Обеспечение устойчивости карьерных откосов в глинистых породах

Развитие и совершенствование открытого способа добычи полезных ископаемых является на современном этапе одним из главных направлений технического прогресса горнодобывающей промышленности СССР. С помощью открытого способа разработки в настоящее время добывается более 75% твердых полезных ископаемых, В соответствии с «Основными направлениями экономического и социального развития на 1981 — 1985 годы и на период до 1990 года» предусматривается дальнейшее развитие открытого способа добычи полезных ископаемых на основе широкого внедрения прогрессивной технологии и горнотранспортного оборудования большой мощности.

При разработке полезных ископаемых открытым способом важное значение приобретают вопросы устойчивости откосов уступов, бортов карьеров и отвалов, так как они определяют безопасность и экономичность отработки месторовдения и обеспечивают ритмичность работы горного предприятия. Необоснованное назначение завышенных углов откосов вызывает их деформации и влечет за собой большой материальный ущерб, связанный с увеличением коэффициента переэкскавации вскрышных пород, выводом из строя горнотранспортного оборудования и потерей полезного ископаемого в недрах. В то же время чрезмерное выполаживание откосов приводит к резкому возрастанию объемов вскрышных работ, снижению темпов углубления горных работ, увеличению себестоимости полезного ископаемого.

В настоящее время наблюдается тенденция к увеличению глубины карьеров, освоению месторождений, расположенных в сложных горно-геологических условиях. В связи с этим возрастает вероятность деформаций откосов. Учитывая многообразие горно-геологических и горнотехнических условий, вопросы исследования устойчивости откосов продолжают оставаться актуальными, а практика открытых разработок ставит перед исследователями новые задачи.

Применение на карьерах тяжелого горнотранспортного оборудования предъявляет повышенные требования к определению оптимальных параметров систем разработки. При этом изучение влияния нагрузки, создаваемой горным оборудованием на уступ или отвал и устойчивость откосов является одним из важнейших вопросов. В практике открытых работ известны случаи, когда косвенной или основной причиной явились статические и динамические нагрузки от горнотранспортного оборудования. Часто причиной нарушений устойчивости являются отвалы или другие сооружения, расположенные на нерабочем борту карьера. Вопросы устойчивости нагруженных откосов в нашей стране и за рубежом еще недостаточно изучены и требуют дальнейших исследований.

В себестоимости I т полезного ископаемого затраты на отвалооб-разование составляют до 15%, поэтому от эффективности этого вида работ зависит общая рентабельность горного предприятия. Эффективность отвалообразования достигается путем использования более производительного горнотранспортного оборудования, совершенствованием технологии отвалообразования, увеличением высоты отвала, уменьшением путей транспортирования и т. д. При этом основным условием является обеспечение устойчивого состояния отвалов.

В связи с увеличением глубины карьеров возрастают объемы вскрышных пород. В настоящее время под внешние отвалы в СССР ежегодно отводится более 10 тыс. га земель, из которых 50% составляют пахотные земли. Для увеличения приемной способности (емкости) отвала и уменьшения занимаемых под отвалы площадей, пригодных для народно-хозяйственного использования, применяется многоярусное отва-лообразование на территориях пересохших озер и болот, на косогорах и в оврагах. В результате внешние отвалы оказываются в условиях неблагоприятных с точки зрения устойчивости. Возникает задача определения оптимальных параметров отвалообразования с учетом таких влияющих факторов, как угол наклона основания, мощность и физико-механические свойства пород слабого слоя. Решение задачи усложняется, если отсыпаемые породы представлены слабыми песчано-глинистыми разновидностями. Все эти вопросы требуют дальнейшего исследования.

Вопросами устойчивости откосов в карьерах ученые в нашей стране занимаются около 40 лет. За этот период накоплен значительный материал, проделаны фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования в области определения физико-механических свойств горных пород, расчета устойчивости скальных и песчано-гли-нистых откосов, написана справочная и учебная литература, имеются методические указания. Однако развитие открытых работ ставит все новые задачи, требует решения вопросов на более высоком уровне, а многообразие горно-геологических и горнотехнических условий не позволяет воспользоваться готовыми параметрами, а требует детальных исследований в каждом конкретном случае.

Целью настоящей диссертационной работы является повышение эффективности открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых путем совершенствования существующих и разработки новых способов расчета устойчивости откосов уступов, бортов карьеров и отвалов.

На защиту выносятся следующие основные положения: обоснование расчетных показателей прочностных свойств глинистых породграфо-аналитический способ расчета параметров устойчивых многоярусных отвалов с учетом горной геомеханики и технологии отвало-образованияаналитические способы расчета: устойчивости откосов под влиянием внешней нагрузки общего случая ее распределенияпараметров откосов под влиянием статических и динамических нагрузок от горнотранспортного оборудования.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре геодезии и маркшейдерского дела Карагандинского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института (КарПТИ) в период с 1979 по 1984 годы.

Основу диссертации составляют исследования, проведенные автором в качестве исполнителя следующих научно-исследовательских работ, включенных в план НИР КарПТИ, в координационные планы АН Каз. ССР и отраслевых министерств МЦМ и МЧМ СССР: НИ-Г-95−75 «Исследование деформирования откосов уступов, бортов и отвалов на Карагайлинском руднике» (номер гос. регистрации 76 039 644). НИ-Г-3−77 «Исследование устойчивости бортов и отвалов Качар-ского карьера (в пределах контуров пускового периода)» .

Раздел «Изучение структурных особенностей и деформирования горных пород» (номер гос. регистрации 77 038 861).

01.01.03(03) «Исследование устойчивости уступов и бортов и обоснование параметров породных отвалов на бокситовых карьерах Тургайского ГОКа» (номер гос. регистрации 79 067 779). 01.01.03(07) «Разработка методов расчета углов наклона откосов для сложных инженерно-геологических условий на карьерах Минцветмета СССР» (номер гос. регистрации 78 067 779).

Диссертационная работа объемом 126 страниц текста и 50 иллюстрационных рисунков состоит из 5 глав, заключения, списка использованной литературы.

I. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСОВ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ В ГЛИНИСТЫХ ПОРОДАХ И ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ.

Устойчивость открытых горных выработок и отвалов представляет собой раздел горной науки, объектами исследования которого являются физические явления, происходящие в массиве пород вследствие горных работ /II/. Целью исследований является определение параметров откосов уступов, бортов карьеров и отвалов, обеспечивающих экономичную и безопасную разработку месторождений.

Исследования устойчивости уступов, бортов карьеров и отвалов включают изучение геологического строения и Структуры массива, гидрогеологических й инженерно-геологических условий месторождения, испытание физико-механических свойств пород, визуальные и инструментальныенаблюдения за состоянием откосов. На основе полученных характеристик пород определяют параметры устойчивых откосов уступов, бортов карьеров и отвалов.

Достоверность результатов расчета оптимальных параметров открытых горных выработок и отвалов во многом зависит от методики, принятой для расчета, ее теоретической обоснованности и соответствия горно-геологическим условиям месторождения.

Объектом исследования настоящей работы является Тургайская группа месторождений бокситов и огнеупорных глин Амангельдин-ского бокситорудного района*.

ВЫВОДЫ.

1. Обоснованы предельные параметры свободных уступов, бортов карьеров и отвалов, необходимые для определения параметров многоярусных отвалов и нагруженных откосов на исследзуемом месторождении.

2. На основе методики расчета многоярусных отвалов, разработанной автором настоящей диссертационной работы, обоснованы параметры трехъярусных автомобильных отвалов на устойчивом и слабом основании и двухъярусного экскаваторного отвала на устойчивом основании.

Высота первого яруса трехъярусного бульдозерного отвала составляет Hj =20 м — для отвала, отсыпаемого на устойчивое основание, Hj =14 ми fy =17 м — при наличии в основании соответственного слабого слоя или контактавысота второго яруса для всех трех случаев составляет =15 м. Размеры площадок безопасности между ярусами составляют: в первом случае ??! =30 ми ??? =37 м, во втором и третьем случае в среднем.

30 м, Д? = 40 м.

Ширина площадки безопасности двухъярусного экскаваторного отвала В/ = 47 мвысота первого и второго ярусов равны соответственно 20 и 30 м.

3. На основе разработанной методики выполнены расчеты параметров нагруженных откосов: бортов, нагруженных одноярусным и двухъярусным отвалами бестранспортной вскрыши при глубине карьера от 20 до 140 мотвалов, нагруженных экскаватором-драглайном ЭШ-15/90 с учетом статических и динамических нагрузокуступов, нагруженных экскаватором-драглайном ЭШ-15/90 с учетом статических и динамических нагрузокавтомобильных отвалов, нагруженных автосамосвалом БелАЗ-540.

Допустимое отстояние отвала от верхней бровки борта карьера не является однозначным и при заданных значениях физико-механических характеристик пород массива будет зависеть от высоты предельного ненагружеиного откоса, а также высоты и профиля отвала.

Отстояние экскаватора ЭШ-15/90 от верхней бровки пионерной насыпи составляет 23 мпри высоте вскрышных уступов // = 30 м отстояние экскаватора не должно превышать 24 м при условии соблюдения предельных значений углов наклона откосов уступов для каждой разновидности глинистых пород.

Автосамосвал БелАЗ-540 не оказывает существенного влияния на устойчивость отвала.

4. На основании исследований предложены мероприятия по обеспечению безопасных условий работ по отвалообразованиюразработаны рекомендации по составлению паспортов на экскава1 торное и бульдозерное отвалообразование.

5. Годовой экономический эффект от применения рекомендуемого бульдозерного отвалообразования по сравнению с существующим на ТБРу по факторам транспортирования вскрышных пород и сокращения площадей, занимаемых под отвалы, составит 55,6 тыс. руб.

6. Предложена технология управляемого экскаваторного отвалообразования с постоянно деформирующимся откосом.

Повышение технико-экономических показателей экскаваторного отвалообразования достигается за счет увеличения приемной способности отвала, уменьшения коэффициента переэкскавации вскрышных порода, а также путем обеспечения безаварийной работы за счет применения обоснованных параметров и выполнения рекомендаций по управляемому отвалообразованию.

Годовой экономический эффект от применения предлагаемой технологии экскаваторного отвалообразования составляет 18,8 тыс. руб.

7. Разработан проект по доработке бокситов на оползневом участке, что позволило за 1983 г. получить экономический эффект — 123,9 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Работа направлена на решение задачи устойчивости карьерных откосов в глинистых породах на основе комплексного исследования структуры массива, физико-механических свойств пород и разработки способов расчета устойчивости многоярусных отвалов и нагруженных откосов.

Полезность выполненной работы для науки и практики состоит в следующем.

1. Установлена зависимость между прочностными свойствами песча-но-глинистых пород и влажностью. Получены уравнения связи сцепления С и угла внутреннего трения У основных разновидностей горных пород с влажностью IV .

Полученные зависимости могут быть использованы для прогнозной оценки прочностных свойств горных пород, не прибегая к испытаниям.

2. Обоснованы гарантированные показатели физико-механических свойств: каждой разновидности песчано-глинистых пород с учетом текстуры. Полученные показатели рекомендуется использовать при расчете устойчивости изотропных уступов и бортов карьеров, при горизонтальном залегании слоев или при их падении в сторону массивапо контактам слоев горных пород. Указанные характеристики рекомендуется применять при расчете параметров устойчивых уступов и бортов карьеров по поверхностям ослабленияпород отвалов в зависимости от технологии их формирования и времени стояния и слабого слоя в основании отвалов.

3. Разработан графо-аналитический способ расчета параметров устойчивых многоярусных отвалов. В отличие от существующих способов расчета предлагаемых способ позволяет учесть следующие основные факторы, влияющие на устойчивость: прочностные свойства отсыпаемых пород и их изменение во временимощность, угол наклона, физико-механические свойства пород слабого слоя в основании отвалаизменение напряженного состояния отвальных пород под действием пород свежеотсыпанного ярусатехнологию отвалообразования.

Предлагаемый способ позволяет уменьшить число поверочных расчетов и расчетов по сложным формулам.

Способ может использоваться при обосновании параметров многоярусных внешних отвалов в любых горно-геологических и горнотехнических условиях.

4. Разработан аналитический способ расчета устойчивости нагруженных откосов, который в отличии от существующих способов расчета, позволяет определить параметры нагруженных откосов при различном характере распределения и протяженности внешней нагрузки.

Получены формулы коэффициента запаса устойчивости откоса при различных законах распределения внешней нагрузки.

Решение задачи осуществляется на ЭВМсоставлены программы на языке «Аналитик» для ЭВМ «Мир-2» и для ЭВМ «ЕС-1022» .'.

• Предлагаемый способ расчета может быть с успехом применен для определения параметров и оценке устойчивости бортов карьеров, нагруженных отвалами бестранспортной вскрыши.

5. Предложен аналитический способ расчета устойчивости откосов под действием статических и динамических нагрузок, создаваемых горнотранспортным оборудованием. В предлагаемом способе расчета учитывается распределение напряжений в приоткосной зоне от нагрузок горного оборудования, что позволяет более обоснованно оценивать устойчивость нагруженных откосов.

Для решения задачи составлена программа на языке «Аналитик» для ЭВМ «Мир-2» .

6. На основе выполненных исследований были сделаны некоторые выводы: в откосах, нагруженных треугольной и трапецеидальной нагрузками, при fj = const (гДе Б — отстояние внешней нагрузки от верхней бровки откоса) наиболее опасная поверхность скольжения находится под точкой перегиба нагрузкипри 6= C0fis{ г В= CQflst (где В' - положение поверхности скольжения под нагрузкой) минимальный коэффициент запаса устойчивости соответствует поверхности скольжения с максимальным радиусом /} max — при динамических нагрузках от горнотранспортного оборудования поверхность скольжения возникает под опорной частью машины.

7. Обоснованы параметры устойчивых трехъярусных бульдозерных отвалов на устойчивом и слабом основании, двухъярусных экскаваторных отвалов на устойчивом основаниибортов, нагруженных одноярусными и двухъярусными экскаваторными отвалами и откосов, нагруженных горнотранспортным оборудованием, для карьеров Аман-гельдинского месторождения.

8. Предложена технология управляемого бестранспортного отва-лообразования с постоянно деформирующимся откосом, позволяющая значительно повысить приемную способность отвала и уменьшить коэффициент переэкскавации отвальных пород. Обоснованы параметры бестранспортного отвалообразования для условий Амангель-динского месторождения.

9. Годовой экономический эффект от внедрения основных рекомендаций, разработанных в настоящей диссертационной работе, составляет 198,3 тыс. руб.

10. Результаты научных исследований могут использовать научно-исследовательские учревдения и проектные организации при проектировании и оценке устойчивости открытых горных выработок и отвалов.