БОРТ КАРЬЕРА

Полезная модель относится к горной промышленности и может быть использована при открытой разработке месторождений полезных ископаемых, предпочтительно глубоких горизонтов кимберлитовых трубок в условиях криолитозоны Севера.
Известен борт карьера, включающий откосы уступов и бермы, при этом уступы укреплены канатами, пропущенными через скважины пробуренные из штолен пройденные до выхода на откосы уступов, над нижними бровками их откосов (см. RU 840360, кл. Е21С 41/00, 1981).
Недостатком известного способа является низкая эффективность крепления сильно трещиноватых и слоистых массивов.
Известен также борт карьера, включающий откос, верхнюю и нижнюю площадки, верхнюю и нижнюю бровки и средства укрепления массива, составляющего уступ, выполненные в виде анкеров замоноличенных в веерах скважин, пробуренных в массиве уступа из подземной выработки, пройденной по периметру карьера в его прибортовой части, за пределами зоны сдвижения горных пород, (см. Александров И.Н., Шмырко А.Н., Шубин Г.В., Кирюшин Д.И. Создание безопасных условий отработки сверхглубоких карьеров Якутии: (на примере доработки карьера трубки «Удачная») - Новосибирск: Наука, 2005. - С.21-22). При этом предусмотрено использование тросово-сетчатых завес, основными элементами которых являются несущие анкера, комплект тросов различного диаметра, металлическая сетка «рабица» и элементы соединения. Механизм работы тросово-сетчатой завесы основан на удержании и погашении кинетической энергии падающих кусков породы при осыпаниях или вывалах с откосов уступов борта.
Основным недостатком прототипа является невозможность глубинного укрепления трещиноватого массива, что повышает вероятность вывала значительных объемов пород из массива (превышающего глубину анкерования) с разрушением тросово-сетчатой завесы. Кроме того, данный способ отличают высокие требования к несущей способности анкеров, а следовательно, значительные трудозатраты на забуривание скважин под металлические анкера и их установку в стесненных условиях рабочей зоны.
Задача, на решение которой направлено заявленная полезная модель, выражается в повышении эффективности и надежности укрепления локальных участков трещиноватого породного массива.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в комплексном укреплении трещиноватого массива, как изнутри массива при помощи тросовых анкеров, введенных в веера скважин, обуренных из предварительно пройденной кольцевой буровой выработки, размещенной по периметру карьера в нижней его части, так и с его внешней стороны при помощи тросово-сетчатой завесы, размещенной на локальных участках откосов крутых уступов с использованием ее элементов, размещенных в предварительно созданных сквозных вертикальных скважинах.
Для решения поставленной задачи борт карьера, включающий откос, верхнюю и нижнюю площадки, верхнюю и нижнюю бровки и средства укрепления массива, составляющего уступ, выполненные в виде анкеров замоноличенных в веерах скважин, пробуренных в массиве уступа из подземной выработки, пройденной по периметру карьера в его прибортовой части, за пределами зоны сдвижения горных пород, отличается тем, что крайние в веере верхняя и нижняя скважины веер размещены в плоскости перпендикулярной продольной оси подземной выработки и выполнены сквозными, причем верхней скважиной пересечена верхняя площадка уступа между границей его бермы безопасности и нижней бровкой откоса вышележащего уступа, а нижней скважиной пересечен откос укрепляемого уступа выше его нижней бровки, при этом, через названные скважины пропущен трос, концы которого с натяжением выведены в подземную выработку и замоноличены бетоном, при сохранении натяжения троса до твердения бетона, кроме того, участок троса, расположенный за пределами скважин пропущен поверх металлической сетки размещенной по меньшей мере на поверхности откоса уступа, кроме того, остальные скважины веера выполнены под углом к плоскости проходящей через крайние верхнюю и нижние скважины веера, с пересечением плоскостей контакта, как минимум двух соседних породных блоков, причем по меньшей мере часть объема участков с повышенной трещиноватостью массива, пересечены, как минимум, скважинами вееров ближайших к этим участкам. Кроме того, у устий сквозных скважин установлены анкерные замки, например, в виде опорных башмаков диаметром соответствующим 3-5 диаметрам скважины.
Кроме того, работы по анкерованию укрепляемого массива выполнены до обнажения откоса уступа. Кроме того, у устий сквозных скважин установлены анкерные замки, например, в виде опорных башмаков с размерами соответствующими 3-5 диаметрам скважины. Кроме того, тросы, пропущенные через крайние скважины соседних вееров связаны друг с другом гибкой стяжкой или жесткой траверсой. Кроме того, поверхности уступа придан наклон 70-90° к берме нижележащего уступа.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков формулы полезной модели обеспечивает решение задачи полезной модель, а именно - повышение эффективности и надежности укрепления локальных участков трещиноватого породного массива.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 показаны схемы забуривания рядов вееров скважин из подземных буровых выработок и размещение тросово-сетчатой завесы, на фиг.3 - схема расположения сквозной вертикальной скважины с крепежным замком в виде башмака у ее основания, на фиг.4 - схема размещения тросового анкера в вертикальной сквозной скважине выходящего на поверхность откоса на всю длину закрепляемого участка тросово-сетчатой завесы, фиг.5 - общий вид укрепленных локальных участков по контуру карьера.
Борт карьера формируют следующим образом.
Вдоль проектной поверхности откоса 1 уступа 2 за пределами зоны сдвижения горных пород 3 проходят горизонтальную подземную выработку 4 (по периметру карьера в его прибортовой части). Размеры этой выработки в первую очередь определяются габаритами оборудования, которое будет использовано для бурения вееров укрепляющих скважин и их анкерования. При этом, проектной поверхности уступа 1 придают наклон 70-90° к берме нижележащего уступа.
Далее, осуществляют бурение вееров скважин. Каждый веер включает крайние верхнюю 5 и нижнюю 6 скважины, а также остальные укрепляющие скважины 7. Крайние верхнюю 5 и нижнюю 6 скважины бурят в плоскости перпендикулярной продольной оси подземной выработки 4 и выполняют сквозными, причем верхней скважиной 5 пересекают массив уступа 2 между границей его зоны сдвижения 3 и нижней бровкой 8 откоса 1 вышележащего уступа 2, а нижней скважиной 6 пересекают проектную границу откоса 1 укрепляемого уступа 2 выше его нижней бровки. Остальные скважины 7 веера бурят под углом к плоскости проходящей через крайние верхнюю 5 и нижнюю 6 скважины веера, с пересечением плоскостей контакта, как минимум двух соседних породных блоков 9, при этом, их недобур составляет до 2 метров до проектной границы откоса 1 уступа 2. Далее осуществляют известным образом установку анкеров 10, предпочтительно тросовых, в скважинах 7 веера и нагнетают в них бетон 11 (цементный раствор). Целесообразно закончить эти работы до обнажения откоса уступа, чтобы твердеющий материал в скважинах 7 успел набрать прочность.
После проведения взрывных работ, обнаживших откос 1 уступа 2 (и, соответственно, выход нижней 6 скважины веера на поверхность), осуществляют оборку откоса от заколов и известным образом формируют полотнище сетчатой завесы 12 (например, из металлической сетки «рабица») и размещают ее на необходимых (предусмотренных проектом) участках откоса 1.
Целесообразно выполнять эту работу заранее, формируя сетчатые ленты шириной несколько меньшей ширины бермы уступа, опуская их под действием силы тяжести по уступу сверху вниз, используя для удержания сетки такелажные лебедки и соединяя заготовленные сетчатые ленты друг с другом. После формирования сетчатой завесы 12 на предусмотренную проектом высоту приступают к проводке троса 13, который пропускают таким образом, чтобы он проходил через скважины 5 и 6 и охватывал поверхность откоса 1 (с настеленной на него сетчатой завесой 12), при этом концы троса должны быть заведены в выработку 4. Далее на одном конце троса 13, известным образом фиксируют анкерный замок 14 (например, в виде опорных башмаков с размерами, соответствующими 3-5 диаметрам скважины). Это может быть отрезок швеллера №18 к полке, которому приварена втулка с клиновидным отверстием для пропуска и расклинки конца троса (кроме того, на башмаке имеются отверстия для подачи твердеющего материала). После фиксации одного конца троса 13 проводят его натяжение, например, прикладывая, лебедкой и т.п. устройством тяговое усилие к свободному концу троса. Далее известным образом нагнетают бетон в скважину 6. Целесообразно использовать для этого быстротвердеющие составы бетонов или часть скважины заполнять полимербетонными смесями, формируя пробки из такого материала длиной до 0,6-0,8 м.
Можно провести тампонирование вертикальной скважины 5 заранее, тогда конец троса 13, находящийся в скважине 5 будет надежно зафиксирован и останется только зафиксировать (после натяжения) его второй конец в скважине 6.
Тросы, пропущенные через крайние скважины (5 и 6) соседних вееров скреплены друг с другом гибкой стяжкой (или жесткой траверсой) 15.
Расчет прочности канатов ведут из условия, что они работают на растяжение и изгиб. При расчете канатов, в данном случае, влияние изгиба принято не учитывать. Таким образом, канаты рассчитываются только по разрывному усилию на растяжение по следующей формуле:
S=R/k,
где S - допустимое усилие на канат в кг; R - разрывное усилие каната в кг, полученное по справочным сведениям, из технической характеристики или опытным путем в лаборатории; k - коэффициент запаса прочности каната.
Длительный опыт применения металлических канатов для сооружения тросово-сетчатых завес на глубоких карьерах в условиях Севера позволяет принимать с достаточным запасом прочности металлические канаты максимальным диаметром 32-37 мм с разрывным усилием не менее 139 кг/мм.
Крайние веера укрепляющих скважин размещены по границам локальных участков трещиноватого массива.
Подземные горные выработок проходят известным образом с использованием буро-взрывных работ или проходческих комбайнов. Бурение вееров скважин осуществлено из подземной выработки 4 известным образом, например, при помощи буровой установки, типа Cabolt фирмы Tamrock, которая позволяет проводить крепление трещиноватого массива тросовыми анкерами длиной от 1,0 до 25,0-40,0 м. Установка Cabolt - это полностью механизированная электрогидравлическая буровая установка, которая ведет бурение, манипулирует штангами, подает цемент и тросы. При этом это полностью автономный и механизированный агрегат, управляемый одним человеком. Высокая степень механизации означает улучшенные условия работы и большую безопасность для оператора. Ходовое шасси специально разработано для использования в подземных условиях, его центрально-шарнирное соединение способствует дополнительной маневренности. При этом смешивание раствора происходит в растворосмесителе, расположенном на буровой установке. Перед началом работы установку Cabolt горизонтируют с помощью гидравлических домкратов. Рабочая платформа опускается на необходимый уровень для приема мешков с цементом. Цементный раствор подается в конец скважины через жесткий нейлоновый шланг. Установка имеет собственную систему подачи воды под высоким давлением, которая облегчает оператору процесс очистки смесителя и рабочего устройства. Для размещения тросовых анкеров используются буровые штанги диаметром 32 мм. Управление штангами полностью механизировано и осуществляется дистанционно. На барабане находится 900 м троса. В качестве тросовых анкеров используются стальные тросы с диаметром 15,2 мм с разрывным усилием 250 кН. В скважине трос цементируют цементным раствором. Наилучшие результаты достигаются при водоцементном отношении, равном 0,3. Низкое количество воды обеспечивает хороший предел прочности затвердевшего цемента и прочную связь между цементом и тросом. При необходимости увеличение разрывного усилия установка Cabolt позволяет разместить в скважине два троса, т.е. обеспечить разрывное усилие до 500 кН.
Скважины 5, 6 и 15 выполнены диаметром 51 мм. После того как скважина 15 пробурена на необходимую глубину, штанги убирают. Для подачи цементного раствора шланг вводится в забой скважины. По мере накачивания цементного раствора в скважину шланг убирается. При этом скважина перегружается раствором примерно на 20%, чтобы исключить образование воздушных карманов.
Подача и обрезка тросов полностью механизирована. Для наилучшего сцепления между цементным раствором и тросом последний должен быть чистым, поэтому он находится в нейлоновом шланге на всем расстоянии от задней буровой каретки до пробуренной скважины. За длиной троса можно наблюдать по цифровому глубиномеру. Когда трос установлен, его отрезает гидравлический резак. В случае установки троса в вертикальные скважины, он может быть автоматически согнут во избежание выскальзывания.
Расстояния между рядами вееров скважин, в которых устанавливают, определяется длиной локального участка нарушений, но не превышает 5 м, с учетом несущей способности тросов 19.
Для повышения надежности работы тросово-сетчатых завес на локальных участках поверхности откоса 1 возможно бурение с нее отдельных шпуров (на чертежах не показаны) на глубину не меньшую недобура скважин 14. Эти шпуры используют для закрепления гибких стяжек (или жестких траверс) 15.
Заявленное устройство и его конструктивные элементы работают следующим образом: тросы 19 (после их натяжения) обеспечивают поджимающее усилие на поверхность откоса, тем самым препятствуя его расслоению на отдельные блоки, способные выпасть в рабочее пространство карьера (это реализуется на всех уступах карьера формирующих его борт, укрепленных в соответствии с заявленным решением). При этом заявленная ориентация крайних скважин веера, которые выполнены в плоскости перпендикулярной продольной оси подземной выработки, обеспечивает возможность формирования тросовой стяжки в плоскости перпендикулярной массиву уступа, в которой трос размещен оптимально, с позиции восприятия нагрузки поскольку имеет минимальную длину и нагружен только продольными усилиями.
Заявленное местоположение выхода верхней скважины на берму уступа между границей его бермы безопасности и нижней бровкой откоса вышележащего уступа обеспечивают размещение точки выхода троса из скважины в достаточно устойчивой (не сползающей) зоне бермы уступа.
Заявленное местоположение выхода нижней скважины на откос укрепляемого уступа выше его нижней бровки обеспечивают охват тросовой системой именно откоса уступа, с формированием «ребра жесткости» в массиве уступа, что способствует повышению его несущей способности. троса.
Наличие бетонного заполнения скважин (при условии, сохранения натяжения троса до твердения бетона) обеспечивает возможность оперативного начала работы троса, как элемента усиления (укрепления), сразу после твердения бетона, поскольку выбирается его слабина и осуществляется его предварительное растяжение при натяжении (т.е. тросы сразу начинают работать в упругом режиме, как предварительно напряженная арматура).
Размещение участка троса (за пределами скважин 5 и 6) поверх металлической сетки, размещенной по меньшей мере на поверхности откоса, обеспечивает возможность удержания вывалов достаточно малого размера, величина которых возможно и не опасна для техники, но опасна для людей, особенно при падении этих вывалов из верхней зоны откоса, поскольку обеспечивается формирование сетчатого покрытия «опирающегося» на тросы.
Размещение остальных скважин веера (под углом к плоскости проходящей через крайние верхнюю и нижнюю скважины веера), с пересечением плоскостей контакта, как минимум двух соседних породных блоков обеспечивают расширение укрепляемой зоны массива уступа, в том числе и за счет взаимного заклинивания породных блоков, его составляющих.
Следствием одновременной работы совокупности заявленных признаков полезной модели является минимизация коэффициента вскрыши (очевидно, что если крутизна поверхностей откосов уступов борта карьера возрастает, то при равной площади дна карьера минимизируется объем присекаемых пород вокруг призмы дно которой соответствует площади карьера).