ОСОБЕННОСТИ МОНИТОРИНГА И ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ МАССИВОВ СКАЛЬНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗРАБОТКЕ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ

ISSN: 2582-4686 SJIF 2021-3.261,SJIF 20222.889, 2024-6.875 ResearchBib IF: 9.948 / 2024 VOLUME-5, ISSUE-12 407 ОСОБЕННОСТИ МОНИТОРИНГА И ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ МАССИВОВ СКАЛЬНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗРАБОТКЕ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ Гасанова Н. Ю., Ташкентский государственный технический университет, Салямова К. Д., Институт механики и сейсмостойкости сооружений АН Республики Узбекистан, Меликулов А. Д., ООО «Спецуправление № 75», Исмаилов А. С., Ташкентский государственный технический университет Аннотация: В статье рассматриваются вопросы, связанные с особенностями деформирования массивов скальных пород бортов глубоких карьеров, приводятся примеры из практики карьера Мурунтау. Приведены закономерности поведения массивов пород, некоторые случаи деформации бортов, информация о системе мониторинга состояния бортов, включая сейсмические и маркшейдерские способы. Дана информация о возможности устройства внутренних отвалов на некоторых уступах бортов отработанной части карьера. Ключевые слова: глубокий карьер, массив горных пород, деформации, долгосрочный мониторинг, устойчивость пород. Abstract: This article discusses issues related to the features of deformation of deep opencasts slopes rock massifs, examples from practice Muruntau open pit. There are patterns of rock massifs behavior, some cases of slopes deformation, information about the state of slopes monitoring system, including seismic and surveying methods, about capabilities of position of the internal dumps on some ledges sides of spent part of the quarry given in the article. Key words: deep quarry, rock massif, deformation, long-term monitoring, stability of rocks. Введение. Крупнейшее на Евроазиатском континенте месторождение Мурунтау в Центральных Кызылкумах (Узбекистан) входит в число уникальных месторождений мира по запасам и добыче золота [4,11,13]. Золотодобывающий карьер Мурунтау с размерами в плане 3,3х2,5 км, глубиной более 650 м является в настоящее время крупнейшим по объемам и глубине выемки горной массы. За время разработки этого карьера с 1967 г. извлечено 1,5 млрд м3 горной массы при максимально достигнутой годовой производительности 53,6 млн м3. Проектом намечается довести глубину карьера до 900-950 м, суммарная площадь поверхности породных обнажений оценивается более 10 кв.км. В современной геомеханике отмечается ряд закономерностей проявления свойств реальных горных пород и массивов, которые объясняют их поведение, существенным образом отличающееся от поведения большинства других твердых тел (металлов, строительных и искусственных композитных материалов). В этой связи значительное место занимают проблемы изучения закономерностей деформирования и разрушения породного массива, формирования его напряженно-деформированного состояния при ведении горных работ, оценки механического состояния породного массива и управления этим состоянием с учетом механических последствий как открытых, так и подземных горных работ. Множество задач геомеханики связано, с одной стороны, с повышением эффективности разрушения горных ISSN: 2582-4686 SJIF 2021-3.261,SJIF 20222.889, 2024-6.875 ResearchBib IF: 9.948 / 2024 VOLUME-5, ISSUE-12 408 пород при их разработке, и, с другой, – с обеспечением надежной устойчивости техногенных породных обнажений в течение необходимого временнóго периода [4,6]. Методы исследования. Статические расчетные методы не учитывают, что при формировании рассматриваемых параметров карьера (при достигнутых глубинах 500÷600 м) в течение 40 лет были некоторые предыдущие состояния бортов карьера (например, вначале при глубине до 200-300 м, затем последовательно изменялись до нынешнего состояния), когда естественным образом поэтапно непрерывно происходили деформации в вскрытой на тот момент верхней части будущего 600-метрового борта. Эти деформации, независимо от их природы – упругие, пластические и т.д. – уже привели к дезинтеграции структуры и связанной с ней релаксации напряжений, тем самым в определенной степени создали условия, в определенной степени предупреждающие и в принципе препятствующие возникновению где-либо в прибортовом массиве зон чрезмерной концентрации напряжений [1,2,14]. Разработка глубоких карьеров увеличивает неравномерность всестороннего сжатия пород, что приводит к росту касательных напряжений в прибортовой зоне, возможности достижения ими предельных значений, следствием чего является появление различного рода деформаций. В процессе горных работ постепенно высвобождается упругая энергия, накопившаяся под воздействием геостатической нагрузки и тектонических сил и расходуемая на деформацию массива, образуя трещины бортового и донного отпора за счет раскрытия тектонических трещин, трещин выветривания и появления новых. Процесс деформирования массива обычно носит неравномерный характер как по величине, так и по направлению вектора деформаций [20,24,25]. Таким образом, деформации массива горных пород являются проявлением естественных свойств, во-первых, горных пород; во-вторых, природных и техногенных конструкций, какими являются борта карьеров; в-третьих, мерой реакции породных обнажений на целый ряд периодически повторяющихся (циклических) воздействий: от массовых взрывов, сейсмических процессов при землетрясениях, вибрации от деятельности большегрузной горной техники, природно-климатических явлений и т.д. Деформации являются природным атрибутом массивов пород откосов бортов карьеров, т.е. они неизбежны. Правда, глубокие карьеры отличаются не только масштабом, массивностью, они имеют также соответствующую продолжительность «жизненного» периода, или срока службы. В связи с этим возрастает значимость задач жизнеобеспечения таких объектов как в инженерно-техническом аспекте, так и в экономическом выражении. В практических условиях работы карьеров весьма сложно разграничить деформации как «дыхание» крупномасштабного объекта и деформации, которые в течение какого-то времени впоследствии могут привести к нежелательным результатам, повлечь «лишние» расходы (сил, средств, времени), или даже к катастрофе. Анализ материалов многолетних наблюдений за состоянием бортов карьеров как в странах СНГ, так и в других странах с развитой горнодобывающей промышленностью показывает, что деформации различных объемов происходят практически при любой высоте борта, причем, параметры этих деформаций (высота, ширина по простиранию, объем) также отмечаются разные вне зависимости от глубины карьера. Так, на медно-порфировых карьерах при углах заложения бортов в пределах 35÷40 градусов одинаково отмечены деформации при высоте бортов 200–250 м и 450–650 м (карьеры Escondida, Toquepelata, Chuquicamata) [26]. За 30–40 лет строительства и эксплуатации железорудных карьеров Кривбасса отмечено более 500 ISSN: 2582-4686 SJIF 2021-3.261,SJIF 20222.889, 2024-6.875 ResearchBib IF: 9.948 / 2024 VOLUME-5, ISSUE-12 409 случаев оползневых явлений (деформаций) суммарным объемом 20 млн. м3, которые причинили ощутимый вред производству. Один из крупнейших оползней в практике открытых горных работ отмечен на карьере №3 месторождения Меловое при высоте борта 110 м и угле наклона 22 градуса (1987 г.). Длина зоны деформаций достигла 950 м, объем – 25 млн. м3. Основной причиной деформаций отмечено «гравитационно-тектоническое разуплотнение слагающих пород по системе непрогнозируемых тектонических трещин и поверхностей напластования, что привело к снижению прочностных характеристик пород». Правда, этот масштабный оползень не доставил значительного ущерба, так как он не повлиял существенно на производительную работу карьера [9,18,19]. За время отработки карьера Мурунтау (с 1967 г.) зафиксировано 54 случая различных деформаций. В общем количестве зарегистрированных деформаций в глубоком карьере объемы нарушенных пород варьируют в пределах от 0,9 тыс.м3 до 230 тыс.м3, при этом оползни составляют 18,5%, обрушения – 81,5%. Длина всех разрушающих деформаций по фронту превышает высоту деформированного уступа в 2–5 раз. Мониторинг. Организованная на карьере Мурунтау система геодинамического мониторинга предусматривает непрерывное выполнение системы взаимоувязанных мероприятий, которые позволят развивать, дополнять и углублять методы интерпретации результатов наблюдений и прогнозирования устойчивости прибортового массива, одновременно совершенствуя саму систему наблюдений [10,21,22,29]. Система контроля включает следующие основные компоненты: сейсмические наблюдения (стационарные сейсмостанции в 4-х различных точках по наружному периметру карьера, находящиеся в автоматическом «ждущем» режиме); станции для производства наблюдений методом вертикального электрозондирования (ВЭЗ); наблюдения в скважинах (как в разведочных, так и в специально оборудованных для периодических наблюдений); профильные маркшейдерские наблюдения на специально оборудованных полигонах [5,15,17]. Системные инструментальные наблюдения за состоянием бортов карьера позволяют установить количественные показатели деформаций отдельных участков бортов в течение времени в зависимости от геологических условий и развития горных работ. Наиболее полные данные о характере деформаций откосов получают путем наблюдения за смещением реперов, заложенных по профильным линиям, расположенным вкрест простирания бортов. Обсуждение результатов. Зафиксированы случаи, когда после ликвидации или стабилизации деформации через некоторое время наблюдалось развитие в этой зоне деформаций с новыми параметрами. Например, оползень №33 на северном борту карьера с расчетным объёмом деформации 18,0 тыс. м3 на откосе нерабочего уступа с гор.+345,0м по гор.+315,0 м длиной по фронту 72м выполненными горными работами в июле 1996 г. был стабилизирован, затем здесь вновь в 2007 г. активизировались обрушения на участке по фронту 340 м, что было ликвидировано в октябре 2007 г. Аналогично повела себя деформация №53 откоса с гор.+405,0 м по гор.+300,0 м, нерабочего уступа на северном борту длиной по фронту 70 м с расчетным объёмом деформации 10,0 тыс. м3 – первоначально активизировалась в январе 2011 г., была стабилизирована (разгружена верхняя часть), затем вновь проявила активность в мае 2013 г., увеличившись по фронту до 80 м, была ликвидирована в октябре 2013 г. В зоне интенсивного влияния Южного разлома на южном борту в марте 2014 г. активизировался оползень № 54 на откосе нерабочего уступа с гор. +513,6 м по гор. +465,0 м на участке длиной по фронту 361 м ISSN: 2582-4686 SJIF 2021-3.261,SJIF 20222.889, 2024-6.875 ResearchBib IF: 9.948 / 2024 VOLUME-5, ISSUE-12 410 с расчетным объёмом возможной деформации в границах потенциальной поверхности скольжения 673,0 тыс. м3, в результате горных работ в течение года фронт участка деформации удалось сократить до 200 м, при этом расчетный объём возможной деформации в границах потенциальной поверхности скольжения сократился до 394,7 тыс. м3, в течение 2015 г. выполнены горные работы в верхней части южного борта карьера на трех горизонтах (гор. +500,0 м, +490,0 м и гор.+480,0 м) для обеспечения безопасности ведения горных работ на нижних горизонтах, и к концу 2015 г. достигнуто уменьшение скорости смещения. Заключение. Имеются широкомасштабные примеры практического использования геомеханического мониторинга во взаимосвязи с технологическим циклом работ на карьере. Так, карьер на западном фланге вышел на проектный контур, который в дальнейшем на этом участке не будет смещаться в плане, а будет продолжать развиваться в глубину. Откос борта на этом участке имеет угол наклона несколько меньше угла естественного откоса пород, что делает его перспективным для размещения внутреннего отвала. Однако ситуация осложняется тем, что прибортовой массив имеет блочное строение, которое способствует развитию деформаций, и в рабочей зоне карьера продолжаются горные работы. Поэтому при использовании откоса борта для складирования вскрышных пород формируемый внутренний отвал будет «нависать» над рабочей зоной карьера, а его размещение на блоках прибортового массива может инициировать развитие деформации. Тем не менее, потенциальные выгоды от размещения такого отвала делают предлагаемое техническое решение весьма привлекательным. [16,28]. На основании анализа опыта формирования внутренних отвалов на откосах бортов глубоких карьеров, изучения условий формирования и развития деформаций участков борта карьера, изучения геологических и геомеханических характеристик Западного борта карьера Мурунтау, анализа опыта формирования внутренних отвалов на откосах бортов глубоких карьеров, были рассмотрены возможные варианты размещения внутреннего отвала на откосе борта карьера. Для этого было выполнено математическое моделирование и разработка компьютерной программы для расчётных схем различных сценариев возможного развития деформаций при нагружении борта внутренним отвалом с оценкой влияния внутреннего отвала на устойчивость откоса борта карьера. В результате были количественно оценены условия безопасного формирования внутреннего отвала на откосе борта карьера и намечены варианты технических решений по размещению внутреннего отвала на откосе борта карьера [7,8,23]. По различным вариантам рассмотрено размещение во внутренних отвалах 19 – 37 млн. м3 пород, и эта программа уже частично реализована в карьере [6,12,27]. Перспективы дальнейшего увеличении глубины отработки карьера повышают требования к обеспечению длительной устойчивости бортов. Геомеханическим бюро карьера (специальная внутренняя мониторинговая служба) реализуется программа долгосрочного мониторинга карьера Мурунтау, реализуется комплекс мероприятий, направленный на прогноз и предотвращение самопроизвольных деформаций и уменьшение их вредного воздействия на работу карьера. Прогнозирование потенциально опасных по деформациям участков месторождения позволяет на стадии планирования горных работ установить места возможных деформаций и принять меры по их предотвращению. Литература ISSN: 2582-4686 SJIF 2021-3.261,SJIF 20222.889, 2024-6.875 ResearchBib IF: 9.948 / 2024 VOLUME-5, ISSUE-12 411 1. Багдасарьян А.Г., Сытенков В.Н. К вопросу об изменении устойчивости бортов с увеличением глубины карьера // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2014. – №1. – С.75-79. 2. Быковцев А.С., Прохоренко Г.А., Сытенков В.Н. Моделирование геодинамических и сейсмических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых. – Ташкент: Фан, 2000. – 271 с. 3. Исмаилов А.С., Меликулов А.Д., Садинов Ш.М., Султанов К.С., Салямова К.Д., Гасанова Н.Ю. Особенности процессов длительного деформирования массивов пород и их мониторинг при отработке глубоких карьеров // Проблемы недропользования, 2016. – № 3. – С.18-23. DOI: 10.18454/2313-1586.2016.03.018. 4. Константинов М.М. и др. Золоторудные гиганты России и мира / Константинов М.М., Некрасов Е.М., Сидоров А.А., Стружков С.Ф. – М.: Научный мир, 2000. – 272 с. 5. Лукишов Б.Г., Тер-Семенов А.А., Федянин А.С. Совершенствование системы сейсмического контроля устойчивости бортов карьера «Мурунтау» // Горный журнал. № 5, 2007. – С. 65–67. 6. Меликулов А.Д., Салямова К.Д., Гасанова Н.Ю., Бакиров Г.Х., Абдурахманов Х.Х. Геомеханические факторы повышения эффективности геотехнологий с учетом их ресурсовоспроизводства и ресурсосбережения в современных рыночных условиях // Проблемы энергои ресурсосбережения, 2020. – №1-2. – С.193-201. 7. Отчет по НИР Обоснование условий безопасного размещения отвалов на откосе борта глубокого карьера. Отчет по НИР, тема № 325-2009. Этапы 1-4. // Меликулов А.Д., Султанов К.С., Салямова К.Д. и др. – Навои: Навоийский гос. горно-технологич. ун-т. – 2009–2010. – 218 с. 8. Программа для ЭВМ «USTBORT.FOR» // Авт.: Меликулов А.Д., Салямова К.Д., Гасанова Н.Ю. – Ташкент: Гос. патентное ведомство Респ. Узб. Свидетельство № DGU 01464 об официальной регистрации, 2009. 9. Полищук С.З., др. Прогноз устойчивости и оптимизация параметров бортов глубоких карьеров // Полищук С.З., Лашко В.Т., Шеметов П.А. и др. – Днепропетровск: Полиграфист, 2001. – 371 с. 10. Рахимов В.Р., Шеметов П.А., Федянин А.С. Прогноз устойчивости бортов глубоких карьеров и организация системы геодинамического мониторинга // Горный вестник Узбекистана. – 2003. № 3. – С. 85–87. 11. Рудные месторождения Узбекистана. – Т.: ГИДРОИНГЕО, 2001.– 611 с. 12. Салямова К.Д., Меликулов А.Д. Решение задач оценки устойчивости подземных выработок и бортов карьеров численными методами механики. Материалы международной научно-технической конференции «Прочность материалов и элементов конструкций».– Киев: Ин-т проблем прочности НАН Украины, 2011. – С.374-379. 13. Санакулов К.С. Навоийский ГМК – мировой лидер по производству золота и урана // Горный журнал, 2010. – № 1. – С. 49–52. 14. Силкин А.А. и др. Управление долговременной устойчивостью откосов на карьерах Узбекистана / Силкин А.А., Кольцов В.Н., Шеметов П.А. и др. – Ташкент: Фан, 2005. –229 с. ISSN: 2582-4686 SJIF 2021-3.261,SJIF 20222.889, 2024-6.875 ResearchBib IF: 9.948 / 2024 VOLUME-5, ISSUE-12 412 15. Снитка Н.П., Раимжанов Б.Р., Наимова Р.Ш. Обоснование направлений рационального использования пространственных техногенных ресурсов глубоких карьеров // Горные науки и технологии, 2018. – № 1. – С.59-68. DOI: 10.17073/2500-0632-2018-1-59-68. 16. Сытенков В.Н., Коломников С.С., Наимова Р.Ш. Разработка технологических схем формирования внутренних отвалов в отработанной части карьера Мурунтау // Горный вестник Узбекистана, 2009. – № 4. – С.21 – 24. 17. Сытенков В. Н., Федянин А.С. Применение геофизических исследований при открытой разработке сложноструктурных золоторудных месторождений // Горный журнал. № 5, 2007. – С. 67–70. 18. Халикулов Э.Х., Камолов Ш.А., Ачилов А.М., Савуров А.А. Изучение и анализ характера формирования, развития деформаций в массиве горных пород карьера Мурунтау // Горный вестник Узбекистана. – 2021. № 4. – С. 25–28. DOI:10.54073/GV.2021.4.87.005. 19. Хоменко О.Е., Ляшенко В.И. Ресурсосберегающие технологии добычи руд на больших глубинах // Известия вузов. Горный журнал, 2018. № 8. С. 23-33. 20. Яковлев А.В., Ермаков Н.И. Методика изучения прибортовых массивов для прогнозирования устойчивости бортов карьеров. – Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2008. – 78 с. 21. Aydan O. Time-Dependency in Rock Mechanics and Rock Engineering. – London, UK: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2017. – 240 pp. 22. Burd A. Mathematical Methods in the Earth and Environmental Science. – Cambridge University Press, 2019. – 584 pp. DOI: 10.1017/9781316338636. 23. Gasanova, N.Yu. Formation of the earthquake database for evaluation of their influence on the slope stability of deep quarries. // European science, 2017, № 6 (28), P. 24-26. 24. Giani G. Rock slope stability analyses. – Rotterdam: A.A.Balkema, 1992. 345 pp. 25. Hoek E., Bray J. Rock slope engineering. Third edition. – London – New York: Published in the Taylor & Francis, 2005. – 358 pp. 26. Hustrulid W., McCarter M. K., Van Zyl J., eds. Slope stability in surface mining / Published by the Society for Mining, Metallurgy and Exploration, Inc. – Littleton, Colorado, USA, 2000. – 443 рр. 27. Melikulov A.D., Aripov A.T., Salyamova K.D., Rumi D.F., Ismailov A.S. Investigation and maintenance of underground mining developments in seismic-tectonic active areas of the Central Asia // Proceedings of the 25-th Word Mining Congress. Astana, Kazakhstan, 2018. – P. 1506-1515. 28. Melikulov A.D., Salyamova K.D., Gasanova N. Yu., Ismailov A.S. Control of rock massifs state for sustainability of natural and man-caused slopes and underground structures under influence of contemporary seismic and tectonic processes // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1926. A. 012064. IOP Publishing. DOI: 10.1088/1742-6596/1926/1/012064. 29. Wang S., Hagan P.C., Cao C. Advances in rock-support and geotechnical Engineering. – Tsinghua University Press Ltd., China – Published by Elsevier Inc., Amsterdam – Boston, 2016. – 410 pp.