CC BY
29
© A.B. Яковлев, Н.И. Ермаков, 2007
УДК 622.271
A.B. Яковлев, Н.И. Ермаков
ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПОЛЗНЕВЫЕ БОРТА РУДНЫХ КАРЬЕРОВ *
Семинар № 11
Экономичность добычи полезных ископаемых открытым способом определяется, главным образом, коэффициентом вскрыши, величина которого зависит от углов наклона бортов карьера. То есть, устойчивые параметры бортов устанавливаются на основе информации о прочностных свойствах и структуре прибортовых массивов. В свою очередь, зафиксированное современное структурное строение массива рудных месторождений и свойства пород являются отображением тектонической активности региона в прошедшие геологические периоды. Однако тектоническая активность в рудных провинциях имеет место и в настоящее время и оказывает влияние на консо-лидированность вмещающих пород месторождения и на фактические свойства пород. Порой тектоническая активизация вызывает образование в массиве новых структурных элементов в деструктивной форме и в виде сколовых трещин, когда идет возобновление залеченных минералами старых структур. Другими словами, современная тектоническая активность в сейсмически нестабильных районах, к которым приурочены рудные месторождения, порождает подвижность всего массива, что приводит к ухудшению прочностных характеристик по контактам трещин и наруше-
ний и значительной дезинтеграции массива. В конечном итоге именно ухудшающимися прочностными свойствами контактов блоков пород по швам дизъюнктивов, находящихся в прибортовом массиве, определяется устойчивость бортов в скальных массивах рудных карьеров.
Еще до появления искусственного углубления в форме карьера можно судить о появлении процессов дезинтегрирования массива при ведении горных работ, которые впоследствии окажутся главными причинами оползневых явлений в бортах карьера. Периодические наблюдения за перемещением отдельных точек поверхности месторождений с помощью комплекса спутниковой геодезии GPS свидетельствуют о деформациях коры в области рудной залежи и на удалении от карьеров. С углублением карьеров зона влияния горной выработки и интенсивность деформационных процессов вблизи карьера возрастают, особенно высокая интенсивность деформаций приурочена к приборто-вым массивам. Если на стадии строительства карьера оставить без внимания физические изменения в геологической среде в прибортовых массивах карьера и не изучать их структуру, то на более поздней стадии деформационного процесса к исследованию структуры верхних горизонтов уже не
* Работа выполнена при поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации 204
вернуться из-за осыпей. Если затем на нижних горизонтах будут проявляться деструктивные деформации массива, то при корректировке проектных решений по параметрам бортов придется уже принимать довольно низкие физико-механические характеристики породных контактов, не соответствующие фактическим условиям, а также их неблагоприятную ориентировку в при-бортовом массиве. В конечном итоге реконструкция борта приведет к экономически невыгодному варианту по объемам вскрышных работ.
Следовательно, чтобы избежать негативных экономических последствий для предприятия от такой реконструкции карьера, необходима предварительная оценка возможностей проявления оползневых деформаций уже в период составления ТЭО. Такая ситуация, например, может возникнуть при разработке ТЭО и последующего проекта отработки Качканарского месторождения железо-титано-ванадиевых руд на Среднем Урале. Для оценки возможности риска проявления указанных оползневых деформаций при-бортового массива в процессе эксплуатации месторождения при принятой довольно высокой крутизне бортов, кроме прочностных показателей пород, необходимо задействовать дополнительные факторы, которые пока не фигурируют в инструктивных документах по обоснованию устойчивости бортов карьеров.
Задействовав при расчетах наклона бортов карьера дополнительные геологические и геодинамические факторы месторождения, на ряде участков можно получить альтернативную ситуацию с устойчивостью бортов, даже если в ТЭО углы наклона бортов не превышают 30-35°. В таком случае прибор-товой массив в соответствующем проектном решении нельзя считать устойчивым. То есть ряд участков приборто-
вого массива при соответствующей конструкции можно отнести к потенциально оползневым (квазиустойчивым).
Термин «потенциально оползневые борта» в технической литературе горного профиля не распространен, но в этом есть необходимость, поскольку уже на стадии проектирования по комплексу геологических и геофизических данных становится ясно, с каким по сложности объектом в части деформации бортов карьера горняки будут иметь дело при отработке месторождения открытым способом. Чем сложнее в структурном плане обустроен массив месторождения, тем большим окажется риск проявления в прибортовом массиве современных тектонических деформаций даже при прочных рудах и вмещающих породах.
Поэтому под термином «потенциально оползневой борт» мы понимаем участок прибортового массива, в котором под влиянием горных работ и внешних природных факторов постоянно происходят негативные изменения, приводящие к деформированию соответствующего участка массива. Это означает, что в процессе ведения горных работ мы столкнемся с постоянно деформирующимся прибортовым массивом горных пород, приуроченном к тектонически активной части земной коры.
Понятие о потенциально оползневом состоянии массива борта возникло в результате исследования устойчивости прибортовых массивов и изучения деформационного поведения бортов некоторых рудных карьеров, на которых оползневые процессы происходили ранее или находятся на заключительной стадии подготовки в настоящее время. К ним можно отнести Коршуновский и Рудногорский железорудные карьеры, расположенные в АнгароИлимском железорудном районе в 100 км друг от друга, меднорудный карьер
Барсучий Лог и Киембаевский асбестовый карьер, находящиеся в Южном Урале в 150 км друг от друга, а также Главный карьер Качканарского ГОКа. Отдельные участки бортов многих других карьеров, на которых в разное время произошли оползневые деформации, вероятно, можно также отнести к потенциально оползневым. Все они территориально расположены в сейсмически активных рудных провинциях, где с помощью геодезических приборов установлены современные подвижки земной поверхности. Несомненно, что такие горные массивы рудных месторождений предрасположены к оползневым деформациям, поскольку проектные углы наклона бортов многих карьеров приняты без учета влияния тектонических процессов, происходящих в прибортовых массивах карьеров.
С другой стороны, нельзя же все борта карьеров только по одному фактору интенсивных перемещений блочного массива относить к потенциально оползневым, поскольку практически подвижными являются крупные структуры всех рудных месторождений. Тогда следует ответить на вопрос, что же, прежде всего, характерно для потенциально оползневых бортов рудных карьеров? Ответим на этот вопрос примерами.
Так, для перечисленных объектов характерно широкое распространение тектонических деструктивных и сдвиговых нарушений с многообразием заполнителей швов, свидетельствующих о неоднократно возобновляемых и унаследованных тектонических процессах в массиве со времени образования месторождения. Соответствующие швы дизъюнктивов обычно содержат информацию о взаимном перемещении крыльев нарушений в текущий геологический период в отсутствие горных работ и в период формирования карьерного пространства. Это не менее важ-
ные индикаторы подвижности геологической среды, чем инструментальные замеры перемещений отдельных точек массива.
Особенность деформирования потенциально оползневых прибортовых массивов состоит в том, что направление перемещений по плоскостям дизъ-юнктивов имеет широкий спектр, то есть междублоковые подвижки, приводящие к разуплотнению прибортовых массивов и способствующие формированию поверхности скольжения оползневой призмы, регулярно меняют направленность. В конечной стадии деформирования прибортового массива перед оползневым явлением выделяется система плоскостей нарушений в виде фрагментов поверхности скольжения.
В настоящее время информация о потенциальной склонности пород месторождения к формированию фрагментов оползневых поверхностей скольжения по результатам геологоразведочных работ обычно отсутствует совсем. То есть, нет информации о заполнителях трещин шарьяжных и пологопадающих нарушений, нет сведений об индикаторах современных подвижек в виде штрихов и борозд скольжения. К сожалению, такая задача геологам при разведке месторождений не ставилась. Однако, тщательное изучение геологической документации позволяет обнаружить некоторую информацию для решения этого вопроса. Например, на стадии оценки промышленных кондиций полезных минералов, а также при подсчете балансовых запасов руды в залежи геологами использовались материалы по строению рудного массива и вмещающей породной толщи, а также, частично, по геодинамике месторождения, исходя из геометрии рудной залежи.
Достаточно ли имеющейся в наличии геологической информации о ме-
сторождении на соответствующем горном предприятии для объективной оценки всех параметров геологической среды месторождения? На сегодняшний день недостаточно. Требуется дополнительное изучение некоторых факторов, среди которых главным является природное поле напряжений на месторождении. Хорошо, если на месторождении сохранился керновый материал из скважин. Ведь кроме физикомеханических свойств пород по керно-вому материалу можно выделить и ряд факторов, которые характеризуют современное деформирование массива. К ним следует отнести:
- наличие зеркал скольжения на образцах керна;
- наличие разрушенных до дресвы породных интервалов на фоне нормального кернового материала;
- тип трещинного заполнителя (глинка трения, гематит и т.д.)
- сильная тектоническая расчлененность некоторых участков массива.
Могут быть еще дополнительные факторы, не зафиксированные при описании керна. Например, при разведочных работах в случае обнаружения дискования керна можно судить о действии тектонического поля напряжений на данном участке и предполагать на соседних по глубине и латерали участках наличие подвижных зон массива. Индикатором действующего тектонического поля напряжений на месторождении может служить морфология рельефа поверхности: глубокая врезка речных долин, речные перекаты.
В процессе ведения горных работ о потенциально оползневом характере набирающих амплитуду деформаций соответствующего прибортового массива начинают свидетельствовать эшелонированные отрывные трещины на верхних бермах карьера, проявляющиеся задолго до самого оползневого процесса, или кинематические трещи-
ны на поверхностях обнажений. Такие участки распознаются без специальных средств геодезического или маркшейдерского наблюдения за деформациями прибортового массива. Уже по этим индикаторам перемещений массива соответствующий борт карьера следует отнести к потенциально оползневым.
Для дальнейшего мониторинга деформаций массива в потенциально оползневых бортах необходима установка реперов. При регулярном наблюдении за ними к индикаторам динамичной подвижности блочной структуры в массиве следует отнести чередующиеся во времени деформации сжатия и растяжения соседних участков массива. Подвижность приборто-вого массива отражается через состояние тектонических швов нарушений. Индикатором изменения их состояния является непостоянство влагопрони-цаемости некоторых участков бортового массива в месте выхода швов на поверхность обнажения. О подвижности прибортового массива также свидетельствуют изменения электропроводности прибортовой части массива, фиксируемые при мониторинговых наблюдениях.
Обычно выявленные индикаторы подвижности массива отражают разную степень дезинтеграции массива. Если, например, борозды скольжения на кальцитовом заполнителе швов трещин показывают только на начало формирования поверхностей скольжения, то зеркала скольжения на глинистом заполнителе швов трещин или нарушений подчеркивают этап завершения формирования поверхности скольжения. Высокая интенсивность дискования керна на соответствующем участке массива отражает этап эмбриональных подвижек в окружающем массиве, характерный для начала формирования оползневой призмы. Это стадия предразрушения массива вблизи
тектонически напряженного участка. Резкое увеличение скорости подвижности всех наблюдательных реперов, если такие имеются, является объективным интегральным индикатором перемещения оползневой призмы на завершающем этапе оползневого процесса. Однако из всех ранее перечисленных индикаторов подготовки оползневого процесса, как правило, используется только скоростной параметр перемещения точек поверхности прибор-тового массива.
Между прочим, перечисленные признаки подвижности массива характеризуют современную геодинамику месторождения. То есть названные индикаторы подвижности отражают тектоническую активность массива месторождения или потенциальную опасность оползневых явлений в будущем. После выявления потенциально оползневых или геодинамически активных участков прибортового массива следует следить за их поведением во времени.
Проследить за регулярными изменениями напряженного состояния в массиве месторождения можно с помощью комплекса спутниковой геодезии GPS, для чего следует оборудовать постоянные пункты наблюдений. которые должны размещаться в определенных местах в соответствии с характером тектонической нарушенности массива месторождения. Количество таких пунктов или их плотность диктуется расположением в массиве тектонических швов дизъюнктивов. То есть выбор места расположения наблюдательных пунктов определяется исходя из предварительных геологических данных о строении массива пород месторождения. Опыт установки пунктов наблюдения показывает, что они не должны разноситься между собой на значительные расстояния. Чрезмерное сближение их также может привести к потере информации.
Как показали результаты наблюдений за оползневыми деформациями северо-западного борта Коршуновского карьера, непосредственно перед оползневым явлением на участке интервалы между реперами изменяют знак деформации, чаще всего от сжатия к растяжению. При этом критическая скорость перемещения, установленная нормативными документами, не проявляется вплоть до последней стадии, которая проходит очень динамично. Примечательно, что здесь все оползневые деформации развивались при очень пологом угле наклона борта карьера (около 20°). Фактический угол наклона борта оказался чуть ли не в два раза меньше проектного.
Между тем, фактическая склонность северо-западного борта к оползневым деформациям могла быть спрогнозирована уже на стадии вскрышных работ, когда последовательно или совместно стали проявляться вышеуказанные индикаторы перемещений в породном массиве месторождения. Например, было обнаружено, что ранее при бурении разведочных скважин в районе отвала №1 около карьера в одной из скважин зарегистрировано наличие дисков керна на глубине 38-40 м от дневной поверхности. Анализ материалов бурения другой скважины показал наличие «зеркал скольжения» на глубине 18-20 м. В ряде других буровых скважин при бурении было зарегистрировано множество зон дробления пород, начиная с глубины 11 м. Мощности этих породных зон, раздробленных до состояния дресвы, достигают около 0,5 м.
Не случайно, что геологическое строение породного массива в АнгароИлимском рудном районе, где находится Коршуновский карьер, свидетельствует о высокой интенсивности геоди-намических процессов в массиве месторождения с момента его образова-
ния. Такой вывод вытекает из характера структуры покрывающей толщи и ее цветовых коллажей на фоне серой или темно-серой породной массы. Так, значительные по площади участки вскрышных пород здесь окрашены в яркокрасные или вишневые цвета, и наоборот, породы красного цвета вдоль нарушений в результате тектонических деформаций и синхронного процесса метасоматоза стали серыми. Участками разуплотенный массив месторождения с высокими фильтрационными характеристиками также является результатом современной подвижности поверхностной этой части земной коры.
При исследовании потенциально оползневого участка борта Коршуновского карьера удалось увязать этап деформирования прибортового участка массива на последней оползневой стадии с процессами формирования всей оползневой призмы. Не будь процессов предварительного деформирования массива накануне заложения здесь карьера, процесс подготовки оползневой призмы затянулся бы на десятилетия или не проявился бы совсем.
Следовательно, в период времени, когда происходит формирование оползневой призмы в прибортовом массиве, следует говорить только о потенциально оползневом состоянии борта или участка борта карьера и вести постоянный мониторинг за деформированием соответствующего участка массива традиционными маркшейдерскими методами или с помощью GPS.
Период формирования оползневой призмы на северо-западном борту Коршуновского карьера составляет несколько лет, в карьере Барсучий Лог -
около 1-2 лет, а на Главном карьере Качканарского ГОКа эти процессы идут около двух десятков лет. Очень низкая скорость формирования оползневой призмы нами отмечена в восточном борту Киембаевского асбестового карьера. Скорость деформирования приведенных массивов отличается между собой, так же как различаются между собой индикаторы подвижности массива в его начальном состоянии. Предполагаем, что скорость формирования оползневой призмы связана с начальным напряженным состоянием массива месторождения и крутизной наклона борта карьера, а также с наличием горизонтально- и пологозалегаю-щих слоев или нарушений.
В структурном плане для ряда карьеров геологическая предрасположенность к оползневым процессам заключается в субгоризонтальном или наклонном тектоническом расслоении массива. Эта расслоенность присуща всем ранее указанным прибортовым массивам, которые постепенно перешли в ранг потенциально оползневых, а затем - оползневых.
По нашему мнению, правильная и детальная информация о массиве до начала отработки месторождения и процессах, происходящих в нем при отработке рудной залежи, позволяет повысить безопасность ведения горных работ. Особенно эта информация будет актуальной в процессе постановки бортов в проектное положение, а также позволит своевременно разработать технологические способы снижения подвижности массива и увеличить углы наклона бортов на потенциально оползневых участках.
— Коротко об авторах-----------------------------------
Яковлев A.B., Ермаков Н.И. - Институт горного дела УрО РАН.
