Основные способы управления устойчивостью открытых горных выработок

Механическими процессами в породных массивах вокруг открытых подготовительных и очистных выработок разрабатываемых месторождений полезных ископаемых управляют различными технологическими и техническими способами. Основные из них следующие:

- обоснование и выбор параметров (углов откосов, высоты и др.) бортов и уступов, обеспечивающих их устойчивость на протяжении всего срока эксплуатации;

- расположение внешних вскрывающих выработок в прочных, устойчивых горных породах;

- выбор направления и скорости подвигания фронта горных работ в карьерном поле, исходя из структурнo-текстyрных особенностей строения вмещающих пород и полезного ископаемого;

- выбор способа и технологии взрывных и очистных работ н типов выемочного и транспортного оборудования, исключающих нарушение устойчивости бортов и уступов;

- обоснование и выбор последовательности отработки карьерного поля с учетом сложности его строения, степени ослабленности пород массива трещинами, другими макродефектами н исходя из устойчивости откосов; - укрепление откосов;

- осушение обводненных массивов горных пород (полезных ископаемых), защита карьеров от подземных и поверхностных вод.

Устойчивость нерабочих (стационарных) и рабочих бортов и уступов карьеров па протяжении всего времени их функционирования обеспечивается при выполнения условий:

(2.1)

(2.2)

где - угол откоса борта (уступа) соответственно фактический и предельный; и - высота борта (уступа) соответственно фактическая и предельная.

Рабочие борта и уступы стабильно устойчивы, когда фактический коэффициент их устойчивости больше предельного коэффициента , т.е при > Коэффициент n определяют обычно в зависимости от поверхности скольжения пород (полезного ископаемого).

Параметры бортов и уступов в карьерах рассчитывают в основном по действующим методическим указаниям. При этом надежность расчетных параметров зависит главным образом от полноты и надежности данных об инженерно-геологических и гидрогеологических условиях, разрабатываемых полезных ископаемых и вмещающих массивов горных пород.

Получение достоверной информации об инженерно-геологических условиях и тектонической нарушенности массива - самая сложная задача, решаемая при оценке геомеханических процессов и устойчивости откосов. Для оценки устойчивости откосов инженерными методами используют механические характеристики массива, которые определяют обычно на образцах в лаборатории и непосредственно в натурных условиях. Исходя из состояния и механических свойств пород массивов, в начале необходимо установить положение в них поверхностей, по которым откосы разрушаются в случае потери ими устойчивости.

Поверхности разрушения (скольжения) могут быть трех типов:

- естественного происхождения поверхности ослабления массива, обусловленные геологическим строением массивов, структурой, текстурой и нарушенности пород;

-поверхности, образующиеся в процессе разрушения массива;

-комбинированные, образующиеся результате частичного сдвига призмы обрушения по естественной и вновь образованной поверхностям.

При разработке вскрышных пород без применения бурoвзрывных работ высоту рабочего уступа целесообразно принимать ровной высоте черпания экскаватора. В отличие от нерабочих бортов рабочие борта следует рассчитывать в динамике. Если призму возможного обрушения в нерабочем борту можно рассматривать как геометрическое тело, ограниченное фиксированной поверхностью скольжения, то рабочем борту призма воз-можного обрушения в процессе разработки постоянно смещается в глубь массива. Расчет устойчивости рабочего борта в динамике. т.е. по состоянию на каждый характерный момент разработки, позволяет проанализировать все возможные ситуации, выявить участки, опасные по возникновению деформаций, и предусмотреть профилактические меры по их предупреждению. Для этого необходимо иметь полную информацию о геологическом строении массива, гипсометри пластов, структуре и текстуре массива и физикo-механических свойствах пород.

Существенное повышение устойчивости рабочего борта (уступа) обеспечивается при направлении подвигания очистного забоя по падению слоев, трещин х других значительных поверхностей ослабления в породных массивах и полезном ископаемом. Во всех случаях необходимо стремиться вести горные работы таким образом, чтобы угол встречи поверхностей ослабления пород массива с бортом (уступом) был максимальным. При угле их встречи, близком или равном нулю, высока опасность деформаций и обрушений пород бортов.

На месторождениях с горизонтальным залеганием слоев пород направление разработки не влияет на устойчивость откосов. Переменными параметрами являются высота и угол наклона борта (уступа). Высоту уступа целесообразно регулировать при использовании экскаваторов с верхним черпанием, а угол откоса при использовании экскаваторов с нижним черпанием.

В связи с большим сроком эксплуатации капитальных траншей карьеров их следует (по возможности) располагать в прочных породах, а углы откоса боков обосновать с учетом длительной прочности вмещающих пород.

Значительное влияние на механические процессы в породных массивах, разрабатываемых открытым способом, и на устойчивость бортов и уступов оказывают буровзрывные работы. Взрывы скважинных зарядов вызывают за пределами взрываемого блока деформации поверхности уступов и пород массива. Упругие колебания при взрывах зарядов являются существенной дополнительной нагрузкой на породы массива. Под их воздействием уступы, находящиеся в равновесном состоянии, близком к предельному, могут опасно деформироваться и потерять устойчивость дано на больших расстояниях от места взрывных работ.

Снижение влияния вредного действия взрывов на породные массивы может достигаться: ограничением массы одновременно взрываемых зарядов: применением контурного взрывания наклонных скважин короткозамедленного взрывания; созданием на пути распространения сейсмических волн экранизирующих поверхностей, предварительной заоткоской уступов и их укреплением или упрочнением.

Средства экранирования (искусственные щели, амортизирующие слои и др.) поглощают часть энергии взрыва или препятствуют распространению волн напряжений и сейсмических воли законтурный массив.

3.1. Укрепление откосов.

Укрепление откосов карьеров При разработке месторождений со сложным горно-геологическими условиями, на больших глубинах, а также в условиях, когда разнос борта практически осуществить трудно или невозможно, является эффективным способом управления деформационными процессами в породах приоткосных зон и повышения их устойчивости. В глубоких карьерах укрепление откосов осуществляют в основном с целью поддержания транспортной связи между отдельными участками нерабочего борта карьера и увеличения общего угла наклона борта. В результате значительно сокращается объем вскрышных пород в конечных контурах карьерного поля. При длительном стоянии нерабочих уступов в предельном положении возможны локальные обрушения берм, так как борта карьера обычно пересекают различно ориентированные нарушения и места с различнойпрочностью пород и полезного ископаемого. Необходимость укрепления локальных участков бортов карьера может быть связана с аномалией в залегании слоев, ослаблением массива крупными разломами, интенсивным выветриванием порол и др. Накопленный практический опыт и технико- экономические расчеты показывают высокую эффективность укрепления бортов в сравнении с их выполаживанием. На карьерах, в строительстве тоннелей различного назначения (метрополитенов, автодорожных и др.) открытым способом и на других объектах применяют различные способы укрепления откосов.

3.2. Классификация способов укрепления откосов

По принципу воздействия на укрепляемый массив способы укрепления откосов на карьерах (в специальном и гидротехническом строительстве) делятся на четыре основные группы (таблица 2.1):

«Таблица 2.1»

Группы способов	Основные способы групп
1.Механическое укрепление пород	Анкеры клинораспорные, сталеполимерные, канатные, железобетонные и др. Железобетонные сваи с цементацией пород вокруг сваи. Сваи большого диаметра Железобетонные шпоны Железобетонные плиты Железобетонные стенки Контрфорсы
2.Упрочнение пород	Цементация Смолизация Силикация и электросиликация Термическая обработка Уплотнение энергией взрыва и др.
3.Изоляция пород	Набрызгбетон Покрытие металлической сеткой, другими материалами Смолизация и др.
4.Комбинированные (сочетание способов групп один-три)

3.3. Механические способы укрепления откосов

Сущность укрепления откосов механическими способами основана на перераспределении напряжений в породах массива приоткосной зоны. Воспринимая давление призмы обрушения, укрепительные конструкции и сооружения передают это давление устойчивой части массива, находящейся

за пределами зоны опасных деформаций и обрушений пород. Необходимым

условием применения механических способов укрепления откосов является

наличие прочного, устойчивого массива за поверхностью или юной обрушения (скольжения) или же в основании откоса.

В качестве средств механического укрепления откосов применяют одиночные конструкции (анкеры, тросовые тяжи, сваи, шпон и др.) и сплошные сооружения (подпорные и защитные стенки, контрфорсы). Первые применяют преимущественно для укрепления откосов скальных и полускальных пород, вторые - для предупреждения оползней и укрепления глинистых пород и фильтрующих откосов.

Укрепление откосов является обыденной операцией в управлении геомеханическими процессами, которая надлежит постоянному присмотру за качеством и исполнением данной процедуры.

Существует множество вариантов механических способов укрепления карьерных откосов, далее на рисунке 2 будут приведены схемы наиболее широко применяемых механических способов укрепления карьерных откосов.

Рис. 3.3.1. Способы укрепления карьерных уступов:

1- анкерами; 2 - железобетонными сваями с цементацией пород вокруг сваи; 3- сваями большого диаметра; работающими на изгиб; 4- Анкеры целесообразно применять для укрепления откосов железобетонными шпонами; 5 - анкерными тяжами; б - железобетонными маловыветренных твердых горных пород крупнообломочного, слоистого и пиитами; 7 - контрфорсом, 8 - подпорной гравитационной стенкой; 9 - подпорно-защитной заанкерованной стенкой; 10 - пригрузкой из фильтрующего материала.

Анкеры целесообразноприменять для укрепления откосов маловыветренных твердых горных породкрупнообломочного слоистого и сланцевастого строения. Необходиму длиину стержней определяют мощностью ослабленной зоны, требующей укрепления, и ограничиваются технологическими возможностями их установки. Максимальная длинна анкеров, рекомендуемая к применениюв карьерах, составляеь 4-5 метров. Высокой прочностью закрепления обладают сталеполимерные анкеры, анкеры, замковая часть которых замоноличена цементно-песчаным раствором.

Достоинствами способа укрепления откосов анкерами являются простота установки анкеров, высокая надежность и эффективность их в работе, низкая себестоимость, широкий диапазон условий, в которых они применимы.

Железобетонные сваи - наиболее перспективный вид крепи неустойчивых уступов, подсеченных поверхностями ослабления, подающими в сторону выработки под углами.

Основными достоинствами свайной крепи являются высокая несущая способность свай; простота возведения свай; полная механизация работ; возможность укрепления участков значительной протяженности и большой мощности с глубоким залеганием поверхностей скольжения.

Для укрепления уступов необходимо, чтобы свая была установлена ниже ослабленной зоны на глубину, обеспечивающую сустойчивость. Применяют сваи круглой, квадратной, прямоугольной и трубчатой форм диаметром от 0,2 до 1 м с жесткой и гибкой армату рой. В зависимости от характера деформирования откоса, прогнозируемого давления пород, склонных к обрушению, и прочности свай последние устанавливают в один или несколько рядов.

По характеру в деформирующемся массиве различают сваи, работающие на деформации среза и изг иба. Сван, работающие на срез, имеют обычно сплошное поперечное сечение, на изгиб трубчатое сечение.

Подпорные стенки, относятся к сплошным сооружениям. Они создают единый фронт сопротивления сдвигающимся горным породам, поэтому их применяют для стабилизации оползней глинистых пород.

Подпорные стенки могут оказать сопротивление оползню только в том случае, если ширина их больше фронта распространения оползня, а высота достаточна, чтобы предотвратить обрушение пород через стену; основание (фундамент) стены должно находиться вне зоны действия оползня, в горных породах, обладающих достаточным сопротивлением сдвига. Для удовлетворения этого требования подпорные стены сооружают на прочном

скальном или полускальном основании (рис3.3.2.а), или на свайных фундаментах (рис. 3.3.2.б). Во избежание скопления воды за подпорной стеной и тем самым создания дополнительных напоров, необходимо в подпорных стенах устанавливать на определенном расстоянии дренажные трубы.

Рис. 3.3.2. Схема подпоркой стоит ка скальном основании (а) и свайном

фундаменте (б):

- высота уступа и стенки соответственно. - ширина фундамента;

- глубина свай фундамента.

Подпорно-защитные стенки сооружают для предотвращения вывалов, обрушений небольшого объема и осыпей в откосах, сложенных интенсивно выветривающимися породами. Их устойчивость обеспечивают заделкой фундамента в основание укрепляемого уступа и анкеровкой верхней части стенки.

Тонкие подвесные стенки толщиной 0,05-0,1 м сооружают для предотвращения образования осыпей. Фундаментов они не имеют. Металлическую сетку навешивают на анкеры длиной 1,5- 2.5 м.

Вариантом подвесной стенки являетсязатяжка повехности откоса сборными железобетонными плитами.

Контрфорсы (контрфорс- французкое слово- противодействующая сила) применяют для укрепления откосов уступов нерабочих бортов, капитальных траншей и отвалов рыхлых пород.

Их отсыпают из разрушенных скальных и полу скальных горных пород. Они являются подпорной силой, препятст- вуюшей обрушению (сползанию) порол откосов. По существу они выполняют тс же функции, что и подпорные стены, но. в отличие 01 последних, они менее трудоемки и значительно дешевле. в особенности там, где вскрышные породы скальные.

Размеры контрфорса должны обеспечить породам откоса дополнительное удерживающее усилие. Обрушение пород откоса не произойдет при выполнении условия

(3.1)

Где - давление пород призмы возможного обрушения;

- общее сопротивление контрфорса сдвигу (противодействующая сила);

-коэффициент трения контрфорса по основанию.

Сила может быть определена по формулам

= m*g (3.2)

(3.3)

Где m - масса контраста; g - ускорение силы тяжести; V - объем контрфорса; -объемный вес пород контрфорса.

Данному способу управления устойчивостью откосов присуши и некоторые недостатки: большая собственная масса и большие плошали, требующие значительной ширины берм, на которые отсыпают контрфорсы. Для сохранения ширины берм производят частичную выемку рыхлых порол и замену их скальными.

Обычно контрфорсы не имеют фундаментов, но их отсыпают на специально подготовленное основание с повышенным сопротивлением сдвигу.

Для предотвращения фильтрационных деформаций уступов поверхность откосов уступов пригружают фильтрующим материалом гравием, щебнем, скальными породами вскрыши. Этот способ предохраняет поверхность откоса от размыва сточными волами и препятствует развитию фильтрациом- иых деформаций откоса.

3.4. Упрочнение пород.

Из способов упрочнения породных массивов наиболее широко применяют цементацию. Основную область ее эффективного применения составляют трещиноватые осадочные, магматические и метаморфические породы.

В зависимости от размеров укрепляемых участков бортов карьеров,

цементация может быть поверхностной и глубинной. Поверхностной цементацией упрочняют приоткосные породы на глубину до 7 м от поверхности. Глубинную цементацию применяют для упрочнения больших объемов трещиноватых массивов. Цементный раствор в короткие скважины подается под давлением 0,8-1 МПа. в длинные - под давлением 2-4 МПа и более. Нагнетание цементного раствора производят через веер скважин

диаметром 50-200 мм. пробуренных с верхней площадки уступа или с поверхности откоса (рис.2.4.1). После нагнетания (иногда и до нагнетания) раствора в скважины вводят металлическую арматуру. Армирование пород откосов существенно повышает их прочность и устойчивость. В некоторой мерс арматура работает по принципу железобетонных анкеров, замоноличенных по всей длине скважины. Рис. 3.4.1. Схема расположения цементационных скважин: а - с верхней площадки уступа. б - с поверхности откоса: 1 - зона упрочнения пород.

Сущность силикатизации заключается в том, что при обработке песчаных массивов силикатным раствором заполняются. пустоты, и они приобретают повышенную прочность, водонепроницаемость и водостойкость. Применяют двухрастворную и однорао ворную силикатизацию. Способ упрочнения, при котором в породы нагнетают поочередно жидкое стекло и раствор хлористого натрия, получил название двухрасгворного способа силикатизации. При однорастворной силикатизации в породы нагнетают расгвор жидкою стекла с добавками фосфорной кислоты или серной кислоты и серного алюминия.

Силикатизацию, в отличие от цементации, служащей в основном для упрочнения трещиноватых и слоистых скальных пород, используют для укрепления песков и лессов.

Для упрочнения крупно- и среднезернистых песков с коэффициентом фильтрации от 2 до 80 ч/сут применяют двухрастворный способ силикатизации, а для закрепления как мелких и пылеватых песков с коэффициентом фильтрации 0,5-5 м/сут, так- 11 лессов с коэффициентом фильтрации 0,1-2 м/сут - однорастворный способ силикатизации.

Технология производства работ по силикатизации породных массивов заключается в следующем. Приготовленные растворы жидкого стекла и необходимые добавки по трубопроводам насосными установками нагнетаются через пульт управления и распределяются в инъекторы. Последние забивают в закрепляемые породы пневматическими молотками, механическими копрами, другими средствами. Извлечение инъекторов производят с помощью домкратов или тали, а оставшиеся после удаления инъекторов скважины тампонируют растворами.

В отечественной практике силикатизация получила наибольшее распространение для укрепления оснований фундаментов зданий и сооружений. Успешно применяется способ для силикатизации плывунов при разработке месторождений полезных ископаемых открытым и подземным способами.

Перспективным направлением снижения деформаций пород массивов в бортах и уступах карьеров является укрепление их синтетическими смолами.

В последние годы у нас в стране довольно широко применяют синтетические смолы (полиуретановые и др.) для упрочнения угля нарушенных пластов, отрабатываемых подземным способом. Накоплен и некоторый положительный опит укрепления угля пластов в карьерах.

3.5. Изоляция пород

Для предотвращения разрушения пород в обнажениях от влияния различных агентов выветривания поверхности откосов укрепляют с помощью изолирующих покрытий. Отметим, что выветривание - совокупность процессов физического и химического разрушения минералов и горных пород на месте их залегания под влиянием ветра; колебаний температуры; замерзания и оттаивания воды; газов, находящихся в атмосфере и растворенных в воде; деятельности животных и растительных организмов и др.

При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом на процессы выветривания пород откосов бортов и уступов карьеров оказывают главным образом влияние ветер, осадки в виде дождя и снега, колебания температуры в осенние и весенние периоды. Под воздействием этих факторов происходят наиболее существенное снижение прочности и разрушение пород нерабочих (стационарных) бортов и уступов. В зависимости от степени влияния агентов выветривания на породы применяют изолирующие или защитно-изолирующие покрытия.

В качестве изолирующих покрытий применяют: набрызгостом; металлические сетки (решетки), покрытые тонким слоем на- брызгбетона или торкретбетона; полимерные материалы и др. Наиболее дешевыми и

простыми являются покрытия из набрыз- гбетона по металлической сетке. При толщине бетонного слоя 50- 70 мм такие покрытия обычно устойчивы и долговечны.

Из зашитно-изолируюших покрытий применяют преимущественно

подвесные стенки, металлическую сетку на анкерах, покрытых слоем набрызгбетона толщиной 80-100 мм и др.

1. Органические — получаемые с использованием органических веществ. Это, прежде всего, разнообразные полимеры (например, пенополистирол, вспененный полиэтилен (НПЭ, ППЭ) и изделия на его основе (в том числе отражающая теплоизоляция). Такие теплоизоляционные материалы изготавливают с объёмной массой от 10 до 100 кг/м3. Главный их недостаток — низкая огнестойкость, поэтому их применяют обычно при температурах не выше 90 °C, а также при дополнительной конструктивной защите негорючими материалами (штукатурные фасады, трехслойные панели, стены с облицовкой, облицовки с ГКЛ и т.п.). Также в качестве органических изолирующих материалов используют переработанную неделовую древесину и отходы деревообработки (древесно-волокнистые плиты, ДВП, и древесностружечные плиты, ДСП), целлюлозу в виде макулатурной бумаги (утеплитель эковата), сельскохозяйственные отходы (соломит, камышит и др.), торф (торфоплиты) и т. д. Эти теплоизоляционные материалы, как правило, отличаются низкой водо-, биостойкостью, а также подвержены разложению и используются в строительстве реже.

2. Неорганические — минеральная вата и изделия из неё (например, минераловатные плиты), монолитный пенобетон и ячеистый бетон (газобетон и газосиликат), пеностекло, стеклянное волокно, изделия из вспученного перлита, вермикулита, сотопласты и др. Изделия из минеральной ваты получают переработкой расплавов горных пород или металлургических шлаков в стекловидное волокно. Объёмная масса изделий из минеральной ваты 35—350 кг/м3. Характерная особенность — низкие прочностные характеристики и повышенное водопоглощение, поэтому применение данных материалов ограничено и требует специальных методик установки. При производстве современных теплоизоляционных минераловатных изделий (ТИМ) производится гидрофобизация волокна, что позволяет снизить водопоглощение в процессе транспортировки и монтажа ТИМ.

3. Смешанные — используемые в качестве монтажных, изготовляют на основе асбеста (асбестовый картон, асбестовая бумага, асбестовый войлок), смесей асбеста и минеральных вяжущих веществ (асбестодиатомовые, асбестотрепельные, асбестоизвестковокремнезёмистые, асбестоцементные изделия) и на основе вспученных горных пород (вермикулита, перлита).

3.6. Комбинированные способы укрепления откосов

Комбинированные способы укрепления откосов обычно при меняют в сложных горно-геологических условиях, в которых в отдельности ни одним из рассмотренных способов не может быт» обеспечено надежное управление механическими процессами породных массивах в откосах карьера. В этих условиях наиболее часто применяют железобетонные сваи в сочетании с анкерами железобетонные сваи с анкерами и изоляцией поверхности откос* и другие сочетания способов укрепления.

В общем комплексе работ по управлению механическими про- цессами в породных массивах, разрабатываемых открытым способом, значительное место занимают вопросы управления устойчивостью рабочих и нерабочих берм уступов и способы их укрепления.

Основой специальной технологии управления состоянием пород в бортах карьеров является искусственное укрепление неустойчивых участков и упрочнение горных пород.

По принципу воздействия на породный массив все известные в настоящее время способы укрепления, используемые на карьерах, в гидротехническом и специальном строительстве, разделяются на четыре основные группы (табл. 2.1).

Укрепление механическими способами основано на перераспределении напряжений в массиве горных пород. Укрепительные конструкции и сооружения воспринимают давление призмы обрушения и передают его устойчивой части массива, находящейся вне зоны сдвига. Поэтому необходимым условием применения этих способов является наличие прочного устойчивого массива за поверхностью (или зоной) скольжения или же в основании откоса.

Вторая группа способов преследует цель восстановления в породах нарушенных структурных связей. Упрочнение пород довольно широко распространено в строительстве. В практике открытых горных работ оно находит пока ограниченное применение. Больше других освоен способ цементации трещиноватых скальных пород, но и он применяется в сочетании со сваями и штангами.

Покрытие поверхности откосов изолирующими материалами осуществляется при интенсивном выветривании горных пород. Конструкция покрытий не рассчитана на нагрузки, основное ее назначение — изолировать горные породы от воздействия внешней среды.

В сложных инженерно-геологических условиях, когда один способ укрепления не обеспечивает длительной устойчивости ослабленного породного массива, производится комбинированное укрепление.

Комплексная методика специального воздействия на породный массив включает:

- обоснование области технического применения различных способов укрепления и их вариантов;

- выявление требующих искусственного укрепления участков и зон породного массива, базирующееся на инженерно-геологическом районировании карьерных полей и расчетных методах оценки устойчивости откосов и величины давления горных пород на поддерживающие конструкции и сооружения;

- расчет необходимых объемов укрепительных мероприятий и средств укрепления, базирующийся на методах расчета стальных и железобетонных конструкций и на теории предельного равновесия.

Опыт внедрения методов управления состоянием породного массива на карьерах показывает, что искусственное укрепление (особенно в скальных и полускальных породах) во многих случаях предпочтительнее разноса бортов и дает значительный экономический эффект. Применение искусственного укрепления позволяет увеличить экономически допустимую глубину карьеров. Использование специальной технологии заоткоски при погашении бортов карьеров экономически оправдано, начиная с глубины 10—20 м, т. е. практически со второго уступа от поверхности.

Дата добавления: 2015-08-31