины раз- работки (до 100-150 м), поскольку экономи- ческий ущерб (экологический ущерб почти не учитывался) от неточного определения границ открытых работ и формы вырабо- танного пространства был невелик. © Просандеев Н.И., 2012 Однако в настоящее время добыча боль- шинства полезных ископаемых производит- ся на глубоких и сверхглубоких карьерах (глубиной до 600 м) и поэтому научное обоснование параметров бортов глубоких карьеров и особенно углов их откосов имеет большое значение, поскольку определяет количество разрабатываемых пород, глуби- ну, целесообразность и эффективность от- крытой разработки, ее технико-экономи- ческие и экологические показатели, а также безопасность производства горных работ. Так, при глубине разработки пород до 500 м повышение углов откосов бортов карьеров от 45 до 55º дает сокращение объемов вскрышных пород на 110-170 млн м3. В свою очередь, это устанавливает и степень техногенного воздействия на окружающую среду и ее основные компоненты: атмосфе- ру, земельные ресурсы, поверхностные и подземные воды, биоценозы прилегающих территорий. Поэтому увеличение углов от- косов бортов глубоких карьеров в современ- ных условиях является актуальной научной задачей и относится также к области фунда- ментальных исследований проблем откры- той разработки месторождений полезных ископаемых, поскольку влияет на все ком- поненты горного производства. ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2012, Випуск 15 108 Анализ исследований по решению данной проблемы и постановка задачи Определению параметров бортов карьеров посвящены исследования В.В. Ржевского, Н.Н. Мельникова, А.И. Арсентьева, Г.Л. Фи- сенка, М.А. Ревазова, Э.Л. Галустьяна, А.Г. Шапаря, В.Н. Попова, В.А. Фокина, Ю.М. Николашина и многих других. Вы- полненные исследования в большинстве случаев посвящены определению устойчи- вости бортов карьеров при некотором учете ослабляющих факторов приконтурного мас- сива горных пород. Хотя именно малая изу- ченность и учет закономерностей изменения состояния горного массива в процессе веде- ния открытых горных работ, несовершенст- во методов оценки его устойчивости и про- гноза привело к недостаточному развитию направления по повышению углов откосов бортов карьера, несмотря на его очевидные преимущества. Кроме того, увеличение уг- лов откосов бортов глубоких карьеров сдер- живается повышенными требованиями к безопасности производства горных работ, поскольку нарушение их устойчивости при- ведет к катастрофическим последствиям. Поэтому при проектировании горных работ в скальных массивах стремятся заложить уже хорошо известные и опробованные углы откосов бортов, обеспечивающие их дли- тельную устойчивость – 40-45º. В то же вре- мя существует возможность увеличения ге- неральных углов откосов бортов глубоких карьеров в скальных породах до 60º при от- сутствии в массиве неблагоприятно ориен- тированных поверхностей ослабления. Дан- ное положение соответствует также основ- ной тенденции развития горнодобывающей промышленности – переходу от разработки месторождений, залегающих на малых глу- бинах в осадочных породах, к разработке глубокозалегающих месторождений в мас- сивах высокопрочных скальных пород. Большую помощь в решении проблем по- вышения углов откосов бортов карьеров до 60º может оказать опыт их формирования на отечественных и зарубежных карьерах, чему и посвящена данная работа. Основной материал В зарубежной практике ведения откры- тых горных работ в высокопрочных скаль- ных массивах уже достаточно давно исполь- зуются крутые откосы бортов карьеров. Можно привести примеры: карьер Flintkote Mine (Канада), борт которого отстроен в гранитах под углом 70º; железорудный карь- ер Cleveland Cliffs (США), борт которого при высоте 120 м отстроен под углом 80º; карьер Westfrob Mine (Канада), глубиной 244 м с общим углом наклона борта 55º. Ха- рактерен пример карьера Айтик (Швеция), на котором, несмотря на достаточно слож- ные горно-геологические условия (трещино- ватый и обводненный массив), отстраивают- ся вертикальные откосы уступов, а угол от- коса борта достигает 51º при глубине до 300 м. Такой эффект достигается за счет применения специальных схем контурного взрывания, предусматривающих максималь- ное сохранение приконтурного массива. В российской практике ведения открытых горных работ формирование бортов глубо- ких карьеров с углами откосов 60-70º было выполнено впервые в суровых климатиче- ских условиях отработки кимберлитовых месторождений Западной Якутии. Климати- ческие и природные условия Западной Яку- тии, относящиеся к разряду экстремальных, оказывают непосредственное влияние на па- раметры отработки месторождений. Нали- чие многолетней мерзлоты существенно по- вышает прочностные свойства приоткосного массива за счет цементирующих свойств льда, заполняющего трещины и микропоры. Поэтому при отработке кимберлитовых трубок это даёт возможность отстраивать борта карь- еров со значительными генеральными угла- ми наклона от 45 до 56° и, как следствие, уменьшить объёмы вскрышных работ. Та- ким образом, можно констатировать, что наличие многолетнемерзлых пород позволя- ет увеличивать углы наклона нерабочих бортов от 4 до 19°, при этом большее значе- ние относится к углам наклона нерабочих бортов глубоких карьеров [1]. Для карьера «Удачный» была разработа- на новая конструкции сверхвысоких нерабо- чих уступов высотой до 180 м. Формирова- ние сверхвысоких уступов предусмат- ривалось осуществлять вертикальными по- дуступами высотой 30 м, между которыми предполагалось разместить горизонтальные технологические бермы с гравитационной ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2012, Випуск 15 109 очисткой шириной 10 м. Дли защиты людей и механизмов над транспортным съездом предусматривалось сформировать защитную берму шириной 25 м с отбойным приямком. Кроме того, для прокладки инженерных коммуникаций предполагалась проходка специального транспортного съезда по ту- пиковой схеме с повышенным продольным уклоном. Прокладку воздушных линий пла- нировалось осуществлять с применением высоких опор специальной конструкции, позволяющих преодолеть перепад высот до 180 м и пролеты длиной более 60 м. Данная технология формирования бортов карьера применялась с 1997 г., что позволи- ло уменьшить общие объемы вскрыши в контуре карьера на 46 млн м3 при сущест- венном улучшении ситуации по сов- мещению его текущего и конечного конту- ров. Однако опыт эксплуатации отстроен- ных на карьере сверхвысоких уступов в те- чение трех лет показал, что вертикальная заоткоска вызвала активизацию системы закрытых трещин отрыва вертикальной ори- ентации, особенно по южному борту. Круп- ные блоки массива известняков и доломитов оказались в подвешенном состоянии. Небла- гоприятное сочетание ориентировки верти- кальных трещин отрыва (простирание суб- параллельное борту карьера) и векторов главных нормальных растягивающих на- пряжений (перпендикулярное плоскостям трещин), а также наличие свободной по- верхности вызвали активное раскрытие тре- щин сверху вниз. Для создания безопасных условий работы был реализован комплекс мероприятий по приведению откосов в без- опасное состояние, в том числе осуществле- но перепроектирование борта карьера с применением уступов полигональной фор- мы. По результатам исследований был ре- комендован вариант конструирования нера- бочего уступа высотой 45 м полигонального профиля, отстраиваемого в верхней части высотой 30 м под углом 75° и в нижней – 15 м под углом 90°, с горизонтальной пред- охранительной бермой периодической зачи- стки шириной 15 м. Для проверки принятого варианта на ка- рьере «Удачный» был выделен опытно- промышленный участок борта, разработаны технология отстройки уступа и система мо- ниторинга состояния подоткосного массива. Верхняя часть уступа высотой 30 м оконту- ривается наклонными (под углом 75°) сква- жинами, пробуренными на всю высоту сдво- енного уступа. Нижняя часть уступа оконту- ривается вертикальными скважинами, кото- рые бурят с подошвы первого горизонта на расстоянии 4 м от наклонных скважин. В настоящее время все вновь проекти- руемые кимберлитовые карьеры отстраива- ются с предельными по прочностным свой- ствам параметрами нерабочих уступов вы- сотой до 45 м под углом 80°. В связи с этим серьезные изменения пре- терпела и схема вскрытия карьеров. При от- стройке карьеров не используются наклон- ные бермы, они заменены сочетанием кру- тонаклонных и горизонтальных берм. До 60- 80% высоты нерабочего борта вскрывается системой встречных съездов, в том числе и с однополосным движением автотранспорта. Широкое внедрение гидравлических экска- ваторов с прямой и обратной лопатой при- вело к необходимости корректировки пара- метров системы разработки и конструкции рабочих уступов. Все вновь запроектиро- ванные карьеры отрабатывают с предельной по горнотехническим условиям производи- тельностью по добыче руды. При этом скорость понижения добычных работ увеличилась с 11,6- 15 до 20-24,5 м/год, т.е. на 52-60%. Величина продольного уклона транспортных берм осо- бенно в нижней части карьеров возросла с 80 до 110-120‰. В конце 2006 года институтом Гипроруда завершена разработка проекта «Ре- конструкция карьера с целью восстановления проектной мощности Ковдорского ГОКа на основе укручения постоянных бортов карьера с увеличением глубины и периода открытой разработки». Из названия проекта понятно, что его главным отличием от всех предыдущих являются инженерно-геологические аспекты построения сверхглубокого карьера с крутыми углами откосов уступов и бортов. Согласно действующему проекту 1987 года, расчетные генеральные углы наклона бортов карьера при их высоте до 660 м составляли 37-40°, а откосы уступов в конечном положении отстраивали под углами от 40 до 70° в зависимости от трещиноватости пород. В новом проекте карьер отстроен с расчетными генеральными углами наклона борта до 60° и с откосами уступов до 90°. Проектированию карьера предшествовали ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2012, Випуск 15 110 многолетние исследования и опытно- промышленные работы, результатом которых стала разработка технологических регламентов «Геомеханическое и техническое обоснование возможности укручения бортов карьера рудника «Железный» в конечном положении» и «Обоснование систем осушения и водоотведения карьера…» (Горный институт Кольского научного центра Российской Академии наук (ГоИ КНЦ РАН), Филиал Главного управления предприятий Всесоюзный научно- исследовательский и проектно- конструкторский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, специальным горным работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу (ФГУП «ВИОГЕМ»). Эти регламенты легли в основу инженерно-геологических решений проекта [2]. В регламентах представлен анализ геолого-структурного строения место- рождения; прочностных характеристик пород в массиве и в ослабленных контактах (тектонические трещины, слоистость, сланцеватость, прослои слабых пород и т.д.); интенсивности трещиноватости по площади и по глубине; гидрогеологических условий; фактического состоянии бортов и уступов карьера. На этой основе в проектируемом пространстве карьера выделены отдельные литотипы пород; участки с идентичным геолого-структурным строением; крупные тектонические нарушения и более мелкие разломы; зоны различной степени трещи- новатости по глубине и по площади, а также составлена трехмерная геолого-структурная модель месторождения, чтобы иметь возможность прогнозировать склонные к обрушениям отдельные уступы либо участки борта карьера. Исходя из петрографических особенностей, на месторождении выделено шесть литотипов пород. Все они, кроме пород зоны выветривания и интенсивной дезинтеграции, относятся к породам очень прочным (σсж > 120 МПа) или прочным (σсж = 50÷120 МПа). Выделено семь разрывных субвертикально залегающих нарушений 1-го порядка, которые не являются потенциальными поверхностями скольжения или их частью для бортов карьера. Разрывные нарушения 2-го и 3-го порядков в бортах карьера (в конечном положении) не могут быть потенциальными поверхностями скольже- ния, так как большинство их является кососекущими относительно простирания бортов. Они будут влиять на устойчивость лишь отдельных уступов южного и восточного бортов. Трещиноватость пород с глубиной уменьшается: до глубины 75-150 м в основном развита зона интенсивной трещиноватости с блочностью пород от 0,1 до 0,6 м; интервал 150-250 м – зона средней трещиноватости с блочностью пород до 1-1,5 м; 250-500 м – зона слабой трещиноватости с блочностью пород от 1,5 до 4-7 м; 500-850 м – в основном монолитные породы, блочность пород от 5-10 до 15-20 м. Упрочнению массива на больших глубинах способствует смыкание трещин, вызываемое пропорциональным ростом нагрузок. При определенных соотношениях величин наибольших вертикальных главных напряжений и сил бокового отпора прочность трещиноватого массива приближается к прочности монолита. С глубины 250 м размер элементарных структурных блоков ограничивается густотой основных тектонических нарушений, так как трещинные отдельности в большинстве случаев залечены гидротермальными растворами. Исходя из данных инженерно- геологического районирования карьерного поля, по контуру карьера выделено 5 секторов (таблица 1), при определении границ которых учитывали литотипную выдержанность породного комплекса в пределах сектора. По каждому инженерно- геологическому сектору с идентичными условиями выполнены расчеты проектных параметров бортов и уступов карьера, обеспечивающих их устойчивость (таблица 2). Расчетный коэффициент запаса ус- тойчивости принят п' ≥ 1. Расчеты показали, что постановка уступов с вертикальными откосами возможна в крепких скальных породах, расположенных ниже зоны частичной дезинтеграции горных пород. Максимальная высота вертикального откоса (при отсутствии факторов ослабления) рассчитана по методике Всесоюзного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ) и составляет в данном случае 40-100 м. ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2012, Випуск 15 111 Таблица 1 – Инженерно-геологическое районирование карьерного поля Ковдорского карьера [2] Номер инженерно- геологического сектора Борт карьера Породы, слагающие борт карьера І Северо-западный, северный, северо- восточный Пироксениты, пироксенизированные оливиниты, оливиниты и руды ІІ Центральная часть восточного борта Пироксениты, ийолиты, оливиниты и руды ІІІ Южная часть восточного, юго-восточный, южный Фениты и руды IV Юго-западный Фениты, ийолиты и руды V Западный Твейтозиты, ийолиты и руды На участках центриклинальных зон трещиноватости, падающих в сторону выемки, и при расположении этих зон параллельно простиранию борта устойчивые углы наклона уступов оказались меньше вертикального и составили 65-75°. Общий угол наклона борта при глубине карьера до 970 м рассчитан по наиболее универсальной методике оценки устойчивости бортов в ре- альных горно-геологических условиях – векторного сложения сил (метод многоугольника сил). Данная методика учитывает реакции между блоками, на которые по определенным признакам разбивается призма возможного обрушения. Расчетный генеральный угол наклона борта карьера составил 60°. Ширина предохранительных берм рассчитана из ожидаемых величин их срабатывания в зависимости от времени стояния уступа, а также из условия защиты нижележащей зоны от возможного падения (обрушения) камней. Методика упрощенных расчетов траектории движения камней при обрушении с откосов вертикальных уступов разработана в ГоИ КНЦ РАН на основании проведенных в карьере экспериментов по падению камней с высоты 24 м. При этом рекомендуется отсыпать на предохранительных бермах щебёночную «подушку» толщиной 0,8-1 м на участках, где ожидается интенсивный процесс осыпания, и над наиболее ответственными объектами (транспортные бермы, трассы конвейерных подъемников, водоотливные станции, пункты электроснабжения и т. д.). Показанные выше основные конструк- тивные параметры уступов и бортов карьера в конечном положении обоснованы расче- тами, но сами по себе еще не гарантируют их устойчивость без выполнения комплекса специальных мероприятий, предлагаемых в проекте «Реконструкция карьера...» на осно- ве проведенных в предпроектный период масштабных исследований и опытно- промышленных работ (ОПР). К ним отно- сятся: - защита законтурного массива горных пород от динамического воздействия массовых взрывов методом «щадящего» взрывания в зоне приближения горных работ к предельному контуру; - разгрузка прибортовых массивов от застойных напорных вод, влияющих на устойчивость уступов, с помощью предложенной ФГУП «ВИОГЕМ» системы горизонтальных (слабонаклонных) дренаж- ных скважин, обеспечивающих сток воды со снижением напора на нижележащем уступе и осушением вышележащего (отметим, что количественные оценки влияния обводненности прибортовых массивов на устойчивость уступов в карьере Ковдорского ГОКа отсутствуют); - прогнозирование устойчивости, деформаций и разработка технологии закрепления ослабленных участков уступов и бортов карьера (исследования проведены ФГУП «ВИОГЕМ»), - непрерывный контроль состояния породного массива (Горным институтом КНЦ РАН предложена многоуровневая система мониторинга для карьера Ковдор- ского ГОКа). ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2012, Випуск 15 112 Таблица 2 – Конструктивные элементы глубокого карьера Ковдорского ГОКа [2] Расчетный инженерно- геологический сектор Угол наклона уступа, градус Высота сдвоенного уступа, м Ширина предохранительной бермы, м Зона дезинтеграции Интенсивная 45 Частичная 60 24 10 Сектор I Юго-запад + 166 ...+ 142 м 75 24 10,4-12,4 + 142...+70 м 90 24 10,0-11.3 ниже +70 м 90 30 12.0-13,0 Север + 166... +70 м 90 24 10,0-11.3 ниже +70 м 90 30 12,0-13.0 Северо-восток до абс. отм. +70 м 75 24 10.4-12.4 +70 ... +50 м 75 30 12,9-15,0 ниже +50 м 90 30 12.0-13,0 Сектор II + 142...+70 м 90 24 10,0 11,3 ниже + 70 м 90 30 12,0-13,0 Сектор ІІІ Восточнее обрушения + 166... +40 м 50 24 10,0 ниже +40 м 90 30 12,0-12,4 Зона обрушения + 142... +94 м 45 24 15,0 +94... +40 м 50 (65) 24-30 10,0 ниже +40 м 90 30 12.0-13,0 Южная центриклинальная зона: + 190... +40 м 65 24-30 10,0 ниже + 40 м 90 30 12,0-13,0 Сектор IV Юго-западная центриклинальная зона до абс отм. + 190 м 60 24 10,0 до гор. +40 м 65 24-30 10,0 ниже +40 м 90 30 12,0 Сектор V Юго-запад +262... +70 (+40) м 75 30 12,9-15,0 ниже + 40 м 90 30 12,0 Запад +94... -635 м 90 30 12 Для условий залегания горных пород ка- рьера Мурунтау (Узбекистан), в работе [3] выполнена оценка устойчивости бортов ка- рьера в зависимости от их конструкции, формы контура и сейсмического воздейст- вия. Оптимизация конструктивных парамет- ров бортов карьеров произведена на основе сочетания численно-аналитических и инже- нерных методов расчета устойчивости отко- сов с использованием компьютерной техни- ки. Установлено, что плоский, двугранный, многогранный, симметрично выпуклый и ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2012, Випуск 15 113 выпуклый по циссоиде профили бортов карьеров имеют свою область применения и могут быть успешно реализованы с эконо- мической и технической точки зрения при определенной глубине разработки. Однако ни один из перечисленных профилей борта не увязывается с конфигурацией карьера в плане и его линейными размерами (шириной по поверхности и дну, глубиной). В резуль- тате конфигурация карьера в плане опреде- ляется главным образом конфигурацией разрабатываемого месторождения, что в ко- нечном итоге приводит к образованию заве- домо деформационно опасных участков бор- тов. Так, например, северный и южный бор- та карьера Мурунтау в соответствии с про- ектом 3-ей очереди его разработки имеются участки, выступающие в выработанное про- странство, что вследствие их деформаций впоследствии привело к необходимости их спрямления. Другим следствием применения метода определения профиля борта без учета разме- ров и конфигурации карьера в плане являет- ся увеличение объемов вскрыши, поскольку в этом случае не обеспечивается минималь- ный объем выработанного пространства. Данное условие считается выполненным, если площадь борта карьера минимальна, что достигается при средней кривизне его поверхности, равной нулю. В идеальном случае поверхность борта карьера имеет в плане круглую форму с радиусом R1 на уровне поверхности земли и R2 на уровне его дна, а центры окружностей лежат на од- ной оси "Z". Поверхность борта при этом конструируется путем вращения кривой во- круг оси и имеет форму катеноида. Форми- рование борта карьера указанной формы по- зволяет увеличить угол наклона его нижней части до 50-60º без потери устойчивости на больших глубинах. В реальных условиях контуры карьеров в плане имеют самую разнообразную форму, поэтому их конструируют путем сочетания прямолинейных элементов и тел вращения. Соблюдение требований оптимального со- отношения линейных размеров карьера в плане к размерам борта карьера в верти- кальном сечении имеет существенное значе- ние для глубоких и сверхглубоких карьеров, а расчеты показывают, что применение оп- тимального соотношения позволяет значи- тельно увеличить глубину карьера без рас- ширения границ по поверхности. Так, на- пример, по сравнению с проектом глубина карьера Мурунтау в этом случае может быть увеличена на 200-250 м (т.е. на 20-30%). Результаты расчетов вариантов построе- ния профиля борта карьера Мурунтау для различной ширины дна приведены в таблице 3. При расчетах принято, что коэффициент запаса устойчивости бортов нового профиля должен быть не ниже коэффициента запаса устойчивости, получаемого при расчетах традиционными методами. Возможность реализации нового метода построения профилей борта глубоких карье- ров проверена путем расчетов по разрабо- танным для ЭВМ программам. Этот метод использован при конструировании бортов карьера Мурунтау и может быть применен при проектировании глубоких и сверхглубо- ких карьеров. Таблица 3 – Результаты расчетов профилей борта карьера Мурунтау (глубина карьера 670 м) [3] Номер профиля Ширина дна карьера, м Максимальный угол наклона борта, град. Объем чаши карье- ра, млн м3 Коэффициент запаса устойчивости 1 220 63,0 1035 1,460 2 314 59,6 1116 1,419 3 388 58,1 1177 1,380 4 452 57,3 1230 1,306 5 510 57,1 1278 1,222 6 566 57,0 1318 1,182 Оценку устойчивости, как и определение максимальных углов погашения бортов меднорудных карьеров, в силу специфики залегания рудных тел и формы карьера (близкой к круглой или эллиптической) оп- ределяют посредством решения объемной задачи с применением метода многоуголь- ника сил (векторного сложения сил) [4]. ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2012, Випуск 15 114 Расчеты устойчивости и практика отработки меднорудных карьеров показывают, что борта в предельном положении имеют большой коэффициент запаса (п = 1,5¸2 и более), что позволяет увеличить углы пога- шения на 5-15°. Угол погашения бортов меднорудных карьеров глубиной 300-400 м должен достигать 50-60º, что определяет значительный резерв сокращения объемов вскрышных работ или увеличения глубины карьеров. Устойчивость вогнутых в плане бортов, характерных для всех известных медноруд- ных карьеров, выше устойчивости прямоли- нейных бортов за счет дополнительного со- противления смещению призмы обрушения, создаваемого силами бокового распора. Степень влияния бокового распора зависит от конфигурации борта в плане, геологиче- ского строения прибортового массива и со- отношения протяженности откоса (борта) и его высоты. Следует также отметить, что ввиду осо- бенностей строения меднорудных месторо- ждений (неправильные формы рудных тел и наличие сопровождающих мелких залежей) значительная часть запасов руд остается в бортах и на дне карьеров (от 5 до 20 млн т), доработка которых возможна, и на ряде карьеров («Блявинский», «Сибайский», «Учалинский» и др.) успешно осуществля- ется по локальным проектам, позволяя с по- мощью действующего оборудования допол- нительно добывать 2-7 млн т руды. Естественно, в результате выемки запа- сов в приконтурной зоне, увеличения общей высоты и углов погашения при доработке законтурных запасов руд снижается общая устойчивость борта. Тем не менее, каких- либо серьезных деформаций бортов не от- мечалось. Это еще раз подтверждает, что углы погашения бортов меднорудных карье- ров не достигли максимально допустимых значений и имеется возможность их увели- чения и сокращения объёмов вскрышных ра- бот или увеличения глубины карьера. Уве- личить углы откосов сгруппированных ус- тупов в предельном контуре и уменьшить число берм можно за счет применения на- клонных предохранительных берм. Увели- чение угла наклона откосов уступов на мед- норудных карьерах достигается также за счет применения специальной технологии отработки приконтурных лент и искусствен- ного укрепления отдельных участков. При этом важно отметить, что технологии отра- ботки приконтурных лент (контурное взры- вание, укрепление отдельных участков ус- тупов и наклонное расположение предохра- нительных берм) в практике открытых гор- ных работ впервые в России начали при- менять на меднорудных карьерах («Сибай- ский», «Сорский», «Тайский», «Учалин- ский» и пр.). Отечественный опыт формирования уча- стков бортов карьеров с углом откоса 55º и высотой 144 м накоплен на ОАО "Полтав- ский горно-обогатительный комбинат». Ка- рьер Днепровского рудоуправления (ДнРУ) разрабатывает запасы Горишне-Плавнинско- го и Лавриковского месторождений желези- стых кварцитов. Его строительство было начато в 1961 году. Ввод мощности на про- ектную производительность по добыче 15 млн т сырой руды в год осуществлен в 1970 году. В проекте 1982 года производи- тельность комбината и, соответственно, карьера была пересмотрена и принята по сырой руде 33,95 млн т в год, по вскрышным породам – до 31 млн м3 в год. Проектом принята разработка месторождений с при- менением автомобильного и электрифици- рованного железнодорожного транспорта с вводом его на глубокие горизонты через юго-западную и северо-западную траншеи [5]. Карьер комбината вскрыт временными скользящими съездами и пока не имеет уча- стков бортов, поставленных в конечное по- ложение, что не позволяет создать постоян- ные транспортные коммуникации и мини- мизировать объемы вскрышных работ. В связи с этим для оптимизации объемов вы- емки и транспортирования вскрышных по- род освоена технология формирования вре- менно нерабочих бортов карьера путем от- стройки целиков из 3-4 вертикальных усту- пов высотой 12 м, устойчивость которых обеспечивается контурным взрыванием за- рядов вертикальных скважин. Между цели- ками оставляют предохранительную берму. Угол откоса участков временно нерабочих бортов достигает 55º при высоте 144 м. Для оптимизации конструкций бортов карьеров, с учетом реальных свойств, структурных особенностей и напряжённого состояния массивов пород глубоких гори- зонтов рудных месторождений Горным ин- ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2012, Випуск 15 115 ститутом КНЦ РАН разработана соответст- вующая методология [6]. В настоящее время традиционным счита- ется представление массива пород дискрет- ной средой, сплошность которой нарушена упорядоченной трещиноватостью, разде- ляющей массив на структурные блоки. Та- кие массивы горных пород принято назы- вать блочными или раздельно-блочными. В существующих инженерно-геологических и горнотехнических классификациях, исходя из размеров образуемых структурных бло- ков, выделяют несколько порядков – клас- сов, рангов структурных неоднородностей от крупных структур протяжённостью де- сятки километров до небольших трещин размерами порядка десятков сантиметров. Очевидно, в этом случае необходимо гово- рить об иерархии структурных неоднород- ностей и соответственно структурных бло- ков в скальном массиве. Такой подход в по- следнее время получил значительное рас- пространение, в результате чего принято рассматривать скальный массив с позиций иерархически-блочной модели среды. Применение иерархически-блочной мо- дели позволяет обоснованно определять вид и параметры эффективных структурных не- однородностей, т.е. тех, которые определя- ют процессы деформирования и разрушения данного конкретного объёма пород или со- оружения. Степень влияния того или иного порядка неоднородностей определяется соотноше- нием размеров соответствующих структур- ных блоков и геометрических параметров деформирующихся объектов. При этом ме- ханизм деформирования массива пород блочной структуры заключается в де- формировании самих блоков и, кроме того, в их перемещениях относительно друг друга. В условиях работы карьеров речь может идти о единичном уступе (иногда группе уступов) и о борте в целом. Если для уступа эффективным видом структурных неодно- родностей являются, как правило, поверхно- сти естественных крупноблоковых трещин, образующих структурные блоки с ребром в первые единицы метров, то для борта карье- ра эффективным видом будут структурные неоднородности более крупных размеров, образующих структурные блоки с ребром в десятки и первые сотни метров. Отсюда не- обходимо различать понятия «устойчивость отдельного уступа или группы уступов» и «устойчивость борта карьера в целом». Во многих случаях нарушение устойчивости отдельного уступа или группы уступов от- нюдь не означает катастрофической потери устойчивости борта в целом. Напряжённое состояние массивов скаль- ных пород в большинстве случаев соответ- ствует гравитационно-тектоническому типу, при котором в нетронутом массиве макси- мальная и промежуточная компоненты главных напряжений горизонтальны и опре- деляются тектоническими силами, дейст- вующими в рассматриваемом регионе, а ми- нимальная компонента ориентирована в вер- тикальной плоскости. При этом абсолютное значение минимальной компоненты главных напряжений определяется как собственным весом вышележащих пород, так и боковым отпором максимальной и промежуточной компонент главных напряжений. Предложенная методика геомеханическо- го обоснования устойчивых параметров бор- тов и уступов карьеров в достаточной степе- ни соответствует особенностям скальных высокопрочных массивов и может быть при- менена в соответствующих условиях на раз- личных предприятиях, ведущих горные ра- боты открытым способом. Поскольку фор- мирование уступов и бортов карьеров с пре- дельными устойчивыми параметрами воз- можно только при условии сведения к ми- нимуму разрушения законтурного массива, необходимым элементом общей технологии постановки бортов карьеров в конечное по- ложение является разработка специальной технологии буровзрывных работ. Таким образом, на основании выполнен- ных исследований можно сделать следую- щие выводы: 1. Формирование бортов глубоких карье- ров с углами откосов до 60-65º возможно в различных горно-геологических, горнотех- нических и климатических условиях – от Крайнего Севера (Якутия) до знойного юга (Узбекистан). Причем в условиях Крайнего Севера наличие постоянной мерзлоты явля- ется благоприятным фактором, поскольку способствует образованию монолитного массива горных пород, что повышает его устойчивость. В остальных природных зо- нах климатические условия являются небла- гоприятными факторами, снижающими ус- тойчивость бортов карьеров. ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2012, Випуск 15 116 2. Повышение углов откосов бортов ка- рьеров до 60º возможно только в случае, ко- гда его параметры обусловлены только кон- структивными элементами, а не устойчиво- стью массива горных пород. Изменение конструктивных параметров углов откосов бортов глубоких карьеров выполняется за счет удваивания, утраивания высоты пятна- дцатиметровых уступов с углами откосов 80-90º и шириной площадок между ними 10- 15 м, оборудованных камнеулавливающими валами. 3. Совершенствование технологических схем формирования бортов глубоких карье- ров повышенной крутизны в первую оче- редь направлено на разработку новых тех- нологических схем контурного взрывания, обеспечивающих минимальное нарушение массива горных пород в конкретных горно- геологических условиях. 4. Формирование бортов глубоких карье- ров с углами откосов 60-65º возможно толь- ко после детального изучения физико- механических свойств пород, его слагаю- щих, условий их залегания, детального изу- чения нарушенности массива пород – тре- щиноватости, наличия тектонических раз- ломов и зон сдвижения, элементов залега- ния системы трещин и их падения относи- тельно выработанного пространства карье- ра, гидрологических и сейсмических усло- вий залегания пород борта карьера, то есть всех факторов, определяющих устойчивость борта карьера. Основой для проведения комплекса необходимых исследований мо- жет служить общая методология оптимиза- ции конструкций бортов карьеров на основе реальных свойств, структурных особенно- стей и напряженного состояния массивов пород глубоких горизонтов рудных место- рождений, разработанная Горным институ- том КНЦ РАН. И только после подтвер- ждения устойчивости бортов глубоких карь- еров возможно приступить к этапу форми- рования повышенных углов их откосов. 5. Методология оптимизации конструк- тивных параметров бортов глубоких карье- ров должна найти свое дальнейшее развитие применительно к конкретным условиям ка- ждого разрабатываемого месторождения с учетом объемного состояния массива гор- ных пород. 6. Повышение углов откосов бортов глу- боких карьеров до 60-65º позволит умень- шить объем извлекаемых вскрышных пород на 110-170 млн м3, сохранить от нарушения 220-380 га земельных площадей и снизить отрицательное воздействие открытых гор- ных работ на окружающую среду. 7. В соответствии с приказом №249 от 27.05.2004 г. Министерства промышленной политики Украины Институт проблем при- родопользования и экологии НАН Украины назначен головной организацией Министер- ства по научно-техническому направлению «Технология разработки рудных месторож- дений, обоснование устойчивости бортов карьеров и отвалов» и проводит исследова- ния по путям повышения углов откосов бор- тов карьеров и отвалов Кривбасса не только, как одного из факторов повышения эффек- тивности разработки месторождений, но и как фактора существенного снижения отри- цательного воздействия на окружающую среду. Перечень ссылок 1. Ганченко М.В. Определение границ и оптимизация технологических параметров откры- тых горных работ / М.В. Ганченко, А.Н Акишев, В.А. Бахтин // Горный журнал. – 2005. - №7. – С. 77-80. 2. Инженерно-геологические аспекты проектирования глубокого карьера Ковдорского ГО- Ка / М.В. Епифанова, С.А. Федоров, А.А. Козырев [и др.]. // Горный журнал. - 2007. - № 9. – С. 30-33. 3. Кучеревский Н.И. Совершенствование процессов открытой разработки сложно- структурных месторождений эндогенного происхождения / Н.И. Кучеревский. - Ташкент: Фан, 1998. – 254 с. 4. Туринцев Ю.И. Проблемы устойчивости бортов меднорудных карьеров / Ю.И. Туринцев, А.В. Жабко, П.В. Кольцов // Горный журнал. – 2009. - №2. – С. 31-33. 5. Лотоус В.В. Технико-технологическая модернизация железорудного карьера Полтавского ГОКа / В.В. Лотоус // Горный журнал. – 2009. - №11. – С. 96-98. ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2012, Випуск 15 117 6. Мельников Н.Н. Новая концепция разработки месторождений глубокими карьерами / Н.Н. Мельников, А.А. Козырев, С.В. Лукичев // Горный журнал. – 2009. - №11. – С. 7-11. N.I. Prosandeev THE PROBLEMS OF SLOPES ANGLES INCREASE WITHIN DEEP QUARRIES Institute for Nature Management Problems and Ecology of National Academy of Sciences of Ukraine, Dnipropetrovsk, Ukraine The article reveals the problems of slopes angles increase within deep quarries up to 60-70°. The analysis of foreign and national experience of their formation has showed that quarries slopes op- timization should be based on real physical and mechanical qualities of content rocks, rock mas- sive destruction, geological conditions and mining technologies. Надійшла до редколегії 10 жовтня 2011 р. Рекомендовано членом редколегії докт. техн. наук В.І. Прокопенком

Проблемы повышения углов откосов бортов глубоких карьеров

Institution

Ähnliche Einträge