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

© Д Б.А. Храмцов, О.А. Рыбка, С.Е. Волынский, 2007

УДК 622.8

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

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

В настоящее время на железорудных карьерах и карьерах 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 и более метров. 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.

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-И» на восточном борту Стойленского карьера в 1996 г. произошло обрушение рабочего уступа (отм. 163,4191,3), в результате которого погиб машинист роторного экскаватора ^-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

tg9

f rr „

XPi cosSj + ZPi cosSj + Psinm + с(lx +12)

ff

X ^ sinS + X ^ COsS + P cos m

(1)

Рис. 1. Схема к расчету коэффициента запаса устойчивости

п ф

М

, (2)

4 2

где P - вес блока BCDE; Р{, Р/ ' - вес элементарного столба породы в i-ой точке круглоцилиндрической поверхности скольжения; S, S!' - угол наклона касательной в i-ой точке круглоцилиндрической поверхности скольжения; 1 12 - 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[cosm - sin(a - м)] - Hctga) ; (3)

R

(H -H90)• tgM + H • ctga

cos м - sin (a - m) + tgM • [cos (a - /л)- sin /л]'

(4)

я

где Н - высота откоса; a - угол наклона откоса; H90 - высота

упругого слоя пород; у-объемный вес пород.

Длина круглоцилиндрической поверхности скольжения ENG равна

п • R •(90° - a)

I = ENG =------Ь------L . (6)

1 180°

Длина прямолинейного участка ED определяется из следующего выражения

,2 = ED = ^. (7)

sin м

На участке дуги круглоцилиндрической поверхности скольжения NG:

f 90°-a

XPi • cos S. = /• j h' • cos2 Sidd ; (8)

XP ■sin Si '= 2 у j К • sin2Si ' d&; (9)

в

90°-a

,, . (90°-a- в

h = 2R • sin

2в

__rv _(-) \ ( rv _L rr\ _\ ( rv A- rn _(-) \

; (10)

,a+ w-в. Л . (a + w-в.

cos I---------I tga - sin

2

в = arccos |cos m - °^a |- m, (11)

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

На участке дуги круглоцилиндрической поверхности скольжения NE:

в

X P " • cos S" = yj К" • cos2 S" de ; (12)

0

1 в

XP •sinS = 2y^jК-sin2S"i^; (13)

где hj" - высота элементарного столба породы в нй точке дуги круглоцилиндрической поверхности скольжения NE.

На основании аналитического метода расчета была разработана программа KRUG-1, с помощью которой были построены

*-н 14

И II

Э- 8-

У гоп наклона откоса о., градус

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

м

(4

о

о

в

и

И

О

и

о

У гоп наклона откоса а, градус

Рис. 3. График зависимости условной высоты откоса Н от угла наклона откоса при коэффициенте запаса п=1,5 графики зависимости условной высоты откоса Н' от угла наклона откоса а и угла внутреннего трения грунта ф при коэффициентах запаса устойчивости откоса п = 1,2 (рис. 2) и п = 1,5 (рис. 3).

Высота откоса находится из выражения:

С

Н = СН', У

(15)

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 KRUG-1 были рассчитаны безопасные параметры восточного борта карьера при наличии техногенных масс отвала на предельном контуре. При высоте 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».

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

Храмцов Б.А. - кандидат технических наук, доцент кафедры БЖД, БГТУ им. В.Г. Шухова,

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