оптимизация конструкций бортов карьеров кольского

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).