Устойчивость бортов и осушение карьеров

Федеральное агентство по образованию

 

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

 

«Сибирский государственный индустриальный университет»

 

 

 

 

Кафедра «открытые горные работы»

 

 

 

 

 

УСТОЙЧИВОСТЬ  БОРТОВ И ОСУШЕНИЕ КАРЬЕРОВ

 

Лабораторный практикум

для студентов всех видов  обучения по специальности

«Открытые горные работы» (130403)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новокузнецк

2009

УДК 622.271.333(07)+622.58(07)

У 813

 

 

 

 

Рецензент

Заведующий лабораторией

«открытые горные работы»

ОАО «ВостНИГРИ»

В.Н. Уваров

 

 

 

 

 

У813 Устойчивость бортов и осушение карьеров: лабораторный практикум / сост.: А.А. Стафеев, Т.В. Лобанова; СибГИУ. – Новокузнецк, 2008. – 39 с.

 

 

Приводятся сведения о методах охраны приконтурного массива от действия массового взрыва, способах заоткоски уступов и факторах, влияющих на способ заоткоски уступов, схемах вскрытия и конструкциях бортов разрезов в лежачем боку месторождения, способах оформления нерабочих бортов в нарушенных зонах; даются примеры с решениями и задания для самостоятельной работы по  определению параметров контурного взрывания, допустимой высоты подрезки контактов слоев в условиях карьеров, максимальной высоты устойчивого уступа, заоткошенного по наслоению, допустимого угла наклона борта для наклонного и крутого залегания слоев с падением их в сторону выработанного пространства.

Предназначен для студентов  всех видов обучения по специальности «Открытые горные работы» (130403).

 

 

 

 

 

Предисловие

 

Ведение открытых горных работ сопровождается образованием выработок, в бортах которых в результате перераспределения напряжений нарушается установившееся состояние равновесия пород. Перераспределение напряжений не всегда сопровождается деформированием бортов выработок, а деформации не во всех случаях приводят к потере устойчивости откосов.

При определении параметров устойчивых бортов и уступов объектами  исследований являются нерабочие (стационарные) борта в их предельном положении  и отвалы. Устойчивость бортов рассматривается в статическом состоянии.

Обеспечение длительной устойчивости нерабочих бортов глубоких карьеров требует решения таких проблем, как оптимизация их параметров, совершенствование технологии приконтурных заходок и заоткоски уступов с целью эффективной защиты приконтурного массива по всему периметру уступов от дробящего и сейсмического действия массовых взрывов в карьере.

В сложных горно-геологических  условиях устойчивость откосов часто зависит не от их параметров, а от ориентировки поверхностей ослабления, подрезаемых горными выработками. В связи с этим существенное значение приобретает выбор направления развития горных работ.

Таким образом, устойчивость бортов выработок должна обеспечиваться не только совершенствованием расчетных методов, но и выбором эффективных инженерно-технических мероприятий: схемы вскрытия месторождения, порядка отработки карьерного поля, направления подвигания фронта работ и углубки карьера, а также применением специальной схемы отработки приконтурных заходок, эффективных способов заоткоски уступов в предельном положении и их искусственного укрепления.

Предлагаемый лабораторный практикум направлен на ознакомление с методами охраны приконтурного массива, способами заоткоски уступов, схемами вскрытия и конструкциями бортов разрезов в лежачем боку месторождения, способами оформления нерабочих бортов в нарушенных зонах и овладение методами определения параметров контурного взрывания, допустимой высоты подрезки контактов слоев, максимальной высоты устойчивого уступа и допустимого угла наклона борта.

Лабораторная  работа № 1

 

Ознакомление  с методами охраны приконтурного массива

от дробящего  и сейсмического действия взрыва

 

Цель работы: Познакомиться с методами охраны приконтурного массива от действия массового взрыва и научиться определять параметры контурного взрывания как одного из методов охраны массива.

Работа рассчитана на 4 часа.

 

На современных карьерах и разрезах взрывные работы по силе воздействия обычно превосходят  все другие и в значительной степени влияют на устойчивость откосов скальных и полускальных пород.

Взрыв приводит к дроблению  пород в зоне I, непосредственно примыкающей к заряду ВВ (рисунок 1).

Рисунок 1 – Области  разрушения и деформирования пород в уступах при массовых взрывах: I – зона отрыва и дробления; II – зона заколов;   III  – зона остаточных деформаций;  IV  – зона колебания

 

В зоне II происходит интенсивное трещинообразование, где сомкнутые трещины раскрываются и образуются новые. Блоки породы смещаются относительно друг друга, и на верхней площадке образуются заколы. В этой зоне, достигающей 10–20 м,  породы практически полностью утрачивают сцепление и удерживаются в равновесии лишь за счет трения и зацепления неровностями блоков.

Нарушения массива в  форме раскрытия трещин и увеличения трещиноватости проявляются в зоне остаточных деформаций III. Ширина этой зоны достигает 50–70 м. Поскольку подвижки массива при взрыве направлены «назад-вверх», они наиболее неблагоприятны при наличии систем трещин, падающих в сторону массива. Наличие таких трещин с углом падения свыше 32–36º может привести к обрушению подрезанных блоков сразу же после взрыва.

Далее в глубине массива  деформирование происходит в виде колебаний  упругого характера (зона IV). Размеры этой зоны существенно зависят от массы одновременно взрываемого ВВ и свойств пород. Однако по своему характеру колебания являются дополнительной нагрузкой. Поэтому уступы, находящиеся в равновесном состоянии близком к предельному, могут подвергаться нарушениям на больших расстояниях от места ведения взрывных работ.

Снижение неблагоприятного воздействия взрыва на массив может  быть достигнуто путем: ограничения массы одновременно взрываемого заряда; применения контурного взрывания наклонных скважин; применения диагональных схем короткозамедленного взрывания; заоткоски уступа по трещинам, падающим в сторону выработанного пространства.

Колебания породы характеризуются  скоростью смещения от взрыва заряда. Скорость смещения, не вызывающая деформаций, называется допустимой ( ) в данных условиях. Она зависит от типа пород, слагающих откосы уступов борта карьера, и кратности приложения нагрузки (таблица 1).

 

Таблица 1 – Скорости смещения пород

 

Характеристика пород, слагающих откос уступа	Допустимые скорости смещения, см/с, при взрывании
	многократном	однократном
Водонасыщенные песчаные	6	12
Малосвязные и с неблагоприятно ориентированной трещиноватостью	24	48
Прочные	48	96

Допустимые скорости колебаний для зданий и сооружений (при отсутствии в них деформаций) не должны превышать 3–6 см/с.

В то же время скорость колебаний  зависит от массы одновременно взрываемого  заряда , расстояния от места взрыва до данного уступа и характера пород, слагающих уступ. Предельно допустимая величина одновременно взрываемого заряда, кг,

,

где – допустимая скорость колебания (таблица 1), см/с;

            – расстояние до места взрыва, м;

            – коэффициент влияния породы (таблица 2).

 

Таблица 2 – Коэффициенты влияния горных пород

 

Характеристика пород, слагающих откос уступа	Значение
	среднее при однократных  взрывах	максимальное при многократных взрывах
Водонасыщенные песчаные (глубина уровня грунтовых вод  менее 5 м)	450	600
Малосвязные необводненные породы с неблагоприятно ориентированной трещиноватостью	300	450
Откосы прочных пород	200	300

 

При короткозамедленном взрывании  действие каждой серии не накладывается  на последующую при обеспечении  интервала замедления, мс,

,

где – площадь поверхности уступа, приходящаяся на одну   скважину, м²;

     – плотность пород, т/м³;

      – удельный расход ВВ, кг/м³.

Контурное взрывание применяется  при постановке уступа в предельное положение с минимальным вредным влиянием взрыва на состояние откосов уступов. Этот эффект достигается путем уменьшения величины заряда в последнем ряду скважин.

Контурное взрывание позволяет  избежать нарушения скального массива горных пород за пределами проектного контура, обеспечить получение более крутых и устойчивых откосов уступов и выемок, уменьшить трудоемкость работ по заоткоске оснований и откосов, уменьшить перебуры и увеличить устойчивость законтурного массива.

В основном применяются два метода контурного взрывания (рисунок 2):

Рисунок 2 – Методы контурного взрывания: а – предварительное щелеобразование; б – завершающее контурное взрывание;  I  и II – последовательность  взрывания

 

1) предварительное щелеобразование (рисунок 2, а), когда по проектному контуру уступа карьера или выемки заранее бурят и взрывают ряд сближенных скважин, обычно уменьшенного диаметра (100–160 мм), заряжают их гирляндами из патронов мм аммонита 6ЖВ рассредоточенными или шланговыми зарядами и взрывают до производства массового взрыва в приконтурной зоне или совместно, но с опережением на 50–100 мс. Между контурными и технологическими скважинами рекомендуется размещать вспомогательный (буферный) ряд скважин, которые имеют диаметр одинаковый с основным, но располагаются на расстоянии в 1,4–1,6 раза меньшем и заряжаются сплошным зарядом в полиэтиленовой трубе. При этом диаметр трубы составляет 0,7 диаметра скважины, а масса заряда 50–60 % от основного;

2) завершающее контурное взрывание, когда разрушаемый объем дорабатывается до проектного контура завершающим взрывом контурных скважин. Этот метод применяют при оформлении порталов тоннелей на крутых косогорах, при выполнении откосов над дорожными полками, обрушении потенциально неустойчивых массивов, отработке горизонтальных защитных слоев.

Расстояние между скважинами при  контурном взрывании, м,

,

где     – диаметр заряда, м;

 и – коэффициенты соответственно зажима и геологических условий.

Коэффициент зажима при  полном зажиме (оконтуривании котлована) . При работе на косогоре или уступе при числе рядов скважин рыхления более трех, а также при контурной отбойке . В этих же условиях, но при меньшем числе зарядов скважин рыхления .

Коэффициент геологических условий  при отсутствии ярко выраженной системы напластования или трещиноватости ; при угле откола, равном 90º, ; при угле 20–70º ; при горизонтальном залегании, а также при совпадении геологических плоскостей с щелью .

На практике при заоткоске  уступов скважинами диаметром 105 мм установлено, что использование контурного взрывания позволяет увеличить угол откоса уступа на 5–10º. Бурение контурных скважин осуществляется станками 2СБШ-200Н или СБШ-250МН и их реконструированными моделями, станками зарубежного производства DM-H, DML-1200. Скважины бурятся глубиной до 48 м с углами наклона 45–90º или с обратными углами наклона, что позволило не только резко сократить время обуривания отрезных щелей, но и увеличить допустимую массу заряда при взрывах в приконтурной зоне. Переход на создание отрезной щели с использованием скважин большого диаметра позволил увеличить расстояние между ними до 2,5–3,5 м и линейную массу заряда в них до 3–4 кг/м.

При методе завершающего контурного взрывания коэффициент сближения скважин или шпуров контурного ряда не должен быть больше 0,75. При взрывании на карьерах этот метод применяется в сильнотрещиноватых породах при удельном расходе ВВ кг/м³.

Эффективность действия щели как экрана достигается только при отсутствии в ней воды, которая уходит из щели при наличии связи между ней и отработанным участком уступа. При этом интервал времени с момента образования щели до массового взрыва должен составлять 5–7 суток. В случае отсутствия такой связи образованная щель должна соединяться с нижележащим горизонтом скрытой дреной, образованной взрывом донных зарядов массой 30 – 40 кг в скважинах, пробуренных перпендикулярно к простиранию верхней бровки уступа. Длина контурной щели должна быть больше размера взрываемого блока на половину ширины приконтурной зоны в каждую сторону.

Окончательные параметры  контурных зарядов уточняются на основе опытных взрывов и последующими наблюдениями за состоянием откосов уступов.

 

Пример.

При проходке котлована  глубиной м в крепких породах используется контурное взрывание зарядов, линейная плотность контурных зарядов (вместимость) кг/м. Диаметры контурных скважин мм, контурных зарядов мм, зарядов рыхления мм, поверхность откола м². Длина перебура скважин рыхления м, контурные скважины на  длиннее скважин рыхления.