Маркшейдерия и недропользование

Опыт эксплуатации карьеров, разрабатывающих сложноструктурные урановые и золоторудные месторождения в скальных и полускальных породах, показал, что для них характерны некоторые особенности, которые необходимо учитывать при решении вопросов, связанных с формированием устойчивых уступов и бортов. К этим особенностям, в первую очередь, относится сложное строение приоткосных массивов, которое требует учета разнообразия прочностных характеристик пород особенно на контактах и в ослабленных зонах.

Допустимые по условиям устойчивости углы наклона откосов уступов и бортов карьеров при подобном строении массива меняются в весьма больших пределах, как по глубине, так и по различным участкам карьера в пределах одного горизонта.

Наличие горных пород и руд с большим разнообразием прочностных характеристик в сочетании со сложностью строения массива создает значительную разницу в степени устойчивости отдельных участков одного и того же борта.

Для рассматриваемых карьеров устойчивость бортов в прочных породах вне зоны разломов обеспечивается при угле наклона откоса, равном 38-40°, а в зоне разломов даже при угле 23° происходят оползневые смещения уступов. Отсюда следует, что данные по прочности отдельных пород рассматриваемых месторождений не могут быть приняты за основу для оценки устойчивости бортов. Для этого необходимо выявление всех поверхностей ослабления, а также всех прочностных характеристик в областях наименьшего значения параметров прочности. В связи с этим на карьерах Минатома (бывший Минсредмаш) выполнен значительный объем испытаний физико-механических свойств пород в лабораторных и натурных условиях. Исследования проводились с 1961 г. по 1996 г. институтами Иргиредмет, ВНИПИпромтехнологии, АзНИПИпромтехнологии, ВНИМИ и Гипроцветмет. Методика изучения прочностных свойств является стандартной, достаточно полно опубликована в специальной литературе [1,2].

Основной проблемой при геомеханических расчетах устойчивости является обоснование величины сцепления пород непосредственно в массиве. Для этого используется, главным образом, известная методика ВНИМИ [1], обладающая серьезными недостатками. Во-первых, требуется выполнить очень большой объем натурных измерений для определения интенсивности трещиноватости породного массива, во-вторых, критерий по которому устанавливается коэффициент λ, существенно влияющий на конечный результат расчета, является достаточно субъективным.

Соответственно предлагается новый подход к выбору механических характеристик приоткосного массива, основанный на установленных корреляционных зависимостях между показателями сцепления в образцах и в натурных условиях. Исследования проводились на семи горнодобывающих предприятиях отрасли, включающих около 60 карьеров, расположенных в различных регионах бывшего СССР от Дальнего Востока до Урала и Средней Азии.

Карьер Мурунтау. На начальном этапе испытаний физико-механических свойств горных пород их объем может быть определен по рекомендациям [1], в соответствии с которыми количество определений для каждой литологической разновидности составляет 9-10 шт.

Для оценки необходимой точности проводимых испытаний следует также учитывать степень ответственности изучаемого участка прибортового массива. Так, например, на карьере Мурунтау в настоящее время наиболее ответственным является Южный борт, поскольку здесь в траншее под углом 15° размещены инженерные сооружения ЦПТ (четыре ДПП и две конвейерные линии), от бесперебойной и надежной работы которых во многом зависит эффективность отработки карьера.

В связи с этим для пород этого борта выполнен значительный объем испытаний. В полевых натурных условиях определялись физико-механические свойства крупнообломочных пород, слагающих зону Южного разлома, изучались также разновидности сланцев на участках уступов, примыкающих к конвейерной траншее по следующим ослабленным зонам: напластованиям, трещинам и в тектонически нарушенных зонах. Натурные испытания проводились при природной влажности и с предварительным замачиванием.

Статистическая обработка выполнена после систематизации по выборкам данных лабораторных работ, выполненных ВНИМИ и ВНИПИПТ. Нормативные и расчетные значения физико-механических свойств пород приведены в табл.1.

В целом для карьера по литологическим признакам и физико-механическим свойствам горных пород месторождения в соответствии с номенклатурой ГОСТ 25100-82 выделено 8 инженерно-геологических элементов [3,4].

Элемент 1 - кварциты, кварцевые метасоматиты. Этот элемент объединяют наиболее крепкие и сохраненные породы. По данным лабораторных исследований это прочные, неразмягчаемые породы, величина плотности изменяется от 2,63 до 2,77 т/м³ при среднем 2,69 т/м³. Значения предела прочности на одноосное сжатие в воздушно-сухом и в водонасыщенном состоянии, соответственно, изменяются от 48,0 до 193 МПа при среднем 112,16 МПа и от 35 до 172 при среднем 81,10 МПа.

Элемент 2 - алевролиты различного состава (кроме кварцевых алевролитов), прочные, неразмягчаемые. К элементу отнесены алевролиты сохранной зоны. По данным лабораторных исследований, значения плотности грунта изменяются от 2,65 до 2,79 т/м³ при среднем 2,70 т/м³. Величины предела прочности на одноосное сжатие в воздушно-сухом и в водонасыщенном состоянии соответственно изменяются от 51 до 121 МПа при среднем - 78,96 МПа и от 37,0 до 96,0 МПа при среднем значении 58,03 МПа.

Элемент 2а - алевролиты различного состава. Породы этого элемента залегают в зоне, приуроченной к ослабленным участкам пород, вблизи тектонических нарушений, а также в зонах техногенного воздействия взрывов. По данным лабораторных исследований, значения плотности грунта изменяются в пределах от 2,65 до 2,76 т/м³ при среднем 4 2,69 т/м³. Величина предела прочности на одноосное сжатие в воздушно-сухом и в водонасыщенном состоянии, соответственно, изменяются от 28,0 до 76,0 МПа при среднем - 53,9 и от 28,0 до 85,0 МПа при среднем 36,65 МПа.

Элемент 3 - переслаивание алевролитов, алевро-сланцев и сланцев различного состава, средней прочности, неразмягчаемых. Значения плотности грунта изменяются в пределах от 2,63 до 2,72 т/м³ при среднем значении 2,68 т/м³. Величина предела прочности на одноосное сжатие в воздушно-сухом и в водонасыщенном состоянии, соответственно, колеблются в пределах 10-95 МПа при среднем 55,3 МПа и в пределах 8-71 МПа при среднем 39,43 МПа.

Элемент 4 - сланцы углеродисто-кварцевые, хлорит-серицитовые, кварц-слюдистые. По данным лабораторных работ - это скальные породы средней прочности, неразмягчаемые со значениями плотности грунта, изменяющимися в пределах 2,65 до 2,74 т/м³ при среднем значении 2,68 т/м³. Величина предела прочности на одноосное сжатие в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии, соответственно изменяются от 29,0 до 85,0 МПа при среднем значении 50,04 МПа и от 22,0 до 72,0 МПа при среднем 37,92 МПа.

Элемент 5 - сланцы углеродисто-слюдистые, углистые - скальные породы средней прочности, размягчаемые. Значения плотности грунта изменяются от 2,64 до 2,73 т/м³. Значения предела прочности на одноосное сжатие в воздушно-сухом состоянии и водонасыщенном состоянии, соответственно, изменяются от 19,0 до 68,0 МПа при среднем значении 33,18 МПа и от 7,0 до 35 МПа при среднем значении 20,76 МПа.

Элемент 6 - обломочные породы зон тектонических нарушений - продукт катаклаза. Обломки пород различного состава (алевролиты, сланцы) по размеру дресвяные, иногда щебенистые с суглинистым заполнителем, обломки невыветрелые. Характеристика физико-механических свойств пород приведена по данным лабораторных и опытных работ.

Элемент 6а - скальные брекчированные породы зон тектонического дробления (катаклазиты). Породы сцементированы кварц-карбонатным цементом, средней прочности. Характеристики свойств рекомендуется принять как для пород элемента 3. В пределах Восточного борта породы этого элемента встречаются редко в виде маломощных прослоев.

Элемент 7 - глинистые милонитизированные породы зон тектонического дробления, заполняющие крупные тектонические трещины.

Элемент 8 - дайки плагиопорфирового состава, трещиноватые невыветрелые. Из-за единичных испытаний этого элемента статистическая обработка их не производилась. Характеристику физико-механических свойств грунтов рекомендуется принять как для элемента 2.

В лабораториях институтов ВНИМИ и ВНИПИПТ изучались прочностные свойства пород в основном методом косого среза. Характеристики прочностных свойств групп пород, полученные по данным испытаний, выполненных в лабораториях для карьеров предприятия, для сравнения приведены в табл.2,3,4.

Таблица 3.
Прочностные свойства пород

Таблица 4.
Усредненные физико-механические характеристики породного массива карьера Мурунтау

В результате выполненного анализа инженерно-геологических условий прибортового массива, обобщения имеющихся данных по физико-механическим свойствам слагающих его пород и их дополнительного изучения для расчетов приняты следующие характеристики сдвигу:

• по контактам слоев выше гор. +285 м - удельное сцепление - 14 т/м², угол внутреннего трения 21°, ниже гор. +285 м - удельное сцепление - 25 т/м², угол внутреннего трения 24°;
• для тектонических трещин - удельное сцепление - 10 т/м², угол внутреннего трения 15°;
• для зон дробления - удельное сцепление 5,2 т/м², угол внутреннего трения 31°;

С учетом нормативных коэффициентов запаса для сцепления, равного 2, и угла внутреннего трения 1,3 для уступа, и 1,3 для борта в целом расчетные характеристики принимаются следующими:

• для уступа: удельное сцепление по контактам слоев выше гор. +285 м - 7,0 т/м², ниже гор. +285 м - 12 т/м², по тектонике - 5,0 т/м², по зоне дробления - 2,6 т/м²; угол внутреннего трения (при коэффициенте запаса 1,3) по контактам выше гор. +285 м - 16°, ниже гор. +285 м - 19°, по тектонике - 11°, по зоне дробления - 25°;
• для борта: удельное сцепление по контактам слоев выше гор. +285 м - 11,0 т/м², ниже гор. +285 м - 19,5 т/м², по тектонике - 7,7 т/м², по зоне дробления - 4,0 т/м², вкрест слоистости 43,0 т/м²; угол внутреннего трения по контактам слоев выше гор. +285 м - 16°, ниже гор. +285 м - 19°, по тектонике - 11°, по зоне дробления - 25°, вкрест слоистости - 27°.

Плотность пород принимается равной 2,6 т/м³.

Карьер Тулукуй. Определение прочностных характеристик горных пород и руд проводилось в лабораторных и в натурных условиях путем сдвига породных призм и с помощью обратных расчетов. Следует отметить, что подготовка призм в скальных и полускальных породах карьера Тулукуй из-за их структурных особенностей в значительной степени затруднена, а на большей части уступов практически невозможна. Поэтому основными методами получения расчетных прочностных характеристик являлись лабораторные испытания и обратные расчеты.

Определение предела прочности на срез (в образце) проводилось на приборах косого среза, результаты исследований представлены в табл.5. Величина сцепления горных пород в массиве определялась натурными испытаниями в карьере, которые проводились по известным методикам, их результаты приведены в табл.6.

Таблица 5.

Таблица 6.

Наиболее точное значение прочностных характеристик горных пород может быть получено с помощью обратных расчетов по фактическим деформациям откосов уступов. Такие расчеты были проведены для 16 обрушений, имевших место на карьере Тулукуй.

В качестве примера приведем расчет сцепления для обрушения № 15 по формуле [3].

где С_пм - сцепление породы в массиве, МПа; γ = 2,4 т/м³ -плотность; H = 20 м - высота обрушившегося уступа; ρ = 19° - угол внутреннего трения пород принимается по данным лабораторных испытаний; α= 53° - угол откоса уступа; β=30° - угол падения поверхности обрушения; σ=32° - угол между простиранием плоскости обрушения и уступа.

В результате проведенного комплекса исследований физико-механических свойств горных пород установлены их расчетные характеристики для определения устойчивости отдельных уступов (табл.7) и бортов карьера Тулукуй (табл.8).

Карьеры №№ 283 и №5. Проведенные изучения физико-механических свойств пород и многолетние производственные наблюдения за устойчивым состоянием породных откосов в карьере №243 позволили установить тенденцию увеличения основных прочностных свойств (сцепления пород в массиве и куске, угла внутреннего трения) третичных глин с возрастанием глубины открытых горных работ.

Этому обстоятельству способствовало также проведение в карьере №3 комплекса работ по эффективному осушению пород, залегающих в верхней части бортов карьера.

Количественные значения прочностных свойств третичных глин определялись по эмпирическим формулам, выведенным для массива в результате исследований свойств аналогичных пород в карьерах №№ 2-3 и №5 по эмпирическим формулам [3].

где С_к - сцепление в куске, определенное на срезном приборе ВСВ-1; С_м - сцепление в массиве, определенное по срезам призм при натурных испытаниях пород; φ - угол внутреннего трения; Р - относительная плотность пород (количество ударов плотномера ДорНИИ).

Результаты определения прочностных свойств третичных глин даны в табл.9, а четвертичных отложений и мергелей в табл.10.

Таблица 9.

Таблица 10.

Таблица 11.

Ниже приводится схема примерного расчета устойчивого угла южного борта (профиль 65, скв.1273). Данные для расчета сведены в табл.12.

Таблица 12.

Карьер № 13. Параметры уступов и бортов карьера № 13 определялись на основе детального, многолетнего изучения инженерно-геологических условий прибортового массива. Указанные исследования позволили скорректировать генеральный угол погашения бортов карьера по 6 расчетным профилям в сторону увеличения по сравнению с проектными параметрами. В табл.13 приведены проектные и допустимые по условию устойчивости углы бортов для характерных участков в зависимости от его высоты и угла наклона слоистости.

Таблица 13.

В процессе отработки карьера были также пересмотрены проектные решения по конструкции и параметрам нерабочих уступов. Это было связано с тем, что оформление уступов в предельное положение по проекту предусматривалось путем отстройки плоского откоса высотой 20-24 м и под углами 45-50°, при этом значительно усложнялась технология отработки приконтурных блоков и существенно снизилась производительность оборудования на заоткоске уступов. Опыт отработки карьера показал, что более рациональной в рассматриваемых условиях является ступенчатая форма откоса уступа.

Параметры характеристик физико-механических свойств для соответствующих геотехнических расчетов приведены в табл.14.

Таблица 14.

На основании исследований физико-механических, приведенных выше, характеристик сделана статистическая выборка и ранжирование данных [5, 6] по сцеплению в куске С_к и в массиве С_м (табл.15).

Таблица 15.

Данные этой таблицы можно использовать для предварительных расчетов.