Анализ геомеханической обстановки и оценка устойчивости карьерный откосов на разрезе «Шубаркольский» Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© П.С. Шпаков, С.П. Ким, С.Г. Ожигин, В.Н. Долгоносов, С.Б. Ожигина, 2007

УДК 622.271

П.С. Шпаков, С.П. Ким, С.Г. Ожигин,

В.Н. Долгоносов, С.Б. Ожигина

АНАЛИЗ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ И ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ КАРЬЕРНЫХ ОТКОСОВ НА РАЗРЕЗЕ «ШУБАРКОЛЬСКНЙ»

Семинар № 2

Современные тенденции развития горных работ на разрезах направлены на уменьшение в пределах допустимых норм объемов вскрышных работ и обеспечение минимальных затрат на транспортирование горной массы.

Выполнение данных требований приводит к концентрации и интенсификации горных работ на отдельных участках разреза, что зачастую осложняет геомеханическое состояние прибортовых и отвальных массивов. Обеспечение геомеханического контроля за состоянием их устойчивости является важнейшим условием для стабильной работы предприятия, так как своевременно не обнаруженные деформации могут существенно нарушить технологический процесс и соответственно нанести материальный урон предприятию. Для эффективной и безопасной эксплуатации месторождений в сложной горногеологической обстановке на ведущих предприятиях созданы геомеханиче-ские службы, в которых маркшейдера и технологи совместно с научными работниками проводят работу по трем наиболее важным направлениям:

1. Инструментальные наблюдения за состоянием прибортового массива, выявление оползнеопасных участков и установление механизма деформи-

рования прибортовых и отвальных массивов.

2. Изучение и обоснование расчетных показателей физико-механических свойств горных пород прибортовых и отвальных массивов.

3. Оценка состояния прибортовых и отвальных массивов и обоснование параметров устойчивых откосов.

Анализ геомеханической обстановки на разрезе «Шубаркольский» показывает, что наиболее сложные условия сложились при ведении горных работ на западном участке северного борта разреза в районе ПК 6з-ПК 12з. Важнейшую роль здесь играют не только геологические факторы, но и горнотехнические.

Из геологических факторов в данном районе следует отметить следующие:

- выходы угольных пластов перекрыты толщей глинистых отложений;

- контакты глин с окисленным углем имеют пликативную форму (складчатость на различных уровнях) и местами пологое падение в южном направлении (р.л. 92,93),что обуславливает возникновение неблагоприятно ориентированных поверхностей ослабления;

- породы зоны интенсивного выветривания и окисленные угли имеют невысокие прочностные свойства.

І

ю

~~ ~

А

' 1 —

Рис. 1. Северный борт Шубаркольского разреза в районе р.л. 92

При увеличении влажности прочность глин резко снижается. Не высока также и контактная прочность пород.

К горнотехническим факторам, оказывающим негативное воздействие на геомеханическую обстановку относится прежде всего влияние внешней нагрузки на приконтурный породный массив.

Пригрузка борта внешними отвалами бестранспортной вскрыши и динамическая нагрузка от работы экскаватора ЭШ-10/70 не только изменили его геометрию, но создали дополнительную внешнюю нагрузку. В силу чего, изменилось напряженно-деформированное состояние прибортово-го массива.

Несоответствие геометрических параметров отработки параметрам прочности пород и изменчивости неоднородного массива явилось также причиной оползня в районе р.л. 94 (рис. 1, 2).

В последствии борт разреза в этом районе был присыпан глинистым отвалом, что несколько увеличило его устойчивость. Экскаватором ЭШ-10/70 глинистый отвал и оползневая масса были переэкскавированы непосредственно на борт разреза, в результате чего борт оказался нагруженным породным отвалом.

Для оценки фактического состояния северного борта разреза в районе ПК 6з-ПК 12з был произведен визуальный осмотр состояния борта и проанализирована горно-геологическая документация. Установлено, что наиболее характерными участками борта в данном районе являются геологические профили по разведочным линиям 92 и 94 (рис. 1, 2). На геологическом профиле по разведочной линии 92 четко прослеживается поверхность ослабления по контакту с глинами, а разведочная линия 9 проходит через участок оползня. Здесь возможно развитие деформационных явлений в горном массиве. На данном участке заложена наблюдательная станция из двух профильных линий и производится регулярный инструментальный контроль за состоянием устойчивости прибортового массива при отработке угольного пласта 1В2.

Г еометрические параметры карьерных откосов снимались с предоставленных планов и разрезов, а для обоснования прочностных свойств горных пород использовались данные ПГО "Центрказгеология", института "Укр-НИИпроект", результаты исследований кафедры маркшейдерского дела и геодезии КарГТУ, а также данные нормативной, справочной литературы.

Рис. 2. Северный борт Шубаркольского разреза в районе р.л. 94

В районе разведочной линии 9 , где горный массив подвергся оползневым деформациям, прочностные свойства пород определены с учетом разрыхления и для расчета устойчивости приняты следующие характеристики: сцепление к = 2,0 т/м2, угол внутреннего трения р = 15°, плотность у = 1,9 т/м3.

По разведочной линии 9 горный массив несколько прочнее. Здесь с учетом наличия контакта ослабления приняты следующие характеристики: сцепление к = 4,0 т/м2, угол внутреннего трения р = 17°, плотность у = =2,1 т/м3.

После анализа геологического строения массива и его физико-механических характеристик, а также профиля борта в плане и по высоте, выбиралась расчетная схема для оценки состояния откоса и соответствующая геомеханическая модель разрушения прибортового массива.

Результаты расчета устойчивости прибортового массива горных пород в районе разведочной линии 9 показали, что борт разреза находится практически в предельном состоянии, т.к. коэффициент устойчивости составляет п = 1,013.

При оценке устойчивости борта разреза по разведочной линии 9 с

учетом отработки угольного пласта 1В2 по схеме с поверхностью ослабления получен коэффициент устойчивости п = 1,103.

Таким образом, северный борт разреза между ПК 6з и ПК 12з находится в предельном состоянии и требуется использовать специальную технологию отработки угольного пласта в этом районе. Основным условием при ведении добычных работ на данном участке является обязательное формирование породного упора в нижней части борта разреза, а также проведение отработки участка узкими заходками не создавая большого фронта обнажения, что может вызвать повторные оползневые явления.

Анализ результатов наблюдений за сдвижением прибортового массива подтверждает результаты расчетов и показывает, что борт разреза в районе р.л. 94 находится в области упругопластических деформаций.

В связи с переходом на бестранспортную технологию формирования внутреннего отвала, на рабочем (южном) борту произведено сдваивание четвертого и пятого уступов и уменьшение параметров бермы безопасности до минимальных размеров. Южный борт имеет выпуклый профиль. (рис. 3) Наиболее напряженная об-

ю

^ л—1

\\т^—>

с

2В

' ' ■

Рис. 3. Южный борт ( р.л.12)

ласть находится ниже гор.+446 м. Угол наклона борта на этом участке -43° (Н = 48 м), ниже гор.+434 м борт имеет угол наклона 55° (Н = 36 м).

Погружение горных работ до гор.+390 м приводит к достижению рабочим бортом, высотой 80 м, генерального угла наклона 19°. На наиболее напряженном участке, ниже гор.+446 м, при высоте борта 56 м угол наклона борта составит 46°, ниже гор.+434 м при высоте борта 44м угол наклона борта -58°.

Южный борт разреза является рабочим. Требуется уделять особое внимание обеспечению его устойчивости, так как любые деформации могут оказать серьёзное влияние на технологические процессы по добыче и транспортированию угля. Методическими указаниями [1] рекомендуется при расчетах устойчивости уступов принимать нормативный коэффициент запаса п = 2, тогда как для всего борта в целом он может достигать п = = 1,3. Для групп уступов этот коэффициент может быть от 1,5 до 2 в зависимости от степени ответственности данного участка горных работ.

Анализ геологического строения прибортового массива показывает, что борт состоит из угольных пачек Верхнего горизонта и надугольных отложений, полого падающих в сторону массива. Геометрические пара-

метры уступов отражены на рис. 3. В связи с тем, что борт имеет выпуклый профиль, то для определения наиболее опасной поверхности скольжения требуется произвести ряд расчетов для различных групп уступов.

Геомеханический анализ прибор-тового массива позволяет сделать вывод о механизме формирования поверхности скольжения на южном борту. Падение пород, слагающих борт, в сторону массива обусловливает формирование круглоциллиндри-ческой поверхности скольжения. Так как горный массив представлен неоднородной слоистой толщей, принимается геомеханическая модель деформирования неоднородного массива без учета поверхностей ослабления.

Наиболее характерным участком южного борта является его профиль по разведочной линии 12. На поперечном разрезе по разведочной линии 12, на основании данным детальной и эксплуатационной разведки, отражено геологическое строение массива, фактический и планируемый профиль борта.

Геометрический анализ позволяет сделать вывод о том, что верхние уступы до гор. +446 м в связи с наличием широких рабочих площадок безусловно будут находиться в устойчивом состоянии. Расчету следует повергнуть участки борта ниже гор.+446 м:

гор.+390 м-гор.+434 м с углом наклона 58° и гор.+390 м-гор.+446 м с углом наклона 46°.

Расчеты устойчивости откосов уступов и бортов разреза производились численно-аналитическим способом [1, 3]. Результаты расчета устойчивости участков прибортового массива горных пород в районе разведочной линии 12, ниже гор.+446 м, показали, что борт разреза на участках: гор.+390 м-гор.+434 м с углом наклона 58° и гор.+390 м-гор.+446 м с углом наклона 46° имеет коэффициенты запаса устойчивости 2,06 и 1,99 соответственно, что удовлетворяет требованиям нормативных документов [1, 2].

В целом, в соответствии с принятыми на основе исследований инсти-

тутом "УкрНИИпроект" и ПГО"ЦКГ" характеристиками прочности (уголь-сцепление к =20,7 т/м2, угол внутреннего трения р = 27°, плотность у = 1,34 т/м3; породы надугольной толщи

- сцепление к = 32,3 т/м2, угол внутреннего трения р = 26,1°, плотность у = 2,48 т/м3), прибортовой массив южного борта между гор.+390 м-гор.+446 м с углом наклона 46° устойчив. Возможны локальные деформации, связанные с вывалами пород на ослабленных участках.

На период постановки южного борта ниже гор.+446 м под крутыми углами наклона проведение инструментального контроля за устойчивостью уступов обязательно с целью обнаружения возможных деформаций и своевременного их предотвращения.

1. Временные методические указания по управлений устойчивостью бортов карьеров цветной металлургии. - М.. МЦМ СССР, 1989. - 128 с.

2. Методические указания по определений углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуати-

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

руемых карьеров. ВНИМИ. - Ё., 1972. -165 с.

3. Шпаков П. С. Маркшейдерское обоснование геомеханических моделей и разработка численно-аналитических способов расчета устойчивости карьерных откосов: Автореф. дис. д.т.н. - Ё., 1988. - 40 с.

— Коротко об авторах----------------------------------------------------------------

Шпаков П. С. - профессор, доктор технических наук, Муромский институт Владивостокского государственного университета,

Ким С.П. - вице-президент АО "Шубарколь комир",

Ожигин С.Г. - доцент, кандидат технических наук,

Долгоносов В.Н. - кандидат технических наук,

Ожигина С.Б. - старший преподаватель,

Карагандинский государственный технический университет.