Практикум для студентов всех видов обучения по специальности «Открытые горные работы»
жүктеу/скачать 4.44 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТОВ И ОСУШЕНИЕ КАРЬЕРОВ
- Лабораторная работа № 1 Ознакомление с методами охраны приконтурного массива от дробящего и сейсмического действия взрыва Цель работы
- Лабораторная работа № 2 Оформление нерабочих бортов карьера в лежачем боку месторождения Часть I Способы заоткоски уступов
|
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).
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 (
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  ,
где  – расстояние до места взрыва, м;
 – коэффициент влияния породы (таблица 2).
Таблица 2 – Коэффициенты влияния горных пород
При короткозамедленном взрывании действие каждой серии не накладывается на последующую при обеспечении интервала замедления, мс,  ,
где  – 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  и  – коэффициенты соответственно зажима и геологических условий.
Коэффициент зажима при полном зажиме (оконтуривании котлована) Коэффициент геологических условий при отсутствии ярко выраженной системы напластования или трещиноватости 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 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.
При проходке котлована глубиной Определить длину скважин рыхления и контурных скважин, расстояние между контурными зарядами, между рядами контурных и основных скважин, расход ВВ на одну контурную скважину и на контурное взрывание данной серии скважин.
1. Длина скважин рыхления  м.
2. Длина контурных скважин  м.
Принимаем 3. Расстояние между контурными зарядами в крепких породах
Принимаем 4. Расстояние между рядами контурных и основных скважин в крепких породах
5. Длина забойки в скважине  м.
6. Длина заряжаемой части контурной скважины  м.
7. Масса контурного заряда по линейной плотности (вместимости)  кг.
8. Расход ВВ на серию контурных зарядов по поверхности откола в крепких породах (базовый удельный расход ВВ для контурного взрывания в крепких породах  кг.
Задание. При проходке траншей в крепких породах используется контурное взрывание зарядов, вместимость Определить длину скважин рыхления и контурных скважин, расстояние между контурными зарядами, между рядами контурных и основных скважин, расход ВВ на одну контурную скважину и на контурное взрывание данной серии скважин.
Работа рассчитана на 4 часа. Заоткоска уступов – работы по приданию уступу угла, обеспечивающего устойчивость откоса в его предельном положении. Влияние угла наклона слоев на способ заоткоски уступов. Слоистость пород лежачего бока оказывает заметное влияние на устойчивость откосов только при определенных значениях угла  падения слоев в сторону выработки. Так, при угле падения слоев  они не подрезаются горными выработками, потому что угол откоса уступов, как правило, положе (рисунок 3, а). Контакты уходят в массив и не снижают его прочности в направлении возможного сдвига.
Влияние слоистости на устойчивость бортов увеличивается с уменьшением угла 
Рисунок 3 – Схемы заоткоски уступов в лежачем боку месторождения: а – с надрезкой слоев; б – по наслоению; в – с подрезкой слоев при При пологом угле наклона слоев ( < 25º) иногда допустима подрезка контактов не только одного уступа, но и группы уступов на допустимую высоту. Тогда угол наклона борта превышает значение угла наклона слоев (рисунок 3, г) и зависит от параметров уступов. Потенциальной поверхностью скольжения в данном случае является последний подрезанный контакт в основании борта (при равном сопротивлении сдвигу по всем контактам).
Мероприятия по защите слоистых пород в приконтурной зоне: разработка пород поперечными и диагональными заходками с ограничением одновременно взрываемого количества ВВ (не более одного ряда скважин в ступени замедления); создание экранирующих щелей на всю высоту уступа; взрывание зарядов для создания отрезных и экранирующих щелей в зажатой среде; преимущественное применение наклонных скважин; опережающее укрепление пород при подрезке горными работами контактов слабых глинистых пород; сооружение искусственных берм в условиях наклонных и пологих слоев; эффективный дренаж прибортового массива, организация сбора и отвода поверхностных стоков, защита площадок уступов от обводнения, планировка поверхности берм и откосов, устройство водоотводных канав и др.
В отличие от однородных пород в слоистых горных породах лежачего бока с крутыми и наклонными слоями экранирующую щель целесообразнее создавать по всей высоте уступа, чтобы поверхность откоса совмещалась с одним из слоев. Способ защиты приконтурного массива зависит от угла наклона слоев. При Взрывание вертикальных скважин 2 последней заходки не оказывает отрицательного влияния на прибортовой массив, защищенный экранирующей щелью. При погашении второго уступа лежащие ниже породы защищаются отрезной щелью 3 глубиной 3–5 м. Для значений угла 
Рисунок 4 – Схема предохранения прибортового слоистого массива лежачего бока месторождения при сдваивании уступов: а – с использованием наклонной экранирующей щели; б – с использованием наклонной экранирующей и отрезной щели; в – с использованием вертикальной экранирующей щели; г – с использованием вертикальной экранирующей щели при отработке поперечными заходками; В естественных условиях слоистый массив часто имеет локальные нарушения (сдвиги, сбросы, разрывы, смятие и др.). Эти нарушения не всегда обнаруживаются разведочными работами и не принимаются во внимание при проектировании карьера. Чтобы избежать осложнений в процессе эксплуатации месторождения в сложных инженерно-геологических условиях необходимо предусматривать некоторую свободу конструирования борта по фактическому строению лежачего бока. Благодаря этому будут предотвращены вынужденные в некоторых случаях подрезки контактов слоев. Заоткоска уступов вдоль граничного контакта с подрезкой одних и тех же слоев. С точки зрения минимальных объемов вскрыши оптимальным углом наклона нерабочего борта будет тот, при котором поверхность борта совмещается с граничным контактом. Возможность придания борту такого угла наклона проверяется расчетом устойчивости борта, которая зависит от его высоты и сопротивления пород сдвигу. Затем решается вопрос о конструкции транспортных и предохранительных берм. Если бермы нарезают обычным способом, оформляя одиночные уступы под углом  >, то подрезаются контакты между слоями.
Так как ширина  .
При При заоткоске уступов вдоль граничного контакта высота уступа и угол его откоса не оказывают влияния на параметры борта. Так как высота нерабочих уступов обычно не превышает 15 м, то они могут укрепляться с верхней площадки. Рекомендуется следующая последовательность работ по укреплению уступа железобетонными сваями и цементацией массива вокруг свай. Для создания экранирующей щели 1 взрываются контурные заряды (рисунок 6). Массив укрепляется железобетонными сваями 2 с цементацией пород вокруг свай, а затем взрываются основные скважины 3 перед отрезной щелью. При необходимости поверхность откоса покрывается изолирующими материалами.
Рисунок 5 – Графики для определения допустимой высоты 
Рисунок 6 – Укрепление уступа при заоткоске вдоль граничного контакта: опережающее укрепление уступа железобетонными сваями с цементацией Возможна и другая последовательность работ: до подхода горных работ к предельному контуру на расстоянии 15 – 20 м производят укрепление неустойчивого массива, а затем одновременно взрывают заоткошивающие и основные скважины. В этом случае воздействие взрыва на массив сказывается в большей степени, но благодаря тому, что массив укреплен, откосы менее подвержены деформациям. Приведенный способ укрепления целесообразно применять в сильно трещиноватых породах, когда основным фактором, повышающим устойчивость откоса, является цементация, а железобетонные сваи играют второстепенную роль. Если же основная нагрузка будет распределена на сваи, то необходимо стремиться по возможности снизить её путем уменьшения высоты уступа до допустимых пределов, обусловленных шириной бермы. Монтажные работы ведутся с бермы, ширина которой должна обеспечивать размещение крана и нормальную его работу. Наибольший риск представляет возможность обрушения верхней бровки каждой бермы. В случае полного обрушения механизированная очистка берм станет невозможной и борт превратится в сплошной откос. При пологом падении слоев ( Транспортная искусственная берма сооружается в следующей последовательности. По мере заоткоски борта с промежуточных горизонтов бурятся скважины и устанавливаются стойки 1 (рисунок 7), а затем монтируются железобетонные поперечные и продольные ригели, образующие пояса 2 и 3. Чтобы исключить скатывание кусков породы, используемой в качестве засыпки, на лежащем ниже горизонте сооружается подпорная стенка высотой 1–1,5 м, состоящая из вертикальных стоек 4 и затяжки 5. После подготовки каркаса искусственной бермы производится его засыпка скальной породой 6 под углом естественного откоса. Расстояние между вертикальными стойками 3–4 м. Совместная работа системы «железобетонный каркас – породная засыпка» в искусственных бермах, предназначенных для укладки транспортных коммуникаций, обеспечивается путем качественного заполнения всех пустот.
и способ стабилизации неустойчивого откоса Основную нагрузку несет каркас, на который укладываются шпалы или железобетонные плиты (в зависимости от вида транспорта). Породная засыпка удерживается внутри каркаса за счет арочного эффекта, возникающего между соседними стойками. Искусственные бермы сооружаются в тех случаях, когда проведение полутраншей в лежачем боку может вызвать оползень по контактам слоев. Гарантированная устойчивость откоса обеспечивается лишь при условии <  (– угол трения по контакту, являющемуся потенциальной поверхностью скольжения).
Для укрепления уступов перспективным направлением является каскадное укрепление, которое заключается в поэтапной стабилизации неустойчивого массива в нисходящем порядке по мере погашения уступов (подуступов) на каждом горизонте с опережением горных работ. 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.
откосов
Задание. Пользуясь графиками рисунка 5, определить допустимую высоту  подрезки контактов слоев в условиях:
а) шероховатый контакт в породах с б) шероховатый контакт в породах с в) шероховатый контакт в породах с г) шероховатый контакт в породах с д) гладкий контакт в породах с е) гладкий контакт в породах с ж) гладкий контакт в породах с жүктеу/скачать 4.44 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
| ||||||||||||||||||||||||||||
) в данных условиях. Она зависит от типа пород, слагающих откосы уступов борта карьера, и кратности приложения нагрузки (таблица 1).
, расстояния от места взрыва до данного уступа 
– допустимая скорость колебания (таблица 1), см/с;
– площадь поверхности уступа, приходящаяся на одну скважину, м2;
,
– диаметр заряда, м;
. 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 
.
; при угле откола, равном 90º, 
; при угле 20–70º 
; при горизонтальном залегании, а также при совпадении геологических плоскостей с щелью 
.
кг/м3.
м в крепких породах используется 
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.
м.
м.
м.
м.
)
м, диаметры контурных скважин 
мм, поверхность откола 
м2. Длина перебура скважин рыхления 
м, контурные скважины на 
поверхность скольжения в откосе почти полностью совпадает с контактами слоев (рисунок 3, б). Чем больше высота борта, тем в большей степени слоистость оказывает влияние на его устойчивость, так как длина расчетной поверхности скольжения, секущей борт в его нижней части, практически не меняется. Заоткоску уступов можно производить только по контактам слоев. Подрезка последних неизбежно повлечет за собой деформирование откосов. Следовательно, переменным параметром, оказывающим влияние на угол наклона борта, в данном случае будет только ширина берм. Угол откоса уступов 
является постоянным. Но заоткоска уступов по наслоению при малых значениях угла 
экономически крайне нецелесообразна, так как влечет за собой выполнение большого объема дополнительных вскрышных работ. В слоистых породах лежачего бока оптимальным (с точки зрения объемов вскрыши) является вариант совмещения поверхности борта с граничным контактом залежи (рисунок 3, в). Расчетами подтверждается возможность заоткоски борта высотой до 600 м под углом 
. Однако в данном случае должны применяться укрепленные или искусственные бермы безопасности. Это единственный случай, когда угол наклона борта не зависит от параметров берм (
). Если по условию устойчивости борта в целом этот вариант приемлем, то он будет самым экономичным, несмотря на некоторые затраты на укрепление берм.
> 
– угол наклона борта и уступа соответственно; 
создается наклонная экранирующая щель 1 по всей высоте сдвоенного уступа (рисунок 4).
направленное бурение пологих и наклонных скважин большой глубины требует применения специальных буровых станков. В случае их отсутствия можно применять вертикальные барьерные экранирующие щели для защиты прибортового массива от влияния массовых взрывов в карьере. Такая щель создается на каждом рабочем горизонте. Первый уступ погашается в обычном порядке. За щелью 5 осуществляется взрывание укороченных скважин 6 с применением специальных мер по снижению сейсмического действия взрывов (например, применяются заряды с воздушными промежутками). При погашении второго уступа используются оконтуривающие скважины 7, взрываемые порядно в поперечном направлении. Скважины не 
, 
– высота одиночного и сдвоенного уступа соответственно
бермы безопасности связана с высотой 
уступа равенством 
, то минимальный угол откоса уступа
угол заоткоски 
. Выполнить этот угол заоткоски буровзрывным способом практически невозможно, так как в результате взрыва произойдет заоткоска по контактам и берма обрушится. Можно увеличить угол 
для конкретных характеристик сопротивления сдвигу можно представить в виде графиков (рисунок 5), пользование которыми правомерно только при неизменности сопротивления сдвигу во времени.
Па; 
; 
; б – гладкие контакты в породах с характеристиками 
Па; 
; 
; 1, 2, 3, 4 – соответственно при угле откоса уступа 40, 50, 60, 70º
) и наличии слабых глинистых контактов можно сооружать искусственные бермы как улавливающие, так и транспортные, состоящие из железобетонных каркасов и засыпок, или устраивать врезные бермы со стабилизацией подрезного откоса. Искусственные бермы сооружаются в тех случаях, когда проведение полутраншей в лежачем боку может вызвать оползень по контактам слоев.
и 
;
;
и 
;
и 
;
и 
и 
и