На устойчивость бортов и уступов карьера

В процессе разработки месторождений открытым способом, зачастую возникают осложнения с обеспечением устойчивости откосов уступов и бортов карьеров из-за влияния ряда природных и горнотехнических факторов, понимая природу которых, можно с успехом управлять их устойчивостью.

К природным факторам, влияющих на устойчивость откосов, прежде всего, относятся геологическое и гидрогеологическое строение месторождения, рельеф местности и климатические условия района расположения разработок.

Под геологическим строением месторождения подразумевается его генетический тип образования, определяющий такие показатели прочности пород, как крепость, структура и текстура пород, трещиноватость, слоистость, вещественный состав, тектоническая нарушенность, физико-механические свойства. В связи с этим важно знать, в каких условиях образовано разрабатываемое месторождение.

Физико-механические свойства пород также оказывают влияние на устойчивость откосов и отражаются следующими показателями [30,31]:

- прочностью при одноосном сжатии, изменяющейся в широких пределах – от нуля в сыпучих породах до 120 МПа и более в скальных;

- сопротивлением сдвигу, характеризующимся сцеплением С пород и углом внутреннего трения r, которые получают косвенным путем при испытании образцов пород в условиях трехосного сжатия или косого среза. Сцепление в массиве определяют по паспорту прочности породы, построенному по результатам испытания образцов породы в стабилометре (рис.3.) или срезном приборе с использованием эмпирической зависимости или коэффициента структурного ослабления массива [ ];

- стойкостью, зависящей от прочности породы. Она определяется отношением прочности породы через год после ее обнажения к первоначальной прочности;

- ползучестью, характеризующейся склонностью породы к остаточным деформациям;

- влажностью, оказывающей ослабляющее влияние на сопротивление сдвигу (особенно глинистых пород);

- разупрочнением при набухании, связанного с разгрузкой глинистых пород в результате проведения горной выработки и увлажнения. Испытания проводят после насыщения пород водой;

- углом естественного откоса, характеризующимся максимальной величиной угла откоса несвязных пород в сухом состоянии;

- плотностью, оказывающей влияние на гравитационные силы, действующие в массиве;

- интенсивностью осыпания в откосах, характеризующейся осыпанием верхней бровки уступа в единицу времени;

- прочностью при растяжении, характеризующейся сопротивлением пород отрыву, которое у горных пород значительно ниже по сравнению с сопротивлением сжимающим напряжениям.

Гидрогеологические факторы месторождения отрицательно влияют на устойчивость откосов и в большей мере проявляются при наличии несвязных и слабо связных осадочных и сильно выветрелых скальных пород. Наличие водоносных горизонтов и подземных водотоков существенно снижает общую устойчивость откосов при большой крутизне депрессионной воронки вокруг карьера. Возникающее гидростатическое давление уменьшает нормальную составляющую веса пород и способствует возникновению дополнительных сдвигающих сил. Гидродинамическое давление снижает устойчивость фильтрующих откосов, а суффозийные явления способствуют оплыванию и обрушению уступов. Тем не менее, на устойчивость твердых трещи

Тектоническая характеристика месторождения во многом обусловливает технические параметры карьера. Возникающие зачастую серьезные проблемы с обеспечением устойчивости нерабочих уступов, берм и в целом бортов карьеров, чаще всего связаны с наличием в прибортовом массиве не обнаруженных ранее тектонических нарушений и трещин. Сопротивление сдвигу горной породы в таком массиве, ослабленном тектоническими разломами и крупными трещинами, контактами слоев различных литологических пород, как правило, снижается. Возникающие при этом тектонические напряжения, вызывают существенные ухудшения устойчивости откосов.

Интенсивность трещиноватости также является снижающим фактором устойчивости, как и наклонные и пологие трещины большого протяжения, развитые по слоистости и параллельные дизъюнктивным нарушениям, тем более, если по ним может пройти наиболее слабая поверхность.

Топографический характер (рельеф) местности влияет на напряженное состояние прибортового массива и в конечном итоге может сказываться на устойчивости откосов открытых горных выработок. Рельеф оказывает влияние на питание водоносных горизонтов, поверхностные водотоки и ветровую эрозию. На склонах гор устойчивость бортов карьеров ниже по сравнению с устойчивостью на равнинах ввиду более интенсивного воздействия окружающей среды на откосы.

Климатические условия играют не последнюю роль в устойчивости откосов. Такой фактор климатических условий, как температурный режим местности, глубина сезонного промерзания и оттаивания пород, многократно повторяющиеся циклы замораживания-оттаивания трещинной воды, особенно в течение суток, снижают крепость пород. Ветреный режим, направление и продолжительность ветра совместно с атмосферными осадками, солнечной активностью и перепадом температур приводят к разрушению транспортных площадок и берм безопасности, особенно в северных и восточных районах страны с суровыми климатическими условиями. Количество выпадающих атмосферных осадков в виде дождей, мощность снегового покрова и продолжительность таяния оказывают большое влияние на устойчивость пород откосов вследствие их водонасыщения и способствуют оползанию, обвалам и суффозиям. Систематизация нарушений устойчивости карьерных откосов по ряду месторождений показала, что с атмосферными осадками связано более 25 % деформаций откосов [32].

Карстовые явления и деформации карстовых полостей изменяют условия стока и циркуляцию подземных вод. Они вызывают снижение прочности пород и могут привести к большим осложнениям в вопросах устойчивости откосов и нарушению нормальных условий эксплуатации месторождений.

Землетрясения, также могут значительно осложнить производство горных работ в прибортовой зоне карьеров. Этот фактор не отражен в табл.3.1, но его следует учитывать в районах с сейсмической активностью. Сбор сведений и материалов о разрушительной силе и динамических параметрах очагов землетрясений входит в задачи инженерно-геологических исследований [ ].

Применяемая технология ведения открытых разработок с ее элементами вскрытия, высотой рабочих и нерабочих уступов и способов их заоткоски, порядка ведения работ и применяемых механизмов, также может положительно или отрицательно сказаться на устойчивости прибортового массива (рис.3.1). Из технологических факторов, влияющих на устойчивость бортов и уступов карьеров, особо следует отметить следующие [30, 65].

Схема вскрытия, в совокупности с рельефом местности и ориентирования основных тектонических нарушений, может существенно сказаться на устойчивости главных транспортных магистралей в карьере. В связи с этим, места заложения капитальных транспортных траншей необходимо закладывать с учетом влияния факторов ослабления их устойчивости.

Технологические параметры бортов и уступов погашения откосов карьера, принятые с большим коэффициентом запаса устойчивости, могут исключить возможность деформации бортов карьера. В этом случае из-за увеличения объема вскрышных работ увеличится и себестоимость добычи полезного ископаемого. При уменьшении объема ГПР и улучшении экономических показателей работы карьера, ухудшаются условия устойчивости бортов и гарантия безопасности его работы. При этом параметры откосов уступов и бортов принимаются на основе инженерных расчетов с введением необходимого коэффициента запаса устойчивости, хотя отдельные незначительные деформации не исключаются. Многое зависит от достоверности разведки месторождения, правильно выбранной методики расчетов параметров бортов карьера и их точности.

Ориентирование направления горных работ при наличии в породах поверхностей в виде тектонических нарушений, слоистостей и крупных трещин при определенных условиях может привести к деформированию уступов. В частности, если угол падения поверхностей ослабления, секущих борт, больше угла трения по этой поверхности (b > r¢). Поэтому ориентация горных выработок относительно поверхностей ослабления при развитии горных работ, имеет большое практическое значение для наиболее безопасной разработки месторождения. В слоистых породах наибольшая интенсивность осыпания наблюдается при падении слоев под углом b = 40 - 60° ввиду ориентирования нормальносекущих трещин субпараллельно откосу. Наименьшая интенсивность осыпания наблюдается с поверхности откосов, совпадающей с напластованием [30].

Производство буровзрывных работ в приконтурной зоне карьера оказывает сейсмическое воздействие на прибортовой массив и в той или иной мере ослабляет его. При производстве взрывов без экранирующей щели ближе 30-50 метров к проектному контуру карьера, действие взрывов начинает ощутимо сказываться на устойчивости бортов [30]; в приконтурной зоне карьера раскрываются существующие трещины и появляются новые, откос после уборки взорванной горной массы выглядит в виде неровной, «рваной» плоскости. Под действием энергии взрывов уменьшаются силы трения по наиболее слабой поверхности откоса, что при небольшом запасе коэффициента устойчивости может привести к внезапному обрушению. Так, организацией ВНИМИ были проведены специальные наблюдения для определения степени и характера деформаций массива горных пород от различных взрывов [36]. Результаты этих наблюдений показали, что прочность массива на расстоянии 38-40 м от ближайшей скважины составляет 80 % от первоначальной; на расстоянии 15 м – лишь 15 % от исходной. Применение короткозамедленного взрывания в 2-3 ступени, ослабляет действие взрыва против мгновенного взрывания в 2-3 раза. Исходя из этого, начиная с расстояния 40-50 м до предельного контура карьера, рыхление пород взрывом следует вести ограниченными зарядами ВВ.

Проведение дренажных работ и их эффективность играет немаловажную роль в вопросах устойчивости. В условиях осадочных месторождений с преобладанием глинистых пород или с наличием в породах интенсивной нарушенности и зон дробления, вода является основным фактором, способствующим развитию оползней, осыпей, оплывин и других геомеханических процессов.

Производство нагорных канав, опережающее водопонижение с помощью водопонизительных скважин, во всех случаях создает благоприятные условия устойчивости откосов. Например, при разработке месторождения «Т», основное усилие было направлено на строительство нагорных канав по северному и южному бортам карьера, т.к. питание трещинно-жильных вод месторождения осуществлялось, в основном, за счет атмосферных осадков и ливневых вод, а глубинные воды дренировались в подземные геологоразведочные выработки.

Время стояния откосов сказывается на крепости пород в результате воздействия на них процессов выветривания, выщелачивания и других факторов структурного ослабления. Агенты выветривания проникают по трещинам в глубь массива и активизируют процесс разрушения пород. Таким образом, время является дополнительным фактором, оказывающим влияние на появление деформаций.

Экспозиция откосов – положение нерабочих уступов по отношению к воздействию агентов выветривания также ослабляет устойчивость откосов.