Определение оптимально-расчетных устойчивых углов бортов карьеров при отработке маломощных рудных тел

 

АННОТАЦИЯ

В работе предложены пути повышения эффективности освоения мелкомасштабных месторождений золота на основе количественной оценки сложности их разработки и снижения себестоимости выпускаемой продукции. Рекомендованы методы определения параметров бортов, уступов и откосов отвалов на основе теории предельного равновесия горных пород.

ABSTRACT

The paper proposes ways to improve the efficiency of the development of small-scale gold deposits based on a quantitative assessment of the complexity of their development and reducing the cost of products. Methods for determining the parameters of the sides, ledges and slopes of dumps based on the theory of the limiting equilibrium of rocks are recommended.

 

Ключевые слова: Карьер, маломощные рудные тела, устойчивость бортов, месторождение золота, поверхность скольжения в прилегающем к откосу массиве, предельное равновесие, сцепление пород, высота откоса, ширина призмы обрушения,

Keywords: Quarry, shallow ore bodies, stability of sides, gold deposit, sliding surface in the massif adjacent to the slope, ultimate equilibrium, rock cohesion, slope height, caving prism width.

 

Мировая статистика свидетельствует, что для большинства рудных полезных ископаемых на одно уникальное или крупное месторождение приходится несколько десятков мелких объектов [1-3]. Что же касается соотношения крупных и малых горно-обогатительных предприятий, то оно меняется во времени в зависимости от экономических, технологических, социологических и некоторых других факторов. В настоящее время годы, в связи с относительно низким содержанием полезных компонентов в крупных месторождениях, большими ассигнованиями, требующимися на их разведку и промышленное освоение, снижением уровня цен на некоторые цветные и редкие металлы и, наоборот, резким их скачком на благородные металлы возросло внимание к возможности эксплуатации мелких и в первую очередь золоторудных месторождений. Практика освоения мелких месторождений малыми предприятиями как зарубежом, так и в отечественной практике показала, что вопросы разведки, геолого-экономической оценки разведанных запасов, проектирования технологии и организации добычи и переработки руды, некоторые социологические аспекты эксплуатации в значительной мере отличаются от традиционных методов, присущих средним и крупным объектам и требуют определенной научной и технико-экономической проработки [4-9].

Характерная особенность развития минерально-сырьевого комплекса увеличение масштабов освоения малых по запасам месторождений полезных ископаемых, разработка которых начинается или прекращается по мере изменения потребности в тех или иных продуктах горного производства.

К несомненным преимуществам малых предприятий относятся незначительные затраты на разведку месторождений и их освоение при небольших сроках отработки, что обеспечивает быстрое получение прибыли от капиталовложений и значительно снижает степень риска при не подтверждении объемов и качества руд, а также от колебания цен на реализуемую продукцию [10-12]. Кызылкумский промышленный регион в этом отношении не является исключением. Сегодня здесь насчитывается около ста месторождений и проявлений золота. Освоение средних и небольших по запасам месторождений отличается рядом особенностей социально-экономического и природного характера, присущих рассматриваемому региону, в частности таких, как:

‒ наличие крупных горно-металлургических комплексов с развитой инфраструктурой, способных перерабатывать различные виды золотосодержащего сырья;

‒ отсутствие в районах малых и средних месторождений дорог, электроэнергии, воды, жилья и т.п.;

‒ разнообразие технологических свойств руд и вмещающих пород месторождений.

Навоийский горно-металлургический комбинат имеет огромный опыт вовлечения в отработку маломасштабных месторождений золота. Так в разные годы были успешно отработаны открытым способом десятки такие месторождения золота как Аджубугутcкого, Аристантауского, Зармитанского и Каракутанского рудного поля и др.

В настоящее время комбинат приступил к реализации инвестиционного проекта, предусматривающего строительство Горно-перерабатывающего комплекса на базе золоторудных месторождений Ауминзо-Амантойского рудного поля, предусматриваюшая повышение эффективности освоения мелкомасштабных месторождений золота на основе количественной оценки сложности их разработки и снижения себестоимости выпускаемой продукции.

В связи с этим, учитывая горно-геологические и горнотехнические условия отработки месторождений возникает необходимость разработки ресурсосберегающих технологий для освоения мелкомасштабных и отдаленных от инфраструктуры месторождений, предусматривающее:

‒ определение оптимальных вариантов отработки маломощных рудных тел, обеспечивающие минимальные потери и разубоживание руды;

‒ выбор техники и технологии для разработки отдаленных от инфраструктуры мелкомасштабных месторождений;

‒ оптимизация углов откосов уступов и бортов карьеров при разработке месторождений;

‒ разработка технологии по контурному взрыванию при формировании конечного контура карьера;

‒ разработку рекомендаций по возможности применения рудосортировки и мобильных обогатительных комплексов, с дальнейшей транспортировкой рудоконцентрата на перерабатывающие заводы.

В настоящее время поиск эффективных путей освоения маломасштабных месторождений золота с учетом перечисленных особенностей является актуальной научно-технической задачей горного производства.

Согласно методическим указаниям по определению углов наклона бортов, откосов уступов, отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров рекомендуемые методы определения параметров бортов, уступов и откосов отвалов основаны на теории предельного равновесия горных пород. Исходные положения, на которых построены методы расчета, следующие:

а) нарушение устойчивости борта (уступа или откоса отвала) происходит в виде обрушения или оползания слагающих борт пород но поверхности скольжения;

б) при отсутствии в откосе неблагоприятно расположенных поверхностей ослабления массива поверхность скольжения является монотонной, близкой но форме к круглоцилиндрической поверхности; на разрезе поверхность скольжения будет иметь вид плавной кривой, близкой по виду к дуге окружности;

в) при наличии в откосе неблагоприятно ориентированных поверхностей ослабления поверхность скольжения полностью или частично совпадает с ними; в этих случаях на разрезе поверхность скольжения будет иметь вид прямой или ломаной линии (рис. 1).

 

1,2 - поверхности скольжения в неослабленном массиве; 3,4 - поверхность скольжения проходит частично по поверхностям ослабления и частично по неослабленному массиву; 5- поверхность скольжения полностью проходит по поверхностям ослабления массива

Рисунок 1. Различные положения поверхностей скольжения в прилегающем к откосу массиве, находящемся в предельном равновесии

 

Форма и расположение поверхности скольжения в неослабленном массиве, прилегающем к откосу, определяются основными положениями теории предельного равновесия сыпучей среды - теория предельного равновесия сыпучей среды включает также и предельное равновесие связной среды с трением; к такой среде относятся и горные породы:

а) элементарные площадки скольжения в неоднородном массиве горных пород возникают лишь при напряжении σ₁ не менее

где k – сцепление породы;

ρ – угол внутреннего трения породы;

В массиве однородного откоса площадки скольжения возникает с глубины:

б) к направлению наибольшего главного напряжения элементарные площадки скольжения располагаются под углом;

в) в массиве горных пород вдали от откоса направление наибольшего главного напряжения совпадает с вертикалью; при приближении к поверхности откоса наибольшее главное напряжение отклоняется от вертикали в сторону откоса и на поверхности откоса совпадает с ним.

г) наклон отдельных участков поверхности скольжения призмы обрушения в однородном массиве плавно изменяется от направления под углом  к вертикали в верхней части поверхности скольжения до направления под углом  к поверхности откоса или к его подошве в нижней части поверхности скольжения (рис. 3, 4).

Поверхность скольжения в однородном массиве, примыкающем к откосу, на чертеже строится следующим образом:

а) по формуле:

где Н - высота откоса, α - угол откоса, или по графику зависимости между высотой откоса и шириной призмы обрушения (рис. 2) определяют ширину призмы обрушения  на верхней площадке откоса;

Рисунок 2. График зависимости между высотой откоса и шириной призмы обрушения

 

График зависимости между высотой откоса и шириной призмы обрушения построен в прямоугольных координатах: по оси абсцисс отложена условная величина ширины призмы обрушения , а по оси ординат условная высота откоса Нˈ=H/H_90. Графикам пользуются следующим образом. По заданным физико-механическим характеристикам oпределяют H₉₀ и условную высоту как отношение , далее определяют точку пересечения ординаты, равной Нˈ, на графике с кривой, соответствующей заданному ρ, а на оси абсцисс находят условную ширину призмы обрушения ; действительная ширина призмы обрушения  определяется умножением на величину H₉₀.

б) от верхней бровки А откоса, изображенного на чертеже в одном из принятых для маркшейдерской документации масштабе (рис. 3), откладывают величину α =АВ – ширина призмы обрушения;

в) из точек А и В вертикально откладывают величину H_90, вычисленную по формуле (3), а из точек Аˈ и Вˈ проводят линии под углом 45°+ρ /2 к горизонту; из полученной при пересечении этих линий точки С восстанавливается перпендикуляр к направлению ВС до взаимного пересечения а точке Оˈ с перпендикуляром, восстановленным из точки М к направлениию MN , составляющему с откосом угол =45°-ρ/2;

г) радиусом проводят дугу окружности МС с центром в точке Oˈ.

Рисунок 3. Построение поверхности скольжения в однородном массиве плоского откоса

 

Линия ВВСМ является искомой поверхностью скольжения на разрезе откоса. Построение поверхности скольжения поясняется рис. 3.

Таким способом определяется положение поверхности скольжения в откосе, находящемся в предельном равновесии.

В откосе с коэффициентом запаса устойчивости n (в откосе, находящемся в до предельном состоянии) наиболее напряженную поверхность отыскивают аналогичным образом по расчетным характеристикам k_n, ρ_n.

Форма и расположение поверхности скольжения будут аналогичны и в неоднородном неослабленном массиве (в массиве слоистых пород при наличии слабых контактов и других поверхностей ослабления массива, если они ориентированы так, что по ним не может проходить поверхность скольжения).

При углах внутреннего трения ρ < 13° пород, залегающих в нужней части откоса, находящегося в предельном равновесии, или в его основании, и α < (45°-ρ/2) поверхность скольжения выходит в подошву откоса, пересекая ее также под углом=45° - ρ/2; (рис. 4);

 

Рисунок 4. Положение расчетных поверхностей в откосе слабых пород с (ρ < 13°,<ε)

 

В верхней части она начинается на глубинеH₉₀ и наклонена к вертикали под углом  Исследованиями проведенных ранее по степени разработки методики ВНИМИ установлено, что поверхность скольжения призмы обрушения для этих условий является плавной криволинейной, по форме близкой к кругло цилиндрической. Местоположение же наиболее напряженной поверхности в массиве пород, прилегающем к откосу, совпадает с местоположением расчетной поверхности с минимальным коэффициентом запаса устойчивости (на рисунке 3.4 коэффициент запаса устойчивости откоса по наиболее напряженной поверхности равен 1,03). Эту поверхность находят на основе расчетов устойчивости, поясняемых далее. В массивах пород, прилегающих к откосам и содержащих природные поверхности ослабления (дизъюнктивные нарушения, тектонические трещины большого протяжения, слабые контакты слоев и др.), которые частично или полностью могут представлять собой поверхность скольжения, форму и местоположение поверхности скольжения призмы обрушения откоса, находящегося в предельном равновесии, определяют на основе расчетов устойчивости по различным схемам (см. рис. 5); при построении поверхностей скольжения призмы обрушения в ослабленных массивах пород также должны соблюдаться основные положения теории предельного равновесия сыпучей среды. В отдельных случаях параметры откосов (угол откоса αи его высота Н) в ослабленных и неослабленных массивах пород могут быть вычислены по приведенным ниже аналитическим зависимостям.

Схемы расчета устойчивости протяженных прямолинейных участков бортов карьеров, откосов уступов и отвалов для различных геологических условий изображены на рис. 5.

Производится определение максимальной высоты неослабленного вертикального откоса Н_в по нижеследующей формуле:

 

,

где – глубина трещины отрыва, м;

 

1 ‒ положение поверхности скольжения в откосе при ρ <13° и α<45° -ρ/2; 2 ‒ положение поверхности скольжения в откосе в остальных случаях

Рисунок 5. График зависимости между высотой плоского откоса и его углом для различных значений расчетных характеристик

 

 - расчетная величина сцепления пород, т/м²;

γ - объемный вес пород в массиве, т/м³;

ρ_n- расчетная величина угла внутреннего трения горных пород, град:

Расчетная схема должна выбираться на основе тщательного анализа инженерно-геологических и гидрогеологических условий месторождения, разрабатываемого карьером.

σ·ρ_n– расчетная величина удельного сопротивления отрыву горных пород, т/м².

Ширина призмы a, ограниченной наиболее напряженной поверхностью, на верхней площадке вертикального откоса определяется по формуле:

,

где

Высота вертикального откоса H_вʹ при неблагоприятном залегания в массиве (падение в сторону выемки) поверхностей ослабления, если β>ρʹ:

 

 

где hʹ – глубина, при которой возникают площадки скольжения на контакте (глубина трещины отрыва), м;

kʹ – сцепление пород по контактам, т/м²;

ρʹ – угол внутреннего трения по контактам пород, град.;

β– угол падения слоев пород, град.;

σ_ρ– удельного сопротивления отрыву пород, т/м²;

Схема применима при условии .

Отрыва по вертикальной трещине глубиною  не произойдет, если сопротивление отрыву по этой трещине будет больше сопротивления сдвигу по поверхности ослабления в пределах призмы, примыкающий к поверхности (верхней площадке уступа).  Оконтуренной вертикальной трещиной отрыва и поверхностью ослабления; высота вертикального откоса, находящегося в предельном равновесии, в этом случае будет равна .

Высоты уступов и отдельных участков бортов при падении поверхностей ослабления в сторону выемки под углом более угла внутреннего трения (β>ρʹ) и заоткоске уступов  участков бортов под углами, большими углов падения поверхностей ослабления (α˃β) вычисляется поформуле:

       

При интенсивной трещиноватости пород, когда сопротивлением отрыву можно пренебречь, высота или угол откоса определяются по формулам:

       

При пологом залегании слоев, когда величина получается больше H₉₀расчет высоты откоса необходимо производить отдельным расчетом. Высота откоса, вычислением по нижеследующей формуле и не должна превышать высоты откосов при предельном положении, указанным в проекте:

Параметры откосов (Н и α) в тех случаях, когда падающие в сторону карьера (выемки) слои пород под углом β>ρʹ не подрезаются горными работами, а откосы заоткашивается по слоистости (α=β).

Высота устойчивого откоса определяется по формуле:

    

где ψ_nʹ - угол сдвига по контакту слоев, град,;

где σ_ср–средняя интенсивность нормального напряжения по наиболее напряженному контакту. Если известна высота откоса, то угол падения слоев, при котором допустима заоткоска по наслоению, определяется по формуле:

   

Схема У применяется в тех случаях, когда в боргу карьера нет поверхностей ослабления, с которыми частично или полностью может совпасть поверхность скольжения в предельном равновесии борта.

Порядок определения параметров борта карьера (откоса уступа или отвала) с коэффициентом запаса устойчивости п этой схеме следующий.

Сначала, пользуясь таблицей 7, определяют ориентировочное значение угла наклона борта (откоса уступа или отвала), а затем, если массив представлен слоистой толщей пород, определяют средневзвешенные значения прочностных характеристик массива ρ_ср и k_ср(см. формулу 1)вдоль поверхности скольжения, построенной способом, изложенным в п.3.2. разделив средневзвешенные значения прочностных характеристик массива на принятый к расчету коэффициент запаса устойчивости, определяют расчетные значения прочностных характеристик ρ_nи k_n.

После этого по графику зависимости между высотой плоского откоса ж его углом, изображенному на рис.6, определяют параметры сдренированного борта.

Для определения устойчивого борта карьера в данном разделе применим график зависимости между высотой плоского откоса и его углом для различных значений расчетных характеристик.

 

1 ‒ положение поверхности скольжения в откосе при ρ <13° и α<45° -ρ/2; 2 ‒ положение поверхности скольжения в откосе в остальных случаях

Рисунок 6. График зависимости между высотой плоского откоса и его углом для различных значений расчетных характеристик

 

Графиком пользуются в следующем порядке:

а) определяют величину H₉₀;

б) при определении высоты борта по заданному углу на графике через точку на оси абсцисс, соответствующую значению заданного угла, проводят ординату до кривой, соответствующей расчетному углу внутреннего трения ρ_n;

на оси ординат определяют условную высоту откоса Нʹ; величину Нʹ умножают на величину H₉₀, и получают высоту откоса (борта);

в) если задана высота борта, а необходимо определить его угол наклона, то сначала определяют величину Нʹ=H/H₉₀, а затем по расчетному значению ρ_n на оси абсцисс находят угол откоса.

Пример определения угла наклона борта при заданной его высоте (максимальной глубине).

Исходные данные:

Н = 300 м,

ρ_n =26°,

k_n = 40 т/м²,

γ =2,5 т/м³.

Определение угла наклона борта производится в такой последовательности:

а) вычисляем величину H₉₀ по расчетным характеристикам:

б) вычисляем условную высоту борта Нʹ:

в) по графику определяем угол наклона борта, который в этом случае составляет 46°30ʹ.

 

Список литературы:

1. Аристов И.И., Рубцов С.К., Снитка Н.П. Опыт поэтапного совершенствования методик нормирования и учета потерь разубоживания руды на карьерах Навоийского ГМК //  Горный вестник Узбекистана. – Навои, 2006. – №4, – С. 38-45.
2. Бурыкин С.И. Резервы горного производства на карьерах // Горный журнал. – М., 2003. – №3. – С. 14-17.
3. Быковцев А.С., Прохоренко Г.А., Сытенков В.Н. Моделирование геодинамических и сейсмических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых. – Ташкент: ФАН, 2000. – 271 с.
4. К.Н. Трубецой, М.Г. Потапов, К.Е. Виницкий, Н.Н. Мельников и др. «Справочник. Открытые горные работы». М.: Горное бюро, 1994.
5. Каплунов Д.Р., Шубодеров В.И Перспективы разработки рудных месторождений комбинированным способом // Горный журнал. – М., 1997. – №8. – С. 16-18.
6. Куклина Е.А. Формирование механизма устойчивого развития горнопромышленного комплекса в условиях рыночной экономики: финансово–инвестиционный аспект // Горный журнал. – М., 2003. – №3. – С. 36.
7. Кучерский Н.И., Канцель А.В., Мальгин О.Н. Управление минерально-сырьевой базой перерабатывающего производства // Цветные металлы. – М., 1999. – №7. – С. 22-27.
8. Мальгин О.Н. Анализ опыта разработки осадочных месторождений учкудукского типа // Горный вестник Узбекистана. – Навои, 1997. – №1. – С. 34-40.
9. Мальгин О.Н., Рубцов С.К., Шеметов П.А. и др. Совершенствование технологических процессов буровзрывных работ на открытых горных работах. – Ташкент: «Фан» АН РУз, 2003. – 199 с.
10. Снитка Н.П., Насиров У.Ф., Мислибаев И.Т., Нутфуллоев Г.С. Ресурсосбрегающие технологии ведения буровзрывных работ на карьерах. Монография. – Ташкент, изд-во «Фан», 2017. – 256 с.
11. Тухташев А.Б., Уринов Ш.Р., Заиров Ш.Ш. Разработка метода формирования конструкции и расчета устойчивости бортов глубоких карьеров // Научно-практический электронный журнал «ТЕСНика». – Нукус, 2020. ‒ №2. – С. 56-58. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=43420027.
12. A.S.Hasanov, B.I.Tolibov, N.A.Akhatov. Gold in the world history // International conference. Technical sciences: modern issues and development prospects. -Sheffield, UK 2013, – P104-105.
13. A.S.Hasanov, B.I.Tolibov, N.A.Akhatov. Modernization of copper manufacturing technology // International conference. Technical sciences: modern issues and development prospects. -Sheffield, UK 2013, – P106-107.
14. Brawner С.О. Recent lessons that have been learned in open–pit mine stability // Mining Engineering. – Vol. 38. – №8. –1986.
15. Bye A.R., Jenny C.A., Bell F.G. Slope optimization and review of the geotechnical conditions at Sandsloot open pit. – Proceedings of Ninth International Congress on Rock; Mechanics, Vol. 2, theme 1: Applied rock mechanics – Safety and control of the environment. – Rotterdam, 1999.
16. Doniyarov N.A., Tagayev I.A. Obtaining a new kind of organic fertilizer on the basis of low-grade phosphorite of Central Kyzylkum // RMZ. Materials and Geoenvironment. Materiali in geookolje. ‒ Slovenia. Univerza v Ljubljana, 2018. – P. 1-9
17. Doniyarov N.А., Sattarov G.S., Kurbanov M.A. A research on the extraction of REE from a flotation concentrate // Proceedings of the international conference on integrated innovative development of Zarafshan region:achievements, challenges and prospects. – Navoi, 26-27 October, 2017. – P. 70-73.
18. Doniyarov N.А., Tagaev I.А., Мuratova М.N., Аndriyko L.S. The study of microflora of active sludge in biochemical cleaning process by FTIR spectroscopy // Book of abstracts «Ukrainian conference with international participation chemistry, physics and technology of surface and workshop metal-based biocompatible nanoparticles: synthesis and applications». – Kyiv, Ukraine, 17 May 2019. –P.187.
19. Slope Stability in Surface Mining – Littleton, Colorado, USA. Publ. by SME. – 2001.