CC BY
111
П.С. Шпаков, д.т.н., проф., Г.Г. Поклад, к.т.н., проф., В.Н. Долгоносов,
МИ ВлГУ, Воронежский Агроуниверситет, КарТУ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВНЕШНИХ ОТВАЛОВ НА ШУБАРКОЛЬСКОМ РАЗРЕЗЕ
При решении вопросов устойчивости откосов уступов и бортов разрезов нельзя отделять такой важный технологический процесс, как отвалообразование. В общем комплексе горных работ отвальное хозяйство занимает 10-30 %. Отвалообразование,
как и горные работы в разрезе, в ряде случаев сопровождается оползневыми явлениями. Поэтому вопрос устойчивости откосов отвалов ставится наряду с устойчивостью откосов разрезов в число важнейших.
Отвальные работы - это неотъемлемая часть, одно из звеньев технологического процесса открытых работ. Они характеризуются значительной трудоемкостью и довольно высокой стоимостью. Правильный выбор местоположения отвалов и их параметров, исключающих оползни и деформирование отвального массива, а также способа отвалообразования имеет, как и другие технологические процессы, большое значение для организации и осуществления ритмичной, высокопроизводительной добычи угля на разрезах.
На разведочно-эксплуатационном разрезе принята транспортная система разработки. Вскрышные породы вывозятся на внешние прибортовые отвалы автомобильным и железнодорожным транспортом. С достижением горными работами горизонта 430 м часть вскрышных пород вывозится во внутренние отвалы автотранспортом. Внешние отвалы занимают площадь, равную 3.4 млн м2 , в том числе: автомобильные-1.69 млн .м2 и железнодорожные-1.71 млн м2 . Железнодорожные отвалы размещаются на прибор-товой площади между выездными траншеями и развиваются в сторону выработанного про-
6 і 1999
странства, со временем занимая его. Создание внутреннего автомобильного отвала позволяет снизить транспортные затраты и предупредить сползание стационарного борта за счет пригрузки его внешними отвалами.
Формирование внутреннего отвала начинается, когда угол падения почвы угольного горизонта
о
будет меньше 12 . Постепенно весь автотранспорт переходит на отвалообразование только в выработанном пространстве.
Устойчивость отвалов достигается соблюдением параметров от-валообразования, соответствующих физико-механическим свойствам отсыпаемых пород и грунтов оснований, инженерногеологическим условиям площадки и технологии отвалообра-зования. Формирование отвалов Шубаркольского разреза осуществляется в довольно благоприятных инженерно-геологических условиях. Тем не менее периодические случаи деформаций откосов отвала вызывает необходимость их тщательного изучения, в результате чего могут быть уточнены значения физико- механических характеристик пород, слагающих отвалы. Одним из таких оползней был оползень на северном борту 2го яруса Восточного отвала. В районе оползня отсыпаемые породы представлены преимущественно аргиллитами в смеси с глинами верхних горизонтов. Кусковатость отсыпаемых пород по высоте отвала крайне неравномерная: от нескольких мм до 10-15 см в верхней зоне и до 1 м в нижней зоне откоса. Указанные породы нарушенной структуры отличаются малой стойкостью против выветривания. Коэффициент разрыхления пород принимался равным в среднем 1.2. Основанием 2-го яруса отвала являются уплотненные
породы нижележащего яруса аналогичного состава.
На участке оползня высота отвала достигала Н=24-24.5 м при
угле естественного откоса О = 35. В начальный период развития оползня на верхней площадке отвала в зоне разгрузки возникла серия трещин уплотнения, параллельно верхней бровки отвала. В дальнейшем происходило раскрытие этих трещин с постепенной осадкой приоткосной части отвала вплоть до обрушения откоса. в результате деформирования отвала на отстоянии 9-10 м от бровки отвала образовалась вертикальная стенка отрыва высотой до 3-х метров .
Смещение пород в нижней части отвала относительно первоначального положения распространялось до 17 м, что повлекло за собой выполаживание откоса до
о
20-22 с изменением его конфигурации; длина деформируемого участка откоса составила 100 м.
Следует отметить, что условия развития оползней откосов бульдозерных отвалов имеют некоторые особенности, связанные стехноло-гией отвалообразования. Формирования таких отвалов путем разгрузки автосамосвалов под откос или сталкивания пород бульдозером отличается малой скоростью подачи породы в отвал. Под действием движущихся горнотранспортных механизмов (автосамосвалов, бульдозеров) происходит уплотнение лишь поверхностных слоев пород. В процессе отсыпки пород под откос в результате естественной гравитационной сортировки в нижней части яруса формируется слой, состоящий из крупных (до 1 м) кусков породы. С течением времени под действием давления вышележащих слоев наиболее
237
Таблица 1
Результаты обратных расчетов оползня__________________________________
Номера разрезов Круглоцилиндрическая поверхность скольжения Поверхность скольжения, построенная по векторам сдвижения Средние
Сцепление к, т/м2 Угол внутр. трения р, град. Сцепление к, т/м2 Угол внутр. рения р, град. Сцепление к, т/м2 Угол внутр. трения р, град.
1-І 2,52 17,72 2,29 17,97 2,41 17.85
П-П 2,63 16,8 2,60 16,46 2,61 16,63
ш-ш 3,17 16,25 2,81 16,64 2,99 16,45
слабые породы разрушаются и заполняют макропоры, приводя к уплотнению отвальных пород и их осадкам. Поскольку уплотнение и осадка пород развивающегося отвала протекает неравномерно по площади отвала, это приводит к образованию на верхней площадке серий скрытых и зияющих трещин. Атмосферные воды, просачиваясь по трещинам вглубь отвального массива, существенно снижают прочность пород, что может привести к деформациям откоса. В результате под действием вышележащих пород происходит выдавливание пород нижнего слоя в сторону откоса с полным нарушением устойчивости отвала. Подобная картина возникает также при вывозе в отвалы смешанных со снегом пород.
Характерным для рассматриваемых оползней является отсутствие выпора в основании отвала, что свидетельствует о достаточной несущей способности пород основания. следовательно, в этих условиях параметры устойчивого отвала определяются физико-механическими свойствами отсыпаемых пород, возможными их изменениями под воздействием природных агентов (воздуха, ветра, солнца, атмосферных осадков, температурных колебаний и т.п.). Формой откоса в плане, углом наклона основания, а также режимом отсыпки отвала.
Таким образом напрашивается вывод, что параметры отвальных откосов не соответствуют действительным прочностным характеристикам отвального массива. При расчете параметров предельных откосов представленных смесью ко-
ренных пород и отсыпаемых на четвертичные отложения, были использованы следующие исходные данные, которые были рекомендованы институтом "УКРНИИпроект" по результатам лабораторных испытаний:
Породы отвала:
Р = 34°; к = 4.5 т/м2; у = 2.21 т/м2 .
Контакт в глинах основания: р
° о
= 10; к=1.0 т/м2 .
При п=1.2 для пород отвала расчетные параметры будут равны:
° 2 р =28 ; к = 3.7 т/м ; угол откоса
о
отвала О =35 .
По данным "УКРНИИпроект" по условию устойчивости предельная высота отвала рекомендована Н=37 м. Однако даже беглый анализ показывает, что полученные значения прочностных характеристик явно завышены. Например, выполненные по приведенным выше данным расчеты по [1] говорят о том, что предельная высота отвала равна Н пред. =121 м. Конечно, формирование одноярусного ото
вала высотой Н = 121 м при О=35 нереально. Этому можно дать простое объяснение. Приведенные прочностные характеристики получены по данным лабораторных испытаний на приборах с малой площадью сдвига. Как показывают многочисленные исследования, в том числе и наши [2], прочностные характеристики отвальных пород, полученные в лабораторных условиях, всегда завышены: для сцепления в 2-5 раз, угла внутреннего трения -до 1.5 раз. Наиболее надежные данные могут дать специальные
натурные испытания или результаты обратных расчетов оползней отвальных откосов.
С целью определения показателей прочности пород на сдвиг в момент нарушения предельного равновесия откоса нами были выполнены обратные расчеты оползня Восточного отвала по трем разрезам.
Обратные расчеты оползней и обрушений карьерных откосов дают возможность достаточно надежно установить значения прочностных характеристик горных пород (угла внутреннего трения р и и сцепления к) по фактическим поверхностям скольжения с учетом природных факторов, определяющих развитие оползневых процессов.
Расчет показателей прочностных свойств пород (р и к ) массива на участке оползня выполнялся по разработанной нами усовершенствованной методике обратных расчетов с использованием программы SS01 для ЭВМ /2,3/.
Обобщенные результаты расчетов приведены в табл.1 Средневзвешенные характеристики по всем разрезам исходя из данных табл. 1 получены следующие:
О °
к =2.67 т/м2 ; р = 17 .
Как видно, полученные прочностные характеристики существенно отличаются от характеристик, полученных институтом "УКРНИИпроект" из лабора торных испытаний. Поэтому за окончательные результаты принимаем данные, полученные из метода обратных расчетов оползней. В /4/ рекомендуется вводить в расчетные характеристики коэффициент запаса п=1.2. В рассматриваемом случае в связи с высокой достоверностью получения значений к и р на основе обратных расчетов, учитывающих совокупное влияние всех природных и технологических факторов в
конкретных условиях формирования отвала, рекомендуемая величина п представляется преувеличенной и в принципе могла бы быть принята равной п=1.00-1.05. Однако в рассматриваемых условиях для исключения случайных проявлений неблагоприятных явлений (таких как избыточное увлажнение отвальных пород и грунтов основания в результате обильных атмосферных осадков, резкие перепады высот земной поверхности локальных участков территории, отвалообразования и т.п.) и повышения надежности определения параметров устойчивого отвала в показатели сопротивления пород сдвигу нами вводился коэффициент запаса п =1.1 т.е. расчетные показатели равны:
к расч=2.43 т/м ; р расч= 15.6 ;
у =2.0 т/м3; О = 35 .
Достоверность определения параметров устойчивых уступов и бортов карьеров и оценки степени устойчивости горных пород в откосах связана с выбором надежного метода расчета, соответствующего горно-геологическим и горно-техническим условиям разработки месторождений.
Нами использовалась методика разработанная под руководством профессора П.С. Шпакова, которая одним из составных элементов включает пакет прикладных программ для решения комплекса задач устойчивости свободных и нагруженных откосов, а также мно
гослойных откосов для различных горно-геологических условий, правомерность использования которых подтверждено практикой [2,4,5].
Для определения параметров предельного откоса одноярусного и многоярусного отвала использовались программы PREDALP и SPSP01. Окончательные результаты расчетов приведены в табл. 2.
так и для отдельных сочетаний ярусов находятся с некоторым запасом, что позволяет уменьшить ширину площадок между ярусами.
Проведя ряд дополнительных расчетов с целью выявления такого контура отвала, который имел бы максимальную вместимость и в тоже время оставался устойчивым, как сам, так и отдельные группы ярусов, окончательно по-
Таблица 2
Параметры предельного отвала
Предельная высота Н, м 60 50 40 30 20
Предельный угол О,, град. 21.6 22.6 24.4 27.5 35
Таким образом, максимальная высота яруса отвала, рассчитанная по прочностным характеристикам, полученным из метода обратных расчетов оползней, составит Н пред = 20.0 м.
По параметрам предельного откоса был построен контур выпуклого профиля отвала высотой 60 м (проектная высота). В этот контур был вписан трехъярусный отвал, высота ярусов равнялась 20 м. Берма безопасности между первым и вторым ярусом составила 30 м, а между вторым и третьим ярусами-35.9 м. После построения контура трехъяруснсного отвала была осуществлена проверка его устойчивости по программе TKZY72. Результаты расчетов показали что все поверхности скольжения, как для всего отвала ,
лучим контур отвала который приведен на рис.1. Возле каждой поверхности скольжения подписаны значения коэффициента запаса устойчивости (рассчитанные для откосов находящихся в предельном состоянии).
Выполненные поверочные расчеты показывают, что в процессе формирования отвала путем последовательной отсыпки ярусов его устойчивость будет обеспечиваться. Исходя из реального состояния Восточного отвала отсыпка его в три яруса высотой по Н=20 м каждый возможна только в северной части отвала, транспортирование пород в которую производится железнодорожным транспортом. На действующем участке отвалообразования с автомобильным транспортом к настоящему
6 і 1999
237
времени отсыпаны три яруса со средней высотой 15 м. Поэтому аналогично предыдущему был выполнен расчет четырехъярусного отвала, позволивший определить параметры отвала обеспечивающие его максимальную вместимость с одновременным обеспечением его устойчивости. Окончательные параметры приведены на рис.2.
По рекомендуемым параметрам институтом КАРАГ АНДАГИП-РОШАШТ составлен проект и внедрен на производстве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Расчет устойчивости реальных карьерных откосов для геомеханической модели неоднородного массива /Шпаков П.С., Поклад Г.Г.,Ожигин С.Г.7 Омаров С.Т/ Изв.вузов. Горный журнал.- 1991.-N 9.- С. 51-55.
2. Попов И.И., Шпаков П.С.,Поклад Г.Г. Устойчивость породных отвалов.-Алма-Ата: Наука, 1987.- 223 с.
3.Поклад Г.Г.,Шпаков П.С., Ожигин С.Г.Комплексный подход к обоснованию показателей сопротивления сдвигу пород прибортового массива на основе обратных расчетов оползней //
Сб.науч.тр.- Серия "Горное дело". Вып.2/ КарПТИ.- Караганда, 1994.-С.113-118.
4. Временные методические указания по управлению устойчивостью бортов карьеров цветной металлургии /Министерство цветной металлургии СССР, УНИПРОМЕДЬ.- М.: 1989.-127с.
5. Шпаков П.С., Поклад Г.Г. Обоснование геомеханических моделей и расчетных схем для решения задач устойчивости карьерных откосов на ЭВМ // Изв. вузов. Горный журнал.- 1993.- N 9.- С. 60-67
© Шпаков П.С.
