CC BY
58
ГЕОМЕХАНИКА
УДК 622.833.3
С. П. Бахаева, М.А.Кузнецов , Е.В. Костюков
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
В КУЗБАССЕ
Повышенная интенсивность добычи полезного ископаемого открытым способом значи-
тельно увеличила глубину горных выработок, которая достигла на многих предприятиях Кузбасса предельных размеров, а также к разработке месторождений со сложными инженерно -геологическими и гидрогеологическими условиями1.
Возросшие в последнее время требования к сохранности территорий, прилегающих к горным выработкам, а также рост цен земельных площадей, отторгаемых горными отводами, поставили многие предприятия Кузнецкого бассейна перед острой необходимостью экономии земельных ресурсов. Постоянный рост затрат на грузоперевозки привел предприятия к стремлению постоянно уменьшать протяженность транспортных путей и объемы вскрышных работ (основные факторы, определяющие себестоимость добычи угля). При недостаточном и несвоевременном обновлении горно-транспортного
оборудования и значительной изношенности существующей техники, выходом из сложившейся ситуации для многих разрезов Кузбасса стало уменьшение объема вскрышных работ за счет увеличения крутизны наклона бортов и откосов уступов, а также образование внутренних породных отвалов значительных объемов в неблагоприятных для этого условиях.
1 Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ по проекту № 05-0564100.
В обстановке более осложнившихся горнотехнических факторов, предприятия уделяют недостаточное внимание гео-механическим процессам, происходящим в техногенных и природных массивах. Как следствие, участились случаи оползневых явлений изотропных и анизотропных массивов.
На данный момент, из-за значительной стоимости геологоразведочных работ инженерно-геологические изыскания на территории Кузнецкого каменноугольного месторождения производятся в урезанном объеме. Детальная доразведка отрабатываемых участков выполняется, в основном, по данным эксплуатации. Проектные решения и параметры бортов (уступов) базируются на физикомеханических характеристиках горных пород, полученных на стадии строительства разрезов или разведки участка. Необходимо отметить, что эксплуатация некоторых разрезов осуществляется уже более 50 лет.
В этой связи оценка устойчивости бортов и отвалов на большинстве угольных карьеров производилась только на стадии строительства. На некоторых предприятиях параметры устойчивых бортов и уступов приняты методом аналогий по схожим горно-геологическим условиям соседних участков. Однако, в условиях современных рыночных отношений и конкурентной борьбы между обособленными предприятиями, обмен опытом отработки запасов на схожих по условиям эксплуатации участках практически от-
сутствует.
Между тем, использование высокопроизводительной техники и новых технологий ведения открытых горных работ, требует более тщательного изучения условий залегания и физико-механических свойств пород.
Экономическая эффективность отработки запасов также подразумевает разработку оптимальных параметров и схем ведения горных работ на каждом локальном участке (районе) в пределах отдельного предприятия или даже его участка. Выходом из сложившейся ситуации, по мнению авторов, является выполнение комплекса работ по оценке устойчивости бортов и уступов на каждом эксплуатационном участке. Под комплексом работ в данном случае понимаются:
- инженерно-геологические изыскания по уточнению условий залегания и литологического строения массива горных пород с изучением их физикомеханических свойств;
- ретроспективный анализ опыта эксплуатации участков с подобными условиями;
- районирование исследуемого участка в пределах выявленных интервалов изменчивости показателей, определяющих поведение пород в массиве;
- прогнозирование для каждого района оптимальных параметров бортов и уступов, удовлетворяющих условию устойчивости;
- составление рекомендаций по планированию горных работ на разных стадиях эксплуата-
Рис. 1. Положение геологоразведочных выработок на участке гидромеханизации:
■ С-1 - инженерно-геологические скважины; • №1 - закопушки (глубиной до 0,6 м); ■ СЗ-1 - точки статического зондирования
ции, учитывающих горно-
транспортное оборудование предприятия.
Приведем как пример реализации такого комплексного подхода при определении параметров гидровскрышного борта для Сартакинского угольного разреза, где в 2003 г. произошёл значительный по последствиям оползень борта рыхлых четвертичных отложений [1]. На участке гидромеханизации площадью около 60 га были проведены детальные инженерногеологические изыскания по изучению свойств рыхлых четвертичных отложений (рис. 1).
Пробурено три геологические скважины (С-1, С-2 и С-3) на полную мощность рыхлых отложений с заглублением на 2
м в коренные породы, в шести точках проведено статическое зондирование (СЗ-1^СЗ-6) на глубину до 20 м и пройдено четыре закопушки (№1^№4).
Лабораторными исследованиями грунтов, отобранных при изысканиях, установили, что в пределах такого незначительного по площади участка показатель удельного сцепления изменяется в широком диапазоне от
0,3 т/м2 до 7,2 т/м2 (табл. 1). Изменчивость свойств отмечается как по площади, так и по глубине. Поэтому для выделения
участков с выдержанным литологическим строением и однородными гидрогеологическими условиями выполнено районирование участка. С учетом изменчивости свойств по глубине
толщу грунтов разделили на два уступа (верхний и нижний). По верхнему уступу в силу значительного изменения характеристик сцепления инженерногеологических слоев грунта дополнительно проведено площадное районирование с выделением двух зон, условно названных зонами прочности №1 и №2 (рис. 1). В пределах каждой зоны изменчивость свойств грунтов составляла не более 5 %.
С учетом районирования участка определены углы устойчивых уступов при различной их высоте (табл. 2). Результаты расчета показали следующее:
• при естественном состоянии рыхлых четвертичных
Таблица 1
Физико-механические свойства пород участка гидромеханизации
Состояние пород Плотность, т/м3 Сцепление, т/м2 Угол внутреннего трения, град
мин макс нор. рас. мин макс нор. рас. мин макс нор. рас.
Суглинок (слой 3, элемент 3б)
естественное 1,87 1,88 1,88 1,85 - - - - - - - -
водонасыщен. 1,94 1,99 1,97 1,84 0,3 1,2 0,8 0,3 18 25 22 18
Суглинок (слой 3, элемент 3в)
естественное 1,90 1,97 1,93 1,76 1,5 2,1 1,8 1,5 18 19 19 18
водонасыщен. 1,93 1,98 1,95 1,83 0,3 1,2 0,8 0,3 18 25 22 18
Суглинок (слой 4)
естественное 1,83 1,96 1,90 1,87 3,0 4,1 3,6 3,2 18 25 22 20
водонасыщен. 1,87 2,01 1,95 1,92 1,7 2,7 2,2 1,7 21 25 23 21
Суглинок (слой 5)
естественное 1,93 2,00 1,96 1,95 2,3 7,2 3,4 2,9 17 27 22 21
водонасыщен. 1,95 2,01 1,98 1,97 - - - - - - - -
Таблица 2
Параметры устойчивых уступов на участке гидромеханизации
Высота уступа, м Угол откоса уступа (град) при различных значениях коэффициента запаса устойчивости и состояния грунтов
фактические значения 1 п=1,2 (в сезоне) п=1,3 (зимний период) п=1,5 (погашение запасов)
есте- ствен- ное водонасыщен- ное есте- ствен ное водонасы- щенное есте- ствен- ное водонасы- щенное
№12 №2 №1 №2 №1 №2
Нижний уступ
10 - 66 56 47
20 61 44 35 30
30 - 35 28 24
Верхний уступ
10 - 55 44 32 53 42 29 44 33 24
20 40 36 29 23 33 26 22 27 22 18
30 - 29 27 20 27 23 19 21 19 16
Примечания:
1. Приведены максимальные значения, определенные по данным аэрофотосъемки.
2. №1 и №2 обозначены зоны районирования участка по прочностным характеристикам грунтов.
отложений расчетные углы откоса верхнего и нижнего уступов различаются между собой незначительно - 1-3°;
• при водонасыщенном состоянии грунтов верхнего уступа расчетные значения угла откоса для одной и той же высоты в разных зонах изменяются от 3° до 13°;
• при высоте уступа 20 м
фактические значения углов откоса (40 - 50°) повсеместно превышают расчетные (44° и 36° соответственно для нижнего и верхнего уступов).
На основании проведенных изысканий, районирования и расчетов разработаны технологические схемы ведения гидровскрышных работ, позволяющие реализовать расчетные
параметры уступов.
Проиллюстрируем использование расчетных параметров (табл.2) для составления технологических схем размыва грунтов.
Для отработки верхнего уступа высотой 30 м (рис. 2) установка гидромонитора в забое производится торцевым способом, а размыв - боковым (ком-
Рис. 2. Технологическая схема размыва комбинированным забоем
бинированный забой). В связи с тем, что ведение гидровскрышных работ по расчетным значениям углов технологически невозможно, углы откоса уступа приняты исходя из технологии и практики ведения гидровскрышных работ (для торцевого участка забоя - 47°, а для бокового - 53°). Для предотвращения опасных деформаций из-за несоответствия принятых и расчетных значений углов откоса уступа, предусмотрены сле-
дующие мероприятия по обеспечению безопасных условий работы:
- на верхней площадке уступа в натуре обозначают берму безопасности, ширину которой
определяют из построения призмы возможного обрушения (рис. 2);
- на нижней площадке уступа формируют зону с обратным уклоном, ширину которой определяют как расстояние от гидромонитора до нижней бровки уступа[2].
В рассматриваемом примере при шаге передвижки монитора 32 м параметры заходки составят по фронту Аф=42 м, в торце
- Ат=60 м, что позволит эффективно вести гидровскрышные работы, не превышая параметры устойчивых уступов. При этом максимальный радиус действия струи гидромонитора Ктах не превысит 82 м при эффектив-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ном значении Кэф.д=50 м. Повышение безопасности работ в условиях превышения расчетных значений устойчивых уступов обеспечивается установкой гидромонитора на насыпной подушке высотой около 1^3,5 м.
К настоящему времени, авторам, в ходе экспертизы промышленной безопасности, удалось выполнить ряд работ по данной методике на предприятиях Кузбасса. Результаты эксплуатации участков открытых горных работ с учетом составленных рекомендаций, в данное время, анализируются и обобщаются.
1. С.П. Бахаева, М.А. Кузнецов, Е.В. Костюков. Условия и причины оползней изотропных массивов на угольных разрезах Кузбасса // Маркшейдерский вестник. - 2004. - №1. - С. 43-47.
2. Правила безопасности при разработке угольных месторождений открытым способом. ПБ 05-619-
03. / Утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 30.05.03. №45.
□ Авторы статьи:
Бахаева Светлана Петровна
- канд. техн. наук, доц. каф. маркшейдерского дела, зам. директора НФ «КУЗБАСС-НИИОГР» по геолого-маркшейдерским исследованиям и экспертизе
Кузнецов Максим Аркадьевич
- руководитель группы геомеханических исследований НФ «КУЗБАСС-НИИОГР»
Костюков Евгений Владимирович аспирант каф. теоретической и геотехнической механики
