Статья: Анализ влияния инженерно-геологических факторов на устойчивость бортов карьеров Татауровского буроугольного месторождения

Характерной чертой месторождения является наличие многолетней мерзлоты, которая имеет островной характер распространения (рис. 3). Мощность многолетнемерзлых пород изменяется от 1 до 80 м, промерзшими являются 16 % вскрышных пород и 13 % угля в контуре разреза [1-3; 7]. На участке пласта I многолетняя мерзлота по вскрыше и углю отсутствует. На Северном участке многолетней мерзлотой охвачено 9 % вскрышных пород и 10 % запасов угля.

Гидрогеологические условия Татауровского буроугольного месторождения очень сложные - ввиду наличия водообильных горизонтов во вмещающих продуктивных отложениях и повсеместно перекрывающих их четвертичных аллювиальных отложениях р. Ингоды.

Рис. 3. Схема распространения многолетнемерзлых пород на Татауровском буроугольном месторождении (по Г.П. Герасименко, В.Ф. Королеву, А.Г. Портнову, с изменениями) [6]

Состояние устойчивости уступов и бортов в процессе проведения исследований контролировалось визуально с периодичностью не реже одного раза в месяц и с применением инструментальных методов [6]. При обнаружении в результате визуального осмотра процесса деформаций оползневого типа или при выявлении обрушений производились их паспортизация, и устанавливались реперы для инструментальных наблюдений. Режимные наблюдения выполнялись при помощи линейных промеров стальной рулеткой расстояний между парными реперами. Наблюдения за оседанием при- бортового массива осуществлялись путем нивелирования рабочих реперов и определения величины вертикального смещения. Инструментальные наблюдения проводились по упрощенной методике [4; 5].

Горные работы на месторождении проводятся согласно техническому проекту. При этом угол откоса рабочего борта при погашении рабочих площадок составляет 33°, угол откоса уступа составляет по породам вскрыши 70°, по углю - 80°.

При определении устойчивости параметров горных выработок угольного разреза на Татауровском месторождении установлены следующие параметры:

- при использовании канатных экскаваторов-мехлопат высота уступа не должна превышать максимальную высоту черпания экскаватора;

- максимальная высота уступа для мехлопат принята - 12 м, фактически высота уступа составляет 10 м;

- высота уступа при работе драглайнов не должна превышать глубину и высоту черпания экскаваторов. Для ЭШ-10/70 проектом принимается отрабатывать среднюю высоту уступа с нижним черпанием 20 м, с верхним черпанием - до 10 м;

- углы откосов вскрышных уступов приняты: для рабочего борта (по наносам - 50, по коренной вскрыше - 70°), для нерабочего борта (по наносам - 35, по коренной вскрыше - 60°);

- углы откосов добычных уступов приняты: для рабочего борта - 80; для нерабочего борта (угол длительной устойчивости) - 70°;

- вскрышные работы осуществляются по автотранспортной и бестранспортной системе разработки с размещением пород во внутреннем отвале.

Первый уступ высотой 10 м разрабатывается экскаватором РС-1250, ЭКГ-8И, второй уступ (10 м) разрабатывается экскаватором РС-1250 с транспортировкой пород автосамосвалами БелАЗ-7555 на породный отвал № 1; углы откосов уступов составляли до деформации по наносам 50, по коренным породам - 70°.

Согласно рекомендациям ВНИМИ Д5ф при формировании борта разреза на предельном контуре необходимо сдваивать уступы с углом заоткоски 50°, при этом общий угол борта разреза при погашении составляет 33°.

Наблюдения показали, что основным фактором снижения устойчивости рабочего борта являются сложные инженерно-геологические условия. В качестве примера можно привести деформацию рабочего борта разреза на участке Северный в декабре 2014 г. Участок деформации сложен массой песчаников и тонкопереслаивающихся алевролитов серого цвета, средней прочности, остальная горная масса состоит из песчано -гравийных отложений и, в меньшей степени, аргиллита; породы характеризуются повышенной влажностью; на данном участке имеется многолетняя мерзлота, граничащая с талыми породами; в толще отложений на участке развития обрушения имеется три водоносных горизонта.

Основным фактором, влияющим на образование оползней, как на внешних, так и на внутренних отвалах, является увлажнение горных пород. Оползневые деформации развиваются вследствие отсыпки в отвал увлажненных горных пород, либо из-за отсыпки пород на увлажненную в результате выпадения атмосферных осадков поверхность откоса, или отсыпки пород на слабое основание, представленное глинами или аргиллитами (рис. 4). Это свидетельствует о недопустимости дополнительного увлажнения вскрышных пород в отвалах. Для предупреждения этого необходимо дренирование основания отвалов и зарегулирование стока дождевых и подземных вод с рабочих площадок уступов и поверхности отвалов и, естественно, запрещение отсыпки отвалов на переувлажненные породы. При этом следует учитывать, что схемы экскавации при высоте отвала более 21 м должны исключать размещение слабых пород четвертичных отложений в основании отвала.

Рис. 4. Один из увлажненных бортов карьера на Татауровском буроугольном месторождении (на заднем плане отвалы вскрышных пород)

горный геологический месторождение

Для обеспечения устойчивости отвалов были предложены мероприятия по упорядочению карьерного водоотлива и приняты параметры внутренних отвалов (табл. 2).

Параметры внутренних отвалов по условию устойчивости

Таблица 2

Бульдозерные отвалы, отсыпаемые на бестранспортные отвалы, ограничены следующими параметрами: предельная высота яруса - 30 м, угол откоса отвала - 35°.

Отвальные породы содержат в небольших объёмах многолетнемёрзлую горную массу, что способствует уменьшению устойчивости бульдозерных отвалов при нагрузке приоткосного участка отвала груженым автосамосвалом БелАЗ-7555В (55 т). В связи с этим разгрузку вскрышных пород автосамосвалами необходимо осуществлять не под откос, а на расстоянии, не ближе 5 мог верхней бровки отвала. При этом породы сталкиваются под откос бульдозером.

В процессе разработки месторождения выполняется комплекс работ по сооружению системы водоотводных канав в почве нижнего пласта, исключающих обводнение основания внутренних отвалов. Выполнение комплекса дренажных мероприятий при отработке месторождения позволит исключить влияние обводнённости месторождения на устойчивость бортов карьеров и внутренних отвалов.

В ходе исследований установлено, что, если фиксируемые деформации имеют затухающий характер, то происходит закономерное перераспределение напряжений и не требуется никаких специальных противооползневых мероприятий. В том случае, если наблюдения показывают нарастание деформаций, необходимо провести тщательный их анализ и установить факторы, влияющие на их развитие [10-12].

При превышении допустимых скоростей смещения реперов, появлении трещин и заколов необходимо остановить горные работы и провести противооползневые мероприятия. При этом расчет устойчивости отвалов рациональнее осуществлять по средним характеристикам пород.

Анализ имеющихся материалов показывает, что основными факторами снижения устойчивости пород и причинами возникновения деформаций следует считать сложные гидрогеологические условия месторождения и распространение многолетней мерзлоты.

Наиболее опасным участком с низкой степенью устойчивости пород является участок Северный, так как отличительная его особенность заключается в наличии большой мощности обводненных песчаногравийных отложений в восточной части южного крыла, достигающей 33 м.

Проведенные наблюдения на разрезе «Восточный» Татауровского буроугольного месторождения показали, что процессы сдвижения усиливаются в период весеннего оттаивания и летом, когда породы, слагающие вскрышные уступы, переувлажняются. В результате этих процессов происходит ослабление прочностных свойств горных пород. Поэтому необходимо постоянное соблюдение технологических параметров, размеров предохранительных берм, высоты уступов и ярусов отвалов, а также углов откоса бортов карьеров. При этом должны осуществляться постоянные наблюдения за состоянием откосов, бортов и ярусов.

Высокая обводнённость и наличие участков многолетней мерзлоты обусловливают при разработке Татауровского буроугольного месторождения необходимость чёткого выполнения требований системы внутрикарьерного водоотлива и обеспечения её постоянной работоспособности. Также следует соблюдать порядок отработки запасов угля в направлении от поперечной дренажной траншеи к флангам участка для обеспечения стока карьерных вод к водоотливным установкам.

Таким образом, причинами активного развития деформаций в бортах карьеров и отвалах является уменьшение углов внутреннего трения и величины сцепления, обусловленное увлажнением пород, вызванным совокупностью геологических, гидрогеологических и горнотехнических факторов.

В процессе дальнейшей эксплуатации разреза необходимо осуществлять наблюдения и контроль состояния бортов карьеров и отвалов, выполнять корректирующие расчеты устойчивости с учетом особенностей физикомеханических характеристик пород в конкретных горно-геологических условиях поля разреза.

Список литературы

1. Беляков А. Е. Инженерно-физические методы повышения эффективности открытой разработки месторождений в сложных гидрогеологических условиях юга криолитозоны: На примере угольных месторождений юга Забайкалья : автореф. дис. канд. техн. наук / А. Е. Беляков. - Чита. - 2000. - 25 с.

2. Верхотуров А. Г. Инженерно-геологические проблемы освоения угольных месторождений Забайкальского края / А. Г. Верхотуров, И. Б. Размахнина // Вест. Забайкал. гос. ун-та. - 2015. - № 8 - С. 4-11.

3. Верхотуров А. Г. Геокриологические условия разработки угольных месторождений Забайкалья / А. Г. Верхотуров, Г. П. Сидорова // Материалы IV междунар. науч.-практ. конф. 8-9 аир. 2010 г. - Чита : ЧитГУ. - 2011. - С. 248-252.

4. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. - Ленинград : ВНИМИ, 1971. - 188 с.

5. Методические указания по расчету устойчивости и несущей способности отвалов. - Ленинград : ВНИМИ, 1987. - 186 с.

6. Герасименко Г. П. Отчет о геологоразведочных работах на Татауровском буроугольном месторождении / Г. П. Герасименко, В. Ф. Королев, А. Г. Портнов. - Чита, 1966. - 230 с.

7. Открытая разработка угольных и рудных месторождений / П. И. Томаков, В. В. Манкевич : учеб.пособ. - М. : МГГУ, 2000. - 611 с.

8. Угольная база России / Т. 4: Угольные бассейны и месторождения Восточной Сибири (Тунгусскиий, Таймырский бассейны, месторождения Забайкалья). - М. : Геоинформмарк, 2001. - 493 с.

9. Шестернеє Д. М.Горно-геологическая среда месторождений полезных ископаемых Забайкалья в условиях изменения климата / Д. М. Шестернев, А. Г. Верхотуров. - Чита : ЗабГУ, 2014. - 227 с.

10. Щадов В. М.Открытая разработка сложноструктурных угольных месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока / В. М. Щадов. - М. : Изд-во Моек.гор. ун-та, 2004. - 298 с.

11. Jeffrey L.The impact of geotechnical factors on the secondary extraction of coal in the Witbank and Northern Highveld Coalfields, specifically related to safety// Final Project Report, 2002 [Электронныйресурс]. - URL: http: www.mhsc.org.za.

12. Sylvie O.Implication of the permafrost on hydrogeological conditions and on mine environment controls: case of the Amaan Coking Coal Project in north - eastern Russia [Electroniks recours] / O. Sylvie, B. Tim, S. Jurgen // SRK Consulting, 2013. - URL: http:www.srk.ru.com.

References

1. Belyakov A.E. Inzhenerno-fizicheskie metody povysheniya ehffektivnosti otkrytoj razrabotki mestorozhdenij v slozhnyh gidrogeologicheskih usloviyah yuga kriolitozony: Na primere ugol'nyh mestorozhdenij yuga Zabajkal'ya (Engineering and physical methods to improve the effectiveness of the open mining in complex hydrogeological conditions of the south cryolithozone: On the example, south coal deposits of Transbaikalia). Chita, 2000. 25 p.

2. Verkhoturov A.G., Razmahnina I.B. Engineering and geological problems of the development of Transbaikalia coal deposits [Inzhenerno-geologicheskie problemy osvoeniya ugol'nyh mestorozhdenij Zabajkal'skogo kraya]. Transbaikal State University Journal, 2015, no 8, pp. 4-11.

3. Verkhoturov A.G., Sidorova G.P. Permafrost conditions of coal mining of Transbaikalia [Geokriologicheskie usloviya razrabotki ugol'nyh mestorozhdenij Zabajkal'ya]. Materialy IVmezhdunar. nauch.-prakt. konf. 8-9 aprelya 2010.Chita, 2011, pp. 248-252.

4. Instrukciya po nablyudeniyam za deformaciyami bortov, otkosov ustupov i otvalov na kar'erah i razrabotke meropriyatij po obespecheniyu ih ustojchivosti (Instruction for observations over deformations boards, benches and slopes of dumps in the quarries and the development of measures to ensure their sustainability). Research Institute of Mining Geomechanics and Mine Surveying,1971. 188 p.

5. Metodicheskie ukazaniya po raschetu ustojchivosti i nesushchej sposobnosti ot- valov (Guidelines for the calculation of the stability and the bearing capacity of piles). Research Institute of Mining Geomechanics and Mine Surveying,1987. 186 p.

6. Gerasimenko G.P., Korolev V.F., Portnov A.G. Otchet o geologorazvedochnyh rabotah na Tataurovskom burougol'nom mestorozhdenii(Report of the exploration work on the Tataurovsky brown coal deposit). Chita, 1966. 230 p.

7. Tomakov P.I., Mankevich V.V. Otkrytaya razrabotka ugol'nyh i rudnyh mestorozhdenij (Open development of coal and ore deposits). MSMU, 2000. 611 p.