CC BY
28
УДК 622.271
ЗАЩИТА ТРАНСПОРТНЫХ БЕРМ ОТ КАМНЕПАДА С УСТУПОВ БОРТОВ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ
Г.В. Шубин, Б.Н. Заровняев, А.Н. Акишев, Э.Р. Лукин
Выполнен анализ результатов исследований камнепада с уступов в глубоких карьерах, эффективность принятых мер обеспечения безопасности работ. Проведены расчеты длины пути падающих камней и определены оптимальные параметры приемной защитной траншеи при различных высотах и углах откосов уступов для глубоких карьеров. Предложен способ отстройки транспортной бермыс устройством улавливающей траншеи с противооткосом.
Ключевые слова: высота уступа, угол откоса, падающие камни, параметры защитной траншеи с противооткосом.
Открытая разработка глубоких карьеров в условиях многолетней мерзлоты сопровождается разнообразными деформациямиоткосов уступов и бортов карьеров в виде камнепадов, оползней, обрушений и обвалов, осыпей и оплывин, просадок. Из них наиболее опасными и масштабными нарушениями откосов уступов, бортов карьеров являются падение камней, оползни, которые по объемам достигают сотни тысяч кубических метров вскрышных пород. Формыповерхностискольжения и их расположение вмассиве зависят от геологических факторов, трещиноватости пород, фи-зико-механическихсвойств вмещающих горных пород, геометрических параметров откосов уступов и бортов карьеров, технологииоткрытых горных работ и других факторов и должны отвечать требованиям ФНИП "Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых" [1].
В связи с чрезмерным увеличением глубины карьеров, обоснованием и внедрением углубочной зоны в последнем этапе их отработки, проблема требует углубленного изучения и надежного обоснованияпарамет-ров устойчивых откосов уступов и бортов, обустройство берм специальных конструкций, заоткосных работ при постановке уступов в конечное положение, а также постоянного инструментального контроля за камнепадом, процессами происходящими в прибортовых массивах, геомеханическими процессами с целью оперативногопрогнозаразличного рода деформаций и их своевременного предотвращения. Исследования процессов камнепадов, деформации откосов уступов и бортов карьеров с учетом ухудшения геологических и горнотехнических условий разработки месторождений, а также результаты математического моделирования устойчивости откосов уступов определяют качественно новый подход к обеспечению устойчивости карьерных откосов и рассмотрены в работах [2, 3, 4, 5]. Также в работе [6] представлены результаты исследований геомеханиче-
ского состояния уступов и бортов карьеров методом компьютерного моделирования.
Результаты исследований физико-механических свойств руд и вмещающих пород глубоких карьеров, влияющих на устойчивость откосов уступов и бортов карьеров на примере Удачнинского месторождения представлены в работе [7].
Многие открытые горныеразработки сопровождаются деформациями прибортовых массивов. Деформационныепроцессы представляют собой продолжительные по времени последовательные события, начиная от их возникновения и кончая оползневыми явлениями. В любом случаедефор-мации карьерных откосов снижают основные преимущества открытых работ, наносятзначительный материальный ущерб горному предприятию, нарушая правильное ибезопасное ведение горных работ, вызывая потери полезного ископаемогои повышая опасность ведения горных работ. По-этомупроблема обеспечения устойчивости карьерных откосов является одной из важнейших вгорном деле. Для решения этой проблемы необходимо изучить причины деформацийприбортовых массивов и всё разнообразие их проявлений.
Опыт эксплуатации алмазных карьеров Якутии показывает, что в условиях многолетнемерзлых пород возможна и целесообразна на предельном контуре карьера постановка высоких уступов, достигающих величин до 120 м и более, так как их устойчивость мало зависит от высоты, а определяется, главным образом углами откосов и мощностью сезонно-талого слоя. Тем более расстояние между предохранительными бермами по вертикали ничем впрямую не регламентируется, поэтому высота уступов в предельном положении теоретически может быть любой, при условии обеспечения устойчивости борта и безопасности работ под ним [1]. В связи с этим на сегодняшний день основным параметром позволяющим увеличить конструктивную крутизну постоянных бортов карьера, с сохранением должного уровня безопасности при его эксплуатации, является повышение угла откоса уступов (вплоть до 90°), с обязательным формированием вдоль высокого уступа защитных улавливающих сооружений [8 -10].
При эксплуатации глубоких карьеров значительную опасность при ведении горных работ представляют осыпи и вывалы горных пород с верхних горизонтов нарушенных участков, особенно в местах постановки сверхвысоких уступов, где высота свободного падения сорвавшихся кусков породы составляет порядка 60... 100 м. Из-за заполненности осыпями и малой ширины предохранительных берм между такими уступами указанное негативное явление несет постоянную угрозу травмирования людей и повреждения механизмов.
При длительном стоянии нерабочих уступов происходит их постепенное разрушение в процессе выветривания. Вследствие чего нижележащие бермы заполняются осыпями и обрушенными породами. Для
244
предотвращения прямого попадания осыпей и обрушенных пород на транспортную берму 7 предложено сооружать улавливающие траншеи с контуром выемки 5, параметры которых зависят от высоты уступа 3, его крутизны и наличия выступов 6. От высоты уступа 3 зависит и скорость падения камней, что является решающим фактором при отскоке камня с места падения.
Удаление горной массы из контура выемки 5 осуществляется гидравлическим экскаватором 7 «обратная лопата» (рис. 1). Для этого экскаватор 7 устанавливается на транспортной берме 1 и рабочая зона его копания 8 соответствует принятым параметрам контура выемки 5 с наклонной стороной 2. При этом рыхление горных пород рабочего уступа в контурах выемки 5 осуществляется бурением и взрыванием отбойных 9 и траншееобразующих скважин 10 и 77 первого и второго ряда, пробуренных в рабочем уступе (рис. 2). При этом расстояние между рядами скважин 10 и 11 определяют по формуле:
И
"по.
где: Ип.о. - глубина противооткоса, м; ап.о. - угол наклона противооткоса, град.
Рис. 1. Рабочая зона копания экскаватора
Длина пути камня на берме, сорвавшегося с верхней точки нерабочего уступа, будет складываться из дальности падения камня £ пад.. и длины пути при отскоке £ ск.. Этой величиной и будет определяться безопасное расстояние на нижележащем горизонте, на котором находится транспортная берма 1. Более всего процессам разрушения, как показывает практика многолетних наблюдений, подвержена верхняя часть уступа.
Величина сработки верхней бровки уступа в условиях многолетне-мёрзлых массивов зависит от длительности его стояния и частоты воздействия на него различных факторов, а также особенностей пород, слагающих этот уступ. При угле откоса уступа 75° угол выполаживанияего составит 62°, согласно [11].
Длина пути камня на берме рассчитана для высоты нерабочих уступов: 60; 90; 120; 180 м по указанной методике [11]. Результаты расчета представлены на рис. 2, где в зависимости от высоты уступа рассчитаны дальность падения камня на берму (а), длина скачков камня на берме (б) и их суммарная величина- длина пути камня на берме (в).
60 90 120 180 Высота уступа, м
60 Выс90а устУПа, м180
Рис. 2. Зависимость длины пути камня на берме от высоты нерабочего
уступа и угла падения камня 62° и 70° а - дальность падения камня на берму, м (Iпад.); б - длина скачков камня на берме, м ((ск.); в - длина пути камня на берме, м (Ьп)
Как видно из приведенных графиков при различных приведенных высотах уступов и заданных углах падения камней их суммарные длины пробега в среднем достигают максимальных величин порядка от 12-18 м до 36-54 м, что необходимо учитывать при сооружении берм повышенной безопасности.
Ширина безопасного расстояния до транспортной бермы, с учетом технического запаса по правилам безопасности, принимается на 1 м больше длины пути камня на берме.
Как видно из графиков (б) на рис. 2, из-за скачков камня, значительно увеличивается ширина безопасного расстояния. Поэтому для сокращения безопасного расстояния путем ликвидации отскоков вдоль транспортной бермы предложено сооружать улавливающую траншею. При сооружении улавливающей траншеи из-за наклонной стороны камень, падающий на эту поверхность, меняет направление отскока в сторону нерабочего уступа. В отличие от известного [12] способа с улавливающей траншеей и защитным породным валом, ограничение параметров отскоков происходит не за счёт невозможности выскакивания камней за пределы улавливающей траншеи, а за счет изменения направления отскакивания. В известном и предлагаемом способах, в зависимости от высоты нерабочих уступов, ведется расчет ширины Шпо и глубины Ип.о улавливающей траншеи, а также угла наклона апо её стороны противолежащей к основному откосу нерабочего уступаау.
Ширина улавливающей траншеи Шпо. определяется по значению дальности падения камней с учетом технического запаса по правилам безопасности, м.
Шп.о. = 1пад. + 1. (2)
Глубина улавливающей траншеи Ьут. определяется в зависимости от значения высоты максимального отскока Ьсктах камня, м.
¿и.о. = Кктах - 1. (3)
Угол наклона стороны траншеи противолежащей к основному откосу нерабочего уступа следует принять таким, чтобы падающие камни отскакивали от её поверхности и скатывались вниз. Вместе с тем, чтобы расчетная глубина улавливающей траншеи не превышала глубину черпания экскаватора, необходимо угол наклона стороны траншеи выдерживать в пределах оптимальных величин.
При углах падения камня от 60° до 70° рассмотрим траектории отскоков камня от горизонтальной и наклонной поверхности с углом равным 30°; 35°; 40°. Результаты расчета сведены в табл. 1.
Как видно из табл. 1 при малых значениях угла наклона стороны траншеи амплитуда отскоков значительная, так как при этом угол между траекториями падения и отскока камня более острый. Это позволяет падающему камню наносить больше разрушений поверхности наклонной стороны выемки. При направлении удара, приходящему по касательной к поверхности наклонной стороны траншеи, степень ее повреждения заметно уменьшается.
Ширина контура выемки будет определяться максимальной дальностью одного отскока, исключающей перескок камня через неё. Принимая дальность одного максимального отскока за 0,6*£ск суммарной длины скачков камня на берме, имеем ширину контура выемки: 3,78; 5,7; 7,56; 11,4
247
м, соответственно при высоте нерабочего уступа 60, 90, 120 и 180 м. Сечение улавливающей траншеи имеет треугольную форму с углом наклона стороны, находящейся под основным откосом 75°-80 а противолежащей к ней стороны - 36°-40°
Таблица 1
Траектория отскока камня в зависимости от угла наклона стороны траншеи и угла падения камня
Угол падения камня, град. Угол наклона поверхности бермы и угол наклона стороны
0 30 35 40
60 25 -90 -72 -57
62 28 -78 -67 -52
65 30 -72 -57 -45
70 33 -57 -45 -33
Примечание: знак минус показывает, что камень отскакивает в обратную сторону от направления падения камня.
Глубина улавливающей траншеи зависит от её ширины и угла наклона стороны траншеи, причем, чем круче её угол наклона, тем больше величина приращения глубины траншеи. С учетом этого, а также траектории падения камней при различных углах отскока, принимаем угол наклонной стороны траншеи равным 40° (рис. 3).
10 -
"у /А-
11
Шп.о
у' Л" п
т
3
9
а
4
6
2
1
5
Рис. 3. Параметры траншееобразующих скважин
Ширина площадки регулируемого отскока принимается равной расстоянию от нижней бровки нерабочего уступа до контура выемки улавливающей траншеи плюс 1 м технического запаса. Ширина защитной предо-
248
хранительной бермы 1 соответствует расстоянию от нижней бровки откоса 4 нерабочего уступа до верхней бровки наклонной стороны контура выемки 2 и будет равно 7, 10, 13, 18 м соответственно. Кроме того, вдоль улавливающей траншеи сооружается защитный породный вал высотой не менее 1/2 диаметра колеса карьерного автосамосвала.
Параметры отбойных скважин 9 принимаются согласно проекта массовых взрывов, а расстояние а между рядами траншееобразующих скважин 10, 11 рассчитывается исходя из глубины улавливающей траншеи и угла её наклонной стороны апо.
Расчетные параметры улавливающей траншеи приведены в табл. 2.
Таблица 2
Параметры улавливающей траншеи в зависимости от высоты уступа, при угле наклона стороны траншеи равном 40°
Высота уступа, м Параметры улавливающей траншеи, м Ширина площадки регулируемого отскока, м Ширина предохранительной бермы, с учетом ширины породного вала, м Расстояние между рядами траншееобразующих скважин, м
ширина глубина
60 3,78 2,6 3 10 1,55
90 5,7 3,5 4 13 2,1
120 7,56 4,4 5 16 2,6
180 11,4 7,0 6 21 4,2
Как видно из табл. 2, данное техническое решение позволяет сократить ширину защитной предохранительной бермы на 3, 6, 9, и 16 м.
Предложенный способ отстройки позволяет вести очистку контура выемки улавливающей траншеи прямо с транспортной бермы. А принятые её параметры исключают возможность выскакивания камней на транспортную берму, это достигается за счет придания стороне траншеи соответствующего наклона, изменяющего направление отскока падающего камня в противоположную сторону. Таким образом, повышается безопасность и эффективность применения улавливающей траншеи с противооткосом.
Выводы.
1. Анализ результатов исследований состояния уступов и бортов глубоких карьеров показал, что генеральные углы откосов карьеров колеблются в пределах от 370до 560, и имеют ломано-выпуклую конфигурацию в нижней части с углом до 55 -660. При этом установлена тенденция увеличения высоты уступа до 45 м с углом погашения до 70 -800 При этом наблюдается увеличение камнепадов, составляя основную
опасность, накапливаясь на площадках уступов и перепадая на нижележащие горизонты.
2. Исследованиями установлено, что с увеличением крутизны откосов увеличивается дальность выкатывания кусков породы на площадках уступов, где длина отскока составляет 0,33Н.
3. Предложен способ отстройки позволяющий вести очистку контура выемки улавливающей траншеи прямо с транспортной бермы, при котором принятые её параметры исключают возможность выскакивания камней на транспортную берму, что достигается за счет придания стороне траншеи соответствующего наклона, изменяющего направление отскока падающего камня в противоположную сторону, благодаря которому обеспечивается безопасность и эффективность применения улавливающей траншеи с противооткосом.
Список литературы
1. ФНИП "Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых", от 16 декабря 2013 г. № 605, с изменениями на 21 ноября 2018 года (редакция, действующая с 17 марта 2019 года).
2. Vikas Kumar, VedParkash A model study of slope stability in mines situated in south India // Advances in Applied Science Research, 2015, 6(8):82-90. P. 82 - 90.
3. Kumar Dorthi, K. Ram Chandar. Slope stability monitoring in opencast coal mine based on wireless data acquisition system-a case study // International Journal of Engineering & Technology, 7 (2.21), 2018. P.24-28.
4. I-Hsuan Ho: Parametric Studies of Slope Stability Analyses Using Three-Dimensional Finite Element Technique: Geometric Effect // Journal of GeoEngineering. Vol. 9. No. 1. April 2014. P. 33 - 43.
5. Haeri H., Shahriar K., Marji M. F., Moarefvand P. Experimental and numerical study of crack propagation and coalescence in pre-cracked rock-like disks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2014. Vol. 67. P. 20-28.
6. Svetlana Sedina, LyassatShamganova, NagimapanyBerdinova. Cria-tion the geomechanical model for deep open pit//18-th International multidisci-plinary scientific geoconference SGEM2018, Volume 18, Exploration and mining, 2 Jily - 8 July, 2018, Albena, Bulgaria. P. 223 - 230.
7. Технологические свойства руд и вмещающих пород Удачнинско-го месторождения / Г.В. Шубин, Б.Н. Заровняев, А.С. Курилко, А.А. Дмитриев // Новосибирск. Наука. 2017. 160 с.
8. Способ отстройки нерабочего борта карьера: пат. 2206748 РФ; заявл. 08.10.2001; опубл. 08.01.2003.
9. Александров И.Н., Шубин Г.В. Способ отстройки нерабочего борта карьера отдельными гравитационными предохранительными бермами // Пути решения актуальных проблем добычи и переработки полезных ископаемых. Якутск, 2003. Ч.1. С. 6-9.
10. Разработка безопасных конструкции нерабочих бортов глубоких карьеров в условиях криолитозоны / А.Д. Андросов, Б.Н. Заровняев, Г.В. Шубин, М.Е. Будикина // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2018. №3. С. 13-21.
11. Временные методические указания по управлению устойчивости бортов карьеров в цветной металлургии. М.: 1989. 127с.
12. Способформирования нерабочего борта карьера: пат. № 2034150 РФ; заявл. 09.03.1993; опубл. 30.04.1995. Бюл. № 12.
Шубин Григорий Владимирович, канд. техн. наук, доц., Grigshubin@,mail.ru, Россия, Якутск, Северо-Восточный федеральный университет им. М.К.Аммосова,
Заровняев Борис Николаевич, д-р техн. наук, проф, директор, Mine_academy@,mail.ru, Россия, Якутск, Северо-Восточный федеральный университет им. М.К.Аммосова),
Акишев Александр Николаевич, канд. техн. наук, akishevanaalrosa.ru, Россия, Мирный, Институт Якутнипроалмаз,
Лукин Эдуард Родионович, сотр., Edard.Lukin. 1997@mail.ru, Россия, Якутск, Северо-Восточный федеральный университет им. М.К.Аммосова
PROTECTION OF THE TRANSPORTBERMS FROMROCKFALL FROM THE SLOPES OF THE SIDES OF DEEP OPEN PITS
G. V. Shubin, B.N. Zarovnyaev, A.N. Akishev, E.R. Lukin
In this article the analysis of the results of rock fall research from ledges in deep quarries and the effectiveness of measures taken to ensure the safety of work are carried out. The lengths of the path of falling stones were calculated and the optimal parameters of the receiving protective trench were determined at different heights and slopes of slopes for deep quarries. A method for detuning a transport berm with a trap trench with an anti-recoil is proposed.
Key words: the height of the ledge, the angle of the slope, falling stones, the parameters of the protective trench with anti-recoil.
Shubin Grigoryi Vladimirovich, Candidate of Technical Science, Docent, Grigs-hubin@,mail.ru, Russia, Yakutsk, Northeastern Federal University named after M.K. Ammo-sov,
Zarovnyaev Boris Nikolaevich, Doctor of Technical Sciences, Full Professor, Director, Mine_academy@mail.ru, Russia, Yakutsk, Northeastern Federal University named after M.K. Ammosov,
Akishev Alexander Nikolaevich, Candidate of Technical Science, akishevan@ al-rosa.ru, Russia, Mirnyi, Institute of Yakutniproalmaz,
Lukin Edward Rodionovich, Scientist, Edard.Lukin. 1997@mail.ru, Russia, Yakutsk, Northeastern Federal University named after M.K. Ammosov,
References
1. FNIP \"Pravila bezopasnosti pri vedenii gornyh rabot i pererabotke tverdyh poleznyh iskopaemyh\", ot 16 dekabrya 2013 g. № 605, s izmeneniyami na 21 noyabrya 2018 goda (redakciya, dejstvuyushchaya s 17 marta 2019 goda).
2. Vikas Kumar, VedParkash A model study of slope stability in mines situated in south India // Advances in Applied Science Research, 2015, 6(8):82-90. P. 82 - 90.
3. Kumar Dorthi, K. Ram Chandar. Slope stability monitoring in opencast coal mine based on wireless data acquisition system-a case study // International Journal of Engineering & Technology, 7 (2.21), 2018. P.24-28.
4. I-Hsuan Ho: Parametric Studies of Slope Stability Analyses Using Three-Dimensional Finite Element Technique: Geometric Effect // Journal of GeoEngineering. Vol. 9. No. 1. April 2014. P. 33 - 43.
5. Haeri H., Shahriar K., Marji M. F., Moarefvand P. Experimental and numerical study of crack propagation and coalescence in pre-cracked rock-like disks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sci-ences. 2014. Vol. 67. P. 20-28.
6. Svetlana Sedina, LyassatShamganova, NagimapanyBerdinova. Criation the geo-mechanical model for deep open pit//18-th International multidisciplinary scientific geocon-ference SGEM2018, Volume 18, Explora-tion and mining, 2 Jily - 8 July, 2018, Albena, Bulgaria. P. 223 - 230.
7. Tekhnologicheskie svojstva rud i vmeshchayushchih porod Udachnin-skogo mes-torozhdeniya / G.V. Shubin, B.N. Zarovnyaev, A.S. Kurilko, A.A. Dmitriev // Novosibirsk. Nauka. 2017. 160 s.
8. Sposob otstrojki nerabochego borta kar'era: pat. 2206748 RF; zayavl. 08.10.2001; opubl. 08.01.2003.
9. Aleksandrov I.N., Shubin G.V. Sposob otstrojki nerabochego borta kar'era otdel'nymi gravitacionnymi predohranitel'nymi bermami // Puti resheniya aktual'nyh problem dobychi i pererabotki poleznyh iskopaemyh. Yakutsk, 2003. Ch.1. S. 6-9.
10. Razrabotka bezopasnyh konstrukcii nerabochih bortov glu-bokih kar'erov v usloviyah kriolitozony / A.D. Androsov, B.N. Zarov-nyaev, G.V. Shubin, M.E. Budikina // Vestnik Kuzbasskogo gosudarstven-nogo tekhnicheskogo universiteta. 2018. №3. S. 13-21.
11. Vremennye metodicheskie ukazaniya po upravleniyu ustojchi-vosti bortov kar'erov v cvetnoj metallurgii. M.: 1989. 127s.
12. Sposobformirovaniya nerabochego borta kar'era: pat. № 2034150 RF; zayavl. 09.03.1993; opubl. 30.04.1995. Byul. № 12.
