В 21-м веке Республика Казахстан занимает заметное положение в мировом минерально-сырьевом балансе, играет ведущую (по ряду – отраслей стратегическую) роль в Евроазиатском регионе и имеет высокий потенциал дальнейшего развития и повышения влияния на мировом минерально-сырьевом рынке.
По добыче и производству минерально-сырьевой продукции Казахстан занимает в мире: по хромитам – 2 место, по титану- 2-3 место, по цинку — 6, по марганцу -8 место, свинцу -6, серебру -9, по урану -5, меди – 10, по нефти, газу, углю и железу – входит в 20 ведущих стран мира [1, с.12].
В настоящее время в Казахстане интенсивно ведется разработка месторождений полезных ископаемых открытым способом. Основными из которых являются: меднорудные – 12 месторождений (Жезказганское, Коунрадское, Николаевское, Актюбенское и др.), полиметаллические – 6 месторождений (Карагайлинское, Коктенкольское, Акжальское и др.), золоторудные – 6 месторождений (Васильковское, Абыз, Варваринское и др.), железорудные – 5 месторождений (Сарбайское, Соколовское, Качарское и др.), угольные бассейны и месторождения — более 10 (Экибастузский, Майкубенский, Тургайский, Тениз –Коржанкульский бассейны, Шубаркольское, Жалын, Каражыра, Борлинское месторождения и др.), марганцевые – 5 месторождений (Ушкатын-ІІІ, Тур, Богач и др.) и нерудные (Топарское известняковое, Алексеевское доломитовое и др.). В целом, в Казахстане интенсивно ведутся открытые горные работы на более 50 крупных месторождениях.
Масштабы современного горнодобывающего производства (рисунок 1) требуют углубленного изучения и постоянного контроля за происходящими в прибортовых массивах геомеханическими процессами, вызванными нарушением равновесия в земной коре, во избежание неконтролируемых катастрофических проявлений в карьерах, таких как крупные оползни и обрушения [2, с.19].
Рисунок 1 – Общий вид Сарбайского карьера
Усложнение инженерно-геологических условий разработки месторождений, увеличение глубины и объемов открытых горных работ определяют качественно новый подход к обеспечению устойчивости бортов карьеров и формируемых отвалов [3, с.31]. Комплекс вопросов обеспечения устойчивости карьерных откосов, прогноза деформаций прибортовых и отвальных массивов, контроля их геомеханического состояния является актуальной научной и практической проблемой. Наиболее полно этим целям соответствует концепция геомеханического мониторинга состояния карьерных откосов [4, с.13], которая предусматривает системный подход к решению всех составляющих задач и вопросов, комплексный учет и анализ всех природных и техногенных факторов.
Структурная схема исследований в системе геомеханического мониторинга представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Маркшейдерское обеспечение устойчивости карьерных откосов
Многолетний опыт и работы по обеспечению устойчивости откосов уступов и бортов карьеров, выполняемые специалистами научно- исследовательской лаборатории «Маркшейдерия геомеханика и геометризация недр» (КарГТУ) на крупнейших карьерах Казахстана позволили разработать и внедрить в практику горного дела прогрессивные методы по обеспечению устойчивости стационарных откосов под максимально возможными крутыми углами их наклона.
Системы мониторинга устойчивости карьерных откосов созданы на более чем 30 карьерах Казахстана (таблица 1).
Многолетний опыт маркшейдерских инструментальных наблюдений за состоянием прибортовых массивов карьеров на ряде карьеров Казахстана позволил разработать и внедрить методику высокопроизводительных наблюдений с использованием современного электронного оборудования (рисунок 3).
Таблица 1
Предприятия с системой наблюдательных станций КарГТУ
| Карьер (разрез) | Кол-во набл. станций | Карьер (разрез) | Кол-во набл. станций | |
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| Ушкатын III | 5 | Конырат | 3 | |
| Дальнезаподный 1 | 6 | Васильковский | 3 | |
| Дальнезаподный 2 | 9 | Варваринский центральный | 3 | |
| Западный | 3 | Чиганакский 1 | 7 | |
| Жомарт | 3 | Чиганакский 2 | 3 | |
| Тур | 5 | Алпыс | 3 | |
| Восточный камыс | 5 | Абыз | 3 | |
| Шубаркольский Центральный | 7 | Космурун | 3 | |
| Шубаркольский Западный | 1 | Акчий Спасский | 2 | |
| Молодежный | 4 | Малый Спасский | 2 | |
| Николаевский | 4 | Акжалский | 3 | |
| Куу-Чекинский | 4 | Богатырь | 1 | |
| Каражыра | 4 | Саяк | 2 | |
| Соколовский | 10 | Тастау | 2 | |
| Сарбайский | 15 | Итауз | 1 | |
| Качарский | 16 | Золоотвалы ГРЭС | 8 | |
Рисунок 3– Современные технологии высокоточных наблюдений
На золоторудном карьере «Васильковский» ТОО «Алтынтау Кокшетау» внедрена автоматизированная система «GEOMOS», которая позволяет вести постоянный мониторинг состояния бортов карьера в реальном режиме времени (рисунок 3а).
Для исследования состояния прибортовых массивов карьера применяются новые методы изучения структуры горного массива с помощью 3D –сканера (рисунок 4) и георадара «Mala».
Рисунок 4 – Применение технологии 3D-сканирования на карьере
При решении вопросов обеспечения устойчивости карьерных откосов исходной информацией являются физико-механические характеристики горных пород, которые определяются в лабораторных и натурных условиях, методом обратных расчетов оползней и обрушений, а также косвенным методом. Наиболее надежным и достоверным способом определения прочностных характеристик прибортовых и отвальных массивов горных пород является метод обратных расчетов оползней, который учитывает все факторы, повлекшие нарушение устойчивого состояния массива. На основе известного графоаналитического способа разработана усовершенствованная методика расчета показателей сопротивления пород сдвигу по результатам съемок оползней (рисунок 5) с использованием численно-аналитического метода, основанного на интегрировании элементарных сил по поверхности скольжения.
Рисунок 5– Интерфейс программы SS01 обратных расчетов оползней
Как показали исследования, не учет этих величин может привести к погрешности определения коэффициента сцепления до 10-20%.
Для сложноструктурных месторождений целесообразно проводить комплексные исследования физико-механических свойств пород, включающие лабораторные, натурные испытания пород и обратные расчеты оползней с дифференцированным выбором расчетных показателей свойств пород [5].
Породный массив является физически дискретной, неоднородной, анизотропной средой, механические процессы деформирования которой носят нелинейный, переменный во времени характер. Для создания горно-геометрической модели прибортового массива предлагается кусочно-непрерывная интерполяция полиномами малой степени, что позволяет при моделировании горно-геологических контуров разработать достаточно простой и надежный алгоритм, позволяющий по исходной дискретной модели объекта получить адекватную непрерывную интерполяционную модель. Разработанный алгоритм обеспечивает возможность математического описания практически любой геологической ситуации, контуров борта карьера, поверхности скольжения, уровня грунтовых вод, тектонических нарушений, отраженных на геологическом разрезе вкрест простирания борта карьера (рисунок 6).
Рисунок 6 – Геологический разрез южного борта карьера «Николаевский» (интерфейс программы)
В соответствии с залеганием структурно-литологических элементов, интегральное уравнение предельного равновесия может быть представлено в общем виде
где m1 — количество литологических разностей, пересекаемых поверхностью скольжения; s — нормальное напряжение, действующее на элементарной площадке поверхности скольжения; m2 — количество контактов (поверхностей ослабления), по которым формируется поверхность скольжения; Lм, Lk — участки поверхности скольжения, проходящие по массиву и контакту (поверхность ослабления) соответственно;t — касательное напряжение, действующее на элементарной площадке поверхности скольжения [6, с.222].
Местоположение поверхности скольжения устанавливается на основе решения задачи теории предельного равновесия по минимальному коэффициенту запаса устойчивости. На основе изложенного алгоритма разработан программный комплекс [7] «Устойчивость карьерных откосов» с использованием которого решен ряд задач по обоснованию рациональных параметров карьерных и отвальных откосов и оценке состояния их устойчивости в различных горно-геологических условиях (рисунок 6), в том числе и с учетом фактора времени, разработаны рекомендации по обеспечению устойчивости прибортовых массивов карьеров (таблица 2).
Для увеличения углов наклона бортов карьеров на проектном контуре рекомендуется проводить искусственное укрепление прибортовых массивов горных пород, позволяющее увеличить углы откосов на участках с менее устойчивыми породами (рисунок 7).
Важнейшим критерием для этого служит экономическая эффективность мероприятий по укреплению массива, определяемая как разность экономии на вскрыше и затрат на укрепление массива по каждому варианту.
Таблица 2
Предприятия с обоснованными КарГТУ параметрами карьерных и отвальных откосов
| Карьер (разрез) | Полезное ископаемое | Карьер (разрез) | Полезное ископаемое |
| Ушкатын III | железо, марганец | Конырат | медь |
| Дальнезаподный 1 | полиметалл | Шатырколь | медь |
| Дальнезаподный 2 | полиметалл | Нурказган | золото, медь |
| Западный | барит | Шемонаихинский | медь |
| Шубаркольский Центральный | уголь | Итауз | медь |
| Шубаркольский Западный | уголь | Абыз | золото, медь |
| Молодежный | уголь | Космурун | золото, медь |
| Куу-Чекинский | уголь | Аркалыкские | боксит |
| Каражира | уголь | Ашутские | боксит |
| Богатырь | уголь | Акжалский | полиметаллы |
| Николаевский | медь | Качарские отвалы | железная руда |
| Чиганакский 1 | барит | Сарыадыр | уголь |
| Чиганакский 2 | барит | Алпыс | медь, золото |
| Варваринский Центральный | золото, медь | Куланский | уголь |
| Васильковский | золото | Секисовский | золото |
Рисунок 7 — Параметры зоны укрепления восточного борта карьера Нурказган
Из ряда вариантов принимается оптимальный, которому соответствует максимальная прибыль от мероприятий по укреплению прибортового массива.
Проблема обеспечения устойчивостью прибортовых массивов на карьерах может быть решена только на основе комплексного подхода, включающего в себя решение всех составляющих задач и вопросов, геомеханического мониторинга состояния устойчивости карьерных откосов, рассматриваемых в данной статье [2, с.24].
Несмотря на имеющиеся достижения в области геомеханики (геотехники) открытых разработок имеются проблемные вопросы, которые требуются решить в ближайшее время:
- продолжить техническое перевооружение маркшейдерско-геомеханических служб предприятий современными приборами и методиками измерений состояния горного массива;
- совершенствовать методы расчета устойчивости карьерных откосов применительно к глубоким карьерам с учетом фактора времени;
- разработать принципиально новые способы инструментальных оценок состояний прибортовых массивов глубоких карьеров сложноструктурных месторождений.