Содержание к диссертации
Введение
1 . Анализ технологии формирования и расконсервации временно нерабочих бортов карьеров. цель, задачи и методы исследований 11
1.1 .Изучение опыта разработки карьеров с использованием временно нерабочих бортов 11
1.2. Характеристика особенностей формирования и расконсервации временно нерабочих бортов карьеров 22
1.3.Характеристика основных факторов по объектам исследования 31
1.3.1 .Горно-технические-факторы 32
1.3.2.Технологические факторы 38
1.3.3 .Систематизация основных факторов, структура работы 41
1.4.Анализ современного состояния исследований, связанных с формированием и расконсервацией временно нерабочих бортов 45
1.5.Цель, задачи и методы исследований 52
2. Исследование факторов, влияющих на параметры временно нерабочих бортов 54
2.1 .Исследование состояния берм временно нерабочих бортов карьеров 54
2.1.1 . Методика получения исходных данных по состоянию откосов и берм
2.1.2. Изучение состояния откосов уступов и берм бортов 58
2.1.3. Исследование динамики параметров берм временно нерабочих бортов 72
2.2.Натурные исследование параметров движения кусков породы по откосам и бермам бортов 79
2.3.Лабораторные исследования параметров траекторий движения кусков породы на макете 84
2.3.1 .Методика проведения экспериментов на макете 84
2.3.2.Обобщение результатов лабораторных исследований 90
2.4.0ценка влияния параметров БВР на объемы сброса породы при расконсервации бортов 94 2.5.Выводы 103
3 . Методы расчетов параметров временно нерабочих бортов, выбор расчетных характеристик 105
3.1 .Методика расчета параметров берм временно нерабочих бортов 106
3.1.1 .Расчет траекторий движения кусков породы с откосов 106
3.1.2. Апробоция расчетных характеристик на карьерах 114
3.1.3 .Обоснование параметров защитных волов на бермах 118
3.2.Методика обоснования технологических параметров временно нерабочих бортов 124
3.2.1.Экономико-математическая модель оптимизации параметров временно нерабочих бортов 124
3.2.2.Анализ и оценка влияющих факторов методом численного моделирования 13 2
3.3.Выводы 136
4. Полученных результатов исследований на карьерах 138
4.1.Обоснование технологических параметров временно нерабочих бортов 138
4.1.1 .Расчет параметров предохранительных берм 13 8
4.1.2.Расчет параметров транспортных берм 143
4.2. Формирование профилей временно нерабочих бортов карьеров 147
4.3.Методика расчета опасных зон при расконсервации временно
нерабочих бортов с применением БВР 156
4.4.Выводы 159
Заключение 161
Список используемых источников 164
- Характеристика особенностей формирования и расконсервации временно нерабочих бортов карьеров
- Методика получения исходных данных по состоянию откосов и берм
- Апробоция расчетных характеристик на карьерах
- Формирование профилей временно нерабочих бортов карьеров
Характеристика особенностей формирования и расконсервации временно нерабочих бортов карьеров
Мазульский карьер
«Мазульский известковый рудник» является горнопромышленным предприятием, предназначенным для добычи флюсового известняка для АГК и отрабатывает открытым способом участок известкового месторождения, который расположен в 1 -2 км от г: Ачинска.
Массив известняков представляет собой карбонатную толщу, ограниченную с северо-востока и юго-запада крупными, почти параллельными дизъюнктивными нарушениями и поперечными разломами. В целом продуктивная толща слагается известняковыми породами. Вмещающие породы представлены глинисто-кремнистыми, углисто-кремнистыми сланцами, кварцитами, окварцованными. Контакты известняков со сланцами большей частью тектонические. Вдоль этих контактов развита кора выветривания. Сланцы в этой зоне интенсивно выветрены и обладают буровато-серой окраской. Вблизи тектонических нарушений и в зонах интенсивной трещиноватости порфириты и диабазы разрушены и выветрены до глинистого состояния. Вся масса породы сечется тонкими кварцевыми и кварцево-кальцитовыми прожилками.
Характерным для Мазульского месторождения известняков является наличие среди продуктивной толщи значительного количества дайковых пород. На месторождении наблюдается 2 типа интрузивных образований: сплошных дайковых тел и брекчий, в которых обломки известняка цементируются интрузивной породой той же фракции. Для месторождения характерно широкое развитие карстовых процессов. Карстообразрование на месторождении происходит вдоль основной системы трещиноватости известняков и вдоль тектонических нарушений.
К рыхлым отложениям вскрыши относятся образования делювиального и элювиального типов, которые представлены глиной темно-бурой, охристо-бурой, плотной, грубой, с обломками пород, соответствующих составу коренных, реже - суглинкам. В связи со значительной закарстованностью известняка в его приповерхностной части, мощности рыхлых пород имеют большие колебания, составляющие по соседним выработкам 30-40 м и более.
.В настоящее время производственная мощность рудника достигает 4670 тыс.т известняка в год, объемы вскрыши составляют 1230 тыс. м3, производительность карьера по горной массе 2960 тыс.м3. Основные параметры, характеризующие карьер (рис. 1.4): - длина по поверхности, м 2550 - ширина по поверхности, м 1180 - длина по дну, м 1880 - ширина по дну, м 50-500 - глубина карьера по борту, м 95-210 - эксплуатационные запасы известняка, млн. т 161,9 - объем вскрышных пород, млн. м3 75,7 - средний коэффициент вскрыши, м/м 1,3 - углы наклона бортов: восточного о западного 40 юго-восточного (торца) о Подготовку вскрышных пород к выемке производят с использованием взрывчатых веществ (ВВ), из которых основными являются гранулит АС-8, гранипор и гранулотол. Годовой расход ВВ до 2700 т. При этом, масса ВВ, приходящаяся на один взрыв, составляет до 30 т.
На карьере применяются экскаваторы ЭКГ-10, ЭКГ-8и, ЭКГ-5, БелАЗы грузоподъемностью до 110 т, буровые станки СБШ- 250 МН.
Временно нерабочий борт глубиной 90-110 м располагается в торце карьера. Для сокращения расстояния транспортировки вскрыши на нем Рис. 1.4. План горных работ Мазульского карьера на 1998 год.
1-2-3 - зоны исследований параметров берм временно нерабочего борта располагаются временные транспортные съезды и бермы. Ширина транспортных берм составляет 23 - 24 м. При этом бермы оборудованы предохранительными валами высотой- 1,5 м только со стороны выработанного пространства. Однако осыпание пород приводит к выкатыванию кусков породы на дороги создавая аварийные ситуации.
Периодически одна половина временно нерабочего борта разносится и на нее переносят транспортные коммуникации. При этом для уменьшения текущего коэффициента вскрыши часть добычи ведется практически под бортом.
Карьер Восточный
Карьер разрабатывает месторождение «Олимпиада», которое расположено в центральной части Енисейского кряжа и административно входит в состав Северо-Енисейского района Красноярского края. Месторождение занимает площадь 3,4 км (3,4x1 км) и разделено на два участка: Западный и Восточный. На Западном участке разведаны рудные тела №1, 2, 3; на Восточном - рудное тело №4, в котором сосредоточены основные запасы руды.
Рудная зона имеет трубообразную форму диаметром 200 - 250 м, которая под углом 60 - 70 град, погружается в восточном направлении. Максимально протяженная глубина ее составляет 850 м.
Окисленные руды представляют собой рыхлые слабосцементированные алевриты, основу которых составляют тонкозернистый кварц (до 80%), калиевые слюды (до 20%), глинистые минералы (до 5%), гидроокислы железа и марганца, окислы сурьмы и мышьяка. Золото находится в тонкодисперсном и пылевидном виде. Часть его связана с гидроокислами железа и марганца, окислами сурьмы, а часть находится в свободном состоянии. Характерной особенностью месторождения является наличие коры выветривания, ширина которой изменяется от единиц до нескольких десятков метров. Основные параметры, характеризующие карьер: - длина по поверхности, м 1230 - ширина по поверхности, м 1160 - длина по дну, м 180 - ширина по дну, м 70 - глубина карьера ,м: максимальная (южный борт) 470 минимальная (северный борт) 350 средняя 410 -объем горной массы, млн.м3 118,6 - углы откоса бортов: восточного 39 западного 37 северного 36 южного 37 Временно нерабочий борт сформирован 10 и 20 метровыми уступами глубиной до 140-180 м (рис. 1.5). Вдоль борта располагается трасса временной выездной траншеи. Угол откоса борта в верхней части 35 град., в нижней 48 град. Это позволяет вести расконсервацию борта по бедным рудам не отстанавливая добычные работы на нижних горизонтах.
Методика получения исходных данных по состоянию откосов и берм
До вскрытия карьера основным источником информации о массиве являются керны разведочных и инженерно-геологических скважин, количество которых определяется действующими нормативными документами [56, 59]. Однако даже при выполнении этих требований степень изученности контуров карьера остается крайне низкой (как правило, не более 1-6%), что и является основной причиной возникновения большого числа деформаций бортов и уступов.
Исходная информация по состоянию временно нерабочих бортов карьеров включала сбор, обработку и анализ данных по трещиноватости откосов, характеристик осыпей и вывалов породы, направления слоистости, наличия неровностей откосов и физико-механических свойств пород. Исследования выполнялись в зонах бортов по фронту и высоте борта полосами шириной 30-50 м. При составлении плана каждой полосы борта на нем фиксировались: -границы всех литологических разностей пород; -положение тектонических нарушений (местоположение, ориентировка, ширина зоны и тип заполнителя); -границы карстовых полостей, зон выветривания, характер их заполнения; -степень изменения пород процессами выветривания и метасоматоза с ориентировочной оценкой изменения их прочности. Основные принципы, на которых базировалась методика исследований, изложены в работах [49, 50, 56].
Изучение трещиноватости откосов и их прочностных характеристик производилось по отчетным данным геологоразведки путем анализа геологических карт и разрезов, дополненных данными буровых работ при ведении БВР.
Трещиноватость уточнялась путем расчета истинного расстояние между трещинами (размер структурного блока). Для этой цели использованы уравнения: 1=2,38/М0 83 и 1=1,67/М0 67, где 1-размер блоков, м; М-модуль трещиноватости, равный количеству трещин на 1 м керна. При отсутствии керна размер блоков для пород с крепостью f 6 оценивался неравенством: 1 0,0121 0538п, где 1 - основание натурального логарифма; п - выход керна при бурении (при п 60 %).
Изучение трещиноватости откосов производилась, по возможности, на участках откосов уступов, имеющих различную ориентировку в плане.
Определение элементов залегания трещин начиналась с выделения систем трещин, определения их средних элементов залегания и стандартов. Для этой цели использована методика, описанная в работе [50]. После определения границ систем, определялась принадлежность трещин к каждой из них и производилась статистическая обработка таких параметров как протяженность, интенсивность, раскрытие трещин, тип заполнителя и морфологические параметры поверхностей. При недоступности откосов уступов борта использовалась фотосъемка.
Профилировка поверхностей крупных трещин производилась лишь в тех случаях, когда они имели падение в сторону выемки по участкам или имелись их пересечения, при наличии вывалов породы. Мелкие трещины заносились на специальные палетки, по которым подсчитывался коэффициент трещиноватости массива. Трещины классифицировались исходя из характерных размеров их ширины на две группы (ориентировочно больше 0,1-0,05 м; и менее 0,05—0,01 м). .
После завершения замеров и фотосъемок в камеральных условиях строились планы зон бортов по трещиноватости, устойчивости, обводненности (масштаб от 1:20 до 1:100). При этом рассчитывались следующие величины. Сцепление пород в массиве с учетом структурного ослабления [45] Кс=К0/[1+Ктр-1п(Ну/Ьбл)], (2.1) где К0 - сцепление пород в образце, т/м ; Ктр - коэффициент, зависящий от прочности породы в образце и характера трещиноватости; Ну - высота уступа, м; Ьбл - размер отдельностей, м.
Величина силы сцепления пород принималась по результатам геологоразведки на карьерах. По разработанной программе на ЭВМ рассчитывалась сила сцепления при различных коэффициентах запаса устойчивости и углах внутреннего трения. При этом для наиболее точного определения сдвигающих и удерживающих сил профиль откоса делили на блоки шириной равной 10 м, а наиболее напряженную поверхность возможного обрушения откоса берм искали изменяя шаг величины вертикального отрыва на 0,1 м. По полученным значениям определялось математическое ожидание величины силы сцепления, приведенное к одному метру высоты откоса и его среднеквадратическое отклонение. Переход на средние условия для п-ой породы осуществлялся по формуле предлагаемой А. М. Деминым Кп=(К0/п)-(у/уп),т/м2 (2.2) где пу - коэффициент запаса устойчивости; у - плотность пород на средние условия, т/м ; уп- плотность n-ой породы в откосе, т/м .
При определении ширины призм обрушения берм использованы рекомендации ВНИМИ, в соответствии с которыми уступы, в зависимости от коэффициента запаса их устойчивости (п), могут находиться в трех состояниях: в предельном, п=1; околопредельном, п=1,0-1,5; устойчивом, п 1,5. На основании этого предварительно определялось, в каком именно состоянии находится рассматриваемый откос.
При п=1,0-1,5 ширина призмы возможного обрушения уступов определяется по методике ВНИМИ.
При п 1,5, что соответствует большинству случаев для имеющих место полускальных пород, ширина призмы обрушения принималась по безопасному размещению оборудования до верхней бровки уступов.
Исследования проводились на базе" Мазульского и Кия-Шалтырского карьеров Ачинского глиноземного комбината. Исходные данные по состоянию берм и осыпей на них получены за период с 1985 по 2000 годы. 2.1.2.Изучение состояния откосов уступов и берм бортов
Выполаживание во времени уступов на контуре временно нерабочего борта, сопровождающееся образованием осыпей, камнепадами, создающими существенную угрозу безопасности людям и механизмам на нижележащих горизонтах. Поэтому цель данного раздела исследований - изучение изменения ширины предохранительных берм и осыпей на них во времени.
Анализ динамики ширины берм выполнен методом обработки данных периодической маркшейдерской съемки положений бровок откосов и осыпей после приостановления горных работ. Период исследований составил 12-15 лет, с интервалом 4 года для Мазульского карьера и 2-4 года для Кия-Шалтырского.
Мазульский карьер. Исследование динамики изменения ширины берм и формирования осыпей производилось по высоте и фронту борта. Для исследований был выбран участок временно нерабочего борта высотой 100 м и длиной около 460 м, разработка которого охватывала весь исследуемый период.
Данные периодической маркшейдерской съемки положений бровок откосов бортов и осыпей после получены за 1986, 1990, 1994 и 1998 годы по 325, 315, 305, 295, 285, 275, 265, 255, 245 и 235 горизонтам борта (рис. 2.1). Все данные сформированы по поперечным профилям через 10 м (рис. 2.2) и приведены в при л. 1.
Пример графической интерпретации изменения ширины бермы и осыпи гор. 285 год приведен на рис. 2.3. Установлено, что берма с проектной шириной равной 20 м с течением времени претерпела уменьшение до 12-6 м. Причем в районе пикетов 8-13, 16-21 и 29-32 ширина бермы уменьшалась значительно. Из этого можно сделать вывод, что по борту имеются зоны сложенные из пород с низкой устойчивостью. В этих зонах ширина осыпей достигает 10-15 м.
Апробоция расчетных характеристик на карьерах
Основные исследования влияния механизма коры выветривания на откосы бортов нашли отражение в работах [45, 48, 123]. Однако, вопрос прогнозирования выполаживания откосов и уменьшение берм различного назначения с течением времени для карьеров признается малоизученным [98]. Такое положение еще в большей степени относится к временным бортам, так как они в перспективе должны разноситься и, поэтому, на практике (из-за экономии средств) формирование откосов уступов бортов производится под углами близкими к рабочим. Проведенные выше исследования показали, что такое положение приводит к тому, что бермы осыпаются, формируя практически сплошные откосы большой высоты, которые становятся опасными для ведения горных работ.
Исследование динамики изменения ширины берм проводилось на основе корреляционного анализа данных сгруппированных по ширине берм и крепости пород за определенный период времени. Такой подход позволил районировать временно нерабочий борт карьера по зонам с определенными физико-механическими свойствами пород для дальнейших исследований.
Статистические и математические расчеты выполнялись в программной среде Exel Windows 2000.
Парный корреляционный анализ позволил установить, что зависимость изменения ширины берм от времени на Мазульском и Кия-Шалтырском карьерах с достаточной степенью точности подчиняются параболическому закону (рис. 2.13 и 2.14).
Для выявления основных факторов, влияющих на параметры временно нерабочих бортов выполнен многофакторный корреляционный анализ, позволяющий осуществить выбор оптимальной формы уравнения регрессии в множественной ситуации. А так же выявить степень влияния отдельных факторов на изменение ширины берм.
Для анализа зависимости изменения ширины бермы от глубины карьера и времени службы бермы отобраны горизонты 305, 295, 285, 275, которые не разрабатывались наибольший период времени (12 лет). Интервал изменения исследуемых факторов составил: глубина через 10 м; время через 4 года.
В результате регрессионного анализа получена следующая зависимость, описывающая динамику ширины берм B=0,02-H-0,28+.ll,4, (2.3) где Н - глубина борта, м; t - время эксплуатации бермы, годы. Для оценки достоверности (2.3) в множественной ситуации вычислялись два типа коэффициентов парной корреляции: 1 ГБН» ГБ t - коэффициенты, определяющие тесноту связи между функцией отклика (Б) и одним из факторов (Н) и (t);
Анализ матриц парных коэффициентов позволяет сделать вывод, что ширина берм изменяется с увеличением глубины борта и с течением времени. Парные коэффициенты корреляции позволили вычислить частные коэффициенты корреляции, показывающие степень влияния одного из факторов (Н,) (t) на изменение (Б) при условии, что один из факторов закреплен на постоянном уровне. На основании рассчитанных значений частных коэффициентов: гБН = 0,66 и гБ, = 0,88 получено, что наибольшее влияние на изменение ширины берм оказывает время службы бермы. Высокая достоверность (2.3) подтверждается полученным коэффициентом множественный корреляции R=0,82 (оцененным по критерию Стьюдента) и критерием Фишера F=2,85 при уровне значимости 5%. Кия-Шалтырский карьер Для анализа зависимости изменения ширины бермы от глубины карьера и времени службы берм были выбраны участки борта по горизонтам 880, 900 и 910, которые не находились в разработке в течение 6 лет. Интервал изменения исследуемых факторов составил: глубина через 10 м; время через 2 года. В результате регрессионного анализа получена следующая зависимость, описывающая динамику ширины берм B=-0,0000005-H5-0,2+28, (2.5) Оценка достоверности (2.5) показала: - коэффициент множественный корреляции 0,92; -критерий Фишера 7,4.
Анализ полученных данных (прил. 1-4) Мазульского и Кия-Шалтырского карьеров с учетом не только времени, но и крепости пород, слагающих откосы уступов бортов позволил установить степень изменения ширины берм (АБ) с учетом крепости пород АБ = БП-БІ , (2.6) Для оценки влияния срока службы бермы (t) и крепости пород (/) на изменение ширины предохранительных берм бортов выполнен многофакторный корреляционный анализ. Первоначально была установлена функция связи между временем эксплуатации бермы и уменьшением ширины бермы.
На рис. 2.15 приведены графические зависимости динамики уменьшения ширины бермы (АБ) на временно нерабочем борту Мазульского и Кия-Шалтырского карьеров. Получены корреляционные зависимости (коэффициент корреляции 0,88-0,90):
Формирование профилей временно нерабочих бортов карьеров
Ниже приведены данные по апробации полученных аналитических зависимостей. Расчеты траекторий падения кусков породы с откосов бортов выполнены для условий Курагинского карьера, которые являются типичными для рудных карьеров.
Берма гор. 376. Откос борта длиной 600 м имеет различную высоту и форму, подсыпан, частично, отвалами пород и имеет двух-трех ступенчатую форму откоса с выполаживающимися бермами. При этом высота первой сверху ступени (уступа) изменяется от 9-12 до 40-44 м, а угол откоса от 30 до 50 град. Вторая ступень (уступ) имеет выклинивающуюся берму шириной до 30 м, высота которой в месте выклинивания бермы около 30 м и в районе пикета 2 около 40 м. Третья ступень в районе оползня нижележащего уступа имеет высоты 12-13 м и угол откоса от 55 до 20 град. Причем, в направлении пикета 2 откос постепенно выполаживается, переходя в площадку бермы гор. 376. По этому участку борта ширина бермы изменяется от 5-7 до 30-38 м.
Откос борта в центральной части карьера между 2 и 4 пикетами имеет одноступенчатый скат высотой 40-42 м с углами откоса от 40 до 62 град. При этом в районе пикета 3 откос имеет выпуклый профиль с углами откоса от 57 до 67 град. По этому участку борта ширина бермы изменяется от 5-7 до 17 м. Откос борта имеет двухступенчатую форму с промежуточной бермой шириной до 20 м. Высота первой ступени около 12 м, угол откоса 20 до 32 град. Высота нижней ступени 18-22 м, угол откоса от 43 до 47 град.
Расчетные данные значений расстояния падения кусков породы по участкам борта приведены в табл. 3.1.
Анализ полученных расчетов показывает, что по участку борта в районе пикета 3 имеется опасная зона, где возможен перелет скатывающихся кусков породы через берму.
Кроме перелета кусков породы опасными будут участки борта, где куски породы могут перелетать на нижележащий уступ за счет подскока куска породы при ударе о подошву бермы. Выполненные расчеты, а также проведенные эксперименты, показывают, что при падении кусков породы с откоса высотой 30 м на площадку, одсыпанную осыпавшейся дресвой, расстояние подскока куска породы может достигать 4,5-7 м, а высота подскока 1,3-2,0 м.
Берма гор. 334. Откос борта длиной 800 м имеет различную высоту и форму. По этому участку борта ширина бермы изменяется от 15-17 до 35 м, переходя в районе оползня в рабочую площадку. Откос борта имеет одноступенчатую форму с преимущественно прямолинейным профилем ската. Только в районе пикета 3 профиль откоса имеет выпуклую форму с углами откоса от 57 до 67 град. Расчетные данные значений расстояния падения кусков породы по участкам борта приведены в табл. 3.2.
Анализ полученных расчетов показывает, что по участку борта в районе пикета 3 имеется опасная зона, где куски породы могут перелетать на нижележащий уступ за счет подскока куска породы. При ударе о подошву бермы подсыпанную отсевом от старой автодороги расстояние подскока куска породы может достигать 5 м, а высота подскока 1,3 м. Расчеты показывают, что при падении кусков породы на валуны или каменистую (не подсыпанную) поверхность бермы, расстояние подскока куска породы может достигать 10 м, а высота подскока 1,5-2 м. Гор. 320 и 306. Откос борта длиной 900 м имеет практически постоянную высоту 14 м и форму профиля. По этому участку борта ширина бермы изменяется от 18 до 30 м, переходя в рабочую площадку. Откос борта имеет одноступенчатую форму. Профиль откоса рабочего борта имеет прямолинейную форму с углом откоса 70 град., за счет осыпей в подошве, имеет вогнутый профиль откоса с углами 50-60 град. Расстояние до автодороги от нижней бровки откоса рабочего борта от 6 до 13 м, от устойчивого от 1 до 5 м. Расчетные и экспериментальные данные значений расстояния скатывания кусков породы по участкам борта приведены в табл. 3.3.
Откос уступа длиной 200 м имеет высоту от 12 до 14 м. По этому участку борта ширина транспортной бермы длиной около 90 м изменяется от 12 до 17 м, переходя в рабочую площадку шириной 30 м. Откос уступа на всем протяжении имеет одноступенчатую форму. Профиль откоса -прямолинейный, с углом откоса 70 град. Расстояние до автодороги от нижней бровки откоса рабочего борта от 3 до 5 м.
Расчетные и экспериментальные данные значений расстояния скатывания кусков породы по участкам борта приведены в табл. 3.4.
Установлено, что опасными зонами по условию скатывания кусков породы с откосов борта на гор. 292, являются участки горизонта, где автодорога устроена без ограждающих грунтовых валов на расстоянии менее 10 м от нижней бровки уступа в рабочем положении до обочины дороги.
