Физико-технические и геомеханические процессы в насыпных породах на склонах

1 

кииrа 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

СОВЕТ 

Председотель 

Л.А.ПУЧКОВ 
ректор МГГУ, 

чл.-корр. РАН 

Зам. председотеля 

л.хгитис 
директор 

Издательства МГГУ 

Члены редсовета 

И. В. ДЕМЕНТЬЕВ 
академик РАЕН 

А.П. ДМИТРИЕВ 
академик РАЕН 

Б.А. КАРТОЗИЯ 
академик РАЕН 

М.В. КУРЛЕНЯ 
академик РАН 

В.И. ОСИПОВ 
академик РАН 

э.м. соколов 
академик МАН 
ВШ 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 
академик РАН 

В.В.ХРОНИН 
профессор 

В.А. ЧАНТУРИН 
академик РАН 

Ii.И. ШЕМЯКИН 
академик РАН 

~ 
Г.М. Еремин 

~ 

~ 

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ 

ИГЕОМШХАНИЧЕСКИЕ 

ПРОЦЕССЫ 
~ 
В НАСЫПНЫХ ПОРОдАХ 

~ 
НАСКЛОНАХ 

~ 
~ 
~ 
~ 
о 
~ 

МОСКВА 

~ 

Издательство 

«ГОРНАЯ КНИГА» 

2007 

УДК 622.693.26 

ББК 33.1 

Е70 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых. СанЛиН 1.2.1253---03», утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. 

Еремин Г.М. 

Е70 
Физико-технические и геомеханические процессы в на
сыпных породах на склонах. М.: Издательство «Горная 

книга>>.- 2007.-343 с.: ил. 

ISBN 978-5-98672-052-4 (пер.) 

Приведены результаты многолетних исследований и наблюдений 

за процессами отвалообразования в условиях нагорных месторождений 

Севера. На основе изучения физико-механических свойств породной 

массы отвалов с различным содержанием снега, льда и воды показано 

изменение этих свойств под действием различных уплотняющих нагрузок и температур. 

Объяснен механизм деформации и обрушения отвалов со склонов, 

предложены техноJЮгические схемы, предотвращающие зарождение и 

развитие техногеиных селей на склонах. Разработаны новая приборная база и методика лабораторных исследований. 

Для специалистов горно-рудных предприятий, проектных институтов и научно-исследовательских организаций. Может быть полезна студентам горных специальностей и учащимся техникумов. 

ISBN 978-5-98672-052-4 
© Г.М. Еремин, 2007 

УДК 622.693.26 

ББК 33.1 

©Издательство «Горная книга», 2007 

©Дизайн книги. Издательство МГГУ, 
2007 
. 

ВВЕДЕНИЕ 

Решение народно-хозяйственных проблем рациональной разработки 

природных богатств, эффективного освоения минерально-сырьевых ресурсов, 

разработка ресурсосберегащих технологий неразрывно связаны с дальнейшим 

совершенствованием технологических процессов на карьерах с учетом использования на практике свойств породного материала. Это особенно актуально и важно для условий нагорных месторождений Севера с большими грузопотоками вскрыши до площадок отвалов, расположенных на значительных 

расстояниях от карьеров, в условиях повышенных деформаций и обрушений 

отвалов со склонов. 

В основу методологии обоснования и выбора эффективных способов временного размещения вскрышных пород в контурах карьера положены принцилы и методы, разработанные под руководством акад. Н.В. Мельникова при научном обосновании применении бестранспортной системы разработки пластовых месторождений полезных ископаемых с четкой технологической и геометрической взаимосвязью между объемами выемки полезного ископаемого (угля) 

и породой, временно складируемой в контурах карьера, а также теории, развитой почетным акад. В.С. Хохряковым, предложившим применение промежуточных отвалов при поэтапной разработке месторождений. 

В книге детально не рассматриваются теоретические проблемы научных 

основ, связанных с особенностью внутреннего отоалообразования в карьерах 

при разработке вытянутых рудных тел, разработанных еще в начале 60-х гг. 

ХХ в. П.И. Томаковым, А.И. Арсентьевым и другими учеными и исследователями и получивших решение и развитие в 1970-1980 гг. при разработке ряда 

месторождений. Кроме того, ввиду сложности проблемы управления отвалообразованием на склонах при включении в породную массу слабых компонентов (снег, лед, вода) не рассматриваются специальные способы управления деформированием пород отвалов, разработанные А.М. Деминым (применение «слабого» основания отвалов в виде глинистых пород). В основу данной работы положены результаты исследований и наблюдений за процессами 

отоалообразования в сложных топографических и климатических условиях 

высокогорного рудника «Центральный» ОАО «Аnатит>> в течение длительного времени. Сложность проблемы объясняется тем, что пока разрабатывалась 

высокогорная часть месторождения «Плато Расвумчорр» произошло 23 обрушения отвалов в виде селей. Для получения достоверных данных о причинах и механизмах процессов, протекающих в отвалах, применен комплекс 

методов, включающий в себя также лабораторное изучение свойств снегопородного конгломерата в широком диапазоне изменения нагрузок, включений снега (воды), влияния отрицательных температур. С этой целью была 

разработана новая приборная база для изучения более крупных образцов 

скальных пород, что повысило точность и представительность полученных 

данных. Для подтверждения научных положений и выводов автором использованы ранее полученные результаты исследований, связанные с особенностью смерзания рудной (породной) массы при влиянии ряда факторов 

5 

климатического характера, а также при испытании крупноразмерных кусков 

(блоков) породы на сдвиг. Это облегчает объяснение некоторых механизмов 

сопротивляемости призмы упора отвала сдвигу. 

Приведеиные в книге результаты исследований представляют собой 

логическую связь решаемых вопросов, начиная с постановочной части, в 

которой излагается состояние исследований в области отвалообразования, и 

заканчивая решением возникающих на карьерах проблем, вызванных деформацией отвалов на склонах. На основе изучения свойств породного материала 

со снегом (льдом и влагой) показано изменение этих свойств под действием 

уплотняющих нагрузок, таяния снега, замерзания воды. В результате стало 

возможным объяснение механизма протекания деформаций ослабленных 

слоев в отвале и постепенного насыщения их водой, а также причин, приводящих со временем к обрушению отвалов со склона. При решении технологических вопросов разработаны эффективные схемы и способы отвалообразования, позволяющие учесть как вертикальную составляющую отсыпаемой 

на склоне толщи пород, так и ее горизонтальную составляющую, с которой 

связано обоснование расстояния транспортировки пород до площадок отвалов. Показана эффективность применении комбинированных отвалов, включающих в себя основные (стационарные), дополнительные (на крыльях залежи) и временные (в контуре карьера с частичной переэкскавацией и 

управляемым смещением по склону). Приведеиная научно-методическая 

база, учитывающая закономерности деформации породной массы со снегом 

(льдом) в поле отрицательных температур под нагрузкой, надежно подкреплена практикой ведения работ в условиях рудника «Центральный» ОАО 

«Апатит». 

В работе затронуты подходы и даны решения по важной для условий 

Севера проблеме применении новых методов и способов выбора местоположения и создания высоких отвалов на основе более совершенных и производительных способов транспортировки пород вскрыши из глубоких карьеров с 

помощью крутонаклонных и вертикальных конвейеров в системе цикличнопоточной и поточной технологии на карьерах. 

В заключительной части книги приведены современные способы переэкскавации породной массы со снегом (льдом) и подтверждена актуальность 

исследований работ в этой области, поскольку на карьерах накоплены огромные запасы техногеиного сырья, подлежащего со временем разработке и использованию. 

Результаты исследований и данные обобщения работы карьера за 

40-летний период особенно актуальны и полезны при разработке в настоящее 

время восточного участка месторождения (Восточный Расвумчорр), где предстоит вести отвалообразование в нагорной и равнинно-глубинной частях 

карьера. Они могут быть полезны и при разработке нагорного Удоканского 

месторождения, а также других карьеров северных широт. 

Автор благодарен коллегам и специалистам ОАО «Апатит», особенно 

рудника «Центральный>>, за помощь при решении поставленных научноисследовательских задач и их практическую реализацию. 

6 

Глава 1 

ПРОБЛЕМНЫЕ 
ВОПРОСЫ 

БЕЗОПАСНОГО 
И ЭФФЕКТИВНОГО 
РАЗМЕЩЕНИЯ 
И ЭКСШIУАТЩИИ 

arБAJIOB 

В УСЛОВИЯХ 

НАГОРНЫХ 
МЕСГОРО)IЩЕНИЙ 

1.1. ОСОБЕННОСТИ ОТПАЛООБРАЗОВАНИЯ 

НА ВЫСОКОГОРНЫХ КАРЬЕРАХ РАЗЛИЧНЫХ 

КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОН И ШИРОТ 

Для определения эффективности процессов отпалообразования 

на карьерах целесообразно проанализировать их работоспособность по следующим позициям: 

• 
роль и влияние климата высокогорья на условия эксплуатации отвалов; 
• 
размещение отвалов относительно контура карьера; 

• 
установление особенностей строения отвалов и выявление 

моделей механизмов их деформации; 

• 
особенности формирования и эксплуатации отвалов; 
• 
применяемые методы определения их устойчивых парамеrров. 

Для учета главных факторов горно-геологического и климати
ческого характера в проектах высокогорных месторождений южных широт предлагается выделять их особенности по принадлежности к зонам: 
• 
гляционально-нивальной; 
• 
субальпийско-альпийской; 
• 
среднегорной степной; 
• 
равнинно-предгорной полупустынной [16]. 

Высокогорье первой зоны отличается самыми суровыми климатическими условиями. Высота ее приурочена к отметкам свыше 
3400-3700 м над уровнем моря. Средняя температура июля отрицательная. Осадки в твердом виде могут выпадать почти круглый 

год. Дожди могут идти лишь иногда, в июне. К этой зоне приурочено большинство нагорных месторождений за рубежом (Перу, 

Мексика и др.), а также месторождения Памира, Тянь-Шаня иКавказа [16]. 

Верхняя часть вольфрам-молибденового месторождения Тырныауз, разрабатываемого рудником «Молибден)) открытым способом, находится в местности, которая также относится к первой зоне 

(гляционально-нивальной). Опыт работы на руднике показал, что 

при выполнении технологических операций следует учитывать такие факторы, как низкие температуры, ветер и метели [16]. Поскольку карьер находится в сложных топографических условиях, 

9 

отсыпка пород первоначально осуществлялась с крутых склонов 

горы и в ущелья. 

Ко второй зоне субальпийско-альпийской могут быть 

отнесены области высокогорья, расположенные на высоте от 
2700-3000 до 3500-3700 м над уровнем моря [16]. Относительное превышение горных вершин первой зоны по сравнению со второй примерно 1000 м. Климат резко континентальный, холодный. Зима длится 6-9 мес. Морозы до -30+40°. Зимой часты метели, но осадков выпадает мало. Лето короткое, с неустойчивой переменной погодой. На летний период приходится до 60 % осадков, 

выпадающих преимущественно в виде дождя, крупы или снега. К 

этой зоне относят также нижнюю часть Тырныаузского месторождения, а также месторождения типа Чукикамата в Чили и Токепала 

в Перу. 

Месторождение Чукикамата разрабатывается открытым способом. Основными породами в зоне минерализации являются 

крепкие порфиры и гранодиориты. Из карьера порода транспортируется в отвалы в думпкарах вместимостью 22,5 м
3
• Длина транспортировки 5,4 км. С самых верхних уступов руда и порода доставляются автосамосвалами. Руда транспортируется на расстояние 
1,2 км, а затем перегружается в железнодорожные вагоны. Средняя 

длина транспортировки породы с верхних уступов 0,8 км. Складирование породы на первом этапе осуществлялось на пологие склоны ярусами небольшой вы.соты. 

Меднорудное месторождение Токепала в Перу также разрабатывается открытым способом. Длина карьера по простиранию изменялась от 1,5-1,6 км до 1,8-2,0 км по мере углубления горных работ. Для вывозки руды и вскрыши на карьере вначале применяли 

комбинированный транспорт. Руду и основную часть породы транспортировали в автосамосвалах на дно карьера к трем перегрузочным станциям, где осуществлялась их перегрузка в думпкары вместимостью 33 м
3
, и затем руда направлялась на обогатительную фабрику, расположенную на расстоянии 5,3 км. Порода транспортировалась в отвал, причем с верхних горизонтов часть вскрышных пород 

перевозилась в отвалы самосвалами. Формирование отвалов велось 

на пологих склонах ярусами небольшой высоты, поэтому проблем 

с их устойчивостью длительное время практически не возникало. 

К среднегорной степной зоне могут быть отнесены месторождения, разрабатываемые как открытым, так и подземным способа
10 

ми. Климат этой зоны в целом умеренно континентальный с годовыми амплитудами от 28 до 35°. Среднегодовая температура воздуха колеблется от -1 до +1 ос [16]. Среднегодовое количество 

осадков составляет 300-400 мм в нижней части зоны и 400-600 мм в верхней. Выпадение осадков неравномерное. В отдельные годы за апрель и май выпадает до 200--250 мм осадков. Часто 

они могут носить ливневый характер. Здесь могут интенсивно развиваться эрозионные процессы. К этой зоне относят АлтынТопканский, Дашкесанский, Боординский рудники, а также Бингэм 

(США) и «Плато Расвумчорр» (Россия). 

Алтын-Топканекий рудник расположен в высокогорной местности Средней Азии. Максимальная отметка карьера 1830 м. Карьером отрабатывается верхняя часть месторождения. Отвалообразование осуществлялось с крутых склонов. Доставка породы до площадок отвалов производилась автосамосвалами. Высота их достигала сотен метров, и при малой площади отвалы были очень вместительны. Многолетний опыт работы на высоких отвалах с перевозкой породы автотранспортом подтвердил техническую целесообразность применения отвалов большой, практически неограниченной, высоты. Из-за небольших размеров площадки автомашины 

разгружались в 3-5 м от бровки откоса, а затем порода бульдозером сталкивалась с откоса. 

Дашкесанское месторождение железных руд расположено на 

территории Азербайджана на высоте 1800--1600 м над уровнем моря. С учетом условий участков месторождения и склонов было 

принято решение о создании обособленных погоризонтных отвалов. Используя большую глубину ущелий и скальный характер 

бортов, отвалы отсыпали непосредственно на бровку. Такая схема 

отвалообразования позволила резко сократить дальность транспортировки породы до отвалов и улучшить условия работы автотранспорта, так как перевозка породы осуществлялась практически по 

горизонтали. Высота отвалов составляла 240--250 м [16]. 

При отработке северо-западного участка была проведена дорога в насыпях, расположенных на косогорах. Опыт показал, что по 

таким дорогам успешно проходят не только самосвалы, но и экскаваторы типа СЭ-3. Это позволило отсыпать с одного горизонта отвалы на всю высоту ущелья (200--250 м по вертикали) [16]. 

Боординский рудник находится в Тянь-Шане на высоте 2330 м 

над уровнем моря. Карьер, разрабатывающий месторождение, имеет 
ll