CC BY
217
Э. Л. Галустьян, д.т.н., « ВНИМИ» Технологические аспекты проблемы оптимизации углов наклона бортов карьеров
В условиях конкуренции и рынка горные предприятия заинтересованы в сокращении объёмов вскрышных пород, включаемых в контур карьера. Следовательно, оптимизация угла наклона нерабочего борта карьера (при котором одновременно обеспечивается устойчивость борта с нормативными запасом) является одной из важнейших экономических проблем.
Величина угла наклона борта обусловливаются его конструкцией. Последняя же зависит от многих факторов геомеханического и технолого-транспортного характера. Но основное влияние на конструкцию борта оказывают параметры нерабочих уступов, количество предохранительных берм и их ширина. На углы откосов уступов и их высоту (расстояние по вертикали между предохранительными бермами) во многих случаях оказывает влияние технология производства буровзрывных работ в приконтурных зонах карьера. Следует подчеркнуть, что необходимость и целесообразность в отстройке борта под максимально возможным, по геомеханическому критерию, углом наклона апр возникает только в тех случаях, когда этому способствуют геологические и инженерно- геологические условия месторождения. Например, в лежачем боку пластовых месторождений при падении пластов под углами Р<апр., оптимальным будет угол р. Устройство предохранительных берм на таких бортах в соответствии с требованиями ЕПБ, действовавших до 1992г., приводило к существенному увеличению объёмов вскрыши. Теперь стало возможным объективно оценивать оптимальность угла наклона борта карьера в зависимости от типа и критерия оценки (таблица). Выявив максимально возможную по тому или
иному критерию величину угла наклона борта, принимают решение по конструкции и технологии формирования.
Условные обозначения: апр., ак - угол наклона борта соответственно предельный (расчётный) и конструктивный; р- угол падения пласта (рудной залежи) или протяжённой поверхности ослабления.
Рационализировать конструкцию борта с целью оптимизации угла его наклона можно путём:
♦ отстройки нерабочих уступов на каждом погашаемом горизонте (участке борта) с параметрами, соответствующими свойствам и структуре горных пород;
♦ применения инженерных мероприятий, направленных на предотвращение осыпеобразования и локальных обрушений уступов или улавливания осыпей, не изменяя конструкции борта;
♦ расположения транспортных берм и технологических площадок на участках, где необходима разгрузка борта (преимущественно в границах призмы активного давления);
♦ придания предохранительным бермам минимально необходимой (для механизированной их очистки) ширине;
♦ сокращения времени стояния бортов в предельном положении на участках месторождения, сложенных менее прочными породами (выбор соответствующих схем вскрытия и направления развития горных работ);
♦ применения противодеформа-ционной (щадящей) технологии отработки приконтурных заходок и заоткоски уступов.
Опыт работы глубоких карьеров показывает, что в крепких породах на величину угла наклона борта основное влияние оказывает технология буровзрывных работ, производимых в приконтурных
заходках. Она должна обеспечить защиту законтурного массива от сейсмического и дробящего действия взрывов. Противодеформаци-онный эффект достигается за счет:
♦ предварительной проходки экранно-отрезных щелей с углублением их на 1,5- 2м ниже отметки оформляемой предохранительной бермы и (или) формирования буферных слоёв;
♦ применения диагональных и поперечных схем расположения отбойных скважин и короткозамедленного взрывания;
♦ оформления предохранительных берм без разрушения верхней бровки уступа.
Регулируемыми элементами борта являются углы откосов уступов и их высота. Минимальная ширина предохранительных берм регламентируется ЕПБ (1992). Параметры уступов принимают в зависимости от:
♦ физико-механических свойств и структуры пород за контуром карьера;
♦ технических характеристик бурового станка, применяемого для бурения контурных скважин.
В четвертичных отложениях угол откоса уступа не должен быть больше угла естественного откоса дробленой породы (35-40°). В однородных скальных и полускаль-ных породах углы откосов уступов можно принимать равными 60 или 75° к горизонту (возможности серийно выпускаемых буровых станков типа СБШ- 250МН). Следовательно, единственным переменным параметром является высота уступа.
Предельно допустимую высоту уступа можно определить расчётом. Но высота уступа обусловливает расстояние между предохранительными бермами. Если породы не склонны к выветриванию, то интенсивность осыпеобразования
Типизация бортов карьеров по оптимальности угла их наклона.
Таблица
Тип борта Критерий оценки Оптимальный угол наклона борта Фактор, ограничивающий величину оптимального угла Типичные месторождения
1 Г еомеханический апр. Физико-механические свойства и блочность законтурного массива С наклонным и крутым падением залежи полезного ископаемого
2 Г еологоструктурный Р<апр. Величина угла падения залежи или протяжённой поверхности ослабления С пологим падением залежи (пласта) или протяжённой поверхности ослабления (лежачий бок)
3 Комплексный ак <апр. Физико-механические свой-тва и структура горных по-од в границах каждого уступа Месторождения любого типа
и камнепада будет зависеть от эффективности защиты массива от действия взрывов и качества заот-коски уступов. Этот фактор и будет обусловливать расстояние между предохранительными бермами, если оно окажется меньше расчётной высоты уступа. Отметим, что серийно выпускаемыми буровыми станками весьма сложно получить гладкую поверхность откоса даже при бурении контурных скважин глубиной 30- 32 м из-за их большого диаметра и нестабильности заданного угла бурения. Искривление скважин препятствует получению сплошной экранно-отрезной щели. А это особенно необходимо в нижней её части, сопрягающейся с предохранительной бермой. Таким образом, в результате несовершенства технологии формирования борта и несоответствия буровых станков требованиям к этой технологии, обычно не достигают оптимальных значений углов наклона борта по геомеханическому критерию. В лучшем случае, несколько реконструировав станок СБШ- 250МН (добавив одну штангу и обеспечив возможность бурения «под станок»), можно формировать строенные уступы высотой 30- 45 м. Но если ставится задача максимально сократить объём вскрыши, т.е. придать борту (или одному из его участков) угол апр. не устраивая берм, то потребуются дополнительные инженерно-технические мероприятия для обеспечения безопасности горных работ (исключение образования осыпей и
камнепада) и выбор способа транспортирования горной массы.
Конструкции бортов типа 1.
При высоте Н предельный угол его наклона можно рассчитать по формуле:
Н, . ^ ( 45 °- ^)
(1)
где с, ф, у - соответственно сцепление в массиве, угол внутреннего трения и плотность пород.
Как уже отмечалось, традиционными способами формирования уступов, даже применяя контурное взрывание, нельзя отказаться от предохранительных берм. Но если ставится задача оптимизировать угол наклона борта по объёму вскрыши и экономически обосновать целесообразность изменения конструкции борта, то можно отстроить борт под углом апр..
В зависимости от конкретных геомеханических условий и принятого вида транспорта возможны следующие конструктивные решения:
1. Борт со сплошным укреплённым или изолированным откосом (безбермовый борт).
По мере углубления карьера с применением контурного взрывания формируют сплошной откос. Для исключения осыпеобразова-ния и выпадения отдельных породных блоков поверхность откоса укрепляют или изолируют (за-нкерная сетка, торкретбетон в сочетании со штанговой крепью, изолирующие маты или покрытия (в условиях многолетней мерзлоты) и др.). Угол наклона максимален при отсутствии транспортных
берм. Доставку горной массы осуществляют по борту в лежачем боку, крутонаклонными конвейерами (КНК), либо через подземные выработки. Использование КНК признано целесообразным на Ковдорском карьере. Предложена схема их расположения на трёх участках нерабочего борта карьера Мурунтау, конечная глубина которого может составить до 1000 м.
2. Борт со сплошным откосом между транспортными бермами.
При применении железнодорожного или автомобильного транспорта сплошные укреплённые откосы формируют между транспортными бермами. Вскрытие месторождения спиральным съездом позволит, при качественной заоткоске уступов, совместить предохранительную берму с транспортной и оградить последнюю защитной стенкой.
3. Борт со сплошным откосом в придонной части.
В двуслойной среде (верхняя часть борта сложена слабыми, выветренными дезинтегрированными породами) сплошной откос формируют в придонной части карьера. Это возможно и на действующих карьерах при доработке запасов руды.
Конструкции бортов типа 2.
Величина угла наклона борта карьера в лежачем боку ограничена углом р падения залежи полезного ископаемого, либо наличием в массиве протяжённых поверхностей ослабления, простирающихся согласно с бортом. Если при заданной высоте борта угол их па-
дения р<апр., то оптимальным по объёму вскрыши является угол р . Конструкция борта будет зависеть от его величины, обусловливающей необходимость в предохранительных бермах. Возможны следующие варианты:
1. Борт со сплошным откосом, пригруженными внутренним отвалом. При залегании пласта под углами р< 20° поверхность борта совмещают с почвой пласта, на которую отсыпают отвал. Если р> 10°, то для обеспечения устойчивости внутреннего отвала может возникнуть необходимость в инженерной подготовке основания и дренажных мероприятий.
2. Борт со сплошным откосом, с углом наклона а=р, не превышающим предельно допустимый угол апр.
Наряду с обеспечением общей устойчивости борта, должно удовлетворяться требование безопасности, т.е. выполняться условие:
tgP<tgф' (2)
где tgф' - коэффициент трения, величина которого должна препятствовать соскальзыванию разрыхленных пород с поверхности откоса (в слоистых породах образование кусков породы округлых форм маловероятно).
Транспортные бермы на таких бортах могут быть врезными или насыпными. Первый вариант возможен, если исключён сдвиг по контакту. Допустимую высоту борта с подрезанным контактом можно рассчитать по формуле:
(3)
где с', ф' - характеристики сопротивления сдвигу по поверхности контакта.
1. Борт с искусственными и укреплёнными бермами.
Необходимо устройство улавливающих (предохранительных) берм. Если они нарезные или врезные, то их укрепляют.
Экономическая целесообразность применения инженерных мероприятий обосновывается тех-
нико-экономическим расчётом в сравнении с вариантом выемки дополнительного объёма породы при устройстве нарезных берм.
При заоткоске борта по граничному контакту не допускается разрушение этого контакта взрывами. Вертикальные или наклонные скважины должны иметь не-добур 0,25-0,3 м. С целью экранизации законтурного массива (особенно на бермовом горизонте) формируют буферный слой до взрывов в скважинах последней заходки. Мощность слоя зависит от величины угла р. При р>35° мощный буферный слой формируют на каждом последующем горизонте.
Конструкции бортов типа 3.
Отличительной особенностью бортов данного типа является зависимость величины углов их наклона от предельных параметров нерабочих уступов и берм. Оптимальным будет конструктивный угол наклона апр. Высокая прочность пород в куске решающей роли не играет. Параметры уступов (угол откоса или высота) ограничиваются наличием в массиве слабых слоёв, поверхностей ослабления, не подлежащих подрезке откосом (системы трещин, контакты между различными литоти-пами и слоями, чередующиеся слабые пропластки и др.). К этому типу могут быть отнесены борта в лежачем боку месторождений (особенно угольных), а также сложенные рыхлыми и полускальны-ми породами. Попытка придать уступам крутые углы откоса без учёта угла падения контактов и слабых слоёв вызывает деформации сдвига и самозаоткоску уступов по поверхностям ослабления. Борт в целом при этом имеет избыточный запас устойчивости.
1. Борт с нарезными бермами и фиксированным углом откоса уступов. В зависимости от сопротивления сдвигу по поверхностям ослабления и вкрест их простирания определяют предельную высоту уступа на каждом погашаемом участке борта и ширину предохранительной бермы. Необходимость
в транспортных бермах определяется проектом.
При крутонаклонном падении слоёв (Р=50-70°), представленных крепкими полускальными умеренно трещиноватыми породами, в которых допустима заоткоска по поверхностям напластования, увеличить конструктивный угол наклона борта можно путём придания ему ступенчатого профиля. Ширина ступени должна обеспечить деление борта на независимые по устойчивости участки, т.е. исключается возможность образования общей для борта призмы обрушения. Достаточно обеспечить устойчивость каждой ступени с углами наклона аь а2, и высотами Н1 , Н2 .
2. Борт с нарезными бермами и нефиксированным углом откосов уступов. При углах падении р>50° наличия слабых контактов между слоями в сочетании с системой нормальносекущих (и других) трещин будет способствовать интенсивному осыпеобразованию и обрушению уступов, заоткошен-ных под углом р . Уступам придают углы откосов ау <р с надрезкой слабых контактов. В результате увеличится предельная высота уступов, сократится количество предохранительных берм и снизится интенсивность осыпеобразования.
3. Борт с нарезными предохранительными и транспортными бермами.
Формирование данного борта не требует дополнительных работ строительного профиля. Это -обычная противодеформационная технология, отличающаяся от традиционной тем , что параметры уступов и берм на каждом погашаемом участке борта принимают в зависимости от прочности и структуры законтурного массива. Если верхняя часть борта сложена четвертичными отложениями, выветренными и дезинтегрированными породами, углы откосов уступов в таких породах не привы-сят 30-40°. Например, на Ковдор-ском карьере при общей высокой прочности пород зона дезинтеграции распространяется на глубину
2с'
Н--Т
100-150 м, что в сочетании с обводнённостью массива препятствовало отстройке уступов под крутыми углами. Компенсировать потерю в угле наклона борта в верхней части (он на отдельных участках составляет 23-30°) можно только путём перехода к оформлению уступов под углами 70-75° по возможности увеличивая их высоту. Проектная глубина карьера 600-650 м.
Таким образом, в массивах с увеличивающейся прочностью и устойчивостью пород по мере углубления карьера, соответственно растёт предельно допустимая высота уступа (при максимальном угле откоса) и сокращается количество предохранительных берм. Борт в конечном положении при-
обретает наиболее экономичный выпуклый профиль.
Следует подчеркнуть, что явно выраженной естественной склонностью к выветриванию обладают лишь отдельные разновидности горных пород. Наблюдаемые на карьерах осыпи связаны в основном с разрушением берм, нарезаемых с перебуром скважин в приконтурных заходках. Зона дроблёных пород достигает 3-5 м, что и способствует интенсивной сработке верхней бровки уступа и уменьшению её ширины во времени. Величина сработки за время t на различных горизонтах зависит от интенсивности процесса ^ м/год. При нормативной ширине а первоначальная ширина бермы должна составить
а=й +ан. (4)
На многих карьерах, где очистка берм не производилась, борт превратился в сплошной откос через 5-10 лет стояния (карьеры Ко-унрадский, Блявинский, Оленегорский, лежачий бок и др.). Так как каждая берма является источником осыпеобразования для лежащей выше, объём осыпи по мере понижения горных работ пргрессирует, а ширина берм сокращается. Следовательно, главным условием оптимизации конструктивного угла наклона борта является эффективная защита законтурного массива от сейсмического и дробящего действия взрывов и качественная заоткоска уступов. Конкретные рекомендации разрабатывают после детальной стуктурной съёмки.
© Э. Л. Галустьян
