Разработка месторождений твердых полезных ископаемых в криолитозоне обычно ведется открытым и подземным способом. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.
Открытыми горными работами называют комплекс работ, при котором производственные процессы по извлечению полезных ископаемых их земных недр, осуществляются на поверхности Земли. В результате этого в верхней части литосферы образуются открытые горные выработки, имеющие незамкнутый контур поперечного сечения, называемые карьерами. В угольной промышленности карьеры называют разрезами, на россыпных месторождениях – приисками.
Месторождение разрабатываемое одним карьером, на-
зывают карьерным полем. При производстве открытых горных работ поверхность карьерного поля нарушается, в результате в литосфере образуется поверхность выработанного пространства. Его глубина в современных условиях может достигать несколько сотен метров.
В процессе разработки месторождений открытым способом горные породы в контуре карьерного поля разделяют на горизонтальные слои. Каждый верхний слой отрабатывается с опережением по отношению к нижнему, в результате карьер приобретает уступную форму (рис.7.15).
Рис. 7.15 Параметры и элементы карьера:
1-2 и 3-4 – верхний и нижний конечные контуры карьера; 1-3 и 2-4 – конечные контуры бортов карьера; 1-5 и 2-6 - нерабочие борта карьера; 5-7- рабочий борт карьера; 6-7 – подошва карьера; 8 – нерабочие уступы; 9 – рабочие уступы; 10 – откосы уступов; 11 – ра-
бочие площадки; 12 – бермы; 13 – заходки; 14 – траншея; 15 – горизонты карьера; Н – конечная глубина карьера, a - угол откоса нерабочего борта карьера; b1 и b2 – углы откосов нерабочих бортов карьера.
Шахта является самостоятельным предприятием, разрабатывающим месторождение или отдельный его участок.
Рудник представляет собой совокупность шахт с об-
служивающей его инфраструктурой. Они объединены одним
административно-хозяйственным и техническим руководством.
Рудничное (шахтное) поле является территорией всего месторождения или его частью. Оно разрабатывается шахтой или рудником. В зависимости от протяженности, условий залегания и конфигурации месторождения в состав рудничного поля может входить одна или несколько залежей.
Проведение горных работ обеспечивающих доступ к полезному ископаемому называют вскрытием. Главными вскрышными выработками являются стволы и штольни, используемые для грузотранспортной связи подземных работ с поверхностью (рис. 7.16).
Рис. 7.16. Рудничные и шахтные поля:
а, б – месторождение их одного рудного тела, в – месторождение из нескольких рудных тел; 1- основной ствол; 2 – вспомогательный ствол.
Система разработки месторождения подземным способом включает совокупность подготовительных и очистных работ в определенном порядке проведения в пространстве и во времени. Подготовительные работы осуществляются проходкой подготовительных выработок во вскрываемой части шахтного поля и разделением его на отдельные выемочные участки – блоки, этажи, панели, столбы. Комплекс операций используемых при выемке полезного ископаемого называют очистной выемкой. Она включает отбойку руды, доставку ее до откаточного горизонта и поддержку выработанного пространства.
В зависимости от расположения подземных выработок в пространстве они делятся на вертикальные, горизонтальные и наклонные. Проектирование и строительство объектов горнодобывающей промышленности зависит от многих факторов, основным из которых является условия залегания месторождений - мощности и глубины залегания залежи, угла падения, мощность перекрывающих пород и их физико-механических свойств (Рис. 7.17).
Рис. 7.17. Основные типы меторождений по условиям их залегания:
а – горизонтальные, б – пологие, в, г – наклонные, д – што-
кообразные, е – антиклинальные, ж – синклинальные, з – залежи на возвышенности, и – залежи высотно-глубинного типа, к – залежи сложного типа.
Для строительства и разработки месторождений полезных ископаемых в криолитозоне необходимо знать и учитывать границы распространения и мощности криолитозоны с одной стороны, условий и формы залегания полезных ископаемых, с другой. В целом именно эти факторы в значительной мере определяют особенности и трудности разработки месторождений полезных ископаемых. С учетом этого выделяется 6 основных классов месторождений: 2) залежи полезных ископаемых частично расположены внутри криолитозоны, частично ниже ее подошвы, т.е. частично находятся в немерзлом состоянии; 3) в залежах полезных ископаемых криолитозоны существуют сквозные и несквозные талики; 4) залежи полезных ископаемых расположены в прерывистой по разрезу криолитозоне; 5) залежи полезных ископаемых расположены в пределах островной криолитозоны; 6) залежи полезных ископаемых находятся в немерзлом состоянии, но полностью перекрыты сверху криолитозоной.
Месторождения I класса распространены преимущественно в Якутии и Магаданской области. К ним относятся алмазоносные трубки в районе г. Мирный, россыпные месторождения драгоценных металлов, Удоканское месторождение меди и другие. Характерной особенностью этих месторождений являются сплошное развитие криолитозоны по площади и разрезу, мощность криолитозоны превышающая 300…500 м, температуры пород в области годовых их колебаний ниже -5°С, полная консервация подземных вод. При разработке месторождений I класса на рабочих горизонтах практически полностью отсутствуют подземные воды. Низкие температуры в песчаных и глинистых породах, обеспечивают длительное существование льдоцементных связей, обеспечивающих необходимую устойчивость бортов карьеров при открытой разработке месторождений.
Месторождения II класса обычно расположены в районах, где мощность криолитозоны снижается до 200…300 м, а температура пород колеблется преимущественно в пределах -3…-5°С. Подмерзлотные воды этих месторождений как правило напорные, а породы в районе подошвы криолитозоны - зоны эндокриогенеза, раздроблены и водонасыщены (Шестернев, 2001). Наиболее характерными месторождениями этого класса являются оловорудное месторождение Эге-Хая Якутии, полиметаллические месторождения Норильска, Аркагалинское и Сангарское угольные месторождения Якутии. В связи с тем, что значительная часть этих месторождений (часто более половины) находится в криолитозоне, их разработка может проводиться раздельно – в условиях криолитозоны и за ее пределами.
К третьему классу по трудности разработки нами отнесены месторождения полезных ископаемых криолитозоны, в которых существуют сквозные и несквозные талики. В целом данный класс месторождений имеет азональный характер распространения, поскольку причины возникновения таликов могут быть самые разнообразные. В частности, гидрогенные талики характерны для всех классификационных типов криогенных толщ Северной климатической зоны. Трудности, которые обусловлены их присутствием, заключены в развитии криогенных процессов и явлений, оказывающих отрицательное воздействие на эксплуатацию транспортных коммуникаций, карьеров, промышленных зданий и сооружений. В первую очередь это относится к таким процессам и явлениям как наледи, деформации осадок и пучения, криогенное выветривание и другие.
Четвертый класс месторождений характерен для регионов, где развиты, реликтовые криогенные толщи. Эти районы, как правило, приурочены к Южной периферии распро-
странения криолитозоны. Мощность криолитозоны в районах распространения реликтовых толщ криолитозоны может изменяться от 40…50 м до 200 и более метров. Трудности
разработки таких месторождений связаны с различными
свойствами горных пород участвующих в строении современных и реликтовых криогенных толщ, а также пород с положительными температурами их разделяющих.
Месторождения 5-го класса, расположены в островной криолитозоне с температурами пород 0…-3°С, мощностью до 30…150 м и площадью распространения менее 50%. В этом случае затруднена открытая и подземная разработка месторождений, поскольку карьер или шахта одновременно могут находиться в пределах распространения мерзлых и талых пород. Эти условия характерны для угольных месторождений Чульманского бассейна Южной Якутии, Забайкалья и других регионов.
Месторождения 6 класса наиболее широко развиты в криолитозоне южного типа, где ее развитие связано преимущественно с четвертичными отложениями, перекрытыми с поверхности мощными мохово-торфяными горизонтами. В зависимости от микроклиматических условий и особенностей состава, строения и свойств горных пород мощность криолитозоны достигает 15…50 м, при температурах пород редко достигающих -2°С. Такие месторождения характерны для Печерского угольного бассейна, для золотоносных месторождений Витимо-Патомского нагорья и Забайкалья.
Опыт разработки месторождений, расположенных в пределах криолитозоны показал, что ее наличие может оказывать на горные выработки положительное и отрицательное воздействие. Поэтому, эффективность разработки месторождений полезных ископаемых в криолитозоне зависит не столько от конструктивного усиления сооружений, сколько
от умения прогнозировать и управлять факторами, влияющими на структуру и изменение состояния криолитозоны.
Вопросы для самоконтроля
Чем отличаются мерзлые плотины от талых?
Какие гидроэлектростанции построены в пределах криолитозоны?
Какие проблемы строительства земляного полотна в криолитозоне вы знаете?
Как взаимодействует земляное полотно и ее основание, находящееся многолетнемерзлом состоянии?
В чем заключаются особенности проектирования земляного полотна в криолитозоне?
Чем отличаются типовые поперечные профили земляного полотна на косогорах и в выемках?
Какие магистральные трубопроводы построены в криолитозоне в России и за рубежом?
Какие типы месторождений полезных ископаемых в зависимости от соотношения границ криолитозоны и границ расположения полезных ископаемых вы знаете?
Какие геокриологические факторы влияют на эффективность разработки месторождений полезных ископаемых?
Рекомендуемая литература
Железные дороги в таежно-болотистой местности / Под ред. Г.С. Переселенкова. – М.: Транспорт, 1982. – 288 с.
Инженерная геокриология: Справочное пособие / Под ред. Э.Д. Ершова. – М.: Недра, 1991. – 439 с.
Кузьмин А.В. Условия строительства в районах распространения многолетнемерзлых пород: учебное пособие / А.В.Кузьмин. – Л.: изд-во Лен. горн. ин-та им. Г.В. Плеханова, 1982. – 96 с.
Позин В.А. Проектные решения по земляному полотну на участках «Ледового комплекса» / В.А. Позин, И.П.Лукин, Н.П.Дедова // Обеспечение надежности строящихся сооружений железнодорожной линии Томмот-Кердем на участке «ледового комплекса». Мат. семинара-совещания
11-12 сентября 2007 г. В г. Якутске. – М.: Изд-во «Проекттрансстрой», 2007. – С. 39-59.
Хрусталев Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне / Л.Н Хрусталев. – М.: Изд-во Моск. гос. ун-та, 2005. – 542 с.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время в России наступает новый период интенсивного хозяйственного освоения криолитозоны. В течение 10 лет ХХI века введена в действие Восточно-Сибирско-Тихо-Океанская магистраль, строится железная дорога Нарын-Логукан в Забайкальском крае, завершается строительство Амуро-Якутской железной дороги, расширяется и модернизируетя Амуро-Якутская автомобильная дорога, завершено строительство автодороги Москва-Чита-Хабаровск-Находка. Несомненно, что в скором времени наступит период интенсификации разработки месторождений полезных ископаемых и т.п. Масштабы освоения криолитозоны будут постоянно расти, а инженерные объекты по своей комфортности и технологии будут существенно отличаться от современных. Перед инженерно-геокриологической наукой, в связи с этим, на первое место выйдут задачи по организации и проведению мониторинга природно-технических систем различного типа, оказывающих на криолитозону интенсивное и экстенсивное воздействие. Причем, основными его задачами будет не только слежение и предупреждение возможных аварийных ситуаций, но и разработка мероприятий по их предотвращению путем управления кинетикой теплового и механического взаимодействия грунтов оснований и сооружений.
Вторым важным аспектом в совершенствовании инженерной геокриологии будет все возрастающая ее экологизация. Об этом свидетельствует то, что в рамках экологической геологии, формируется новое научное направление - экологическая геокриология. В целом уже создана ее методологическая основа, разработана терминологическая база, охарактеризовано влияние криогенных процессов на экосистемы.
Широкое использование стохастических и детерминированных моделей для прогноза надежности эксплуатации инженерных сооружений, несомненно, будет стимулировать
повышение точности определения параметров свойств мерзлых, промерзающих и оттаивающих грунтов. Что приведет к развитию методической и экспериментальной базы инженерно-геокриологических изысканий.
В целом, инженерная геокриология как наука будет развиваться в рамках уже разработанных научных направлении.
1. Общая инженерная геокриология, будет осуществлять разработку научно-методических основ исследований состава, строения и свойств пород их трансформации при взаимодействии с техническими сооружениями, совершенствовать фундаментальные основы оценки теплового и механического взаимодействия грунтов оснований и технических сооружений.
2. Инженерная криогеодинамика, задачей которой является изучение криогенных процессов и явлений в области взаимодействия массивов криолитозоны и технических сооружений, сконцентрирует свои усилия на изучение кинетики и механики криогенных процессов и явлений, для разработки методик управления ими в различных условиях их существования.
3. Региональная инженерная геокриология направит свои усилия на совершенствование изучения региональных особенностей криолитозоны и выявление их роли в обеспечении эффективной эксплуатации инженерных объектов. Для прогноза геокриологических условий территорий будут использоваться по-прежнему картографические модели.
4. Специализированная инженерная геокриология в основном будет заниматься проблемами эффективного строительства и эксплуатации инженерных сооружений, различного назначения и ведомственной принадлежности.
Следует отметить, то, что все эти научные направления инженерной геокриологии объединяет основная их задача, обеспечение комфортной жизнедеятельности человека в суровых климатических условия Севера России.
Глосарий
Грунт пластичномерзлый – дисперсный грунт, сцементированный льдом, но обладающий вязкими свойствами и сжимаемостью под воздействием внешней нагрузки.
Температура начала замерзания (оттаивания) – температура, при которой в порах грунта появляется (исчезает) лед.
Лед – (синоним – грунт ледяной) – природное образование, состоящее из кристаллов льда с возможными примесями обломков пород и органического вещества не более 10% (по объему), характеризующееся криогенными структурными связями.
Грунт пучинистый – грунт, который увеличивается в объеме при промерзании и характеризуемый величиной относительной деформацией более 0,01.
Удельная теплоемкость грунта – количество тепла необходимое для повышения температуры 1 г грунта на 1ºС.
Объемная теплоемкость грунта – количество тепла необходимое для повышения температуры 1 см3 грунта на 1ºС.
Аддитивная теплоемкость грунта – количество тепла, необходимое для изменения температуры 1 г грунта на 1ºС при отсутствии фазовых превращений воды.
Эффективная теплоемкость - количество тепла, необходимое для изменения температуры 1 г грунта на 1ºС включая теплоту фазовых превращений воды при промерзании или оттаивании грунта.
Коэффициент теплопроводности грунтов – коэффициент пропорциональности между потоком тепла и градиентом температуры.
Коэффициент температуропроводности грунтов – скорость выравнивания температур в различных точках температурного поля грунта.
Предел прочности – напряжение, вызывающее разрушение мерзлого грунта.
Условный предел прочности – напряжение, при котором деформация составляет 15% деформации начала прогрессирующего течения.
Условно-мгновенная прочность – прочность грунта, соответствующая напряжению, вызывающему разрушение в течении 10с после приложения нагрузки.
Длительная прочность грунта – напряжение, вызывающее разрушение грунта в течение заданного промежутка времени.
Предел длительной прочности – наибольшее напряжение, при котором не возникает прогрессирующее течение или разрушение при неограниченном времени действия нагрузки.
Коэффициент поперечной упругости (коэффициент Пуассона) - характеризует отношение поперечной относительной упругой деформации к продольной упругой деформации при том же осевом напряжении.
Модуль общей деформации – отношение величины давления к суммарной величине относительной деформации мерзлого грунта (упругой и остаточной).
Коэффициент сжимаемости мерзлого грунта - отражает объемное уменьшение образца грунта при увеличении нагрузки, определяется расчетом по результатам компрессионных испытаний или методом пробных нагрузок.
Принцип I – вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего заданного периода эксплуатации здания или сооружения.
Принцип II - – вечномерзлые грунты основания используются в оттаявшем или оттаивающем состоянии, в процессе эксплуатации зданий и сооружений.
Незамерзшая вода – вода в грунтах, существующая при отрицательной температуре.