Обеспечение безопасности ведения горных работ при формировании бортов карьеров в сложных инженерно-геологических условиях Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Б.А. Храмцов, О.А. Рыбка, С.Е. Волынский, 2008

Б.А. Храмцов, О.А. Рыбка, С.Е. Волынский

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

~П настоящее время на железорудных карьерах и карьерах

-Я-М строительной индустрии Белгородской и Курской областей осуществляется оформление постоянных бортов карьеров на предельном контуре в породах осадочной толщи.

На карьерах проведена корректировка проектов, связанная с изменением направления фронта добычных работ, которая привела к ухудшению инженерно-геологических условий за счет того, что горные работы осуществляются на территориях ранее отсыпанных отвалов рыхлой вскрыши, основания которых изрезаны балками и оврагами. Сложные гидрогеологические условия обусловлены наличием водоносных горизонтов, образовавшихся за счет вод атмосферных осадков между техногенными массами отвалов и породами осадочной толщи. В этот период происходит повышение уровней грунтовых вод, связанных с подтоплением промплощадок ГОКов, фильтрацией из хвостохранилищ и отвалов. Высота бортов карьеров в осадочных породах возросла на 50-100 м в зависимости от высоты отвалов рыхлой вскрыши. Откосы уступов и бортов карьеров в породах осадочной толщи и техногенных масс отвалов подвержены воздействию крупномасштабных оползней, которые охватывают значительные по протяженности участки, достигающие 500 м и более. Объемы таких деформаций могут составлять 1 млн м3.

В качестве примера можно привести результаты обработки данных по деформационным процессам на карьере ОАО «Михайловский ГОК» в период с 1998 года по 2003 год. Ежегодный объем деформаций в породах осадочной толщи возрос с 20 до 650 тыс. м3, размер экономического ущерба в 2003 году достиг 1 млн рублей.

84

Особенно опасными являются участки карьеров, на которых расположены техногенные массы отвалов. Примером тому является железнодорожно-автомобильный отвал «Стрелица», отсыпанный пятью ярусами и имеющий высоту 115 м. Складирование рыхлой вскрыши в отвал было завершено в 1978 году.

При отработке вскрышных пород и техногенных масс отвала на конвейерный транспорт роторным комплексом «Стойленский-II» на восточном борту Стойленского карьера в 1996 г. произошло обрушение рабочего уступа (отм. 163,4-191,3), в результате которого погиб машинист роторного экскаватора Ки-800. Подобные явления происходят постоянно, так в апреле 2005 года произошла деформация уступа гор. +150 м объемом 22,8 тыс. м3 (деформация № 1), а в октябре этого же года произошли почти одновременно два обрушения уступа гор. +150 м (деформации № 2 и № 3). Общий объем деформаций № 2 и № 3 составил 42 тыс. м3, общая длина по фронту 170 м, величина смещения от 15 м до 21 м. Наличие этих деформационных процессов показывает, что проектные параметры откосов были выбраны неправильно и не обеспечивали безопасность при формировании бортов карьера.

Для выбора безопасных параметров уступов и борта карьера в техногенных массах отвала «Стрелица» были выполнены обратные расчеты, в результате которых были получены следующие физико-механические свойства пород в техногенном массиве: для деформации № 1: угол внутреннего трения ф = 19,8° и сцепление С = 0,034 МПа; для деформаций № 2 и № 3: угол внутреннего трения ф = 12° и сцепление С = 0,05 МПа.

Для выбора безопасных параметров откосов уступов и бортов карьера был разработан аналитический метод расчета коэффициента запаса устойчивости, схема к расчету представлена на рис. 1.

Коэффициент запаса устойчивости в однородном откосе для круглоцилиндрической поверхности скольжения определяется с помощью следующего выражения

п =-

2Р соб5 - + 2Р СОБ5 - + Рэт¡и +с(( +12)

-; (1)

2 Р эт 5- Р эт 5- + Р соб и

85

Рис. 1. Схема к расчету коэффициента запаса устойчивости

п ф

/ =— ,

4 2

(2)

где P - вес блока BCDE; Р/, Р/' - вес элементарного столба породы в i-й точке круглоцилиндрической поверхности скольжения; S¡ ', St'' - угол наклона касательной в i-й точке круглоцилиндрической поверхности скольжения; l¡, l2 - длины поверхностей скольжения соответственно на криволинейном ENG и прямолинейном DE участках; ф - угол внутреннего трения пород; с - сцепление пород.

Ширина призмы возможного обрушения а и радиус круглоцилиндрической поверхности скольжения R равны

a = 2{r[co5^- sin(a-T)] - Hctga}; (3)

R =_(H - H 90 )• tg/ + H • Ctga_. (4)

cos /- sin (a - /u) + tg/• [cos (a - ju)- sin j ' H90 = ^ClYgT, (5)

где Н - высота откоса; a - угол наклона откоса; H90 - высота упругого слоя пород; у- объемный вес пород.

Длина круглоцилиндрической поверхности скольжения ЕNG равна

86

п-R-(90°-«)

i = eng =-i-. (6)

1 180°

Длина прямолинейного участка ЕБ определяется из следующего выражения

l2 = ED = . (7)

sin ц

На участке дуги круглоцилиндрической поверхности скольжения NG:

г 90°-«

XP- cos S\ = у - J К- cos2 S\dO; (8)

в

90°-«

1 90°-«

X P - sin^ '= - Y { h - srn2<d0; (9)

(10)

в

h, 2R ., 90° -а-О h = 2R - sin

а + ф-ОА . ( а + т-О cos I-L I tga - sin I

в = arccosjjcos j-0,Ra j - j, (11)

где h' - высота элементарного столба породы в i-й точке дуги круглоцилиндрической поверхности скольжения NG.

На участке дуги круглоцилиндрической поверхности скольжения NE:

в

XP" ■ cosSS = Y¡h" ■ cos2 S"de ; (12)

o

1в

XP'-sinS= -Y^h-sin 2SSde ; (13)

2o

h' = R ■ sin (ji + e)-]^R ■ cos (a-j)-H ] , (14)

где hi" - высота элементарного столба породы в i-й точке дуги круглоцилиндрической поверхности скольжения NE.

На основании аналитического метода расчета была разработана программа KRUG-1, с помощью которой были построены графики зависимости условной высоты откоса Н' от угла наклона откоса a и угла внутреннего трения грунта q> при коэффициентах запаса устойчивости откоса n = 1,2 (рис. 2) и n = 1,5 (рис. 3).

87

20 30 40 50 60 70 Угол наклона откоса ос, градус

Рис. 2. График зависимости условной высоты откоса Н' от угла наклона откоса при коэффициенте запаса п=1,2

Рис. коса

20 30 40 50 60 70 30 90

Угол наклона откоса а, градус

3. График зависимости условной высоты откоса Н' от угла наклона от-при коэффициенте запаса п=1,5

88

Высота откоса находится из выражения:

С

Н = — Н \ (15)

7

где Н - фактическая высота устойчивого откоса; С - сцепление пород; у - объемный вес пород; Н' - условная высота откоса.

Для выбора безопасных параметров уступов и бортов карьеров в породах осадочной толщи могут быть использованы графики, представленные на рис. 2 и 3.

Используя физико-механические свойства пород техногенных масс отвала «Стрелица», с помощью программы КЯив-1 были рассчитаны безопасные параметры восточного борта карьера при наличии техногенных масс отвала на предельном контуре. При вы-

о

соте борта равной 105 м угол наклона не должен превышать 17 . Высота уступов равна 15 м, а угол наклона - 35 .

Внедрение данных рекомендаций позволит предотвратить вероятность возникновения оползневых процессов на восточном борте карьера ОАО «Стойленский ГОК», г^ш

— Коротко об авторах -

Храмцов Б.А. - кандидат технических наук, профессор кафедры ИГиГГ, БелГУ,

Рыбка О.А. - ассистент кафедры БЖД, БГТУ им. В.Г. Шухова, Волынский С.Е. - аспирант, БелГУ

89

Д_

--© Ю.В. Шувалов, А.П. Бульбашев,