Введение к работе
Актуальность работы. Богат и разнообразен месторождениями полезных ископаемых Центральный Казахстан, представляющий собой крупную комплексную минерально-сырьевую базу республики. Разработка рудных месторождений предусматривается в основном открытым способом как наиболее производительным, экономичным и безопасным. Рост удельного веса добычи откры-тым способом происходит за счет вовлечения в разработку мес-
торождений со сложными горно-геологическими условиями и ин
тенсивной эксплуатации существующих, характеризующихся уве
личением глубины разработки и сроком службы стационарных
бортов карьеров. В этих условиях особое значение приобретает
проблема маркшейдерского обеспечения устойчивости карьерных
откосов как составная часть общего комплекса задач, связан
ных с эффективными методами добычи полезных ископаемых.
Однако сложность природных условий залегания горных по-; род, которая определяется наличием дизъюнктивных и пликатив-ных нарушений, слоистости и трещиноватости прибортовых мас-, сивов, не дает возможности в полной мере решить проблему устойчивости карьерных откосов с использованием существующих методов расчета,.. которые недостаточно учитывают фактор изменчивости поверхностей ослаблений горного массива.
Для рациональной и безопасной разработки открытым способом сдожноструктурных месторождений требуется проведение коплексных исследований физико-механических характеристик
горных пород, параметров, характера и формы распространения поверхностей и зон ослаблений в прибортовых массивах, механизма деформирования приоткосных зон с наличием пликативных поверхностей ослаблений и разработка расчетных схем устойчивости карьерных откосов и мероприятий по обеспечению их ус-
тойчивости.
Актуальность исследований по данной проблеме подтверждается участием в решении научно-технических программ в об-
. ласти горного дела: "Создание надежных методов управления устойчивостью бортов карьеров и отвалов" ( проблема 16, приказ министра цветной металлургии СССР от 31.10.80г,N486);
і "Разработать и внедрить надежные научные методы управления устойчивостью карьерных откосов" (задание 03.01.Н, этап HI,
постановление ГКНТ от 10.03.85г., N56), "Создать расчетные методы, инженерные решения и технические средства, обеспечивающие надежное управление устойчивостью бортов карьеров" (МП-20Г, письмо зам.министра цветной металлургии СССР АК-12497/40 от 9.08.84г.) и координационные планы АН Каз ССР (постановление Президиума АН Каз ССР N202 от 14.12.83г.) и НАН Республики Казахстан по проблеме N29 "Разработка научных основ создания ресурсосберегающих технологий, формирования рыночных отношений и экономического оздоровления Центрального Казахстана".
Целью работы является создание научных основ маркшейдерского обеспечения устойчивости карьерных откосов при разработке сл'ожноструктурных месторождений для повышения безопасности и эффективности открытых горных работ.
Основная идея работы заключается в комплексном учете пликативной нарушенное при выявлении структурно-тектонических особенностей и механизма деформирования прибортовых массивов горных пород на базе лабораторных исследований и натурных маркшейдерских наблюдений.
Задачи исследований:
-
Разработать способы натурных испытаний горных пород и породных контактов на сдвиг для получения их физике-механических характеристик.
-
Разработать способы съемок профилей пликативных поверхностей нарушений в прибортовых массивах.
-
Выявить механизм деформирования прибортовых массивов с пликативными нарушениями, являющимися поверхностями 'ослабления^ установить критерии необходимости юс учета.
-
Разработать схемы расчета устойчивости карьерных откосов с учетом пликативных поверхностей ослаблений.
-
Разработать мероприятия по маркшейдерскому обеспечению устойчивости откосов уступов и бортов карьеров и способы инструментального контроля за состоянием прибортовых массивов.
-
Обобщить результаты изучения физико-механических свойств горных пород, структуры прибортовых массивов и параметров бортов карьеров Центрального Казахстана.
Методы и обьекты исследований. Методическая основа исс-
ледований включает в себя: анализ и обобщение литературных источников; натурные и лабораторные испытания при определе-
. нии физико-механических свойств горных пород; инструментальные наблюдения для определения параметров пликативных по-
: верхностей нарушений и оценки состояния устойчивости откосов уступов и бортов карьеров; моделирование отказов на эквивалентных и песчано-глинистых моделях для выявления механизма деформирования откосов с пдикативными поверхностями ослабле-
: ния;, метод предельного равновесия; методы математической статистики, корреляционного анализа при обработке экспериментальных и натурных данных с оценкой точности измерений; прамышленно-экспериментальная проверка результатов исследований и технике-экономический анализ.
Экспериментальные исследования проведены на карьерах: АО "Карагайлинский ГОК", АО "Южно-Гопарское рудоуправление",
: АО "Жеаказганцветыет", Адексеевский рудник и АО "Балхаш-
| медь".
Научные положения, выносимые на защиту:
; 1. Наиболее рациональным, точным и информативным спосо-
. бом определения показателей сопротивляемости пород сдвигу является способ испытаний породных призм, подготовленных одной прорезной щелью с параллельным измерением электропроводности пород, сохраняющий естественную структуру массива,
: учитывающий влияние коэффициента бокового распора и позволяющий установить взаимосвязи прочностных свойств пород с их
; удельным электрическим сопротивлением.
2. Достоверность результатов расчета параметров устойчивых карьерных откосов в сложных горно-геологических условиях во многом определяется надежностью создания структурной модели, отражающей комплекс природных и техногенных факто-
ров, характеризующих прибортовой массивt Изучение параметров, характера и форм распространения пликативных поверхностей и зон ослабления горного массива с точностью, необходимой
; для районирования карьерных полей по фактору устойчивости откосов, обеспечивается методами геометризации структурных особенностей массива на базе маркшейдерско-геодезических
і инсг)5ментальных наблюдений, включающих стереофотограмметри-ческую съемку обнажений пород в откосах и замеры элементов
складчатости специальным измерительным шаблоном.
-
Развитие локальной трещиноватости горных массивов на рудных месторождениях Центрального Казахстана подчинено закономерностям распространения в земной коре систем крупных региональных разломов с элементами залегания: I- с азимутом простирания Ai=70,6, углом падения 5i=68,l с частостью проявления mi=38,17.-, II - Аг=3,52=63 с m2=3Q,l%; III -Аз»156,9,5з=б9 С Шз=16,6Х;- IV - А4=274,54=70 С Ш4=8,87.; V - А5=200, 5б=71 с 145*6,4%. Выявленная закономерность позволяет на стадии проектирования карьеров осуществить прогнозирование элементов залегания основных систем трещин с целью назначения рациональных параметров стационарных карьерных откосов и управления их устойчивостью путем разворота откосов в плане относительно простирания поверхностей ослабления массива.
-
Механизм деформирования приоткосных мэзсивов пород с пликативными поверхностями ослабления проявляется в расчленении призмы обрушения на серию блоков активного давления и упора по направлениям, соответствующим второму семейству поверхностей скольжения с углами перегиба, равными 90-р', при этом блоки активного давления располагаются на крутых участках антиклинальных и синклинальных складок, а упора - на пологих. Необходимое количество расчетных блоков определяется величиной генерального угла падения пликативной нарушеннос-ти, геометрическими параметрами складок и высотой откоса.
-
В зависимости от типов слагающих пород, геометрических параметров пликативных поверхностей ослабления и высоты откосов устойчивость приСортовых массивов горных пород оценивается шестью основными расчетными схемами, отличающимися от известных Более полным учетом структурных особенностей массива и характером деформирования пород в приоткосных зо-, нах. Строгое теоретическое решение расчетных схем устойчивости откосов выполняется на основе теории предельного равновесия с использованием метода многоугольника сил, позволяющего учесть влияние внутренних сил, обусловленных расчленением призмы обрушения на блоки по второму семейству поверхностей скольжения.
-
Решение задач устойчивости карьерных откосов с уче-
том пликатиЕНЫх поверхностей ослабления массива выполняется
; при соотношения}: геометрических параметров складок 0,05 * f/a <. 0,20 и 0,13Н < а <. 0,9Н (а-пшрина складки, f-амплитуда складки, Н-высота откоса); при а > 0,9Н и f/a < 0,05 поверх-
ности скольжения могут приниматься плоскими; при а < 0,13Н и f/a > 0,20 горный массив принимается однородным и пликатив-ность поверхностей ослабления во внимание не принимается.
7. Изменение удельного электрического сопротивления глинистых пород в приоткосной эоне определяется степенью на-рушенкости под действием сдвигающих сил, что позволяет, осуществлять контроль изменения ._ интенсивности геомеханических
. процессов в прибортсваы массиге, прогнозировать местоположение наиболее напряженной поверхности и время упреждения оподзкепроязленнп откосов я своевременно принимать профилактические меры по повышению их устойчивости.
Обоснованность и достоверность научных положений, вьшо
; дов и рекомендаций подтверждаются:
- большим оБьемоы экспериментальных исследовании, полу-
i ченных в лабораторных и палевых условиях;
: - теоретическими разработками, базирующимися на теории предельного равновесия;
сопоставимостью результатов теоретических исследований с моделированием "откосов на эквивалентных и песчано-глинистых материалах'и экспериментальными данными в натурных условиях;
достаточной сходимостью с результатами практического использования разработанных методик и способов наблюдений за состоянием прибсртоЕых массивов.
промышленной апробацией предлагаемых рекомендаций при проектировании и на производстве.
Научная новизна:
1. Разработаны и теоретически обоснованы способы натурных испытаний породных призм на срез с одной прорезной щелью : с одновременным использованием специальной сдвиговой конструкции, позволяющие увеличить точность нахождения прочност-. ных характеристик пород за счет увеличения объемов сдвигае-I мых призм и сохранения естественности структуры массива при их нарезке и сокращения в 2-3 раза трудоемкости полевых ра-
бот.
2. Разработаны способы съемок топографии поверхностей
шшкативных нарушений, основанные на использовании маркшей
дерских приборов и специального шаблона, позволяющие опреде
лять параметры складок и степень их шероховатости. Для опти-
мизации процесса полевых наблюдений предложена методика определения средневзвешенного шага замера элементов залегания различного рода признаков, основанная на использовании методов математической статистики. Предложена классификация неровностей поверхностей ослаблений, учитывающая размеры складок шшкативных нарушений, степень их шероховатости и область использования в расчетах устойчивости анизотропных откосов на карьерах.
-
Установлена закономерность проявления в горных массивах на месторождениях Центрального Казахстана пяти основных систем разрывных нарушений и трещин.
-
Впервые на моделях выявлен механизм деформирования карьерных откосов при обрушении их по волнообразным плика-тивным поверхностям ослабления.
-
Создан аппарат математических формул для определения параметров устойчивых откосов, учитывающий геометрические параметры шшкативных поверхностей ослаблений и механизм их деформирования.
-
Обоснованы критерии учета параметров пликативных поверхностей ослаблений при расчетахг устойчивости карьерных откосов. ..,..., .
-
Разработаны способы инструментального контроля состояния прибортовых массивов по профильным линиям, основанные на определении удельного электрического сопротивления пород и фотограмметрических измерениях с базисных точек.
Научное значение работы заключается в создании научных основ маркшейдерского обеспечения устойчивости карьерных откосов на основе разработки способов натурных испытаний пород и методов съемки топографии поверхностей пликативных нарушений, установления закономерности распространения поверхностей ослаблений в прибортовых массивах месторождений Центрального Казахстана, выявления механизма деформирования откосов при сдвижении по пликативным поверхностям ослабления,
разработке расчетных схем устойчивости откосов и способов инструментального контроля за их состоянием.
Личный вклад автора заключается: в постановке задач
. исследований и разработке методов их решения; организации и
" участии в выполнении полевых, лабораторных, теоретических и промышлекно-экспериментальных исследований; разработке способов натурных испытаний горных пород, съемок поверхностей пликативных нарушений и инструментальных наблюдений за состоянием прибортовых массивов; моделировании карьерных откосов с пликативными поверхностями ослабления-, теоретическом ^ решении вопросов устойчивости карьерных откосрв с учетом , : пликативных ослаблений; обобщении результатов исследований физико-механических свойств пород, структуры прибортовых массивов и параметров бортов карьеров Центрального Казахстана.
Практическая ценность работы состоит: во внедрении на
; горнорудных предприятиях Казахстана разработанных методов изучения прочностных характеристик пород и структуры прибор-
i товых массивов; в расчете устойчивости анизотропных карьер-, і ных откосов; маркшейдерском обеспечений устойчивости ота-
..- ционарных откосов уступов и инструментального контроля за их состоянием; обосновании экономически выгодных параметров
. бортов карьеров, что позволяет значительно сократить обьемы вскрыши пустых пород, увеличить обьемы добычи полезных ископаемых и уменьшить горный земельный отвод.
Реализация работы заключается в разработке и внедрении: - двенадцати заключений по обоснованию параметров бортов карьеров с оценкой их устойчивости на стадии инженер-
. но-геологических изыскании месторождений полезных ископаемых Центрального Казахстана: Алпысское, Каратасское, Айдарлинс-
' кое, Берлинское, Верхнекайрактинское, Каратайлинское (участок "Дальний"), Коктенкольское, Аяайгырское, Абызское, Се-верно-Катпарское и Жезказганское (участки "Средне-Спасский"
и "Акчий-Спасский"), которые использованы при утверждении запасов полезных ископаемых в ГКЗ и проектировании карьеров
: (1980-94Г.Г.);
' - технологического регламента для проектирования рабочего проекта отработки карьера "Дальний" Карагайлинского ГО-
Ка с целью определения параметров устойчивых откосов уступов и бортов, который согласован с институтом "Унипромедь" и "Гипроцветмет", утвержден горным отделом Минцветмета СССР и использован при перепроектировании. Ожидаемое сокращение вскрыши 2,87 млн м3(1987-88г.г.);
методов по обоснованию параметров контрфорсов для укрепления глинистых откосов на карь ерах" Топарский"Шно- То-парского рудоуправления (1982г.) и "Главный" Карагаилйнского ГОКа (1987г.) с экономическим эффектом 312,3 тыс.рублей;
методических указаний по ведению эаоткосных работ и обеспечению устойчивости стационарных откосов на карьерах Карагаилйнского ГОКа и Шно-Толарского рудоуправления, согласованных с проектными институтами (1992г.);
рекомендаций по корректировке параметров откосов уступов и бортов Топарского карьера, принятые институтом "Уралгипроруда", позволивших сократить объемы вскрыши в размере 8,3шш м3 и дополнительно извлечь флюсовый известняк в объеме 3,8млн м3;
способов натурных испытаний прочности пород на срез
при подготовке с одной прорезной щелью и породных контактов
о на карьерах;
методов расчета и оценки устойчивости анизотропных откосов с пликативными поверхностями ослабления и трещинами при обосновании параметров откосов уступов и бортов карьеров ряда месторождений Центрального Казахстана;
способа прогнозирования процесса ополэнеобразования откосов (А.С.N1287078) на карьере "Главный" Карагаилйнского ГОКа,позволяющего контролировать состояние глинистого откоса, пригруженного контрфорсом (1989г.);
безреперного способа маркшейдерских наблюдений, основанный на фотограмметрических измерениях за деформацией при-, бортовых массивов на карьере "Злагоуст-Беловский" АО "Жез-каэганцветмет", позволяющего контролировать состояние южного и восточного бортов (1994-95гг.).
Результати исследований использованы на различных стадиях разведки, проектирования, строительства, эксплуатации и реконструкции горнорудных предприятий и внедрены с фактическим экономическим эффектом 1,73 млн рублей в ценах 1990г.,
полученным за счет сокращения объемов вскрыши, дополнительного извлечения полезного ископаемого, укрепления верхних глинистых откосов контрфорсом и качественным оформлением ог-
. косов уступов на карьерах.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной конференции "SPonsorend by ministry of and Mineral resources, pre China Association of Geological Hazaras Rece-
; arch" (Пекин,1991); всесоюзных научно-технических конференциях, симпозиумах (совещаниях)-."Научно-технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшей-
. дерской службы на горных предприятиях страны" (Свердловск, 1984), "Проблемы разработки глубоких карьеров и пути их решения" (Кривой Рог,1937), "Горная, геофизика" (Тбилиси, 1987), "IX Всесоюзная конференция по механике горных по-
*род" (Фрунзе,1989), "Прогнозная оценка инженерно-геологичес-
ких условий при открытой разработке месторождений Урала"
(Свердловск,1989), "Эффективные технологии, способы и средс-
, тва, обеспечивающие современные требования к экологии при разработке месторождений полезных ископаемых" (Москва,1990), "Основные направления повышения уровня маркшейдерского обеспечения горных работ, рационального использования и охраны недр и земель на горнодобывающих предприятиях" (Москва, 1991), региональных научно-технических конференциях:"Молодые ученые и специалисты - ускорению научно-технического
: прогресса" (Караганда,-1985), "Проблемы комплесного освоения недр"(Караганда,1989), вузовских научно-технических конференциях Карагандинского политехничеекго института (Караган-
. да,1978-1994); на научно-технических совещаниях в Центральном отделении НАН РК (Караганда,1994,1995); научно-техничес-
' ких советах проектных институтов:Уралгипроруда (Свердловск, 1981,1983,1990,1993), Гипроцветмет (Москва,1987,1988), Унипромедь (Свердловск,1987), Жезкаэганнигащветмет (Жезказ-
ган,1993,1994); производственно-технических советах горных
предприятий: Карагайлинский ГОК(Каратаилы,1985-93), Атасуйс-
. кий ГОК (Каражал,1990), Южно-Топарское рудоуправление (Ш-
1 ный,1979-1984,1990-1993), Алексеевокий доломитовый рудник
(Алексеевка,1979,1980), АО "Жезказганцветмег1* (Жезказ-
гак,1993-1995), ПО "Балхашедь" (Балхаш,1930,1982,1992,1993) к горного отдела Карагандинского металлургического комбината (Тємиртау, 1379-1982); технических совещаниях геолого-разве-дочных экспедиций:Агадырской, Карагандинской, Балхашской, Карагандинской, Гапеевской ПГО "Центрказгеология" (Караганда, 1979-1994) и "Южказгеслогин" ^Алма-Ата, 1981*).
итдвльны? результаты работы зкспокпровалпсь на выстав-
.."'.PTTUV т,'«.ті...-..-«Л ППТ5 / А ..,*,* л~*~ ^ПОСі\ .. ^-.,^...^.,.. ...... ..... ,—. .
*^Л .-.п>СТ---'"- PTTTJ\/ ПППО Af^.-....—.. 4ПОО> " ......-. —~~...« ....п..,..,...,
.с .ті Oiuucrta.ii i^cptruprtnuii mc^awibiu. hd гоЛіКд-луЬ іірсЬшП L02teT3 ьшппицлл! ґЧскЗсьл^Кип uwr 3 иСмісаС і n ridy KIi И і ел H*irJI ^hja гЛЗ~АТа, j.38sj SBTGp CTBJI ЛаурЄЗТОМ Б C0CTSB9 аВТОрСКСТО КОЛ** ЛсКТИБа.
Публикации. Тїс теме диссертации опубликовано 43' печатные работы, в том числе монография з соавторстве, аналитический обзор и учебное пособие.
Обьем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глаз и заключения, изложенных на 331 странице машинописного текста, содержит 66 рисунков, 54 таблицы, список использованных источников из 164 наименований и трех приложений.
Автор выражлет глубокую признательность чл.-корр.НАН РК уі. л» иОпову j прО'^. г. і a., kj катову за ценные советы її внимание к расоте, ^лагодарит сотрудников кафедры иїаркшеидерского делз и іесдезпп ivapniM, работников геологе-разведочных зк^п^диции
тптутоБ за помоіцЬ при CuOpe горно~геологической документа*-цпи, проведении экспериментальных исследовании, Ои-оуддэнии и внедрении в технические проекті» и в производство.
