книги / Управление состоянием массива горных пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых

всему месторождению; трещины II порядка — в основном тектони­ ческие протяженностью от 0,5 до 500 м, мощностью от 0,2 мм до 0,5 м, как заполненные, так и пустые; трещины III порядка — тек­ тонические, литогенические протяженностью до 0,5 м и мощностью до 0,2 мм.

Трещины I порядка зафиксированы на геологических картах и разрезах, детально описаны в геологической документации, и спе­ циалистам по устойчивости остается только оценить их с геомеха - нических позиций. Наибольший интерес представляют трещины II и III порядков. Они в большей степени влияют на устойчивость мас­ сивов горных пород и являются основным объектом полевых иссле­ дований.

В результате анализа и изучения геологической документации составляются геолого-структурные планы и разрезы для всего месторождения или отдельных его участков. На этих планах долж­ ны быть нанесены горные выработки с параметрами откосов и уступов, все известные ранее тектонические нарушения и элементы трещиноватости, складчатые структуры. Планы должны служить основным рабочим документом при организации и проведении поле­ вых исследований трещиноватости.

Полевые измерения параметров трещиноватости включают: за­ меры угла падения трещины, азимута линии падения, видимой дли­ ны, мощности (ширина раскрытия), расстояния до следующей тре­ щины этой системы; описания характера поверхности стенок трещи­ ны, заполняющего материала и степени обводненности. Элементы залегания трещин определяются горным компасом, а на железо­ рудных месторождениях для этих целей применяют гироскопичес­ кий компас ГТ-Зм, разработанный ВИОГЕМ. Ширину раскрытия трещин измеряют специальными клиновидными щупами. Все ре­ зультаты замеров и визуальные описания трещин заносятся в спе­ циальный журнал. Участок полевых наблюдений выбирается с та­ ким расчетом, чтобы он представлял все системы трещин, а коли­ чество трещин одной системы было не менее 10.

Обработка результатов полевых измерений трещиноватости вы­ полняется аналитическими и графическими методами. Данные всех замеров группируются по структурным зонам месторождения для выделенных участков борта карьера и обрабатываются по каждой зоне раздельно.

А н а л и т и ч е с к и й м е т о д измерения трещиноватости за­ ключается в получении средних значений измеренных величин по формулам математической статистики и вычислении обобщенных характеристик трещиноватости. Средние арифметические значения X величин и средние квадратические отклонения о определяют по формулам:

		Z xi	£ № ~ * ) 2
	Х =	i = i	г=1_________	(1.40)
		п	п — 1

где Х{ — величина измеряемого параметра; п — число измерений.

По средним значениям параметров вычисляют обобщенные ха­ рактеристики трещиноватости.

Объем усредненного блока оСр устанавливается по формуле иср = /'сp/''p/'р, а если все системы развиты в одинаковой мере, то

формула будет иметь вид

п — 1	з , 90°
^ср — 2	¿ c p t g ^ ^ j .	(1-41)

Здесь	Г р, /'"р— расстояния	между трещинами в системе;
/ср — среднее расстояние между трещинами,			определяемое из вы­
ражения
	/	П	(1.42)
Линейный коэффициент трещиноватости			показывающий: от­

ношение единицы длины к среднему расстоянию между трещинами, запишется так:

Щ ' = 1/'/сР.

(1.43)

Объемный	коэффициент трещиноватостиустанавливается
как отношение единицы объема к объему усредненного						структур­
ного блока и отражает количество единиц структурных						блоков в
объеме 1 м3:
			=	1/^ср.		(1.44)
На основании данных		осредней мощности трещин без заполни­
теля (пустые)	тср можно определить приращение объема струк­
турного блока по каждой системе трещин:
		/		/ / / / / /
		Аv n =	/Wcp/cp/cp 5
		& V n ' =	tficp^cp^cp		i
		nt	/ /	r t ,t
		AVn — ftlCj)lcvlcp
Суммарное приращение объема блока за счет трещинной пустот-
ности
	Ау п	= А ^п +		Аи ' п +	Ац « '	(1.45)

где А^п — объем пустот, приходящихся на один структурный блок. На основании этих данных коэффициент трещинной пустотности определяется из выражения

П = Дип/ (у ср + Аип) .

(1.46)

Г р а ф и ч е с к и й м е т о д измерения трещиноватости позво­ ляет характеризовать распределение систем трещин, изменение их количественных показателей по определенному направлению, выде-

рации. Форма их бортов в плане и в разрезе может быть прямоли­ нейной (плоской), вогнутой, выпуклой и комбинированной (сочета­ ние прямолинейных и криволинейных участков).

Исследования Г. Л. Фисенко и И. И. Ермакова показали, что наиболее благоприятные условия устойчивости имеют борта карье­ ров вогнутой в плане формы, а форма откосов в разрезе ^профиль) практически не влияет на общую устойчивость борта, однако имеет важное технологическое значение. Основные параметры, влияющие на устойчивость откосов (бортов),— их высота и угол наклона. При прочих равных условиях существует прямая зависимость меж­ ду этими параметрами и интенсивностью деформационных явлений.

Деформацию бортов возможно исключить полностью, если при­ нять пологие углы при небольшой высоте уступов, но в этом случае возрастут объем вскрышных работ и себестоимость полезного иско­ паемого. При увеличении же высоты и угла наклона бортов улуч­ шаются экономические показатели работы карьера, но не будет гарантирована безаварийная работа. Поэтому параметры откосов принимаются на основе расчетов с минимально необходимым коэф­ фициентом запаса.

Разуплотнение массива горных пород. Приоткрытой разработке месторождений полезных ископаемых массивы горных пород раз­ гружаются от давления лежащих выше толщ, в результате чего изменяется их естественное напряженное состояние и формируется зона разуплотнения вокруг карьера. В процессе выемки горной мас­ сы постепенно высвобождается упругая энергия, накопившаяся под воздействием геостатической нагрузки и тектонических сил. Эта энергия расходуется на деформацию массива в зоне разуплотнения, образуя трещины бортового и донного отпора за счет раскрытия тектонических трещин, трещин выветривания и появления новых.

В результате разуплотнения формируются поверхности ослаб­ ления большой протяженности, снижается сопротивляемость гор­ ных пород сдвигу в зонах разгрузки, смещаются борты и дно карьера.

Интенсивность процессов разуплотнения возрастает с глубиной карьера, при этом верхняя часть поверхности бортов смещается 'вниз и в сторону выемки, а нижняя их часть и дно — вверх и в сто­ рону выемки.

Натурные наблюдения, проведенные Криворожским отделением ВИОГЕМ, свидетельствуют, что уступ карьера № 3 Новокриворож­ ского ГОКа (Кривбасс), расположенного на глубине 140 м, поднял­ ся на 104...134 мм при горизонтальном смещении в сторону выемки на 40...74 мм. На карьере № 1 Центрального горно-обогатительного комбината в штольне, заложенной в борту на глубине 120 м, зафик­ сировано поднятие ее почвы и кровли на 30...35 мм при горизон­ тальном смещении на 10...40 мм после выемки над ней 11 млн. т горной массы.

Процесс разуплотнения горных пород изучен еще недостаточно, однако уже сейчас ясно, что без его учета нельзя решить вопросы устойчивости бортов глубоких карьеров.

Способ вскрытия месторождения. Развитие деформаций зависит

от положения вскрывающих выработок относительно контура карь­ ера без учета структурной неоднородности массива. Так, въездная траншея на Ермолаевском карьере была заложена вдоль оси син­ клинальной складки. Падение слоев горных пород в обоих бортах траншеи оказалось в сторону дна, из-за чего в процессе ее проход­ ки наблюдались многочисленные оползни откосов.

Вскрывающие выработки обычно имеют длительный срок служ­ бы (часто до конца отработки месторождения) и должны проекти­ роваться с учетом ориентировки поверхностей ослабления в массиве и длительной прочности горных пород.

Система разработки и режим горных работ. Влияние системы разработки и режима горных работ на устойчивость уступов и бор­ тов карьеров зависит от многих факторов, главные из них — на­ правление ведения горных работ (в плане и по вертикали); время стояния откосов без обновления их поверхности; способ рыхления пород; размещение отвалов вскрышных пород; влияние подземных горных выработок.

Направление ведения горных работ (в плане и по вертикали) оказывает большое влияние на устойчивость выработок при нали­ чии в массиве поверхностей ослабления в виде слоистости, текто­ нических нарушений, крупных трещин и слабых прослоев, которые при определенных условиях могут быть поверхностями оползания или обрушения откосов. Эти условия возникают в тех случаях, когда поверхности ослабления ориентированы по простиранию борта карьера или отличаются от этого направления не более чем на 20° при падении их в сторону выемки. Повышение устойчивости отко­ сов может быть достигнуто изменением направления фронта про­ двигания горных работ.

Время стояния откосов без обновления поверхности уступов ста­ новится неблагоприятным фактором устойчивости при увеличении срока существования борта карьера. Породы, слагающие борта и откосы горных выработок, после обнажения подвергаются воздей­ ствию различных агентов выветривания, в результате чего проч­ ность пород уменьшается. На устойчивость откосов влияют также реологические свойства пород, прочность которых уменьшается под влиянием длительных статических нагрузок. Время стояния усту­ пов, обусловленное системой разработки, должно учитываться при обосновании величины коэффициента запаса устойчивости и выбо­ ре методики проведения прочностных испытаний.

Способ рыхления горных пород — весьма важный фактор ус­ тойчивости откосов и бортов карьеров при ведении буровзрывных работ (БВР). Энергия взрыва расходуется на отрыв определенного объема породы, его дробление и перемещение. Сейсмическое дей­ ствие взрыва распространяется за пределы взрываемых блоков и оказывает влияние на откосы уступов и бортов карьера, массив горных пород в приконтурной зоне.

Под действием взрывов в массиве горных пород образуются сле­ дующие зоны: дробления (полного разрушения); заколов (переме­ щения); мелких трещин (остаточных деформаций) и микротрещин (сотрясения). Зона дробления характеризуется полным разруше­

нием горных пород на отдельные куски разных размеров. Парамет­ ры этой зоны зависят от размеров взрываемого блока и густоты расположения в нем взрывных скважин. Последующие зоны нахо­ дятся за пределами блока в массиве. В последней формируются после экскавации взорванной массы горных пород временные или постоянные откосы уступов.

Зона заколов начинается от бровки уступа и характеризуется интенсивной нарушенностью сплошности массива с образованием трещин (заколов), по которым смещаются отдельные блоки отно­ сительно друг друга. Прочность массива здесь снижается в десятки раз. Размеры этой зоны колеблются в пределах от нескольких мет­ ров до 10 м и более.

К зоне заколов примыкает зона остаточных деформаций, в ко­ торой формируются мелкие трещины (шириной 0,02...0,03 м) с не­ значительными смещениями блоков горных пород. В результате этого сцепление пород уменьшается на 20...50 %, силы трения по ослабленным поверхностям значительно снижаются. Ширина зоны может достигать нескольких десятков метров.

Зона сотрясений характеризуется развитием микротрещин и уп­ ругих колебаний, которые интенсивно затухают на расстоянии 65...

80 м от места взрыва. Микротрещиноватость ослабляет массив, а упругие колебания при определенных условиях могут оказывать отрицательное влияние на устойчивость откосов уступов, располо­ женныхвыше и ниже взрываемого блока.

Размеры описанных выше зон зависят от многих факторов, главные из них — количество одновременно-взрываемого взрывча­ того вещества (ВВ), структурно-тектонические особенности масси­ ва, прочностные свойства горных пород, параметры БВР. С увели­ чением массы одновременно взрываемого ВВ увеличиваются раз­ меры зон и интенсивность деформаций горных пород. Наличие в массиве трещин, ориентированных параллельно откосу, резко сни­ жает радиус действия взрыва в глубь массива за счет отражения взрывных волн от поверхностей этих трещин. Если трещины распо­ лагаются перпендикулярно или по диагонали к откосу, то действие взрыва распространяется на большие расстояния. Интенсивность воздействия взрыва на массив горных пород уменьшается при ис­ пользовании наклонных взрывных скважин и скважин меньшего диаметра.

Размещение отвалов вскрышных пород играет не однозначную роль при оценке устойчивости бортов карьеров. Отвалы в вырабо­ танном пространстве (внутреннее отвалообразование) увеличива­ ют сопротивление прибортового массива сдвигающим усилиям и улучшают условия его устойчивости. Складирование же вскрышных пород на территориях, примыкающих к предельному контуру карье­ ра, при внешнем отвалообразовании ухудшает устойчивость бортов, так как отвальные массы горных пород повышают нагрузку в приз­ ме активного давления и способствуют развитию деформаций оползания. Например, одна из основных причин оползня на восточ­ ном борту карьера Ингулецкого горно-обогатительного комбината (ИнГОКа) объемом более 350 тыс. м3, захватившего три верхних

вскрышных уступа,— наличие насыпи вскрышных пород высотой 16 м в непосредственной близости от предельного контура карьера.

Влияние подземных горных выработок заметно сказывается на устойчивости бортов карьеров при совместной открытой и подзем­ ной разработке месторождений полезных ископаемых.

Вотечественной и зарубежной практике известны случаи ком­ бинированной разработки месторождений, когда верхняя часть мес­ торождений отрабатывается открытым способом, а нижняя — под­ земным. Существуют варианты одновременной открытой и подзем­ ной разработки или поочередной — вначале открытой, а затем подземной и наоборот.

Вподработанном подземными горными выработками массиве

развивается процесс сдвижения горных пород, который сопровож­ дается их перемещением в сторону выработанного пространства. При сдвижении участки массива горных пород, попадающие в зо­ ну влияния подземных выработок, испытывают деформации сдвига, растяжения и сжатия.

Сдвиг начинает развиваться от кровли выработанного простран­ ства и распространяется по массиву вверх, образуя несколько ха­ рактерных зон — обрушения, образования трещин и плавных сдви­ жений. Зона обрушения отличается полным разрушением горных пород, их хаотическим перемещением в горную выработку. Эта зо­ на образуется тогда, когда месторождение отрабатывается систе­ мами с обрушением вышележащих горных пород. При больших мощностях залежей зона обрушения иногда достигает поверхности земли, в результате чего появляются провальные воронки. Зона трещин возникает выше зоны обрушения, а при воронкообразовании — в периферийной части массива, прилегающего к обрушенным породам. Трещины нарушают сплошность массива, разуплотняют и ослабляют его. При больших глубинах подземной разработки и на­ личии мощной толщи слабых рыхлых пород (пески, глины, суглин­ ки) возможно образование зоны плавных сдвижений. Здесь пере­ мещения и деформации пород происходят без разрыва сплошности и проявляются на поверхности земли в виде мульд оседания (сдви­

жения).

Все виды проявления сдвижения горных пород отрицательно сказываются на устойчивости открытых горных выработок. Ворон­ ки обрушения, возникающие на бортах карьеров, представляют со­ бой непосредственную опасность при горных работах на уступах. Образование зон трещиноватости и плавные сдвиги ухудшают ус­ тойчивость бортов карьеров (формируются плоскости ослабления, которые необходимо рассматривать как возможные поверхности оползания или обрушения).

Применяемое горно-транспортное оборудование влияет на ус­ тойчивость откосов, создавая статическое и динамическое давленив1 на горные породы. Статическое давление определяется массой обо­ рудования в неработающем состоянии. Динамическое давление (нагрузка), чпо мнению М. Е. Певзнера, проявляется в двух фор­ мах: 1) при воздействии вибрации горно-транспортного оборудова­ ния у пород, расположенных на определенном расстоянии от источ­

ника колебаний, снижается сопротивление сдвигу; 2) во время работы экскаватора давление на горную породу перераспределя­ ется и в отдельных (ограниченных) областях может в несколько раз превышать статическое. В первом случае динамические нагруз­ ки приводят к образованию в массиве горных пород зон понижен­ ной прочности, а во втором возможно превышение несущей способ­ ности горной породы или резкое увеличение сдвигающих нагрузок.

Вобоих случаях это способно вызвать деформацию уступа. Параметры вибрации и величины динамических давлений

рекомендуется определять опытным путем для каждого типа обо­ рудования в конкретных инженерно-геологических условиях. Например, экспериментальными исследованиями, выполненными М. Ё. Певзнером для условий карьеров Предкарпатского соленос­ ного бассейна, установлено: параметры вибрации для экскаваторов ЭШ-14/75 и ЭКГ-4,6 численно равнозначны, а ускорение колебаний частиц горной породы под опорами экскаваторов столь незначи­ тельно, что практически не влияют на прочностные свойства; мак­ симальные величины динамического давления для экскаваторов ЭШ-14/75 и ЭКГ-4,6 составляют 0,58 и 0,53 МПа, в то время как статическое давление для них соответственно равно 0,09 и 0,2 МПа.

§ 7. Факторы устойчивости техногенных массивов (отвалов)

При открытой разработке месторождений полезных ископаемых техногенные массивы образуют отвалы пустых (вскрышных) по­ род. Они представляют собой инженерные сооружения на специ­ ально отведенных территориях, предназначенные для временного или постоянного складирования вскрышных пород.

По местоположению отвалы подразделяются на внутренние (отвалообразование внутри контура карьера) и внешние (за контуром карьера); по способу механизации отвальных работ — на экскава­ торные, плужные, бульдозерные, конвейерные и гидромеханизиро­ ванные (гидроотвалы); в зависимости от числа ярусов — на одно­ ярусные, двухъярусные и многоярусные; по рельефу основания от­ валов — на равнинные и нагорные; по высоте— на низкие (до 20 м, для гидроотвалов — до 10 м), средние (от 20 до 50 м, для гидро­ отвалов до 30 м) и высокие (более 50 м, для гидроотвалов более 30 м).

Гидроотвалы в отличие от «сухих» — более ответственные со­ оружения и состоят из ограждающих дамб, пруда-отстойника, со­ оружений для отвода осветленной воды, пропуска паводковых и ливневых вод, пульпопроводов (магистральных и отвальных).

Факторы, определяющие устойчивость техногенных массивов (отвалов), как и для естественных массивов горных пород, подраз­ деляются на природные: геологические, инженерно-геологические, гидрогеологические и физико-географические — и техногенные, к которым относятся: дифференциация пород в процессе их разме­ щений в отвал; применяемое горно-транспортноь оборудование; ин­