CC BY
90
С.С. Саййидкасимов
ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ БОРТОВ КАРЬЕРА ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ РАЗРАБОТКЕ ЗОЛОТОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В РАЙОНАХ СО СЛОЖНЫМИ СЕЙСМО-ТЕКТОНИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ
Приведен анализ состояния и возможности комплексной оценки и разработки золоторудных месторождений глубокого залегания и крутого падения со сложным тектоническим строением расположенных в сейсмоактивных зонах. На примере месторождения Мурунтау показаны возможности комбинированной разработки открыто-подземным способом с учетом изменчивости геометрии распространения, геомеханических показателей горного массива в границах карьерных и шахтных полей, позволяющих в априори оценить и прогнозировать устойчивость подрабатываемых бортов карьера и откосов уступов. Установлено, что отработку внекарьер-ных запасов месторождения Мурунтау намечается вести подземным способом с использованием для их вскрытия отработанных уступов карьера, с которых будут проходиться капитальные выработки. При этом подземная отработка этих запасов ведется параллельно с открытой добычей с использованием карьерных путей и горнотранспортного оборудования.
Ключевые слова: подземный способ разработки, запасы руды, геолого-разведочная шахта, прибортовые запасы, комбинированный способ разработки, геомеханическая система, сейсмотектонические условия, коэффициент крепости горных пород, система трещин горного массива, вскрытие месторождения, отработка уступов.
В настоящее время во многих странах с развитой горнодобывающей промышленостью многие рудные месторождения отрабатываются комбинированным способом. Однако освоение запасов открытыми и подземными технологиями производится по раздельным независимым схемам. Из-за от-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 6. С. 289-310. © 2016. С.С. Саййидкасимов.
УДК 622.271: 553.411
сутствия априорных решений по своевременному переходу от открытых к подземным горным работам, на предприятиях либо уменьшаются объемы добычи руды, либо безвозвратно теряются в недрах часть фактически уже вскрытых и подготовленных запасов [1, 2]. В период перехода от открытого к подземному способу добычи, как правило, у большинства горных предприятий снижается уровень рентабельности, а некоторые несут убытки или совсем прекращают добычу руды одним из способов. Кроме того развитие комбинированного способа разработки месторождений сопровождается рядом трудностей, самым главным из которых является ухудшение геомеханической обстановки в прибортовом массиве горных пород и усложнение способов управления геомеханическими процессами. Комбинированная разработка месторождений приводит к формированию сложной геомеханической системы, характерной особенностью которой является многократное воздействие нагрузок на одни и те же участки горного массива при одновременном или последовательном ведении открытых и подземных горных работ.
Несмотря на большой объем выполненных ранее исследований, практически отсутствуют работы по методике комплексной оценки месторождений, отрабатываемых открыто-подземным способом, недостаточно освещены теоретические вопросы совместной разработки карьерного и шахтных полей с использованием изменчивости геометрии квалиметрических характеристик пространства недр, подлежащих комбинированной разработке.
Установлено, что при комбинированной разработке, проектирование систем вскрытия и подготовки запасов следует осуществлять в рамках единого проекта, увязанных во времени и в пространстве на всех этапах развития открытых и подземных горных работ в части размещения отвалов на поверхности внутри карьера, заложение капитальных вскрывающих подземных горных выработок вне зоны геомеханического влияния карьерной выемки, а также оставление берм и площадок в перспективных местах заложения вскрывающих подземных горных выработок, рациональная трассировка капитальных траншей, обеспечение возможности использования технологического комплекса карьера, вспомогательных сооружений на стадии подземной разработки. При этом карьерные транспортные системы и сам карьер целесообразно рассматривать как вскрывающие выработки для запасов подлежащих подземной отработке, а вскрывающие подземные выработки могут быть использованы для
Рис. 1. Схема геологического строения Мурунтауского рудного поля
транспортирования горной массы добытой в карьере по подземному транспорту. При соблюдении этих условий раскрываются все достоинства открыто-подземного способа разработки.
В тоже время, при составлении самостоятельных проектов отработки верхней части залежи открытым способом и доработки месторождения подземным способом возникает ряд проблем, главными из которых являются осложнение поддержания бортов карьера в устойчивом состоянии из-за наличия и постоянного наращивания пустот под бортом и под дном карьера и обеспечения устойчивости подземных сооружений, подвергающихся влиянию открытых горных работ.
Мллштаб I: ЯКН)и
нвгтраапеиие фильтрации
Рис. 2. Схематический геологический разрез по линии АА
Вопросы оценки устойчивости подрабатываемых бортов карьера при комбинированной разработке золоторудного месторождения в районах со сложными сейсмотектоническими условиями рассмотрим на примере карьера Мурунтау разрабатывающее в перспективе одноименное месторождение комбинированным способом.
Мурунтауское рудное поле, включающее месторождения Мурунтау, Мютенбай, Триада и Бессапантау расположено на северном крыле Тасказганской антиклинали, прослеженной в субширотном направлении почти на всем протяжении Южнотамды-тауской рудной зоны. В районе рудного поля ее ось проходит южнее золоторудных месторождений под чехлом мезо-кайно-зойских отложений, а сама складка на восток постепенно замыкается (рис. 1, 2).
Горнотехнические условия отработки месторождения связаны с особенностями его геологического разреза, представленного осадочно-метаморфическими песчано-сланцевыми породами, залегающими под углами 20—30°. В толще пород преобладают песчаники, алевролиты и сланцы в различной степени окварцованные.
На месторождении развиты тектонические разрывные нарушения различной ориентации. Наиболее крупными из них являются нарушения северо-восточного простирания мощностью от 0,3 до 12 м. Нарушения выполнены брекчиями или зонами дробления, имеют падение на юго-восток под углами 60—80° и сопровождаются многочисленными оперяющими трещинами. Породы крепкие, коэффициент крепости пород по шкале М.М. Протодьяконова для сланцев и алевролитов составляет 7—13, песчаников 9—15, кварцевых тел 12.
Для пород месторождения характерно наличие интенсивной микро-трещиноватости, при этом характер ее благоприятно сказывается при производстве буровзрывных работ, что выражается в достаточно мелкой кусковатости руд и горной массы после проведения взрывов. Коэффициент разрыхления руд 1,5.
Руды месторождения сложены окварцованными песчаниками, алевролитами, слюдисто-кварцевыми сланцами с большим количеством кварцевых прожилков. В минералогическом составе преобладает кварц — 72,0%, полевой шпат — до 7,0%, слюды — 5—6%, карбонаты до 3%, сульфиды составляют 1,5—2%. Основным ценным компонентом руд является самородное золото. Сопутствующим полезным компонентом являются серебро, которое извлекается попутно.
Рис. 3. Математическая модель месторождений Мурунтау и Мютенбай с распределением промышленных и эксплуатационных запасов руды
Месторождение Мурунтау открыто в 1958 г. и эксплуатируется с 1967 г. В настоящее время фронт горных работ в карьере IV очереди опустился до отметки +65 м, а глубина карьера достигла 570 м (средняя отметка поверхности до начала отработки +555 м). Проектные отметки III очереди (+100 м), IV очереди (-75 м), V очереди (-300 м). На основе математической модели месторождений Мурунтау и Мютенбай с распределением промышленных и эксплуатационных запасов руды по интервалам глубин выполнено перспективное планирование развития горных работ (рис. 3).
Рис. 4. Вскрытие законтурных запасов при открыто-подземном способе их отработки
Рис. 5. Схема комбинированной отработки месторождения при полном совмещении открытых и подземных работ: 1 — рудное тело; 2 — предельный контур карьера; 3 — контур карьера текущей отработки; 4 — наклонный ствол; 5 — рудоспуски; 6 — откаточные выработки; 7 — подземные очистные блоки; 8 — контур зоны обрушения; 9 — контур воронки обрушения; 10 — отвал вскрышных пород в зоне обрушения
Дальнейшая отработка на месторождении Мурунтау планируется открытым способом — сначала карьером IV очереди до горизонта -75 м, затем карьером V очереди до горизонта — 300 м, включающими и часть запасов месторождения Мютен-бай. Оставшиеся за контуром открытой отработки запасы обоих месторождений могут отрабатываться открыто-подземным способом (проходкой подземных выработок из чаши действующего карьера) [3] (рис. 4, 5).
Отработку внекарьерных запасов месторождения Мурунтау намечается вести подземным способом с использованием для их вскрытия отработанных уступов карьера Мурунтау, с которых будут проходиться капитальные выработки. Подземная отработка этих запасов будет вестись параллельно с открытой добычей с использованием карьерных путей и горнотранспортного оборудования.
Отработку подземным способом запасов руды Восточной зоны месторождения Мурунтау предусматривается с использованием действующей инфроструктуры геолого-разведочной шахты «М». Подземная добыча руды Восточной зоны делится на два этапа: опытно-промышленный пусковой комплекс с производительностью 200 тыс. т руды в год и добычной комплекс с годовой производственной мощностью шахты 400 тыс. т руды. Общая продолжительность отработки запасов Восточной зоны между горизонтами 0,0 м и +128 м, с учетом затухания горных работ составляет 45 лет.
В настоящее время шахтой Мурунтау ведутся геологоразведочные работы в Восточной зоне по уточнению запасов, конту-
ров рудных залежей и содержания в них полезного компонента. Совместно с геологическим изучением Восточной зоны, между горизонтами 0,0 м и +78 проводятся горноподготовительные работы в переделах выемочных единиц. В стадии завершения работы по зарезке всех подэтажных горизонтов. Размеры камер: высота — 75 м; длина — 40^60 м; ширина — 15 м. Система разработки принята камерная с закладкой первичных камер. После закладки первичных камер отрабатываются вторичные камеры.
Вскрытие шахтного поля предусматривается наклонно-транспортными съездами (НТС) с уступов карьера с отметкой +30 м и +135 м. Подземные горные работы проводятся при помощи высокопроизводительной самоходной горношахтной техники. Эта схема отработки может послужить основой для отработки других рудных зон месторождения Мурунтау и Мютенбай.
Опыт извлечения запасов руд за контурами карьеров указывает на перспективность их доработки открыто-подземным способом разработки, когда из выработанного пространства карьера проходятся вскрывающие выработки. Перспективная отработка законтурных запасов открыто-подземным и дальнейшая доработка запасов подземным способами, в свою очередь, ужесточают требования к технологиям взрывных работ как в карьере, так и в подземных условиях.
С\еы4 соямешеми! открытых и аоиашых работ ее epeuetm в i пгрцод Освоения i«I*COft<C; И Сз) ¿MCI Opo»:iieНИХ MypVWT»V
Западная зона fQ=1,2 млН т/щд] Зона Мютенбай (Q=1.5 млн т^год} Восточная зона <0-3,0 мг»н TfrOfl) Сиввро-йоеточная зона i j .
1 - Открытые И подземные горные работы; 2 - Открытые горные работы; 3 - Понижение уровня открытых горных работ
Рис. 6. Вариант внедрения комбинированного способа разработки месторождения Мурунтау; ?шн, I t — соответственно, продолжительность строительства подземногорудника, применения открыто-подземного и подземного способа разработки
Месторождение Мурунтау прослежено до глубины ~2 км. В связи с тем, что за контурами карьера остается около 15—20% общих запасов, месторождение целесообразно отработать комбинированным способом с последовательно-параллельным ведением открытых и подземных работ. Развитие освоения месторождения при комбинированной разработке может идти по двум направлениям.
1. Полное совмещение открытых и подземных горных работ во времени (одновременная разработка) с совмещением в горизонтальной и вертикальной плоскостях при тесной степени технологической взаимосвязи открытых и подземных работ с совместным решением вопросов вскрытия и отработки карьерного и шахтного полей.
2. С частичным совмещением (последовательно-параллельная разработка) открытых и подземных горных работ во времени с совмещением в горизонтальной плоскости при средней степени технологической взаимосвязи открытых и подземных работ с частичным совмещением схем вскрытия и разработки карьерного и шахтного полей (рис. 6).
Условия дальнейшего развития освоения месторождения комбинированным способом требует разработки стратегии достоверной оценки учета и прогноза геодинамического, геотектонического и геомеханического состояния горного массива в границах карьерных и шахтных полей и использования полученной базы данных в проектных решениях, обеспечивающих рациональное и безопасное освоение недр.
Тектонические движения новейшего этапа, обусловленные действием субмеридианального и горизонтального сжатия, активизировали структуру Мурунтауского рудного поля, созданную к концу Герцинского времени, образовав подвижные блоки, находящихся под влиянием общих региональных полей напряжений, что обуславливает напряженно-деформированное состояние горного массива Мурунтау. Современное напряженно-деформированное состояние карьера оценена путем изучения геодинамики новообразованных подвижных блоков и геодинамической карты масштаба 1:5000 (рис. 7).
Карьер Мурунтау располагается в пределах южной части крупного клиновидного блока III порядка, охватывающего площадь современных выходов палеозоя Северного и Южного Там-дытау на дневную поверхность. Эта часть блока, включающая «Мурунтаускую линзу» и карьер, разбита «Южным» и «Структурным» субширотными нарушениями на более мелкие клино-
Рис. 7. Современная геодинамическая модель Средней Азии
видные блоки IV порядка — Северный (С), Центральный (Ц) и Южный (Ю). Нарушения, ограничивающие эти блоки, характеризуются как взбросо-сдвиги, выполаживаются по падению и соединяются с горизонтальными зонами расслоения на глубине 2,0 км. Центральный клиновидный блок IV порядка, в котором непосредственно пройден карьер Мурунтау, диагональными нарушениями, «Первым Северо-восточным» и «Вторым Северовосточным» делится на соответствующие клиновидные блоки V порядка — П.1, Ц2 и Ц3. Разломы, ограничивающие эти блоки, имеют взбросо-сдвиговый характер, так же выполаживают-ся по падению и оперяют зоны горизонтальной расслоенности, расположенные уже на глубине 1—0,5 км. На северо-востоке нарушения, ограничивающие блоки V порядка, причленяются к субширотному «Структурному разлому», а на юго-западе — к «Южному». По-видимому поперечное сжатие Центрального клиновидного блока (Ц), Северным (С) и Южным (Ю) блоками
Рис. 8. Геодинамическая карта карьера Мурунтау
активизировали «Первый» и «Второй» северо-восточный разломы и явились причиной продолжавшегося левосдвигового смещения по ним и в настоящее время [6, 11].
Наибольшим напряжениям и соответственно деформациям оказались подверженными блок Ц3 как самые близкие к источнику напряжения, принявшими основную нагрузку. Наиболее деформированными оказались складки в блоке Ц3, где их западные периклинальные окончания пересеклись зоной «Первого Северо-Восточного» разлома. Наиболее ослабленные и деформированные участки приходятся на места сочленения северо-восточного простирания и кливажных нарушений, как на поверхности, так и на глубине.
В формировании напряженно-деформированного состояния горного массива главенствующую роль играют горизонтальные движения крупных блоков. Установлено, что напряженно-деформированное состояние карьера контролируется движения-
ми блоков III порядка и системой нарушений разбит на чешуи и блоки IV и V порядков, соотношение, взаимодействие, подвижность которых определяют современное напряженно-деформированное состояние. В зависимости от места приложения сил к подвижным блокам возникают либо касательные напряжения, обуславливающие разворот блоков по часовой стрелке, либо силы выталкивания их друг из друга.
Территория карьера Мурунтау является результатом подвига-ния каледонских пластин (рис. 8). Наиболее динамичным, активным и наиболее опасным для оползне-обвальных процессов является юго-восточный борт карьера, входящий в блок Ц3.
Сильно нарушенными являются участки пересечения разнонаправленных осей лежачих изоклинальных складок и осей антиформ и синформ. Опасными для обрушения являются участки зон пересечения сейсмодислокации с нарушениями, ограничивающими блоки различного порядка. Неустойчивыми являются поля развития даек основного и кислого состава, как области совмещения пластичных и непластичных пород.
Из всего этого следует, что при углублении карьера Мурунтау и при переходе на комбинированные способы разработки более всего необходимо учитывать наибольшую неустойчивость ЮВ крыла карьера в зоне второго северо-восточного разлома.
На формирование неустойчивых участков горного массива большое влияние имеют направления горизонтальных и вертикальных движений по разломам. Ориентация тектонических сил внутри карьера усугубляет положение и способствует потери устойчивости.
Основную роль в формировании неустойчивых блоков горного массива играет сочетание разноориентированных тектонических нарушений, обладающих зоной дроблении, заполненных глинкой трения.
На карьере зафиксировано большое количество деформаций уступов, в основном на северном, южном и северо-западном бортах.
Анализ причин деформаций бортов карьера показывает, что помимо неблагоприятного ориентирования трещин, поверхности ослабления имеют также и низкие показатели сопротивлению сдвигу.
Следует отметить, что на карьере зафиксированы практически все типы деформаций — обрушения, оползни, заколы, просадки и осыпи. Объемы деформированных участков в основном сравнительно незначительны — от 0,1 до 40 тыс. м3. Зафиксиро-
ван за весь период эксплуатации всего один крупный оползень объемом до 240 тыс. м3.
В наибольшей степени деформированию подвержены участки бортов, приуроченные к зонам разломов, тектонических нарушений. Возникшие деформации показали, что на верхних горизонтах карьера нельзя допускать увеличения углов откосов уступов по сравнению с проектными. В тоже время анализ накопленной к настоящему времени инженерно-геологической информации по глубоким горизонтам месторождения свидетельствует о повышении монолитности и прочности породного массива [4].
Из анализа тектонических условий месторождения с учетом местоположения деформаций следует, что:
• зарождение контуров поверхности ослабления происходит под влиянием геодинамических процессов;
• провоцирующими факторами являются сейсмическое воздействие взрывов, подрезка слоистости пород откосом уступа.
Однако полученные результаты при всей информативности и достоверности будут недостаточны для создания прогноза устойчивости бортов без оценки влияния региональной тектоники месторождения и определения взаимосвязи деформаций бортов карьера с сейсмической активностью района месторождения в целом.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
• проведена оценка геолого-тектонической ситуации района месторождения;
• проведен детальный анализ и систематизация данных землетрясениям применительно к региону месторождения;
• установлена корреляционная зависимость деформаций бортов карьера от магнитуды и глубины землетрясений.
Оценка влияния региональной тектоники проводилась в соответствии с принципами пространственной иерархии, согласно которой построение инженерно-геологической модели начинается с оценки геодинамической активности района месторождения и заканчивается оценкой устойчивости борта глубокого карьера [5, 6, 7] (рис. 9).
Согласно геолого-тектоническим условиям, а так же на основании исследований методами сейсмометрии можно утвердить, что северо-северо-восточный, северо-западный и юго-восточный борта карьера наиболее подвержены опасности развития деформационных процессов на локальных участках, в районе юго- и юго-западного бортов вероятность развития деформаций значительно меньше.
Щ, ГГПТПИ-Ь в. Е^Г^Н.Гё^"!»
Рис. 9. Геолого-тектоническая схема Мурунтауской площади
Данное положение также подтверждается зафиксированными маркшейдерской службой карьера фактами развития деформаций объемом от 15 тыс. м3 до 68,0 тыс. м3 в разные периоды эксплуатации месторождения.
Согласно базы данных по землетрясениям американского геологического общества «Geological Survey Base», в определенный период в зоне радиусом от 400 до 1000 км от карьера Мурунтау произошло 13 крупных землетрясений с магнитудами от 6 до 7,5.
Указанные деформации корреспондируют с прошедшими за рассматриваемый период времени природными землетрясениями и имеют надежную корреляцию по трем параметрам — магнитуда, время, глубина землетрясений.
Выявлено, что указанные деформации произошли после землетрясений имеющих эпицентр на глубине менее 33 км и характеризующихся магнитудой более 5.
Установлены случая деформирования откосов в виде осыпей, обрушений и оползней. Они подразделяются следующим образом: оползни — 18%, обрушения — 82%.
Величины и характер деформационных процессов зависят от высоты уступа и угла наклона откосов, физико-механических свойств и литолого-структурных особенностей прибортового массива, геодинамической активности зон разломов. Оползневые деформаций являются контактными и проявляются в массивах слоистых пород, падающих в сторону карьера. Как прави-
ло, они ослаблены в основном тектоническими нарушениями и заполнены глинкой трения с низким углом внутреннего трения пород. Оползни, как и обрушения, развиваются в пределах одного-трех уступов.
Анализ деформационных процессов при эксплуатации карьера свидетельствует о том, что одной из причин деформирования откосов является развитие в приконтурных породах зоны остаточных деформаций в результате сейсмовзрывного воздействия массовых взрывов. Проведение взрывов, осуществляемых укороченными скважинами оказывают существенное влияние на развитие в приконтурных породах зоны остаточных деформаций и не обеспечивают защиту массива на отдельных участках от вредного влияния сейсмотектонических волн, что вызывает интенсивное заколообразование по верхней бровке уступа карьера [8].
Деформационные процессы обусловленные оползневыми процессами в условиях динамической активности прибортового массива и при дальнейшем увеличении глубины карьера, вызывают необходимость в постановке специальных исследований с целью обеспечения безопасной эксплуатации карьера.
Из анализа рассмотрения влияния разломов на устойчивость бортов следует что:
• изменение напряжений хотя бы в пределах одного разлома, может привести к изменению общего поля напряжений карьера;
• определение устойчивости бортов карьера следует производить для поверхностей скольжения с учетом напряжений, создаваемых существующими разломами;
• для уменьшения вероятности возникновения оползневых явлений не следует создавать дополнительной нагрузки вблизи разломов, предрасположенных к росту напряжений;
• дальнейшую отработку карьера необходимо вести с учетом влияния напряжений, которые могут привести к изменению коэффициента устойчивости бортов карьера;
• взаимодействие IV и V порядков блоков определяет современное напряженно-деформированное состояние, в зависимости от места приложения сил к подвижным блокам.
По критерию сейсмической опасности нерабочие борта карьера Мурунтау подразделяются на 4 района [9]. Характеристики районирования нерабочего борта карьера по виду воздействия на него сейсмических волн приведены в таблице.
Известно, что одной из главных причин деформаций при-контурного массива карьера является возникновение собствен-
Данные характеристик районирования нерабочего борта карьера по виду воздействия на него сейсмических волн
№ района Название района Баль-ность Тип волн Направление волн
1 Южный 7 поверхностные и продольные в сторону выемки
2 Юго-западный и юго-восточный 7 поверхностные и поперечно-продольные под углом 30-60°
3 Западный и восточный 7 поперечные вдоль разломов
4 Северный 6 продольные в сторону выемки
ных колебаний в массиве оползня. Следует иметь ввиду, что сейсмические волны, многократно отраженные на границе будущего оползня, вызывают в оползневом теле резонанс, который, вибрируя, отслаивается на контактной поверхности [10, 11]. Такое расслоение и ослабление сил сцепления, хотя и в малой степени, но все же проявляется даже при слабых землетрясениях, а количество их иногда достигает нескольких десятков ежегодно.
При сильных землетрясениях регионального масштаба мощностью 7—8 баллов под воздействием сейсмического излучения в теле возможного оползня развиваются инерционные силы, величины которых могут оказаться критическими и вызвать его смещение.
Следует отметить, что сейсмоактивный блок земной коры непрерывно излучает в окружающее пространство упругую энергию в виде землетрясений различной силы. Сейсмическая энергия, выделяемая за год всеми землетрясениям и в виде упругих волн, составляет около 1018 Дж, при этом известно, что на земном шаре ежегодно регистрируются сотни тысяч естественных землетрясений. Кроме того при взрывных работах расходуется примерно 107 т ВВ в год, а их суммарный вклад в сейсмические проявления характеризуется величиной порядка 1014 Дж (рис. 10).
Все это говорит о том, что горнотехнические сооружения в течение всего периода существования находятся в поле напряжений и перемещений, вызванных сейсмическим действием естественных и техногенных (взрывных) землетрясений. Так, как для каждого объекта существует резонансная частота колебаний, то каждый борт и уступ любого карьера находится по-
УслллгМ дензнаками: 1 III I Щ Z [LCD 3
CtncMoroiniua johu, doíyouho возникновение и распространенно шиюйммишх ппмннпрлсвииЯ:
1 - e ИПтлнснМвМьп до 0 Саллпв i У 6,1 - 7,0); 'Й - до V stuwe« (II 5.1 - 6,0);
3 - области (полоси) воамокного распространения сотрясений укаяшми* баллон ит оеймогпнних чек.
Рис. 10. Карта сейсмического районирования Центральных Кызылкумов
стоянно в определенном резонансном режиме и соответственно реагирует на него, выбирая из всего волнового круга необходимые резонансные частоты. Явление резонанса было положено в основу прогноза объемов деформаций бортов карьеров.
Прогноз деформаций бортов карьера Мурунтау осуществляется измерением колебаний горных пород, слагающих прибор-товой массив. Источником колебаний служили массовые техногенные взрывы в карьере и естественные фоновые колебания в период работы карьера, а микросейсморайонирование проводилось путем выделения участков с аномальными колебаниями. При этом полагали, что независимо от природы сейсмического воздействия на таких участках количественные и качественные картины будут одинаковы. Ценность этого способа заключается в том, что можно изучить амплитуду колебаний путем сравнения на разных участках на протяжении всего периода колебаний. Измерения колебаний грунта производилось в момент взрыва, между сериями взрывов и после их проведения.
Известно, что сейсмические сигналы, порожденные массовым взрывом, имеют достаточно сложную форму, а при корот-козамедленном взрывании наблюдается интерференция волн разных типов, что существенно осложняет их анализ.
А поскольку сейсмический очаг всегда является источником сложных колебаний, образованных множеством сейсмических волн, каждая из которых характеризуется собственной амплитудой и периодом. Для выявления резонансных частот колебаний для данного участка, необходимо установить спектр такого колебания.
При рассмотрении общей картины сейсмических колебаний от землетрясений и взрывов следует выделить то обстоятельство, что на радиус опасной зоны значительно влияют геологические условия залегания пород, в которых мощность и структуры отдельных слоев играет решающую роль. Это связано с тем, что помимо сравнительно быстро затухающих первичных волн, излучаемых источником взрыва или очагом землетрясения в отдельных случаях в горном массиве возникают вторичные, отраженные от поверхности волны, которые вследствие многократного отражения отличаются большой длительностью колебаний.
Карьер Мурунтау расположен в сейсмоопасном районе, где возможны землетрясения силой в пределах 8 баллов, что является источником мощных сейсмических волн.
После мощного землетрясения (1984) мощностью 7,2 баллов в районе г. Газли на карьере было отмечено 7 деформаций из 35 зарегистрированных за 18 лет наблюдений.
Расчет ожидаемых значений спектрального уровня колебаний бортов карьера «М» для землетрясения (1984) мощностью
7.2 баллов были выполнены на основе сейсмограммы-аналога землетрясения, происшедшего в том же райне, мощность
7.3 баллов.
Применение спектрального метода для оценки устойчивости массива горных пород позволяет изучать влияние на процессы деформаций взаимосвязанных факторов:
• нагрузка (гравитация, тектоника, сейсмика);
• размеры (высота, угол откоса) и формы конструкции (выпуклая, вогнутая);
• свойства материала (геомеханическое строение массива).
С увеличением объемов открытых горных работ связан ряд
особенностей обеспечения устойчивости откосов.
Вопросы устойчивости решаются в условиях неповторимости разнообразия горно-геологических условий в весьма жест-
ких экономических рамках при определении, как предельной глубины открытой разработки, так и углов наклона откосов бортов на предельном контуре [12]. Устойчивость откосов большинством специалистов рассматривается как результат проявления горного давления. Наряду с общностью ряда вопросов обеспечения устойчивости откосов имеются и различия и, это, прежде всего, обусловлено особенностями геологического строения месторождений, технологией разработки и требованиями к добываемому сырью.
Углы откосов уступов изменяются от 25—30° до 90° и они определяются конструктивно и составляют для рабочих бортов и берм и площадок различного назначения — 10—25°, для постоянных бортов и откосов траншей, от 15° до 45—60°.
Учитывая время, состояние откоса и его назначение, рекомендуется при проектировании варьировать коэффициентом запаса устойчивости от 1,1 для уступов рабочих бортов карьеров вскрывающих выработок до 1,5 — для откосов вскрывающих выработок, содержащие стационарное устройства.
Группу технологических факторов, определяющих поведение пород в бортах, составляют способ вскрытия и система разработки.
Направление развития горных работ в пространстве необходимо выбирать с учетом инженерно-геологической структуры массива и при этом устойчивость откосов рабочих уступов и бортов карьера следует оценивать комплексным технологическим параметром — скоростью подвигания фронта горных работ. Как для рабочих, так и нерабочих бортов значение имеет учет их конструктивных параметров, формы в плане и профиле.
Поэтому представляется эффективным принятие рационального режима горных работ по результатам инженерно-геологического районирования характеристик карьерных полей на базе геометризации всех геомеханических показателей массива горных пород. Однако, как показывает практика, проектные решения по основным составляющим вскрышных и добычных работ принимается без учета изменчивости инженерно-геологических и геомеханических условий горного массива карьерных полей. При этом изменение прочностных характеристик пород бортового массива во времени часто не принимается во внимание, что приводит к снижению достоверности определения коэффициента запаса.
В последнее время было выполнено достаточно много исследований, целью которых являлось инженерно-геологическое районирование карьерных полей по условиям устойчивости от-
косов и разработка горно-технологических решений по выбору систем отработки месторождений и управлению откосами с помощью специальных методов. При оценке устойчивости откосов использовали условно-мгновенные показатели прочности горных пород с учетом коэффициентов структурного ослабления массива [13].
Из технологических процессов на устойчивость откосов скальных и полускальных пород и на величину угла наклона бортов наибольшее влияние оказывают буровзрывные работы [4].
Взрыв как бы моделирует в миниатюре землетрясение, эпицентр которого находится в месте заложения заряда ВВ. На поверхности зарядной камеры при взрыве возникает импульс напряжений равный (10—30)10 МПа.
С увеличением глубины карьера и при наличии подработки изменяется характер распределения напряжения в породном массиве, по борту карьера и у подошвы откоса возникает наибольшая концентрация сдвигающих напряжений, что частично изменяет общее напряжение поля и образует опасные деформации. Следует отметить, что разрушения, в результате буровзрывных работ, проникают вглубь массива и влияют на устойчивое состояние бортов карьера. Например, перебур скважин порядка 3 м значительно разрушает верхнюю часть откоса будущего горизонта и вдоль него при этом предохранительные и транспортные бермы становятся малоустойчивыми.
Массовые взрывы вблизи предельного контура борта создают зону частичного дробления пород, распространяющуюся на 60—70 м от места взрыва, резко ослабляя их прочность и ускоряя процесс выветривания. Кроме того, заметно изменяется и напряженное состояние массива, что уменьшает прочность связи пород по наиболее слабой поверхности массива и при небольшом запасе устойчивости приводит к внезапным обрушениям значительных участков бортов карьера.
Как показывает практика, вопросы применения специальных методов ведения горных и буровзрывных работ для обеспечения устойчивости бортов карьера решаются в зависимости от горно-геологического строения прибортного массива и горнотехнических условий отработки карьера. Следует отметить, что поверхности структурного ослабления пород существенно влияют на ширину зоны разрушения. Поэтому применяемые на карьере Мурунтау сейсмобезопасные методы ведения БВР можно считать как одним из технологических приемов, способствую-
щих обеспечению устойчивости бортов глубоких карьеров при комбинированном способе разработки золотосодержащих руд круто-наклонного падения в сложных сейсмо-тектонических условиях.
Наряду с чем, разработан комплексный метод прогноза и контроля устойчивости прибортового массива карьера на базе новейших достижений маркшейдерских технологий спутникового позиционирования, а также разработана методика наблюдений за геомеханическими процессами с использованием электронно-оптических приборов и технологий GPS, что позволит в перспективе осуществить мониторинг за деформационными процессами и контроля в режиме on-line за состоянием прибор-тового массива карьера «Мурунтау».
Предлагаемая методика наблюдений с использованием GPS позволяет успешно решать задачу оценки состояния устойчивости откосов по всему периметру и прилегающих территорий, а также на всю постоянно растущую глубину подрабатываемого карьера, что позволяет:
• повысить качество разрабатываемых проектов карьеров с учетом устойчивости уступов бортов карьера по данным мониторинга природных и техногенных факторов;
• сократить затраты на проведение дорогостоящих полевых работ;
• использовать наиболее оптимальные методы расчета устойчивости бортов карьера;
• оценить влияние различных факторов на геомеханическое состояние массива горных пород;
• определить тектоничсекие подвижки горных блоков в пределах существующих разломов.
Оценка и прогноз устойчивости борта карьера в условиях комбинированной разработки — это инновационное направление в исследовании геомеханических процессов и в информационном обеспечении САПР при рациональном и безопасном освоении недр.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каплунов Д. Р., Рыльникова М. В., Калмыков В. Н. Комбинированная разработка рудных месторождений. Мировая горная промышленность 2004—2005 г.: история, достижения, перспективы. — М.: НТЦ «Горное дело», 2005.
2. Сытенков В. Н., Абдуллаев У. М., Силкин А. А. Перспективы применения комбинированной разработки месторождения Мурунтау // Горный вестник Узбекистана. — 2004. — № 2.
3. Кучерский Н. И. Современные технологии при освоении коренных месторождений золота. — М., 2006.
4. Брайт П. И. Геодезические методы определения смещений на оползнях. — М.: Недра, 1965.
5. Артиков Т. У., Марков А. В. К обобщению закона повторяемости землетрясений // Узбекский геологический журнал. — 1989. — Вып. 2. — С. 48-50.
6. Сейсмичность Западного Узбекистана / Под ред. Ю. В. Ризни-ченко. — Ташкент: Фан, 1972. — 152 с.
7. Ржевский В.В., Новик Г. Я. Основы физики горных пород, изд. 4. — М.: Недра, 1984. — 360 с.
8. Силкин А. А., Кольцов О. Н. и др. Управление долговременной устойчивостью откосов на карьерах Узбекистана. — Ташкент: Фан, 2005.
9. Быковцев А. С., Прохоренко Г. А., Сытенков В. Н. Моделирование геодинамических и сейсмических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых. — Ташкент: Фан, 2000. — С. 20—64.
10. Усманов ФА. Математические методы в региональной геологии и металлогении. — Ташкент: Фан, 1984. — 210 с.
11. Прогноз сейсмической опасности Узбекистана. Т. 1. — Ташкент: Фан, 1994. — 284 с.
12. Рахимов В.Р., Мурзайкин И.Я. Определение неотектонических подвижек скальных блоков геодезическими способами // Горный вестник Узбекистана. — 2006. — № 2.
13. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов, уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. — М.: ВНИМИ, 1972. —165 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Саййидкосимов Саййиджаббор Саййидкосимович — кандидат технических наук, профессор, зав. кафедрой, e-mail: [email protected],
Ташкентский государственный технический университет им. А.Р. Беруни, Узбекистан.
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 6, pp. 289-310. S.S. Sayyidkasimov
CLASSIFICATION OF RHYTHMS OF SOCIAL AND ECONOMIC DEVELOPMENT FOR ANALYSIS AND FORECAST OF ENVIRONMENTAL MANAGEMENT CASES
The article presents the analysis of the status and opportunities for integrated evaluation of gold deposits deep and steep downs with a complex tectonic structure is located in seismic active areas.
For example, deposits of Muruntau shows the possibility of combined development of open-underground mining method given the variability of the geometry of the distribution of
UDC 622.271: 553.411
geomechanical performance of the mountain massif within the boundaries of the quarry and mine fields that allow to a priori estimate and predict the stability of undermined pit walls and slopes of ledges. Found that practicing vnekurortnyh reserves Muruntau is planned to conduct an underground way of using them for opening the exhaust benches, which will run major production. Furthermore, the underground mining of these reserves is conducted in parallel with an open mining using career paths and mining and transport equipment.
Key words: underground mining, ore reserves, exploration shaft, sidewall reserves, hybrid mining method, geomechanical system, seismic-tectonic conditions, rock hardness factor, rock mass jointing system, opening-up of a deposit, benching.
AUTHOR
Sayyidkosimov S.S., Candidate of Technical Sciences, Professor, Head of Chair, e-mail: [email protected], Tashkent State Technical University named after A.R.Beruni, 100095, Tashkent, Uzbekistan.
REFERENCES
1. Kaplunov D. R., Ryl'nikova M. V., Kalmykov V. N. Kombinirovannaya razrabotka rudnykh mestorozhdeniy. Mirovaya gornaya promyshlennost' 2004—2005 g.: istoriya, dostiz-heniya, perspektivy (Hybrid mining of ore reserves. World mining industry 2004—2005: History, progress, prospects), Moscow, NTTs «Gornoe delo», 2005.
2. Sytenkov V. N., Abdullaev U. M., Silkin A. A. Gornyy vestnik Uzbekistana. 2004, no 2.
3. Kucherskiy N. I. Sovremennye tekhnologii pri osvoenii korennykh mestorozhdeniy zolota (Modern technologies in mining primary gold deposits), Moscow, 2006.
4. Brayt P. I. Geodezicheskie metody opredeleniya smeshcheniy na opolznyakh (Surveying methods in determination of landslide displacements), Moscow, Nedra, 1965.
5. Artikov T. U., Markov A. V. Uzbekskiy geologicheskiy zhurnal. 1989, issue 2, pp. 48—50.
6. Seysmichnost' Zapadnogo Uzbekistana. Pod red. Yu. V. Riznichenko (Seismicity in the Western Uzbekistan, Riznichenko Yu. V. (Ed.)), Tashkent, Fan, 1972, 152 p.
7. Rzhevskiy V. V., Novik G. Ya. Osnovy fiziki gornykh porod, izd. 4 (Basic physics of rocks, 4th edition), Moscow, Nedra, 1984, 360 p.
8. Silkin A. A., Kol'tsov O. N. Upravlenie dolgovremennoy ustoychivost'yu otkosov na kar'erakh Uzbekistana (Long-terms slope stability control in open pit mines in Uzbekistan), Tashkent, Fan, 2005.
9. Bykovtsev A. S., Prokhorenko G. A., Sytenkov V. N. Modelirovanie geodinamich-eskikh iseysmicheskikh protsessovpri razrabotke mestorozhdeniypoleznykh iskopaemykh (Ge-odynamics and seismicity modeling in mineral mining), Tashkent, Fan, 2000, pp. 20—64.
10. Usmanov FA. Matematicheskie metody v regional'noy geologii i metallogenii (Mathematical methods in regional geology and metallogeny), Tashkent, Fan, 1984, 210 p.
11. Prognoz seysmicheskoy opasnosti Uzbekistana. T. 1 (Seismic hazard prediction in Uzbekistan, vol. 1), Tashkent, Fan, 1994, 284 p.
12. Rakhimov V. R., Murzaykin I. Ya. Gornyy vestnik Uzbekistana. 2006, no 2.
13. Metodicheskie ukazaniya po opredeleniyu uglov naklona bortov, otkosov, ustupov i otvalov stroyashchikhsya i ekspluatiruemykh kar'erov (Instructional guidelines on slope angles for walls, benches and dumps in open pit mines under construction and operation), Moscow, VNIMI, 1972, 165 p.
