CC BY
67
© С. С. Серый, В. А. Ермолов, А. В. Дунаев, 2008
УДК 6224.131.1:622.271
С. С. Серый, В.А. Ермолов, А.В. Дунаев
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ МАССИВОВ СКАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД И ПРОГНОЗ ДЕФОРМАЦИЙ УСТУПОВ КАРЬЕРОВ
Семинар № 1
~П настоящее время более 70 %
-Я-М минерального сырья добывается в России открытым способом. Большинство месторождений, разрабатываемых карьерами, представлено массивами скальных пород. Известно, что экономическая эффективность открытых горных работ тем выше, чем меньше коэффициент вскрыши (количество пустых пород, приходящихся на единицу добытого полезного ископаемого). Минимизация коэффициента вскрыши достигается укручением бортов карьера с условием обеспечения безопасного ведения горных работ. Предельно допустимый угол наклона бортов карьера и их конструктивных элементов (уступов) зависит от физико-механических свойств и структурных особенностей массива скальных пород [1].
Сложноструктурные массивы, которые представлены многочисленными месторождениями в складчатых областях и на древних платформах, очень неоднородны по своему строению. Вследствие этого геомеханическим расчетам по оценке предельно допустимых углов наклона бортов и уступов карьера должно предшествовать инженерно-геологическое рай-
онирование карьерного поля по факторам, влияющим на устойчивость откосов, а расчеты следует выполнять дифференцированно по каждому выделенному району (блоку).
По существу оценка устойчивости карьерных откосов сводится к расчету их максимально допустимых параметров (высоты и угла наклона). Критерием устойчивости является коэффициент запаса устойчивости (Кзу) - отношение суммы сил, удерживающих откос, к сумме сил, сдвигающих его [3]. При Кзу = 1 говорят о предельном равновесии. На практике с учетом высокой погрешности геомеханических расчетов, обусловленных глав-ным образом несоответствием физико-механических параметров горных пород в образце и в массиве, Кзу принимается равным 1.1-
13.Обычно для оценки устойчивости скального породного массива используются две модели: сплошной среды и дискретной среды [2]. Первая модель описывает массив как сплошную (непрерывную) квазиоднородную среду, бесконечно малые объемы которой обладают всеми свойствами среды в целом. Трещиноватость пород в этой модели учитывается через коэффициент структурного ослабления массива, введенный Г.Л. Фисенко, который предложил формулу расчета величины сцепления в массиве по величине этого параметра в образце и интенсивности тре-щиноватости пород (среднему размеру элементарного структурного блока) [3]. Модель сплошной среды предполагает, что потенциальная поверхность сколь-
жения породного поля, при потере устойчивости карьерного откоса является круглоцилиндрический, а ее радиус зависит от сцепления пород в массиве.
Модель дискретной среды представляет массив скальных пород дискретными блоками фиксированной формы, ограниченными трещинами различных систем. Такое представление более адекватно реальной структуре массива. Порода в блоках обладает идеальным сцеплением, считается недеформируемой и неразрушаемой. Порода на поверхности блоков и в трещинах, напротив, легко разрушается, обладает ограниченным сцеплением, но при сдвиге в ней возникает трение. Для заполнителя трещин задается угол внутреннего трения и сцепления. Эти характеристики могут быть заданы для каждой трещины, для системы трещин и всей совокупности трещин. Структура дискретной модели горного массива полностью определяется строением развитой в нем сети трещин (решетки трещиноватости). Она задается ориентировкой систем трещин и распределением расстояний между трещинами в их системах.
Рассмотренными выше двумя моделями (сплошной и дискретной среды) или их сочетанием можно описать структуру любого скального породного массива. Для геомеханических расчетов модель сплошной среды применима в случае, если поперечные размеры элементарных блоков, слагающих массив, во многие десятки или сотни раз меньше размера области воздействия сооружаемой выемки (высоты откоса) [2]. Она годится для оценки устойчивости бортов карьера, если в массиве нет крупных плоскостей ослабления, падающих в сторону выемки, по которым может произойти разрушение борта, а также для оценки устойчивости уступов карь-
ера, сложенных интенсивно трещиноватыми породами с размером элементарного блока меньше 0.3 м и слабой связью между ними. Такое строение массива характерно для зоны его интенсивного выветривания. Им обладают также небольшие по протяженности участки уступов в более глубоких, не затронутых выветриванием частях породного массива. Такие участки приурочены к зонам крупных разрывных нарушений.
В общем случае незатронутый выветриванием массив скальных пород пронизан решеткой трещин, расстоя-ние между которыми всего в 3-10 раз больше высоты стационарного уступа, обычно равной сдвоенной высоте рабочего уступа (20, 24 или 30 м). Расчет Кзу таких уступов выполняется на основе уравнения предельного равновесия, конкретное выражение которого определяется пространственными взаимоотношениями плоскостей ослабления (трещин), ограничивающих склонный к обрушению блок, между собой и плоскостью откоса [1].
В целом для геомеханических расчетов устойчивости карьерных откосов (бортов и уступов) необходимо и достаточно знать физико-механичес-кие характеристики (плотность, сцеп-ление и внутреннее трение пород в образце, сцепление по трещинам) и структурные параметры массива (ориентировку трещин и их систем, густоту трещин, или средний размер элементарного структурного блока). Все упомянутые характеристики обладают
пространственной изменчивостью. Задача инженерно-геологического рай-
онирования - разделить карьерное поле на блоки, в пределах которых выдержанность этих характеристик и параметров достаточна для того, чтобы обеспечить приемлемую достоверность геомеханических расчетов.
На устойчивость карьерных откосов основное влияние оказывают четыре природных фактора: литологический, структурно-тектонический, гипергенный и гидрогеологический. Главные из них два первые.
Литологический фактор обусловливает физико-механические свойства породного массива их изменчивость в зависимости от количества и особенностей размещения слагающих массив типов и разновидностей пород. Этот фактор во многом определяется генетическим типом разрабатываемого месторождения полезного ископаемого. Например, магматические месторождения представлены обычно изверженными породами высокой проч-ности, и, как правило, небольшим числом контрастных по физико-меха-ническим свойствам типов пород. Гидротермальные ме-тасоматические месторождения, наоборот, характеризуются большим числом различных типов пород и высокой изменчивостью их физико-механических свойств.
В процессе разведки согласно инструктивным требованиям опробуются и подвергаются физико-механи-ческим испытаниям все типы и разновидности пород месторождения. Для
геомеханических расчетов необходимы представительные усредненные физико-механические параметры по расчетным блокам (сектора). Поэтому
целесообразно типы и разновидности пород объединять по общности генезиса и близости физико-механических свойств в группы (инженерно-геологические литотипы) которые однозначно устанавливаются при натурных исследованиях и выделяются на геологических планах и разрезах. На схеме инженерно-геологического районирования карьерного поля каждый выделенный блок должен быть представлен одним литотипом.
Структурно-тектонический фактор определяет характер залегания тел горных пород, делимость породного массива на блоки, ограниченные разрывными нарушениями различного порядка, а также пространственное положение, ориентировку и плотность развития в массиве плоскостей ослабления.
Гипергенный фактор усложняет
первичную структуру массива, преобразует исходные типы пород в другие в верхней, подверженной выветриванию, части массива. Влияние гипергенного фактора проявляется зонами (сверху вниз) интенсивной и частичной
дезинтеграции горных пород.
Верхняя зона интенсивной дезинтеграции характеризуется преобразованием первичных скальных пород в глинисто-суглинистую и супесчано-дресвяную массу, включающую многочисленные реликты слабо выветрелых скальных пород. Глубина развития этой зоны изменяется обычно от первых до нескольких десятков метров в зависимости от типа пород, а по зонам крупных разрывных нарушений может
достигать 100 м.
Нижняя зона особой дезинтеграции
сложена породами, в массе которых гипергенные изменения заметны слабо, но при кажущейся свежести всех прочностных характеристик пород средний размер элементарного структурного блока в этой зоне меньше, чем в совершено неизмененном массиве, а по трещинам наблюдаются следы проникновения воды и выщелачивания заполнителя. Все это снижает сцепление по трещинам между породными блоками и в целом устойчивость массива, что фиксируется отсутствием гладкого откола при формировании стационарных уступов способ предварительного щелеобразования. Мощность этой зоны составляет 50-100 м.
Блок А
Натурные геолого-структурные исследования в карьере
Построение (актуализация) сводного геолого-структурного плана карьера
Построение (актуализация) схемы инженерно-геологического районирования карьера
Блок Б
Формирование (пополнение) базы данных геолого-структурной информации
1
Моделирование структуры породного массива
1 Г
Методическая схема инженерно-геологического районирования и прогноза деформаций уступов карьера в массиве скальных горных пород
При инженерно-геологическом районировании карьерного поля необходимо установить положение ниж-них границ зон интенсивной и слабой дезинтеграции. Расчет устойчивости уступов в первой их них (верхней) следует выполнять по модели сплошной среды. Для нижней зоны такой расчет осуществляется аналогично как и для массива пород, не затронутых выветриванием, по дискретной модели, но с более низкими значениями сцепления по трещинам.
Гидрогеологический фактор в массиве собственно скальных пород проявляется в виде механического воздействия на массив, а также гидродинамического давления и взвешивания. Влияние гидродинамического давления и взвешивания на устойчивость скальных пород незначительно [3]. Механическое воздействие связано с физическим разрушением породного массива под влиянием вод, стекающих по поверхности откосов. Особенно сильно оно проявляется в верхней зоне гипергенной дезинтегра-
ции массива. Кроме того, важную роль играют процессы, связанные с многократным попеременным замораживанием и оттаиванием воды в трещинах массива, что приводит к их расширению и росту. Волне вероятны также проявления суффозии - механического вымывания разрушенного материала заполнителя трещин.
Авторами разработана и апробирована на карьере Ковдорского ГОКа методика инженерно-геологического районирования и прогноза деформаций уступов. Последовательность
реализации ее отдельных этапов показана на рисунке. Этапы блока А, связанные с натурными исследованиями и картографическим представлением их результатов, выполняются
преимущественно традиционным ручным способом. Этапы блока Б реализуются в виде компьютерных технологий с помощью программного модуля 81аЬРгаъ разработанного С. С. Серым в составе горно-геологической ГИС
ГЕОМИКС.
Натурные геолого-структурные
исследования в карьере включают в себя геологическую документацию (зарисовку и описание) уступов и производство измерений ориентировки трещин и разрывных нарушений. Состав зарисовки: контакты горных пород, структурные элементы, деформации уступов с фиксацией ограничивающих их плоскостей ослабления массива, границы участков с различным качеством заоткоски (для уступов, поставленных на предельный контур). Качество заоткоски оценивается по степени «гладкости» откоса и сохранности в стенке уступа следов экранных скважин.
Для повышения объективности и информативности геологической документации целесообразно проводить предварительную фотосъемку уступов карьера
с противоположного борта или с бермы (при достаточной ее ширине). Использование в процессе геологической документации масштабированного фотоснимка документируемого уступа (обычно вместе с одним или двумя вышележащими уступами) позволяет резко увеличить точность зарисовки и правильно установить масштаб проявления того или иного структурного элемента, а также пространственные взаимоотношения его с другими структурными элементами.
Формирование базы данных геолого-структурной информации заключается в пространственной привязке по данным маркшейдерских измерений трассы полевого геологического маршрута на цифровом плане горных работ, алгоритмическом расчете координат (х, у,г) точек измерения параметров ориентировки плоскостей ослабления массива с указанием их вида и ввода с клавиатуры измеренных значений этих параметров (азимута и угла падения).
Построение сводного геолого-структурного плана карьера выполняют путем взаимной увязки элементов геологической ситуации между смежными задокументированными уступами на маркшейдерском плане карьера.
Построение схемы инженерно-геологического районирования карьера осуществляется на основе его сводного геолого-стурктурного плана с учетом критерия однородности выделенных районов (инженерно-геологических блоков) по структуре массива и физико-механическим характеристикам слагающих его горных пород. Границами таких блоков являются контакты инже-нерно-геоло-гических литотипов, крупные разрывные нарушения, границы зон интенсивной и слабой гипергенной дезинтеграции горных пород. На схеме
показывают также уровень подземных вод в бортах карьера и наиболее обводненные участки, деформации уступов карьера.
Моделирование структуры (решетки трещиноватости) породного массива необходимо для определения пространственной ориентировки
плоскостей его ослабления в любой заданной точке карьерного поля. Оно выполняется путем автоматического построения круговой ориентирной диаграммы на стереографической проекции по геометрическому запросу к базе данных геолого-струк-турной информации и определения параметров (азимута и угла падения) выделенных систем трещин. Для осуществления запроса автоматически создается регулярная сеть с заданным шагом. Диаграммы строятся для каждого узла сети.
Данные моделирования структуры породного массива используются для оценки степени структурной однородности блоков при построении схемы инженерно-геологического рай-
онирования карьера и непосредственно для прогноза деформаций уступов.
Оценка степени структурной однородности инженерно-геологических блоков выполняется на основе кластерного анализа совокупности круговых ориен-тирных диаграмм, построенных для различных участков исследуемого массива. Такие диаграммы отражают частоту полюсов трещин на полусфере, а применительно к системам трещин - частоту их проявления, выраженную в процентах от общего количества измерений ориентировки трещин, по которым построена диаграмма. Таким образом, любая диаграмма может быть представлена рядом независимых переменных (частотами проявления систем трещин). Схожими считаются те диаграммы, у которых ме-
жду рядами независимых переменных отклонение минимальное или близкое к нулю.
Создание инженерно-геологической модели карьерного поля
осуществляется путем перевода в цифровую форму схемы инженерно-геологического районирования карьера и формирования для всех ее контуров (инженерно-геологических блоков) базы данных физико-механических характеристик, необходимых для геомеханических расчетов (плотности пород и прочности их на сдвиг по плоскостям ослабления) на основе имеющегося массива результатов физико-механических испытаний.
Прогноз деформаций уступов карьера заключается в построении карты изолиний вероятности их проявления на предельном (проектном) контуре карьера. Последовательность этапов решения этой задачи:
• выделение систем трещин и определение их параметров в каждом узле регулярной сети в соответствии с процедурой моделирования структуры (решетки трещиноватости) пород-ного массива;
• определение положение линий скрещения различных систем трещин и отбор тех из них, линия скрещения которых наклонена в сторону выемки (такой подход обусловлен типичным для условий Ковдора характером деформаций уступов - обрушение породного блока, ограниченного двумя разноори-ентированными трещинами, падающими в карьер);
• расчет Кзу породного блока, ограниченного трещинами, по уравнению предельного равновесия; необходимые для расчета физико-ме-ханические параметры берутся из инженерно-геологической модели карьерного поля, а геометрические параметры уступов
(простирание, высота и угол откоса) - из цифровой модели поверхности карьера;
• расчет вероятности проявления деформаций уступов в узлах сети по формуле:
п
рКцт = X РТ1Т2 < Кцт, 1=1
где р Т1Т2 - вероятность проявления сочетания систем трещин Т1 и Т2 , ограничивающих породный блок с Кзу меньше предельного (Кцт); п - число сочетаний по две из имеющихся на данном участке карьера систем трещин;
• построение карты изолиний вероятности проявления деформаций с Кзу меньше предельного (при заданной высоте уступа) на сводном плане карьера в его конечном положении.
Для условий карьера Ковдорского ГОКа Кцт принят равным 1.2. На карте изолиний вероятности деформаций уступов карьера по критериальным их значениям (20 и 30 %) оконтурены три типа участков карьерного поля различной степени риска обрушения уступов: низкой (до 20 %), повышенной (20-30 %) и максимальной (> 30 %).
1. Попов В.Н., Байков Б.Н. Технология отстройки ботов карьера. - М.: Недра, 1991.
2. Чернышев С.Н. Трещиноватость горных пород и ее влияние на устойчивость от-
Для оценки суммарной протяженности уступов, которые могут быть вовлечены в обрушение на участках повышенного и максимального риска выполнен расчет по фактически произошедшим деформациям в верхней части карьера, уже поставленной на предельный контур. Оказалось, что на участках повышенного риска наиболее вероятно обрушение примерно 4 % общей протяженности уступов, а на участках максимального риска около 14 %. Позицию конкретных мест, требующих проведения превентивного закрепления приот-косного массива, можно установить только по результатам инженерно-геологической доразведки выделенных участков повышенного и максимального риска.
Результаты инженерно-геологического районирования и прогноза деформаций уступов Ковдорского карьера переданы ОАО «Гипроруда» для использования при подготовке проекта реконструкции карьера, предусматривающего его углубление и укручение бортов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
косов. - М.: Недра, 1984.
3. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. -М.: Недра, 1965. ШИЗ
— Коротко об авторах -
Серый С.С. - кандидат технических наук, зам. директора по научной работе, ФГУП ВИОГЕМ,
Ермолов В.А. - профессор, доктор технических наук, Дунаев А.В. - аспирант,
Московский государственный горный университет.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 1 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. А.М. Гальперин.
