Авторы
Анатолий Сашурин
Заведующий отделом геомеханики Института горного дела (ИГД УрО РАН), д.т.н., профессор
Андрей Панжин
Ученый секретарь Института горного дела (ИГД УрО РАН), к.т.н.
Виталий Мельник
Заведующий лабораторией технологий снижения риска катастроф при недропользовании Института горного дела (ИГД УрО РАН), к.т.н.
Аннотация
Расчет устойчивости бортов карьеров на основе прочностных и деформационных характеристик массива горных пород недостаточен для определения истинных параметров отработки карьеров, что в свою очередь приводит к аварийным ситуациям. Специалисты Института горного дела УрО РАН рекомендуют комплексный подход при выявлении потенциально опасных участков транспортных берм. Он включает анализ и обобщение имеющейся информации о тектоническом строении месторождения с применением метода спектрального сейсмопрофилирования, экспериментальные и теоретические исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород с использованием технологий спутниковой геодезии, инженерно-геофизические исследования структурных особенностей массива.
Устойчивость бортов карьеров определяется параметрами углов уступов, рассчитанных по специальным методикам, использующим прочностные и деформационные характеристики массива горных пород с учетом его обводненности. Однако такой подход зачастую недостаточен для того, чтобы с точностью определить истинные параметры отработки карьеров, что, в свою очередь, приводит к аварийным ситуациям — оползневым процессам, разрушению транспортных магистралей, завалам дорогостоящей техники — и нередко сопровождается человеческими жертвами.
Большую роль в устойчивости бортов карьера играет напряженно-деформированное состояние, изменяющееся как под воздействием техногенных факторов (выемка руды и породы), так и под влиянием природных факторов — современной геодинамической активности тектонических нарушений.
Оценивая устойчивость транспортных берм, специалисты отдела геомеханики ИГД УрО РАН использовали методологический подход, основанный на учете:
- Структурных особенностей массива горных пород;
- Современной геодинамической активности, характеризуемой современными Геодинамическими движениями трендового и цикличного характеров;
- Закономерностей формирования вторичного напряженно-деформированного состояния в районе размещения карьеров и, самое главное, его непостоянства во времени, оказывающего определяющее влияние на устойчивость бортов и уступов.
На первом этапе проводится укрупненная оценка карьерного поля на предмет тектонической нарушенности. Для этого используются фондовые материалы, полученные в процессе разведки месторождения и имеющиеся на любом горном предприятии.
Далее определяются наиболее опасные участки, находящиеся на пересечении бортов карьеров известными крупными тектоническими нарушениями. На этих участках с помощью методов наземной геофизики уточняются структурно-тектоническое строение и состояние прибортового массива карьера. Процесс не ограничивается крупными нарушениями и фактическим уровнем изученности тектоники района. В связи с этим, при необходимости, на основании информации о происходящих в карьере неблагоприятных процессах расположение и площадь исследований могут корректироваться.
Далеко не все геофизические методы могут использоваться при проведении работ в карьерах. Электроразведка в условиях рудных месторождений является малоинформативной, поскольку основана на изучении электропроводности грунтов, а руда является хорошим проводником, как и обводненные тектонические нарушения, и вопрос достоверной интерпретации остается открытым. Магниторазведка имеет подобные недостатки, да и не дает представления о структурном строении по глубине. Глубинность исследований с помощью георадарного зондирования не превышает высоты уступов, все неоднородности на этой глубине видны невооруженным взглядом, и такие работы не представляют научного и практического интереса. Сейморазведка, в ее классическом представлении, является достаточно дорогим и низкопроизводительным методом.
В последнее время для определения структурно-тектонического строения и геомеханического состояния бортов карьера хорошо зарекомендовал себя метод спектрального сейсмопрофилирования (метод ССП), разработанный специалистами НТФ «Геофизпрогноз» из г. Санкт-Петербурга. Благодаря высокой производительности, достаточно большой глубине исследований (150–200 м), высокой разрешающей способности и мобильности при производстве измерений он закрепился в качестве основного геофизического метода, используемого коллективом отдела геомеханики Института горного дела УрО РАН для решения поставленных задач.
Пример получаемой при производстве измерений информации на одном из карьеров Восточной Сибири представлен на рис. 1.
С точки зрения наглядности при представлении результатов спектрального сейсмопрофилирования значительно выигрывают проекции сейсморазрезов на борта карьера по каждому уступу, по результатам которых впоследствии была построена схема структурно-тектонической нарушенности прибортового массива карьера.
Как видно из рис. 1, при помощи этого метода не только хорошо выделяются области повышенной тектонической нарушенности в плане, но и детально прослеживается структура по глубине. Представленные структурные неоднородности, выявленные методом ССП, приурочены к контактам геологических разностей и хорошо кореллируют с данными геологической разведки. Приповерхностная часть разреза уступов обладает повышенной трещиноватостью, связанной с буровзрывными работами.
Сформировав представление о стуктурно-тектоническом строении и состоянии породного массива, необходимо получить информацию о подвижности выявленных тектонических структур. При эксплуатации месторождения, вследствие образования карьерной выемки, перемещения горной массы из карьера в отвалы и прочих факторов происходит нарушение первоначального напряженно-деформированного состояния породного массива и формирование вторичного напряженно-деформированного состояния.
Изменения, как правило, затрагивают не только прибортовой массив, но и проявляются на достаточно обширных территориях, прилегающих к месторождению. Экспериментальными исследованиями ИГД УрО РАН выявлены два вида современных геодинамических движений: трендовые (криповые) и цикличные. Трендовые движения происходят в виде взаимных подвижек соседних структурных блоков массива горных пород с относительно постоянными скоростью и направлением в течение продолжительного промежутка времени, сопоставимого со сроком службы объекта. Цикличные движения носят полигармонический характер и складываются из многочисленных знакопеременных движений с разными частотами и амплитудами перемещения цикла.
Трендовые движения могут иметь как естественную природу, обусловленную тектоническими подвижками по границам структурных блоков, так и техногенную, обусловленную перераспределением напряжений и деформаций в породном массиве под воздействием горных работ, откачки подземных вод и других факторов. Зафиксированные инструментальными методами величины трендовых смещений составляют от 0,5 мм/год для имеющих естественную природу до 200 мм/год для техногенных.
Короткопериодные цикличные движения имеют широкий полигармоничный спектр частот с продолжительностью циклов от 30–60 сек до 1 часа, нескольких часов, суток и более.
Все измерения по определению компонент трендовой и цикличной геодинамической активности производятся с использованием комплекса спутниковой геодезии GPS-ГЛОНАСС, позволяющего с высокой точностью определять пространственные координаты точек на земной поверхности. При этом в режиме дифференциальной GPS изначально определяется вектор — приращение координат в геоцентрической системе между фазовыми центрами двух и более антенн приемников, отцентрированных над пунктами геодезической сети, координаты которых необходимо определить (рис. 2).
В дальнейшем совокупность полученных векторов, образующая пространственную геодезическую сеть, проходит контроль на точность геометрических построений путем определения фактических невязок по замкнутым контурам и математически строго уравнивается в принятой системе координат: центрируется и ориентируется.
При этом определяются современные пространственные координаты пунктов государственной геодезической, маркшейдерско-геодезической сети, реперов геодинамического полигона, а при их сопоставлении с ранее полученными исходными значениями определяются геодинамические подвижки, происходящие в массиве горных пород.
Трендовые движения определяются на основе анализа изменений пространственных приращений координат (векторов) ΔX, ΔY, ΔZ между пунктами геодезических сетей или реперов наблюдательных станций, выполненных в промежутках между повторными циклами измерений.
Полученные в результате инструментальных наблюдений деформации интервалов с использованием математического аппарата механики сплошной среды, преобразованы в тензорное представление деформационного поля с выделением главных компонентов тензора деформаций. В том случае, если необходимо определение величин и направлений векторов трендовых движений, геодезическая привязка опорных реперов наблюдательной станции и их абсолютное позиционирование осуществляются от пунктов глобальной сети IGS, пространственное положение которых определяется в динамической системе координат ITRF.
В качестве примера рассмотрен участок в прибортовом массиве карьеров Качканарского ГОКа Гусевогорского месторождения, на котором расположен ряд реперов геодинамического полигона, координаты которых были ранее определены в период 2010–2011 годов (рис. 3).
По полученным разностям пространственных координат были вычислены величины сдвижений реперов геодинамического полигона и отстроены полные векторы смещений пунктов, отражающие произошедшие за этот период трендовые движения и вызванные ими деформации. Векторы смещений достаточно информативны для того, чтобы далее расчетным путем определить все необходимые параметры деформаций.
Анализ данных трендовых движений — величин и направлений векторов сдвижений, изолиний вертикальных сдвижений — в данном случае выявил сложный знакопеременный характер деформирования породного массива Гусевогорского месторождения и структурно-блочный характер распределения параметров деформаций. Также зафиксирована смена картины распределения трендовых геодинамических движений за различные периоды времени: 2010–2011 и 2011–2014 годы. Наиболее выделяется знакопеременный трендовый характер деформирования массива горных пород, слагающего перешеек между восточным бортом Западного и западным бортом Северного карьера.
В отмеченном районе отмечается как смена направления и величин векторов горизонтальных сдвижений, так и характер деформирования в вертикальной плоскости — смена оседаний реперов на поднятия. Это свидетельствует о формировании в массиве горных пород сложного вторичного напряженно-деформированного состояния, с концентрацией деформаций на границах структурных блоков, с миграцией их во времени.
Основу деформационных методов оценки напряженно-деформированного состояния горного массива составляет решение обратной геомеханической задачи по замеренным деформациям, вызванным воздействием тех или иных возмущений первоначального поля напряжений. На практике используют целенаправленные перераспределения напряжений, произошедшие вследствие выемки в напряженном массиве полостей с известными формой и размерами скважин, щелей, выработок, выработанных пространств и пр. При выполнении расчетов предполагается, что имеет место упругое деформирование сплошной однородной и, как правило, изотропной среды с однородным полем первоначальных напряжений.
Для натурных замеров крупномасштабных полей напряжений, соизмеримых с размерами месторождений и горных отводов, в качестве возмущающих полостей рассматриваются карьеры и зоны обрушения от подземных разработок. Упругие деформации окружающего массива определяются по замерам смещений тех реперных пунктов, которые были заранее установлены в пределах будущей области упругого деформирования, т.е. в зоне влияния полости, но вне мульды гравитационного оседания породной толщи. Для этого используются репера маркшейдерских наблюдательных станций, закладываемые на шахтах и карьерах для мониторинга процессов сдвижения, а также пункты маркшейдерско-геодезической сети и государственной геодезической сети.
Решение обратной геомеханической задачи осуществляется для условий плоского напряженного состояния по смещениям точек земной поверхности, при этом карьер или зона обрушения аппроксимируются в рассматриваемой напряженной плоскости эллиптическим или, в частном случае, круговым отверстием. В соответствии с принципом суперпозиции, смещения, вызванные выемкой в упругой изотропной плоскости эллиптического отверстия, могут быть представлены как разность между смещениями, обусловленными нагружением плоскости с отверстием, и смещениями, вызванными нагружением плоскости без отверстия. При решении задач геомеханики численные значения векторов смещений для точек земной поверхности определяются на основе функций комплексных переменных Н.И. Мусхелишвили.
Для построения деформационной модели района Джетыгаринского асбестового карьера на первом этапе была произведена разбивка исследуемого участка на сеть единичных треугольных элементов, которая была произведена с использованием математического аппарата триангуляции Делоне. Всего построено 37 треугольников, пространственные координаты вершин которых определены с высокой точностью для каждой серии измерений.
Для каждого треугольного элемента были определены:
- суммарные сдвижения каждого треугольного элемента как среднее сдвижений реперов, являющихся его вершинами;
- компоненты тензоров горизонтальных деформаций за период, прошедший с начала отработки месторождения по 2014 году;
- первый инвариант тензора горизонтальных деформаций как сумма компонент тензоров максимальных деформаций.
В графическом виде результаты, описывающие деформационные процессы и происходящие в прибортовом массиве в виде компонент тензоров деформаций, представлены на рис. 4.
В приведенном примере анализ данных трендовых движений — величин и направлений векторов сдвижений, изолиний вертикальных сдвижений во внешней и внутренней областях — выявил сложный знакопеременный характер деформирования породного массива Джетыгаринского месторождения и структурно-блочный характер распределения параметров деформаций. По результатам инструментальных измерений, в области влияния горных работ формируются локальные зоны концентрации как растягивающих, так и сжимающих напряжений, многие из которых являются высокоградиентными, а следовательно, представляют собой опасность по фактору развития обрушений и оползневых явлений.
Таким образом, вышеописанный комплекс исследований в полной мере раскрывает особенности в развитии геомеханических процессов и явлений, сопровождающих эксплуатацию карьеров. Для достижения поставленной цели — выявления участков потенциально опасных по устойчивости транспортных берм — использован комплексный подход, включающий: анализ и обобщение имеющейся информации о тектоническом строении месторождения, экспериментальные и теоретические исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород с использованием технологий спутниковой геодезии и инженерно-геофизических исследований структурных особенностей массива.
Анатолий Сашурин
Связаться Анатолий СашуринЗаведующий отделом геомеханики Института горного дела (ИГД УрО РАН), д.т.н., профессор
