Исследование процесса деформирования прибортового массива Качарского карьера на основе внедрения инновационных технологий

Постановка проблемы. Обеспечение безопасности при разработке рудных месторождений открытым способом в сложных геологических условиях на глубоких горизонтах требует рационального планирования ведения горных работ с учетом изменения физико-механических характеристик горных пород и проведения дополнительных гидрогеологических изысканий [1-38]. Исследования показали, что для горных пород (метасоматитов), слагающих юго-западный борт Качарского месторождения, характерны процессы гипергенезиса. Температурные колебания поверхностных горизонтов горных пород, особенно сильное переохлаждение зимой, приводят к объемно-градиентному напряжению и образованию морозобойных трещин, которые в дальнейшем разрабатываются замерзающей в них водой. В этих условиях выветривание связано главным образом с расклинивающим действием замерзающей воды в трещинах, и при выходе на поверхность метасамотиты оказываются малоустойчивыми и сильнотрещиноватыми.

Выделение нерешенной проблемы. Устойчивость карьерных и отвальных откосов определяется двумя основными факторами: напряженным состоянием прибортового (отвального) массива и физикомеханическими (прочностными) свойствами горных пород. При этом напряженное состояние определяет действующие нагрузки, а физико-механические свойства - прочность пород по потенциальной поверхности скольжения. Для предотвращения оползневых явлений на Качарском месторождении необходимо выполнить расчет устойчивости откосов с учетом измененных прочностных характеристик горных пород. Не допускается принимать в расчеты физико-механические свойства горных пород, в которых не учитывается временной фактор.

Анализ последних исследований.

Обеспечением устойчивости карьерных откосов занимаются ряд научноисследовательских и проектных институтов в Республике Казахстан: ИГД им. Д.А. Кунаева, Головной проектный институт ТОО «Корпорация Казахмыс», ВНИИцветмет, научно-исследовательские лаборатории высших учебных заведений (КазНТУ им. К.И. Сатпаева, КарГТУ, ВКГТУ им. Д. Серикбаева); в Российской Федерации: ВИОГЕМ, Горный институт НИТУ «МИСиС», УГГУ, СПбГГУ на базе ВНИМИ, ИГД им. А.А. Скочинского и др.

Современный этап развития открытых разработок месторождений полезных ископаемых в Казахстане характеризуется увеличением их глубины до 500 м и выше, модернизацией технических средств и интенсификацией горного производства. В этих условиях возникает острая необходимость в создании полномасштабного маркшейдерского геомеханического мониторинга состояния прибортовых массивов глубоких карьеров с корректировочной оценкой их устойчивости, учитывающей фактическое положение горных работ, уточненные значения прочностных характеристик горных пород и структурных особенностей прибортовых массивов.

Формулирование цели работы.

Проведенный анализ способов наблюдений и расчетов устойчивости техногенных сооружений показывает, что исследования в этой области позволили разработать и внедрить в практику надежные инженерные методы расчета устойчивости прибортовых массивов. Однако, несмотря на достаточно большой объем работ по оценке их устойчивости, не полностью рассмотрены вопросы учета изменяющихся во времени физико-механических свойств горных пород, геометрических параметров сооружения, неполный учет влияния их обводненности и тектонической нарушенности на устойчивость прибортовых массивов. В соответствии с вышеизложенным целью работы является прогнозирование состояния устойчивости прибортовых массивов путем совершенствования методики проведения инструментальных маркшейдерских наблюдений, выполнения расчетов устойчивости откосов с учетом изменившихся физико-механических свойств горных пород для предотвращения опасных деформаций и обеспечения их безопасной эксплуатации.

Изложение основного материала.

Наиболее опасными видами деформаций бортов карьеров и откосов уступов, нарушающими нормальный технологический процесс, приводящими к потерям готовых к выемке запасов полезного ископаемого и представляющих опасность для работающих в разрезе людей и техники, являются обрушения и оползни.

Задача горных предприятий по обеспечению устойчивости бортов карьеров заключается в предотвращении активной стадии развития оползней и обрушений, т. е. в ограничении деформаций бортов карьеров, откосов уступов и отвалов до допустимых величин. Для управления процессом устойчивости откосов уступов карьеров и отвалов необходимо проводить систематические инструментальные наблюдения согласно требованиям «Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по их устойчивости» [41].

Изменение напряженного состояния горных пород в процессе ведения горных работ приводит к тому, что практически при любых коэффициентах запаса устойчивости бортов они деформируются.

При напряжениях для всех слоев пород более предела ползучести затухающие деформации бортов с течением времени могут смениться деформацией с постоянной скоростью, которая со временем может перейти в деформацию с возрастающей скоростью, заканчивающуюся обрушением или оползанием борта.

Завершение активной стадии деформирования зависит главным образом от геологического строения борта, механических и деформационных свойств пород, слагающих борт.

При наличии в откосе крупных тектонических нарушений, слабых прослойков и других поверхностей ослабления, а также пластичных слоев, характер развития деформаций изменяется и в каждом конкретном случае будет зависеть от положения поверхности ослабления либо слабого слоя в откосе.

Структурно-тектонические особенности горного массива, характеризующиеся дизъюнктивной и пликативной нарушенностью пород, степенью и характером их трещиноватости, слоистостью и сланцеватостью, являются одним из основных факторов, которые следует учитывать при решении проблемы обеспечения устойчивости карьерных откосов на открытых разработках. На рис. 1 приведена геологическая карта деформирующегося участка юго-западного борта карьера.

Рис. 1. Геологическая карта юго-западного участка карьера

Возможные наличия в прибортовом массиве поверхностей ослабления в виде отдельных трещин большого протяжения, поверхностей сместителей тектонических нарушений, контактов слоистости пород, не выявленных при разведке месторождения, способны резко ухудшить устойчивое состояние откосов. Это связано с тем, что при значительной прочности куска породы сдвиговые характеристики трещиноватого массива всегда в несколько раз меньше и ещё ниже сопротивляемость сдвигу по поверхностям ослаблений. Поэтому управление устойчивостью карьерных откосов в трещиноватых массивах - задача, требующая своего решения в каждом конкретном случае. От ориентировки поверхностей ослабления в массиве относительно поверхности откоса зависят положение и форма поверхностей скольжения [42].

На деформируемом участке откосы уступов юго-западного борта Качарского карьера с горизонта –30 м сложены сильнотрещиноватыми и ослабленными процессами выветривания метасоматитами, которые к тому же находятся в зоне влияния водоносного горизонта. Характер процесса деформирования данного участка борта карьера показал, что в апреле 2012 г. появились первые деформации на транспортной берме горизонта - 30 м, которые представляли собой оползень в районе разреза XXIII, охвативший два уступа.

После проведения противооползневых мероприятий процесс деформирования стабилизировался. В дальнейшем решением по развитию транспортных коммуникаций карьера были выполнены работы по строительству на горизонте -30 м на западном борту карьера дробильного комплекса и конвейерной линии для транспортировки горной массы на поверхность. Работы по возведению железобетонных конструкций привели к увеличению нагрузки на оползневом участке, а также трещиноватость горного массива, процессов выветривания и увлажнения повлияли на снижение прочностных свойств горных пород и на сопротивляемость пород сдвигу по поверхностям ослаблений. Вследствие вышеуказанных причин, в октябре 2015 г. возобновился процесс деформирования на том же участке, что и в 2012 г., со скоростью смещения оползня более 10 мм в сутки. Для наблюдений за состоянием деформируемого участка еженедельно проводились инструментальные измерения по стационарным призмам, установленным по границам оползня на горизонтах: –30,0 м и –95,0 м с использованием высокоточной электронной съемки, а также были выполнены три цикла лазерного геосканирования исследуемого участка, последнее их которых было выполнено в мае 2016 г.

На геологическом разрезе XXIII и на локальных разрезах, построенных на оползневом участке, прослеживается наличие потенциальной поверхности скольжения, которая проходит по контакту метасоматитов и рудного тела (рис. 2, 3).

Установлено значительное снижение прочностных характеристик метасоматитов во времени и ослабление их структурных связей при увеличении влажности пород и их трещиноватости, что приводит к потере устойчивости пород в откосах и является существенным фактором развития оползней различных типов.

Инструментальные наблюдения, проведенные электронным тахеометром и лазерным сканером с апреля по сентябрь 2016 г., показали характер процесса деформирования и увеличение интенсивности процесса деформации горного массива на оползневом участке [39].

Результаты наблюдений электронным тахеометром представлены в табл. 1, 2.

Рис. 2. Геологический разрез по линии XXIII

Рис. 3 Построение 3D модели для выделения горных пород с низкими прочностными характеристиками и рудного тела в пространственных координатах

Таблица 1

Результаты инструментальных наблюдений по границам оползневого блока Качарский карьер. Юго-западный борт, гор -30м

№ стационарн ой призмы	Разность от предыдущего цикла измерений (м)						Разность от начального цикла измерений: 05.11.15 г - 10.10.16 г. (м)
	∆X	∆Y	∆H	∆H/сутк и	∆L	∆L/ сутки	∆X	∆Y	∆H	∆L
1	-0,011	0,059	-0,003	-0,003	0,060	0,060	0,209	1,809	-1,733	1,821
2	-0,008	0,051	0,004	0,004	0,052	0,052	0,202	1,499	-1,115	1,513
3	-0,013	0,036	0,006	0,006	0,038	0,038	1,093	1,070	-1,949	1,530
4	0,002	0,048	0,000	0,000	0,048	0,048	0,778	0,329	-1,359	0,845
5	0,002	0,073	0,001	0,001	0,073	0,073	0,102	0,863	-0,861	0,869
6	0,001	0,054	-0,001	-0,001	0,054	0,054	-0,009	0,064	-0,028	0,065
7	0,004	0,056	-0,009	-0,009	0,056	0,056	0,737	0,564	-2,770	0,928
8	-0,001	0,044	0,006	0,006	0,044	0,044	0,008	0,054	-0,009	0,055
9	-0,009	0,061	0,005	0,005	0,062	0,062	-0,047	0,009	-0,083	0,048
10	-0,011	0,058	0,012	0,012	0,059	0,059	-0,065	0,099	-0,248	0,118
11	0,013	-0,040	-0,014	-0,014	0,042	0,042	-0,007	-0,050	-0,014	0,050

Таблица 2

Результаты инструментальных наблюдений по границам оползневого блока Качарский карьер. Юго-западный борт, гор -95м

№ стационарной призмы	Разность от предыдущего цикла измерений (м)						Разность от начального цикла измерений: 05.11.15г-10.10.16г.(м)
	∆X	∆Y	∆H	∆H/ сутки	∆L	∆L/ сутки	∆X	∆Y	∆H	∆L
1	-0,009	0,022	0,002	0,001	0,023	0,012	-0,199	3,225	0,221	3,231
2	0,003	0,036	-0,007	-0,003	0,036	0,018	0,126	3,483	-0,196	3,485
3	0,003	0,021	-0,015	-0,008	0,021	0,011	0,521	2,324	-1,274	2,382
4	-0,009	0,009	-0,010	-0,005	0,013	0,006	-0,058	2,594	-1,053	2,594
5	-0,008	0,007	-0,009	-0,004	0,010	0,005	0,321	2,674	-1,007	2,694
6	-0,003	0,007	0,004	0,002	0,008	0,004	0,709	2,858	0,025	2,945
7	0,002	0,026	-0,001	0,000	0,026	0,013	0,480	3,192	-0,006	3,228
8	0,011	0,025	-0,005	-0,003	0,028	0,014	0,246	0,616	-0,050	0,663
9	-0,002	-0,010	-0,009	-0,005	0,010	0,005	0,017	0,013	0,003	0,022
10	-0,004	0,025	-0,004	-0,002	0,026	0,013	0,004	1,130	-0,336	1,130
11	-0,004	-0,005	-0,003	-0,001	0,006	0,003	0,003	0,007	-0,010	0,008
12	-0,009	0,005	-0,012	-0,006	0,010	0,005	0,055	2,618	-1,287	2,619
13	-0,003	0,009	-0,002	-0,001	0,009	0,005	0,328	1,189	-0,031	1,233
14	-0,004	0,001	-0,006	-0,003	0,004	0,002	0,323	1,031	-0,147	1,081
15	-0,001	0,022	0,003	0,001	0,022	0,011	0,039	0,183	-0,009	0,188

Для получения полной картины механизма деформирования оползня была внедрена технология лазерного геосканирования, которая позволяет отследить изменения и структуру целостности массива, с помощью программного обеспечения построить 3D модели массива.

Результаты лазерного геосканирования представлены в виде 3D модели исследуемого участка с VII сечениями в период с ноября 2015 г. по май 2016 г. (рис. 4) [40].

Наблюдения по поперечным сечениям показали, что значительные смещения происходят по второй, третьей и четвертой линиям (рис. 5).

Результаты сканирования 05.11.15 г.

Результаты сканирования 26.05.16 г.

Рис. 4. 3D модель оползневого участка

-

Условные обозначения:

положение на 05.11.15 г положение на 26.05.16 г

-

Продольный профиль оползневого участка по сечению III-III

Рис. 5. Сечения, построенные на оползневом участке по результатам обработки лазерного

Продольный профиль оползневого участка по сечению IV-IV

Величина и направление вертикальных и горизонтальных смещений позволили сделать вывод о том, что образование трещин отрыва на транспортной берме горизонта -30 м привело к деформированию оползневой призмы и оползанию массива, например, оползневые процессы зафиксированы по линии II с горизонта -30 м по горизонт -141м. На плане (рис. 6) юго-западного участка карьера показаны трещины, оконтуривающие оползневую призму по простиранию красным цветом. Проведенные в дальнейшем исследования оползневого участка методом лазерного сканирования, анализа физикомеханических свойств горных пород, наличия поверхностей ослабления позволили выявить наличие микротрещин отрыва на плане горных работ с корректировкой контура зоны деформирования горного массива, которая выделена зеленой линией (рис. 6).

При прогнозировании развития оползней откосов уступов во времени необходимо принимать во внимание, что при нарастании скорости смещений возможно также развитие оконтуривающей оползень трещины отрыва на флангах оползня (активная стадия оползня наступает при его полном оконтуривании трещиной отрыва на флангах).

По результатам систематических наблюдений с использованием высокоточных электронного тахеометра ТA 1202 и горного сканера HDS 8800 фирмы Leica установлено увеличение скорости смещения до 17 мм в сутки в его центральной части и развитие трещин отрыва по флангам оползня. Формирование трещин отрыва зависит о наличия возможных контактов ослабления, структурных особенностей массива, физикомеханических характеристик горных пород, инженерно-геологических и горнотехнических условий.

Инструментальные наблюдения, проведенные электронным тахеометром и лазерным сканером с апреля по сентябрь 2016 г., показали характер процессе деформирования и увеличение интенсивности процесса деформации горного массива на оползневом участке [39].

Анализ результатов исследований по инженерно-гидрогеологическим изысканиям и данных инструментальных наблюдений на основе внедрения инновационных технологий позволил спрогнозировать развитие деформаций и принять меры по предотвращению аварийной ситуации (рис. 7).

Рис. 6. План горных работ масштаба 1:500 с предполагаемыми контурами оползневой призмы

Рис. 7. Линия отрыва с оседанием площадки более 5 м на горизонте -30,0 м

Выводы и перспективы развития

не

учитываются реологические свойства

направления.

При разработке глубоких карьеров нередко возникают ситуациии связанные с ошибками проектирования, не работает в полной мере дренажная система, не ведутся гидрогеологические изыскания в период эксплуатации, в то время как внедряется крупногабаритная и тяжелая техника с грузоподъемностью более 200 т, горных пород и напряженно-деформированное состояние массива. Все это приводит к неустойчивому положению бровок откоса, транспортных берм и рабочих площадок и способствует развитию оползней, обрушений и даже аварийной ситуации в карьере.

Одним из перспективных направлений в развитии горной геомеханики является изучение механического поведения горных пород на больших глубинах на основе внедрения инновационных технологий с применением наземных, спутниковых и космических технологий с прогнозированием безопасности ведения горных работ.

(8), pp. 804-809. DOI: 10.11956/j.issn.1008-0562.2016.08.004

12-14 mm in twenty-four hours, a maximal value attained in a spring period and made a 19 mm in twenty-four hours.

Originality. A scientific novelty of an offer in-process method is the complex instrumental watching the state of mountain range with the use of high-fidelity laser devices and satellite systems with a construction 3 D of model of array.

Practical value. Perfection of methodology of the instrumental watching stability of preboard and dump arrays on the basis of complex combination of the high-fidelity measuring with the use of tacheometer of TA1201 and laser scintiscanner of HDS 8800, that allows to define speed of deformation, educe the borders of landslide prism and create the model of the deformed area for development of antilandslide events with the purpose of increase of stability of mountain range.