Устойчивость бортов и осушение карьеров

 

Рисунок 18 – Зависимость

от при 30° и 0,8

 

2. Вычисляют значения  комплексов  и , соответствующие углу внутреннего трения :

;

.

3. Вычисляют среднее  значение комплекса  , соответствующее исходным расчетным характеристикам:

 

.

4. Вычисляют допустимую  высоту уступа, заоткошенного по  наслоению:

 м.

 

Задание.

Определить максимальную высоту устойчивого уступа, заоткошенного по наслоению, при угле падения слоев и следующих расчетных характеристиках: т/м³; т/м²; ; ; .

 

 

 

Лабораторная  работа № 3

 

Оформление  нерабочих бортов в нарушенных зонах

 

Цель работы: Познакомиться со способами оформления нерабочих бортов в нарушенных зонах, научиться определять допустимый угол наклона борта для наклонного и крутого залегания слоев с падением их в сторону выработанного пространства.

Работа рассчитана на 4 часа.

 

На большинстве горных предприятий горные породы, слагающие нерабочие борта, неоднородны по структуре и физико-механическим свойствам. Даже в относительно однородных изверженных породах в пределах шахтного или карьерного поля обычно насчитывается 5–6 и более зон тектонической нарушенности. На участках тектонической нарушенности угол наклона бортов меньше, чем в целом по карьеру. Переход от крутых углов к более пологим и обратно осуществляется постепенно. В связи с этим размеры участков бортов с уменьшенным углом наклона в 2–3 раза превышают размеры самих нарушенных зон.

Одним из известных способов упрочнения трещиноватых пород является их цементация (смолизация). Этот способ укрепления успешно применяется при проведении горных выработок в нарушенных массивах, сильно трещиноватых и обводненных горных породах, в гидротехническом строительстве для упрочнения пород в створах плотин и их оснований.

На карьерах цементация трещиноватых пород или пород  в зонах тектонической нарушенности применяется следующим образом. С верхней площадки нерабочего уступа бурятся вертикальные и наклонные скважины на расстоянии 4–6 м друг от друга и в них нагнетается цементный раствор до полного насыщения массива. Расстояние между скважинами корректируется в процессе нагнетания раствора.

Способу цементации присущи  следующие недостатки:

- эффективность упрочнения зависит от степени тектонической нарушенности, трещиноватости массива и её равномерности, размеров трещин, их раскрытия и частоты;

- надежность укрепления не может быть гарантирована, так как даже при сильной трещиноватости массива объем пустот, из которых может проникнуть упрочняющий раствор, составляет единицы, а иногда и доли процента от общего объема упрочняемых пород;

- цементация не предохраняет обнаженную поверхность откоса от выветривания и осыпания.

Эффективность упрочнения пород может быть повышена путем использования экранирующих щелей для нагнетания в них упрочняющего материала (цемент, смола и др.). В зоне раскрытия трещин, ширина которой составляет 3–5 м, происходит заполнение трещин. В зоне дробления пород, образованной в результате сбойки скважин и имеющей ширину 0,5–0,8 d (d – диаметр скважин экранирующей щели), образуется породобетонный слой, мощность которого равна ширине зоны. Этот способ называется контурным упрочнением массива.

Контурное упрочнение массива применяется в условиях трещиноватых скальных пород, обладающих повышенной склонностью к выветриванию и осыпанию. В результате упрочнения прилегающего к откосу массива и создания породобетонной защитной стенки на поверхности откоса повышается устойчивость пород всей приконтурной зоны. На данном участке борту придается такой же угол наклона, как и на других.

Работы по упрочнению массива выполняются до отработки  последней заходки в следующей  последовательности (рисунок 19):

- бурение и взрывание скважин для создания экранирующей щели 1 до подхода горных работ к границе карьера;

- бурение основных 2, заоткошивающих 3 и цементационных 4 скважин в последней заходке;

- упрочнение прибортового массива путем нагнетания укрепляющего раствора в скважины 3 и 4, расположенные в зоне экранирующей щели (цементация или смолизация);

- взрывание основных 2 и заоткошивающих 3 скважин, зачистка забоя.

Перед взрыванием скважин  для создания экранирующей щели 1 в них опускается арматура, которая после взрыва хаотично распределяется в зоне дробления пород и служит для усиления защитной стенки, образующейся на поверхности откоса после цементации пород. До нагнетания в массив упрочняющего раствора через цементационные скважины 3 и 4 закачивается вода под давлением 1,5–2 МПа, которая взвешивает и выносит на поверхность шлам и мелкие частицы породы через экранирующую щель и свободные от нагнетания скважины. Затем скважины 4 и нижняя часть скважин 3 до верхней отметки зоны дробления пород армируются рельсами, арматурными стержнями, старыми буровыми штангами и др. Арматура повышает сопротивление сдвигу в приоткосной зоне, ограниченной кривой 5, и препятствует выпадению отдельных блоков породы, а также поддерживает породобетонную защитную стенку.

 

Рисунок 19 – Схемы  заоткоски и укрепления нерабочих  уступов: а – упрочненный прибортовой массив; б – цементационная скважина; в – профили заоткошенных строенных уступов; г – борт, укрепленный набрызгбетоном;   – высота одиночного уступа

 

Верхняя часть скважин 3 должна быть свободной. Поэтому во избежание её заполнения укрепляющим раствором скважины обсаживаются трубами (рисунок 19, б). Обсадная труба 6 на уровне верхней отметки зоны дробления пород (экранирующей щели) оборудуется заглушкой 7 с вмонтированной в ней трубкой-кондуктором 8. В верхней части обсадной трубы имеется опорное кольцо 9. Цементационная головка крепится к фланцу 10 трубки-кондуктора. Нагнетание укрепляющего раствора ведется до полного насыщения массива. Обсадные трубы извлекаются из скважин до момента полного схватывания раствора. Верхние концы скважин 3 используются в качестве отбойных для оформления контура уступа в его предельном положении. После истечения срока твердения раствора взрыванием скважин оформляется поверхность откоса.

Контурное упрочнение массива  можно осуществлять на ту же глубину, на которую создается экранирующая щель. Эффективность щелеобразования зависит от возможности направленного бурения параллельных наклонных скважин. Высокая эффективность достигается при высоте уступа 20–25 м. Обычно контурные заряды рассчитываются на минимальное разрушение окружающего массива. Бурятся скважины диаметром 90–110 мм. В этих скважинах размещается рассредоточенный заряд ВВ, усиленный в нижней части скважин. Недозаряд скважин составляет 1,0–1,5 м.

При объединении уступов  достаточно упрочнить массив на высоту 0,5 – 0,7 общей высоты предельного нерабочего уступа, а нижнюю часть заоткосить вертикальными скважинами.

В крепких изверженных  и метаморфизованных породах  при отсутствии поверхностей ослабления, падающих в сторону выработки, возможные деформации уступов ограничиваются локальными обрушениями берм и осыпями, причем последние могут быть сведены к минимуму применением сдваивания и страивания уступов.

Естественные склоны в условиях крепких пород весьма устойчивы в течение длительного времени даже при угле наклона, близком к вертикальному. Таким образом, в условиях крепких пород достаточно сохранить природную крепость пород и их устойчивость, чтобы придать борту предельного контура угол наклона, который диктуется условиями горного производства и правилами безопасности. Этот угол будет всегда меньше допустимого по условиям устойчивости откосов.

С точки зрения удобства контроля и обслуживания бортов было бы нецелесообразно придавать уступам большой высоты вертикальные углы. Такие углы могут иметь отдельные уступы высотой 10–15 м. Возможно и сочетание крутых откосов с вертикальными. Вертикальный угол предпочтительнее придавать нижней части сдвоенного или строенного уступа (рисунок 19, в). Профиль I образуется при заоткоске двух верхних уступов с применением экранирующих щелей. Если на карьере нет буровых станков для бурения наклонных скважин большой глубины, то экранирующую щель можно создавать на высоту одного уступа. Чтобы оставить минимальную берму, буровой станок должен иметь возможность бурить «под себя». В результате борт приобретает профиль II, а общий угол его наклона составит более 70º. Уступы, имеющие профиль III, легко обслуживаются и устойчивость их не ниже, чем заоткошенных под углом 70–80º. Следовательно, во всех случаях целесообразнее иметь более крутой угол откосов уступов и за счет этого увеличивать ширину берм.

Сплошное укрепление поверхности откоса борта можно  осуществить путем комбинирования анкерной крепи с поверхностным покрытием откосов набрызгбетоном по металлической сетке (рисунок 19, г). После погашения очередного уступа и уборки породы поверхность откоса очищается от породной мелочи и промывается водой. С самоходного полка бурятся шпуры диаметром 40–60 мм для установки анкерной крепи 12. Расстояние между анкерами должно обеспечить устойчивость отдельных блоков породы, ослабленных трещинами (если они имеются), соответствовать ширине металлической сетки, которая навешивается на концы анкеров перед нанесением набрызгбетона. Сетка прижимается к поверхности откоса металлическими шайбами, которые устанавливаются на концах анкеров 12 перед натяжной гайкой, затем на поверхность откоса наносится набрызгбетон.

Чтобы железобетонное покрытие было непрерывным, арматурная сетка не полностью покрывается бетоном. Концы её свариваются с сеткой 13, установленной на предыдущем горизонте. В результате на поверхности борта образуется сплошная железобетонная защитная стенка 14. При сплошном укреплении поверхности откоса несколько осложняется бурение скважин экранирующей щели 15, так как их приходится располагать непосредственно у нижней бровки откоса. Для этого могут использоваться только станки, работающие «под себя». В нижней части на высоту 3–4 м уступ заоткашивается под прямым углом, в результате чего образуется ниша 16 для установки станка, которая в дальнейшем заполняется породой.

Использование такой технологии искусственного укрепления откосов позволяет увеличить угол откоса до 70º и более, значительно сократить объем вскрышных пород, создать безопасные условия труда на нижележащих горизонтах.

Для наклонного и крутого  залегания слоев с падением их в сторону выработанного пространства при условии  < < 70° на основании результатов расчетов устойчивости бортов методом векторного сложения сил построены графики (рисунок 20, 21) зависимости высоты борта и его угла наклона от углов падения слоев, прочности пород и определенных условий их обводнения в пределах призмы возможного обрушения.

Порядок пользования  графиками показан на примере.

 

Пример.

Определить допустимый угол наклона борта высотой  м при угле падения слоев и следующих расчетных характеристиках: т/м³; т/м²; ; ; .

Решение.

1. Показатели двух из рассматриваемых в примере расчетных характеристик ( , ) совпадают с аналогичными характеристиками, использованными при построении графиков, приведенных на рисунках 20, 21, поэтому для определения допустимого угла наклона борта следует пользоваться этими графиками.

2. Для рассматриваемых  расчетных характеристик вычисляют  значения безразмерного комплекса  :

.

3. По графикам (рисунок  20, 21) определяют значения допустимого угла наклона борта , , соответствующие углу падения слоев и вычисленному значению комплекса :

; ;

; .

4. Вычисляют среднее  значение допустимого угла наклона  борта  , соответствующее исходному расчетному значению угла трения по контакту :

 

 

Рисунок 20 – Зависимость

от при 25°; ; 0,8

 

 

Рисунок 21– Зависимость

от при 25°; ; 0,8

 

 

Задание.

Определить допустимый угол наклона борта высотой  м при угле падения слоев и следующих расчетных характеристиках: т/м³; т/м²; ; ; .

 

 

 

Список литературы

 

1 Галустьян, Э.Л. Управление  геомеханическими процессами в  карьерах [Текст] / Э.Л. Галустьян. – М.: Недра, 1980. – 273 с.

2 Фисенко, Г.Л. Устойчивость  бортов карьеров и отвалов [Текст] / Г.Л. Фисенко. – М.: Недра, 1965. – 378 с.

3 Правила обеспечения  устойчивости откосов на угольных  разрезах [Текст] : утв. Госгортехнадзором РФ 16.03.1998 : ввод. в действие с 01.01.1999. – СПб, 1998. – 208 с. (Минтопэнерго РФ. РАН. Гос. НИИ горн. геомех. и маркшейд. дела – Межотраслевой науч. центр ВНИМИ).

4 Справочник. Открытые  горные работы [Текст] / К.Н. Трубецкой, М.Г. Потапов, К.Е. Виницкий и др. – М.: Горное бюро, 1994. – 590 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учебное пособие

 

 

Составители:

 

Стафеев Арвид Алексеевич

Лобанова Татьяна Валентиновна

 

 

 

 

УСТОЙЧИВОСТЬ  БОРТОВ И ОСУШЕНИЕ КАРЬЕРОВ

 

Лабораторный практикум

для студентов всех видов  обучения по специальности

«Открытые горные работы» (130403)

 

 

 

 

 

 

Редактор  Н.П. Лавренюк 

 

 

 

 

 

Подписано в печать                     .

Формат бумаги 60×80 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная.