Маркшейдерия и недропользование

На современном этапе развитие горных предприятий связано с возрастанием риска возникновения техногенных катастроф с увеличением глубины отработки, добычей в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях, влекущих за собой значительные потери, как экономического, так и социального характера. Основной причиной такого положения являются техногенная деятельность и современные геодинамические движения.

Получение целостной картины современных сдвижений и деформаций земной поверхности в верхней части земной коры обеспечит безопасное ведение горных работ, так как в зону вредного влияния горных разработок попадают сооружения на поверхности как промышленного, так и социального значения.

Современные методы исследования в этой области осуществляются в трех взаимосвязанных направлениях: натурные измерения, математическое моделирование с построением геомеханической модели месторождения.

Натурные измерения проводятся с использованием методов наземной и космической съемки. В последние годы в силу развития геодезических приборов, а также методов комплексной обработки информации появилась возможность организовать слежение за развитием геомеханических процессов с использованием систем спутниковой геодезии, что имеет основное преимущество – возможность вести измерения на больших площадях в сотни и тысячи метров.

GPS-наблюдения – это наблюдения с использованием системы позиционирования со специальных спутниковых систем, обеспечивающие определение пространственного положения любой точки на поверхности земного шара.

Комплекс работ по GPS-наблюдениям включает сбор и анализ GPS-данных глобальных и локальных сетей. Специализированными программными пакетами ведется первичная обработка высокоточных GPS-наблюдений для задач мониторинга геомеханического состояния массива.

Комплекс данных GPS-наблюдений, о структурном строении грунтов, плотностные и прочностные показатели составляет основу для моделирования. Математическое моделирование представляет собой создание физической модели процесса и построение ее математического представления с помощью уравнений механики деформируемых твердых тел для описания геодинамического состояния земной коры. В базу данных такой модели вводится трещиноватость массива, размеры блоков, их плотностные, прочностные и деформационные характеристики, а также условия распределения в них природных напряжений, полученных на основе экспериментальных данных.

Институт горного дела им. Д.А. Кунаева использует для расчета устойчивости бортов карьеров Жезказганского месторождения как наземные методы наблюдений, так и методы спутниковой геодезии с применением GPS-комплексов.

Рис. 1.
Юго-западный борт карьера «Итауыз», апрель 2013, соответственно гор.400 м и гор. 430-435 м

В данной работе рассмотрены два участка Жезказганского месторождения, отрабатываемые открытым способом – это карьеры «Итауыз» и «Акчий-Спасский».

Массив горных пород Жезказганского месторождения характеризуется специфическими горно-геологическими условиями, обусловленными его геоло-структурными особенностями формирования [1].

Месторождение «Итауыз» приурочено к опрокинутому крутопадающему крылу Итауызской синклинали, являющейся одной из складок второго порядка, сложенными породами Таскудукской и Жезказганской свит. Акчий-Спасский участок расположен в западной части Жезказганского месторождения. В структурном отношении участок приурочен к Спасской синклинали, представляющей седловину, расположенную между Жанайской и Кенгирской антиклиналями.

Возрастающие объемы горных работ, выполняемых открытым способом, ухудшение горно-геологических условий и увеличение глубины карьеров требуют особого внимания к обеспечению длительной устойчивости карьерных откосов, параметры которых в значительной мере определяют экономичность отработки месторождения. На устойчивость уступов, бортов карьеров, отвалов в реальных условиях воздействует большое число факторов, которые можно объединить в две группы: природные и горнотехнические. Основным природным фактором, влияющим на условия деформирования конструктивных элементов карьера, является прочность массива. Изучив влияние группы факторов, т.е., зная условия деформирования, возможно, управлять и снижать их вредное воздействие на массив горных пород.

Рис. 2.
Схемы наблюдательных станций на карьерах Акчий-Спасский и Итауыз

На момент начала наблюдений геомеханическое состояние бортов карьера «Акчий-Спасский» считается устойчивым, оползневых явлений не наблюдается Иная картина наблюдается на западном борту карьера «Итауыз». Этот участок сложен крутопадающими слоями преимущественно алевролитов и аргиллитов под углом 60-800. При этом в некоторых местах породы серых известняков залегают горизонтально. Массив сильно трещиноватый и склонен к самовыветриванию. На площадках уступов, на рабочем съезде наблюдаются деформационные процессы в виде трещин отрыва (рисунок 1).

Наблюдательные станции на месторождениях Акчий-Спасский и Итауыз состоят из системы профильных линий реперов, располагаемых «вкрест» простирания (рисунок 2). На выбранных пунктах произведены полевые GPS измерения.

На первом этапе полевых работ производилось переопределение координат опорных реперов наблюдательной станции для контроля. Точность определения вертикальных и горизонтальных деформаций при длительных наблюдениях за сдвижением земной поверхности при расстояниях между реперами L = 20 м составляет (0,2÷0,3) · 10^-3. По результатам наблюдений построены графики по смещениям между циклами измерений, один из которых, по оси Н приведен на рисунке 3.

Анализ полученных данных по карьеру «Итауыз» показал, что в восточной части борта карьера активных деформационных процессов не наблюдается, что нельзя сказать о результатах наблюдений по западному борту карьера, которые показывают неустойчивое состояние. Так после первых трех съемок на реперах GPS0013, GPS0015, GPS0016, GPS0017 наблюдаются значительные отклонения от предыдущих данных, что вызвано деформационными процессами, проходящими по западному борту карьера.

Рис. 3.
График отклонений между циклами по оси Н (карьер «Итауыз»)

Скорость деформационных процессов различная и зависит от глубины разработки. Во время последнего (четвертого) цикла наблюдений отклонения по некоторым реперам по оси Н достигли - 1,121 м относительно третьего цикла (за весь период наблюдений - 1,604 м), по оси Y - 2,646 м (за весь период наблюдений - 4,258 м), по оси Х - 0,366 м (за весь период наблюдений - 0,581 м).

Данные инструментальных наблюдений за смещениями земной поверхности и бортов карьера подтверждаются и визуальными наблюдениями. По трассе движения горизонта 370 м наблюдаются активные деформационные процессы, проявляющиеся в виде раскрытия трещин до 25-30 см.

Было проведено математическое моделирование по программе «Устойчивость» [2]. На основе комплекса параметров создается геомеханическая модель прогнозирования, учитывающая изменения устойчивости прибортового массива во времени и в пространстве.

Параллельно с натурными измерениями методом математического моделирования была проведена оценка устойчивости западного борта карьера «Итауыз» по 8 проектным контурам (разрезам), проложенным в самых характерных местах карьера и расположенных вблизи заложенных нами геодезических реперов, где GPS-наблюдения показали неустойчивое состояние.

Рис. 4.
Результаты математического моделирования устойчивости западного борта карьера «Итауыз»

Для объективной характеристики устойчивости борта карьера необходимо иметь, особенно для таких пород как алевролиты, аргиллиты, прочностные свойства в водонасыщенном состоянии. Данные исследований, проведенных Кунтышем М.Ф., Ильницкой Е.И. и др. показывают существенное влияние воды на прочностные свойства горных пород [3]. Для исследуемых пород прочность на сжатие при насыщении их водой уменьшалась в 1,45-3,05 раза и на растяжение в 1,35-2,16 раза. Опираясь на исследования [3], учитывая влияние водонасыщенности на прочностные свойства пород, нами были проведены приближенные перерасчеты физико-механических свойств алевролитов и песчаников с учетом их влажности для западного борта, что соответствует условиям весеннего и осеннего периодов дождей и паводковых вод [4].

Анализ результатов расчетов с учетом влажности показал, что значения коэффициента запаса устойчивости (КЗУ) равны 0,96-0,98, что подтверждает неустойчивое состояние западного борта карьера. Если в этот период, т.е. весной или осенью, когда породы поверхностного слоя насыщены влагой, проводятся взрывные работы, то весьма возможна потеря устойчивости некоторых участков борта карьера (рисунок 4).

Рис. 5.
Динамическое напряжение без и с учетом щелеобразования на расстоянии 17,8 м

Расчет сейсмического действия производственного взрыва на борт карьера производился по программе «Взрыв» [5]. Путем математического моделирования определялись скорости колебания грунта при мгновенном взрыве точечного или удлиненного заряда, а также при взрывании многочисленных зарядов с учетом времени замедления, скорости распространения продольных и поперечных волн, динамического продольного и поперечного напряжения, периодов колебаний и амплитуд смещения частиц, безопасного расстояния охраняемых наземных сооружений, глубины заложения отдельных зарядов и глубины точек наблюдения, а также наличия трехмерных камер с геометрией параллелепипедов между точками заложения зарядов и точками наблюдения, скорости детонации взрывчатого вещества (ВВ) для удлиненных зарядов (шпуров).

Анализ результатов математического моделирования для условий карьера «Итауыз» показал, что при взрывании без щелеобразования на расстоянии R_пр = 17,8 м максимальные продольные динамические напряжения равны 22,5 МПа, минимальные – 12,0 МПа, максимальные напряжения в поперечном направлении составили 20,0 МПа (рисунок 5) и, что сейсмическое действие существенно влияет на устойчивость борта карьера в пределах 200 м. Картина распределения напряжений при взрывании с предварительным щелеобразованием на приведенном расстоянии R_пр = 17,8 м показала, что максимальные продольные динамические напряжения равны 12,8 МПа, минимальные – 9,7 МПа, напряжения в поперечном направлении изменялись от 8,4 до 11,2 МПа.

Рис. 6.
Изменение сейсмического действия взрыва на борт карьера с учетом предварительного щелеобразования

По результатам математического моделирования построен обобщенный график зависимости расстояния, на котором происходит взрыв, и сейсмического действия взрыва (рисунок 6). Анализ данной зависимости показывает, что предварительное щелеобразование существенно снижает сейсмическое действие взрыва пределах 25,0 - 40,0 м.

Таким образом, можно сделать вывод, что совместное использование методов натурных измерений и математического моделирования позволяет получить геомеханическую картину на больших площадях при отработке месторождений как открытым, так и подземным способами, благодаря высокой технологичности GPS-измерений и надежности системы моделирования, дает возможность отслеживания деформационных процессов, происходящих в земной коре и оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород.