Belgorod, Belgorod, Russian Federation
employee
Belgorod, Russian Federation
graduate student
Belgorod, Russian Federation
graduate student
Belgorod, Russian Federation
graduate student
Belgorod, Russian Federation
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
BBK 383 Строительные материалы и изделия
This article is devoted to the problems of dump formation of the loose overburden iron-ore pits, which are a raw material base of construction in the KMA region. The article considers the relevance of the problem of placement and optimization of the parameters of dumps. It is connected with volume increase in iron ore open way production. There are dumps of iron-ore pits of KMA mining characteristics. There is a loss of stability of slopes during quarrying characteristic and parameters of large landslides, which were in Russia during the last 25 years. On the basis of mining characteristics of quarry dumps a set of programs for calculation of various geomechanical schemes used for determination of safe parameters of dumps slopes on the fields developed by open method is developed. The information about approbation of a complex programs for the solution of questions of rational use of lands, industrial safety and environmental protection at development of iron-ore pits and pits of the construction industry of the KMA region are given.
raw material base of construction, dump of the loose overburden, sedimentary rocks, rock, slope parameters, characteristics of dumps, landslide processes, slope, ledge.
В настоящее время в Российской Федерации в регионе КМА добывается около 60 % железной руды. За последние 15 лет мощность железорудных карьеров АО «Стойленский ГОК», АО «Лебединский ГОК», и АО «Михайловский ГОК» увеличилась практически в два раза, в связи с этим увеличился объем пород вскрыши, которые используется в качестве сырьевой базы строительной индустрии в регионе КМА.
При наблюдаемой тенденции увеличения объемов добычи железной руды открытым способом, все большую актуальность приобретает эффективность отвалообразования, которая предусматривает транспортировку и размещение в пределах земельного отвода пород вскрыши и некондиционных попутно добываемых полезных ископаемых.
На железорудных карьерах КМА объем разрабатываемых вскрышных пород превышает
150 млн. м3 в год. Проблемы размещения и оптимизации безопасных параметров отвалов и их устойчивости в настоящий период времени является важной и актуальной проблемой, от успешного решения которой зависят не только технико-экономические показатели работы ГОКов, но и охрана недр и окружающей среды, а также рациональное использование земель.
В настоящее время методы управления отвалами, обеспечивающими безопасность ведения горных работ, развиваются по нескольким направлениям, среди которых можно выделить два: технологическое и геомеханическое. Технологическое направление устанавливает параметры отвалов (высота, ширина, длина, угол наклона откосов ярусов, генеральный угол наклона отвала) в зависимости от размеров применяемого оборудования в технологии отвалообразования, схемы отсыпки и возведения отвалов. При этом в расчетах, как правило, используется только одна характеристика отсыпаемых горных пород и грунтов – коэффициент остаточного разрыхления. Поэтому выбор параметров отвалов бескомплексной оценки их устойчивости зачастую приводит к ошибочным или малоэффективным техническим решениям при формировании отвалов.
Исходя из горнотехнических характеристик отвалов железорудных карьеров КМА (табл. 1) следует, что диапазон предельных высот отвалов довольно широкий (от 45 до
Наличие равномерного распределения осадочных и скальных пород, как по площади, так и по глубине железорудных месторождений КМА позволяет формировать техногенные массивы отвалов практически однородной по прочности массой для отвалов рыхлой вскрыши и отвалов скальной вскрыши. Поэтому для каждого тапа породы наблюдается незначительный разброс величин параметров откосов (см. табл.1). Для рыхлых пород высота ярусов отвалов составляет 15–
На железорудных карьерах КМА наибольшее распространение получило экскаваторное отвалообразование с использованием экскаваторов типа механических лопат и драглайнов.
Шагающие драглайны используются для отвалообразования и при железнодорожном и автомобильном транспорте на карьерах со сложным рельефом местности, когда под отвалы отводятся старые гидроотвалы, заболоченные озера, старые русла рек.
Опыт показывает, что схемы отвалообразования драглайнами при использовании автомобильного транспорта очень эффективны при выделении под отвалы площадей со слабыми и наклонными основаниями.
Таблица 1
Горнотехническая характеристика отвалов железорудных карьеров КМА
|
№ п/п |
Название отвала, предприятия |
Способ отвалообразования, вид и тип транспортных средств |
Параметры отвалов |
||||
|
Высота, м |
Угол откоса, град |
||||||
|
Отвала |
Яруса |
Отвала |
Яруса |
||||
|
1 |
АО «Стойленский ГОК» Северный отвал (смешанные породы) |
Экскаваторный (ЭКГ-8УС) с ж.д. транспортом ОПЭ-1 (НП-1) и 2ВС-105 |
60 |
23 |
20 |
33 |
|
|
2 |
АО «Стойленский ГОК» Южный отвал (смешанные |
Экскаваторный (ЭКГ-8УС) с ж.д. транспортом ОПЭ-1 (НП-1) и 2ВС-105 |
130 |
23 |
33 |
33 |
|
|
3 |
АО «Стойленский ГОК» Отвал «Стрелица» (рыхлые породы) |
Бульдозерный с автотранспортом БелАЗ-7555 |
72 |
20 |
19 |
30 |
|
|
4 |
АО «Стойленский ГОК» Спецотвал мела №3 |
Отвалообразователем ZP-5500 с конвейерным транспортом |
52 |
49 |
24 |
30 |
|
|
5 |
АО «Стойленский ГОК» Отвал окисленных кварцитов |
Экскаваторный (ЭКГ-8УС) с ж.д. транспортом ОПЭ-1 (НП-1) и 2ВС-105 |
45 |
20 |
35 |
38 |
|
|
6 |
АО «Лебединский ГОК» Отвал №1 (скальные породы) |
Экскаваторный (ЭКГ-6,3УС) с ж.д. транспортом ОПЭ-1 и 2ВС-105 |
75÷100 |
15÷30 |
15÷26 |
38 |
|
|
7 |
АО «Лебединский ГОК» Отвал №2 (рыхлые породы) |
Экскаваторный (ЭКГ-6,3УС) с ж.д. транспортом ОПЭ-1 и 2ВС-105 |
105÷172 |
15÷20 |
10÷18 |
33 |
|
|
8 |
АО «Михайловский ГОК» Отвал вскрыши №7 |
Экскаваторный, с ж.д. транспортом |
60-75 |
15-20 |
5-7 |
33 |
|
Начиная с 60-х годов XX столетия успешно, развивается второе (геомеханическое) направление в решении проблемы управления устойчивостью откосов на карьерах и отвалах. Существенный вклад в решение этой проблемы внесли отечественные ученые – Г.Л. Фисенко [1], П.Н. Панюков, А.И. Ильин, А.М. Гальперин, В.И. Стрельцов [2], И.И. Попов, Р.П. Окатов [3], М.Е. Певзнер [4], М.А. Ревазов, А.М. Демин [5], В.Г. Зотеев, В.Т. Сапожников [6], В.Н. Попов, П.С. Шпаков [7], Ю.И. Кутепов, Б.Д. Половов [8], Ю.И. Туринцев, В.А. Гордеев [9], Т.К. Пустовойтова, А.М. Мочалов, О.Ю. Крячко [10], Ю.С. Козлов [11], В.П. Будков [12], Ф.К. Незамединов, А.В. Киянец, Ю.Д. Рыбалкин и другие.
В подавляющем большинстве авторами рассматривались вопросы геомеханического обоснования параметров отвалов в различных горногеологических условиях их формирования в тесной увязке с технологиями отвалообразования и охраной окружающей среды, а также были разработаны методы эквивалентного моделирования при исследовании устойчивости склона [13].
В настоящее время разработано более 100 методов расчета устойчивости откосов, которые успешно применяются при разработке проектных решений при разработке полезных ископаемых открытым способом в России и за рубежом.
Однако, как показывает практика, в России и странах СНГ ежегодно на железорудных карьерах происходит более 100 нарушений устойчивости откосов. По данным А.И. Ильина среди случаев нарушения устойчивости откосов на железорудных карьерах оползни составляют
42,7 %, обрушения – 20,6 %, осыпи – 14,7 %, оплывины и просадки – по 10 %. При этом 75 % деформаций откосов происходит в слабых песчано-глинистых породах, 25 % – в скальных и полускальных выветрелых и трещиноватых породах. На устойчивость откосов наибольшее влияние оказывают подземные и поверхностные воды – 49,8 %, недостаточная геологическая изученность и, как следствие, неверно выбранные параметры откосов – 15,4 %, отсутствие заоткоски уступов – 10 %, отклонение от проектных параметров – 8 %, процессы выветривания и климатические условия – 7,7 %, прочие причины – 3,8 %.
Нарушения устойчивости откосов отвалов приводят к мощным оползневым процессам (табл. 2). Причинами этого служит несоответствие основных технологических параметров отвалов, таких как: высота ярусов, углы наклона откосов отвалов, длина рабочего фронта и его скорости подвигания, порядка отсыпки в пространстве и во времени, а также несоответствие способа отвалообразования, конкретным инженерно-геологическим условиям, обуславливающим прочность породных масс отвалов и их оснований.
Таблица 2
Нарушения устойчивости откосов отвалов
|
№ п/п |
Местоположение оползня |
Объем, млн. м3 |
Год |
|
1 |
Внешний отвал Норильского ГМК, Россия |
60,0 |
1992 |
|
2 |
Внешний отвал №7 АО «Михайловский ГОК», Россия |
20,0 |
1997 |
|
3 |
Внутренний отвал разреза «Павловский-2», Россия |
1,7 |
2003 |
|
4 |
Внутренний отвал разреза «Северная депрессия», Россия |
3,0 |
2005 |
|
5 |
Внешний отвал №7 АО «Михайловский ГОК», Россия |
20,0 |
2015 |
В НИУ «БелГУ» разработан комплекс программ для выбора безопасных параметров откосов (Otkos1. Расчет безопасных параметров откосов Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008615512; Otkos.log1. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009616344; Slope Stability Calculator Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ), которые позволили построить графики зависимостей условной высоты откоса Н´ от угла откоса наклона α и условной ширины призмы возможного обрушения призмы B' от условной высоты откоса Н´ и определить области использования методов расчета для различных геомеханических схем [14]. Графические зависимости построены для коэффициентов запаса устойчивости nз от 1,0; 1,5; 1,2; 1,3; 1,5; 2,0. Разработан графо-аналитический метод определения физико-механических свойств пород слагающих откосы отвалов, который основан на результатах обработки оползней, произошедших на отвалах рыхлой вскрыши железорудных карьеров КМА, и аналитический метод определения безопасных параметров откосов отвалов на слабом наклонном основании [15].
Все вышеперечисленные методы выбора безопасных параметров откосов были апробированы при составлении проектов по формированию отвалов рыхлой вскрыши АО «Стойленский ГОК», АО «Лебединский ГОК», АО «Михайловский ГОК», а также при разработке экспертных заключений по промышленный безопасности железорудных карьеров и карьеров строительной индустрии в регионе КМА.
Разработанные методы позволяют управлять устойчивостью откосов уступов при строительстве, эксплуатации, реконструкции и рекультивации отвалов рыхлой вскрыши при разработке месторождений полезных ископаемых, осуществлять мероприятия направленные на повышение безопасности при производстве горных работ, охрану окружающей среды и рациональное использование земельных ресурсов.
1. Fisenko G.L. The stability of pit walls and dumps. M.: Nedra, 1965, 377 p.
2. Ilyin A.I., Halperin A.M., Streltsov V.I. The management of long stability of slopes on pits. M.: Nedra, 1985, 248 p.
3. Popov I.I., Akatov R.P. The fight against landslides in the quarries. M.: Nedra, 1980, 240 p.
4. Pevzner M.E. The deformation control of rocks in open mines. M.: Nedra, 1978, 265 p.
5. Demin A.N. The stability of open mines and dumps. M.: Nedra, 1973, 232 p.
6. Sapozhnikov V.T. The solution of the problem of convex profile slope. Collection of learned works VNIMI, 1960, no. 38, pp. 41-53.
7. Popov V.N., Shpakov P.S., Yunakov U.L. The management of pit slopes stability: college teatbook. M.: The publishing house of Moscow State Mining University, The publishing house «Mining book», 2008, 683 p.
8. Polovov B.D. The solution of the problems of slope stability in conditions of risk. News of Higher Educational Institutions. Journal of mining, 1981, no. 4, pp. 30-33.
9. Juventus Y.I., Polovov B.D., Gordeev V.A. Geomechanical processes in open-pit mining. Svedrlovsk, 1984, 56 p.
10. Kryachko O.U. The management of dumps of open pit mining. M.: Nedra, 1989, 255 p.
11. Kozlov U.S. The determination of the parameters of the prism possible slide in the slopes, of open pit sides and dumps. Journal of Mining Science, 1972, no. 4, pp. 73-76.
12. Budkov V.P. About construction of the open pit side convex profile slope. Collection of learned works Central research Institute, 1965, no. 5, pp. 114-124.
13. Reik G., Teutcsch Chr.The Use of Equivalent Models in Slope Stability Investigation. Int. J. Rock. Min. Sci. & Geomech. Abstr, 1976, vol. 13, pp. 321-330.
14. Khramtsov B.A. Abdul Baten Abdul Zahir, Rostovtsev A.A. Proceedings of the XII-th national conference with international participation of the open and underwater mining of minerals, 26-30 June 2013, Varna, Bulgaria, pp. 297-301.
15. Khramtsov B.A. Lubenskaya O.A. Analysis of methods of calculation of stability of slopes in weak sloping bottom. Materials of the XIII-th international symposium "Drainage, Geology and Geoinformatics, geomechanics, special mining operations and mining technologies", Belgorod, 2015, pp. 338-344.
