К вопросу организации геомеханического мониторинга при освоении месторождений полезных ископаемых открытым способом на больших глубинах

Авторы: к.т.н. Гришин А.В., инженер-маркшейдер Шевчук С.В.

Ключевые слова: Безопасность, открытый способ разработки, деформации, откосы, уступы, виды и типы нарушения устойчивости массива, мониторинг.

В связи с происходящим истощением запасов полезных ископаемых, расположенных в относительно благоприятных условиях, на небольших глубинах залегания, все чаще приходится вовлекать в добычу месторождения, расположенные в сложных горно-геологических условиях, залегающие на больших глубинах, в сложных, слабоизученных и потенциально опасных условиях. Не исключением являются и месторождения, разрабатываемые открытым способом. Так еще десять-двадцать лет назад карьеры глубиной 500 метров относились к разряду уникальных объектов и, как правило, по достижению такой глубины подлежали закрытию. На сегодняшний день такая глубина карьеров не считается уникальной и разработку месторождений полезных ископаемых продолжают вести открытым способом и на больших глубинах. Так проектная глубина алмазодобывающего карьера «Юбилейный» составляет 720 м, а карьер «Удачный» ведет горные работы на глубине 585 м, глубина золотодобывающего карьера «Восточный» около 500 м, и карьер продолжает работать, глубина Коркинского угольного разреза составляет более 500 м.

В связи с этим, безопасное и эффективное освоение месторождений полезных ископаемых открытым способом, залегающих на больших глубинах, осложняется тем, что с увеличением глубины ведения горных работ существенно изменяется характер протекания деформационных процессов в массиве пород и степень их влияния на окружающую среду [1].

Для современного состояния открытых разработок характерны значительное увеличение производительности предприятий, повышение мощности горнотранспортного оборудования, увеличение глубины существующих карьеров и переход к разработке глубокозалегающих месторождений. В этих условиях большое значение приобретают вопросы устойчивости откосов открытых горных выработок и выбора методик их контроля. Во-первых, с возрастанием периметра и глубины карьера увеличивается суммарная площадь обнаженных откосов, что повышает вероятность их деформаций. Во-вторых, по мере углубления карьера пропорционально растут напряжения в приоткосных массивах горных пород, что отрицательно сказывается на их устойчивости. В-третьих, вместе с увеличением мощности горного оборудования возрастают элементы системы разработки, связанные с устойчивостью откосов: высота уступов и отвалов, ширина заходки, скорость подвигания рабочего фронта, темп углубления горных работ [2]. Наряду с этим особо остро стоит вопрос выбора систем мониторинга деформационных процессов в зоне влияния горных работ. Усложняется это тем, что месторождения, отрабатываемые открытым способом, характеризуются чрезвычайным разнообразием горно-геологических условий. Этим объясняется широкий диапазон изменения фактических углов наклона бортов карьеров, а также подходов к организации наблюдений за их деформациями. Поэтому решение вопросов устойчивости бортов и уступов каждого карьера требует индивидуального рассмотрения.

Также необходимо отметить, что обоснование углов откоса и параметров уступов достаточно сложная инженерная задача, точно и надежно обосновать упомянутые параметры существующими методами расчета устойчивости затруднительно, так как этим методам присущ ряд существенных недостатков. Обычно, ввиду сложности определения напряжений, вместо трех составляющих в каждой точке приоткосной зоны при решении плоской задачи учитывается приближенно только вертикальная составляющая напряжений, соответствующая весу столба вышележащих пород. Форма наиболее вероятной поверхности разрушения принимается заранее известной и не зависит от физико-механических характеристик пород, что противоречит физическому смыслу рассматриваемой задачи. Не учитывается влияние подошвы на распределение напряжений. А для проведения качественного численного моделирования, как правило, не хватает исходных данных о массиве горных пород. На этом фоне локомотивную роль приобретают методы контроля за развитием деформационных процессов, результаты которых используются не только для оценки безопасности наблюдаемых процессов, но и для получения информации об их характере и величине, которая в дальнейшем используется для уточнения ранее проводимых расчетов устойчивости горного массива.

Исходя из изложенного, к выбору методик мониторинга деформационных процессов, при открытых способах разработки месторождений полезных ископаемых, надо подходить с особой тщательностью. Основным критерием при выборе таких методик должен быть принцип своевременного выявления признаков возникновения предельных деформаций горного массива. С этой целью, необходимо понимать какой характер будут носить деформации на разных этапах освоения месторождения.

Рациональный выбор методики контроля за деформационными процессами, напрямую влияет на безопасность ведения горных работ и экономическую составляющую разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом. Такой выбор затрудняется тем, что действующие в настоящее время директивные и нормативные документы, регламентирующие мероприятия в части предупреждения оползневой опасности в карьерах, в значительной мере устарели и не отражают современного состояния открытых разработок и требуют существенной корректировки и переработки.

Подтверждением этому могут служить инциденты, произошедшие на карьерах Юбилейный Олимпиаденского ГОКа (см. рис. 2), Березитовый (см. рис. 1), Коркинский разрез (см. рис. 3). 

Рисунок 1 - Общий вид обрушения на борту карьера «Березитовый»   

Рис. 2 -  Обрушение на борту карьера «Юбилейный»   Рис. 3 - Трещина отрыва в зоне деформируемого борта                                   

И так, подводя итог, можно резюмировать, что нарушения устойчивости откосов и уступов имеют место на многих карьерах и наносят существенный социальный и экономический ущерб. Наряду с этим большое значение приобретают надежная оценка и своевременное прогнозирование устойчивости откосов и уступов в различных природных условиях. Добиться этих параметров можно организацией мониторинга, адоптированного под конкретные условия разработки карьера. Так для выбора систем мониторинга, направленных на своевременное выявление признаков предельного нарушения устойчивости откосов и уступов карьера, необходимо классифицировать виды и типы нарушений устойчивости массива горных пород при открытом способе освоения месторождений полезных ископаемых. 

Как показал анализ литературных материалов [1], существует множество классификаций, отражающих обозначенные вопросы. При этом можно выделить следующие основные классификационные признаки: морфологический (тип пород); причина сползания; характер сдвижения; структура склона; условия водоносности; возраст склона; фаза развития процесса; форма в плане и в разрезе; скорость сдвижения;  характер разрушения пород.

Главной задачей при классифицировании является выбор существенных системообразующих признаков, обеспечивающих достижение поставленных целей. Необходимо, чтобы эти признаки можно было легко и надежно определять, они должны быть наблюдаемыми и, что особенно важно, измеряемыми. В соответствии с изложеным выбрано 3 системообразующих признака:

• механизм нарушения устойчивости;

• местоположение поверхности или зоны разрушения относительно контура карьера;

• состояние пород.

Так, по мнению авторов, для решения поставленных задач наиболее подходят классификации, предложенные профессором А.М. Деминым. Эти классификации были составлены на основе анализа большого статистического материала, фактических случаев нарушения устойчивости массива горных пород при освоении месторождений полезных ископаемых открытым способом, причем в различных горно-геологических условиях, а также глубокой теоретической проработки механизмов развития деформаций горных пород в конкретных условиях.

По первому признаку выделены четыре типа нарушения устойчивости элементов карьера [3]:

1. уплотнение пород; при мягких породах, залегающих в нижней зоне или в подошве отвала, сопровождающееся ее выдавливанием;

2. отрыв и сдвиг по контакту или по однородной породе;

3. отрыв (иногда с изгибом) и смещение вниз;

4. вязкопластическое течение.

По второму признаку выделены три вида нарушения устойчивости, в которых поверхность или зона разрушения [3]:

1. размещается на верхней площадке уступа или отвала;

2. выходит в откос;

3. располагается в подстилающих породах.

По третьему признаку различают твердое, сыпучее и вязкопластическое состояния пород.

Для выделения типов нарушения устойчивости открытых горных выработок использовались также дополнительные критериальные признаки, систематизированные в табл.1 [3].                                                                                 

   Критериальные признаки типов нарушений устойчивости О.Г.В.

Каждому типу нарушения устойчивости горных пород должен соответствовать свой способ проведения мониторинга, позволяющий максимально выявлять те геомеханические процессы характерные для каждого из указанных типов, в том числе и на различных стадиях их протикания.

В практике горного дела различают следующие стадии деформирования:

• начальные деформации (допустимые), при которых процесс носит плавный характер без нарушения сплошности массива;

• критическая деформация, предшествующая «сходу» оползня, на этой стадии, как правило, наблюдаются образования трещин различной иерархии. Значения критических деформаций находятся между допустимыми и предельными. По достижению массива критических деформаций процесс может быть стабилизирован путем проведения специальных мероприятий;

• предельные деформации, при которых происходит оползень;

• запредельная деформация, соответствующая окончанию процесса оползания.

При мониторинге оползней представляет наибольший интерес критическая стадия деформирования.

Из анализа возникновения аварийных ситуаций, вызванных развитием геомеханических процессов на карьерах, можно заключить, что процесс деформирования горного массива допустимо разделить как минимум на два типа:

1. Оползневые процессы, когда нарушение устойчивости массива протекает достаточно медленно (дни, месяцы, а иногда и годы).

2. Обрушения и вывалы на отдельных участках, когда процессы нарушения устойчивости горного массива происходят быстро (мин., часы).

Необходимо отметить, что деформации первого тип при определенных обстоятельствах могут перейти в деформации второго типа, а также участки, потенциально опасные по деформациям второго типа могут перейти в первый.

Каждый тип развития деформаций в карьере требует подбора методов мониторинга, соответствующих особенностям деформирования горного массива и дневной поверхности.

На сегодняшний момент, можно констатировать, большое многообразие способов и методик по наблюдению за деформационными процессами в карьере: маркшейдерский (маркшейдерское оборудование – эл. тахеометр, нивелир, спутниковое оборудование), радарный – радио волны (радарные установки), лидарный – световые волны (наземные лазерные сканирующие системы), геотехнический (геотехнические датчики) и т. п.

По отдельности, каждый метод имеет свои уникальные преимущества, так же, как и недостатки. Например, существенным недостатком радарного и лидарного метода, можно считать то, что данный метод производит наблюдение только внешней (видимой) части массива, поэтому не может быть основным источником информации о подвижках горного массива, так как существенные изменения поверхностной части массива в виде поверхностных осыпей могут быть никак не связанны с состоянием массива, также как и наоборот небольшие подвижки коренной части массива, которые могут быть восприняты данными методами как незначительные, могут стать причиной серьёзного обрушения.

Маркшейдерский метод, за счет закладки профильных линий, в коренных породах – легко позволяет наблюдать основания горного массива. Однако и маркшейдерский метод, в классическом его понимании – проведение измерений оператором с использованием высокоточных электронных тахеометров – не позволяет в должной мере обеспечить необходимую степень контроля за развитием деформационных процессов.

Определения деформационного состояния бортов и уступов карьера на основе результатов маркшейдерско-геодезических наблюдений (в том числе и автоматизированных), проводимых по профильным линиям, заложенным на поверхности бортов, осуществляется путем анализа изменения полных векторов смещения деформационных реперов. Их количественное распределение по всей поверхности борта свидетельствует о характере его деформирования. Положения поверхностей скольжения при этом, как правило, строят по направлениям векторов перемещения реперов.

Недостатком этого способа является то, что на смещение наблюдательных пунктов (реперных точек) большое влияние оказывают эрозионные процессы, происходящие в приповерхностном слое вследствие выветривания, наведенной (техногенной) трещиноватости при производстве буровзрывных работ и не связанные с геомеханическими процессами, происходящими внутри горного массива. В результате чего, данные таких наблюдений могут не точно характеризовать фактическое состояние массива горных пород, а именно местоположения потенциальной поверхности скольжения.

Для повышения точности определения потенциальной поверхности скольжения необходимо проводить дистанционные измерения деформаций массива горных пород через специально пробуренные скважины в зонах, недоступных для прямых, маркшейдерских наблюдений.

Измерения заключаются в определении направления и величин горизонтальных и вертикальных сдвижений деформационных глубинных реперов, расположенных в скважинах через определенный интервал, и проведения инклинометрии тела скважины с целью построения полных векторов сдвижений, определяющих местоположения потенциальной поверхности скольжения (см. рис.4). По результатам определения полных векторов сдвижения строятся графики сдвижений и деформаций в скважинах, по конфигурации которых можно определить местоположения потенциальной поверхности скольжения [4]. 

Рисунок 4 - Схема размещения наблюдательных скважин для контроля вертикальной составляющей процесса сдвижения борта карьера

1-поврхностный репер; 2- трещина отрыва; 3- наблюдательная скважина; 4- глубинный репер; 5- потенциальная поверхность скольжения 

Наблюдения за деформациями массива горных пород предложенным способом позволяют контролировать процесс их развития и своевременно проводить профилактические и (или) защитные мероприятия для недопущения достижения деформациями своих предельных значений. Данные, полученные в результате наблюдений предложенным способом, интегрально отражают влияние всех обозначенных особенностей горных пород и поэтому являются более надежными для определения местоположения линии потенциальной поверхности скольжения и оценки состояния массива горных пород в ее окрестности.

По результатам произведенных измерений вычисляют величины относительных деформаций e для каждой наблюдательной скважины по формуле [4]

где    R_i – перемещение i-го репера;

         R_i-1 – перемещение предыдущего репера;

         l – расстояние между этими реперами.

Линия, соединяющая точки с критическими значениями относительных деформаций e_кр , является границей потенциальной поверхности скольжения.

Для оценки состояния массива и необходимости принятия защитных мер определяют коэффициент запаса устойчивости борта n.

При относительных деформациях ε=1*10^-3 сдвижения массива горных пород практически не ощутимы, что соответствует коэффициенту запаса устойчивости n = 1,4, при котором никаких профилактических и защитных мер не требуется.

При относительных деформациях 0,5 ε_кр  > ε > 1*10^-3  сдвижения массива горных пород считаются допустимыми, что соответствует коэффициенту запаса устойчивости n = 1,3, при котором никаких специальных мер защиты или профилактики, кроме инструментальных наблюдений, не требуется.

При относительных деформациях ε_кр > ε > 0,5 ε_кр   сдвижения массива горных пород считаются критическими, что соответствует коэффициенту запаса устойчивости n = 1,2, при котором необходимо применять меры по повышению устойчивости бортов карьера, разреза, котлована, в том числе по упрочнению горных пород в окрестностях потенциальной поверхности скольжения.

При относительных деформациях 2ε_кр > ε > ε_кр    сдвижения массива горных пород считаются предельными, что соответствует коэффициенту запаса устойчивости n = 1,1, при котором резко повышается опасность возникновения оползня и следует начать эвакуацию людей и механизмов из оползнеопасной зоны.

При относительных деформациях ε > 2ε_кр сдвижения массива горных пород считаются запредельными, что соответствует коэффициенту запаса устойчивости n = 1,0, при котором происходят опасные разрушительные процессы и потому пребывание людей в оползнеопасной зоне недопустимо.

Таким образом, способ дистанционного измерения деформаций горных пород в зонах, недоступных для прямых измерений, дает возможность определять местоположения потенциальной поверхности скольжения и деформаций массива горных пород в окрестностях этой поверхности, путем измерения полных векторов смещения точек массива, через специально пробуренные скважины. Его отличительной особенностью является то, что  измерения осуществляются непосредственно в массиве горных пород и данные, полученные в результате наблюдений предложенным способом, интегрально отражают влияние всех особенностей горных пород и поэтому являются достаточно надежными для определения местоположения линии потенциальной поверхности скольжения.

Совместный анализ данных инструментальных измерений, проводимых по наблюдательным станциям, заложенным на поверхности бортов карьера и по скважинам, пробуренным в массиве горных пород, расположенных в зоне влияния открытых горных работ, позволяет повысить точность и полноту определения геомеханического состояния массива горных пород и направлен на своевременное (заблаговременное) выявление признаков, предшествующих началу оползневых процессов наблюдаемых бортов карьера.

Список литературы:

1. Бабелло В.А., Гришин А.В., Никифорова И.Л. К вопросу об определении параметров прочности горных пород для оценки устойчивости обнажений скальных массивов // Маркшейдерский вестник №6,-  С.54-57.

2. Певзнер М.Е., Иофис М.А., Попов В.Н., Геомеханика: Учебник для вузов. – 2-е изд., стер. – М.: Издательство Московского горного университета, 2008. – 438 с., ISBN 978-5-7418-0528-2

3. Демин А.М., Устойчивость открытых горных выработок и отвалов. М., «Недра», 1973, - С. 232.

4. Пат. 2509889 Российская Федерация. Способ определения деформаций горных пород в зонах, недоступных для прямых измерений/ Сученко В.Н., Иофис М.А. Гришин А.В. и др.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский университет дружбы народов (РУДН).