Разработка научных рекомендаций по параметрам внутренних отвалов на Шубаркольском разрезе

ГЕОМЕТРИЯ И КВАЛИМЕТРИЯ НЕДР

I

А нализ горно-геологических, гидрогеологических, физико-географических и горнотехнических условий разработки Шубаркольского месторождения, инженерногеологической характеристики пород и результатов наблюдений за деформациями откосов породных отвалов на разрезе дает возможность установить возможные причины образования и условия, способствующие развитию оползней откосов внутреннего породного отвала, исходя из которых должно осуществляться назначение противооползневых мероприятий.

К основным причинам возможных нарушений устойчивости откосов внутреннего отвала могут быть отнесены следующие: несоответствие параметров отдельных ярусов и отвала в целом горно-геологическим и другим условиям или недостаточная разведанность этих условий; неправильное представление о характере явления вследствие недостаточной изученности либо его недооценки; использование неправильной методики расчета параметров откосов; нарушение технологии ведения отвальных работ; ослабление прочности отвальных пород вследствие изменения их физического состояния при увлажнении, разуплотнении, выветривании, нарушении естественного сложения, в связи с развитием в отвальных породах порового давления и явлений ползучести и т.д.; дополнительная пригрузка откосов ярусов отвала либо участков, прилегающих к их бровкам; динамические нагрузки от действия тяжелого горно-транспортного оборудования.

Условия, способствующие образованию оползней откосов отвала, представляют собой совокупность природных и искусственных условий, облегчающих действие сил, которые приводят к нарушению равновесия масс отвальных пород; к ним могут быть отнесены следующие: наличие в отвальном массиве поверхностей ослабления (слабых контактов в основании отвала, ослабленных зон в теле отвала при раздельном складировании глинистых и более прочных пород вскрыши, а также склонных к самовозгоранию углистых пород); применяемая механизация, профиль многоярусного отвала и его конфигурация в плане, время стояния откосов и т.п.; климатические условия (количество и характер атмосферных осадков, температурный режим) и рельеф основания.

Установленные причины образования и условия развития оползней отвальных откосов с учетом особенностей механизма деформирования пород в приоткосной зоне отвала

положены основу при назначении параметров устойчивых откосов отдельных ярусов и внутреннего породного отвала в целом.

При назначении параметров устойчивых отвалов важное значение имеет правильная оценка прочностных свойств пород тела и основания отвалов, максимально соответствующих их физическому и напряженному состоянию. Для определения показателей физико-механических свойств вскрышных пород и зон ослабления прочности (зона контакта «отвал-основание») использовались данные ПГО «Центрказгеоло-гия», института «УкрНИИпроект», результаты многолетних исследований кафедры маркшейдерского дела Кар-ПТИ, данные нормативной и справочной литературы и литературных источников. Приоритетными считались данные, полученные из результатов обратных расчетов [1,2]. Окончательные значения показателей прочностных свойств в результате анализа и статистической обработки оказались следующими:

Отвальные породы ярусов: к = 2,43 т/м2 (0,0243 Па); р = 20°; у = 2,0*103 кг/м3; а = 35°.

Слабый контакт при отсыпке отдельных ярусов: к' = 1,0 т/м2 (0,010 Па); р' = 12°; у' = 2,0*103 кг/м3. Уплотненное тело отвала:

• отвальные породы:

к = 3,5 т/м2 (0,035 Па); р = 26°.

• слабый контакт:

к' = 1,5 т/м2 (0,010 Па); р' = 120°.

При расчете нагруженных откосов:

• свежеотсыпанные аргиллиты:

к = 2,43 т/м2 (0,0243 Па); р = 200°; у = 2,0*103кг/м3.

• глинистые породы:

к = 2,0 т/м2 (0,020 Па); р = 170°; у = 1,67*103кг/м3.

Расчет параметров устойчивых ярусов внутреннего отвала.

Формирование 1-го яруса внутреннего отвала должно осуществляться по возможности достаточно прочными породами вскрыши (аргиллита-ми, алевролитами, песчаниками и их смесями в различных соотношениях). Основанием яруса повсеместно будут служить углистые аргиллиты почвы пласта, которые, как показано выше, при увлажнении служат слабым контактом. Расчеты выполнялись по программе SPOSH10 для углов наклона слабого контакта от 0 до 12 при расчетных характеристиках указанных в пункте

1.

Предельная высота її в зависимости от угла наклона слабого слоя Р определяется уравнением: ї = - 0,15 Р + 16,8, при г = 0.98 и мг=0,03

Обоснование предельной выгсотыг внутреннего отвала и генерального угла откоса в различным горногеологических условиях

Мульдообразное залегание разрабатываемых пластов угольного горизонта Шубаркольского разреза обуславливает переменный угол наклона слабого основания многоярусного отвала. Для определения генерального угла откоса отвала с изменением глубины разреза были выполнены расчеты предельной высоты устойчивого отвала для значения генеральных углов от 18 до 34 . Расчет выполнялся по программе SPOSH10 для углов наклона основания 0 ,3 , 5 ,7 ,10 по расчетным характеристикам приведенных в пункте

3. Результаты расчетов сведены в таблицу 1.

Обоснование ширины межъярусных берм

Мульдообразное залегание угольных пластов верхнего горизонта обуславливает изменение углов наклона слабого основания и в соответствии с этим, как показывают данные табл. 1, для каждого конкретного генерального угла откоса предельная высота отвала уменьшается с увеличением угла наклона слабого основания.

С помощью таблицы (графиков) можно решать две задачи: определение генерального угла откоса внутреннего отвала для различных высот отвала; определение предельной высоты отвала в зависимости от генерального угла откоса для различных значений углов наклона слабого основания, параметров предельных откосов внутреннего отвала. Поэтому параметры предельных откосов внутреннего отвала изменяются и по площади, и по высоте.

Расчетами было установлено, что при формировании внутреннего отвала в районе выходов угольного пласта при наклоне слабого основания 6,5 следует принимать величину ширины межъярусных предохранительных берм не менее 25 м при высоте яруса Л=15 м и не менее 35 м при высоте яруса h=20 м. На участках складирования пород с углом наклона слабого основания менее 6,5 ширина предохранительных берм должна быть не менее 20 м при высоте яруса h=15 м и не менее 30 м при высоте яруса h=20 м.

Для применяемых на разрезе при транспортировании вскрышных пород в отвал типов автосамосвалов БелАЗ-75405, 7523 и 75191 ширина транспортных берм должна быть не менее 34м с учетом проезжей части, обочин, водоотводной канавки, ориентирующего вала и камнеулавливающего вала у нижней бровки вышележащего яруса; на участках поворота дороги ширина транспортной бермы за

счет устройства удерживающего вала должна быть увеличена как минимум до 40м.

Расчет устойчивости от действия горнотранспортного оборудования

Результаты расчетов показали, что для различных высот ярусов и типов пород, типов автосамосвалов и думпкаров устойчивость нагруженных откосов ярусов будет обеспечена, если ширина предохранительного вала составит не менее 3,0м (что обеспечивается при высоте вала 1м).

Рекомендации по порядку формирования внутреннего отвала и мероприятия по обеспечению устойчивости откосов

В настоящее время внутренний отвал формируется в районе разведочных линий 12-14. Развитие отвала фланговое, начиная с восточного крыла разреза. В работе находятся три яруса отвала (гор. +420м, +435м, +450м). Отсыпка внутреннего отвала в западной части разреза может начинаться после достаточного для размещения ярусов обнажения лежачего бока «Верхнего» угольного горизонта. Для обеспечения долговременной устойчивости откосов отдельных ярусов и внутреннего отвала в целом с учетом проведенных исследований рекомендуется следующее.

1. Формирование нижних ярусов внутреннего отвала должно начинаться при наклоне слабого основания (контакта) менее 12 и осуществляться по возможности наиболее прочными вскрышными породами (аргиллитами, алевролитами, песчаниками) глубоких горизонтов разреза. Складирование в нижние ярусы глинистых пород верхних горизонтов (зоны выветривания), а также склонных к самовозгоранию углистых аргиллитов надугольной пачки не допускается.

2. Высота 1-го яруса при углах наклона слабого основания от 12 до 4 повсеместно должна приниматься равной 15 м; при меньших углах наклона основания при складировании в нижний ярус наиболее прочных пород глубоких горизонтов при необходимости высота яруса может быть увеличена до 20 м.

3. Для вышележащих ярусов, основанием которых будут служить устоявшиеся породы нижних ярусов, высота устойчивого яруса должна приниматься с учетом технологических соображений равной 15-20 м.

4. Учитывая изменяющиеся горно-геологические условия по глубине и площади разреза построение рабочего борта внутреннего многоярусного отвала по стадиям его формирования должно производиться с учетом технологических соображений с обязательной последующей проверкой на устойчивость по ряду разведочных линий исходя из высоты отвала и угла наклона слабого основания. При этом ширину межъярусных предохранительных берм следует принимать:

• для участков с углом наклона слабого основания Р ^ 6,5°:

при hяр=15м - не менее 25 м;

при hяр=20м - не менее 35 м;

• для участков с углом наклона слабого основания Р < 6,5 :

при hяр=15м - не менее 20 м;

при hяр=20м - не менее 30 м.

Таблица 1

ПАРАМЕТРЫ ПРЕДЕЛЬНЫХ ОТКОСОВ ВНУТРЕННЕГО ОТВАЛА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УГЛАХ НАКЛОНА ОСНОВАНИЯ

Генеральный угол откоса а, град. Предельная высота отвала Н, при угле наклона слабого основания р, град.

О р = 0 О 3 II р О 5 II р О Р = 7 О р = 10

18 да >800 >800 334,1 145,2

20 да 460,8 207,9 134,3 91,4

22 262,0 140,3 105,9 85,2 66,6

24 113,7 85,3 72,2 62,6 52,6

26 74,9 62,3 55,6 50,2 43,8

28 56,9 49,8 45,7 42,1 37,7

30 46,5 41,9 39,1 36,6 33,3

32 39,8 36,5 34,5 32,5 30,0

34 35,0 32,5 30,9 29,4 27,3

Следует учитывать, что указанные размеры предохранительных берм является минимально допустимыми для конечной стадии формирования отвала. В процессе отсыпки ярусов отвала общий угол рабочего борта многоярусного отвала должен быть значительно меньше предельного, а размеры предохранительных берм - существенно большими.

5. При формировании торцевых частей внутреннего отвала в районе выездной траншеи определение генерального угла наклона и параметров межъярусных берм следует производить, принимая угол наклона слабого основания Р=0 ; на закруглениях внутреннего отвала угол наклона слабого основания Р принимать с учетом разворота угла падения откоса внутреннего отвала относительно падения слабого основания.

6. С учетом применяемых на разрезе типов автосамосвалов ширина транспортных берм должна приниматься:

• на прямолинейных участках дороги - не менее 34 м;

• на поворотах дороги - не менее 40 м.

7. По условию сохранения устойчивости откосов разгрузка автосамосвалов на верхних площадках ярусов непосредственно под откос при наличии предохранительного вала с размерами ЕПБ [1] является допустимой для всех типов отсыпаемых пород, кроме переувлажненных глин.

8. Инженерная подготовка основания в виде зачистки подошвы от слабых углистых аргиллитов либо рыхление пород в основании отвала, по нашему мнению, является нецелесообразной, т.к. при больших дополнительных затратах не дает ощутимого эффекта.

60. Шпаков П.С. Метод обратных расчетов при оценке устойчивости карьерных откосов. Москва, МГГУ, ГИАБ, 1997 г., с. 88-92.

9. Для обеспечения более полного рассеивания порового давления в основании отвального яруса ширину заходки следует принимать максимально возможной исходя из под-вигания добычных работ и положения границ обнажения лежачего бока пласта.

10. В период обильных атмосферных осадков при формировании нижних ярусов на переувлажненное основание с углами падения до 20 с целью снижения избыточного по-рового давления в зоне слабого контакта рекомендуется устройство по основанию дренажных насыпей высотой 1,5 м из крепких хорошо фильтрующих пород нижних вскрышных горизонтов, располагая их через 15-20 м параллельно фронту развития яруса. Длина насыпей должна быть на 5-10 м больше ширины заходки.

11. При складировании в отвальные ярусы пород с различных вскрышных уступов, обладающих резко различными характеристиками сопротивления сдвигу, не допускать отсыпку слабых глинистых пород слоями по поверхности откоса, создающими косослоистое строение отвала; для повышения устойчивости отвальных ярусов следует стремиться к максимальному усреднению состава отсыпаемых пород. Слабые глинистые породы складировать на верхних ярусах отвала площадным способом либо вывозить во внешние отвалы.

12. Для недопущения инфильтрации в тело отвала скапливающихся на верхних площадках ярусов атмосферных вод следует организовать их сток в сторону водосборных канав.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

61. Попов И.И., Шпаков П.С., Поклад Г.Г. Устойчивость породных отвалов, Алма-Ата: Наука, 1987 г., 224 с.

Поклад Генадий Гаврилович - профессор, доктор технических наук, Воронежский Агроуниверситет.

Шпаков Петр Сергеевич — профессор, доктор технических наук, Муромский институт В.іадимирскої о і осударсікснної о университета.

и ТТ