Устойчивость бортов и осушение карьеров

Каскадное укрепление уступов имеет  следующие достоинства:

1. Работы по укреплению  ведутся только с горизонтальной  площадки, благодаря чему могут применяться наиболее простые, дешевые и надежные средства укрепления. При этом обеспечивается полная безопасность работ.

2. Исключается обрушение  уступов в процессе их заоткоски,  т.к. укрепительные работы опережают горные.

3. Вдоль контура борта образуется укрепленная зона мощностью в 10 м и предохраняет весь массив от разрушения.

4. Создаются условия  для полной механизации работ  с использованием высокопроизводительных шарошечных станков, кранов, вибраторов для уплотнения бетона в скважинах.

Каскадное укрепление уступов  позволяет равномерно распределять элементы крепи по всему профилю как уступа, так и борта в целом.

Каскадное укрепление осуществляется следующим образом. До подхода горных работ к границе карьера на 20–25 м бурятся вертикальные скважины и сооружаются заанкеренные сваи 1 (рисунок 8). Затем создается экранирующая щель 2 на полную высоту уступа. Первоначально отрабатывается первый подуступ и сооружаются стабилизированные сваи 3. После заоткоски забоя бурятся основные скважины 4 и погашается второй подуступ. Лежащие ниже уступы укрепляются в такой же последовательности.

 

 

Рисунок 8 – Каскадное укрепление

 откосов

 

 

 

Задание. Пользуясь графиками рисунка 5, определить допустимую высоту подрезки контактов слоев в условиях:

а) шероховатый контакт  в породах с  и ;

б) шероховатый контакт  в породах с  и ;

в) шероховатый контакт  в породах с  и ;

г) шероховатый контакт  в породах с  и ;

д) гладкий контакт  в породах с  и ;

е) гладкий контакт  в породах с  и ;

ж) гладкий контакт  в породах с  и .

 

 

Часть II

Схемы вскрытия и конструкции бортов разрезов в  лежачем

боку, рациональные по условию устойчивости откосов

 

Цель работы: Познакомиться со схемами вскрытия и конструкциями бортов разрезов в лежачем боку месторождения, научиться определять максимальную высоту устойчивого уступа, заоткошенного по наслоению.

Работа рассчитана на 4 часа.

При разработке пластов, залегание которых близко к горизонтальному ( ), величина угла практически не влияет на устойчивость бортов. В проекте должны предусматриваться меры по предупреждению деформаций откосов, связанных с разной прочностью массива горных пород в границах отрабатываемого месторождения.

В процессе проектирования следует:

- при наличии на  выемочных полях протяженных  ослабленных зон раскраивать  участки (выемочные блоки) с  таким расчетом, чтобы борта разреза пересекали эти зоны в поперечном направлении, а локальные участки, сложенные менее прочными породами, не попадали (по возможности) на предельный контур разреза (рисунок 9, а);

- предусматривать отработку  запасов каждого участка (блока)  в направлении от более крепких пород к более слабым с тем, чтобы время стояния менее устойчивых участков бортов было сведено к минимуму (рисунок 9, б);

- на участках с аномальным  залеганием слоев корректировать  направление подвигания фронта  горных работ, переходя от параллельного к веерному и диагональному подвиганию, что обеспечит более пологие углы наклона слоев, подрезаемых бортом (рисунок 9, в). Величину угла поворота фронта горных работ определяют расчетом при заданном угле наклона подрезаемых контактов.

При разработке пологих  пластов ( ) по бестранспортной технологии деформациям чаще всего подвержены нерабочий борт, нагруженный отвалом, борт разрезной траншеи и внутренний отвал. Устойчивость нерабочего борта в этих условиях можно повысить, пригрузив породой его нижнюю часть. Варианты с отсыпкой упорной призмы приведены на рисунках 10 и 11.

Рисунок 9 – Схемы раскройки  разрабатываемых участков горизонтальных пластов и порядок их отработки при наличии: а – протяженной ослабленной зоны (2); б – сочетания прочных и слабых пород (3); в – аномального залегания слоев (5); 1 – направление разработки; 4 – фланговые траншеи внешнего заложения;  6 – направление подвигания фронта горных работ

 

По схеме на рисунке 10 работы ведутся спаренными драглайнами. Одним из них (1) проходят передовую траншею 3 с укладкой породы в отвал 4 на нерабочий борт 5, а другим (2) – разрезную траншею с укладкой породной смеси в выемку, созданную первым экскаватором, под углом естественного откоса. Расстояние А между экскаваторами должно быть минимальным по условиям безопасности. Ширину передовой траншеи по низу определяют расчетом по потенциальной поверхности сдвига 7. Она зависит от величины требуемого дополнительного сопротивления сдвигу, создаваемого упорной призмой 8. Основание передовой траншеи 3 углубляют в коренные породы, а в упорную призму укладывают крепкие разновидности вскрышных пород. Длину а непригружаемой части траншеи определяют расчетом.

 

Рисунок 10 – Схема  проходки разрезной траншеи

спаренными драглайнами 1 и 2

 

Рисунок 11 – Проходка широкой разрезной траншеи

для ввода в действие роторных комплексов

 

По схеме на рисунке 11 проходят широкую разрезную траншею для ввода в действие роторных комплексов. Экскаватор-драглайн 1 перемещают вдоль нерабочего борта 2 отрезной траншеи 3 и ведут её проходку, укладывая породу в отвал 4 за пределами призмы возможного оползания в нерабочем борту 5. Дно траншеи углубляют в коренные породы ниже почвы угольного пласта с тем, чтобы пересечь все слабые прослойки в надугольной и подугольной толще. При необходимости предотвратить попадание воды в выработанное пространство, в траншее 3 сооружают прибортовой дренаж 6.

Разрезную траншею проводят за два прохода одного из двух используемых драглайнов. С некоторым отставанием  от экскаватора 1, параллельно ему перемещают экскаватор 7, которым ведут разработку в дальней заходке 8 и укладывают породу в отрезную траншею 3. Ширину этой заходки определяют по условию максимального заполнения траншеи 3. Максимальное удаление рабочего борта 9 разрезной траншеи от гребня навала породы в траншее 3 равно сумме максимальных радиусов черпания и разгрузки экскаватора 7. Для уплотнения породы ковш экскаватора 7 разгружают на высоте 10–20 м. В основание траншеи 3 укладывают более крепкие разновидности пород.

С некоторым отставанием  от экскаватора 7 перемещают по навалу породы в траншее 3 экскаватор 10, предварительно сработав этим же экскаватором гребень 11. Экскаватором 10 ведут проходку ближней заходки 12, переэкскавацию избыточного объема породы 13 из траншеи 3 и заоткоску контрфорса 14 под углом 30–40º (в зависимости от плотности и состава отвальной массы). Откос 15 является нерабочим бортом разрезной траншеи. Ширина её по кровле угольного пласта, при применении предлагаемого способа, может составить 120–150 м. Если этого недостаточно для размещения оборудования поточной технологии, то проходят резервную заходку 16 экскаватором 17, а породу укладывают на рабочий борт 18 во временный отвал 19.

Устойчивость борта, нагруженного отвалом, проверяют по формуле:

,

где , – суммы удерживающих и сдвигающих сил, действующих на криволинейной потенциальной поверхности скольжения в массиве борта;

      – сила трения в основании контрфорса ( – нормальное давление;

        – коэффициент трения).

Полого- и наклонно залегающие пласты ( > 16º) разрабатывают по транспортной технологии. В зависимости от физико-механических свойств пород и состояния контактов между слоями возможны следующие варианты расположения вскрывающих выработок и конструкций борта в лежачем боку месторождения:

1. Расчетами установлено,  что при  . В этом случае вскрытие пласта осуществляют капитальными траншеями внешнего заложения у выходов пласта под наносы, а нерабочий борт по возможности совмещают с почвой пласта. При необходимости устройства транспортных берм они могут быть врезными при  < ( – угол трения по контактам пород), либо насыпными (рисунок 12). Если подрезка контактов не допускается (обычно при > ), то откос над врезной бермой, либо берму с подрезанными контактами необходимо укреплять.

2. Расчетами установлено,  что  < . Следовательно, необходимо наличие разгрузочных берм. Ими могут быть капитальные транспортные и другие бермы.

Для оптимизации угла наклона борта ( ), в зависимости от допустимой подрезки контактов слоев, бермы могут быть врезными (рисунок 12) или нарезными (рисунок 13).

3. Вопрос о необходимости  предохранительных (улавливающих) берм и их конструктивном исполнении должен решаться в каждом конкретном случае в зависимости от величины углов , , с учетом вероятности осыпеобразования. Ширина бермы во всех случаях должна обеспечивать возможность механизированной её очистки от осыпи.

Наклонно- и крутозалегающие  пласты предпочтительнее вскрывать  временными траншеями, располагаемыми у выходов пласта под наносы.

В тех случаях, когда  возможно расслоение массива в уступах  и опрокидывание слоев (при  > ), заоткоску уступов следует производить под углом < .

 

Рисунок 12 – Поперечные сечения пологого пласта (3), вскрываемого капитальными выработками (2): а – борт с врезной (4) и насыпной (5) бермами; б – борт с врезной (4) и нарезными (6) бермами; 1 – наносы; – углы соответственно  залеганию  пласта,  наклону  проектного борта ,   естественного откоса

Рисунок 13 – Поперечное сечение наклонного пласта (2), вскрываемого временной выработкой (1), и конструкция борта (3) с нарезными бермами: , – углы соответственно откоса уступа и наклона предельного борта

Варианты конструкций  бортов приведены на рисунке 14.

 

 

 

а	б
в	Рисунок 14 – Варианты вскрытия крутопадающих пластов  и конструкции бортов разреза: а – выпуклый борт, уступы заоткошены по контактам; б – плоский борт, уступы заоткошены с надрезкой слоев; в – разработка этапами I, II; 1 – вскрытие временными выработками; – ширина промежуточной бермы; , – углы наклона борта с плоским (предельным) и выпуклым (средним для борта в целом) профилями

 

 

 

Мероприятия по повышению  надежности устойчивости бортов глубоких разрезов:

- вскрытие временными траншеями;

- разработка месторождения этапами с формированием временных нерабочих уступов.

Основные причины деформирования бортов капитальных и разрезных  траншей в процессе их проходки:

- неудачный, с точки зрения устойчивости откосов, выбор места заложения траншеи;

- нагружение бортов траншеи породами вскрыши и оборудованием сверхдопустимого предела;

- несоответствие параметров борта траншеи прочностным характеристикам пород;

- обводненность массива горных пород.

Для наиболее распространенных инженерно-геологических условий  методом многоугольника сил рассчитаны графики, позволяющие определять максимальную высоту устойчивого уступа (борта) при заоткоске его по наслоению для различных значений и условий обводнения прибортового массива , которые приведены на рисунках 15–18.

Масштаб графиков по вертикальной оси: значение безразмерного комплекса , где – искомая высота борта.

Расчеты произведены  при различных значениях углов  трения по поверхностям ослабления ( 8; 12; 16; 20°), углов внутреннего трения пород вкрест слоистости ( 25; 30°) и коэффициентов обводненности прибортового массива ( 0,5; 0,8).

Определение предельной высоты уступа при  с использованием  графиков на рисунках 15–18 показано на примере.

 

Пример.

Определить максимальную высоту устойчивого уступа, заоткошенного по наслоению, при угле падения слоев и следующих расчетных характеристиках: объемный вес пород т/м³; сцепление т/м²; углы внутреннего трения ; ; коэффициент обводненности прибортового массива .

 

Решение.

1. По графикам (рисунок  15–18) определяют значения комплекса при и , соответствующие углам внутреннего трения вкрест слоистости 25 и 30° ( ; ; ; ).

 

Рисунок 15 – Зависимость

от при 25° и 0,5

 

 

Рисунок 16 – Зависимость

от при 30° и 0,5

 

Рисунок 17 – Зависимость

от при 25° и 0,8