CC BY
67
ГЕОМЕТРИЯ И КВАЛИМЕТРИЯ НЕДР ,
а.м. Иоффе, В.Н. Кольцов, : 2000
УДК 622.02.001.57:681.3
А.М. Иоффе, В.Н. Кольцов
МАРКШЕЙДЕРСКОЕ И ГЕОФИЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ УСТУПОВ, БОРТОВ И ОТВАЛОВ НА КАРЬЕРАХ НГМК
Современный этап развития открытых горных работ в мировой практике, а также в СНГ и в частности в Узбекистане характеризуется освоением месторождений со сложными горно-геологичес-кими и климатическими условиями, интенсификацией горных работ на основе оборудования повышенной единичной мощности, внедрением цикличнопоточной технологии (ЦПТ), в том числе с использованием крутонаклонного конвейерного подъема, значительным увеличением фактической и проектной глубины эксплуатируемых и проектируемых рудных карьеров, достигающей 600 и более метров (таблица 1). В то время опыт более чем 30-летней эксплуатации показывает, что почти на всех карьерах происходят деформации уступов и бортов. Происходящие оползни и обрушения нарушают нормальную ритмичную работу технологических звеньев производства, создают аварийные ситуации, ухудшают условия техники безопасности, приводят к выемке высокоценной руды, и в конечном итоге снижают технико-экономичес-кие показатели работы горнодобывающих предприятий. В этих условиях весьма существенное значение приобретают вопросы обеспечения устойчивости карьерных откосов с учетом степени опасности возникающих деформационных процессов при постановке бортов в конечный контур на основе маркшейдерского и геофизического обеспечения технологии формирования.
Опыт эксплуатации карьеров НГМК, разрабатывающих сложноструктурные месторождения высокоценного сырья, показал, что для них характерны некоторые особен-
ности, которые необходимо учитывать при решении вопросов, связанных с формированием устойчивых уступов и бортов. К этим особенностям относятся:
• неправильные контуры и сложная форма рудных тел;
• наличие в скальных и полускаль-ных массивах мощных тектонических нарушений, ослабляющих устойчивость борта;
• перемежаемость руд и пород между собой;
• сложное строение вмещающих пород;
• специфические гидрогеологические условия;
• комбинированная разработка месторождений открытым и подземным способами;
• наличие промышленных запасов сопутствующих полезных ископаемых;
• наличие в бортах и под дном карьеров промышленных запасов основного полезного ископаемого;
• повышенная сейсмичность региона;
• сложные климатические условия;
• наличие в основании отвалов слоистых глинистых пород;
• пониженная несущая способность предотвалов при внутреннем отвалооб-разовании на пластовых месторождениях.
Сложное строение карьерных, прикарьерных массивов и отвальных оснований требует учета разнообразия прочностных характеристик пород, физико-механических свойств пород на контактах и в ослабленных зонах. Допустимые по условиям устойчивости углы наклона откосов уступов и бортов при подобном строении массива меняются в весьма больших преде-
лах, как по глубине, так и по различным участкам контура карьеров и отвальных площадей.
В связи с этим важнейшей проблемой является обеспечение устойчивости бортов и отвалов с надежным, но не завышенным коэффициентом запаса. При этом с одной стороны выбранные параметры откосов должны исключить возникновение деформаций, приводящих к существенным осложнениям в работе карьеров и при отсыпке отвальных ярусов, а с другой - обеспечить минимальные объемы вскрыши и максимальную высоту отвала. Решение данной проблемы идет по следующим взаимосвязанным направлениям. Первое -определение рациональных параметров уступов, бортов и отвалов на основе инженерно-геологического изучения прибортового и отвального массива, второе - разработка технических решений по технологии формирования отвалов, уступов и бортов в конечном контуре (специальные способы заоткоски на основе щелевого экранирования, осушение и укрепление неустойчивых участков прибор-тового массива), третье - разработка и внедрение методов и средств контроля за состоянием устойчивых карьерных откосов.
Для оперативного решения вышеуказанных вопросов на предприятии создана и успешно функционирует геомеханическая служба (ГМС), которая работает в тесном контакте с сотрудниками института ВНИПИ
Таблица 1
№ Наименование карьеров Высота бортов, м Угол наклона
п/п проектная фактическая бортов,град
1 Мурунтау 720 380 30-38
2 Кокпатас, Южный 1-2 310 60 34-38
( еще 30 карьеров) 40-180 до 50 36-43
3 Даугызтау 230 60 32-39
4 Высоковольтное 260 - 34-38
5 Окжетпес 100 - 35-44
6 Косманачи 140 - 35-42
7 Завитая 340 340 32-36
8 Тулукуй 280 280 32-36
9 Маныбай 290 290 34-39
10 Квартальный (берильный) 120 120 38-41
11 Уч-кудук (Восточный) 148 148 27-34
(еще 14 карьеров) 30-60 30-60 29-37
12 Меловое № 2-3 140 120 19-22
13 Сухой Лог 550 - 30-41
14 Мир 540 460 49-50
15 Удачный 900 380 -
16 Удокан 1000 - 38-45
17 Мукуланский 1000 480 43-45 (24-27)
18 Сибайский 510 450 30-32
19 Медвежий ручей 435 310 11-35
20 Трубка Ломоносовская 550 - 25-34
21 Печенганикель «Центральный» 400 300 30-42
22 Коунрадский 405 310 37-42
23 Бингем (США) 900 860 -
24 Парабола (ЮАР) 900 720 37-42
25 Чукикамата (Чили) 1000 800 -
промтехнологии. В состав ГМС входят: начальник службы - горный инженер-технолог; горный инженер-маркшейдер; инженер геолог (гидрогеолог), горный инженер-геофизик; техник; горнорабочий. Основными задачами службы, которая действует в соответствии с концепцией управления безопасностью горных работ в карьерах НГМК, являются:
• систематические наблюдения за состоянием устойчивости бортов, уступов и отвалов;
• регистрация всех деформаций на отвалах и в карьере;
• изучение структурных особенностей горных пород, тектоники и трещиноватости;
• определение физико-меха-нических свойств горных пород;
• оценка влияния природных и технических факторов на устойчивость откосов;
• расчет устойчивости бортов, уступов и отвалов;
• разработка мероприятий по обеспечению устойчивости откосов и безопасного ведения горных работ.
Методическое руководство работой ГМС осуществляет ВНИПИПТ, которым разработаны компьютерные
программы, позволившие повысить точность и надежность расчетов устойчивости карьерных откосов, рекомендованы современные геофизические методы контроля за их состоянием, что существенно снижает степень риска возникновения опасных деформаций. Создана и внедрена комплексная методика выбора рациональных способов обеспечения устойчивости бортов, включающая: способы выявления неустойчивых участков карьерных откосов, склонных к деформациям, оригинальные способы расчета оптимальных параметров уступов, бортов и укрепительных конструкций, учитывающие горнотехнические и инженерно-геологические особенности прибортового массива. Экспериментальные исследования, выполненные на основе данной методики, позволили всесторонне обосновать возможность отстройки устойчивых бортов с увеличением по сравнению с проектными на 3-6 град. углами наклона откосов для ряда карьеров (Кокпатас, «Западный», Даугызтау, Мурунтау, Уч-Кудук).
В настоящее время основное внимание при решении данной проблемы
уделяется наиболее крупному из всех карьеров - Мурунтау, где горные работы ведутся на глубине порядка 400 м и в перспективе могут достигать 750-1000 м, общую высоту конвейерных отвалов намечено увеличить до 160-170 м. При этом борта и отвалы фактически становятся ответственными инженерными сооружениями, поскольку здесь расположены транспортные коммуникации, капитальные сооружения и комплексы циклично-поточной технологии, траншеи конвейерных подъемников, уникальное отвальное оборудование, намечается установка крутонаклонных конвейеров. Это существенно повышает требования к обеспечению безопасных условий отсыпки отвалов и эксплуатации бортов, отдельные участки которых, находящиеся в зонах разломов или сложенные слоистыми углистыми сланцами, склонны к деформациям
[1]. За период эксплуатации карьера зафиксировано 35 случаев нарушения устойчивости откосов, бортов и отвалов, что является следствием неблагоприятных инженерно-геологических условий прибортового массива и отвальных площадей. По мере понижения горных работ и увеличения высоты отвалов объемы деформаций могут возрасти и будут носить более опасный характер. Также следует учитывать, что территория промпло-щадки рудника Мурунтау расположена в зоне повышенной геодинамиче-ской активности, где возможны землетрясения до 7-8 баллов, также неблагоприятно влияющие на устойчивость откосов.
Указанная задача в значительной степени осложняется тем, что отдельные участки прибортового массива карьера, сложенного в основном скальными породами, находятся в весьма неблагоприятных инженерно-
геологических условиях.
Так, ответственный участок Южного борта, на котором расположена траншея конвейерных подъемников, сложен главным образом разновидностями слоистых углистых сланцев и алевролитов, имеющих низкие прочностные характеристики, в значительной степени ослаблен тектоническими нарушениями. Наиболее неблагоприятно залегает юго-восточ-ная система разломов, представленная
двумя зонами тектонического дробления. Горные породы в пределах этой зона гидротермально изменены, пере-дроблены и перемяты. В целом нарушенная зона имеет ширину 200-250 м и простирается с северо-запада на юго-восток. Кроме основных разломов прибортовой массив пересечен многочисленными разнонаправленными дизъюнктивными нарушениями второго порядка и примыкающими к ним мелкими оперяющими трещинами. Азимуты падения пород изменяются от 6° до 130°, углы падения составляют 2537°.
В зонах разломов, а также на участках борта, где углистые сланцы залегают согласно с откосами уступов и имеют углы падения слоистости 25-35 °, происходят деформации откосов в виде локальных обрушений, заколов и оползаний пород. Деформации захватывали участки уступов протяженностью до 20-100 м и могли привести к значительному сокращению ширины транспортных берм и возникновению аварийных ситуаций.
В связи с недостаточной устойчивостью уступов Южного борта были рассмотрены несколько вариантов их стабилизации. Согласно первому варианту предлагалось осуществить вы-полаживание 30-метровых уступов на всю глубину карьера Ш очереди, равную 415 м; с заоткоской их по слоистости под углом 250 вместо 40° по проекту, что позволило бы практически полностью исключить какие-либо деформации откосов. Однако объем вскрышных работ при этом увеличивался на 80-100 млн. м3 (дополнительные затраты на отработку месторождения возрастали на 100-200 млн. долл.). В соответствии со вторым вариантом предусматривалось оставить проектный угол откоса уступов (40°), а локальные участки, подверженные деформациям, своевременно выявлять и укреплять. Дополнительные затраты в этом случае составят 8-10 млн. долл., т.е. намного меньше, чем при полном выполаживании борта карьера. Этот вариант, принятый к исполнению, обеспечивает долговременную устойчивость уступов с максимальными углами их откосов и минимальными дополнительными затратами
[2].
Работы по укреплению неустойчивых участков уступов на карьере были начаты в 1983г. на Южном борту. Здесь развивалось локальное обруше-
ние в пределах гор. 465-435 м в 50-70 м восточнее ДПП-1. Параметры деформированного участка: протяженность по фронту 20 м; ширина призмы обрушения 5-7 м; глубина залегания поверхности скольжения 10-12 м. Визуальными и маркшейдерскими наблюдениями было установлено, что оползневой процесс, развиваясь, захватывал все большую площадь. Это могло привести к полному обрушению транспортной бермы, объединению двух 30-метровых нерабочих уступов и возникновению сплошного 60-метрового откоса в пределах гор. 435-495 м. Разработанный и внедренный комплексный способ укрепления уступов включал: установку железобетонных вертикальных свай, заанке-ренных в устойчивый массив и объединенных монолитным ростверком; сооружение железобетонной подпорной стенки вдоль нижней бровки уступа и пригрузку откоса засыпкой из скальных пород. Для повышения несущей способности стенки и усиления ее конструкции в качестве фундамента были установлены сваи диаметром 250 мм на глубину 3 м с расстоянием между ними 1 м.
В процессе отработки карьера при постановке нижележащего уступа (гор. 435-405 м) в предельный контур на берме, примыкающей к ДПП-2, было зафиксировано возникновение трещин отрыва, что свидетельствовало о начале развития деформационного процесса. Общая протяженность двух заколовшихся участков составила 185 м, ширина призмы возможного обрушения - 12-15 м. Для предотвращения дальнейшего развития деформации в качестве первоочередного мероприятия на гор. 405 м была оставлена подпорная призма из взорванных горных пород высотой 10 м и шириной 20 м, что позволило временно приостановить смещение уступа. Выполненными геотехническими расчетами было установлено, что в случае уборки подпорной породной призмы коэффициент запаса устойчивости уступа станет меньше единицы и произойдет его обрушение. Для обеспечения нормальной и безаварийной эксплуатации транспортной бермы были рассмотрены четыре варианта сохранения долговременной устойчивости деформирующего уступа.
Внедрение мероприятий по укреплению Южного борта карьера в тече-
ние 1984-1988 г.г. позволило предотвратить дальнейшее развитие деформаций уступов горизонтов 465-435 и 435-405 м, восстановить транспортные бермы до проектной ширины и получить значительный годовой экономический эффект. За укрепленными уступами проводятся регулярно маркшейдерские наблюдения, которые свидетельствуют об эффективности и надежности проведенных мероприятий, что подтверждается отсутствием каких-либо смещений и деформаций на транспортных бермах.
Следует отметить, что наиболее важным направлением противоде-формационных мероприятий является применение сейсмобезопасной технологии взрывных работ в приконтур-ной зоне, основанной на методе предварительного щелеобразования при постановке уступов в предельное положение. Общая протяженность 30 метровых нерабочих уступов, заот-коска которых выполнена с применением щелевого экранирования, составляет около 20000 п. м.
Наряду с вышеуказанными проблемами не менее важной является разработка и внедрение методов контроля за состоянием устойчивости уступов и бортов.
Традиционные методы контроля устойчивости карьерных откосов, основанные только на маркшейдерских наблюдениях, характеризуются большой трудоемкостью и не позволяют зарегистрировать начальную стадию развития деформационного процесса. Для решения этой проблемы в последнее время достаточно успешно используются различные геофизические методы, [3], которые обладают следующими преимуществами: неограниченная глубина контроля, возможность проведения непрерывных наблюдений, большая производительность и высокая чувствительность к структурным изменениям в массиве, когда еще нет визуально заметных деформаций.
Данные методы включают:
• вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ);
• сейсмоакустический;
• сейсмический;
• регистрацию сейсмоколебаний породного массива;
• регистрацию естественной электромагнитной эмиссии (ЕЭМИ);
• тензометрический контроль состояния укрепленных уступов.
Вертикальное электрическое зондирование позволяет прогнозировать степень устойчивости породного массива на основе регистрации пространственно-временного изменения его электрических характеристик (кажущегося электросопротивления р) с помощью разных расстояний между питающими и приемными линиями. В результате получают информацию об изменении электрических сопротивлений по вертикали. Проводя регулярные замеры на контролируемых участках бортов, определяют изменяющиеся значения р во времени или нет. Изменение значений р во времени может быть связано только с перестройкой структуры массива, которая вызывается развитием зон разуплотнения пород, т.е. образованием зон возможных деформаций прибортово-го массива. Для проведения наблюдений методов ВЭЗ на бортах карьера заложены четыре стационарные станции, на которых с 1991 года ведутся регулярные замеры. Интерпретация результатов наблюдений показала, что существует четкая дифференциация в распределении р в ненарушенном массиве и в зоне деформаций. Из полученных данных ВЭЗ можно сделать вывод о высокой чувствительности метода и целесообразности применения для контроля оценки состояния устойчивости бортов.
Для проведения контроля состояния породного массива сейсмоакусти-ческим методом разработана методика, включающая основные принципы размещения датчиков проведения измерений и интерпретацию полученных результатов. Данный метод основан на использовании сейсмоакусти-ческого комплекса «Гроза-16», который испытан в лабораторных и производственных условиях карьера в различных режимах работы. Ведутся наблюдения за уровнем естественной электромагнитной эмиссии с помощью аппаратуры «Прогноз-М» на северном и южном бортах. Анализ данных результатов наблюдений за ЕЭМИ показал, что естественный уровень электромагнитной эмиссии по карьеру составляет 300 имп/5с. В зонах пересечения прибортового массива крупными тектоническими нарушениями уровень ЕЭМИ возрастает до 4000-4400 имп/5с, а в районе деформированных участков уступов находится в пределах 2000-2500 имп/5с. Полученные экспериментальные ре-
зультаты свидетельствуют о том, что данный метод позволяет выделить участки бортов и уступов, склонные к деформациям.
Достаточно эффективным для оценки устойчивости прибортового массива является метод, основанный на измерении сейсмоколебаний горных пород под воздействием массовых взрывов. Указанные измерения проводились с использованием специальной аппаратуры, конструкция которой разработана институтом «Ги-процветмет». В 1992-95 г.г. были проведены испытания сейсмоаппаратуры, в ходе которых определялась пригодность системы для установления максимальной скорости сейсмоколебаний породного массива под действием массовых взрывов в производственных условиях карьера. В качестве первоочередных объектов наблюдений были выбраны участки на северном борту в районе геологоразведочной шахты и на южном борту в районе дробильно-перегрузоч-ных пунктов ЦПТ.
По результатам производственных испытаний установлено, что сейсмоаппаратура надежно и эффективно работает в горнотехнических условиях шахты и карьера. Воздействие внешних факторов (вибрация от работающего горнотранспортного оборудования, электромагнитные поля, влажность, перепады температуры и т.д.) заметного влияния на работу аппаратуры не оказывало. С достаточной для инженерных расчетов точностью позволяет определять максимальные скорости сейсмоколебаний массива горных пород, а также грунтов в основании зданий и сооружений, оценить степень воздействия взрывов на охраняемый объект, и в конечном итоге даст возможность успешно решать главную задачу - обеспечивать оперативный контроль за состоянием устойчивости уступов и бортов карьера.
Основной объем добычи полезных ископаемых на месторождениях НГМК приходится на открытый способ разработки, что предопределило необходимость перемещения значительных объемов вскрышных пород (до 80 млн. м3 в год) во внешние и внутренние отвалы. В связи с этим одним из аспектов повышения эффективности открытых горных работ являлось совершенствование технологии отвалообразования за счет увеличения высоты отвалов и максималь-
ного использования для размещения отвальных пород выработанного пространства карьеров. Для предотвращения оползневых явлений, приводящих к аварийным ситуациям, особенно при отсыпке отвалов на слабое основание необходимы специальные мероприятия и технологические схемы отвалообразования, которые обеспечивают длительную устойчивость отвалов при оптимальных параметрах.
За прошедший период накоплен большой объем фактических данных по изучению деформаций отвалов, исследованию физико-механических и деформационных характеристик пород в отвалах и слагающих их основания, особенностей развития процессов деформирования отвалов на прочном и слабом основании. Разрабатывались мероприятия и новые технологические схемы отвалообразования, направленные на предупреждение опасных деформаций отвалов. Установлено, что в некоторых случаях для конкретных горнотехнических и инженерно-геологических условий отва-лообразования отсыпку внешних отвалов целесообразно производить в режиме управляемого сдвижения [2, 4]. Опытно-промышленные работы по испытанию данного способа отвалообра-зования проводились на карьерах Му-рунтау и Уч-кудук и показали техническую возможность и экономическую целесообразность их применения.
Отвальные работы на карьере ведутся с использованием мощного высокопроизводительного оборудования - 140-170 тонных импортных автосамосвалов и двух отвалообразователей 0ШС-4000/125, способных вести отсыпку скальных пород. Надежная и безопасная работа отвального оборудования может быть достигнута лишь при условии обеспечения устойчивости отвалов, отсыпаемых в основном скальными и полускальными породами.
В рассматриваемых условиях устойчивость отвалов зависит главным образом от несущей способности пород основания. В связи с этим за период с 1980 по 1996г.г. был выполнен комплекс изысканий, позволивших получить необходимую информацию об инженерно-геологических условиях площадей, отведенных под отвалы.
Рассматриваемая территория представляет собой равнинный участок земной поверхности с волнистым рельефом и общим незначительным
уклоном на юг. В разрезе отвальное основание сложено четвертичными породами-супесями суглинками, песчаными и крупнообломочными накоплениями, подстилаемыми палеогеновыми отложениями, которые представлены песчаными и глинистыми породами. В этих отложениях зафиксированы зоны тектонических нарушений, которые осложняют геологическое строение площадки. Последнее обстоятельство имеет важное значение для прогноза инженерно-геологи-ческих условий основания отвалов, так как во многих местах по площади среди песчаных палеогеновых отложений в результате тектонических поднятий на поверхность выходят трещиноватые глины. Эти глины под влиянием разуплотнения и дополнительного увлажнения имеют пониженную прочность и служат причиной оползневых деформаций отвалов.
Прочностные характеристики пород, слагающих основание, приведены ниже.
Практика показывает, что отвальный ярус высотой 56-60 м соответствует критической нагрузке на основание, сложенное глинами. При превышении этой высоты происходят формирования поверхности скольжения в слабое слое трещиноватых глин, смещение значительного объема отвальных пород с образованием вала выпирания.
Так, в 1984г. на отвале № 6 произошел крупный оползень при общей высоте двух отвальных ярусов 87 м и среднем угле наклона откоса 27°. За сутки величина вертикального смещения верхней площадки деформированного участка составила 5-8 м, ширина призмы обрушения - 90 м; ширина зоны остаточных деформаций достигла 70-80 м; протяженность оползшего участка по фронту была равна 400 м. В основании оползня образовался мощный вал выпирания, параметры которого составили: высота 11-13 м; ширина 15-30 м; протяженность 450 м. Поверхность скольжения проходила на глубине 20-22 м по слабому контакту в зеленых глинах, объем деформированных пород достиг 6 млн. м3.
Другой крупный оползень возник в мае 1987г. на автомобильном отвале № 5 и продолжал циклично развиваться в течение 14 мес. Высота отвала составляла 45-50 м, протяженность отвального фронта, захваченного де-
формацией, достигла 900 м. К моменту стабилизации оползня ширина призмы обрушения за 3-4 оползневых цикла развилась до 25-30 м; высота вертикальной стенки отрыва, образовавшейся в результате просадки отвального массива, составила 7-10 м, вал выпирания в основании имел следующие параметры: протяженность 800 м, ширина 40-90 м, высота 3-4 м. Основной причиной нарушения устойчивости отвала явилась обводненность отвальной территории, в результате чего снизились прочные характеристики глинистых пород основания. Выполненными геотехническими расчетами было установлено, что предельно допустимая высота яруса в этих условиях составляет 30 м. В центральной части отвального фронта была пройдена наклонная траншея, и отсыпка отвала продолжалась при высоте 30 м; после этого оползневые подвижки полностью прекратились.
Для обеспечения безопасных условий эксплуатации транспортноотвального оборудования на автомобильном и конвейерном отвалах необходимо прогнозировать развитие деформаций, степень их опасности и ширину возможной призмы обрушения. Это может быть осуществлено путем получения геомеха-нических характеристик пород основания и отвального массива, под которыми подразумеваются измеряемые в массиве смещения, деформации и скорости их развития. Для получения указанных характеристик на конвейерном отвале были проведены крупномасштабные опытно-промышленные работы, которые заключались в формировании яруса высотой 90-110 м, отсыпаемого непосредственно на земную поверхность, проведении соответствующих геомеханических наблюдений. Выполненные работы показали, что отсутствие опережающего предотвала при наличии слабых глин в основании неизбежно ведет к развитию в них пластических деформаций и достаточно быстрому разрушению отвального откоса высотой более 65-70 м, причем в пределах призмы обрушения и зоны остаточных деформаций оказывается все отвальное оборудование.
В связи с этим на карьере применяется схема отвалообразования, предусматривающая отсыпку опе-
режающего предотвала высотой не более 60 м. Расстояние, на которое предотвал должен опережать второй ярус, составляет 100 м и определено из условия обеспечения устойчивости всего многоярусного отвала с коэффициентом запаса 1,2. Предотвал уплотняет слабое глинистое основание, повышает его сопротивление сдвигу и выдавливанию, служит основанием слоя второго яруса. Наличие предотвала обеспечивает равномерную усадку отвала по всей площади, что является необходимым условием надежной и безопасной эксплуатации отвального оборудования. На отдельных ослабленных участках предот-вал при проектной высоте 40-60 м может подвергаться деформациям. В этом случае целесообразно применять схему отсыпки с предварительной пригрузкой призмы возможного выпора (вала выпирания). Такая пригрузка создает необходимое дополнительное сопротивление сдвигу и позволяет обеспечить устойчивость предотвала при проектной высоте.
Наряду с оползневыми деформациями на эффективность и безопасность работы отвального оборудования могут оказывать влияние и деформации усадки, возникающие в результате уплотнения отвальных пород и основания. Уплотнение отвальных пород во времени происходит неравномерно и зависит от высоты отвалов, высоты падения пород, их сжимаемости и гранулометрического состава, внешних нагрузок. Неравномерность уплотнения приводит к разрывам сплошности массива и возникновению ступенчатых трещин на поверхности отвала. Различают первичную усадку, интенсивно развивающуюся в первые дни и месяцы после отсыпки, и общую, прекращающуюся полностью примерно через 15 лет после отсыпки. Время, затрачиваемое отвалообразователем на отсыпку одной заходки при высоте яруса 50-60 м, составляет 5-6 месяцев, поэтому технологические схемы от-валообразования необходимо выбирать с учетом интенсивности первичной усадки, которая уже в первые дни достигает 25-30 % ее общей величины, а за 6 мес. - 60-70 % и при высоте яруса 50-60 м составляет 2,5-3,0 м.
В свою очередь, многолетними маркшейдерскими наблюдениями установлено, что интенсивность первичной усадки зависит от применяемой технологической схемы отвалообразования. При схеме предусматривающей формирование широкой отвальной заходки, когда ее ширина равна шагу передвижки отвального конвейера, интенсивность усадки в период отсыпки конуса на откос предыдущей заходки достигает в первые дни 400-300 мм в сутки. В результате по трассе движения отвалообразователя возникают ступенчатые трещины с высотой ступени 600-700 мм, опасные для эксплуатации отвального оборудования.
В этих условиях целесообразнее использовать схему отвалообразо-вания узкими заходками. Максимальная скорость усадки при этом составляет 110-130 мм в сутки, зона развития ступенчатых трещин распространяется не далее 10-12 м от бровки отвала и не достигает трассы движения отвалообразователя. Высота ступени не превышает 250 мм, что обеспечивает безопасные условия эксплуатации отвального оборудования.
По техническому проекту отработки пологопадающего пластового месторождения Уч-кудук предусматривалось производить с тремя наклонными вскрышными уступами по падению пласта и выклинивающимися вскрышными уступами на средних горизонтах. Транспорт вскрышных пород во внутренний отвал предусматривался по бермам на нерабочих бортах карьера. Высота ярусов на внутреннем отвале 20 м, ширина разгрузочной пло-
щадки между ярусами - 50 м. Разгрузку автосамосвалов предусматривалось производить на верхней площадке ярусов в 5-7 м от бровки, затем породы сталкивать под откос бульдозером. Перемещение фронта отвала по нормали к фронту добычного и вскрышных уступов вслед за их отработкой.
На основании выполненных исследований, испытаний на моделях и расчетов разработаны и предложены новые технологические схемы разработки карьера и отсыпки отвалов:
С сооружением транспортноотвальных перемычек (ТОП) в местах выклинивания вскрышных уступов позволило сократить расстояние транспортирования вскрыши с четырех нижних уступов во внутренний отвал на 350 м.
С сооружением многоярусных расширяющихся ТОП и смещением разгрузочных площадок внутрь карьера позволит сократить среднее (плечо откатки) расстояние транспортирования вскрыши автомобилями во внутренний отвал на 80 м.
С непосредственной разгрузкой автосамосвалов под откос позволило сократить потребное количество бульдозеров и получить годовой экономический эффект 270 тыс. долл.
Выводы
1. Борта карьеров НГМК, особенно Мурунтау, высота которых в перспективе может достигнуть 1000 м, фактически являются ответственными инженерными сооружениями, что существенно повышает требования к обеспечению их устойчивости особенно на ослабленных уча-
стках, приуроченных к зонам разломов или сложенных слоистыми углистыми (слюдистыми) сланцами, которое должно проводиться на основе разработанного комплекса противодеформационных мероприятий.
2. Для обеспечения надежного и оперативного прогноза состояния устойчивости карьерных откосов в комплексе с маркшейдерскими наблюдениями необходимо использование геофизических методов, что позволит существенно снизить степень риска возникновения деформаций нерабочих уступов и бортов.
3. Проведенные испытания комплекса геофизических методов (ВЭЗ, сейсмоакустика, замеры сейсмоколебаний массива, ЕЭМИ) показали их достаточную надежность и эффективность для горнотехнических условий карьеров. Данные методы являются основой для создания единой системы оперативного и надежного контроля устойчивости уступов и бортов по всему периметру и на весь срок эксплуатации.
4. Безопасность работы оборудования на конвейерном и автомобильном отвалах определяется состоянием их устойчивости, которая зависит от высоты яруса и несущей способности отвального основания. Высота яруса 50-60 м соответствует критической нагрузке на основание, сложенное слоистыми глинами. При отсыпке отвала на более прочное основание, сложенное мергелями и песчаными породами, его безопасная высота может быть увеличена до 80-90 м.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иоффе А.М., Байдаченко Н.А. Горно-геологи-ческие условия разработки месторождения Мурунтау открытым способом. Теория и практика разработки месторождения Мурунтау открытым способом. Сб. научно-технических статей. Изд. ФАН, Ташкент, 1997г. С. 26-30.
2. Федоров Н.А., Иоффе АМ., Галимулин Р.Р. и др. Опыт обеспечения устойчивости уступов, бортов и отвалов карьера Мурунтау. Горный журнал Ф 2, 1992, С. 13-17.
3. Клименко А.И. Обоснование методов контроля устойчивости бортов карьера Мурунтау. Теория и практика разработки месторождения Мурунтау открытым способом. Сб. научно-технических статей. Изд. ФАН, Ташкент. 1977, С. 131-135.
4. Кучерский Н.И., Лукьянов А.Н., Прохоренко ГА. и др. Совершенствование процессов открытой разработки сложноструктурных месторождений эндогенного происхождения. Изд. ФАН, Ташкент, 1998, С. 254
Иоффе Александр Михайлович - Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт промышленных технологий.
Кольцов В.Н. -.Норильский горно-металлургический комбинат.
