Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование технологических и экологических условий устойчивости откосов и бортов нагорных карьеров и отвалов

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Гидей, Гебрехивет Дебес, Москва

/; * } г-" ":г/ ч I,,.

, J " ^ - ^

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Российский университет дружбы народов

На правах рукописи Гидей Гебрехивет Дебес

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ И БОРТОВ НАГОРНЫХ КАРЬЕРОВ И ОТВАЛОВ

(на примере месторождения Лега-Демби, Эфиопия)

Специальности:

11.00 11. - Охрана окружающей среды и рациональное использование

природных ресурсов 05.15.03. - Открытая разработка месторождений полезных ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к. т. н., доцент В.Д. Долгушин

Москва - 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВАПРОСА. ЦЕЛЬ И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...........................................................9

1.1. Геология золоторудного месторождения Лега-Демби ................9

1.1.1. Физико-географический сведения.........................................9

1.1.2. Геологическое строение месторождения Лега-Демби...............10

1.1.3. Характеристика вмещающих пород........................................12

1.1.4. Структура месторождения....................................................15

1.1.5. Сведения об оползнях и обрушениях откосов на нагорных карьерах и дорогах.......................................................................19

1.2. Обобщение и анализ методов определения устойчивости бортов карьера.......................................................................... 20

1.3. Факторы, влияющие на устойчивость уступов и бортов карьеров .................................................................................................................24

1.4. Особенности обеспечение устойчивости бортов карьеров и

отвалов нагорных месторождений..........................................27

1.5. Задачи и методы исследования.............................................31

ГЛАВА 2. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ

ГОРНЫХ ПОРОД И МЕТОДЫ РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ И ОТКОСОВ КАРЬЕРОВ И ОТВАЛОВ ..................34

2.1. Напряженное состояние массива породы .................................34

2.2. Физико-механические свойства горных пород и трещиноватость горного массива ....................................................................35

2.3. Деформационное состояние и равновесие массива горных пород

.....................................................................................................39

2.4. Прочность горных пород в образце и в массиве .......................41

2.5. Методы расчета устойчивости бортов на карьерах и отвалах

.......................................................................................45

2.5.1. Основные положения расчета...........................................45

2.5.2. Метод круглоцилиндрической поверхности скольжения.........46

2.3. Метод многоугольника сил................................................53

2.6. Выводы по главе 2...........................................................54

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ НАГОРНЫХ ОТВАЛОВ.........................................................................................56

3.1. Факторы, влияющие на устойчивость нагорных отвалов. Требования правил техники безопасности к формированию

отвалов на косогоре......................................................................56

3.2. Параметры отвал ©образования на месторождении Лега-Демби

...........................................................................................................61

3.3. Экспериментальные исследования влияния технологических факторов на устойчивость нагорных отвалов..............................64

3.3.1. Цель эксперимента........................................................................64

3.3.2. Планирование эксперимента.......................................................64

3.3.3. Конструкция модели и порядок проведения лабораторного эксперимента...............................................................................72

3.3.4. Зависимость устойчивости нагорных отвалов от основных горно- геологических факторов................................................ 75

3.3.5. Зависимость ширины нагорных отвалов от технологических параметров отвал ообразования и склона косогора..................... 89

3.4. Выводы по главе 3........................................................ 103

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТОВ НАГОРНЫХ

КАРЬЕРОВ И ОТВАЛОВ............................................................104

4.1. Особенности формирования бортов карьеров на нагорных склонах и выбор метода для расчета их устойчивости.............104

4.2. Аналитические исследования устойчивости борта нагорного карьера..............................................................................................105

4.3. Изменение объема карьера при подвигании фронта работ.......ПО

4.4. Рациональный профиль борта нагорного карьера......................114

4.5. Особенности технологии отвалообразования на горных склонах и выбор метода расчета их устойчивости......................................116

4.6. Расчет устойчивости нагорного отвала.......................................118

4.7. Технологические параметры отвалообразования на горных склонах............................................................................................122

4.8. Выводы по главе 4........................................................................131

ТЛВА 5. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РАЗРАБОТКИ НАГОРНЫХ КАРЬЕРОВ И ОТВАЛОВ.......................................................................................133

5.1. разработка мероприятий по защите нижних горизонтов от

падения кусков...............................................................................144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................149

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .............................................................151

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................173

ВЕДЕНИЕ

В Эфиопии добыча золоторудных полезных ископаемых является ведущей отраслью горнодобывающей промышленности. Значительная доля от общего объема добываемых полезных ископаемых приходится на золото, получаемое из коренных руд, слагаемых метаморфизованными основными и ультраосновными породами. Большинство таких месторождений расположено в южной части страны.

Лега-Демби одно из наиболее крупных золоторудных месторождений в Эфиопии. Оно расположено на склон горы с абсолютными отметка 1500 -2300 м и относительным превышением 150 - 350м. При разработке нагорных месторождений обеспечение устойчивости бортов карьеров и откосов отвалов является главной задачей для района, при устойчивом сохранении окружающей среды.

В настоящее время в этом районе работают около четырех золоторудных карьеров. Из отвалов используется песок и гравий для приготовления бетона. В качестве облицовочного камня могут быть использованы базальты, кварциты, кварц-полевошпатовые гнейсы и граниты, имеются запасы кирпичных глин.

Производственная мощность карьера Лега-Демби 3 т/год. Золото играет главную роль в экономике Эфиопии, поэтому в настоящее время в стране идет широкомасштабная разведка золоторудных месторождений.

Устойчивость бортов карьеров и откосов отвалов определяет безопасность, экономическую эффективность и экономическую эффективность и экологичность ведения горных работ. Это особенно важно при разработке нагорных месторождений. Поэтому исследование технологических и экологических аспектов устойчивости откосов отвалов и

бортов нагорных карьеров является весьма актуальной народнохозяйственной и технической задачей.

Планомерная непрерывная добыча полезных ископаемых нагорных месторождений открытым способом по разработке золоторудный залежей предполагает технически бесперебойный производственный процесс. Этот процесс не может быть обеспечен, если устойчивость разрабатываемых уступов карьеров и откосов отвалов не будет принята во внимание или недостаточно учтена в качестве фактора планирования горных работ. Внезапные обрушения или оползни бортов карьеров и откосов отвалов в их различных формах проявления не только являются причиной замедления производства, но и представляют значительную угрозу безопасности для рабочего персонала и механизмов или транспортных средств.

Проект плана для оформления бортов карьеров и откосов отвалов должен основываться на уже вымоленном расчете устойчивости бортов и откосов отвалов. Исследование и расчеты устойчивости бортов и откосов отвалов велись и ведутся, и поэтому в большинстве случаев понадобятся дополнительные корректировки величены генерального угла наклона борта карьера и откоса отвала или промежуточных уступов на транспортных и эксплуатационных бермах. Последние исследования показывают, что прогнозирование устойчивости бортов карьеров и откосов отвалов вполне возможно. Вид и объем исследований зависят от конкретных горн-геологических условий масса пород, а также их типа крепкие, рыхлые или разнопрочные пород.

Цель работы. Обоснование технологических параметров отвалообразования и формирования устойчивых бортов карьеров на горных склонах.

Идея работы. При обосновании устойчивости бортов и откосов отвалов нагорных карьеров учесть дополнительную нагрузку, зависящую от крутизны склона, свойств массива и направления вектора геодинамического напряжения.

В соответствии с целью и идеей в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Обобщение публикаций по напряженно-деформированному состоянию массива горных пород и методов расчета устойчивости бортов и откосов на карьерах и выделение неучитываемых в настоящее время технологических и технических параметров разработки месторождений в гористой местности, влияющих на устойчивость бортов и откосов карьеров и отвалов;

2. Обоснование влияния топографических, геологических и технологических факторов на устойчивость откосов и бортов нагорных карьеров;

3. Экспериментальная разработка на основе лабораторных исследований упрощенных инженерных методов расчета устойчивости нагорных бортов карьеров и откосов отвалов и оценка точности существующих решений; Научные положения и их новизна:

1. Определена дополнительная нагрузка как прямо пропорциональная зависимость от крутизны склона для уточнения ширины призмы возможного обрушения борта нагорного карьера

2. Получена зависимость изменения объема и высоты нагорного отвала, а также напряженного состояния отвала от скорости подвигания фронта отсыпки горной массы;

3. Экспериментально установлена зависимость угла естественного откоса нагорного отвала от крутизны косогора, высоты отвала, гранулометрического состава и влажности горной массы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются применением современных апробированных методов исследований, совпадением установленных зависимостей с полученными фактическими данными, достаточным объемом лабораторных исследовании.

Научное значение работы заключается в установлении зависимости устойчивости откосов отвалов от угла склона косогора, среднего размера куска, массы и влажности укладываемых в отвал горных пород;

в разработке методики расчета устойчивости откосов отвалов на склоне горы и обрушения горной массы;

в обосновании снижения негативного воздействие на водный бассейн, растительный и животный мир вследствие снижения вероятности обрушения бортов карьеров и откосов отвалов.

Практическое значение работы заключается в разработке методики расчета рациональных параметров технологии для обеспечения устойчивости бортов нагорных карьеров и откосов отвалов на косогорах, что увеличивает безопасность и улучшает технико-экономические и экологические показатели работы нагорных карьеров и отвалов.

Реализация выводов и рекомендации: Полученные результаты по выбору рациональных параметров устойчивости бортов карьеров и откосов отвалов на горных склонах приняты к рассмотрению дам реализации на нагорном карьере Лега-Демби.

Апробация работы: Основные положения работы докладывались и получили одобрение на ХХХП, XXXIII, XXXIV научно-технических конференциях инженерного факультета РУДН в 1996, 1997 и 1998 г.г. Публикации: по теме диссертации опубликовано 3 работы. Объем работы: Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 198 наименований, изложена на 176 страницах текста, содержит 29 рисунков 22 таблицы и 3 приложения.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. геология золоторудного месторождения Лега-Демби

1.1.1. Физико-географические сведения

Месторождение Лега-Демби находится в провинции Сидамо, в районе Джем-джем. Участок месторождения ограничен географическими координатами 5° 37' - 5°52' северной широты и 38°45' - 38°55' восточной долготы. Он расположен на Южном склоне Эфиопского нагорья в зоне перехода к Сомалийскому плато. Его абсолютные отметки 1500 - 2300 м Относительные приращения (150 - 350) м склон гор имеют сглаженную поверхность с редкими скальными выходами кремных пород. Рельеф района имеет уклон на юго-восток. Основные реки в районе месторождения - Авиата, Мормора и их главные Говибе дакесса, Коджова, Лега-Демби и Воллена характеризуются довольно сложными строениями своих долин. На отдельных участках расположены горные реки, текущие в глубоких каньонах с порогами и водопадами. Ширина реки Авата в окрестностях поселка Шакисо достигает до 20 м и глубина до 1.5 м, а ширина реки Мормора у поселка Мегадо достигает до 18 м и глубина до 0.8 м Расход рек Авата и Мормора, по данным гидрометрических наблюдений, в период с 1982 по 1984 гг. у поселка Мегадо и у поселка Шакисо в январе -феврале составляют соответственно до 0.95 м /сек и 0.23 м3 /сек (1983 г). В дождевой период расход воды в реке Авата

3 3

возрастает до 176.9 м /сек, в реке Мормора до 131.8 м /сек

Воды в реках пресные, минерализация воды составляет 0.06-0.12 г/л. По химическому составу она гидрокарбонатная кальцие-магниевая.

Население поселков Шакисо и Мегадо снабжается водой для питьевых и хозяйственных целей из рек Авата и Мормора.

Климат умеренный, средняя годовая температура +15 - +20 с0. Годовое количество осадков изменяется от 814.6 мм до 1748.8 мм, в среднем 1150 мм.

Основное направление ветра - с запада на восток. Скорость западных и северо-западных ветров составляет 6 м/с. Средняя скорость ветра - 3,8м/с.

Сейсмическая активность района - 6-7 баллов по шкале Мекали.

В районе месторождения обширные участки водоразделов покрыты вечнозеленым тропическим лесом.

Организация, занимающаяся добычей и разработкой золотоносных россыпей, имеет механические мастерские в поселках Шакисо и Мегадо и гидроэлектростанцию в поселке Чакато (3 генератора по 652 квт).

Основная часть золота добывается механизированным способом и около 20 % - старателями, численность которых изменяется от 600 до 800 человек.

Из строительных материалов вблизи поселка Шакисо имеется песок и гравий для приготовления бетона, добываемые из отвалов промывки золотоносных россыпей. В качестве облицовочного камня могут быть использованы базальты, кварциты, кварц-полевошпатовые гнейсы и граниты, имеется также проявления кирпичных глин.

1.1.2. Геологическое строение месторождения Лега-Демби

Золотоносная кварцево-жильная зона месторождения Лега-демби приурочена к западному крылу субмеридианального круто падающего тектонического нарушения известного под названием восточного разлома.

Разлом служит границей между фельдшпатизированными биотитовыми гнейсами свиты Кентича серии Mod мора и углисто-слюдистыми.

биотитовыми, биотито-амфиболовыми сланцами и амфиболитами свиты Чакато серии Адола. Он представляет собой зону смятия, дробления и милонитизапии мощностью несколько десятков метров. Падение смесителя на запад под углом 50 - 80°. Амплитуда перемещения орыльев составляет до сотен метров, но при этом обращает на себя внимание несоизмеримо малая мощность пород, затронутых процессами дислокационного метаморфизма.

Полоса интенсивной трещиноватоети рассланцевания в западном висячем крыле разлома значительно шире. Она достигает 200 - 300 м и служит рудовмещающей структурой. К разлому пространственно тяготеют многочисленные дайки ультраосновных пород, превращенных в талькиты, тальк-хлоритовые сланцы.

Насыщенные кварцевыми жилами и прожилково-вкрапленной кварц-сульфидовой минерализацией сланцы ниже подсвиты Чаката, а орудененные тальк-хлортивые сланцы прослеживаются по простиранию более 2 км при ширине выхода на поверхность от 50 до 300 м.

С запада продуктивная в отношении золотого оруденения зона ограничена субмеридиональным чакатеким разломом. Последний является определяющим по отношению к главной рудоконтролирующей структуре восточному разлому; на северном фланге месторождения расстояние между этими разломами составляет около 50 м, на южном достигает 400 м. По мере сближения разломов увеличивается насыщенность интервала между ними кварцевыми жилами и рудонасьпценностью.

В целом, кварцево-жильная зона приобретает морфологические черты структур типа конского хвоста . В отличие от восточного разлома, который играет роль структурного шага между средним и верхним комплексами (Ярусами) метаморфической толщи, Чакатский разлом является внутри блоковым и разграничивает две нижние подсвиты Чакатской свиты.

Важное значение при формировании структуры месторождения, как в рудный, так и пострудный этапы имеют тектонические нарушения субширотного направления. Эти разломы тектонического пакета, образованного разломами субмеридионального простирания, разбиты на несколько бл