Оценка возможности использования «Руководства по проектированию бортов карьеров» при проектировании открытой разработки рудных месторождений в условиях современной России. Рецензия Зотеева В.А.

Зотеев Вадим ГавриловичЗотеев Вадим Гаврилович,

 

Выпускник Свердловского горного института (1959), горный инженер-маркшейдер. Доктор технических наук (1982), профессор (1989). Лауреат Государственной премии СССР (1982).

 

Трудовая деятельность:

  • 1959–1960 г.г.: Лениногорский полиметаллический комбинат.
  • 1960-1987 г.г.: ИГД МЧМ СССР, где 20 лет заведовал лабораторией устойчивости бортов карьеров и отвалов.
  • 1987–2000 г.г.: Свердловский горный институт (Уральская ГГА), профессор, заведующий кафедрами инженерной геологии и гидрогеологии, охраны геологической среды.
  • 2000-2005 г.г.: - зав. отделом гидротехнических сооружений РосНИИВХ

Специалист в области охраны геологической среды. Основные работы посвящены комплексным геомеханическим исследованиям, результаты которых положены в основу рабочих проектов разработки железорудных месторождений для Качканарского, Коршуновского, Ковдорского, Оленегорского, Азербайджанского, Костомукшского, Полтавского и Северного горно-обогатительных комбинатов и рудников Урала: Высокогорского, Гороблагодатского, Бакальского, Полуночного и др. Выполнил исследования устойчивости бортов и отвалов на Костомукшском, Лебединском и Стойленском ГОКах, объектах завода «Магнезит», ПО «Бор» (Дальнегорск), формирования хвостохранилища в выемке главного карьера Высокогорского ГОКа. Подготовил 6 кандидатов наук.

Автор 150 печатных работ.

Лауреат Государственной премии СССР в области науки и техники за «Создание научных основ, разработку и внедрение мероприятий предупреждения и борьбы с оползневыми явлениями на разрезах и карьерах при открытом способе добычи полезных ископаемых» в составе творческого коллектива под руководством Г.Л. Фисенко.

 

 

 

Введение

«Руководство по проектированию бортов карьеров» под редакцией Джона Рида и Питера Стейси вызывает интерес только уже потому, что является первой за многие годы изданной в России монографией, посвященной проблемам открытых горных работ и рассчитанной на профессионалов (учебники и учебные пособия, при всей их необходимости, относятся к другому классу технической литературы).

Ситуация усугубляется еще и тем, что последние 15-20 лет наблюдается стремительная деградация и отставание России в части совершенствования и своевременной корректировки нормативной базы в части определения устойчивых параметров горных выработок. Последний нормативный документ в области геомеханики открытых горных работ, появившийся после развала СССР – это «Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах» (С.-Пб, ВНИМИ, 1998. – 207 с), ориентированные в основном на обслуживание угольных разрезов. При этом необходимо отметить, что в этот период институт ВНИМИ, по существу основной институт в области геомеханики, разработал этот документ лишь благодаря поддержке Минэнергетики РФ.

Попытка локализовать применение вновь разработанного документа только областью разработки угольных месторождений привела к снижению его методической ценности даже по сравнению с изданными ранее «Методическими указаниями по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров» (Л.: ВНИМИ, 1972. – 166 с) и «Инструкцией по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости». (Л.: ВНИМИ, 1971. – 187 с). Это объясняется следующими причинами:

  1. Угольные разрезы, как и угольные месторождения, с позиций геомеханики открытых горных работ не имеют принципиальных отличий от карьеров, разрабатывающих другие виды полезных ископаемых как по диапазону прочности вмещающих пород и условий их залегания, например: прочность руд и вмещающих пород Никопольского марганцевого месторождения даже существенно ниже прочности пород и угля буроугольных месторождений Урала (Богословское, Коркинское, Башкирское).
  2. Исключение из содержания «Правил ...» месторождений других полезных ископаемых повлекло за собой отказ от рассмотрения таких обязательных для всех карьеров операций, как учет воздействия на устойчивость бортов и уступов взрывных работ, организации высокоточных наблюдений за деформациями бортов, применения камнеулавливающих сооружений и т.д.
  3. Отказ от включения в «Правила ...» методики расчета устойчивости анизотропных откосов, ослабленных согласно и несогласно падающей слоистостью (сланцеватостью), разработанных в т.ч. и сотрудниками ВНИМИ В.Т. Сапожниковым, В.И. Пушкаревым и Б.Г. Афанасьевым после 1972 г. Более того, в новые «Правила ...» не вошла практически ни одна из разработок по обеспечению устойчивости откосов, уже широко апробированная на практике к 1998 г.

С учетом вышесказанного «Руководство ...» составлено более грамотно, т.е. без жесткой привязки к виду твердого полезного ископаемого, а ориентировано лишь на генетический тип месторождения (осадочные, магматические или метаморфизованные), что обусловлено, прежде всего, различием диапазонов прочностных характеристик руд и вмещающих пород.

С учетом современного состояния нормативной базы в РФ целесообразно построить оценку «Руководства ...» на основе его сопоставления с аналогичными инструкциями и рекомендациями, которые были разработаны и использовались при проектировании и разработки месторождений до 1990 г.

Раздел 1. Основные принципы проектирования откосов.

Перечень основных факторов, определяющих экономическую и социальную целесообразность вовлечения в эксплуатацию вновь осваиваемых месторождений, а также выбор способов их разработки идентичен для большинства индустриальных стран (подраздел 1.1).

По содержанию подразделов 1.2 – 1.7 относительно конструкции карьерных откосов и учитываемых при их проектировании факторов (безопасность, экономичность и экология), а также методов учета риска возникновения аварийных ситуаций (оползни, обвалы и камнепады) следует отметить, что принятая терминология и использующиеся методики учета природных и техногенных факторов, как в СССР, так и за рубежом аналогичны используемым в современной России.

Следует, однако, признать, что отсутствие в СССР и России собственного качественного специального оборудования и приборов (прежде всего высокопроизводительных буровых станков и высокоточных оптических приборов для создания полноценных наблюдательных станций, позволяющих надежно контролировать деформации бортов в процессе углубки карьеров) привело к неизбежному отставанию или снижению качества работ по заоткоске уступов, а также их удорожанию. Вместе с тем достаточно высокое качество методик расчетов влияния буровзрывных работ, ориентированных на имеющееся в СССР оборудование, обеспечивает снижение дополнительных деформаций до приемлемого уровня. По крайней мере, высокое качество заоткосных работ на существующем (отечественном) оборудовании было достигнуто как при строительстве крупных плотин (Чиркейская, Токтогульская, Саяно-Шушенская, Чарвакская и др.), так и на ряде карьеров Минчермета и Минцветмета СССР с помощью предварительного щелеобразования.

Раздел 2. Сбор исходных данных.

Содержание этого раздела представляет значительный интерес для профессиональных геологов, занимающихся как разведкой и оконтуриванием запасов, так и решающим вопросы уточнения условий разработки, предшествующих проектированию. При сопоставлении содержания этого раздела с практикой выполнения аналогичных работ в СССР и современной России следует отметить, что методики проведения полевых и лабораторных исследований существенно разнятся:

  1. В СССР и России, как правило, промежуток времени между открытием месторождения, его детальной разведкой и постановкой запасов на баланс и передачей месторождения в эксплуатацию составляет от 5 – 7 до 30 – 40 лет. Поэтому до начала проектирования отобранный ранее керновый материал в большинстве случаев уже уничтожен, а привлечение для консультаций специалистов, производивших его отбор и документацию, невозможно. Поэтому разработка проекта осуществляется лишь на основании информации, содержащейся в отчетах о предварительной и детальной разведке.
  2. В СССР и России изучение физико-механических свойств пород в ходе детальной разведки выполняется в относительно небольших объемах, а определение таких специфических показателей как сопротивление сдвигу по трещинам выполняется лишь в редких случаях.
  3. В отношении приведенных в разделе классификаций пород по степени выветрелости, измененности вторичными процессами, прочности и гранулометрическому составу (для грунтов), то аналогичные классификации использовались в СССР в редакции В.Д. Ломтадзе, т.е. принципиальной новизной эти разработки не обладают.

Учитывая, что в настоящее время в связи с отказом от планового освоения месторождений следует ожидать резкого сокращения сроков от открытия новых месторождений до начала их освоения, имеет смысл более широко использовать зарубежный опыт в части совмещения разведочных, инженерно-геологических и проектных работ, что позволит уже в процессе разведочных работ оперативно снять значительную часть вопросов, возникающих у проектировщиков. Это тем более важно, что уровень подготовки инженерных кадров частных компаний в большинстве случаев ниже, чем он был в отраслевых институтах и территориальных геологических управлениях.

Так же необходимо обратить внимание на различие в подходах к выполнению инженерно-геологического описания керна. По сравнению с применяемой в России методикой зарубежная позволяет учесть большее количество характеристик массива, особенно в части его трещиноватости. Для оценки трещиноватости на западе широко используются современные методики, которые в России только начинают делать первые шаги. Это относится к методам бурения с ориентированным керном, фотограмметрическому картированию обнажений скальных пород. В гидрогеологических исследованиях тоже есть ряд современных методик, описываемых в книге, - это пакерные исследования в скважинах, использование датчиков порового давления как при проведении опытно-фильтрационных работ, так и при мониторинге гидрогеологических условий. В России эти методики тоже нашли применение, однако, не в таких объемах как в западной практике. В частности, вопросами порового давления активно занимаются Кутепов Ю. И. и Гальперин А.М.

Раздел 3. Геологическая модель

В разделе рассмотрены условия формирования основных типов рудных месторождений и обусловленные их генезисом факторы, которые необходимо учитывать при составлении программ предпроектных изысканий для получения информации по прочностным характеристикам и структурным особенностям массива вмещающих пород (условия залегания, степень тектонической нарушенности), обводненности и проч., а также получения информации по сейсмичности территории, наличии многолетнемерзлых пород, деградации мерзлоты и напряженного состояния земной коры в районе месторождения.

В целом можно сказать, что приведенный перечень необходимых исходных данных и способов получения информации аналогичен использующимся в России. Из сравнения зарубежного и отечественного опыта следует:

  1. Подготовка к расчету устойчивости бортов карьера начинается с расчленения предельного контура на участки, в пределах которых состав пород, их прочность, структуру массива можно считать неизменными и однородными в пределах участка.
  2. По каждому их выделенных участков определяется наиболее вероятная модель образования оползня (обвала) и выбираются соответствующие расчетные схемы.
  3. Выбираются величины коэффициента запаса устойчивости с учетом сейсмичности района, обводненности, прочностных характеристик пород и поверхностей ослабления.

Раздел 4 Структурная модель

Содержание раздела 4 (структурная модель) входит в понятие «модель породного массива» (раздел 5 «Руководства ...»).

Раздел 5. Модель породного массива.

В разделе рассмотрено определение классифицирующих показателей, таких как индекс прочности, пористость, объемный вес и т.д. Методические рекомендации подраздела 5.2 комментируются многочисленными таблицами, содержащими вышеперечисленные характеристики различных пород с указанием их возраста и глубиной отбора проб. В подразделе 5.3 описаны методика определения показателей сопротивления сдвигу по поверхностям ослабления (трещины, слоистость и т.д. различной шероховатости) и приборы, используемые для этой цели. В разделе 5.4 приводятся принятые на западе классификации породного массива, а в разделе 5.5 критерии определения прочности массива.

Из сопоставления этого материала с отечественным опытом можно отметить следующее:

  1. Методы лабораторных испытаний пород во всем диапазоне прочности и используемые при этом в СССР приборы, предусмотренные и ныне действующими ГОСТами, аналогичны рекомендованным «Руководством ...».
  2. Крупномасштабные испытания на сдвиг по контактам крупных трещин различного генезиса в СССР широко использовались, в основном, в гидротехническом строительстве. На основе этих испытаний была разработана методика определения угла сопротивления сдвигу, позволяющая использовать результаты испытаний на образцах малого размера и результаты профилировки поверхностей крупных трещин, измерения ширины их раскрытия и испытания на сдвиг заполнителя крупных полостей. Результаты этих исследований, методика проведения испытаний и используемое оборудование достаточно детально освещены в трудах институтов Гидропроект, ВНИИГ, материалах совещаний по гидротехнике и др. публикациях, хотя и не вошли в нормативные документы и поэтому слабо использовались проектировщиками горного профиля.

В целом же результаты отечественных исследований хорошо коррелируются с рекомендациями «Руководства ...», изложенными в разделе 5. Поэтому его издание большим тиражом представляется полезным, особенно в ближайшее время (из-за снижения уровня подготовки инженерных кадров, занятых разработкой проектов и руководством по их реализации в горнодобывающей и строительной областях). Несомненную ценность представляют также справочные материалы, содержащиеся в большинстве таблиц раздела 5.

Стоит обратить особое внимание на раздел 5.5, в котором приводятся классификации массивов скальных пород, широко применяемых в зарубежной практике. Приведенные классификации уже на протяжении многих лет (порядка 20-30) используются и совершенствуются применительно к решению вопросов геомеханики, в основном, подземных работ. На открытых работах применение классификаций не очевидно и, более того, сомнительно.

Раздел 6. Гидрогеологическая модель.

Раздел, посвященный описанию гидрогеологической модели, составляет около 60 страниц. В ней достаточно подробно и на профессиональном уровне изложены рекомендации по оценке взаимосвязи напора подземных вод с ожидаемыми водопритоками и рекомендациями по выбору системы водоотлива. На конкретных примерах, в зависимости от структурных особенностей массива вмещающих пород, условий залегания каждой из свит и коэффициентов фильтрации пород, даются рекомендации по выбору оптимальной системы водопонижения как по карьеру в целом, так и по его отдельным частям.

Рекомендуемая система может включать в себя набор таких сочетаний, как система скважин глубокого водопонижения, водосборных и водоотводных канав, обеспечивающих перехват подземных вод на местных водоупорах, а также прибортовой дренаж откосов уступов субгоризонтальными скважинами с целью снятия трещинного давления воды на участках бортов недостаточной устойчивости.

Раздел составлен на основе обобщения большого фактического материала. Поэтому большинство приведенных в нем рекомендаций по выбору способов дренажа, расчету параметров системы водопонижения и выбору эффективного оборудования и т.д. будут полезны широкому кругу специалистов и могут быть эффективно использованы в условиях современной России.

Наиболее интересным с точки зрения применения современных методик проектирования является раздел 6.4, в котором дается подробное описание процесса построения гидродинамических моделей, их назначения, а также возможности использования для решения вопросов, касающихся обеспечения устойчивости открытых горных работ.
В принципе, многие из приведенных в «Руководстве ...» рекомендаций широко использовалось в практике проектирования отечественными специализированными институтами, например, работы тандема институтов Фундаментпроект и Гипроруда при осушении железорудных месторождений Тургайской группы.

Раздел 7. Геомеханическая модель.

Данный раздел содержит информацию по геомеханическому моделированию. В разделе 7.2 изложены требования, предъявляемые к исходным данным. В нем подробно представлены пошаговые инструкции по построению трехмерных геомеханических моделей, описаны процессы, сопутствующие моделированию, а также приведены примеры реальных геомеханических моделей и описаны трудности, с которыми могут встретиться их создатели.

Сегодня практика геомеханического моделирования в России практически отсутствует. Лишь некоторые научные организации, учебные заведения и горнодобывающие компании пытаются создать трехмерные геомеханические модели месторождений. Поэтому данная глава будет полезна всем специалистам-геомеханикам, в особенности тем, кто делает первые шаги в освоении геомеханического моделирования.

Создание объемной геомеханической модели месторождения - процесс многоэтапный. Качество созданной модели напрямую зависит от многих факторов – качества и полноты исходных данных, опыта специалиста, разрабатывающего модель и т.д. Поэтому очень важно на каждом этапе моделирования выполнять контроль, так как некачественно построенная модель, т.е. та, которая не отражает реальной геомеханической ситуации, может стать причиной серьезных ошибок при принятии технических решений, которые впоследствии могут привести к серьезным ошибкам и даже авариям на карьерах.

Раздел 8. Неопределенность данных.

Уровни достоверности данных по геомеханическим условиям разработки каждого конкретного месторождения на разных стадиях проекта (табл. 8.1 «Руководства ...») могут существенно отличаться от средних в зависимости от генетического типа месторождения и степени его пострудной перестройки.

В большинстве случаев при проектировании крупных рудных карьеров большой глубины при сложном строении рудных тел, когда документация структурных элементов массива ведется по мере смещения фронта очистных работ по каждому горизонту (уступу), уточнение информации и геомеханической модели происходит непрерывно, что позволяет своевременно скорректировать расчетные параметры следующей стадии проекта. По крайней мере, как свидетельствует опыт разработки ряда крупных железорудных месторождений различных генетических типов в СССР (Кривой Рог, КМА, Кольский полуостров, Костомукшское, Соколовский и Сарбайский, Коршуновский ГОК и т.д.), параметры карьеров, предусмотренные первоначальным проектом, неоднократно существенно пересматриваются из-за несоответствия геомеханических и гидрогеологических представлений, приведенных в материалах детальной разведки, фактической картине.

Раздел 9. Критерии приемлемости.

В качестве критериев приемлемости в «Руководстве ...» предлагается использовать два показателя: коэффициент запаса устойчивости FoS и вероятность разрушения P0F. Первый показатель (FoS), который был предложен еще К. Терцаги в 30-е годы XX века до настоящего времени остается основным во всем мире, а в России – единственным. Вероятность разрушения PоF и ее допустимый уровень в каждом отдельном случае определяется с учетом конкретных обстоятельств. При этом кроме экономического ущерба и форс-мажорных обстоятельств учитываются возможность и продолжительность забастовок, выплаты пострадавшим и семьям погибших, судебные издержки и т.п., что при разработке проектов в СССР и, тем более, в современной России не рассматривалось в принципе.

Содержание раздела в целом представляет интерес для проектировщиков, но практическое использование показателя P0F в ближайшее десятилетие представляется маловероятным. Однако, следует отметить, что при выполнении проектов по западным стандартам данный показатель довольно часто используется для общей оценки рисков проекта, связанных с неустойчивостью бортов карьеров.

Раздел 10. Методика проектирования откосов.

Принципиальных отличий в перечне природных (п. 10.1.1) факторов и выделении их приоритетности при определении этапов проектирования и обоснования параметров бортов и уступов для конкретного месторождения от используемых в России в «Руководстве ...» нет.

В подразделе 10.2 (Кинематический анализ) приведено большое количество фотографий, иллюстрирующих различные формы разрушения отдельных уступов и участков борта между съездами. Эти фотографии позволяют получить наглядное представление о последствиях ошибочного выбора расчетных схем при оценке устойчивости откосов, что само по себе крайне полезно.

В подразделе 10.3 приведен краткий обзор методов, использовавшихся в различные временные периоды, большинство из которых уже явно устарели и не представляют интереса для специалистов-геомехаников. Интерес представляет содержание подраздела 10.3.3.5 по оценке и учету сейсмического воздействия землетрясений на снижение устойчивости бортов карьеров. Это относится, прежде всего, к определению сейсмического коэффициента по величине магнитуды (рис. 10.24) и критического ускорения откоса при заданном угле наклона и статическом коэффициенте запаса FоS. В подразделе 10.3.4 «Численные методы» дан краткий обзор моделей сплошной и дискретной сред, использовавшихся различными исследователями с соответствующими ограничениями и начальными условиями, а в табл. 10.3 даны рекомендации по целесообразности использования методов в зависимости от того или иного этапа проектирования.

Раздел 11. Реализация проектных решений.

Так как на начальных этапах проектирования (в СССР и России – ТЭО) из-за недостаточной детальности знаний геомеханических условий разработки месторождения достоверность расчетов углов погашения откосов относительно низкая, то расчетные характеристики определяются с введением в средние результаты изысканий увеличенных коэффициентов запаса FоS. Поэтому в течение всего периода эксплуатации на крупных карьерах в обязательном порядке должен выполняться геомеханический мониторинг, что позволяет на каждом следующем уровне (этапе) проектирования уточнять оптимальные величины углов откосов и параметры технологии их формирования, а также снижать нормативную величину коэффициента запаса устойчивости. Если же учесть, что устойчивость откоса (без учета взрывных работ) определяется прежде всего его высотой, то в процессе развития горных работ углам наклона как отдельных уступов, так и их групп (углы наклона участков борта между транспортными съездами), как правило, принимаются более крутыми, чем на предельном контуре.

Такая практика позволяет достаточно эффективно управлять текущим коэффициентом вскрыши или, в зависимости от необходимости, оперативно пересматривать плановый объем добычи руды из-за изменения его сортности или спроса. Вместе с тем, такое оперативное маневрирование формой и объемом выработанного пространства допустимо лишь при соблюдении требований по мониторингу за реакцией прибортового массива на изменение технологии и порядка ведения горных работ.

Это относится, в первую очередь, к обеспечению устойчивости откосов между транспортными съездами, что достигается за счет внедрения специальной технологии бурозврывных работ при заоткоске уступов за счет предварительного щелеобразования или щадящего взрывания (подраздел 11.3), а также последующей оборки откосов уступов (подраздел 11.4).

На участках контура, где формирование откосов осуществляется в породах, не обеспечивающих долговременную устойчивость уступов, «Руководством ...» рекомендуется производить укрепление откосов. Оборудование и способы укрепления откосов подробно рассмотрены в подразделе 11.5.

Раздел 12. Оценка состояния борта и его мониторинг

В подразделах 12.1 и 12.2 достаточно подробно описана методика оценки состояния бортов в процессе расширения и углубки карьера. Соблюдение рекомендаций по геологическому картированию и документации откосов уступов после отгрузки горной массы из каждой очередной заходки обеспечивает надежную основу для своевременного обнаружения ослабленных зон в виде слабых пропластков, тектонических разломов и зон рассланцевания, не выявленных в процессе детальной разведки месторождения, а также определение элементов их залегания, мощности и изучения материала заполнителя. При периодическом осмотре откосов уступов представляется возможным оценить приемлемость принятых параметров БВР для того или иного участка контура карьера или свиты пород, а также выявить участки, где откосы подвержены интенсивному осыпанию. Это, в свою очередь, позволяет оценить необходимость укрепления откосов или установки камнеулавливающих сооружений для защиты транспортных берм от камнепадов.

Сопоставляя рекомендации данного подраздела с практикой геолого-маркшейдерского обслуживания крупных железорудных карьеров (Соколовский, Сарбайскмй, Ковдорский, карьеры Качканарского ГОКа и т.д.) следует отметить их идентичность. Вместе с тем на большинстве рудных карьеров современной России система мониторинга полностью разрушена. Одной из главных причин развала системы мониторинга (кроме низкого уровня подготовки специалистов) является отсутствие специального оборудования, что при более чем скромных штатах геолого-маркшейдерской службы исключает возможность выполнения необходимого объема работ. С недавнего времени крупные горнодобывающие компании исправляют ситуацию, сложившуюся в вопросах мониторинга бортов и уступов карьера. Реализуется это, в основном, за счет приобретения современных высокотехнологичных приборов для мониторинга. В данном разделе приводится развернутое описание современных методов мониторинга бортов и уступов карьеров, включающих радиолокацию. Практический опыт использования радиолокационных станций/георадаров показал высокий уровень технического исполнения и надежности, апробированный на многих горнодобывающих предприятиях по всему миру. Следует отметить, что практическая апробация современных георадаров в России началась только в этом году.

Раздел 13. Управление рисками

Содержание этого раздела представляет наибольший интерес для владельцев горных компаний и главных специалистов управляющего звена. В ней приводится описание методики определения основных рисков, связанных с обрушением бортов карьеров, определения вероятности возникновения, степени влияния на дальнейшую работу горнодобывающего предприятия.

Раздел 14. Закрытие карьера.

Этот раздел не содержит рекомендаций сколько-нибудь отличных от практических приемов, использовавшихся проектными организациями и ИТР большинства крупных карьеров в период их ликвидации.

Содержание приложений 1 – 5 интересно в части описания аппаратуры и оборудования, используемых для организации стационарных наблюдений за состоянием законтурного массива и изменением уровня и химического состава подземных вод в процессе формирования карьерных выемок или ходе их ликвидации.

Заключение.

Оценивая содержание «Руководства ...» в целом следует признать его полезность для поднятия уровня образования специалистов горнодобывающих компаний и инженерно-технического состава рудников. Это добротно собранный и отформатированный материал, дающий связную картину подготовки и принятия решений задач геомеханики открытых горных работ на всех этапах: изыскания, проектирование, эксплуатация.