СПОСОБ КОНСЕРВАЦИИ КАРЬЕРОВ С ЗАТОПЛЕНИЕМ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА
METHOD OF PITS CONSERVATION WITH FLOODING OF SELECTED AREA

Изобретение относится к горным работам и может быть использовано при консервации карьеров, дно которых расположено преимущественно ниже естественного уровня грунтовых вод.
В связи с переходом в стране на рыночную экономику с реструктуризацией многих предприятий горной промышленности в последние годы добыча полезных ископаемых на ряде объектов стала нерентабельной и многие карьеры и участки стали консервироваться. При этом, если в результате затопления таких карьеров удается обеспечить сохранение полезного ископаемого, то экологическая безопасность часто не достигается. В результате воздействия волн отмечается значительная абразия берегов с их оползнем и осыпанием.
Известны способы формирования откосов с высокой надводной частью бортов отработанных карьеров, с выполаживанием, созданием противоэрозионных берм и пляжной зоны (Томаков П.И. и др. Экология и охрана природы при открытых горных работах. - М.: Изд-во ИрГТУ, 1994. - С.189-190).
Данный способ предназначен для создания и рационального использования водоемов в отработанных карьерах (в т.ч. в рекреационном направлении) и экономически нецелесообразен при временной приостановке горных работ.
Известен способ рекультивации при открытой разработке месторождений, включающий отработку карьерного поля с последующим выполаживанием поверхности бортов (патент 1062392 по кл. E21C 41/00). При данном способе выполаживание бортов осуществляется до углов откоса, обеспечивающих возможность нанесения на них почвенного слоя. В условиях временной консервации с продолжением последующей разработки месторождения выполаживание бортов до углов, обеспечивающих восстановление биологической продуктивности земель, нецелесообразно из-за значительных затрат как в процессе консервации, так и при расконсервации запасов.
Известен способ восстановления нарушенных земель при открытой разработке месторождений (патент 2109427 РФ, по кл. A01B 79/02), включающий отработку карьерного поля, его выравнивание вскрышными породами. Способ направлен на восстановление плодородия нарушенных земель и связан со значительными трудозатратами, которые не оправданы в случае последующей расконсервации данного объекта.
Известно устройство для укрепления земляного полотна или склонов (патент 2032022 РФ, по кл. E02D 17/20, E02B 3/12), которое включает соединенные друг с другом квадратные рамы, заполненные наполнителем, и анкеры. Устройство обеспечивает эрозионную устойчивость склонов, однако связано с высокой трудоемкостью монтажных и демонтажных работ при консервации объекта.
Известен способ защиты грунтов от эрозии (патент 2267514 РФ, по кл. C09K 17/40), основанный на укреплении склонов с помощью внесения в грунт влагосорбентов и нанесения на поверхность водного раствора поливинилового спирта. Данный способ может быть использован на достаточно пологих склонах с водопроницаемыми рыхлыми породами. Для условий консервации карьеров с достаточно крутыми бортами описанный способ малоприемлем.
Все указанные выше способы достаточно трудоемки и дороги и не могут быть рекомендованы при кратковременной остановке работ. При консервации выработок предотвращение абразии должно осуществляться способом, обеспечивающим минимальные объемы работ при достаточном укреплении бортов карьера и возможность быстрой расконсервации объекта.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ рекультивации нарушенных земель (патент 2325534 по кл. E21C 41/32, Болдырев С.В., Лубочкин И.П., Мухортов В.В. и др. 27.05.2008), который включает раздельную выемку, перемещение и складирование в отдельные ленточные отвалы почвенного слоя и вскрышных пород, отработку карьерного поля, устройство котлована с выполаживанием бортов карьера до крутизны откосов не более 25 градусов с последующим планированием и укреплением бортов карьера по всему его периметру посредством устройства комбинированных набивных свай в раскатанных скважинах и отсыпкой буферного слоя песка с последующей укладкой на него бордюра из камней на цементном растворе, далее по спланированным откосам делают песчано-гравийную отсыпку, а на стенки и дно котлована наносят слой глины толщиной не менее 20 см и утрамбовывают с последующим увлажнением водой. После полного высыхания слоя глины все трещины затирают густой глиной. Затем таким же образом последовательно укладывают еще два слоя глины, последний третий слой глины затирают и в еще влажную поверхность втрамбовывают тонкий слой гравия с крупным песком. После этого дно котлована отсыпают слоем гравия зернистостью 3-5 см или предварительно измельченными до крупности боя 3-5 см строительными отходами в виде битого обожженного кирпича, бетона, железобетона, керамической плитки, а котлован заполняют водой, при этом глубина котлована не должна быть меньше 5 метров.
Общими признаками прототипа и заявляемого способа являются: отработка карьерного поля, устройство котлована с выполаживанием бортов карьера и укреплением их по всему периметру, последующее затопление котлована водой.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что основным недостатком последнего является большой объем достаточно сложных работ, в т.ч. по выполаживанию бортов карьера до угла 25° и их укреплению с помощью набивных свай, отсыпке буферного слоя песка, укладке бордюра из камней на цементном растворе, нанесению нескольких слоев глины с последующей затиркой трещин, втрамбовке слоя гравия с крупным песком и засыпке слоем гравия и отходами стройматериалов. Значительный объем работ необходим при расконсервации объекта.
Изобретение направлено на создание технологии консервации карьеров, обеспечивающей минимальные объемы работ при достаточном укреплении бортов карьера и возможность быстрой расконсервации объекта.
Технический результат заключается в укреплении бортов карьера в зоне абразии (волнового воздействия) имеющимся крупнообломочным материалом, который отсыпается на затапливаемую подпорную насыпь, формируемую в процессе выполаживания бортов, а также в обеспечении возможности быстрой расконсервации объекта.
Технический результат достигается тем, что в способе консервации карьеров с затоплением выработанного пространства, охарактеризованном в п.1 формулы изобретения, включающем отработку карьерного поля, устройство котлована с выполаживанием бортов карьера и укреплением их по всему периметру, последующее затопление котлована водой, согласно изобретению выполаживание бортов осуществляют до достижения угла устойчивого откоса, при этом вдоль нижней затапливаемой части бортов по всему периметру одновременно с выполаживанием бортов из срезаемых пород формируют подпорную насыпь до отметки, соответствующей минимальному уровню воды в котловане, после чего на подпорную насыпь отсыпают защитный слой из крупнообломочного материала до отметки, превышающей максимальный уровень воды в котловане на высоту вкатывания волны.
Многолетние наблюдения за затопленными горными выработками показали, что наиболее интенсивная эрозия бортов карьера происходит за счет абразии. При этом в зоне волнового воздействия борт подмывается с образованием выемки, которая служит причиной последующего осыпания и сползания массива вышележащих пород. Укрепление зоны подмыва защитным слоем крупнообломочного материала позволяет предотвратить абразию и обеспечить необходимую устойчивость бортов. Защитный слой отсыпается на всю часть борта, подверженного волновой эрозии: от уреза воды в котловане в меженный период до отметки, соответствующей высоте вкатывания волны при максимальном уровне воды. Высота вкатывания волны устанавливается по известным зависимостям. Для формирования защитного слоя из крупнообломочного материала создается подпорная насыпь. Насыпь создается из пород, взятых с верхней части борта в процессе его выполаживания до угла устойчивого откоса. Подпорная насыпь отсыпается до отметки, соответствующей минимальному прогнозируемому уровню воды в котловане. Максимальный и минимальный уровни воды в котловане устанавливаются по результатам гидрогеологических изысканий с определением пределов колебаний уровня грунтовых вод, а также по результатам расчетов водного баланса создаваемого водоема в меженный и паводковый периоды.
Технический результат достигается тем, что в способе консервации карьеров, охарактеризованном в п.1 и 2 формулы изобретения, включающем выполаживание бортов до достижения угла устойчивого откоса, формирование одновременно с выполаживанием вдоль нижней затапливаемой части бортов по всему периметру подпорной насыпи из срезаемых пород до отметки, соответствующей минимальному уровню воды в котловане, и отсыпку на подпорную насыпь защитного слоя из крупнообломочного материала до отметки, превышающей максимальный уровень воды в котловане на высоту вкатывания волны, согласно изобретению отсыпку защитного слоя из крупнообломочного материала осуществляют путем сегрегации разнозернистых пород в результате разгрузки горнотранспортного оборудования у верхней кромки бортов котлована.
Отсыпка защитного слоя может осуществляться за счет естественной сегрегации разнозернистых пород в процессе их скатывания по выположенному до угла естественного откоса борту карьера. За счет большого радиуса крупные куски горных пород скатываются быстрее и дальше, поэтому из них формируется защитный слой. Для выполаживания борта чаще всего используются драглайны. В этом случае после создания подпорной насыпи разгрузка ковша экскаватора осуществляется у верхней кромки борта в процессе поворота стрелы. При этом процесс сегрегации пород усиливается за счет центробежных сил инерции.
Технический результат достигается тем, что в способе рекультивации карьеров, охарактеризованном в п.1 и 3 формулы изобретения, включающем выполаживание бортов до достижения угла устойчивого откоса, формирование одновременно с выполаживанием вдоль нижней затапливаемой части бортов по всему периметру подпорной насыпи из срезаемых пород до отметки, соответствующей минимальному уровню воды в котловане, и отсыпку на подпорную насыпь защитного слоя из крупнообломочного материала до отметки, превышающей максимальный уровень воды в котловане на высоту вкатывания волны, согласно изобретению выполаживание бортов до достижения угла естественного откоса осуществляют только выше минимального уровня воды в котловане.
После затопления котлована вода будет подпирать борт, поэтому угол его устойчивого откоса увеличивается (угол естественного откоса рыхлых отложений в воде больше, чем в атмосфере). Поэтому целесообразно выполаживать борт только выше минимального уровня воды в котловане.
Отличия от прототипа доказывают «новизну» заявляемого способа.
Известно выполаживание бортов до достижения угла устойчивого откоса при сухой консервации выработок [Чемезов В.В., Коврыжников В.Л. Землепользование и рекультивация нарушенных земель при разработке месторождений золота и алмазов. - Иркутск: Изд-во ОАО «Иргиредмет», 2007. - С.104-105], что позволяет в отсутствие подтопления обеспечить достаточную устойчивость бортов и откосов. Однако при создании в выработке водоема из-за абразии бортов в результате волнового воздействия с образованием выемки (углубления) вдоль береговой линии их устойчивость обеспечивается кратковременно и начинается процесс обрушения, осыпания пород, расположенных выше уровня воды в котловане. Поэтому устойчивость бортов к эрозии не обеспечивается.
Известны технологии с созданием подпорных насыпей, а также пригрузки откосов крупнозернистым грунтом для обеспечения необходимой устойчивости бортов и откосов отвалов [Вахромеев И.И. и др. Гидротехника в торфяной и горнорудной промышленности. - М.: Недра, 1984, С.109-111, патент 1040152 РФ, E21C 41/00].
Однако в известных технических решениях подпорная насыпь только поддерживает борт от обрушения и осыпания. В предложенном техническом решении она является основанием (базисом) для создания защитного слоя из крупнообломочного материала.
Известны способы защиты бортов от абразии с использованием крупнообломочного материала [Вахромеев И.И. и др. Гидротехника в торфяной и горнорудной промышленности. - М.: Недра, 1984, С.220-222]. Однако в известных технических решениях крупнообломочный материал отсыпают на достаточно пологую поверхность, либо применяют специальные мероприятия по его закреплению (в т.ч. металлические сетки, решетки). В предложенном техническом решении он удерживается в зоне абразии благодаря подпорной насыпи. При этом формирование защитного слоя обеспечивается в процессе скатывания крупнообломочного материала по борту карьера, что значительно упрощает технологию и снижает затраты на создание этого слоя.
Неизвестность влияния признаков, сходных с отличительными существенными признаками заявляемого способа, на технический результат, достигаемый заявляемым техническим решением, доказывает его соответствие условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема консервации с затоплением выработанного пространства:
1 - первоначальный борт карьера до начала консервации;
2 - породы, срезаемые с верхней части борта в процессе его выполаживания;
3 - борт карьера после выполаживания;
4 - подпорная насыпь;
5 - дно карьера;
6 - защитный слой из крупнообломочного материала.
Заявляемый способ консервации осуществляют следующим образом. После частичной отработки карьерного поля производят выполаживание бортов 1 преимущественно с использованием экскаваторов типа драглайн. При этом породы, срезаемые с верхней части борта - 2, укладывают в подпорную насыпь 4 у его нижней части, примыкающей ко дну карьера 5. В процессе выполаживания формируют борт карьера 3 с углом естественного откоса пород γ. Подпорную насыпь 4 формируют до отметки, соответствующей минимальному уровню воды в котловане (УНВ). Объем и ширину насыпи определяют исходя из объема породы, срезаемой с верхней части борта 2. Подпорную насыпь отсыпают с углом естественного откоса разрыхленных пород β. После создания подпорной стенки на нее с использованием горно-транспортного оборудования (драглайнов, экскаваторов типа механическая лопата, погрузчиков, бульдозеров, автотранспорта) отсыпают защитный слой из крупнообломочного материала - 6 до отметки, соответствующей высоте вкатывания волны при максимальном уровне воды в котловане (УВВ). Защитный слой позволяет предотвратить абразию в зоне волнового воздействия и эрозию выше расположенного борта карьера - 3.
Способ консервации, описанный в п.2 формулы изобретения, осуществляется следующем образом. Для создания защитного слоя к борту карьера доставляют разнозернистую породу, которую при разгрузке автотранспорта, перевалке экскаватором, подаче бульдозером отсыпают на выположенный борт карьера 3 и в процессе скатывания и сегрегации формируют защитный слой 6. Для усиления сегрегации пород в процессе разгрузки горной массе придается инерция, в т.ч. за счет центробежных сил, возникающих при движении ковша экскаватора.
Способ консервации, описанный в п.3 формулы изобретения, осуществляют следующим образом. Выполаживание борта 1 осуществляют преимущественно экскаватором типа драглайн или обратная лопата до угла γ до отметки, соответствующей минимальному уровню воды в котловане (УНВ). Ниже уровня воды за счет подпорной насыпи 4 и водных масс в котловане обеспечивается достаточная устойчивость борта от разрушения, сформированного до консервации с углом α.