CC BY
81
------------------------------------- © С.П. Решетняк, А. Л. Билин,
2005
УДК 622.271
С.П. Решетняк, А.Л. Билин
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ БОРТОВ КАРЬЕРОВ В ПРЕДЕЛЬНОМ ПОЛОЖЕНИИ УСТУПАМИ С КРУТЫМИ ОТКОСАМИ
~И~¥ редставленные результаты получены
АЛ в 1998-2001 гг. при разработке Горным институтом КНЦ РАН концепции геоме-ханического и технологического обоснования параметров бортов с более высокими, чем по действующему проекту, углами наклона для карьера ОАО «Ковдорский ГОК».
С целью определения и обоснования предельно допустимых углов наклона бортов на карьере еще в конце 80-х - начале 90-х годов были проведены комплексные исследования прочностных свойств прибортового массива железорудного карьера [1]. Прочностные испытания образцов показали, что ключевая инженерно-геологическая характеристика - глубина трещины отрыва Н90 - для различных пород Ковдорского месторождения составляет от 150 до 300 м. По результатам геомеханических исследований было подтверждено отмеченное ранее другими исследователями увеличение прочностных свойств слагающих борт пород с глубиной и обоснована принципиальная устойчивость бортов с углами наклона около 60° в случае отсутствия во вмещающем массиве горных пород неблагоприятно расположенных геолого-
структурных ослаблений [2].
На основе проведенных исследований ОАО «Институт Гипроруда» рекомендовало увеличение общего угла наклона борта по 7 инженерно-геологическим секторам с 35-40° до 4253° [3]. Однако, принятая в предпроектных проработках конструкция борта (ширина бермы безопасности - 10 м и угол откоса уступа -60° при высоте сдвоенных уступов 24-30 м) предопределила невозможность увеличения общего угла наклона борта. После вписывания в карьер транспортных коммуникаций увели-
Рис. 1. Конструкция борта этапа
чение проектной глубины карьера составило лишь 15 м (с 560 до 575 м).
В итоге потенциал увеличения угла наклона борта был сведен «на нет» невозможностью отстроить такой борт конструктивно, исходя из нормативных параметров конструкции уступа.
Специалисты по устойчивости бортов карьеров также выделяют целый класс карьеров в «высокопрочных» массивах, борта которых заведомо устойчивы, т. к. угол их наклона определяется не физической устойчивостью, а конструкцией борта и параметрами системы транспортных коммуникаций [4]. Для увеличения угла наклона борта они рекомендуют увеличивать высоту уступов на конечном контуре при сохранении прежними углов откосов уступов.
Для кардинального решения проблемы увеличения углов наклона бортов карьера ОАО «Ковдорский ГОК» Горным институтом КНЦ РАН во второй половине 90-х годов было предложено применение на конечном контуре карьера уступов с вертикальными откосами (рис. 1).
Принципиальная возможность применения уступов с вертикальными откосами рассмотре-
' і 50° ,40*
на в расчетной схеме I методики ВНИМИ 1972 г. /5, стр. 21; 6, стр. 25/. При этом в случае отсутствия неблагоприятно ориентированных ослаблений устойчивая высота уступа с вертикальным откосом НВ больше глубины трещины отрыва Н90:
Нв = Н90 (1 + л/стТк*Тд(45°+"р72) ), м,
где ст - удельная прочность породы на растяжение, МПа; к - сцепление горной породы, МПа; р - угол внутреннего трения, градус.
Однако в практике проектирования продолжает сохраняться рекомендация отстраивания откосов сдвоенных и строенных по высоте уступов в высокопрочных массивах под углами 65-70° [5, стр. 50, табл. 7; 6, стр. 31; 7, стр. 19], в то время как углы откосов рабочих уступов могут достигать 80°.
Данная рекомендация, по-видимому, осталась от более ранних нормативных документов, когда оформление уступов на конечном контуре осуществлялось за счет ручной оборки уступов, сформированных без применения специальных способов заоткоски. А после введения метода предварительного щелеобразова-ния откосы уступов по-прежнему продолжали формировать под углами, рекомендованными сложившимися проектно-нормативными документами.
Вместе с тем защита забортового массива от действия технологических взрывов создала условия для формирования уступов с вертикальными откосами, а применение последних в высокопрочных массивах обеспечивает предпосылки увеличения углов наклона бортов. В результате узкоспециальный (не системный) подход к комплексу инженерно-геологических проработок, проектированию карьеров, специфике горного машиностроения и особенностям эксплуатации месторождений привел к «консервации» состояния неиспользования «косвенного» эффекта от
предварительного щелеобра-зования.
Для предварительного анализа были приняты два варианта конструкции борта Ков-дорского карьера - под углами 50 и 60°. Конструктивный угол откоса борта 60° (2-й вариант) получается при чередовании уступов с вертикальными откоса-
ми высотой по 30 м с бермами безопасности шириной 17,3 м (рис. 1). При этом для обеспечения технологического транспорта руды в качестве базового варианта предполагается использование системы подземных автомобильных уклонов. Альтернативой последней является использование крутонаклонных конвейеров или скипового подъема. Бермы безопасности при этом следует предусматривать с продольным уклоном для обеспечения транспортного доступа в любое место борта. Одна из спиралевидных берм при этом может нести на себе функцию вспомогательной хозяйственной (нетехнологической) автодороги.
Если систему автосъездов разместить на таком борту через три сдвоенных уступа на четвертом без использования подземных коммуникаций (1-й вариант), то результирующий угол наклона борта составит около 50°.
Средний прирост глубины карьера по сравнению с проектным контуром оценен для 1-го и 2-го вариантов конструкции борта, соответственно, в 75 и 350 м. При скорости углубки около 7 м/год дополнительные запасы обеспечивают, соответственно, 10 и 50 дополнительных лет эксплуатации месторождения открытым способом.
Как видим, более предпочтительный по приросту запасов 2-й вариант технологически более сложен, имеет большее количество конструктивных альтернатив и требует более тщательного геомеханического обоснования.
Времени на такое обоснование и на апробацию технологий формирования и обслуживания борта недостаточно. Чтобы изначально не загубить идею «глубокого карьера с крутыми бортами», нами было рекомендовано выделение пространственного этапа в контурах проектного карьера с конструкцией борта по 1-
Таблица 1
Расчет расстояния падения камня с уступа высотой 30 м при скошенной плоскости у верхней бровки уступа, расположенной под углом 45°
#5"
Ьь м О 'і > Ь2, м и 'І !>
1 2,8 4,43 24
2 3,96 5,94 23,8
3 4,85 6,95 23,5
му варианту.
Рис. 2. Схема к расчету расстояния падения камней
ь
а) А / г / / / / \ \ 1 1 1
/ / / 2 2 4 2 7
1 1 7
А\--^
/ / / / 2 1 г 2 , 2 4 2
13 1 '
Рис. 3. Варианты конструкции предохранительной бермы
Моделированием карьера и месторождения в программном комплексе ОеоТесИ-3Б, развиваемом в Горном институте КНЦ РАН, осуществлено выделение пространственного этапа и определены предельные сроки начала его отработки (2009-2013 гг.). К этому времени необходимо определиться с конструкцией борта на конечном контуре карьера и схемой вскрытия глубоких горизонтов.
Был осуществлен детальный анализ конструктивных параметров борта.
После формирования вертикального откоса в верхней части откоса уступа возможно формирование поверхностей скольжения, являющихся следствием перебуров взрывных скважин и естественных систем трещин. Наиболее опасными являются поверхности с углом 45° (рис. 2).
Скатываясь по такой поверхности шириной Ьь кусок породы приобретает начальную скорость У1 и пролетает некоторое расстояние от откоса уступа Ь2, развив скорость У2 (табл. 1).
Таким образом, при падении с уступа высотой 30 м камни могут улетать от нижней бровки уступа на расстояние до 7 м, за которым и следует размещать предохрани-тельно-отражающий породный вал.
Рис. 4. Паспортная (а) и рекомендуемая (б) конструкции транспортных берм
Таблица 2
Угол наклона борта
Ширина предохранительной бермы, м Ширина транспортной бермы, м
36 34 31
17 54° 54,6° 55,6°
13 58° 58,6° 59,8°
В зависимости от размещения технологической полосы (перед или за предохранительным валом) необходимая ширина предохранительной бермы составляет 13 или 17 м (рис. 3).
При определении ширины транспортной бермы в качестве исходного аналога принята конструкция транспортной бермы по технологическому паспорту дорог ОАО «Ковдор-ский ГОК» (рис. 4) - для грузоподъемности самосвалов до 180 т, их ширине до 6,5 м и I категории грузонапряженности.
Рекомендуемая ширина транспортной бермы составила 36 м без применения специальных конструкций ограждений дороги.
В итоге, результирующий конструктивный угол наклона конечного борта составил от 54° до 59°50' для 1-го варианта схемы вскрытия (табл. 2), который и можно использовать для конструирования борта промежуточного этапа.
В нашем случае с учетом отсутствия опыта применения уступов с вертикальными откосами и временности пространственного этапа в качестве базовой рекомендована конструкция транспортной бермы с шириной 36 м и предохранительной бермы с шириной 17 м.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Опыт ведения работ по повышению устойчивости уступов и бортов карьеров и использования новой техники в горнодобывающей промышленности: Тез. докл. науч.-тех. конф., май 1990 г., г. Ковдор, отв. редактор С. П. Решетняк. Мурманск, изд. Дома науки и техники Союза НИО СССР, 1990. - 75 с.
2. Козырев А.А., Павлов В.В., Савченко С.Н. Об оценке устойчивости бортов глубоких карьеров в высоконапряженных скальных массивах// Комплексная разработка рудных месторождений мощными глубокими карьерами, - Апатиты, изд. КНЦ РАН, 1995. - С. 79-89.
3. Предпроектные проработки по оптимизации параметров и режимов развития карьера в проектных контурах в связи с уточнением углов наклона бортов и технических решений по ЦПТ Ковдорского ГОКа (IV часть): Отчет по х/д № 1602-70-95/ АО «Гипроруда»: гл. инж. ин-та Н.В. Черевко, гл. инж. проекта Ю.П. Найко. -СПб, 1996. - 214 с.
4. Галустьян Э.Л. Технологические аспекты проблемы оптимизации углов наклона бортов карьеров// Горный информационно-аналитичес-кий бюллетень, 1999, № 2. - М., изд. МГГУ. - С. 227-230.
5. Методические указания по определению уг-
лов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров/ ВНИМИ; Составители: Г.Л. Фисенко, В.Т. Сапожников, А.М. Мочалов, В.И. Пушкарев, Ю.С. Козлов. - Л., изд., ВНИМИ, 1972. -165 с.
6. Нормы технологического проектирования
горнодобывающих предприятий черной металлургии с открытым способом разработки. - Л., изд. Гипроруда, 1977. - 456 с.
7. Нормы технологического проектирования
горнодобывающих предприятий черной металлургии с открытым способом разработки. - Л., изд. Гипроруда, 1986. - 264 с.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------------
Решетняк Сергей Прокофьевич — доктор технических наук, зав. лаб. теории комплексного освоения и сохранения недр, Горный институт Кольского научного центра РАН, г. Апатиты Мурманской области.
Билин Андрей Леонидович — кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, Горный институт Кольского научного центра РАН, г. Апатиты Мурманской области.
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАКЕЕВСКИЙ НА УЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ПУДРИК Валерий Юрьевич Разработка метода локального прогноза эндогенной пожарной опасности выемочного участка в процессе ведения горных работ 21.06.02 к.т.н.
ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ УРО РАН
ЛЕВИН Лев Юрьевич Исследование и разработка энергосберегающих систем воздухоподготовки для рудников 25.00.20 к.т.н.
