Определение параметров внешних отвалов на Шубаркольском разрезе

П.С. Шпаков, д.т.н., проф., Г.Г. Поклад, к.т.н., проф., В.Н. Долгоносов,

МИ ВлГУ, Воронежский Агроуниверситет, КарТУ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВНЕШНИХ ОТВАЛОВ НА ШУБАРКОЛЬСКОМ РАЗРЕЗЕ

При решении вопросов устойчивости откосов уступов и бортов разрезов нельзя отделять такой важный технологический процесс, как отвалообразование. В общем комплексе горных работ отвальное хозяйство занимает 10-30 %. Отвалообразование,

как и горные работы в разрезе, в ряде случаев сопровождается оползневыми явлениями. Поэтому вопрос устойчивости откосов отвалов ставится наряду с устойчивостью откосов разрезов в число важнейших.

Отвальные работы - это неотъемлемая часть, одно из звеньев технологического процесса открытых работ. Они характеризуются значительной трудоемкостью и довольно высокой стоимостью. Правильный выбор местоположения отвалов и их параметров, исключающих оползни и деформирование отвального массива, а также способа отвалообразования имеет, как и другие технологические процессы, большое значение для организации и осуществления ритмичной, высокопроизводительной добычи угля на разрезах.

На разведочно-эксплуатационном разрезе принята транспортная система разработки. Вскрышные породы вывозятся на внешние прибортовые отвалы автомобильным и железнодорожным транспортом. С достижением горными работами горизонта 430 м часть вскрышных пород вывозится во внутренние отвалы автотранспортом. Внешние отвалы занимают площадь, равную 3.4 млн м2 , в том числе: автомобильные-1.69 млн .м2 и железнодорожные-1.71 млн м2 . Железнодорожные отвалы размещаются на прибор-товой площади между выездными траншеями и развиваются в сторону выработанного про-

6 і 1999

странства, со временем занимая его. Создание внутреннего автомобильного отвала позволяет снизить транспортные затраты и предупредить сползание стационарного борта за счет пригрузки его внешними отвалами.

Формирование внутреннего отвала начинается, когда угол падения почвы угольного горизонта

о

будет меньше 12 . Постепенно весь автотранспорт переходит на отвалообразование только в выработанном пространстве.

Устойчивость отвалов достигается соблюдением параметров от-валообразования, соответствующих физико-механическим свойствам отсыпаемых пород и грунтов оснований, инженерногеологическим условиям площадки и технологии отвалообра-зования. Формирование отвалов Шубаркольского разреза осуществляется в довольно благоприятных инженерно-геологических условиях. Тем не менее периодические случаи деформаций откосов отвала вызывает необходимость их тщательного изучения, в результате чего могут быть уточнены значения физико- механических характеристик пород, слагающих отвалы. Одним из таких оползней был оползень на северном борту 2го яруса Восточного отвала. В районе оползня отсыпаемые породы представлены преимущественно аргиллитами в смеси с глинами верхних горизонтов. Кусковатость отсыпаемых пород по высоте отвала крайне неравномерная: от нескольких мм до 10-15 см в верхней зоне и до 1 м в нижней зоне откоса. Указанные породы нарушенной структуры отличаются малой стойкостью против выветривания. Коэффициент разрыхления пород принимался равным в среднем 1.2. Основанием 2-го яруса отвала являются уплотненные

породы нижележащего яруса аналогичного состава.

На участке оползня высота отвала достигала Н=24-24.5 м при

угле естественного откоса О = 35. В начальный период развития оползня на верхней площадке отвала в зоне разгрузки возникла серия трещин уплотнения, параллельно верхней бровки отвала. В дальнейшем происходило раскрытие этих трещин с постепенной осадкой приоткосной части отвала вплоть до обрушения откоса. в результате деформирования отвала на отстоянии 9-10 м от бровки отвала образовалась вертикальная стенка отрыва высотой до 3-х метров .

Смещение пород в нижней части отвала относительно первоначального положения распространялось до 17 м, что повлекло за собой выполаживание откоса до

о

20-22 с изменением его конфигурации; длина деформируемого участка откоса составила 100 м.

Следует отметить, что условия развития оползней откосов бульдозерных отвалов имеют некоторые особенности, связанные стехноло-гией отвалообразования. Формирования таких отвалов путем разгрузки автосамосвалов под откос или сталкивания пород бульдозером отличается малой скоростью подачи породы в отвал. Под действием движущихся горнотранспортных механизмов (автосамосвалов, бульдозеров) происходит уплотнение лишь поверхностных слоев пород. В процессе отсыпки пород под откос в результате естественной гравитационной сортировки в нижней части яруса формируется слой, состоящий из крупных (до 1 м) кусков породы. С течением времени под действием давления вышележащих слоев наиболее

237

Таблица 1

Результаты обратных расчетов оползня__________________________________

Номера разрезов Круглоцилиндрическая поверхность скольжения Поверхность скольжения, построенная по векторам сдвижения Средние

Сцепление к, т/м2 Угол внутр. трения р, град. Сцепление к, т/м2 Угол внутр. рения р, град. Сцепление к, т/м2 Угол внутр. трения р, град.

1-І 2,52 17,72 2,29 17,97 2,41 17.85

П-П 2,63 16,8 2,60 16,46 2,61 16,63

ш-ш 3,17 16,25 2,81 16,64 2,99 16,45

слабые породы разрушаются и заполняют макропоры, приводя к уплотнению отвальных пород и их осадкам. Поскольку уплотнение и осадка пород развивающегося отвала протекает неравномерно по площади отвала, это приводит к образованию на верхней площадке серий скрытых и зияющих трещин. Атмосферные воды, просачиваясь по трещинам вглубь отвального массива, существенно снижают прочность пород, что может привести к деформациям откоса. В результате под действием вышележащих пород происходит выдавливание пород нижнего слоя в сторону откоса с полным нарушением устойчивости отвала. Подобная картина возникает также при вывозе в отвалы смешанных со снегом пород.

Характерным для рассматриваемых оползней является отсутствие выпора в основании отвала, что свидетельствует о достаточной несущей способности пород основания. следовательно, в этих условиях параметры устойчивого отвала определяются физико-механическими свойствами отсыпаемых пород, возможными их изменениями под воздействием природных агентов (воздуха, ветра, солнца, атмосферных осадков, температурных колебаний и т.п.). Формой откоса в плане, углом наклона основания, а также режимом отсыпки отвала.

Таким образом напрашивается вывод, что параметры отвальных откосов не соответствуют действительным прочностным характеристикам отвального массива. При расчете параметров предельных откосов представленных смесью ко-

ренных пород и отсыпаемых на четвертичные отложения, были использованы следующие исходные данные, которые были рекомендованы институтом "УКРНИИпроект" по результатам лабораторных испытаний:

Породы отвала:

Р = 34°; к = 4.5 т/м2; у = 2.21 т/м2 .

Контакт в глинах основания: р

° о

= 10; к=1.0 т/м2 .

При п=1.2 для пород отвала расчетные параметры будут равны:

° 2 р =28 ; к = 3.7 т/м ; угол откоса

о

отвала О =35 .

По данным "УКРНИИпроект" по условию устойчивости предельная высота отвала рекомендована Н=37 м. Однако даже беглый анализ показывает, что полученные значения прочностных характеристик явно завышены. Например, выполненные по приведенным выше данным расчеты по [1] говорят о том, что предельная высота отвала равна Н пред. =121 м. Конечно, формирование одноярусного ото

вала высотой Н = 121 м при О=35 нереально. Этому можно дать простое объяснение. Приведенные прочностные характеристики получены по данным лабораторных испытаний на приборах с малой площадью сдвига. Как показывают многочисленные исследования, в том числе и наши [2], прочностные характеристики отвальных пород, полученные в лабораторных условиях, всегда завышены: для сцепления в 2-5 раз, угла внутреннего трения -до 1.5 раз. Наиболее надежные данные могут дать специальные

натурные испытания или результаты обратных расчетов оползней отвальных откосов.

С целью определения показателей прочности пород на сдвиг в момент нарушения предельного равновесия откоса нами были выполнены обратные расчеты оползня Восточного отвала по трем разрезам.

Обратные расчеты оползней и обрушений карьерных откосов дают возможность достаточно надежно установить значения прочностных характеристик горных пород (угла внутреннего трения р и и сцепления к) по фактическим поверхностям скольжения с учетом природных факторов, определяющих развитие оползневых процессов.

Расчет показателей прочностных свойств пород (р и к ) массива на участке оползня выполнялся по разработанной нами усовершенствованной методике обратных расчетов с использованием программы SS01 для ЭВМ /2,3/.

Обобщенные результаты расчетов приведены в табл.1 Средневзвешенные характеристики по всем разрезам исходя из данных табл. 1 получены следующие:

О °

к =2.67 т/м2 ; р = 17 .

Как видно, полученные прочностные характеристики существенно отличаются от характеристик, полученных институтом "УКРНИИпроект" из лабора торных испытаний. Поэтому за окончательные результаты принимаем данные, полученные из метода обратных расчетов оползней. В /4/ рекомендуется вводить в расчетные характеристики коэффициент запаса п=1.2. В рассматриваемом случае в связи с высокой достоверностью получения значений к и р на основе обратных расчетов, учитывающих совокупное влияние всех природных и технологических факторов в

конкретных условиях формирования отвала, рекомендуемая величина п представляется преувеличенной и в принципе могла бы быть принята равной п=1.00-1.05. Однако в рассматриваемых условиях для исключения случайных проявлений неблагоприятных явлений (таких как избыточное увлажнение отвальных пород и грунтов основания в результате обильных атмосферных осадков, резкие перепады высот земной поверхности локальных участков территории, отвалообразования и т.п.) и повышения надежности определения параметров устойчивого отвала в показатели сопротивления пород сдвигу нами вводился коэффициент запаса п =1.1 т.е. расчетные показатели равны:

к расч=2.43 т/м ; р расч= 15.6 ;

у =2.0 т/м3; О = 35 .

Достоверность определения параметров устойчивых уступов и бортов карьеров и оценки степени устойчивости горных пород в откосах связана с выбором надежного метода расчета, соответствующего горно-геологическим и горно-техническим условиям разработки месторождений.

Нами использовалась методика разработанная под руководством профессора П.С. Шпакова, которая одним из составных элементов включает пакет прикладных программ для решения комплекса задач устойчивости свободных и нагруженных откосов, а также мно

гослойных откосов для различных горно-геологических условий, правомерность использования которых подтверждено практикой [2,4,5].

Для определения параметров предельного откоса одноярусного и многоярусного отвала использовались программы PREDALP и SPSP01. Окончательные результаты расчетов приведены в табл. 2.

так и для отдельных сочетаний ярусов находятся с некоторым запасом, что позволяет уменьшить ширину площадок между ярусами.

Проведя ряд дополнительных расчетов с целью выявления такого контура отвала, который имел бы максимальную вместимость и в тоже время оставался устойчивым, как сам, так и отдельные группы ярусов, окончательно по-

Таблица 2

Параметры предельного отвала

Предельная высота Н, м 60 50 40 30 20

Предельный угол О,, град. 21.6 22.6 24.4 27.5 35

Таким образом, максимальная высота яруса отвала, рассчитанная по прочностным характеристикам, полученным из метода обратных расчетов оползней, составит Н пред = 20.0 м.

По параметрам предельного откоса был построен контур выпуклого профиля отвала высотой 60 м (проектная высота). В этот контур был вписан трехъярусный отвал, высота ярусов равнялась 20 м. Берма безопасности между первым и вторым ярусом составила 30 м, а между вторым и третьим ярусами-35.9 м. После построения контура трехъяруснсного отвала была осуществлена проверка его устойчивости по программе TKZY72. Результаты расчетов показали что все поверхности скольжения, как для всего отвала ,

лучим контур отвала который приведен на рис.1. Возле каждой поверхности скольжения подписаны значения коэффициента запаса устойчивости (рассчитанные для откосов находящихся в предельном состоянии).

Выполненные поверочные расчеты показывают, что в процессе формирования отвала путем последовательной отсыпки ярусов его устойчивость будет обеспечиваться. Исходя из реального состояния Восточного отвала отсыпка его в три яруса высотой по Н=20 м каждый возможна только в северной части отвала, транспортирование пород в которую производится железнодорожным транспортом. На действующем участке отвалообразования с автомобильным транспортом к настоящему

6 і 1999

237

времени отсыпаны три яруса со средней высотой 15 м. Поэтому аналогично предыдущему был выполнен расчет четырехъярусного отвала, позволивший определить параметры отвала обеспечивающие его максимальную вместимость с одновременным обеспечением его устойчивости. Окончательные параметры приведены на рис.2.

По рекомендуемым параметрам институтом КАРАГ АНДАГИП-РОШАШТ составлен проект и внедрен на производстве.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Расчет устойчивости реальных карьерных откосов для геомеханической модели неоднородного массива /Шпаков П.С., Поклад Г.Г.,Ожигин С.Г.7 Омаров С.Т/ Изв.вузов. Горный журнал.- 1991.-N 9.- С. 51-55.

2. Попов И.И., Шпаков П.С.,Поклад Г.Г. Устойчивость породных отвалов.-Алма-Ата: Наука, 1987.- 223 с.

3.Поклад Г.Г.,Шпаков П.С., Ожигин С.Г.Комплексный подход к обоснованию показателей сопротивления сдвигу пород прибортового массива на основе обратных расчетов оползней //

Сб.науч.тр.- Серия "Горное дело". Вып.2/ КарПТИ.- Караганда, 1994.-С.113-118.

4. Временные методические указания по управлению устойчивостью бортов карьеров цветной металлургии /Министерство цветной металлургии СССР, УНИПРОМЕДЬ.- М.: 1989.-127с.

5. Шпаков П.С., Поклад Г.Г. Обоснование геомеханических моделей и расчетных схем для решения задач устойчивости карьерных откосов на ЭВМ // Изв. вузов. Горный журнал.- 1993.- N 9.- С. 60-67

© Шпаков П.С.