СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ УСТУПА КАРЬЕРА
OPEN-PIT BENCH REINFORCEMENT METHOD

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой разработке глубоких горизонтов кимберлитовых трубок в условиях криолитозоны Севера.
Известен способ укрепления откосов на карьерах при помощи канатов, пропускаемые через скважины, которые забуриваются с подуступа развала, сформированного из взорванной породы, по меньшей мере, двумя рядами, параллельными простиранию уступа, при этом канаты каждого ряда соединяют друг с другом, натягивают и фиксируют (см. RU 825956, кл. Е21С 41/00, 1981).
Недостатками известного способа являются повышенная опасность проведения работ на развале взорванных пород и высокая трудоемкость ввиду значительной доли ручного труда.
Известен способ укрепления горного массива, который производится из предварительно пройденных подземных горных выработок по периметру карьера в массиве его уступа за пределами зоны сдвижения горных пород в прибортовой части карьера (см. Михайлов Ю.В. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых: Подземная разработка рудных месторождений в сложных горно-геологических условиях: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений - М.: «Академия», 2008. - С.139-143). Способ используется при креплении трещиноватого горного массива. Крепления осуществляется с помощью анкеров, в качестве которых используются металлические тросы. Для усиления устойчивости горного массива стальные тросы устанавливают в скважины с последующей цементацией по веерам скважин. При этом достигают дополнительное усиление естественного свода горной породы. В горной промышленности, полностью зацементированные тросовые анкера используются преимущественно для усиления массива трещиноватых горных пород.
Однако этот способ характеризуется отсутствием рекомендаций по размещению как самих скважин в веере, так и рядов вееров скважин в трещиноватом массиве, а также невозможностью регулирования из подземных выработок сохранения внешней части массива (на его откосе) от возможных обрушений, вывалов, либо осыпаний.
Известен также способ предотвращения осыпания и удержания вывалов пород с откоса уступов на транспортные съезды с использованием тросово-сетчатых завес (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). Основными элементами конструкции тросово-сетчатой завесы являются несущие анкера, комплект тросов различного диаметра, металлическая сетка «рабица», 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, когда велика вероятность вывала значительных объемов пород из массива 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 заявленное изобретение, выражается в повышении эффективности и надежности укрепления локальных участков трещиноватого породного массива.
Технический эффект, 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 уступов карьера с использованием ее элементов, размещенных в предварительно созданных сквозных скважинах.
Для решения поставленной задачи способ укрепления уступа карьера, включающий проходку подземной выработки по периметру карьера в его прибортовой части за пределами зоны сдвижения горных пород, бурение вееров скважин, размещение в скважинах анкеров которые закрепляют твердеющим раствором, отличается тем, что крайние в веере верхнюю и нижнюю скважины бурят в плоскости перпендикулярной продольной оси подземной выработки и выполняют сквозными, причем верхней скважиной пересекают берму уступа между границей его бермы безопасности и нижней бровкой откоса вышележащего уступа, а нижней скважиной пересекают откос укрепляемого уступа выше его нижней бровки, при этом, через названные скважины пропускают трос, концы которого выводят в подземную выработку, обеспечивают натяжение троса, после чего обе названные скважины заполняют бетоном, сохраняя натяжение троса до твердения бетона, кроме того, участок троса, расположенный за пределами скважин, пропускают поверх металлической сетки, размещенной по меньшей мере на поверхности откоса уступа, кроме того, остальные скважины вееров бурят под углом к плоскости, проходящей через крайние верхнюю и нижние скважины веера, с пересечением плоскостей контакта, как минимум двух соседних породных блоков, причем в участки с повышенной трещиноватостью массива направляют как минимум скважины 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.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
В предлагаемом способе новыми признаками являются:
- использование нового принципа укрепления локальных участков трещиноватого массива, как со стороны внутренней, так и внешней его частей;
- применение новой технологической схемы комплексного использования каждой из скважин вееров, пробуренных из подземной выработки для размещения отдельных элементов анкерного крепления как из внутренней, так из внешней частей массива;
- использование новой схемы размещения скважин в веере и рядов вееров скважин в зависимости от параметров трещиноватости укрепляемого локального участка массива.
Все указанные новые признаки исключают недостатки существующих способов крепления локальных участков трещиноватых массивов и обеспечивают следующие положительные свойства:
- длительную сохранность наиболее неустойчивой части трещиноватого массива;
- более надежное крепление замков анкеров при использовании всей длины сквозных подземных скважин с использованием запорных плит для крепления тросового анкера у их устий;
- снижение стоимости и трудоемкости работ за счет использования подземных скважин веера для размещения в них тросовых элементов тросово-сетчатой завесы, вместо значительного числа скважин, забуриваемых с поверхности бермы;
- высокая степень механизации при производстве укрепительных работ.
Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема забуривания рядов вееров скважин из подземных буровых выработок и размещение тросово-сетчатой завесы, на фиг.2 схематически показан ее разрез по линии А-А, фиг.3 - разрез по линии Б-Б, фиг.4 - схема расположения сквозных скважин в буровом штреке (узел 1), на фиг.5 показана схема расположения сквозной скважины с крепежным замком в виде башмака у ее устья (узел 2), фиг.6 - схема размещения тросового анкера в сквозной скважине выходящего на поверхность откоса на всю длину закрепляемого участка тросово-сетчатой завесы, фиг.7 - общий вид укрепленных локальных участков по контуру карьера.
Способ укрепления локальных участков трещиноватого массива карьера осуществляется следующим образом.
скв
Из предварительно пройденных по периметру карьера в его прибортовой части за пределами зоны сдвижения горных пород кольцевых подземных выработок 1, осуществляют забуривание вееров скважин 2 для последующего ввода в них тросовых анкеров 3 и закрепления твердеющим раствором в скважинах 4. Пробуренные в веере сквозные верхняя и нижняя скважины 5 предназначены для пропуска через нее крепежных канатов 7 для последующей навески и крепления на них элементов тросово-сетчатой завесы. При этом верхней скважиной пересекают берму уступа между границей его бермы безопасности и нижней бровкой откоса вышележащего уступа, а нижней скважиной пересекают откос укрепляемого уступа выше его нижней бровки. Устойчивое закрепление крепежных канатов в скважинах обеспечивается анкерными замками (металлическими башмаками) 10, размещенными у их устий, которые при натяжении крепежных канатов при навеске и креплении тросово-сетчатой завесы плотно прилегают к поверхности свода подземной горной выработки в основании сквозных скважин, выполняя функции замка анкера. Для закрепления начала тросового анкера диаметр башмака составляет 3-5 диаметра скважины (d). Крайние веера сквозных скважин размещают по границам локальных участков трещиноватого массива.
Проведение подземных горных выработок ведется традиционными способами с использованием буро-взрывных работ на проходке, либо с использованием комбайнового способа с помощью проходческих комбайнов. Кольцевая подземная горная выработка проходится за границей зоны сдвижения пород борта карьера 11.
Бурение вееров скважин осуществляется из буровой выработки при помощи буровой установки, позволяющей проводить крепление трещиноватого массива тросовыми анкерами длиной от 1,0 до 25,0-40,0 м, например, Cabolt фирмы Tamrock, Установка Cabolt - это полностью механизированная электрогидравлическая буровая установка, которая ведет бурение, манипулирует штангами, подает твердеющий раствор (например, на основе цемента) и тросы. Этот полностью автономный и механизированный агрегат управляется 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. В процессе работы установка Cabolt занимает устойчивое положение с помощью гидравлических домкратов. Твердеющий 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 закрепляют твердеющим раствором. При необходимости увеличение разрывного усилия возможно размещение в скважине двух тросов, при этом будет обеспечено разрывное усилие до 500 кН.
Для тросов бурят скважины диаметром 51 мм. После того как скважина пробурена на необходимую глубину, штанги убирают. Для подачи твердеющего раствора шланг вводится в забой скважины. По мере накачивания раствора в скважину шланг убирается. При этом скважина перегружается раствором примерно на 20%, чтобы исключить образование воздушных карманов.
Подача и обрезка тросов полностью механизирована. За длиной троса можно наблюдать по цифровому глубиномеру. Когда трос установлен, его отрезает гидравлический резак. В случае установки троса в сквозные скважины, он может быть автоматически согнут во избежание выскальзывания.
Для достижения необходимого качества укрепления внутренней части трещиноватого массива расстояние между концами скважин (тросовых анкеров) в веере и расстояние между веерами по горизонтали принимают не более среднего размера структурного блока породы. Кроме того, остальные несквозные скважины веера бурят под углом к плоскости, проходящей через крайние верхнюю и нижние сквозные скважины веера, с пересечением плоскостей контакта, как минимум двух соседних породных блоков, причем в участки с повышенной трещиноватостью массива направляют как минимум скважины вееров, ближайших к этим участкам.
Расстояния между рядами вееров скважин (фиг.3, 7), где устанавливаются крепежные канаты 7 в сквозные скважины 5, определяется длиной локального участка нарушений, но не более 5 метров, исходя из несущей способности крепежных канатов. Для повышения надежности крепления крепежных канатов в сквозных скважинах у их устий располагают анкерные замки (металлические башмаки). В нем закрепляется основание крепежного каната, диаметр башмака не менее 3-5 диаметров скважины (см. фиг.4-6).
Для установки тросово-сетчатых завес на локальных участках поверхности бермы выполняется следующий перечень работ:
- планировка предохранительной бермы 6, на которой предусматривается расположение крепежных канатов и отдельных коротких поверхностных анкеров под тросово-сетчатую завесу;
- тщательная оборка откосов уступов на участках размещения тросово-сетчатой завесы;
- бурение сквозных верхних и нижних скважин 5 из подземных выработок 1 и бурение отдельных коротких скважин 11 с поверхности под короткие анкера для закрепления траверсы;
- установка анкеров с использованием средств механизации;
- сооружение и установка траверсы с использованием бульдозеров, располагающихся на горизонте заложения анкеров и горизонте подъема завесы;
- формирование участков завесы из металлической сетки «рабица», их обвязка;
- соединение траверсой, подъем траверсы с сеткой на необходимую высоту.
Расчет прочности канатов устанавливают из условия, что стальные канаты 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.