Часть II Схемы вскрытия и конструкции бортов разрезов в лежачем

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

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;

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 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 .

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

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

4. Вычисляют допустимую высоту уступа, заоткошенного по наслоению:

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

Работа рассчитана на 4 часа.

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.

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

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; ; ; .

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 :

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

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

для студентов всех видов обучения по специальности

«Открытые горные работы» (130403)

Редактор Н.П. Лавренюк

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

Усл. печ. л. . Уч.-изд. л. . Тираж экз. Заказ .

Сибирский государственный индустриальный университет

654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42.

Типография СибГИУ.