CC BY
114
--------------------------------------------- © Г.М. Еремин, Г.Г. Листопад,
2004
УДК 622.271.333.624.131.737.01
Г.М. Еремин, Г.Г. Листопад
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТУПОВ С УЧЕТОМ ПАДЕНИЯ КАМНЕЙ ИЗ ИХ «КОЗЫРЬКА» И ВЫШЕЛЕЖАЩИХ ОТКОСОВ
Семинар № 13
I # ри сдваивании и страивании уступов их высота увеличивается до 24-45 м. Применяемая на карьерах технология заоткос-ки уступов, при имеющейся нарушенное™ массивов тектоникой и массовыми взрывами в карьере нередко приводит к дополнительному разрушению приповерхностного слоя уступа и его берм, и к образованию так называемого, нарушенного «козырька» уступов, который постепенно разрушаясь, вызывает падение камней на берму нижележащего уступа. Если в начале выпадаемые из откоса куски породы имеют небольшую начальную скорость и чаще всего оказываются у подножия откоса, то со временем, по мере формирования наклонной поверхности в козырьке, начальная скорость увеличивается, и куски породы могут не только скатываться с откоса, имея скользящую составляющую, но и падать по определенной траектории. Особенно значительно увеличивается горизонтальная составляющая траектории падения камней при применении вертикальных откосов. Учет траектории падения камней необходим также в глубоких карьерах, когда первоначально отстроенные на конечном контуре откосы уступов могут длительной время (20-30 лет и более) быть подвержены влиянию комплекса внешних и внутренних факторов (выветривание пород, разгрузка массива, обводнение пород и др.), и постепенно деградировать (разрушаться). Это может создавать опасность для производства работ в приконтурных зонах карьера при разработке его глубоких горизонтов.
Учет траектории падения камней важен также при отстройке крутых откосов бортов карьера, когда угол откоса таких участков может достигать 55-60° и более.
В настоящее время имеется некоторый опыт по снижению и предотвращению негативных проявлений камнепада (с крутых откосов в карь-
ерах, а также горных склонов при производстве технологических операций у их основания. На карьерах - это создание устойчивых конструкций откосов уступов и бортов, на горных склонах -проведение дорог (в особенности железных дорог) с соблюдением специальных мер безопасности и создание защитных технических сооружений: укрепление откосов и применение улавливающих пазух [1-5].
Под созданием устойчивых конструкций откосов уступов и бортов карьеров чаще всего понимают применение таких конструктивных их параметров, которые могут позволять длительное время наиболее безопасно и эффективно осуществлять запланированные горнодобычные процессы на нижележащих рабочих горизонтах. В зависимости от прочностных свойств породы и нарушенное™ массивов тектоникой карьерному откосу уступа, пространственно приуроченному к тому или иному блоку или инженерно- геологическому участку, свойственен свой процесс разрушения откоса и осыпеобразования. Поэтому в общем случае параметры откосов уступов и берм могут значительно отличаться: от характерных для прочных и малотрещиноватых массивов до откосов в сильнотрещиноватых и полускаль-ных породах. Для разрушающихся откосов уступов параметры берм должны приниматься с учетом принятия всех кусков, падающих на улавливающую полку. Кроме того параметры берм должны учитывать траекторию падения камней из крутонаклонных и особенно вертикальных откосов уступов.
В общем случае вертикальная и горизонтальная составляющие траектории падения камней определяются как с учетом высоты откоса, так и начальной скорости скатывания кусков по наклонной плоскости, т.е. от угла ее наклона а и длины X. Подсчеты показывают, что горизонтальная составляющая траектории падения кусков при высоте уступов 30-50 м и более со-
«к. Что,
0 го *0 60 ао<*0,град
Рис. 1. Изменение величины горизонтальной Хк и вертикальной (атах) составляющей траектории падения камней в зависимости от угла склона (а) (по данным работ Н.М. Королькова и В.Л. Еремина [5]: 1, 2, 3
- скорости VI, У2, У3 = 10, 20, 30 м/с (1к); 1', 2', 3' -скорости VI, V2, V3 = 10, 20, 30 м/с ((атах)
ставляет до 5-6 м. Эти данные подтверждаются наблюдениями, проведенными применительно к условиях разгрузки автосамосвалов в рудоспуски, когда сползающие и скатывающиеся куски размером до 1-1.2 м с днища самосвала имели скорость до 2-4 м/с.
Участок бермы с камнепадом должен быть огражден от полосы шириной В = 6-7 м с работающей техникой валом высотой не менее 1-1.5 м (с учетом высоты подскока камней и осколков). Ширина вала при угле его откосов 37-45° (среднее 40° составит около 3.5-4 м.). Далее следует выделить приоткосную часть бермы шириной 2-3 м, на которой отсыпается оградительный вал шириной до 2м (высота 1 м) и эта часть бермы учитывает разрушаемый со временем «козырек» откоса. Ширина такого участка, например, на карьере Палабора (ЮАР) принята равной 3 м при 15-20 - летнем периоде эксплуатации временного борта. Таким образом, минимальная ширина бермы при вертикальных откосах может составлять 16.5 м, максимальная 20 м (средняя -18 м).
При вертикальной или крутонаклонной слоистости (ослаблений) следует учитывать их под-сечение пологими естественными или техногенными трещинами при постановке уступов в конечное положение. Высота таких слоев может быть кратна высоте уступов (12-15 м) и при обрушении они могут не только скользить по отко-
су, но как отмечалось в ряде источников, опрокидываться с поворотом и перекрывать если не всю ширину бермы, то ее большую часть. Для повышения безопасности эксплуатации таких участков уступов и очистки нижележащих берм откосы уступов следует или укрепить или выполнить их заоткоску под менее крутыми углами.
Сложнее представляется решение вопроса с обеспечением безопасности производства работ на нижележащих горизонтах при создании крутых откосов бортов в карьерах. С увеличением углов откосов бортов с 40-45° (по проектным решениям) может резко возрасти влияние фактора траектории падения кусков с верхних уступов на нижние. При этом имеется ввиду, что падающие куски на полку могут ударяться как на скальное основание бермы, так и на другие куски, и разрушаясь, разлетаться со скоростью 20-30 м/с на значительное расстояние. Такие куски или осколки, ударяясь с большой скоростью об откос, рикошетом, как показывает опыт работы на карьерах (катящиеся и летящие куски пород по откосу при ударе разрушаются и могут пролетать расстояние 20-30 м и более) могут упасть на бермы нижележащих уступов.
Для повышения безопасности производства работ по улавливанию таких рикошетируемых кусков на карьерах полезно воспользоваться опытом сооружения железных дорог на горных склонах [5].
В основе распространенной методики улавливание камней пазухами положен учет скорости и траектории полета камней после удара их о склон и определение параметров как вертикальной, так и горизонтальной составляющих траектории. По данным, приведенным в работе [5], зависимость горизонтальной составляющей полета А,к и высоты отскока камней после удара о поверхность улавливающей полки атах показана на графике, рис. 1.
Как следует из графика, с увеличением угла откоса склона и скорости куска (осколка) резко увеличивается горизонтальная составляющая полета и высота подскока камня при ударе о скальное основание. При одном и том же угле откоса (60°) горизонтальная составляющая полета камня увеличивается практически пропорционально увеличению его скорости: при скорости V = 10 м/с А,к = 5.9м, при V = 20 м/с А,к = 11 м. При больших скоростях полета ^к = 30 м/с) величина Хк равна 14-15 м, что близко к ширине бермы при применении вертикального откоса.
м
27
Рис. 2. Изменение горизонтальной составляющей полета камней Лк в зависимости от высоты склона Н (по данным работы [5]): 1, 2, 3 - соответственно для склонов с углами а = 50, 60, 75°; 22/50 - в числителе скорость падения камней в м/с, в знаменателе - угол склона, град.
Влияние крутизны и высоты склонов на параметры траектории полета камней можно проиллюстрировать также данными, приведенным на рис. 2. Эти расчетные данные получены авторами работы [5] для количественной оценки влияния крутизны и высоты склонов на параметры сооружаемых у основания склонов улавливающих пазух, траншей, искусственных стен.
Как следует из графика, с увеличением высоты склонов возрастает потенциальная возможность увеличения траектории полета камней (при скорости Ук = 20-25 м/с до 30-40 м и более (при угле наклона откосов 50-60°). И наоборот, с увеличением крутизны склона (а > 60°) величина Хк относительно снижается за счет роста гравитационной составляющей скорости падения камня.
Выбор основных путей и способов снижения опасного проявления камневыпадения из откосов и берм при строительстве крутых бортов в карьерах может основываться на учете всех основных влияющих факторов. К ним относятся горногеологические, горнотехнические, климатические, гидрогеологические факторы. Мало возникает вопросов в случае возможности достижения крутых откосов уступов, бортов в прочных и малотрещиноватых породах, если отсутствуют крутопадающие согласно с бортом тектонические нарушения. Достижение крутых и субвертикальных откосов уступов возможно и в массивах со сни-
жающейся трещиноватостью как с глубиной месторождения, так и в результате подрезки склонов гор (вглубь массива). Об этом свидетельствует увеличение размеров блоков породы при подработке склонов гор. Так, на одном из апатитовых рудников, разрабатывающего рудное тело, падающее под гору, при обрушении пород образовались крупные блоки, размеры одного из которых составляют по длине 150-200 м и высоте 30-50 с субвертикальной крутизной. Блок ориентирован в направлении, близким к оси на вершину горы.
Важным фактором, который должен учитываться при создании и поддержании в устойчивом состоянии откосов, является щадящее взрывание пород (массовые взрывы) вблизи прикон-турной зоны и в особенности при образовании щели. Эффективным способом, обеспечивающим снижение нарушенное™ «козырька» при формировании бермы и откоса, является недобур скважин оформления. Также важным средством, предотвращающим выпадение камней из «козырька» откоса, является его укрепление. Анализ работ по укреплению откосов с протяженными трещинами, простирающимися близко к его откосу, показали большую их эффективность, и укрепление может быть рекомендовано к широкому применению на карьерах (при этом длительное время можно предотвратить разрушение откоса (его осыпание и оползание). Разрушение откосов уступов на карьерах является следствием не только проявления трещиноватости и тектоники месторождения, но и применяемой технологии заот-коски уступов. Очевидно, при минимизации величины зарядов ВВ и применении скважин щели малого диаметра качество заоткоски уступа может резко повыситься.
В зависимости от типа пород массивов, их прочности и основных систем трещиноватости можно выделить следующий типоряд откосов: вертикальные (прочные и малотрещиноватые породы), субвертикальные (а = 80-85°) (прочные мало- и среднетрещиноватые породы), крутонаклонные (а = 70-75°) (среднетрещиноватые породы), наклонные (а = 60-65°) (прочные
трещиноватые), наклонные (а = 50-45°) (породы средней прочности и трещиноватые) и для полускальных - а = 45-42.
Среди крутонаклонных и наклонных откосов могут быть рекомендованы следующие их конструкции: с наклонной в верхней части и вертикальной в нижней (Э.Л. Галустьян), с наклонной в верхней части и крутонаклонной в нижней
а & 6 г
Рис. 3. Схема предлагаемых к применению и применяемых на карьерах откосов уступов: а - вертикальный уступ; б - наклонный уступ с вертикальной нижней частью (Э.Л. Галустьян); в - наклонный уступ с крутонаклонной нижней частью (В.Н. Попов); г - наклонный уступ
(В.Н. Попов), и наклонный откос (рис. 3). Преимущество применения наклонных частей откосов по сравнению с вертикальным (в своем классе пород) заключается в том, что осыпающиеся куски пород при стремлении откоса к своему устойчивому состоянию в основном скользят по откосу и для их улавливания достаточно бермы шириной 8-10 м (при щадящем оформлении бермы вышележащего уступа). При вертикальных откосах ширина бермы с учетом траектории полета кусков может составлять 16.5-20 м.
Известно применение вертикальных откосов на ряде зарубежных карьеров (Канада, Швеция, Узбекистан). Так, на железном руднике «Мармо-ратон» (Канада) апробирован способ заоткоски уступов под углом 90° в скальных малотрещиноватых породах. Высота уступа составила 16.7, а ширина берм - 11.6-16.7 м. Вертикальные откосы высотой 30 м отстраиваются на некоторых карьерах меди (Узбекистан). Однако при работе в ближней зоне от откоса используется мобильное оборудование и техника с дистанционным управлением.
Принятие решения о применении уступов с теми или иными параметрами зависят от их устойчивости, возможности очистки берм и оборки откосов уступов от камней. Поэтому применение на Канадском карьере вспомогательной высоты уступов соразмерной с параметрами вспомогательной мобильной техники безопасно и эффективно. Ниже приведено сравнение по применению на карьерах различной глубины вертикальных, наклонных и крутонаклонных откосов и комбинации последних в условиях трещиноватых и нарушенных выветриванием массивах пород верхних зон и снижающейся трещиноватости пород с глубиной.
При небольшой глубине карьера (Н = 100-120 м) в сильнотрещиноватых породах по сравнению с вертикальными откосами высотой 30 ми бермой шириной В = 20 м более целесообразно заот-коску верхнего уступа выполнить под углом 70° с бермой В = 10 м, а средних 75 и 80°, нижний уступ может быть заоткошен под углом 90°, рис. 4а. При этом достигается снижение объемов вскрыши при оформлении уступов по сравнению с вариантом с вертикальными откосами.
На рис. 46 показана схема формирования борта глубокого карьера (Н = 600 м). Если применять вертикальные уступы высотой 30 м и с бермами В = 15 м, то можно образовать крутонаклонный борт с углом откоса 65°. Работа вблизи такого откоса на средних и глубоких горизонтах чрезвычайно сложна. Обычно безопасная работа под крутыми участками бортов обеспечивается созданием широких площадок шириной до 40 м (схема 2). Эти площадки не только позволяют улавливать камни, выпадающие из вышележащие. 4. Схема формирования откосов бортов карьера небольшой глубины (а), глубоких (б), средней глубины (в) уступами крутизной 90, 80-85, 70-75, 60-65° и высотой Ну = 30 м: а - В1 = 20 м, В2 = 10 м (Вь В2 - ширина бермы при применении вертикальных и наклонных откосов, трещиноватый массив; б - 1, 2, 3 - соответственно борт Н = 600 м теоретический сформированный из вертикальных уступов Ну = 30 миВ = 15 м, разделенный площадками В = 40 ми сформированный наклонными уступами; в - Ну = 30 м, ширина бермы вертикальных откосов В1 = 17.3 м, наклонных В2 = 10 м, Нб = 360 м
щих откосов, но осуществлять транспортную а 6 8
связь между горизонтами. Для трещиноватых и сильнотрещиноватых пород (в верхней зоне) более реальна схема заоткоски таких участков из наклонных (в верхней части борта), крутонаклонных (в средней части) и вертикальных откосов в нижней зоне глубокого карьера. При этом может быть образован выпуклый борт карьера, считающийся наиболее устойчивым и экономически выгодным (без разноса оползающих крутых участков борта в верхней зоне карьера) (схема 3). Углы наклона откосов борта на его участках будут: нижнего, средних и верхнего соответственно 58, 57, 55, 54-50° (для сильнотрещиноватых пород).
На рис. 4в показан способ заоткоски участков борта (Н = 360 м) вертикальными и комбинированными уступами с углами откосов 65, 70, 75, 80 ив нижней зоне - 90°. Параметры вертикальных откосов - высота 30 м, ширина бермы - 17.3 м (часто предлагаемое в расчетах). Ширина бермы наклонных откосов - 10 м.
Соотношение в объемах дополнительно вынимаемых пород при оформлении борта уступами с вертикальными откосами и комбинированными с глубиной карьера показан на рис. 5. Из рис. 5 следует, что при небольшой глубине карьера (Н = 100-120 м, т. А на графике) относительно большее снижение объемов вскрыши в бортах обеспечивает оформление его комбинированными уступами с меньшей бермой В[ = 10 м по сравнению с вертикальными откосами с бермой В2 = 20 м (в трещиноватых и сильнотрещиноватых породах). С увеличением глубины карьера соотношение в дополнительно вынимаемой вскрыши переходит в пользу применения вертикальных откосов, поскольку повышается общая крутизна откоса борта и снижается трещиноватость пород. Однако эффективность оформления борта вертикальными уступами может быть обоснованной в мало- и среднетрещиноватых массивах, а в трещиноватых и сильнотрещиноватых массивах может потребоваться повышенный объем их крепления, также будет иметь место большее осыпание и оползание пород по трещинам. Из рассмотренного выше следует, что для
1. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. - М.: Недра, 1965. - 375 с.
2. Галустъян Э.Л. Управление геомеханическими процессами на карьерах. - М.: Недра, 1980. - 237 с.
3. Попов В.Н., Байков Б.Н Технология отстройки бортов карьеров. - М.: Недра, 1991. - 184 с.
йУ,тыс.м3/м
20 -
10 ■
А " " 200 400 600 800 Н,м
Рис. 5. Изменение дополнительно вынимаемой
вскрыши на пог. м при формировании борта наклонными уступами по сравнению с вертикальными с глубиной Н: т. А - ширина бермы вертикальных уступов В1 = 20 м, наклонных В2 = 10 м (Нб = 120 м), трещиноватый массив; Нб = 240-360 м (бермы вертикальных откосов В1 = 17.3 м и наклонных В2 = 10 м; Нб = 600 м (бермы вертикальных откосов В1 = 15 м с разделительными площадками В = 40 м, наклонных В2 = 10 м)
создания и успешной эксплуатации крутых откосов в глубоких карьерах необходимо решение комплекса задач, таких как обоснование параметров откосов уступов в породах различных типов по прочности и нарушенности трещиноватостью и геотектоникой, решения вопросов, связанных с постепенным разрушением приоткос-ного слоя пород откоса выветриванием, техногенными воздействиями (взрывами) и влиянием «камнепада» на безопасность производства работ на нижележащих горизонтах. При повышенном осыпании пород из откосов (вертикальных) и выявления протяженных трещин вдоль откосов следует принять решение об их укреплении или перейти на применение крутонаклонных, наклонных откосов (в трещиноватых породах), обеспечивающих создание скользящей составляющей камней по откосу по сравнению с их падением по траектории, разрушением и перелетом на нижележащие откосы и бермы.
Эффективность применения тех или иных откосов предложено определять по специальной методике, учитывающей влияние всех основных факторов.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Методическое пособие по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. - Л.: Тр. ВНИМИ. 1972. -165 с.
5. Корольков Н.М., Еремин В.Л. Путь и сооружения на горных железных дорогах. - М.: изд. Транспорт, 1968.
- 336 с.
— Коротко об авторок -------------------------------------------------
Еремин Георгий Михайлович - кандидат технических наук, Горный институт КНЦ РАН. Листопад ГГ. - начальник техического отдела, ОАО "Апатит".
