Способ заоткоски и отстройки нерабочего борта карьера

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой разработке наклонных и крутопадающих месторождений. Техническим результатом является создание равноустойчивого крутого борта по глубине карьера при снижении объемов вскрыши на всех этапах его заоткоски и отстройки. Для этого способ включает нарезку уступов с изменяющимися углами. Причем дифференцированные по глубине карьера углы откосов сдвоенных уступов образуют с учетом снижения параметров нарушений с глубиной месторождения, при естественной блочности верхних горизонтов и влияния массовых взрывов и выветривания пород с постепенным увеличением их крутизны до оформления вертикальных откосов сдвоенных уступов при доработке карьера, причем углы откосов уступов и участков борта на верхних горизонтах в скальных сильнотрещиноватых породах составляют 50-55°, среднетрещиноватых и трещиноватых - 70-60° и в малотрещиноватых породах могут составлять 80-85°, а участки борта высотой 60-90 м в глубокой части карьера с вертикальными сдвоенными уступами и предохранительными бермами 10 м имеют угол откоса 80-85°. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой разработке наклонных и крутопадающих месторождений.

Известен способ заоткоски борта при отработке крутопадающих рудных тел, заключающийся в последовательной погоризонтной выемке вскрышных пород и полезного ископаемого и заоткоске уступов с глубиной под одинаковым углом, образуя плоский борт карьера (М.В.Васильев, К.М.Штукатуров, А.Ф.Ткачев. Железорудные карьеры. М.: Недра, 1982. - 262 с.).

Недостатком данного способа является то, что принимается одно значение угла откоса борта независимо от того, что геологоразведкой устанавливаются обычно две-три зоны по глубине месторождения, отличающиеся различной нарушенностью и трещиноватостью пород, как правило, снижающиеся с глубиной отработки месторождения. Завышение углов откоса борта в его верхней части приводит к преждевременному оползанию и обрушению участков борта, а занижение угла откоса в глубокой зоне малотрещиноватых и малонарушенных пород приводит к снижению глубины карьера. Кроме того, это приводит к автоматическому снижению ширины рабочей зоны карьера до минимальных значений, а в дне карьера до 15-30 м.

Известен способ отстройки борта при доработке кимберлитогого месторождения, заключающийся в том, что борт первоначально отстраивают промежуточной глубины с параметрами, допустимыми по устойчивости, а затем осуществляют погашение борта ниже промежуточного дна на этапе доработки массива полезного ископаемого в прибортовых целиках и заканчивают отстройку борта на этом участке сверхвысокими крутыми уступами под предельным углом погашения (А.С. №2180041 С2 Е 21 С 41/26 А.Н.Акишев, В.А.Бахтин, Н.К.Звонарев, Е.В.Бондаренко, М.В.Ганченко, опубл. 27.02.2002 Бюлл. №6).

Недостатком способа является то, что заоткоска и отстройка большей части борта осуществляются с параметрами, обеспечивающими их устойчивость, а при заоткоске нижней части борта под крутыми углами происходит подрезка борта, поскольку общий коэффициент запаса устойчивости меньше 1.3 (проект). Кроме того, накануне перед доработкой запасов коэффициент запаса может быть ниже значений в предельном состоянии и не исключены подвижки борта.

Помимо этого при сверхвысоких и крутых откосах уступов не гарантируется безопасность производства добычных работ при доработке карьера с небольшими запасами в целиках.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату является способ заоткоски и отстройки борта, включающий отстройку борта с откосом его, близко соответствующим профилю борта В.В.Соколовского (А.М.Демин, А.М.Иоффе, В.А.Зенкин Рациональный профиль борта карьера. Горн. инф. - аналит. бюлл - №1, 2002 г. - С.141-145). При этом профиле борта участки откоса в его верхней положе (до 20-25°), а затем следует постепенное их увеличение и в нижней на последнем участке их угол составляет 90°. Такой борт соответствует по форме “капле”, находящейся на потенциальной (наклонной) поверхности отрыва и связанной с ней сцеплением.

По методике ВНИМИ высота борта делится на 3 части, и в верхней части заоткоски участка борта осуществляется под углом 30-35° и более с крутыми углами в средней и нижней частях откоса борта.

Недостатком способов является то, что пологие углы откосов верхних участков бортов не соответствуют реальным условиям их устойчивости в скальных массивах. Такие откосы соответствуют откосам насыпных пород и близки к откосам отвалов.

Кроме того, пологие углы откосов в верхних участках борта приводят к большому ущербу при разработке месторождений открытым способом, поскольку параметры бортов карьеров на поверхности могут достигать 4-6 км и более и на этих участках предстоит разрабатывать большой объем дополнительной вскрыши.

Целью изобретения является создание равноустойчивого крутого борта по глубине карьера при снижении объемов вскрыши на всех этапах его заоткоски и отстройки.

Поставленная цель достигается тем, что способ заоткоски и отстройки борта карьера включает нарезку уступов с изменяющимися углами. Причем дифференцированные по глубине карьера углы откосов сдвоенных уступов образуют с учетом снижения параметров нарушений с глубиной месторождения, при естественной блочности верхних горизонтов и влияния массовых взрывов и выветривания пород с постепенным увеличением их крутизны до оформления вертикальных откосов сдвоенных уступов при доработке карьера, причем углы откосов уступов и участков борта на верхних горизонтах в скальных сильнотрещиноватых породах составляют 50-55°, среднетрещиноватых и трещиноватых - 70-60° и в малотрещиноватых породах могут составлять 80-85°, а участки борта высотой 60-90 м в глубокой части карьера с вертикальными сдвоенными уступами и предохранительными бермами 10 м имеют угол откоса 80-85°.

Особенностью создания устойчивых бортов в карьерах, особенно глубоких, является то, что отстройка верхних уступов и участков борта опережает формирование уступов в глубоких зонах на 20-30 лет и более.

В известных методах определения параметров бортов карьеров (метод ВНИМИ и др.) в расчет принимается ослабленная поверхность скольжения, по которой со временем при доработке карьера борт переходит в равновесное (предельное) состояние. Расчетные характеристики пород на сдвиг при этом редко превышают с учетом коэффициента запаса n₃=1.3: угол внутреннего трения (ϕ=30-32°, а сцепление С=0,2-0,4 МПа. Определенные по ним параметры бортов карьеров глубиной Н=300-500 м (угол откоса борта α_б), как правило, не превышают 42-45°.

Между тем по генезису образования (магматические) и структуре скальных пород особенно наклонные и крутопадающие рудные тела, работающие в откосе борта на срез (без выявленных крутоподсекающих бортов тектонических разрывов), месторождения могут быть разделены на типы: скальные малотрещиноватые, близкие к монолитным, скальные средне- и трещиноватые, сильнотрещиноватые. Сцепление пород в них отличается на порядок и более: от 0,3-0,5 МПа (при смещении блоков относительно друг друга) до 7-10 МПа (при работе пачек на срез).

Равноустойчивый оптимальный угол наклона уступов и борта карьера с глубиной месторождения необходимо определять с учетом:

- снижения трещиноватости и нарушенности пород с глубиной месторождения;

- влияния массовых взрывов в карьерах на разрушение (трещинообразование) приоткосного массива (на величину 100-140 диаметров заряда и более);

- влияния выветривания и гидрогеологии на устойчивость откосов уступов и приоткосного массива борта;

- влияние разгрузки массива;

- учет периода доработки карьера, когда горные работы под последними заоткошенными уступами не ведутся.

Снижение трещиноватости пород массивов с глубиной месторождения может быть

описано выражением вида

K_тр=А/Н^х,

где А - постоянная;

Н - глубина карьера;

х - показатель степени.

Значения величин как постоянных А, так и х для месторождений, различны и подлежат определению.

Влияние массовых взрывов в карьере на нарушение приоткосных массивов определяется с учетом взрыва ВВ за весь срок эксплуатации карьера (в приоткосной зоне).

В общем виде клин сдвига в приоткосном массиве от взрыва ВВ условно может быть оформлен наклоном прямой к горизонтали под углом α₁. Глубина распространения нарушений на поверхности от количества ВВ изменяется от 10-15 м (малотрещиноватый массив) до 100-120 м (сильнотрещиноватый массив), а от бровки откоса вблизи дна от 3-5 до 5-10 м.

Ширина зоны выветривания, которая должна приниматься в расчет при заоткоске уступов и участков борта, может изменяться от 1-2 м (малотрещиноватые, близкие к монолитным) до 8-10 м (сильнотрещиноватые массивы) за 20-25 лет их стояния.

Влияние разгрузки массива проявляется в большей степени в блочном трещиноватом массиве, особенно в период формирования клина сдвига.

Учет периода доработки карьера необходимо для того, чтобы произвести заоткоску уступов под максимально возможным углом вплоть до 90°, поскольку ведение работ под такими откосами непродолжительны и сдвижения откоса на таких участках бортов при минимальной нарушенности скальных пород невозможны.

Одновременный учет влияющих факторов предопределяет плавное изменение углов заоткоски уступов и участков борта с глубиной месторождения, а профиль откоса борта близок к выпуклому с постепенно изменяющейся геометрией и крутизной до вертикального участка вблизи дна карьера.

Крутизна отдельных участков борта может изменяться от 50-55° (верхние одинарные уступы в сильнотрещиноватых массивах), 70-60° - в трещиноватых массивах на средних горизонтах и до 80-85° в малотрещиноватых массивах на глубоких горизонтах при доработке карьера.

В таблице приведена классификация массивов пород по нарушенности и трещиноватости в соответствии с коэффициентами трещиноватости.

Таблица Классификация породных массивов по трещиноватости и сцеплению пород
Показатели	Единицы измерения	Типы массивов
		малотрещиноватые	трещиноватые	интенсивно трещиноватые
Коэффициент трещиноватости	Число трещин на 1 м керна	до 3-5	15-25	свыше 25-30
Сцепление	МПа	7-70	2-3	0,5-1

На фиг.1 приведен разрез месторождения с дифференцированными по глубине карьера углами откоса уступов борта.

На фиг.2а, 2б, 2в, 2 г, 2д приведены графики изменения величины сцепления и угла внутреннего трения породного материала по мере уменьшения его крупности d. При блоках размером 1 м более сцепление пород достигает 7-10 МПа, а угол внутреннего трения 45° и более.

Пример конкретного исполнения

Для Ньоркпахского месторождения апатито-нефелиновых руд, отрабатываемого одноименным карьером рудника “Восточный” ОАО “Апатит” на основе учета всех влияющих факторов, таких как большая нарушенность пород на верхних горизонтах (крупная блочность пород), влияние массовых взрывов в карьере, снижающих сцепление между блоками до минимальных значений и зоной распространения до 50-100 м, выветриванием пород на верхних горизонтах на ширину до 20-30 м за 20 лет работы карьера определены параметры устойчивых откосов уступов и участков борта до конца отработки месторождения карьером.

На средних и особенно нижних горизонтах ширина зоны нарушений постоянно снижается и составляет 5-10 м при отработке последнего горизонта.

Коэффициенты А и х, определяющие закономерность снижения коэффициента трещиноватости массива с глубиной, составили соответственно А=116, х=0,43. В соответствии с установленной зоной нарушений по глубине карьера (Нк=260-390 м) определены устойчивые углы откосов уступов и участков борта. Они составили на верхнем горизонте 50-55°, на последующих с увеличением до 60-70° (средние горизонты) и до 80-85° - на нижних, причем два последних сдвоенных уступа (участок борта Ну=60 м) имеют угол 90° (вертикальные сдвоенные уступы) с бермой 5-10 м для безопасности выполнения работ. Угол откоса борта на этом участке составит 78-80°.

По проекту угол откоса борта (плоский) 46-47°. По предлагаемому способу крутизна борта 56-57°, что обеспечивает снижение объема пород в бортах от разноса по сравнению с проектом до 35-38 млн.м³.

Для глубокого Коашвинского карьера рудника Восточный ОАО “Апатит” (Нк=600-800 м) участок борта в глубокой части карьера с минимальным нарушением законтурного массива определены три сдвоенных вертикальных уступа по 30 м с бермами шириной 5-10 м (участок борта Ну=90 м), угол откоса участка борта - 78-80°. На карьерах высота уступов h=15 м, щелеобразование производится бурением скважин диаметром 100-120 мм.

Способ заоткоски и отстройки борта карьера, включающий нарезку уступов с изменяющимися углами, отличающийся тем, что дифференцированные по глубине карьера углы откосов сдвоенных уступов образуют с учетом снижения параметров нарушений с глубиной месторождения при естественной блочности верхних горизонтов и влияния массовых взрывов и выветривания пород с постепенным увеличением их крутизны до оформления вертикальных откосов сдвоенных уступов при доработке карьера, причем углы откосов уступов и участков борта на верхних горизонтах в скальных сильнотрещиноватых породах составляют 50-55°, среднетрещиноватых и трещиноватых - 70-60° и в малотрещиноватых породах могут составлять 80-85°, а участки борта высотой 60-90 м в глубокой части карьера с вертикальными сдвоенными уступами и предохранительными бермами 10 м имеют угол откоса 80-85°.