CC BY
46
© С.П. Решетняк, М.В. Мелихов, 2015
УДК 622.271, 622.012:556.3
С.П. Решетняк, М.В. Мелихов
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА АНКЕРНОГО КРЕПЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ РУЛНОГО КАРЬЕРА АО «КОВЛОРСКИЙ ГОК»
Проанализированы сведения о деформациях уступов и результаты опытов их крепления на карьере «Железный» АО «Ковдорский ГОК». Выполнена экономическая оценка анкерной крепи для условий рассматриваемого карьера на основе метода прямых затрат на бурение скважин и закупку основных материалов (анкеров, инъецируемого раствора и защитного сеточного покрытия). Рассмотрены анкеры, отличающиеся как по принципу их работы (анкеры с предварительным натяжением и без него), так и по материалу изготовления (отработавшие буровые штанги станков СБШ-250, стальные канаты, композитная арматура).
Ключевые слова: деформации карьерных уступов, крепление пород, анкерная крепь, буровая штанга, стальной канат, композитная арматура, защитное сеточное покрытие, метод прямых затрат.
Проблема геодинамической безопасности характерна для всех действующих глубоких карьеров. В этих условиях применение технологии формирования крутых бортов на их конечных контурах возможно только при строгом выполнении целого комплекса мероприятий, направленных на обеспечение устойчивости уступов и безопасности работы карьерного оборудования и персонала.
Одним из эффективных технических решений этой проблемы, особенно при невозможности разноса бортов по ряду причин, является крепление пород. За рубежом, в отличие от отечественной горной отрасли, этот подход достаточно хорошо развит и даже позволяет иметь реальную экономическую выгоду от проведенных мероприятий. Стоит заметить, что экономическая целесообразность проведения подобных мероприятий определяется в сравнении с затратами на выемку дополнительного объема вскрыши или возможным ущербом предприятию при их отсутствии.
Эксплуатируемый карьер «Железный» АО «Ковдорский ГОК», применительно к которому проводились исследования, является первым отечественным горнорудным предприятием, использующим технологию формирования сдвоенных 30-метровых уступов с вертикальными откосами на своем конечном контуре при устой-
чивых углах наклона бортов до 60е. Его проектная глубина составляет 810 м, фактическая — 450 м.
В настоящее время на карьере АО «Ковдорский ГОК» документально зафиксирован 21 случай деформаций уступов. Выявлено, что основные виды их деформаций — это плоские и клиновидные обрушения и осыпания горных пород. Также встречаются комбинации. Самое крупное событие произошло 24.08.2015 г., и, по предварительным данным, объем обрушенных пород составил около 100 тыс. мь Экспертами установлено, что основными причинами деформаций уступов на рассматриваемом карьере явились: 1) структурная нарушенность пород; 2) высокая обводненность пород; 3) сейсмическое воздействие взрывов и 4) несоответствие конструктивных параметров уступов прочностным свойствам пород.
На карьере Ковдорского ГОКа трижды ставились опыты по креплению уступов:
■ в 2005 г. производилась цементация пород, но по результатам контрольного вскрытия укрепленного уступа не было выявлено инъецированного раствора;
■ в 2010—2013 и 2013 гг. производился монтаж анкерно-тросово-сетчатых завес швейцарского и японского производства с использованием глубинных и поверхностных анкеров, соответственно (рис. 1). Однако, несмотря на достаточно широкое применение подобных завес во многих отраслях промышленности, опыт их внедрения на конкретном объекте в целом не следует пока называть успешным, т.к. промышленные работы проводились без должного научно-методического сопровождения. В результате, как это показано на рис. 1, произошел полный или частичный отказ крепи в
Рис. 1. Опыт монтажа анкерно-тросово-сетчатой завесы: круг — видимый отказ анкера; прямоугольник — отказ тросово-сетчатого покрыпия: а — швейцарского производства в 2010-2012 гг. (фото от 2014 г.); б — японского производства в 2013 г. (фото от 2015 г.)
обоих случаях. На рис. 1, а отмечены: видимый отказ группы анкеров из-за неудержания ими призмы обрушения (причем в некоторых местах на образовавшейся поверхности откоса не наблюдаются выходы отверстий буровых скважин) и разрыв тросов с сеточным покрытием. На рис. 1, б отмечен видимый отказ трех анкеров из-за их вырывания вместе с замковой частью. Приведенные результаты опытов, в первую очередь, свидетельствуют о неправильном выборе исполнителем работ конструкций анкеров и технологии их монтажа в конкретных инженерно-геологических условиях.
По результатам комплексных инженерно-геологических изысканий (проведены АО «МГРЭ» и Геологическим институтом КНЦ РАН) и геомеханического районирования (проведено Горным институтом КНЦ РАН) [1] в карьере Ковдорского ГОКа были выделены три наиболее типичные схемы нарушенных зон (рис. 2), подлежащих креплению: 1) ближняя; 2) средняя и 3) дальняя.
На основе анализа мирового опыта крепления скальных пород для выявленных зон Горным институтом КНЦ РАН [1] рекомендована и рассмотрена, как одна из перспективных, анкерная крепь (для первых двух зон в сочетании с сеточным покрытием). Экономическая оценка сравниваемых вариантов выполнялась методом подсчета прямых затрат (в ценах 2014 г.) на бурение скважин и закупку основных несущих материалов (анкеров, инъецируемого раствора и сеточного покрытия). В расчетах рассмотрены анкеры, как с предварительным натяжением, так и без него. Стоит отметить, что в обоих типах анкеров скважины необходимо инъецировать вяжущим материалом: для первых — их замковой части или на всю длину скважин, а для последних — только на всю длину скважин [2]. В качестве основы инъецируемого раствора принят цемент марки М400. Коэффициент надежности крепи равен 1,8.
а) б) в)
Рис. 2. Типичные схемы нарушенных зон на карьере Ковдорского ГОКа, подлежащих креплению [1]: а - ближняя; б - средняя; в - дальняя
1. Предпроектные расчеты анкерной крепи в ближней зоне (рис. 2, а)
1.1. Характеристика ближней зоны
Ближняя зона образована дезинтегрированными породами, развита вглубь массива в верхней части уступа на расстояние до 6 м и имеет склонность к интенсивному выветриванию. Так как мощность нарушенной зоны в верхней части уступа превышает проектные значения, а отдельно падающие куски породы представляют угрозу карьерному оборудованию и персоналу, то необходимо заранее предусмотреть возможность её крепления. При этом целесообразно нарушенную зону крепить по всей её площади и на всю её мощность. Объем пород в призме возможного обрушения равен 90 м3, а ожидаемое давление призмы обрушения составит до 325 тс на 1 п. м протяженности 30-метрового уступа.
1.2. Варианты анкерной крепи ближней зоны
Для крепления ближней зоны существует наибольший выбор вариантов анкерной крепи, поэтому для сравнения были выбраны следующие анкеры, прежде всего, отличающиеся по материалу исполнения:
■ штанга буровая на станок СБШ-250 110/8200 (диаметр/длина) из стали Ст45. Ее выбор обусловлен наличием на производстве, т. к. уже бывшая в употреблении и не пригодная для бурения, она в дальнейшем может использоваться в качестве элемента крепи, что позволит предприятию в какой-то степени сэкономить на материалах;
■ оцинкованный стальной канат двойной свивки типа ЛК-РО конструкции 6*36(1+7+7/7+14)+7*7(1+6) диаметром 23 мм (ГОСТ 7669-80). Его выбор обусловлен тем, что такой способ крепления уступа является более простым в технологии проведения работ, а также возможностью более широкого выбора длины и диаметра каната. В строительной промышленности существует множество стальных канатов различной конструкции, однако при их работе в агрессивных средах рекомендуются канаты с маркировкой ЛК-РО;
■ арматура композитная полимерная АСК-16 (в каждой скважине по две штуки диаметром 16 мм каждая). Ее выбор обусловлен тем, что она является новым высокотехнологичным строительным материалом, обладающим рядом уникальных свойств. Например, она более чем в восемь раз легче и более чем в два раза прочнее стальной арматуры и обладает высокой коррозионной стойкостью (по заявлению производителей примерно 80 лет).
1.3. Анализ результатов расчета анкерной крепи ближней зоны
Результаты сравнения прямых затрат приведены на рис. 3 и в табл. 1, откуда видно, что при одинаковом количестве анкеров и шаге между анкерами, установленными с предварительным натяжением, наиболее экономичным (при взятых рыночных ценах) из всех сравниваемых вариантов является использование канатов. При омо-ноличивании цементным раствором всей длины скважин затраты вырастут на 8,6 %. При покрытии пространства между анкерами полимерной сеткой с ячейкой 50x50 мм (1,5^30 м) затраты вырастут на 3,1 %. Аналогично, при использовании металлической сетки 50x50 мм диаметром проволоки 2,5 мм (2,0x10 м) затраты вырастут на 2,7 %. Очевидно, что использование сеточного покрытия незначительно удорожает анкерную крепь, но зато позволяет предотвратить осыпания кусков пород в пространстве между анкерами.
Применение композитной арматуры обойдется на 7,2 % дороже каната двойной свивки. И наиболее затратным на целых 362 % будет применение буровых штанг, даже при наличии их в качестве б/у на производстве. Но т. к. штанги обладают несушей способностью на порядок выше других сравниваемых вариантов (для крепления пород в призме обрушения достаточно всего двух штанг), то их целесообразно применять в весьма крепких и крупноблочных породах на глубинных горизонтах карьера или при пологом залегании плоскостей скольжения в качестве свай.
Рис. 3. График зависимости прямых затрат сравниваемых вариантов анкерной крепи в ближней зоне от протяженности (от 1 до 50 п. м) уступа
Таблица 1
Основные технико-экономические показатели сравниваемых вариантов анкерной крепи в ближней зоне на 1 п. м протяженности уступа
№ Наименование Ед. нзм. Варианты анкерной крепн
Вариант Ле 1. Бур. штанга от СБШ-250 из Ст45 Вариант \ё 2. Канат двойной свнвкн типа ЛК-РО Вариант № 3. Арматура композитная АСК-16
1 Диаметр/Несущая способность 1 элементакрепн мм/тс 110/495,9* 23/32,1 32/33
2 Общее количество анкеров ед. 13
3 Шаг меяду анкерами до вертикали м 2,0
4 Требуемая величина сцепления замка анкера кгс/см* 77,6 100,0 109,7
5 Необходимая длина замка анкера м 2,2 1,1 0,9
б Общая длина скважин м 92,7 74.4 69.8
7 Общая длина анкеров м 94,5 76,2 118,3
Общий объем раствора в замковой части сыгазнн м' 133,5 3,1 4,6
9 Стоимость 1 и. м анкера руб. 216 000" 175 100'**
10 Стоимость бурения 1 п. ы сььажнны руб. 6 535 2 335 2 671
11 Стоимость 1 тонны инъецируемого раствора руб. 7 846
12 Общая стоимость бурения скважин тыс. руб. 606,1 173,7 186,4
13 Общая стоимость анкеров (в скобках б/у) тыс. руб. 3 888,0 (0) 3.1 1.8
14 Общая стоимость раствора тыс. руб. 235,7 5.5 8,2
15 Общая стоимость**** (в скобках с учетам б/у материалов) тыс. руб. 4 729,8 (841,8) 182,3 196,4
Примечание: *- нес.способность с учетом 20%-ого износа; ** - стоимость одной штанги: *** - общая стоимость двух арматур АСК-16 в одной скважине: **** - прн оценке стоимости не учитывались материалы с устройствами затяжки анкеров на поверхности откоса (при одинаковом количестве анкеров их количество и. следовательно, стоимость одинакова).
СО 00 со
оо Таблица 2
Основные технико-экономические показатели сравниваемых вариантов анкерной крепи в средней зоне на 1 п. м протяженности уступа
№ Наименование Ед. изм. Варианты анкерной крепи
Вариант № 1. Канат диаметром 25.5 мм Вариант № 2. Канат диаметром 42 мм Вариант № 3. Канат диаметром 72 мм
1 Несущая способность 1 элемента крепи тс 35,9 97,4 276,8
2 Общее количество анкеров ед. 24 9 3
3 Шаг между анкерами по вертикали м 1,3 3,0 7,5
4 Требуемая величина сцепления замка анкера кгс/см3 133,2
5 Необходимая длина замка анкера м 0,9 1.4 2,4
б Общая длина скважин м 177,5 73,3 29,9
7 Общая длина анкеров м 179,9 74,2 30,2
8 Общий объем раствора в замковой части скважин м> 3.8 6,4 10,7
9 Стоимость 1 п. м анкера руб. 157,2 370,8 1 027
10 Стоимость бурения I п. м скважины руб. 2 335 3 175 4 855
11 Стоимость I тонны инъецируемого раствора руб. 7 846
12 Общая стоимость бурения скважин тыс. руб. 414,5 232,6 145,1
13 Общая стоимость анкеров тыс. руб. 3,8 3.3 3,1
14 Общая стоимость раствора тыс. руб. 6,7 11,3 18,9
15 Общая стоимость тыс. руб. 425,0 247,2 167,1
Крепление ближней зоны анкерами без предварительного натяжения при рассматриваемых параметрах нарушенной зоны нецелесообразно из-за малого шага между элементами крепи, равном меньше 1 м (рекомендуется не меньше 1 м [2]). Например, крепление уступа буровыми штангами без предварительного натяжения следует рассматривать при мощности нарушенной зоны не больше 4 м.
2. Предпроектные расчеты анкерной крепи в средней зоне (рис. 2, б)
2.1. Характеристика средней зоны
Средняя зона образована плоской трещиной, развита вглубь массива в верхней части уступа на расстояние до 15 м и имеет склонность к обрушению. Объем пород в призме возможного обрушения равен 225 м3, а ожидаемое давление призмы обрушения составит до 462 тс на 1 п. м протяженности 30-метрового уступа.
2.2. Варианты анкерной крепи в средней зоне
Для крепления средней зоны был рассмотрен предварительно-напряженный оцинкованный стальной канат двойной свивки типа ЛК-РО конструкции 6*36(1+7+7/7+14)+1о.с. маркировочной группы 1770 Н/мм2 разных диаметров:
■ малого (25,5 мм);
■ среднего (42 мм);
■ максимального (72 мм).
2.3. Анализ результатов расчета анкерной крепи в средней зоне
Результаты сравнения прямых затрат приведены на рис. 4 и в
табл. 2, откуда видно, что наиболее экономичным из всех сравниваемых вариантов является применение каната наибольшего диаметра 72 мм. То есть в этих условиях при использовании анкеров большего диаметра затраты на приобретение материалов перекрываются экономией затрат на бурение скважин.
При омоноличивании цементным раствором каната диаметром 72 мм на всю длину скважин затраты вырастут на 36 %. При покрытии пространства между анкерами полимерной или металлической сеткой затраты вырастут на 2,8 и 3,8 %, соответственно. В данном случае выгода в пользу полимерных сеток обусловлена меньшим количеством используемых рулонов.
Применение канатов диаметром 42 и 25,5 мм обойдется дороже каната диаметром 72 мм на 48 и 154 %, соответственно, на 1 п. м протяженности уступа. Однако в пользу целесообразности их использования необходимо отнести оптимальную величину шага крепи между отдельными ее элементами (3 и 1,3 м, соответственно).
Рис. 4. График зависимости прямых затрат сравниваемых вариантов анкерной крепи в средней зоне от протяженности (от 1 до 50 п. м) уступа
3. Предпроектные расчеты анкерной крепи в дальней зоне (рис. 2, в)
3.1. Характеристика дальней зоны
Дальняя зона образована подсекающей группу уступов плоской трещиной, развита вглубь массива относительно проектного контура карьера на расстояние до 100 м и имеет склонность к масштабному обрушению. Объем пород в призме возможного обрушения равен 7279 м3, а ожидаемое давление призмы обрушения составит до 5072 тс на 1 п. м протяженности укрепляемого участка борта.
3.2. Варианты анкерной крепи в дальней зоне
Для крепления дальней зоны был рассмотрен оцинкованный стальной канат двойной свивки типа ЛК-РО конструкции 6*36(1+7+7/7+14)+1о.с. маркировочной группы 1770 Н/мм2 с максимально возможным диаметром 72 мм и при разных схемах его расположения на укрепляемом участке борта:
• при рядной (когда анкеры располагаются на поверхности уступов с одинаковым шагом и углом наклона к поверхности скольжения);
• при веерной (когда группы анкеров располагаются под разными углами наклона к поверхности скольжения и имеют общее место заложения скважин на поверхности уступа или в замковой части крепи).
3.3. Анализ результатов расчета анкерной крепи в дальней зоне
Результаты сравнения прямых затрат приведены на рис. 5 и в
табл. 3, откуда видно, что разница между сравниваемыми вариантами практически условная и составляет 3,8 % в пользу веерной схемы расположения анкеров при том, что оба варианта обладают разным техническим эффектом. При варианте с рядной схемой расположения анкеров он будет заключаться в более равномерном распределении удерживающих сил в массиве пород, а варианте с веерной — в вовлечении в активную работу практически всей толщи укрепляемого массива. Поэтому выбор в пользу одного из вариантов целесообразно делать на основе опытно-промышленных испытаний.
Таблица 3
Основные технико-экономические показатели сравниваемых вариантов анкерной крепи в дальней зоне на 1 п. м протяженности участка борта __
№ Наименование Ед. изм. Варианты анкерной крепи
Вариант № 1. Рядная схема расположения анкеров Вариант № 2. Веерная схема расположения анкеров
1 Несущая способность 1 элемента крепи тс 276.8
2 Общее количество анкеров ед. 33
3 Шаг между анкерами по вертикали/ по плоскости скольжения (графически) м 5,0-15.4 /11.1 15,1-27,0/11,1
4 Требуемая величина сцепления замка анкера кгс/см' 133,2
5 Необходимая длина замка анкера м 2,4
6 Общая длина скв ажин м 1 632,2 1 639,7
7 Общая длина анкеров м 1 635,5 1 643,0
Общий объем раствора в замковой части скважин м3 117,9
9 Стоимость 1 п. м анкера руб. 1 027
10 Стоимость бурения 1 п. м скважины руб. 5 183 | 4 967
11 Стоимость 1 тонны инъецируемого раствора руб. 7 846
12 Общая стоимость бурения скважин тыс. руб. 8 459,2 8 144,0
13 Общая стоимость анкеров тыс. руб. 33,9
14 Общая стоимость раствора тыс. руб. 208,1
15 Общая стоимость тыс. руб. 8 701,3 8 386,1
Рис. 5. График зависимости прямых затрат сравниваемых вариантов анкерной крепи в дальней зоне от протяженности (от 1 до 50 п. м) участка борта
При омоноличивании цементным раствором всей длины скважин при рядной и веерной схеме расположения анкеров общие затраты вырастут на 46 и 48 %, соответственно.
При креплении дальней зоны возможно применение канатов с еще большей несущей способностью, что может снизить затраты на крепление. Например, при строительстве плотины Кастильон на реке Вердон (Нижние Альпы) применялись стальные тросы, предварительно-напряженные усилием 1 тыс. тс каждый [3]. При этом наиболее рациональным будет расположение несущих анкеров, установленных с берм.
Заключение
На основе проведенных исследований, был сделан вывод, что промышленные работы по креплению уступов рекомендуется проводить только при научно-методическом сопровождении всех этапов работ. При этом обязательно должны быть:
1) детально локализованы границы распространения ослабленных зон;
2) уточнена реальная информация о нарушенности вмещающих пород на укрепляемом участке, в том числе, в зоне размещения замков крепи;
3) обеспечен контроль качества закрепления на основе комплекса лабораторных и экспериментальных исследований по соответствующим методикам;
4) осуществлен мониторинг состояния элементов крепи на основе инструментальных наблюдений до и после закрепления уступов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Отчет о результатах НИР «Инженерно-геологическое и геомеханическое районирование карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» для оптимизации работ по закреплению скальных уступов» (заключительный). — Апатиты: ГИ КНЦ РАН, 2014. — 304 с.
2. Руководство по проектированию противооползневых и противообвальных защитных сооружений. Минстрой, Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного строительства; Сост.: А.И. Песов. — М., 1983. — 119 с.
3. Фисенко Г.Ё., Ревазов М.А., Галустьян Э.Ё. Укрепление откосов в карьерах. — М.: Изд-во «Недра», 1974. — 208 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Решетняк С.П. - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, [email protected],
Мелихов М.В. - кандидат технических наук, научный сотрудник,
Горный институт КНЦ РАН.
UDC 622.271, 622.012:556.3
COMPARATIVE ECONOMIC ASSESSMENT OF THE ANCHOR STRENGTHENING IN ORE OPEN PIT, THE JSC KOVDORSKY GOK
Reshetnyak S.P., leading researcher, Dr.Sci. (Eng.), [email protected], Mining Institute of the Kola Science Centre Russian Academy of Sciences, Russia, Melikhov M.V., researcher, PhD (Eng.), [email protected], Mining Institute of the Kola Science Centre Russian Academy of Sciences, Russia.
Information on deformation in benches and tests results of benches' strengthening on the Zhelezny open pit of the JSC«Kovdorsky GOK have been analyzed. The economic evaluation has been made of anchor support on the basis of the direct costs method for boreholes drilling and purchase of direct materials (anchors, injectable matrix and protective mesh cover). The anchors have been observed which differ in operation concept (anchors with pretension and without it) and construction material (spent drill rods of the SBSH-250 drill-rigs, steel-wire ropes, and composite grid).
Key words: deformation of open pit benches, rock strengthening, anchor support, drill rod, steel-wire rope, composite grid, protective mesh cover, direct costs method.
REFERENCES
1. Otchet o rezul'tatah NIR «Inzhenerno-geologicheskoe i geomehanicheskoe rajonirovanie kar'era rudnika «Zheleznyj» OAO «Kovdorskij GOK» dlja optimizacii rabot po zakrepleniju skal'nyh ustupov» (zakljuchitel'nyj) (Report on the results of research "geotechnical and geomechanical zoning of the open mine pit "Iron" JSC "Kovdor GOK" to optimize the work on fixing rocky ledges" (final)). Apatity: GI KNC RAN, 2014. 304 p.
2. Rukovodstvo po proektirovaniju protivoopolznevyh i protivoobval'nyh zashhitnyh sooruzhenij (Design guide for landslide and protivoavariynykh protective structures). Minstroj, Vsecojuznyj nauchno-issledovatel'skij institut transportnogo stroitel'stva; Sost.: A.I. Pesov. Moscow, 1983. 119 p.
3. Fisenko G.L., Revazov M.A., Galust'jan Je.L. Ukreplenie otkosov v kar'erah (Strengthening of slopes in open pits). Moscow: Izd-vo «Nedra», 1974. 208 p.
