оптимизация конструкций бортов карьеров кольского
реклама
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ БОРТОВ КАРЬЕРОВ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА В КОНЕЧНОМ ПОЛОЖЕНИИ Н.Н. Мельников, А.А. Козырев, С.П. Решетняк, Э.В. Каспарьян, В.В. Рыбин (Горный институт КНЦ РАН); И.В. Мелик-Гайказов, (ОАО «Ковдорский ГОК»); В.С. Свинин, А.Н. Рыжков, (ОАО «Апатит») Проблема оптимизации конструкций бортов карьеров всегда актуальна для открытых горных работ, так как неразрывно связана с возможностью радикального сокращения затрат на эксплуатацию месторождения в целом за счёт снижения объёмов вскрышных работ, либо роста доли отработки запасов месторождения эффективным открытым способом при экономически приемлемом коэффициенте вскрыши. Ожидаемый результат проводимых с этой целью исследований заключается в создании комплексной наукоёмкой технологии формирования предельных бортов карьера с обоснованием их параметров и конструкций, оптимальных по отношению к инженерногеологическим и геомеханическим условиям конкретных участков массива. К настоящему времени горная наука и геомеханика, в частности, достигла такого уровня развития, когда в короткое время и с приемлемой точностью возможно получить необходимую информацию о свойствах и состоянии отдельных участков массива горных пород, вскрываемых карьером, и в соответствии с полученной информацией обосновывать оптимальные конструкции уступов и бортов карьеров. При этом становится в принципе возможным отказаться от принятой до настоящего времени практики назначения одной какой-либо конструкции уступа и борта для всего карьера, как правило, отвечающей наиболее худшим геомеханическим условиям. Однако при таком подходе первоочередной задачей становится необходимость разработки достаточно гибкой технологии оформления уступов и бортов с тем, чтобы можно было бы безболезненно изменять их конструкции в соответствии с изменяющимися параметрами массивов пород. Первые шаги в указанном направлении нами сделаны по результатам детальных исследований на карьерах предприятий Кольского полуострова ОАО «Ковдорский ГОК» и ОАО «Апатит». При этом во многих случаях удалось существенно увеличить углы наклона бортов и это вызвало существенную экономию средств, поскольку каждый градус наклона борта приводит к снижению объёма вскрышных пород на 3-4% от их общего объёма. В целом увеличение углов наклона бортов работающих в настоящее время карьеров может достигать десяти градусов, и тогда экономический эффект от реализации этой разработки составит нескольких сотен миллионов рублей на каждом карьере. Уменьшение объёмов пустых пород, которые необходимо было бы вывезти и разместить в отвалах при существующих значениях углов наклона бортов, для карьера глубиной порядка 500 м составляет около 80 млн. м3. В определённых случаях за счёт перехода на более крутые борта может быть также увеличена на несколько десятков и даже сотен метров глубина открытых горных работ. Реализация подхода создания бортов оптимальных конструкций, жёстко увязанных с общими инженерно-геологическими и геомеханическими условиями массивов горных пород, возможна только при резком повышении культуры производства и, в частности, в результате осуществления ряда мероприятий, среди которых – обязательное применение передовых методов буровзрывных работ, обязательное обезопашивание поверхностей уступов, тщательное оформление и зачистка предохранительных берм, разработка и применение гибких технологий крепления уступов, приобретение дополнительного специального оборудования, организация новых служб в составе предприятия, перманентный мониторинг состояния уступов и борта в целом, ужесточение технологической дисциплины ведения горных работ в карьере и многое другое. В настоящее время существующие нормативные документы и принятые методы оценки устойчивости откосов уступов и бортов карьеров базируются, главным образом, на положениях механики грунтов и в своё время были разработаны, в основном, для относительно неглубоких карьеров в условиях массивов, представленных рыхлыми или непрочными осадочными породами. Распространение этих методов на скальные породы сопровождается излишним запасом в расчётах конструкции бортов и уступов, поскольку при этом не учитываются специфические особенности скальных массивов, а именно – их иерархично блочное строение и естественное напряжённое состояние, обусловленное во многих случаях действием гравитационно-тектонических полей напряжений. Наиболее общим подходом к оценке устойчивости обнажений пород вне зависимости от конкретных свойств и состояния рассматриваемых массивов и от способа разработки месторождений полезных ископаемых является рассмотрение условий образования вокруг выработок (как открытых, так, кстати, и подземных) изменённого поля напряжений с формированием нескольких зон пород, свойства и состояние которых отличаются от своих первоначальных и от состояния пород вне области влияния горных работ /1/. Устойчивость выработок определяется, главным образом, параметрами первой от контура обнажения зоны, которую называют по-разному – зона ослабленных пород, зона нарушенных пород, зона раскрытых трещин и т. д. Поскольку в формировании «ослабленной зоны» весьма велика роль технологических воздействий, большое внимание уделялось разработке специальных методов ведения взрывных работ с целью уменьшения их динамического воздействия на законтурный массив. Одним из путей резкого снижения взрывных нагрузок на массив является предварительное щелеобразование или же применение методов контурного взрывания, принципы которого достаточно разработаны, и в настоящий момент его применение на отечественных предприятиях сдерживается отсутствием буровых станков с уменьшенным диаметром бурения и специальных зарядов для контурных скважин /2/. Увеличение генерального угла наклона борта в целом конструктивно достигается уменьшением количества и ширины предохранительных берм на нём, а также – увеличением углов откоса отдельных уступов в конечном положении. В соответствии с ранее действовавшими правилами безопасности ширина предохранительных берм определялась требованиями обеспечения возможностей их регулярной механизированной очистки от осыпаний и вывалов пород с откосов уступов, особенно с их верхней части, разрушенной перебурами при ведении взрывных работ на вышележащем горизонте. Но регулярность очистки ничем конкретно не регламентировалась – ни указанием предельно допустимой ширины осыпи на берме, ни предельным объёмом осыпавшихся пород. Опыт показывает, что в относительно ненарушенных скальных массивах интенсивность осыпания пород с откосов заоткошенных уступов уменьшается с течением времени, и бермы в течение 15-20 лет засыпаются лишь примерно на треть или половину своей ширины даже с учётом интенсивного обрушения пород в районе верхней бровки уступа. Поэтому ширина предохранительных берм при наклонных откосах и спаренных по высоте двадцатичетырёх- и тридцатиметровых уступах в массивах скальных пород может не превышать 5 м вместо обычно применяемых 10-12 м, а частота очистки берм на необходимых участках достаточна не более двух-трёх раз в год после снеготаяния и продолжительных дождливых периодов. Перспективным направлением оптимизации конструкций бортов карьера может быть уменьшение числа предохранительных берм. Исходя из положения о том, что они служат, в основном, для задержания выпадающих из откосов камней, следует по мере отстройки междусъездовых участков борта в предельном положении, их откосы в случае необходимости закреплять анкерами, металлическими или пластиковыми сетками и пр. Со временем откосы стабилизируются, и их разрушение в значительной степени замедляется. Кроме того, возможно применение предохранительных ограждений из сетки на откосах высоких уступов по аналогии со способами, применяемыми на строительстве автодорог. Формируемые при этом борта карьера являются устойчивыми с позиций геомеханики. Количество транспортных берм в поперечном сечении по борту определяется геометрией карьерного поля и выбранной схемой развития системы автосъездов, что также влияет на общий угол наклона борта карьера. Рассмотренный подход к определению параметров уступов и бортов карьера отличается общностью и позволяет достаточно легко учитывать изменчивость входных параметров – свойств, структуры и напряжённо-деформированного состояния рассматриваемого массива скальных горных пород, а также – технологических особенностей формирования бортов, и при этом обосновывать необходимые мероприятия по обеспечению устойчивости дифференцированно для каждого сочетания действующих факторов. Наилучшим образом это реализуется путём построения различных моделей. Обычно первым этапом при этом является разработка инженерно-геологической модели массива пород, а затем на её базе создаётся геомеханическая модель рассматриваемого сооружения (борта карьера в целом или его участка). Такой подход был весьма успешно применён для обоснования конструкции бортов карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК». При этом инженерногеологическая модель была создана в результате многолетних исследований специалистами Федерального государственного унитарного предприятия «Институт ВИОГЕМ» /3/. Геомеханическая модель (рис. 1) создавалась сотрудниками Горного института КНЦ РАН на базе непосредственных измерений параметров поля напряжений методом разгрузки и анализа керна структурных скважин. Как показывают исследования Горного института КНЦ РАН по геомеханическому и технологическому обоснованию повышения углов наклона бортов карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК», учёт тектонической составляющей поля напряжений в расчёте устойчивости позволяет увеличить значения углов откоса борта карьера в конечном положении до 60º более чем на половине контура карьера, т. е. на 1015% больше по сравнению со значениями, полученными с использованием методик, учитывающих только собственный вес пород /3/. Рис.1. Схема разделения массива Ковдорского месторождения на 20 инженерно-геологических блоков (ФГУП «ВИОГЕМ») и ширина выделяемых расчётных блоков для различных участков карьера (ГоИ КНЦ РАН): 1 – границы и номера инженерногеологических блоков; 2 – зоны й Для проверки рекомендаций и приобретения необходимого опыта формирования и эксплуатации бортов новой конструкции, на карьере рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» был организован опытно-промышленный участок (ОПУ) из сдвоенных по высоте уступов с вертикальными Рис. 3. Типовая конструкция станции по измерению параметров напряжённодеформированного состояния породного массива методом разгрузки: общая длина скважины – 50 м, участок измерений методом разгрузки – 15 м откосами − на северо-восточном и западном бортах. На рис.2, в качестве примера показаны Рис. 2. Уступы с вертикальными откосами на североуступы с вертикальными восточном борту карьера рудника «Железный ОАО откосами в северо-восточной «Ковдорский ГОК» части ОПУ карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК». Работы по оптимизации конструкции бортов карьеров выполняются в настоящее время и на рудниках ОАО «Апатит», где геомеханическая обстановка чрезвычайно сложна вследствие высокой естественной напряжённости массивов пород, их сильной структурной нарушенности и больших масштабов разработок. Горный институт КНЦ РАН ведёт работы по геомеханическому и технологическому обоснованию возможности увеличения углов наклона бортов карьеров применительно к Ньоркпахкскому карьеру Восточного рудника и карьеру Центрального рудника. Для разработки инженерно-геологических моделей Ньоркпахкского месторождения и месторождения «Плато Расвумчорр», привлекаются специалисты Геологического института КНЦ РАН, геомеханические модели разрабатываются Горным институтом КНЦ РАН с привлечением всех имеющихся данных о свойствах, структуре и состоянии массива, дополняемых в ходе специальных экспериментальных работ. Для решения задач оптимизации конструкции нерабочих бортов, проведения экспериментов по уточнению геомеханического состояния массивов пород, разработки технологии отстройки уступов с вертикальными откосами непосредственно в Ньоркпахкском карьере и в карьере Центрального рудника организованы ОПУ. Одной из главных задач исследований геомеханического состояния массива пород в пределах опытно-промышленных участков исследуемых месторождений является определение параметров поля действующих напряжений. На рис. 3 в качестве примера показана типовая конструкция станции по измерению параметров напряжённодеформированного состояния породного массива методом разгрузки и графики напряжений по одной из измерительных скважин, пробуренной на горизонте +595 м Центрального рудника ОАО «Апатит». На рис.4 приведён график распределения напряжений по длине скважины. К настоящему времени проведены исследования на 9 измерительных станциях исследуемых месторождений. Отмечено хорошее соответствие между абсолютной отметкой, на которой расположена станция, и значением максимальной компоненты Переход на новые параметры бортов карьеров позволяет увеличить их предельные глубины на несколько сотен метров с соответствующим увеличением запасов полезных ископаемых и продлением сроков эксплуатации предприятий. stress, Mpa квазиглавных напряжений σmax, с ростом глубины заложения станции σmax увеличивается, 20 что соответствует теоретическим 10 0 представлениям /4/. -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 depth, m Рис. 4. Распределение напряжений по длине исследовательской скважины; графики 1, 2, 3 – соответственно, распределение максимальной, минимальной и максимальной касательной компонент квазиглавных напряжений по длине участка измерений в скважине В результате проведённых исследований для карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» показана возможность развития горных работ до глубины свыше 700 м от поверхности без расширения верхнего контура карьера, с минимизацией объёмов вскрышных работ и вовлечением в разработку глубинных запасов месторождения. Регламент на перепроектирование конечного контура карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» принят проектным институтом ОАО «Гипроруда» в качестве основы для составления нового проекта. Работа выполнена при поддержке средствами гранта РФФИ № 05-05-97523. ЛИТЕРАТУРА 1. Methodical approach to value of an optimal open pit slope angle in hard rocks / Nikolay N. Melnikov, Anatoliy A. Kozyrev, Serguei P. Reshetnyak, Eduard V. Kasparian, Vadim V. Rybin // Proceedings of the ISRM International Symposium, 3rd ARMS, Ohnishi & Aoki (eds); Millpress, Rotterdam, 2004, pp. 509-513. 2. Фокин В.А. Проектирование и производство буровзрывных работ при постановке уступов в конечное положение на предельном контуре глубоких карьеров. – Апатиты, изд. Кольского научного центра РАН, 2004, – 232 с. 3. Геомеханическое и техническое обоснование оптимальных конструкций уступов и бортов основного карьера / А.Н. Быховец, Г.Е. Тарасов, А.А. Козырев, С.П. Решетняк, С.С. Серый, Н.В. Черевко // Горный журнал, Специальный выпуск, 2002, – C. 13-17. 4. Управление горным давлением в тектонически-напряжённых массивах /А.А. Козырев, В.И. Панин, В.И. Иванов, С.Н. Савченко и др. – Апатиты, изд. Кольского научного центра РАН, 1996. – 321 с. (в двух частях).
